교통수단의 발달은 세상을 보다 가깝게 만들고 있다. 하지만 그보다 더한 수단은 바로 통신이다.

교통의 발달에 힘입어 빠른 교환이 가능해진 우편부터, 전화, 인터넷 등의 통신이 발달하면서 우리는 전 세계 어디 와도 빠르게 연결될 수 있다.

이렇게 통신이 발달하면서 덩달아 중요해진 것이 있다. 바로 보안이다. 사람과 사람이 마주 보고 대화하는 것에도 도청의 위험성이 존재한다. 하물며 중간에 기기를 이용한다면 더더욱 위험성은 증가하는 것이다. 그래서 통신의 발전과 함께 중간에 누군가가 엿듣거나 정보를 탈취할 수 없게 하는 암호화 과정도 발달하게 되었다.

현재 차세대 암호 통신으로 주목받는 것이 바로 양자 암호 통신이다. 말 그대로 양자를 이용해 암호 통신을 한다는 것인데 어떻게 한다는 것일까? 궁금하지 않은가? 이제부터 양자 암호 통신이 무엇인지, 어떻게 하는 것인지 하나하나 알아가 보자.

양자 암호 통신이란?

1984년 Charles Bennett과 Gilles Brassard가 양자 암호를 제안하였다. 대부분 암호는 수학적 계산 복잡성에 기초하여 만들어진다. 소인수 분해에 기반을 둔 RSA 암호 방식이 대표적이다. 그러나 양자 암호는 양자 역학의 원리에 기반을 두고 있다.

양자 암호 통신은 일반적인 통신과는 다르게 파장이나 진폭 등을 이용해 통신하지 않는다. 전파가 아닌 레이저를 이용한다. 레이저의 광자 하나하나에 정보를 실어 전달한다. 송신 측에서는 광자 단위로 편광이나 위상차를 이용하여 신호를 보내고 수신 측에서는 편광패드나 간섭계를 사용하여 측정한다

광자는 각종 외부환경에 취약하기 때문에 가용 전송 거리가 짧다. 현재 전송 가능한 최대 거리는 150km 정도로 알려져 있다. 그래서 중계소를 설치해 양자암호 네트워크를 구성하고, 중계소 단위로 각각의 키를 분배해 통신하도록 한다.

양자의 특성

양자는 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위를 말한다. 양자에는 광자, 전자, 이온, 원자 등 여러 가지 종류가 있지만, 양자 암호에는 빛의 최소 단위인 광자를 이용한다. 양자는 양자 중첩, 양자 얽힘, 불확정성의 특성이 있다. 양자 중첩이란 여러 상태가 확률적으로 하나의 양자에 동시에 존재하고 측정하기 전까지 정확한 양자 상태를 알 수 없다는 특성을 말한다. 슈뢰딩거의 고양이가 바로 이 특성과 관련된 이야기다.

양자 얽힘은 두 개 이상의 양자가 가지는 비고전적 상관관계를 말한다. 하나의 근원에서 태어난 두 양자는 서로 멀리 떨어져 있어도 관계를 지니고 있다. 한쪽을 측정하는 순간 그 양자의 상태가 결정되고 그 계와 얽혀 있는 다른 계의 양자의 상태도 결정된다. 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보이게 되는 것이다.

불확정성은 양자의 위치와 속도라는 다른 물리량을 동시에 정확하게 할 수 없다는 특징이다. 위치를 측정하면 속도가 변하고 속도를 측정하면 위치가 변한다. 이렇게 양자는 여러 상태를 동시에 갖고 있고 이를 동시에 정확하게 측정할 수 없기 때문에 복제 불가능하다. 양자 암호는 이런 양자의 복제 불가능성을 바탕으로 비밀키 분배의 안정성을 보장하는 것이다. 그리고 양자 얽힘의 특성을 이용할 수 있다면 아주 빠른 통신이 가능할 것이다.

암호화 통신과 양자 암호 키

기존 암호화 방식과 양자 암호는 어떤 점이 다를까? 먼저 암호화 방식에 대해 알아보자. 현재 가장 많이 사용되는 것이 공개키 방식이다. 공개키 방식은 사전에 비밀 키를 나눠 가지지 않고, 누구나 알 수 있는 공개 키와 소유자만이 아는 비밀 키 한 쌍을 이용한다.

