초록 ▼

Ⅲ. 연구개발 결과
가. 정량성과
❍ 양자키 관리 시스템(QKMS) 설계 연구 및 프로토타입 동작 검증
⦁ 양자암호 기반 보안 전송환경, 양자키 관리 환경 구축을 위한 기술개발 로드맵 수립 1건
⦁ 양자암호 기반 과학기술연구망 구축, 양자암호통신 서비스를 위한 양자키 관리/활용기술을 구분하여 필요 기술개발 사항 도출
⦁ 현재까지 진행된 양자암호통신 관련 국내외 표준, 산학연 연구 동향 분석
⦁ N:N QKD 시스템 지원가능한 양자키 관리 시스템(QKMS) 프로토타입 개발
⦁ 양자키 계층연동, 장

Ⅲ. 연구개발 결과
가. 정량성과
❍ 양자키 관리 시스템(QKMS) 설계 연구 및 프로토타입 동작 검증
⦁ 양자암호 기반 보안 전송환경, 양자키 관리 환경 구축을 위한 기술개발 로드맵 수립 1건
⦁ 양자암호 기반 과학기술연구망 구축, 양자암호통신 서비스를 위한 양자키 관리/활용기술을 구분하여 필요 기술개발 사항 도출
⦁ 현재까지 진행된 양자암호통신 관련 국내외 표준, 산학연 연구 동향 분석
⦁ N:N QKD 시스템 지원가능한 양자키 관리 시스템(QKMS) 프로토타입 개발
⦁ 양자키 계층연동, 장거리 전송 및 관리, 보안 서비스 제공을 목적으로 하는 KMA(Key Management Agent), KRA(Key Relay Agent), KSA(Key Supply Agent) 기술개발/검증 기반 관련 프로그램 개발 2건
⦁ 도청자 존재를 효율적으로 판별할 수 있는 QKD 시스템 개발 및 양자키 전달/확장 시스템 구현 방법 제안을 통하여 특허 3건 확보

❍ 2-way Plug&Play QKD 시스템 검증 및 성능 고도화
⦁ 단일 광자 사용은 QKD 프로토콜 성립을 위해 반드시 필요한 조건이며, 약한 레이저 펄스를 활용하는 본 실험의 경우 펄스 당 평균광자 수가 충분히 낮은 지 검증해야 함. 광출력 측정을 통하여 평균 광자수가 펄스 당 0.5개 미만임을 확인함. 이는 준단일광자 활용 QKD 실험을 위한 합리적인 수준임
⦁ 온도 변화 로그 데이터 확보 및 급격한 온도 변화에 따른 키생성률 영향 분석을 통한 광 시스템 모니터링 검증
⦁ QKD 시스템에 20km 양자채널 연동 시 7.5~8.75%의 오류율(QBER)이 존재하는 상황에서 1126~1140bps의 키생성률 생성, 40km 양자채널 연동 시 6.19~8.12%의 오류율(QBER) 존재 상황에서 378~402.13bps의 키생성률 생성 검증
⦁ Decoy 상태 프로토콜은 weak coherent pulse에 대한 공격 대비를 위해 필요함. Signal 상태 신호와 다른 신호 세기를 갖는 Decoy 상태 생성 검증

❍ WDM 기반 QKD 시스템 및 IPSec 다중화 장비 개발
⦁ 현재 QKD 시스템 구축하는데 있어 다크 파이버 사용, 단대단 통신만 지원, 고가의 장비 등 다양한 요건에 의해 큰 비용이 필요함. 과학기술연구망의 특성에 맞는 QKD 시스템 구축 및 비용절감을 위하여 시스템 관련 채널다중화가 필요함
⦁ 개발한 QKD 다중화 장비는 다중화를 위한 WDM Mux/DeMux, Q-IPSeC 기능부로 구성됨. WDM Mux/DeMux부는 데이터, 후처리 데이터, 클럭 동기와 QKD 신호를 다중화하며, 각 신호는 다중화 전에 서로 다른 파장으로 변환하는 Mapper와 WDM을 통과함. Q-IPSeC 기능부는 Xilinx FPGA 내부에 로직으로 구현됨.
⦁ 데이터, QKD 신호는 1550+/-15nm 대역의 파장을 사용하며, CWDM Combiner/Splitter를 사용하여 다중화된 데이터 신호를 1550/1310nm WDM을 사용하여 결합하는 방법으로 다중화함.

