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양자 암호화는 결국 물리학에서 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위인 양자(Quantum)의 특성을 바탕으로 도청이나 해킹이 불가능한 암호를 만드는 방식입니다. 양자 암호화는 일반적인 암호화, 복호화가 아닌, 원거리의 두 사용자가 동일한 비밀키를 갖는 방식입니다.
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양자컴퓨터가 상용화 된다면 모든 보안이 쉽게 뚫릴 것이라는 우려. 네이처에 게재된 구글의 논문에 따르면 ‘슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 보안 문제를 양자컴퓨터로는 200초면 풀 수 있다’고 한다. 만약에 이 말이 사실이라면 양자컴퓨터가 개발되는 순간 암호 체계가 한방에 뚫릴 수도 있는 거다.
하지만 양자 암호가 개발되면 어떨까? 양자암호가 상용화되면 세상 모든 암호는 절대 풀 수 없게 된다.
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뚫리지 않는 방패, 양자암호의 시대가 온다! – 사이언스타임즈
양자 암호화는 비밀키를 분배하는 과정에서 일반 암호통신처럼 정보를 암호화하고 나중에 복해독하는 거치는 방식이 아니라 원거리에 있는 두 사용자 …
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 11/4/2022
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양자 암호 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
양자 암호은 고전역학적으로는 해결 불가능하다고 증명되거나 추측되는 다양한 암호화 작업을 해결할 수 있다는 장점을 가진다. 예를 들어, 양자 상태로 인코딩된 데이터를 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 5/22/2021
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양자 암호화, “만능은 아니지만 보안 강화에 기여” – ITWorld Korea
양자 암호화는 “암호화 작업에 양자 역학적 특성을 활용한 과학”이라고 정의되며 일반인들을 위한 정의는 양자의 복수 상태 특성과 ‘불변화 이론’을 활용 …
Source: www.itworld.co.kr
Date Published: 9/30/2022
View: 4935
5G 시대의 차세대 암호화 기술 ‘양자 암호’ | 반도체네트워크
양자 암호화는 키를 분배하는 과정에서 일반 암호통신처럼 정보에 대한 암호화와 복호화를 거치는 방식이 아닌, 원거리의 두 사용자가 동일한 ‘비밀키’를 가지는 방식이다.
Source: www.seminet.co.kr
Date Published: 10/28/2021
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이통 3사, 하이브리드 양자암호화장비 국정원 인증 추진 – 전자신문
이동통신 3사가 양자암호통신망 구축용 하이브리드 암호화장비(Encryptor)에 대해 국정원 암호모듈검증(KCMVP) 인증 획득을 추진한다.
Source: www.etnews.com
Date Published: 6/27/2021
View: 7767
5G 시대의 차세대 암호화 기술 ‘양자 암호’ – 삼성반도체이야기
양자 암호화는 키를 분배하는 과정에서 일반 암호통신처럼 정보에 대한 암호화와 복호화를 거치는 방식이 아닌, 원거리의 두 사용자가 동일한 ‘비밀 …
Source: www.samsungsemiconstory.com
Date Published: 5/27/2022
View: 114
양자 컴퓨팅 시대, 양자 암호 기술과 보안 – LG CNS 블로그
양자 암호화는 예측할 수 없고 복제가 불가능한 양자의 물리적 특성을 이용하여 안전성을 보장하는 암호화 방식을 말하며, 양자 컴퓨팅으로 야기된 보안 …
Source: blog.lgcns.com
Date Published: 9/3/2022
View: 2987
[특허]양자서명을 위한 양자 암호화 시스템 – ScienceON
본 발명은 양자 암호화 시스템으로서, 임의의 양자 상태를 나타내는 메시지 큐빗으로 구성되는 양자 메시지를 생성하고, 상기 메시지 큐빗을 복수의 편광판들을 통해 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 3/26/2022
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주제에 대한 기사 평가 양자 암호화
- Author: 리뷰엉이: Owl’s Review
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- Date Published: 2021. 2. 13.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=wLrtfgDaeC0
양자 암호화 통신이란 무엇인가?
IT 서비스에 많이 사용되고 있는 암호화 방식을 살펴보면 암호화, 복호화를 수행할 때 동일한 키(key)를 사용하는 대칭키 방식, 암호화, 복호화에 서로 다른 키(공개키, 비밀키)를 사용하는 비대칭키 방식이 대표적입니다. 공개키 방식부터 알아보겠습니다.
RSA (Rivest – Shamir – Adleman)
공개키 방식 중 대표적인 알고리즘이 RSA입니다. RSA는 큰 정수의 소인수분해가 어렵다는 점에 착안되어 만들어진 대표적인 공개키 방식의 알고리즘입니다.
두 개의 큰 소수(일반적으로 140자리 이상)를 곱하고 추가 연산하여, 하나는 공개키, 다른 하나는 비밀키를 구성하는 방식입니다. 곱셈에 사용했던 원래의 소수로 분해하는 수학적인 방식을 사용합니다. 비밀키의 암호를 해독하려면 슈퍼컴퓨터로도 1만 년 이상이 소요되는 것으로 알려져, 많은 분야에서 사용되고 있습니다.
RSA 공개키 암호화 방식의 단점은, 소인수분해를 빠르게 할수록 그 안전성이 위협된다는 점입니다. 따라서 컴퓨팅 기술과 계산 속도가 빨라질수록 RSA 암호화가 깨질 수 있는 단점이 있습니다. 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터의 등장으로 이 위협은 좀 더 현실화가 되어가고 있습니다.
