[양자역학, 세상을 바꾼다 17] 양자컴퓨팅과 보안: 암호를 다시 쓰다

양자컴퓨팅은 기존 컴퓨터와는 차원이 다른 병렬 연산 능력을 가지고 있으며, 이는 현재 인터넷과 금융 시스템을 지탱하는 암호 기술에 심각한 위협이 될 수 있습니다. 동시에 양자역학적 특성을 이용한 양자암호 기술은 해킹이 불가능한 새로운 보안 체계를 구축할 수 있게 합니다. 이번 글에서는 양자컴퓨팅이 어떻게 기존 암호를 무력화할 수 있는지, 양자암호가 왜 절대적인 보안 수단이 될 수 있는지, 그리고 양자 시대에 대비하는 방법을 초심자도 쉽게 이해할 수 있도록 설명합니다.

 

 

 

1. 양자컴퓨팅이란 무엇인가: 기존 컴퓨터의 한계를 넘다 

현대 사회는 컴퓨터를 기반으로 운영됩니다. 스마트폰, 인터넷, 금융 시스템, 의료 장비, 교통 시스템 등 거의 모든 인프라가 디지털 데이터와 컴퓨팅에 의존합니다. 하지만 현재의 컴퓨터는 이진법(bit) 을 기반으로 작동하며, 한 번에 0 또는 1 중 하나의 상태만 표현할 수 있습니다.

양자컴퓨터(Quantum Computer) 는 전혀 다른 방식으로 작동합니다. 양자역학의 중첩(superposition) 특성을 이용해, 큐빗(qubit)이라는 단위가 0과 1을 동시에 가질 수 있습니다. 또한 얽힘(entanglement)을 통해 여러 큐빗이 상호 의존적으로 연결되며, 병렬적 연산 능력이 기하급수적으로 확장됩니다.

예를 들어, 10개의 비트로 표현할 수 있는 상태는 2¹⁰(1024)개이지만, 10개의 큐빗은 동시에 1024개의 상태를 병렬 처리할 수 있습니다. 큐빗 수가 늘어나면 연산 능력은 상상을 초월하게 됩니다. 50큐빗 양자컴퓨터는 이론적으로 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다 특정 문제를 더 빨리 풀 수 있다고 알려져 있습니다.

이 놀라운 성능은 복잡한 분자 시뮬레이션, 최적화 문제, 인공지능 학습 등에 혁명적 가능성을 열어주지만, 동시에 기존 보안 체계의 붕괴라는 심각한 문제를 초래할 수도 있습니다.

현대 암호 기술(예: RSA, ECC)은 큰 소수를 소인수분해하거나, 이산대수 문제를 푸는 것이 어렵다는 가정에 기반합니다. 고전 컴퓨터로는 수십억 년이 걸리는 계산이 양자컴퓨터로는 몇 시간, 심지어 몇 분 만에 가능해질 수 있습니다.

이것이 바로 양자컴퓨팅이 정보 보안에 가져오는 최대 위협입니다.

 

2. 양자컴퓨팅이 무너뜨릴 기존 암호: 새로운 위협의 시작 

현대 디지털 세계의 거의 모든 보안은 RSA, ECC(타원 곡선 암호), DH(Diffie-Hellman 키 교환) 같은 알고리즘에 의존합니다. 이 암호들은 고전 컴퓨터가 특정 수학적 문제를 푸는 데 천문학적 시간이 걸린다는 사실에 기반합니다.

예를 들어, RSA 암호화는 두 개의 매우 큰 소수를 곱하여 얻은 수를 기반으로 합니다. 이 숫자를 소인수분해하려면 고전 컴퓨터로는 사실상 불가능한 시간이 필요합니다. 하지만 1994년, 수학자 피터 쇼어(Peter Shor)는 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm) 을 발표했습니다. 이 알고리즘은 양자컴퓨터에서 소인수분해를 효율적으로 수행할 수 있도록 해주며, RSA 암호를 빠르게 깨뜨릴 수 있습니다.