❍ 산학연 연구협력 체계 구축 및 기술 교류·협력 추진
⦁ 산학연관 협력을 위한 플랫폼으로서 한국정보보호학회(KIISC) 양자보안연구회 설립
⦁ KISTI, ETRI, SKT, KT, LG U+, EYL 국방부, 과기정통부 소속 양자분야 산학 연관 전문가가 참여한 양자보안연구회 워크숍 주관
⦁ 미국 에너지국(Department of Energy) 소속 Argonne Lab, 스위스 CERN 연구소, 일본 NICT 소속 전문가와 워크숍 통한 기술교류 추진
⦁ 양자암호통신 서비스화 관련 연구기술 교류를 위한 KSC 2021과 SDN/NFV 포럼 Q-KaaS(Quantum Key as a Service) 워킹그룹 조인트 워크숍 추진

❍ 양자키 활용 및 고도화를 위한 연계기술 연구
⦁ 한국항공우주연구원(KARI) 협력하에 국가위성정보 활용에 양자암호통신 기술을 적용하기 위한 연구 추진
⦁ IDQ의 QKD 장비, 우리넷의 암호화 장비를 활용하여 KARI-KISTI 간 양자암호 통신망 구축 및 성능 검증
⦁ 분당서울대병원과 협력하에 원격지 간 민감한 의료정보 전송 시 양자, 동형암호 기술을 적용하여 의료정보를 암호화하기 위한 연구 추진.
⦁ 기존 동형암호 기술 비교분석을 통한 활용 기술 선정 및 프라이버시 보존 질병위험 자가진단 애플리케이션 개발

나. 정성성과
❍ QKD 기술활용을 위한 외부 전문가와 연구협력 논의
⦁ 광역 양자네트워크 구축 연구 수행 중인 미국 Argonne Lab과 연구협력 논의
⦁ QKD 네트워크 내 참여자 인증시 양자내성암호(PQC)을 활용하고 있는 연구동향을 고려하여, 국가수리과학연구소와 연구망 내 양자내성암호(PQC) 적용 방안 논의

❍ 산학연 전문가 자문 및 기술 협력
⦁ 고등과학원, 국방과학연구소, KAIST, KT, IDQ 소속 다양한 외부 전문가 자문을 통한 연구 과정 검증
⦁ 텔레필드, 고려대학교, 한남대학교, 국가수리과학연구소, 드림시큐리티 등 산학연 협력 회의를 통한 연구 전문성 확보 및 국내 양자정보 연구 생태계 구축

(출처 : 요약문 8p)

Abstract ▼

III. Research and Development results
A. Quantitative Results
❍ Quantum key management system (QKMS) designing research and prototype operation verification
- Establishment of technology development roadmap for building quantum cryptography-based secure transmission environment and quantum

III. Research and Development results
A. Quantitative Results
❍ Quantum key management system (QKMS) designing research and prototype operation verification
- Establishment of technology development roadmap for building quantum cryptography-based secure transmission environment and quantum key management environment
- Derivation of necessary technology development items with categorization of quantum key management/utilization technologies for establishment of quantum cryptography-based KREONET and quantum cryptography communication service
- Analysis of domestic and international standards and industry-academia-research research trends related to quantum cryptography communication conducted so far
- N:N QKD system supportable quantum key management system (QKMS) prototype development
- KMA (Key Management Agent), KRA (Key Relay Agent), KSA (Key Supply Agent) technology development/verification-based related program development for the purpose of interlocking quantum keys, long-distance transmission and management, and providing security services (2 cases)
- Securing 3 patents by developing a QKD system that can efficiently determine the presence of eavesdroppers and proposing a method for implementing a quantum key delivery/extension system

❍ Verification of 2-way Plug&Play QKD system and performance enhancement
- The use of a single photon is a necessary condition for the establishment of the QKD protocol. In this experiment, as using a weak laser pulse, it should be verified that the average number of photons per pulse is sufficiently low. Pulse power measurement confirmed that the average number of photons per pulse was less than 0.5. This is a reasonable level for QKD experiments utilizing pseudo-single photon source.
- Validation of optical system monitoring by securing temperature change log-data and analyzing the effect of key generation rate due to sudden temperature change.
- When linking a 20km quantum channel to the QKD system, a key generation rate of 1126~1140bps is generated in a situation where an error rate (QBER) of 7.5~8.75% exists; Verification of key generation rate of 378~402.13bps in the presence of 6.19~8.12% error rate (QBER) when interworking with 40km quantum channel.
- Decoy state protocol is necessary to prepare for attacks against weak coherent pulses. Verification of Decoy state creation with different signal strength than Siganl state.

