[통신지식] 양자암호 통신기술

뉴스를 보다가 미래 보안 기술이라는 제목으로 "양자암호통신" 이 있어 무엇인가 하고 찾아봤다.

복잡한 내용이 있기는 한데 깊게 들어가지 않고 적당히 이런것이 있다 하는 정도만 이해를 했다.

찾아본 내용을 대략 정리해보면 내용은 이렇다.

양자암호 통신기술

통신망에 연결되는 자율주행차, 원격 로봇 시대가 점점 가까워져가며 해킹에 대한 두려움이 커지고 있는데

은행 전산망이나 전자상거래등에 쓰이는 RSA알고리즘을 순식간에 풀 수 있는 양자컴퓨터 개발을 글로벌 IT기업들( IBM, 인텔, 구글, 알리바바)이 뛰어들면서 이것을 막는 양자 보안(Quantum Security)에 관심이 집중되고 있다고 한다.

계산해 풀 수 없는 암호

양자암호통신이라 불리는 기술은 ‘빛’의 최소 단위 입자인 양자(Quantum)의 특성을 활용한 보안(Security)으로
구체적으로는 패턴이 없고 예측할 수 없는 양자의 특성을 활용해 난수를 만드는 양자난수생성기(QRNG)와 통신망 양 끝단에 장비를 설치해 고객 키를 안전하게 나눠 가져 해킹을 불가능하게 만드는 양자 키 분배(QKD) 기술이 있고
RSA 알고리즘 같은 현재 적용된 암호들은 소인수분해로 풀 수 있어 성능이 좋은 양자컴퓨터가 나오면 무용지물이 된다고 한다. 현재 가장 많이 쓰는 공개키암호방식(PKI)만 해도 현재 컴퓨팅 방식으로는 풀기 어려우나 양자컴퓨터로는 양자의 중첩 원리(0과 1을 이용하는 이진 컴퓨터가 아닌 00, 01, 10, 11 조합의 네 가지 상태)를 이용하기 때문에 빨리 풀 수 있다고 하고 5분, 10분 사이에 지금 세상의 암호는 다 풀릴 것이라는 예상도 있다고 한다.
하지만 양자암호통신은 ‘계산’이 불가능하기에 양자컴퓨터로도 풀 수 없다. 빛의 알갱이(양자)가 가진 중첩성( ‘0’ 과 ‘1’의 정보를 동시에 가짐)과 비가역성(한번 측정되면 원래 상태로 돌아올 수 없는 것)을 활용하기 때문에 계산할 수 없고, 마치 만지면 터지는 비눗방울처럼 누군가 도청을 시도하면 신호가 붕괴돼 전달이 안 되는 양자의 물리적 상태를 활용하기 때문이라고 한다.

양자 역학의 원리

우선 양자 암호 통신은 양자역학을 근간으로 하는데, 양자중첩, 불확정성, 비가역성, 양자 얽힘이 양자역학의 4대 원리라고 한다.

양자 중첩

둘 이상의 상태가 동시에 중첩되는 것이 가능하다. 는 원리로 컴퓨터 체계에서는 0과 1밖에 존재하지 않지만 양자 역학에 의하면 0인 동시에 1인 상태가 가능하다고 한다. 이러한 상태를 양자 컴퓨팅에서 큐비트(Qubit)라고 표현한다.

불확정성

이젠 베르크라는 학자가 발견한 원리로 어떤 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없다는 원리이다.

비가역성

양자로 구성된 정보를 관측하는 순간 붕괴되어 버린다는 이론으로 이는 양자통신의 도청이 불가능한 성질을 구현하는 가장 핵심적인 원리라고 할 수 있다.

양자 얽힘

한쌍의 양자는 서로 우주 끝에 떨어뜨려 놓더라도 동시에 상호 통신할 수 있다는 이론으로 빛의 속도를 뛰어넘어

서로 영향을 미칠 수 있는 엄정 난 성질이다.

이원리들을 기반으로 구현되는 궁극의 통신 기술이 양자암호 통신이다.

양자역학이 무엇인지 정확한 내용을 알 수 없지만 양자암호통신의 핵심을 간단하게 정리하면

제 3자가 통신을 관측하는 순간 붕괴가 되는 채널을 만들어서 통신을 하는 기술로 도청이나 변조의 가능성을 원천적으로 차단하는 통신 기술이다.

따라서 암호화를 전혀 하지 않아도 송신자와 수신자 사이에 안전하게 키를 분배할 수 있다.

이처럼 안전하게 키를 전달할 수 있는 양자 암호통신의 핵심 기술을 양자 키 분배(Quantum key Distribution)라고 부른다.

이외에도 양자 난수 생성기(QRNG), BB84, COW04 등과 같은 여러 양자통신 관련 기술이 존재하지만 그냥 이런 것이 있다는 정도만 알면 될 것 같다.

양자 암호통신은 SK텔레콤 등의 국내 기업에서 국제 표준 제정에 결정적인 기여를 하는 등 한국이 선도하고 있는 기술 중 하나라 고한다. 아직까지 전송거리에 다소 한계가 있는 등 향후 해결이 필요한 여러 과제가 존재하는

마치 마법과도 같은 양자암호 통신 기술이 상용화되기를 기대해 본다.