[논문 리뷰] Paving the Way towards 800 Gbps Quantum-Secured Optical Channel Deployment in Mission-Critical Environments

Marco Pistoia, Omar Amer외 17명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 15.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준 섬유 100 km 이내에서 O 대역에서 1310 nm의 QKD를 사용하여 C 대역에 다수의 DWDM 채널과 다중 multiplex된 800 Gbps 양자 보안 광채널의 첫 실험적 구현을 보여준다. 70 km 거리에서 66.16 kbps의 기밀 키 속도를 달성하여 AES-256-GCM를 사용해 258개의 고속 데이터 채널을 보안 암호화하고, 양자 보안 링크를 통해 블록체인 애플리케이션을 성공적으로 전송하였다.

ABSTRACT

This article describes experimental research studies conducted towards understanding the implementation aspects of high-capacity quantum-secured optical channels in mission-critical metro-scale operational environments using Quantum Key Distribution (QKD) technology. To the best of our knowledge, this is the first time that an 800 Gbps quantum-secured optical channel -- along with several other Dense Wavelength Division Multiplexed (DWDM) channels on the C-band and multiplexed with the QKD channel on the O-band -- was established at distances up to 100 km, with secret key-rates relevant for practical industry use cases. In addition, during the course of these trials, transporting a blockchain application over this established channel was utilized as a demonstration of securing a financial transaction in transit over a quantum-secured optical channel. The findings of this research pave the way towards the deployment of QKD-secured optical channels in high-capacity, metro-scale, mission-critical operational environments, such as Inter-Data Center Interconnects.

연구 동기 및 목표

• 실세계의 임무 핵심 메트로 규모 네트워크에 고용량 양자 보안 광채널을 구현할 수 있는지 검증하는 것.
• 동일한 섬유에서 파장 분할 다중화를 통해 800 Gbps 고전적 데이터 채널과 QKD 채널이 공존하는 것을 보여주는 것.
• 섬유 거리, 감쇠, 채널 간 간섭 등의 실제 조건 하에서 시스템 성능을 평가하는 것.
• 전용 섬유나 신규 사이트 구축 없이도 존재하는 네트워크 인fra구조에 QKD 통합이 가능한지 입증하는 것.
• 양자 보안 광채널을 통해 금융 거래를 다루는 블록체인 애플리케이션의 종단 간 보안성을 입증하는 것.

제안 방법

• JPMorgan Chase의 광 트랜스포트 랩에서 실운영 장비를 사용한 실험을 실시하여 메트로 규모의 데이터센터 간 링크를 시뮬레이션한 실험 테스트베드에서 진행하였다.
• O 대역의 1310 nm 양자 채널에서 편광 인코딩을 사용한 데코이 스테이트 BB84 QKD 프로토콜을 적용하였으며, C 대역에 800 Gbps 및 여러 100 Gbps DWDM 채널과 다중화하였다.
• 고속 데이터 전송을 위해 상용 Waveserver 시스템을 사용하였고, 간섭 연구를 위해 광학선 시스템을 활용해 추가 DWDM 채널을 삽입하였다.
• 실제 신호 손실을 시뮬레이션하기 위해 가변 광 감쇠기(VOA)를 적용하여 1310 nm에서 QKD 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
• 가벼운 Liink 블록체인 애플리케이션을 800 Gbps 양자 보안 채널을 통해 구동시켰으며, 피어 발견 및 트랜잭션 전파를 종단 간 보안으로 구현하였다.
• 다양한 거리(최대 100 km) 및 전력 수준에서 기밀 키 속도(SKR), 양자 비트 오류율(QBER), 시스템 안정성 등을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 단일모드 섬유 SMF-28 G.652.D 100 km 거리에서 동일한 섬유에 800 Gbps 고전적 데이터 채널과 QKD 채널이 성공적으로 다중화될 수 있는가?
• RQ2 실세계 운영 환경에서 고용량 DWDM 채널과 공존하는 QKD의 구현 가능한 기밀 키 속도(SKR)는 얼마인가?
• RQ3 섬유 길이, 송신 전력, 신호 감쇠는 공전파 환경에서 양자 채널 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 추가 애플리케이션 수준 암호화 없이도 생산 수준의 블록체인 애플리케이션이 QKD 보안 광채널을 통해 안전하게 전송될 수 있는가?
• RQ5 전용 섬유나 신규 사이트 건설 없이도 QKD를 기존 네트워크 인fra구조에 구현할 수 있는가?

주요 결과

• C 대역 DWDM와 O 대역 QKD 다중화를 통해 표준 단일모드 섬유 100 km 거리에서 800 Gbps QKD 보안 광채널을 성공적으로 확립하였다.
• 70 km 거리에서 기밀 키 속도가 66.16 kbps에 도달하여, 1초 간격의 키 갱신 주기로 AES-256-GCM를 사용해 258개의 QKD 보안 100 Gbps 데이터 채널을 지원할 수 있었다.
• 80–100 km 거리에서는 신호 무결성을 유지하기 위해 송신 전력을 2 dBm으로 증가시켜 100 km까지 안정적인 성능 유지를 달성하였다.
• 추가 DWDM 채널을 삽입하여 채널 간 간섭을 평가하였으며, 적절히 관리된 경우 QKD 성능에 미미한 영향을 미친다는 것이 확인되었다.
• 블록체인 애플리케이션이 양자 보안 채널을 통해 종단 간 트랜잭션 전송에 성공했으며, 수신자 측에서 수신 확인 및 블록 포함 여부를 검증하였다.
• 본 연구는 QKD가 전용 섬유나 신규 사이트 구축 없이도 기존 네트워크 시설에 구현 가능하며, 임무 핵심 인fra구조에 실용적으로 통합될 수 있음을 확인하였다.