2014년 1월 미국의 워싱턴 포스트지는 미국 국가 안보국(NSA) 이 인터넷 암호화를 거의 모두 해제할 수 있는 양자 컴퓨터 개발을 추진하고 있다고 보도하였고, 얼마 이후, 중국에서도 이미 해킹을 차단할 수 있는 양자 암호화 통신을 사용하고 있다고 발표하여 세상을 놀라게 하였습니다.
양자 암호화(Quantum Encryption)
컴퓨팅 기술이 발전할수록 기존 암호화 방식은 암호화 키의 길이를 점점 늘리는 추세이지만, 키 길이가 길수록 당연히 연산이 복잡해지고, 암복호화 속도가 느려집니다. 수많은 데이터가 태생되고 있는 시점에서, 빠르고 안전한 암호화 방식이 필요하기에 부각된 것이 바로 양자 암호화(Quantum Encryption)입니다.
양자 역학(Quantum Mechanics)
기존의 암호화 방식이 수학적 문제의 해석에 기반을 두었다면 양자 암호화는 양자 역학(Quantum Mechanics)이라는 물리학 법칙을 기반으로 합니다. 현대 물리학의 기초인 양자 역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주는 등 과학기술, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가됩니다. 양자 암호화는 결국 물리학에서 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위인 양자(Quantum)의 특성을 바탕으로 도청이나 해킹이 불가능한 암호를 만드는 방식입니다.
양자 암호화 통신
양자 암호화는 일반적인 암호화, 복호화가 아닌, 원거리의 두 사용자가 동일한 비밀키를 갖는 방식입니다. 비밀키 생성을 위해 정보를 주고받는 과정이 바로 양자 상태에서 이루어지기 때문에 제삼자는 키에 대한 정보를 알 수가 없습니다.
양자의 대표적인 특징은 동일한 양자 상태의 복제가 불가능하고, 한 번 양자를 측정하여 그 값을 구하면, 측정 이전의 상태로 되돌릴 수 없다는 점입니다. 따라서 암호 키를 가진 두 사람만이 암호화된 정보를 복호화할 수 있습니다. 만약 이 키를 제삼자가 탈취하려면 양자 상태가 전송되는 채널에서 측정을 해야 하는데, 그 측정의 순간 양자 상태가 변화하면서 훼손됩니다. 이때 수신자는 도청 시도를 즉시 파악하게 되고, 그 시점까지 수신된 정보를 파기해야 합니다.
<출처: SK텔레콤>
양자 키 분배(Quantum Key Distribution: QKD)
양자 암호화의 대표적 사례는 암호화, 복호화에 사용되는 키를 분배하는 양자 키 분배(Quantum Key Distribution: QKD) 기술입니다. 양자 암호화의 핵심 기술로, 송신자와 수신자의 양 끝단에 설치된 암호 키 분배 기기를 통해 같은 암호 키를 생성해주는 기술입니다.
<출처: SK텔레콤>
QKD는 데이터 암호화 자체는 기존의 암호화 알고리즘 AES, RSA를 사용하지만 양자 채널을 통해 비밀키를 공유합니다. QKD는 도청자도 예상할 수 없는 무작위 난수를 생성하는 기술, 양자를 원거리에 전송하는 양자 중계기, 양자 암호 프로토콜 등이 필요합니다. 만약에라도 양자 채널에서 제삼자가 키를 관찰하거나 측정하려는 시도가 발생하면 양자 상태에 교란이 발생합니다. 수신자는 오류 수준 확인을 통해 전달된 메시지의 교란이 발생했음을 감지하고 해당 메시지를 신뢰하지 않고 폐기합니다.
양자 난수 생성기(QRNG: Quantum Random Number Generator)
양자 암호화에 필요한 길이의 난수를 생성하여 해킹 가능성을 낮추는 chip 형태의 기기입니다. 수요에 따라 동시에 얼마나 많은 난수를 생성(throughput) 할 수 있는지, 얼마나 빠르게 송수신자에게 전달(kbps) 할 수 있는지가 기술의 관건입니다. 일반적으로 손바닥보다 작은 생성기 하나의 가격이 개당 1,500달러였지만, SKT와 IDQ가 2017년 공동 개발한 초소형(5mm * 5mm) 양자 난수 생성기 칩은 10달러 정도라고 합니다.
맺으며.
메신저와 같이 프라이버시 한 정보를 주고받는 서비스는 E2E(End to End) 암호화가 필요합니다. 양자 암호화를 활용한다면 그전보다 훨씬 보안 강도가 높고, 빠른 암복호화를 제공하는 서비스가 가능해집니다. 따라서 절대적인 보안이 필요한 금융 서비스나 자율 주행과 같이 인간의 직접적인 안전과 건강에 영향을 주는 서비스 등에 사용될 수 있는 5G나, IoT 통신에서 많이 사용될 것으로 예상됩니다.
