큐비트와 양자암호

양자암호

양자암호는 양자역학적 특성을 활용해 데이터를 보호하는 기술이다. 기존의 암호화 방법은 수학적 난해함에 기반을 두었지만, 양자암호는 양자역학적 특성을 활용한다. 첫번째, 양자 수준에서 정확한 양자 상태를 예측하는 것이 불가능하다. 두번째, 광자가 특정한 상태로 측정될 때 그 측정 결과가 확률적으로 결정된다. 세번째, 양자 시스템을 관찰하는 행위는 항상 그 시스템에 측정 가능한 영향을 미친다. 네번째, 입자는 부분적으로 복제될 수 있지만 완전히 복제할 수는 없다. 현재 사용되는 많은 암호화 기술은 큰 소수의 곱셈 문제나 이산로그 문제처럼 수학적 문제에 기반한 고전적인 암호화 방식이다. 양자 컴퓨터는 병렬 계산으로 복잡한 수학 문제를 훨씬 빠르게 해결할 수 있기 때문에 기존의 암호화 방식은 쉽게 깨질 수 있다. 이렇듯 양자 컴퓨팅으로 인해 기존 암호화 알고리즘이 쓸모없어질 경우에 데이터를 보호할 수 있는 유일한 수단이 될 수 있다.

큐비트

큐비트는 양자 컴퓨터와 양자 정보 이론에서 사용하는 기본 정보 단위이다. 큐비트는 중첩과 얽힘을 이용해 전통적인 컴퓨터보다 더 많은 계산을 동시에 할 수 있게 해준다.

양자 암호화의 유형

양자 키 분배는 가장 일반적인 양자 암호화 유형이다. 양자 키 분배의 특징은 도청을 실시간으로 탐지할 수 있다는 것이다. 키 분배 과정에서 제3자가 정보를 가로채면 양자 상태가 변하고, 이 변화가 송수신자에게 감지되기 때문이다. 양자 키 분배 시스템은 광섬유 케이블로 개별 광자를 보내고, 이들은 단일 방향으로 이동하며 각 광자는 데이터의 단일 비트 또는 큐비트(0 또는 1)를 나타낸다. 발신자 측의 편광 필터는 각 단일 광자의 물리적 방향을 특정위치로 변경하고, 수신자는 두 개의 빔 스플리터로 수신되는 각 광자의 위치를 읽는다. 송신자와 수신자는 전송된 광자의 위치를 디코딩된 위치와 비교하고, 일치하는 세트가 키가 된다.

양자 동전 던지기는 두 사람이 각각 랜덤한 결과를 생성하고 이를 안전하게 교환하는 방식으로, 양자 얽힘을 이용하며 양자 상태의 변화를 기반으로 서로 신뢰할 수 있는 결과를 얻는다.

다른 양자 암호화의 유형으로는 송신자와 수신자가 암호화된 정보를 주고받을 때 특정 공간에서만 유효한 암호 키를 사용하는 위치 기반 양자 암호화, 송수신 장비에 결함이 있거나 공격자가 장비를 조작하더라도 보안성을 보장할 수 있는 기기 독립적 양자 암호화 등이 있다.

양자 키 분배 시스템

양자암호의 발전

양자암호의 시초는1984년 찰스 베넷(Charles Bennett)과 질 브라사르(GillesBrassard)가 고안한BB84 프로토콜로, 가장 대표적인QKD 프로토콜이다. 제3자가 도청을 시도할 경우 이를 실시간으로 감지할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받았지만, 광자 전송에 따른 거리 제한과 양자 암호화 장비의 고가 등 실질적 상용화에는 많은 장벽이 존재했다.

1990년대에는 광자를 통해 양자 상태를 측정하고 전송하는 초기 장비들이 개발되기 시작했고, 1997년에는 스위스 연구진이 양자 키 분배를 통한 보안 통신을 성공적으로 수행했다.

2000년대 초반에는 미국의MagiQ와 스위스의ID Quantique 같은 기업들이 양자암호 장비를 상용화하기 시작했다. 2016년에는 중국이 세계 최초의 양자 통신 위성인 묵자호를 발사해 양자암호 기술을 이용한 장거리 통신을 성공시켰다.

유럽에서는 양자 키 분배 기술을 활용한 양자 암호화 프로젝트가 진행되고 있다. 이것은 유럽 내에서 양자 암호화 기술을 활용해 다양한 실험을 진행하고, 국가 간의 보안 통신을 강화하는 목적으로 사용된다. 또한, 일본은 양자 키 분배를 기반으로 하는 양자 키 분배 통신 네트워크를 개발하고 있다. 일본은 도쿄와 사이타마를 연결하는 양자 암호화 네트워크를 구축했으며, 상용화에 가까운 기술로 발전하고 있다.

편광 부호화 방식 QKD system 기본구성

BB84 protocol에서 편광 부호화를 사용한 예

현재의 한계점

현재의 양자암호에는 몇가지의 한계점이 존재한다. 첫번째, 하드웨어와 환경의 한계이다. 양자암호는 전송 거리, 온도, 진동, 외부간섭 등에 의해 양자 상태가 변할 수 있다. 두번째, 해킹 가능성이다. 이론적으로는 양자암호가 도청에 매우 강력하지만, 실제 시스템에서는 장치 결함이나 보안 취약점이 있을 수 있다. 세번째, 상용화 비용과 기술적 난제이다. 양자암호 시스템을 구축하고 유지하는 데에는 상당한 비용과 기술적 장벽이 존재한다. 네번째, 양자 메모리의 한계이다. 현재의 양자 메모리 기술은 아직 초기 단계에 있다.

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김민규 학생기자 | Physics | 지식 더하기

참고자료

[1] https://www.ibm.com/

[2] https://ko.wikipedia.org/wiki/양자_암호

첨부 이미지 출처

[1] Wikipedia

[2] 네이버 지식백과