안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

보다 쉽고 재미있게 전해드리고 싶은 마음이지만 제 글 솜씨가 부족한 탓에 내용을 접하실 때 다소 어렵게 받아들이시는 것 같습니다. 어려운 주제이지만 읽으면서 흥미를 느끼실 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

지난 시간에는 양자 중첩과 양자 얽힘이 야기하는 자연의 마법 같은 현상들, 특히 양자 상태의 측정과 양자 순간이동에 대하여 알아보는 시간을 가졌습니다.

Chapter 3. 병 주고 약 주는 양자 컴퓨터? 양자 병렬성과 양자 통신 보안에서는 마찬가지로 양자 중첩과 양자 얽힘에 기인한 양자 병렬성이 양자 통신 보안과 어떻게 관련되는지에 대하여 다뤄보겠습니다.

간단 복습

측정 결과로는 초기 양자 상태를 알 수 없다.

측정을 통해 어떤 계에 대한 정보를 취득하는 행위는 필연적으로 계의 상태를 흐트러뜨린다.

양자 얽힘은 국소성의 원리를 초월한다.

한 입자의 상태를 결정하면 계의 주위를 매개하지 않고도 다른 입자의 상태를 즉시 결정할 수 있다.
실제 물리적 입자를 움직일 필요 없이 한 위치에서 다른 위치로 정보를 전달하는 것을 양자 순간이동이라고 한다.

양자 병렬성을 이용하라!

중첩과 얽힘이 가능한 양자 상태를 통해 단 한 번의 조작으로 모든 상태를 조작할 수 있습니다. 이러한 특성을 양자 병렬성 (quantum parallelism)이라 칭합니다. 양자 병렬성은 양자 정보 처리, 양자 통신, 양자 암호 등의 기술을 통해 기존의 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있게 해주는 역할을 한답니다. 오늘은 그 중에서 양자 통신, 양자 암호 두 가지 주제에 대해 살펴보겠습니다.

임의의 양자 상태를 복사하는 것은 불가능하다!

측정을 통한 정보 취득과 물리계 상태의 흐트러짐, 이 두 가지 상호교환은 일종의 양자역학적 무작위 표본 추출이라고 할 수 있는데요. 이는 양자역학적 정보는 완벽하게 복사될 수 없음을 암시합니다. 만일 완벽하게 복사할 수 있다면 원본 대신 복사본을 가지고 측정을 하여 원래 계를 흐트러뜨리지 않고 측정을 한 셈이 되므로 양자역학의 기본 공리에 어긋나지요.

측정을 하면 상태에 영향을 줄 수밖에 없다는 말이 양자 상태를 우리 마음대로 다룰 수 없는 것처럼 들려서 괜히 막막하게 느껴질 수도 있습니다. 그런데 이것은 아주 매력적인 일입니다. 이를 이용하면 통신 보안에 있어 절대적으로 훔칠 수 없는 양자 키 분배 암호 체계를 마련할 수 있거든요.

기존 통신 기술은 하나의 고정된 코딩 방식을 사용하기에 마음만 먹으면 모든 사용자가 정보를 훔쳐 읽을 수 있죠. 하지만 양자 키 분배 암호 체계를 이용하면 정보를 생성하고 측정하는 데 다양한 코딩 방식을 사용한답니다. 임의로 사용된 코딩 방식이 무엇인지 정확하게 알지 못하면 송신자가 전송한 정보를 완벽하게 읽어낼 수 없습니다. 무엇보다 이러한 외부의 측정 행위가 송신자가 전송한 양자 정보를 훼손하므로 송수신자에게 도청 행위가 금방 발각되고 말지요. 즉, 도청을 하려는 순간 정보가 망가지기 때문에 사용자 입장에서는 도청이 감지된다 싶으면 통신 채널만 폐지하고 새로운 키를 생성하기만 하면 된답니다.

통신 보안의 양면성을 갖는 양자 컴퓨터?

현재 널리 쓰이고 있는 공개키 암호 방식은 큰 수의 소인수 분해가 매우 어렵다는 사실을 기반으로 합니다. 큰 수의 소인수 분해 정도는 순식간에 해낼 수 있는 양자 컴퓨터는 이러한 방식의 암호는 쉽게 풀어낼 수 있는데요. 양자 컴퓨터는 공개키 암호 방식을 채택하고 있는 현대의 통신 보안에 큰 위협이 되는 한편, 도청이 절대로 불가능한 양자 암호 전송 방식을 제공할 수 있습니다. 말 그대로 양날의 검 혹은 병 주고 약 주는 양자 컴퓨터라고 할 수 있겠지요.

양자 통신 보안의 오늘

통신 체계 운영에 있어 기밀성(confidentiality), 무결성(integrity), 가용성(availability) 등에 관련한 다양한 물리적/인적/기능적 보안 기법들이 요구됩니다. 그 중에서 암호 알고리즘 및 프로토콜을 이용한 기능적 보안이 가장 핵심적이라고 할 수 있습니다. 키 분배, 암복호화, 인증 등의 기능들이 제대로 작동하는 안정성 있는 암호 알고리즘 및 프로토콜을 구동할 수 있어야 하지요. 그동안 암복호화, 서명, 비밀 공유, 불확정 전송, 비트 위임, 다자간 계산 등 다양한 양자 암호 관련 연구가 진행되어 왔지만, 양자 메모리 및 양자 컴퓨팅 구현의 기술적 한계들로 인해 양자 키 분배 및 양자 난수 생성 기술만이 상용화 수준에 이르러 있습니다. 앞서 언급한 도청이 불가능한 양자 키 분배가 바로 양자 난수 생성 시스템을 활용한 것이죠.

오늘은 양자 병렬성과 양자 통신 보안에 대하여 다뤘는데요. 다음 시간에는 양자 정보의 기본 단위인 큐비트를 이용한 양자 정보 처리에 관하여 알아보도록 하겠습니다.

쉽고 재미있게 전달해드리고 싶은데 어려운 주제를 다루다보니 혹시나 내용을 벅차게 느끼고 계시지는 않을까 걱정이 앞섭니다. 댓글로 질문을 달아주시면 제가 설명할 수 있는 범위에서 최대한 쉽고 간결하게 답변해드리도록 하겠습니다.

다음 Chapter를 소개 합니다.

Chapter 4. 큐비트를 이용한 양자 정보 처리

많이 기대해주세요!

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지난 이야기

본문에서 사용된 모든 이미지는 구글 이미지에서 가져왔음을 밝힙니다.
본문 중 양자 통신 보안의 오늘 내용은 한국방송통신전파진흥원의 양자암호통신기술의 현재와 미래 보고서를 참조하였습니다.

# YHH

[암호화폐가 100% 망한다고? 양자 컴퓨터와 블록체인 보안 이야기] Chapter 3. 병 주고 약 주는 양자 컴퓨터? 양자 병렬성과 양자 통신 보안