소유자의 공개 키로 암호화한 정보를 소유자에게 전송하면 소유자는 비밀키를 이용해 복호화하여 정보를 볼 수 있다. 이때 공개키로 이용하는 것이 풀기 어려운 수학 문제인데, RSA 암호의 경우 소인수 분해의 난해함을 기반으로 해 공개 키만으로는 개인 키를 쉽게 짐작할 수 없도록 만들어졌다. 하지만 컴퓨터의 성능이 획기적으로 발달하게 되면 소인수 분해 성능도 발달하게 되고 그렇게 되면 이 암호화는 무용지물이 될지도 모른다.

양자 암호 키 분배는 비밀 키 방식을 사용한다. 두 사용자가 같은 비밀 키를 가지는 방식이다. 비밀 키를 만들기 위해 통신하는 과정이 양자 상태에서 이루어진다. 기존 통신에서 정보 전송을 위해 디지털 비트인 0과 1을 사용하는 것과는 달리 양자비트를 사용한다. 양자비트는 디지털 비트와 달리 하나의 비트에 중첩이 가능하다. 0과 1을 동시에 가질 수 있다는 것이다. 이를 통해 다른 이들이 전송 중인 양자의 정보를 정확하게 취득하기가 어렵다.

양자 암호 프로토콜

비밀 키를 만들기 위해 정보를 주고받는 방법이 양자 암호 프로토콜인데 BB84 프로토콜이 가장 대표적이다. BB84 프로토콜은 1984년 Charles Bennett과 Gilles Brassard가 제안하였다. 송신자와 수신자 사이에 일회용 암호(One Time Password)를 만드는 프로토콜이다. 광자의 편광을 이용하는 것으로 0과 1을 나타내는 편광을 각각 2가지를 정의한 다음 십자 편광 필터와 대각 편광 필터를 이용해 광자를 측정한다. 이 프로토콜을 이용하여 송신자와 수신자는 임의의 난수를 이용한 비밀 키를 만들어 사용할 수 있다.

프로토콜의 과정은 다음과 같다.
1. 송신자가 임의의 비트를 생성.
2. 편광신호로 변환하기 위한 필터를 하나 선택
3. 필터에 대응되는 편광신호를 생성해 양자채널로 전송
4. 수신자는 측정을 위해 편광필터를 임의로 하나 선택
5. 선택한 편광 필터로 값을 측정
6. 송신자와 수신자는 퍼블릭 채널로 동일한 필터 사용 여부를 확인
7. 다른 필터를 사용한 비트는 제외하고 동일한 필터를 사용한 비트만 저장
8. 송신자와 수신자가 저장한 데이터는 같은 값을 공유하며 비밀키로 사용

중간에 도청자가 정보를 복제하려 해도 복제 불가능성에 의해 불가능하고 정보를 가로채기 위해 측정을 하면 불확정성에 의해 정보가 왜곡된다. 송신자와 수신자가 동일한 필터를 사용했음에도 비트 값이 다르게 될 수 있다. 송신자와 수신자는 퍼블릭 채널을 통해 교환된 비트의 무결성을 체크해 도청자의 존재를 파악할 수 있다.

양자 암호 통신과 미래

RSA 암호화는 소수점 분해의 난해함을 이용한다. 현재는 이 암호화를 푸는 데 걸리는 시간이 어마어마하지만, 양자컴퓨터라면 짧은 시간에 풀어 버릴지도 모른다. 이런 상황에서 주목받는 것이 양자 암호 통신이다.

양자 암호 통신은 양자의 중첩성, 불확정성, 얽힘을 이용해 안전하게 비밀키를 공유하고 정보를 주고받을 수 있게 해준다. 양자 암호 통신은 이론적으로 보면 완벽한 보안 통신이다. 이를 위해서는 단일 광자 상태를 위한 양자 광원, 전송된 단일 광자를 높은 효율로 검출하는 광자 검출기, 그리고 외부 환경 요인과 관계없이 효율적으로 양자를 전송할 수 있는 양자 암호 통신 채널이 필요하다.

포털 뉴스에서 양자 암호를 검색해보면 다양한 기술과 장비 개발에 대한 기사가 쏟아져 나온다. 이만큼 각 기업과 정부에서는 양자 암호 통신을 중요한 암호화 기술로 생각하고 기술 개발과 지원을 하고 있다.

양자 암호 통신이 상용화 되면 정보가 유출될 불안이 없어지지 않을까? 그런 세상을 기대해보며 이 기술이 어떻게 발전하고 우리 생활에 어떤 영향을 가져 올지 상상해보는 것도 좋을 것이다.

베타뉴스 안병도 (catchrod@betanews.net)
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