비슷하게, ECC 기반 암호와 DH 키 교환 프로토콜도 양자컴퓨터의 능력 앞에서는 취약해집니다. 실제로 양자컴퓨터가 상용화되면, 현재 저장되어 있는 암호화된 데이터들도 모두 복호화될 위험이 있습니다. 이를 Harvest Now, Decrypt Later(지금 수집하고 나중에 해독) 전략이라 부릅니다. 악의적인 세력은 오늘 데이터를 훔쳐 저장하고, 미래에 양자컴퓨터로 해독할 수 있습니다.

이 때문에 미국 NIST(국립표준기술연구소) 등은 2016년부터 양자 내성 암호(Post-Quantum Cryptography, PQC) 표준화 작업을 시작했습니다. 이는 양자컴퓨터로도 쉽게 풀 수 없는 새로운 암호체계를 구축하기 위한 글로벌 프로젝트입니다.

또한, 정부 기관, 금융 기관, 클라우드 서비스 제공업체 등은 양자 위협에 대응하기 위해 시스템을 새롭게 설계하고 있습니다.

양자컴퓨터는 과학적 가능성을 열어주지만, 동시에 정보 보안의 대격변을 예고하고 있는 것입니다.

 

반응형

3. 양자암호: 해킹이 불가능한 새로운 보안 체계 

하지만 양자역학은 단순히 기존 보안을 위협하는 데 그치지 않습니다. 오히려 양자역학적 원리를 이용하면, 절대적으로 안전한 통신이 가능합니다. 그 핵심이 바로 양자암호(Quantum Cryptography) 입니다.

대표적인 기술이 양자키분배(QKD, Quantum Key Distribution) 입니다. 이는 두 사용자가 양자 상태를 이용해 암호키를 공유하는 방식입니다. 양자 상태는 관측하면 변형되기 때문에, 중간에 누군가 통신을 엿보려 하면 그 사실이 즉시 드러납니다. 이 원리는 양자역학의 기본 법칙에 기반하기 때문에, 어떤 수단으로도 무력화할 수 없습니다.

현재 가장 널리 연구된 QKD 프로토콜은 BB84 프로토콜입니다. 1984년 찰스 베넷과 질 브라사르에 의해 제안된 이 방법은 편광된 광자를 이용해 암호키를 생성하고 공유합니다. 중국, 유럽, 미국 등에서는 이미 수백 킬로미터 이상 거리에서 QKD 네트워크를 구축하는 실험이 성공적으로 이루어지고 있습니다.

더 나아가, 양자 통신 위성 기술도 발전하고 있습니다. 중국은 2016년 '묵자호' 위성을 통해 세계 최초로 우주 기반 QKD 실험에 성공했으며, 이는 지구 반대편 도시 간 양자암호 통신이 가능함을 보여주었습니다.

양자암호는 단순히 금융, 정부 통신 보호를 넘어, 미래의 인터넷, 국방 체계, 의료 데이터 보호 등 광범위한 분야에 필수적 기술이 될 것입니다.

결국, 양자컴퓨팅은 기존 암호를 위협하지만, 동시에 양자암호라는 새로운 보안 체계를 통해 더 강력하고 신뢰할 수 있는 디지털 사회를 열어갈 열쇠를 제공하고 있습니다.

 

4. 마무리

양자컴퓨팅은 정보 보안의 게임 체인저입니다. 기존 암호 체계를 무너뜨릴 위협을 가지지만, 동시에 양자암호를 통해 절대적 보안을 구축할 수 있는 기회를 제공합니다. 양자 시대를 준비하기 위해서는, 새로운 암호 기술 도입과 시스템 재설계가 필수입니다. 양자컴퓨팅과 양자암호는 미래 디지털 사회의 신뢰를 지탱하는 핵심이 될 것입니다.