뚫리지 않는 방패, 양자암호의 시대가 온다! – Sciencetimes
해커들은 말한다. ‘이 세상에 뚫리지 않는 암호는 없다.’ 그 말 그래도 암호의 역사는 창과 방패의 역사였다. 방패는 창에 뚫리지 않기 위해 재료를 바꾸고 강도를 바꾸며 점점 강해져 간다. 이에 맞추어 창 역시 그 방패를 뚫기 위해 날카로워지고 강해진다. 이처럼 암호는 점점 더 복잡해지지만 어딘가에는 이 복잡함을 푸는 실마리가 있게 마련이다. 안타깝게도 현대 기술은 암호의 실마리를 매우 빠르게 찾아낼 수 있다. 2019년 구글은 양자컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터의 연산 능력을 넘어섰다고 발표했다. 양자컴퓨터는 0과 1이라는 컴퓨터의 기본 비트 단위에서 벗어나 ‘중첩’이라는 양자역학의 현상을 이용한다. 중첩은 하나의 압자에 여러 가지 상태가 확률적으로 동시에 존재하는 것이다. 즉 양자컴퓨터는 0,1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위로 정보를 처리한다. 이러한 특성 때문에 양자컴퓨터는 적은 큐비트로 경우의 수를 엄청나게 많이 표현할 수 있고 여러 가지 결과값을 한 번에 낼 수 있다. 양자컴퓨터가 암호 해독에 이용된다면 아무리 복잡한 암호라도 단 몇 분 안에 풀릴 수 있다. 현재 거의 대부분의 암호를 만드는 시스템 알고리즘은 소인수분해를 이용한다. 엄청나게 큰 숫자를 소인수분해하는 것인 굉장히 시간이 많이 걸리는 작업이다. 연구에 따르면 129자리 숫자를 소인수분해하는 데 1600여 대의 컴퓨터를 연결해 총 8개월이 걸렸다고 한다. 양자컴퓨터는 이런 암호 방식을 무력화시킨다. 그야말로 미래는 보안에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
양자역학의 현상을 이용한 양자암호통신 양자 현상을 암호 해독에만 사용할 수 있는 것은 아니다! 기존의 소인수분해 방식에서 벗어나 양자 방식으로 암호를 구성하는 것도 가능하다. 그야말로 창과 방패의 싸움을 시작하는 것이다. 그 방패의 이름은 ‘양자암호통신’이다. 양자 암호화는 비밀키를 분배하는 과정에서 일반 암호통신처럼 정보를 암호화하고 나중에 복해독하는 거치는 방식이 아니라 원거리에 있는 두 사용자가 동일한 비밀키를 공유한다. 이때 비밀키를 생성하기 위해 정보를 주고받는 과정을 양자상태에서 진행하기 때문에 제3자는 키에 대한 정보를 전혀 알 수 없게 된다. 이를 양자 키 분배(Quantum key Distribution, QKD)라 한다. 이것 역시 양자역학의 특별한 현상을 이용한 것이다. 앞에서도 설명했던 양자 중첩, 둘 이상의 입자가 서로 얽혀 있어 원격으로 떨어진 한 입자의 상태변화가 동시에 다른 입자에게도 반영되는 양자 얽힘, 위치나 속도 같은 서로 다른 물리량을 동시에 측정하는 것은 불가능하다는 불확정성의 원리가 그것이다. 특히 불확정성의 원리가 중요한데, 이 원리에 따르면 하나의 물리량을 측정하거나 관측하는 순간, 다른 물리량의 불확실성이 커진다. 그렇기 때문에 해커가 중간에서 양자 암호 키를 측정하거나 정보를 관측하게 되면 양자 상태에 변화를 주고 이러한 변화는 송신자와 수신자의 키 분배에 오류를 일으켜 해커가 있다는 사실을 알 수 있다. 이와 더불어 양자 상태가 변한다는 것은 곧 암호가 변한다는 것을 뜻하므로 복제 역시 원천적으로 불가능하다.
스마트폰에 도입된 양자난수생성기 완전한 양자 암호 키는 현재 연구 중이지만 양자암호 보안 기술 중 난수생성기가 탑재된 스마트폰이 최초로 한국에서 출시됐다. 난수는 통신 내용을 암호화한 후 전송하는 데 쓰인다. 물론 일반 스마트폰에도 난수생성기가 있지만 인간이 만든 소프트웨어 알고리즘에 의해 생성되기 때문에 패턴이 생겨 쉽게 뚫릴 수 있다. 이렇게 수학적 알고리즘 기반으로 생성된 난수를 유사 난수(pseudorandom number)라고 한다.양자난수생성기는 사람이 아닌 순수 자연 현상, 즉 양자 현상을 이용해 난수를 생성한다. 그렇기 때문에 특정한 패턴이 없어 예측이 불가능하다. 양자난수 생성 방식은 크게 광학식과 방사성 동위원소식으로 구분된다. 광학식은 빛의 입자이자 파동인 광자(Photon)을 이용하는 방식이다. 방사성 동위원소식은 반감기 동안 방출하는 알파입자를 이용한다. 광자나 알파입자는 모두 불확정성을 따르므로 무작위한 난수성을 나타낸다.
