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기술 발전과 발명 관련 소식

양자 암호(Quantum Cryptography) 등장
ㆍ작성자: bloter	ㆍ작성일: 2014/10/23	ㆍ분류:
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양자 키 분배 체제(Quantum Key Distribution)라고도 함.
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‘존재하되 존재하지 않는다.’

문학 작품이나 영화에서 종종 마주하게 되는 모호하고 난해한 시구 가운데 하나다. 존재하는 것도 아니고 그렇다고 존재하지 않는 것도 아니라고 하니 해석하는 이로서는 그저 난감할 뿐이다. 심지어 말장난처럼 받아들이는 경우도 있으리라. 하지만 이 짧은 문구 내에 함축된 철학적 의미를 되새기면 생과 사의 경계가 우리가 생각하는 것만큼 그리 뚜렷하지 않다는 사실도 깨닫게 된다.

양자암호에 대한 이해는 이 모호한 시구를 백지상태로 수용하는 데서부터 출발한다. 고전 물리학의 관점을 머릿속에 두면 오히려 혼란만 가중시킨다. 중·고등학교 시절 배웠던 고전 물리학의 개념과 관성을 잠시 뒤로 물려둘 때 비로소 양자암호가 왜 현재까지 개발된 최상의 암호화 기술인지 이해할 수 있다.

SKT, 양자암호 시제품 국내 최초 출시

SK텔레콤이 선보인 양자암호통신 시제품(출처 : SK텔레콤)
양자 암호를 설명하기에 앞서 국내 동향부터 살펴보자. SK텔레콤은 지난 10월20일 ‘양자암호통신 시제품 첫 선’이라는 보도자료를 배포했다. 부산 벡스코에서 열리는 ‘WIS 2014′에 시제품을 국내 최초로 선보였다는 문구도 빠트리지 않았다. 양자암호통신 시제품이 국내에서도 등장했다는 사실은 여러모로 의미를 지닌다.

현재 국내에서 양자정보통신 기술을 연구하는 곳은 SKT와 KIST 정도로 알려져있다. SKT는 지난 2011년 SKT 퀀텀랩을 설립해 양자통신 기술을 꾸준히 개발해왔다. KIST도 양자기술 전문 연구센터인 나노양자정보연구센터를 개설해 이 분야에 대한 노하우를 축적해온 터다. 하지만 뒤늦게 시작한 탓에 선진국과의 기술 격차는 크다는 평가가 주를 이뤘다.(참고 논문 : ‘물리계층의 신개념 보안통신기술, 양자암호 통신’)

해외에선 일찌감치 양자정보과학 기술 개발에 투자를 진행해왔다. 하드웨어 쪽에선 양자컴퓨터를 소프트웨어 쪽에선 양자암호통신이 양자물리학을 접목한 정보과학기술로 주목을 받아왔다. 양자암호 기술 분야에서 단연 앞선 기술력을 보유한 기업은 스위스의 IDQ다. IDQ는 이미 25km 거리에서 1Kbps 속도로 암호키를 생성하는 기술을 상용화했다. 미국에선 DARPA 중국에선 과학기술부 주도로 양자 정보통신 기술 확보에 열을 올리고 있다.

양자 암호화와 양자의 특성

양자의 특성.(출처 : 물리계층의 신개념 보안통신기술, 양자암호통신)
양자암호화는 양자물리학을 암호화 체계에 응용한 분야다. 양자암호의 위력을 실감하기 위해서는 먼저 양자의 특성을 살펴봐야 한다. 왜 양자물리학을 암호체계에 도입하게 됐는지 이해하기 위해서다.

양자는 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위다. 양자에는 광자, 전자, 이온, 원자 등 여러 가지 종류가 있다. 양자 암호에는 빛의 최소 단위인 광자가 활용되고 있다.

이 양자는 3가지의 독특한 특성을 지니고 있다. 양자 중첩, 양자 얽힘, 불확정성이다. 양자 중첩은 글 첫머리에 언급한 바와 같이 존재하되 존재하지 않는 특성이다. 예를 들어 디지털의 비트는 0, 1의 두 가지 상태만 존재할 수 있다. 하지만 양자화된 큐비트(qubit)는 0이면서 동시에 1인 상태로 존재할 수 있다. ‘존재하지 않되 또한 존재하는 것’이라는 설명이 가능하다. 양자 얽힘(entanglement)은 두 양자가 떨어져 있어도 존재할 수 있다는 의미이고, 불확정성은 서로 다른 물리량이 동시에 정확히 측정이 불가능하다는 특성으로 설명할 수 있다.

이러한 3가지 특성으로 인해 양자는 복제가 불가능(no cloning theorem)하다. 디지털 비트와 가장 차별화되는 특징이다. 디지털 비트는 너무나도 쉽게 복사&붙이기가 가능하지만 양자는 그 자체가 불가능하다. 김재완 고등과학원 교수는 2005년에 발표한 논문에서 다음과 같이 설명했다.

“만약에 양자정보를 복사할 수 있게 되면 20세기 물리학의 두 기둥, 양자물리학과 상대성이론이 무너지게 된다. 우선 모르는 양자상태를 무수히 복사해 원하는 대로 측정하면 그 양자 상태에 대해서 정확히 알 수 있게 되는데, 이는 양자물리학의 불확정성 원리에 어긋난다. 또한 양자 얽힘의 비국소적인 성질을 이용하고 양자정보를 복사할 수 있으면 빛보다 빠른 통신이 가능해지는데, 이는 상대성이론에 정면으로 모순이 된다.”

양자의 복제 불가능성이 바로 양자 암호 기술의 핵심이다. 여기에 비가역성 즉 원상태로 되돌릴 수 없는 특성이 더해진다. 일반적으로 패킷 감청은 서버에 저장된 데이터를 스니핑하거나 미러링하는 등의 기술이 주로 동원된다. 하지만 양자의 특성상 복제 자체가 가능하지 않다. 이 방식이 아니라면 거쳐가는 회선 내에서 잠시 데이터를 꺼내보고 도로 집어넣는 기술이 적용될 수 있는데, 양자의 비가역성으로 인해 도감청 사실이 쉽게 확인될 수 있다.

이러한 양자의 특성에 기반해 고안된 암호화 기술이 양자키분배 프로토콜이다. 양자키분배 프로토콜 BB84는 RSA가 개발 7년 뒤인 1984년 IBM의 찰스 베넷과 몬트리올 대학교 브라사드가 처음 발명했다. 현재까지 등장한 암호화 프로토콜 가운데 가장 강력하다는 평가를 받고 있다.

[이하 링크 참조]