새로운 연구 결과에 따르면, Toshiba의 과학자들은 사실상 도청 및 해킹이 불가능한 양자 통신 광자 칩 시스템을 개발했다. 이 시스템은 장거리 화상 통화를 보장할 수 있는 충분한 성능과 며칠 동안 계속 작동하기에 충분한 안정성을 갖추었다.

전 세계적으로 개발 중인 양자 컴퓨터는 현재 보안 통신에 사용되는 암호화 기술을 이론적으로 깨뜨릴 수 있다. 이러한 위협에 대응하기 위해 전 세계 과학자들은 공격을 견딜 수 있는 양자 암호 기술을 개발하고 있다.

암호화는 메시지 내용을 해독하는 키를 공유하는 발신자와 수신자에 따라 달라진다. 양자 키 배포를 통해 발신자와 수신자는 동시에 생성되는 광자 쌍(pairs of photons) 입자로 암호화되는 임의의 비밀 키를 공유한다. 각 광자는 그것의 다른 쌍과 연결되거나 얽혀 있으므로 이러한 키를 가로채려는 잠재적인 도청자의 데이터 변경 시도는 발신자와 수신자에 의해 감지될 수 있다. Toshiba는 양자 키 배포 시장이 2035년까지 전 세계적으로 약 200억 달러로 성장할 것으로 예상한다.

이전 연구에서는 광자 칩에 양자 송신기와 수신기를 통합했다. 그러나 Toshiba는 초기 작업에는 양자 난수 생성기를 통합하지 않았고 암호화 시스템의 키가 실제로 예측할 수 없고 따라서 안전하다는 것을 증명하기 어려웠다고 언급했다.

“지금까지 양자 키 분배를 위한 광자 집적 회로의 시연은 단일 구성 요소(양자 키 분배 송신기, 양자 키 분배 수신기 또는 양자 난수 생성기)로 제한되었다.” 연구 주 저자이자, 영국에 있는 Toshiba 유럽 캠브리지 연구소의 연구 과학자인 Taofiq Paraiso가 말했다.

Paraiso와 그의 동료들은 초당 40억 비트의 속도로 작동하는 칩 기반 양자 난수 생성기와 양자 송신기 및 양자 수신기 마이크로칩을 결합하는 보안 양자 통신 시스템을 만들었다. 실험에서 “시스템은 장섬유(metropolitan fiber) 길이에서 작동하고 사용자 개입 없이 며칠 동안 고성능을 유지하는 것으로 나타났다.”라고 Paraiso가 말했다.

연구원들은 10km 광섬유를 이용한 실험에서 약 5일 동안 초당 약 470k비트의 키 생성 속도를 달성했으며 이는 화상 통화를 보호하기에 충분하다. 50km 광섬유를 이용한 실험에서는 약 12시간 동안 초당 약 28k비트의 속도를 달성했다.

모든 광자 칩은 기존 반도체 공정을 사용하여 제조되었으며 Toshiba는 양자 통신의 대량 배포로 이어질 수 있다고 말했다. 이러한 반도체 회로는 양자 키 분배에 일반적으로 사용되는 광섬유보다 훨씬 작고 가벼우며 전력 소모도 적다.

연구원들은 시스템이 서버에서 볼 수 있는 소형 1U 랙마운트 케이스에 조립될 수 있다는 것을 증명했다. 칩은 고속 통신에서 널리 사용되는 CFP2(Cform-Factor Pluggable-2) 모듈에 패키징된다. 또한, 연구원들은 시스템을 상업용 산업 등급 암호생성기와 연결하여 초당 최대 1000억 비트의 안전한 데이터 전송이 가능하다는 것을 시연했다.

시스템의 광자는 단일 광자 감지기를 사용하여 감지되며, Paraiso는 이 연구에서 이러한 센서를 칩에 통합하지 않았다고 말했다. “이것이 시장 진출을 방해하지는 않지만 온칩 단일 광자 검출기는 시스템의 비용과 크기를 더 줄일 것이다.”