양자난수를 지속적으로 생성시키는 장치를 ‘양자난수생성기(QRNG)’라 하는데, 이렇게 만들어진 난수는 아무리 뛰어난 슈퍼컴퓨터로도 예측할 수 없을 정도로 완벽하게 무질서한 순수 난수이다. 보안업계도 양자난수를 모든 IT 기기에 적용할 수 있다면 해킹 불가능한 암호 체계를 구현할 수 있을 것이라 생각한다. 이번에 스마트폰에 장착된 양자난수생성기는 크기가 5mm에 불과하고 비용도 저렴하며 속도 또한 빠르다. 앞으로 보안이 중요한 사물인터넷 기기에는 양자난수생성기가 광범위하게 적영되어 진정한 뚫리지 않는 방패를 구현할 수 있을 것이다. * 이 글은 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 발간하는 ‘과학향기’ 로부터 제공받았습니다. [과학향기 바로가기]
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위키백과, 우리 모두의 백과사전
양자암호, 혹은 양자암호화는 양자역학적 특성을 활용한 암호화 작업이다.[1][2] 양자암호화의 가장 잘 알려진 예제로 양자 키 분배를 들 수 있다. 이는 키교환 문제에 대한 정보이론상 안전한 해답이다. 양자 암호은 고전역학적으로는 해결 불가능하다고 증명되거나 추측되는 다양한 암호화 작업을 해결할 수 있다는 장점을 가진다. 예를 들어, 양자 상태로 인코딩된 데이터를 복사하는 것은 불가능한데, 이는 양자 키 분배에서 도청을 감지하는데 사용할 수 있는 특징이다.
한편, 우리말의 어감상 양자통신과 양자 내성 암호(양자 후 암호) 모두 양자컴퓨터와 관련이 있을 것으로 보이지만 사실 양자통신은 양자역학적 특성을 이용할 뿐 양자컴퓨터와 무관하며, 양자내성암호도 양자컴퓨터가 실용화되었을 경우를 가정하고 이를 이용하여 해독을 시도하여도 안전하다는 것이지 알고리즘 자체는 현재의 범용 컴퓨터에서 구현되고 동작한다.
역사 [ 편집 ]
양자 암호는 Stephen Wiesner와 Gilles Brassard의 업적이 그 시초이다.[3] 1970년대 초, 당시 뉴욕 컬럼비아 대학의 Wiesner는 양자 켤레 코딩의 개념을 도입하였다. Wiesner의 논문 “Conjugate Coding”은 처음엔 IEEE Information Theory Society 에서 게제거부되었으나, 1983년 ACM SIGACT|SIGACT News에서 출판되었다.[4] 이 논문에서 Wiesner는 광자의 선형 및 원형 편광과 같은 “켤레 관측가능량”에 두 메시지를 인코딩하고 저장하거나 전송함으로써 두 메시지 중 하나만이 수신되고 디코딩되도록 할 수 있는 방법을 보였다.[5] IBM Thomas J. Watson Research Center의 Charles H. Bennett(컴퓨터 과학자)과 Gilles Brassard는 1979년 푸에르토리코에서 열린 20회 IEEE Symposium on the Foundations on Computer Science에서 만나, Wiesner의 발견을 통합하는 방법을 발견했다. “주요 돌파구는 광자가 정보를 저장하기 위한 것이 아니라 정보를 전송하기 위한 것임을 깨달았을 때 이루어졌습니다.”[4] 이 작업을 기반으로 하여 1984년, Bennett 와 Brassard 은 보안 통신을 위한 방법을 제안하였고, BB84 라고 명명되었다.[6] 안전한 키 분배를 달성하기 위해 양자 비국소성과 벨 부등식을 사용하기 위한 David Deutsch의 제안에 따라,[7] Artur Ekert는 1991년 논문에서 얽힘 기반 양자 키 분포를 더 자세히 분석하였다.[8]
3단계 양자암호화 프로토콜(Kak의 3단계 프로토콜)에서 양 통신자에 의한 극성 무작위 회전이 제안되었다.[9] 원칙적으로 이 방법은, 단일 광자를 사용하는 경우 데이터의 연속적이고 깨지지 않는 암호화에 사용할 수 있다.[10] 기본적인 극성 회전 스킴이 구현되었다.[11] 이는 양자 키 분배가 실제로는 고전적인 암호화를 사용하는데 반해 순수하게 양자 기반 암호화 방식을 보여준다.[12]
BB84 방법은 양자 키 분배 방법들의 기초가 되었다.
Advantages [ 편집 ]
암호화는 데이터 보안의 구조에서 가장 중요한 부분이다.[13] 다만 암호화를 사용하는 입장에서 암호키가 무기한 안전히 유지된다고 생각해서는 안된다.[14] 양자 암호는[15] 암호화된 데이터를 안전하게 유지할 수 있는 기간이 기존 암호에 비해 더 오래 지속된다.[14] 기존(고전) 암호화를 통해서는 안전한 암호화를 30년 이상 유지할 수 있다는 보장이 없으나, 일부 이해 관계자들은 그 이상의 기간을 유지해야하는 경우도 있다.[14] 의료 산업계를 그 예로 들어볼 수 있다. 2017년 기준으로 사무실 기반 의사의 85.9%가 전자 의료 기록 시스템을 사용하여 환자 데이터를 저장하고 전송하고 있다.[16]
HIPPA(Health Insurance Portability and Accountability Act)에 의해, 의료기록은 비밀로 유지되어야만 한다.[17] 일반적으로 서면으로 된 의료기록은 일정 기간이 지나면 파쇄되지만 전자기록은 디지털 흔적을 남긴다. 양자 키 배포는 최대 100년 동안 전자 기록을 보호할 수 있다.[18] 군사기밀을 60년 이상 보존할 수 있는 등, 양자 암호는 정부 및 군에 유용한 점도 있다.[18] 또한 양자 키 배포가 잡음 채널을 통해 장거리로 이동할 수 있고 안전하다는 증명이 있으며, 잡음 양자 스킴을 고전적인 잡음 없는 스킴으로 환원할 수 있는데, 이는 고전 확률 이론으로 해결할 수 있다.[19] 이 프로세스는 잡음 채널에 대해 일관된 보호를 유지하며, 양자 중계기의 구현을 통해 가능하다. 양자 중계기는 양자 통신 오류를 효율적인 방식으로 해결할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 통신 보안을 보장하기 위해 잡음이 많은 채널을 통해 세그먼트로 배치될 수 있다. 양자 중계기는 안전한 통신 회선을 만들기 위해 연결 전 채널의 분절을 정제함으로써 이를 수행한다. 하위 수준의 양자 중계기는 장거리에서 잡음 채널을 통해 효율적인 보안을 제공할 수 있다.[19]
양자 암호화, “만능은 아니지만 보안 강화에 기여”
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이통 3사, 하이브리드 양자암호화장비 국정원 인증 추진
이동통신 3사가 양자암호통신망 구축용 하이브리드 암호화장비(Encryptor)에 대해 국정원 암호모듈검증(KCMVP) 인증 획득을 추진한다. 양자암호통신 장비 관련 표준 및 인증 가이드라인이 정립되지 않았지만 양자암호기술과 기존 암호체계를 결합해 신뢰성을 선제적으로 강화하겠다는 의도다. 공공시장 공략도 가속화할 전망이다.