❍ Development of QKD system and IPSec multiplexing equipment based on WDM
- Currently, in constructing the QKD system, a very large cost is required due to various requirements such as the use of dark fiber, only supporting end-to-end communication, and expensive equipment. In order to build a QKD system suitable for KREONET and to reduce the construction cost, multiplexing of channels related to the system is required, so the Q-IPSec multiplexing system is developed.
- The developed QKD multiplexing equipment consists of WDM Mux/DeMux and Q-I PSeC function for multiplexing. The WDM Mux/DeMux unit multiplexes data, postprocessing data, clock synchronization and QKD signals. Each signal goes through a mapper and WDM that converts it to a different wavelength before multiplexing. The Q-IPSeC function is implemented as logic inside the Xilinx FPGA.
- Data and QKD signals use wavelengths in the 1550+/-15nm band, and the data signal multiplexed using CWDM Combiner/Splitter is multiplexed by combining it using 1550/1310nm WDM.

❍ Establishment of industry-academia research cooperation system and promotion of technology exchange and cooperation
- Establishment of the Quantum Security Research Society hosted by the Korea Information Security Society (KIISC) and KISTI as a platform for industry-academia-research cooperation
- Industry-academia-administration experts in KISTI, ETRI, SKT, KT, LG U+, EYL Ministry of National Defense, and Ministry of Science and ICT participated the Quantum Security workshop
- Promoting technological exchanges through workshops with experts in leading overseas research institutes; Argonne National Lab (ANL) under the US Department of Energy, CERN Research Center in Switzerland, and NICT in Japan
- Signed a letter of intent (LoI) for research cooperation with ANL through the Quantum Security Research Society
- Promotion of KSC 2021 and SDN/NFV Forum Q-KaaS (Quantum Key as a Service) Working Group Joint Workshop for the exchange of research and technologies related to quantum cryptographic communication as a service

❍ Technologies research for quantum key utilization and advancement
- Research to apply quantum cryptography communication technology to the use of national satellite information in cooperation with the Korea Aerospace Research Institute (KARI)
- Quantum cryptographic communication network between KARI-KISTI construction and performance verification using commercial QKD and encryption equipments
- In cooperation with Seoul National University Bundang Hospital, research is being conducted to encrypt medical information by applying quantum and homomorphic encryption technology when transmitting sensitive medical information between remote locations
- Selection of technologies through comparative analysis of existing homomorphic encryption technology and development of Application-program for privacy-preserving self-diagnosis of disease risk

B. Qualitative Results
❍ Discussion on cooperation with external experts for the use of QKD technologies
- Discussing research cooperation with ANL in the U.S., which is conducting research on building the metropolitan-scale quantum network
- Discussing the application of post-quantum cryptography(PQC) within KREONET with the National Institute of Mathematical Sciences, considering the research trend of using post-quantum cryptography(PQC) for authentication of participants in the QKD network.

❍ Industry-academia-research expert advice and technical cooperation
- Consultation and technical cooperation with experts in industry-academia-research field
- Research process verification through the discussion with various external experts from KIAS, ADD, KAIST, KT, and IDQ
- Securing research expertise and establishing a domestic quantum information research ecosystem through industry-academia-research cooperation meetings with Telefield, Korea University, Hannam University, National Institute of Mathematical Sciences, and Dream Security

(source : Summary 15p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 연차보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• 요약 ... 7
• SUMMARY ... 12
• CONTENTS ... 20
• 목차 ... 21
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 22
• 1절 연구개발의 목적 ... 22
• 2절 연구개발의 필요성 ... 23
• 3절 연구개발의 범위 ... 25
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 30
• 1절 국외 기술개발 현황 ... 30
• 2절 국내 기술개발 현황 ... 43
• 3절 연구결과의 위치 ... 53
• 제3장 연구개발과제 수행 과정 및 수행 내용 ... 55
• 1절 양자암호통신망 운영관리 및 양자키 서비스 체계 연구 ... 55
• 2절 연구망 용 QKD 시스템 구현 및 네트워크화를 위한 요소기술 개발 ... 92
• 3절 양자암호기술 연구 활성화를 위한 연계기술 협력 ... 122
• 제4장 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성정도 ... 154
• 1절 양자암호통신망 운영관리 및 양자키 서비스 체계 연구 ... 154
• 2절 연구망 용 QKD 시스템 구현 및 네트워크화를 위한 요소기술 개발 ... 163
• 3절 양자암호기술 연구 활성화를 위한 연계기술 협력 ... 187
• 4절 성과 달성정도 ... 196
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 198
• 1절 추가연구 필요성 ... 198
• 2절 타 연구에의 응용 ... 205
• 제6장 다음 연도 연구개발계획 ... 208
• 1절 연구개발 목표 및 내용 ... 208
• 2절 연구개발 추진전략 ... 210
• 3절 연구개발 일정 ... 211
• 4절 연구개발 성과 ... 211
• 5절 연구개발 활용방안 및 기대효과 ... 212
• 제7장 참고문헌 ... 213
• 끝페이지 ... 216