Towards National Quantum Communication in Europe: Planning and Sizing Terrestrial QKD Networks

1. 연구 배경 및 문제 정의 (Problem Statement)

• 배경: 유럽 연합 (EU) 은 모든 회원국을 아우르는 안전한 통신 네트워크인 '유럽 양자 통신 인프라 (EuroQCI)'를 구축 중입니다. 이는 정부 기관, 중요 인프라 및 보안 관련 엔티티를 양자 키 분배 (QKD) 기술을 통해 연결하는 것을 목표로 합니다.
• 문제: 전략적 목표는 EU 수준에서 정의되어 있으나, 각 회원국 내에서 어떤 규모와 구조로 국가 지상 QKD 네트워크를 구축해야 하는지에 대한 구체적인 계획 지침은 부재합니다.
  • 각 국가에 필요한 노드 (엔드포인트) 수, 노드 간 연결 밀도, 필요한 광섬유 총 길이, 그리고 신뢰할 수 있는 중계기 (Trusted Repeater Node, TRN) 의 수를 어떻게 추정할지 명확하지 않습니다.
  • 기존 연구들은 주로 기술적 실현 가능성이나 특정 배포 사례에 집중하여, 국가 단위의 일반적인 인프라 규모 설정 (Sizing) 을 위한 방법론이 부족했습니다.
• 목표: EuroQCI 프레임워크 하에서 국가별 지상 QKD 백본의 규모를 추정할 수 있는 **재현 가능한 계획 방법론 (Planning-level Methodology)**을 제시하는 것입니다.

2. 방법론 (Methodology)

이 연구는 오스트리아를 기준 사례 (Reference Case) 로 설정하고, 이를 기반으로 다른 EU 회원국으로 확장하는 시뮬레이션 기반 접근법을 사용합니다.

가. 오스트리아 기준 사례 설정 (Reference Case)

• 엔드포인트 (Endpoints): 보안이 필요한 사이트 (부처, 관청, 중요 인프라 등) 를 나타내는 250 개의 가상의 지점을 설정했습니다. 빈 (Vienna) 에 고밀도, 지역 수도에 소규모 클러스터, 그리고 시골 지역에 분산된 형태로 배치했습니다.
• 신뢰할 수 있는 중계기 (TRNs): 광섬유를 통한 QKD 전송 거리 제한 (약 40~100km) 을 극복하기 위해 50 개의 중계 노드를 도입했습니다. 이들은 긴 거리를 짧은 구간으로 분할하는 역할을 합니다.
• 네트워크 토폴로지: 각 엔드포인트는 2~3 개의 QKD 링크로 연결되어 기본 중복성 (Redundancy) 을 확보합니다.
• 거리 모델: 지리적 좌표 (WGS84) 기반의 지리 거리 (Geodesic distance) 를 계산하고, 실제 케이블 경로 (도로, 기존 인프라 등) 를 반영하기 위해 **1.5 배의 우회 계수 (Detour Factor, $\alpha$)**를 적용하여 실제 광섬유 길이를 추정했습니다.
• 구성 요소: 각 사이트는 키 관리 시스템 (KMS) 과 하드웨어 보안 모듈 (HSM) 을 보유하며, 총 750 개의 QKD 장치가 필요하다고 가정했습니다.

나. 시뮬레이션 프레임워크 (Monte Carlo Simulation)

• 그래프 생성: 국가 경계 내에서 엔드포인트를 샘플링하고, 지정된 차수 (Degree, 연결 수) 를 만족하는 무방향 단순 그래프를 생성합니다.
• 최적화: 여러 개의 유효한 후보 그래프를 생성한 후, 긴 링크와 이상치를 최소화하는 '강건성 (Robustness)' 점수가 가장 높은 그래프를 선택합니다.
• TRN 배치: 선택된 그래프의 가장 긴 링크에 TRN 을 배치하여 QKD 구간 (Hop) 길이를 최적화합니다.
• 확장성: 오스트리아 모델을 기반으로 다른 EU 국가에 대해 **인구 (엔드포인트 수)**와 **영토 면적 (TRN 수)**에 비례하여 규모를 조정 (Scaling) 하는 규칙을 적용했습니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 국가 규모 QKD 네트워크 계획 방법론 제시: 구체적인 배포 설계가 아닌, 초기 단계의 인프라 규모 설정을 위한 재현 가능한 방법론을 최초로 제안했습니다.
2. EU 전역에 대한 규모 설정 규칙 도출: 인구와 영토 면적이라는 두 가지 주요 변수를 통해 각 회원국의 엔드포인트 수와 TRN 수를 체계적으로 추정하는 스케일링 규칙을 정립했습니다.
3. 지상 인프라의 전략적 중요성 재확인: 위성 기반 QKD 가 보완재로 작용할 수 있지만, 통제 가능하고 물리적으로 검증 가능한 지상 백본이 국가 주권 통신의 핵심임을 강조했습니다.
4. 구체적인 인프라 추정치 제공: 광섬유 총 길이, 홉 (Hop) 길이 분포, 필요한 QKD 장치 및 KMS/HSM 인스턴스 수에 대한 1 차원적 (First-order) 추정치를 제공합니다.