KT와 LG유플러스는 지난달 국정원 산하 국가보안연구소에 하이브리드 암호화장비 인증 신청 자료를 제출했다. SK텔레콤은 이달 중 자료를 제출한다. SK텔레콤은 앞서 국내 최초로 양자암호통신망 구축에 활용되는 암호화장비에 대한 KCMVP 인증을 획득한 바 있다.<본지 1월 18일자 4면> KT와 LG유플러스는 전송장비제조사인 코위버, SK텔레콤은 우리넷과 각각 인증을 추진했다. 이통 3사는 오는 연말까지 KCMVP 인증 획득을 목표로 한다.
하이브리드 기반 암호화장비는 SK텔레콤과 KT의 양자키분배기(QKD), LG유플러스의 양자내성암호(PQC) 알고리즘에 공개키 방식인 타원곡선방식(ECDHE) 알고리즘을 결합했다. 두 방식이 동시에 작동해, 특정 체계가 무용화돼도 다른 암호체계가 작동한다. 보안성이 강화된 것이 핵심이다. 양자암호가 데이터 암호화와 복호화에 동일한 키를 주입하는 대칭 방식을 사용하는 것과 달리 공개키 방식은 암호화에는 공개 키, 복호화에는 개인 키를 주입하는 비대칭 방식을 사용한다.
국정원과 한국지능정보사회진흥원(NIA)은 이통 3사에 하이브리드 암호화장비를 개발하고 디지털뉴딜 현장에 적용할 것을 요구한 바 있다.
이통사 관계자는 “내년으로 예정된 양자암호통신 장비 인증 가이드라인 수립에 앞서 선제적으로 인증을 추진한다”며 “공공기관 시장 확대를 위해 사전 준비를 강화하고 있다”고 말했다.
정예린기자 [email protected]
5G 시대의 차세대 암호화 기술 ‘양자 암호’ – 삼성반도체이야기
우리나라에서 세계 최초로 5G 기술이 상용화됐습니다. 5G 통신 기술이 상용화되면 전 세계의 기기들이 네트워크를 통해 서로 연결되는 초연결 시대가 시작될 것으로 기대되는데요. 생활은 훨씬 편리해지지만, 만약 이 네트워크가 해킹이나 도청을 당한다면 피해가 많이 발생할 우려도 있습니 다.
이렇듯 기술의 발달은 우리의 삶을 편리하게 하는 동시에 정보 유출의 가능성도 우려가 되는데요. 오늘은 미래의 정보 보안 기술로 주목받고 있는 ‘양자 암호’에 대해 알아보겠습니다.
지금까지 써온 RSA 공개키 암호화 방식
데이터를 잠그는 행위를 ‘암호화’라고 한다면, 이를 해제하는 행위를 ‘복호화’라고 합니다. 실제 금고를 열고 닫을 때처럼 데이터를 잠그고 해제하는 과정에서도 ‘키(Key)’가 필요한데요. 일반적으로 암호화할 때 사용한 키를 복호화하는 대상에게 전달하는 과정에서 유출의 위험이 발생하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 ‘공개키 방식’이 등장했습니다.
공개키 방식은 시스템을 통해 암호화와 복호화에 서로 다른 키를 분배합니다. 공개키 방식 중에서도 큰 정수의 소인수분해가 힘들다는 점을 이용해 키를 만드는 방식을 ‘RSA’라고 하는데요. 소수 두 개를 곱하고, 그 곱을 원래의 소수로 분해하는 수학적 방식을 기반으로 하는 알고리즘입니다.
이러한 RSA 공개키 암호화 방식은 태생적인 한계가 있습니다. 큰 정수의 소인수분해가 힘들다는 점을 이용한 방식이기에 소인수분해를 빠르게 할 수 있는 기법이 발견된다면 그 안전성에 위협이 될 수 있는데요. RSA 암호 알고리즘의 안전성은 사용되는 키의 길이가 길수록 높아지지만 키 길이가 길면 암호화, 복호화 속도가 느려지는 단점이 있습니다.
