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현대 정보 보안에서 가장 중요한 요소 중 하나는 암호화(Encryption) 기술이다. 그러나 기존 방식(RSA, AES 등)은 컴퓨터의 등장으로 인해 해킹될 위험이 커지고 있다. 이에 대한 해결책으로 Quantum Cryptography 이 주목받고 있다. 원리를 이용한 암호화는 절대적으로 안전한 통신을 가능하게 하며, 해킹이 불가능한 보안 체계를 구축할 수 있다. 원리, 현재 연구 상황, 그리고 미래 전망을 살펴본다.
1. 양자 암호화란 무엇인가?
Quantum Cryptography는 양자역학의 원리를 활용하여 정보를 보호하는 보안 기술이다. 기존 방식과 달리, 물리적으로 해킹이 불가능한 시스템을 구축할 수 있다.
① 현재 사용되는 암호화 방식은 수학적 난제에 기반하고 있다. RSA화: 두 개의 큰 소수를 곱한 값에서 원래 소수를 찾기 어려운 수학적 문제를 이용한 방식. AES화: 특정한 키를 이용해 데이터를 변환하는 방식. 그러나 컴퓨터는 쇼어 알고리즘을 사용하여 기존 체계를 빠르게 해독할 수 있다. 기존의 슈퍼컴퓨터가 수천 년 걸릴 계산을 컴퓨터는 몇 초 안에 해결할 가능성이 있다. 따라서 기존 기술은 더 이상 안전하지 않을 수 있다.
② 양자역학의 불확정성 원리 및 얽힘을 활용하여 보안 시스템을 구축한다. 정보를 가로채는 행위 자체가 흔적을 남기므로, 도청이 불가능 하다. 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)를 통해 해킹이 원천적으로 차단된다.
2. 양자 암호화의 원리
주로 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 기술을 통해 구현된다.
① 키 분배(QKD)란? QKD는 양자 상태의 빛(광자, Photon) 을 이용하여 키를 공유하는 방식이다. 송신자(Alice)와 수신자(Bob)가 빛의 편광 상태를 이용하여 키를 생성하고 공유한다. 해커(Eve)가 이를 도청하려 하면, 도청 사실이 즉시 감지된다.
② BB84는 가장 널리 사용되는 알고리즘으로, 1984년 찰스 베넷(Charles Bennett)과 질 브라사드(Gilles Brassard)에 의해 개발되었다.
BB84 프로토콜의 과정은 다음과 같다. 송신자(Alice)가 랜덤한랜덤 한 0과 1의 비트를 생성 각 비트를 특정한 편광 상태로 변환하여 광자로 전송 수신자(Bob)가 랜덤 한 편광 필터를 사용하여 광자를 측정 Alice와 Bob이 일부 데이터를 비교하여 일치하는 데이터를 확인 일치하는 데이터를 바탕으로 키를 생성 이 과정에서 해커(Eve)가 데이터를 가로채면, 측정 과정에서 상태가 변형되기 때문에 Alice와 Bob은 도청 사실을 즉시 알 수 있다.
3. 양자 암호화의 응용 분야
다양한 분야에서 보안성을 강화하는 데 사용될 수 있다.
① 금융 및 온라인 거래 보안 은행 간 거래, 온라인 결제 시스템 등에서 해킹이 불가능한 안전한 거래가 가능하다. 이미 중국과 스위스 등 일부 금융기관에서는 보안 시스템을 실험적으로 운영 중이다.
② 군사 및 정부 통신 군사 기밀 및 국가 안보 관련 통신에 적용하면 도청이 불가능한 보안 체계를 구축할 수 있다. 중국은 2016년 세계 최초로 통신 위성 '묵자(Micius)' 를 발사하여 군사 및 외교적 보안을 강화하고 있다.
③ 의료 데이터 보호 병원과 연구소 간 환자 데이터를 안전하게 공유하기 위해 도입할 수 있다. 개인 의료 기록이 해킹되지 않도록 보호할 수 있다.
④ 사물인터넷(IoT) 보안 IoT 기기 간 통신을 보호하기 위해 적용하면, 스마트홈, 스마트시티 등의 보안성을 높일 수 있다.
4. 현재 연구 상황
빠르게 발전하고 있으며, 각국 정부 및 글로벌 IT 기업들이 연구를 진행하고 있다.
① 주요 연구 기관 및 기업 미국: 구글, IBM, NASA, MIT 등에서 안 기술 연구 중국 국가 차원에서 통신망 구축 유럽연합(EU): 양자 인터넷 프로젝트 진행 중 한국: 한국과학기술연구원(KIST) 및 KAIST에서 기술 연구
② 실제 적용 사례 중국은 2017년 베이징-상하이 간 2000km 규모의 통신 네트워크 를 구축. 스위스의 금융 기업들은 키 분배(QKD)를 이용한 보안 시스템을 시험 운영 중. 미국 정부는 보안 인프라 개발을 위한 연구 프로젝트 진행 중.
5. 한계와 미래 전망
강력한 보안성을 제공하지만, 아직 해결해야 할 과제가 있다.
① 기존 암호화 시스템보다 구축 비용이 높음. 기술적 한계: 장거리 통신에서 신호가 손실될 가능성이 있음. 하드웨어 제한: 안정적인 광자를 생성하고 전송하는 기술이 아직 완벽하지 않음.
② 리피터(Quantum Repeater) 기술 개발: 장거리 통신의 한계를 극복하는 연구가 진행 중. 인터넷(Quantum Internet) 구축: 컴퓨팅과 결합된 초고속 보안 네트워크 개발 가능. 보안 칩 개발: 소형 장치를 스마트폰 및 IoT 기기에 적용하는 연구 진행. 상용화되면, 기존의 해킹 위협을 완전히 차단할 수 있는 새로운 보안 시대가 열릴 것이다.
원리를 활용하여 기존 방식이 가진 한계를 극복하는 획기적인 보안이다. 키 분배(QKD)를 통해 해킹이 원천적으로 차단된다. 금융, 군사, 의료, IoT 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 현재 연구가 활발히 진행 중이며, 미래에는 인터넷(Quantum Internet) 시대가 열릴 가능성이 높다. 컴퓨터가 발전함에 따라 기존 방식이 무력화될 가능성이 있는 만큼, 기술의 발전은 필수적이다. 향후 몇 년 안에 본격적인 상용화가 이루어질 것으로 기대된다.