4. 주요 결과 (Results)

가. 오스트리아 사례 결과

• 총 광섬유 길이: 지리적 거리 기준 약 5,731km, 우회 계수 적용 후 약 8,597km.
• Hop 길이: TRN 배치 후 평균 Hop 길이는 약 22.9km, 최대 Hop 길이는 약 52.3km 로, QKD 기술의 실용적 범위 (보통 75km 미만) 내에 머무는 것으로 확인되었습니다.
• 구성 요소: 250 개 엔드포인트, 50 개 TRN, 총 750 개 QKD 장치, 300 개 KMS/HSM 인스턴스 필요.

나. EU 회원국 확장 결과 (Table 2 참조)

• 소형 국가 (룩셈부르크, 키프로스 등): 짧은 백본 길이와 짧은 Hop 길이 (평균 12~14km).
• 중형 국가 (오스트리아, 체코, 헝가리 등): 평균 Hop 길이 2030km, 최대 Hop 길이 4570km.
• 대형 국가 (독일, 프랑스, 스페인, 이탈리아 등): 긴 백본 길이와 높은 TRN 요구량. 예를 들어, 프랑스는 약 34,600km 의 광섬유가 필요하며, 핀란드는 넓은 영토로 인해 TRN 수가 150 개로 크게 증가합니다.
• 스케일링 패턴:
  • 엔드포인트 수: 인구 규모에 비례하여 증가.
  • TRN 수: 영토 면적에 비례하여 증가 (인구가 많아도 영토가 작으면 TRN 필요량이 적음, 예: 네덜란드).

5. 의의 및 한계 (Significance & Limitations)

의의

• 실용적 계획 도구: EuroQCI 구현 초기 단계에서 각 회원국이 인프라 투자 비용과 규모를 예측할 수 있는 기준 (Baseline) 을 제공합니다.
• 하이브리드 아키텍처 강조: 지상 QKD 백본과 위성 QKD, 그리고 양자 내성 암호 (PQC) 를 결합한 하이브리드 보안 아키텍처의 필요성을 부각시켰습니다.
• 신뢰할 수 있는 중계기의 핵심 역할: 양자 중계기 (Quantum Repeater) 기술이 상용화되기 전까지, 신뢰할 수 있는 중계기 (TRN) 와 이를 관리하는 KMS/HSM 인프라가 국가 QKD 네트워크의 핵심 요소임을 입증했습니다.

한계

• 가상 데이터 사용: 엔드포인트 위치는 실제 보안 시설 목록이 아닌 가상의 분포를 기반으로 합니다.
• 단순화된 거리 모델: 실제 광케이블 경로, 지형, 임대 제약 등을 고려하지 않고 지리적 거리에 일정한 우회 계수만 적용했습니다.
• 수요 및 비용 모델 부재: 트래픽 수요, 키 소비율, 구체적인 조달 및 운영 비용 (OPEX/CAPEX) 분석은 포함되지 않았습니다.
• 국경 간 연결 생략: 현재는 국가별 단위로 분석되었으며, EU 전체를 연결하는 국경 간 백본 통합은 고려하지 않았습니다.

6. 결론

본 논문은 유럽의 국가별 지상 QKD 네트워크 구축을 위한 체계적인 규모 설정 (Sizing) 프레임워크를 제시했습니다. 연구 결과는 EuroQCI 의 성공적인 구현을 위해 지상 인프라가 필수적이며, 국가별 인구와 영토 특성에 따라 엔드포인트와 중계기 수가 다르게 설계되어야 함을 보여줍니다. 이는 향후 실제 배포 설계, 비용 분석, 그리고 구체적인 인프라 구축 계획 수립을 위한 중요한 기초 자료로 활용될 것입니다.