차세대 암호화 기술 ‘양자 암호’의 등장
빅데이터, 초연결의 시대에 새로운 암호화 방식의 필요성이 대두되었고, 이렇게 등장한 것이 ‘양자 암호’입니다. 기존의 암호화 기술은 풀기 어려운 수학 문제를 기반으로 안전성을 확보했다면, 양자 암호는 양자역학이라는 물리학 법칙을 기반으로 합니다. 더 이상 쪼갤 수 없는 물리학적 최소 단위인 ‘양자(Quantum)’의 특성을 이용해 도청이나 해킹이 불가능한 암호를 생성하는 것이죠.
양자 암호화는 키를 분배하는 과정에서 일반 암호통신처럼 정보에 대한 암호화와 복호화를 거치는 방식이 아닌, 원거리의 두 사용자가 동일한 ‘비밀키’를 가지는 방식입니다. 비밀키 생성을 위해 정보를 주고받는 과정은 양자상태에서 이뤄지기 때문에 제 3자는 키에 대한 정보를 전혀 알 수 없는데요.
양자는 동일한 양자 상태를 복제할 수 없고, 한 번 측정한 후에는 측정 전의 상태로 되돌릴 수 없는 특징이 있습니다. 이로써 암호키를 가진 송신자, 수신자만 암호화된 정보를 해독할 수 있게 되고, 이것이 양자 암호의 안정성의 근거가 되는 것이죠.
이러한 양자의 특성 때문에 아직까지는 비밀키 분배 과정에서 도청이나 해킹은 불가능합니다. 도청을 하려면 양자 상태가 전송되는 채널에 접근해서 측정을 해야 하는데, 그 순간 양자 상태가 변화하면서 훼손될 수 밖에 없기 때문인데요. 이때 수신자는 데이터에 대한 도청 시도를 파악하고 수신된 정보를 폐기할 수 있습니다.
차세대 보안 기술로 주목받는 양자 암호. 양자 암호화 기술이 일반적으로 도입되기까지는 아직 해결해야 할 연구 과제가 남아있는데요. 우리나라가 세계 최초로 5G 기술의 상용화를 이뤄낸 만큼, 양자 암호 기술의 선진국으로 발돋움할 수 있기를 기대해봅니다.
양자 컴퓨팅 시대, 양자 암호 기술과 보안
2013년 미국 국가 안보국(National Security Agency) 요원이었던 에드워드 스노든(Edward Joseph Snowden)은 영국의 가디언지를 통해 미국 정부가 전 세계 통신망을 도청해왔다는 사실을 폭로했습니다. ‘프리즘’이라는 비밀 프로젝트를 통해 미국 국가 안보국이 전 세계를 대상으로 통화 및 인터넷 사용 기록을 무차별적으로 수집하고 사찰해왔다는 사실은 많은 이들에게 충격을 주었습니다.
스노든이 제공한 자료를 토대로 2014년 1월 워싱턴 포스트는 미국 국가 안보국(NSA)이 인터넷 암호화를 거의 깰 수 있는 양자 컴퓨터 개발을 추진하고 있다고 보도했습니다. 스노든의 폭로 후 얼마 안 되어 중국 지도부에서 중국이 이미 해킹을 차단할 수 있는 양자 암호화 통신을 사용하고 있다고 발표해 또 한 번 세계인들을 놀라게 했습니다.
스노든 사건 후 불법 도청 및 해킹에 대한 대안으로 양자 암호화가 처음으로 조명 받기 시작했으며, 양자 컴퓨팅 시대가 더는 과학적 상상이 아닌 눈앞의 현실로 다가오자 이에 대한 필요성은 더욱 증폭되고 있습니다.
양자 컴퓨팅 시대의 도래와 보안 위협
IBM은 최근 라스베이거스에서 열린 CES 2019에서 상용 양자 컴퓨터 Q 시스템원을 발표했습니다.
l IBM의 ‘Q 시스템원’ (출처: IBM)
Q 시스템원은 20큐비트 양자 컴퓨터와 기존 컴퓨터 시스템을 결합한 형태로 아직은 적은 용량에 불과하지만, 그동안 연구실에만 머물던 양자 컴퓨터가 상업용으로 사용되는 시대가 다가오고 있다는 첫 번째 징후였습니다.
IBM은 이미 클라우드를 통해서 5큐비트 양자 컴퓨터를 공개하고 있으며 2017년 11월 50-큐비트 프로토타입 양자 컴퓨터를 개발했습니다. IBM 외에도 구글의 72큐비트 양자칩인 Bristlecon(2018년 3월), 인텔의 49큐비트 양자칩, ‘Tangle-Lake’(2018년 1월) 등 글로벌 IT 기업들의 양자 컴퓨터 연구에 대한 구체적인 성과가 나타나고 있습니다.
양자 컴퓨터는 극단적인 초저온과 고진공 상태가 요구되며, 양자를 물리적으로 제어하는 것이 기술적으로 매우 어렵기 때문에 해결해야 하는 과제가 여전히 남아 있으나 2020년대에는 양자 컴퓨터의 실용화가 가능해질 것으로 전망되고 있습니다.
l 큐비트를 표현한 ‘블라흐 구체’ (출처: IBM), 재구성
0과 1 두 가지 상태를 갖는 비트(bit) 단위로 정보를 처리하는 디지털 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 ‘양자 중첩’ 상태를 이용해 더 빠른 연산을 가능하도록 하는 큐비트(Qubit)로 정보를 처리합니다.
예를 들어 큐비트 2개는 ‘00, 01, 10, 11’ 네 가지 상태를 얻을 수 있으며, 이것은 8개의 비트가 처리할 수 있는 상태입니다. 다시 말해, 이론상으로는 n개의 큐비트 계산 속도는 n개의 비트로 계산할 수 있는 속도의 2n배가 될 수 있으며, 현존하는 최고의 슈퍼 컴퓨터가 수백 년에 걸쳐 풀어야 하는 문제를 양자 컴퓨터로는 수초 이내로 풀 수 있게 됩니다.
양자 컴퓨터가 모든 방면에서 기하급수적인 성능 효과가 나타나는 것은 아니며, 비결정론적 문제, 다시 말해 특별한 공식 없이 모든 경우의 수를 탐색해야 하는 문제에서 위력을 발휘합니다. 예를 들어 도로에서 최적화 경로를 찾거나, 자연어를 분석하거나 분자구조 분석하는 것 등이 여기에 해당하며 공개키 암호해독 문제도 그중 하나입니다.
● 양자 컴퓨팅에 의한 전통적인 암호 기법의 무력화
1994년 MIT 응용 수학자인 Peter Shor에 의해 양자 컴퓨팅을 이용한 암호화 알고리즘(이하 양자 기반 알고리즘)을 이용할 경우 소인수분해에 걸리는 시간이 획기적으로 줄어들 수 있다는 것이 증명되자 전 세계 보안 전문가들은 충격에 빠졌습니다. Shor 알고리즘에 의하며 현재 지수적 연산 시간이 필요했던 소인수분해 기법에 기반한 공개키 암호화가 짧은 시간에 해독 가능하게 되기 때문입니다.
양자 기반 알고리즘에는 위에서 언급한 Shor 알고리즘과 Grover 알고리즘이 있습니다. 대칭키 암호화 알고리즘에 영향을 끼치는 Grover 알고리즘에 따르면 대부분의 대칭키 암호화 방식은 암호키를 두 배로 늘리는 것으로 이전과 동일한 수준의 보안이 가능하지만, Shor 알고리즘이 구현된 양자 컴퓨터가 개발되면 현재 사용하는 공개키 암호화 방식은 더 이상 사용할 수 없게 됩니다.
l 양자 알고리즘의 특징과 안전성 (출처: KISA, 양자 컴퓨팅 환경에서 암호 기술 안내서, 2017.12)
l Grover 알고리즘으로 인한 대칭키 암호 시스템 안전성
(출처: KISA, 양자 컴퓨팅 환경을 고려한 현대암호 안전성 연구, 2016.11)
l Shor 알고리즘으로 인한 공개키 암호 시스템 안전성
(출처: KISA, 양자 컴퓨팅 환경을 고려한 현대암호 안전성 연구, 2016.11)
● 양자 컴퓨팅 보안 위협에 대한 대안
양자 컴퓨팅에 의한 암호화 무력화에 대한 대안으로는 PQ(Post-Quantum: 양자 내성) 암호화와 양자 암호화에 대한 연구가 진행되고 있습니다. PQ 암호화는 QR(Quantum-Resistan: 양자 대응) 또는 QS(Quantum-Safe: 양자 안전) 암호화라고도 하며, 양자 컴퓨터가 풀 수 없는 수학적 문제를 이용한 새로운 암호화 알고리즘을 말합니다.
양자 암호화는 예측할 수 없고 복제가 불가능한 양자의 물리적 특성을 이용하여 안전성을 보장하는 암호화 방식을 말하며, 양자 컴퓨팅으로 야기된 보안 위협을 양자 컴퓨팅을 이용하여 방어하는 방식입니다.
이 중 양자 내성 암호화와 관련해서는 현재 미국 국가 안보국(NIST)에서 2021년까지 선정 완료를 목표로 차세대 암호화 알고리즘을 공모 중이며, 오늘은 양자 암호화에 대해서 간략히 소개하고자 합니다.
양자 암호화란?
양자 암호화는 ‘양자 중첩(Quantum superposition)’, ‘양자 얽힘(Quantum entanglement)’, ‘불확정성 (Uncertainty principle)’이라는 3가지 양자역학적 특성을 이용합니다.
l 양자의 3가지 특성 (출처: 융합연구정책센터, 양자 기술 시장 및 정책 동향, 2017.12)
양자 중첩이란 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’로 비유되는 원자 이하의 양자 세계에서 발생하는 현상으로, 양자는 여러 가지 상태를 동시에 가지고 있을 수 있고 측정하기 전까지는 상태를 알 수 없다는 것을 말합니다. 또한 중첩된 양자는 관측하는 순간 중첩 상태가 붕괴해 하나의 상태로 귀결됩니다.
양자 얽힘은 양자 세계에서 하나의 입자에서 쪼개진 두 개의 입자는 서로 짝을 이루는 상관관계를 가지는 현상으로, 특별한 처리를 통해 두 입자를 얽힘 상태를 만들면 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로에게 영향을 끼치는 성질을 말합니다.
아인슈타인이 ‘귀신같은 원격 현상’이라고 표현한 이 상태에서는 쪼개진 두 입자가 물리적인 거리에도 불구하고 하나의 계를 이루며 한쪽의 양자 상태를 바꾸면 다른 한쪽의 양자가 우주 반대편에 있다 하더라도 ‘동시에’ 상태가 바뀌게 됩니다.
불확정성은 위치와 속도와 같이 서로 다른 물리량을 각각 정확하게 측정하는 것이 불가능하다는 특성으로 이 원리에 따르면 양자의 상태를 측정하는 것만으로도 오류가 증폭되어 원천적으로 복제가 불가능해집니다.
이러한 양자역학적 특성에 의해 도청자에게 정보를 주지 않으면서 원거리의 사용자에게 비밀키를 전달할 수 있으며, 도청되는 즉시 감지가 가능한 안전한 암호화가 가능해집니다. 양자 암호화 기술이 가장 먼저 실용화된 사례가 ‘양자 키 분배(QKD)’기술입니다.
● 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)
양자 키 분배 기술은 양자를 이용하여 통신상 비밀키를 나누는 방식이며 양자 암호 통신 기술로 불리기도 합니다. QKD에서는 기존 채널을 통해 암호화 데이터를 전송하고 양자 채널을 통해 비밀키를 공유합니다. 데이터 암호화 자체는 기존의 암호화 알고리즘(ex: AES)을 사용하되 양자 채널을 통해서 비밀키를 공유하는 방식입니다.
양자 키 분배(QKD)를 구현하기 위해서는 단일광자광원, 광자 검출기, 난수 발생기, 양자 중계기, 프로토콜 등이 필요합니다.
l 양자 암호화 주요 기술 (출처: 정보통신기술진흥센터, 양자 암호 통신 기술 소개 및 동향 재구성)
양자 암호 프로토콜 중 안정성과 구현 가능성 면에서 가장 강력한 프로토콜로 인정받고 있으며 실제 사용되고 있는 것이 BB84 프로토콜입니다. BB84 프로토콜은 1984년 베넷(Charles Bennett)과 브라사드(Gilles Brassard)에 의해 제안되었으며, 동작하는 방식은 다음과 같습니다.
l BB84의 암호 키 분배 과정 (출처: 정보통신기술진흥센터, 양자 암호 통신 기술 소개 및 동향), 재구성
송신자는 임의의 비트를 생성하고, 각각의 비트를 편광 시킬 필터를 임의로 고른 후, 필터를 통과시킨 비트를 양자 채널을 통해 수신자에게 보냅니다. 수신자도 임의의 필터를 이용하여 수신된 값을 측정합니다. 송신자와 수신자는 퍼블릭 채널을 통해 동일한 필터를 사용했는지 확인합니다. 다른 필터를 사용한 비트는 버리고 동일한 필터를 사용한 비트만 저장합니다.
이때 중간에 도청자가 전송 정보 도청이나 탈취를 위해 양자 채널에 간섭하는 경우 도청이 바로 감지됩니다. 양자 역학적 특성에 의해 측정하는 것만으로도 정보의 왜곡을 발생시킬 수 있으며 복제 자체가 원천적으로 불가능하기 때문입니다.
양자 암호화의 현재와 미래
중국은 2016년 8월 세계 최초로 양자 암호를 탑재한 양자 위성 묵자호를 발사했습니다. 2017년에는 묵자호를 통해서 1,203Km 떨어진 지역에 ‘양자 얽힘’을 이용해 정보를 순간 이동시키는 실험에 성공했다고 사이언스지에 발표했습니다.
QKD를 중심으로 양자 암호화에 대한 표준화도 진행되고 있습니다. ETIS(유럽 표준화 기구)는 2008년부터 QKD 기술 표준화를 추진하고 있으며, ISO/IEC(국제 표준화 기구)는 CC 관점에서 QKD 보호 자산 별 주요 위협 및 QKD 기술에 대한 평가 기준을 제시하는 작업을 진행 중입니다.
국내에서는 QKD 적용 암호 시스템 보안 요구 사항, 시험 요구 사항, QKD 기술 안전성 확보를 위한 체계적인 접근 방법 등 제공을 목적으로 표준화가 진행되고 있습니다.
양자 암호화는 기존 암호화 알고리즘과 달리 아직은 고비용이 요구되며 다양한 디바이스에 구현하기 어렵다는 단점이 있습니다. 이런 한계에도 불구하고, 컴퓨팅 속도가 아무리 발전하더라도 안전성을 오랫동안 유지할 수 있으며 양자 물리에 오류가 없는 한 이론상으로는 가장 완벽한 보안 기술로, 보안 체계의 새로운 패러다임을 가져올 것으로 예상됩니다.
4차 산업혁명은 사람 간 연결뿐 아니라 사람과 사물, 사물과 사물이 연결되는 초연결 사회를 예고합니다. 이러한 사회가 제대로 작동하기 위해서는 연결 간 신뢰성이 무엇보다도 중요해지며, 이를 보장해주는 양자 암호 기술은 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술로 IoT 등 다양한 분야에 적용되며 발전할 것으로 기대됩니다.
글 l LG CNS 보안컨설팅팀
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[참고문헌] 한국인터넷진흥원, 양자 컴퓨팅 환경을 고려한 현대암호 안전성 연구, KISA-WP-2016-0020, 2016.11융합연구정책센터, 양자 기술 시장 및 정책 동향, 2017.12
임용재외 5명, 양자암호통신 기술 소개 및 동향, 정보통신기술진흥센터
한국인터넷진흥원, 양자 컴퓨팅 환경에서 암호기술안내서, 2017.12
권대성, 장진각, 양자암호기술보안표준동향, 표준/시험인증 기술동향, TTA저널, 2018.11/12
https://news.joins.com/article/23378511
http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2017103102102351607001
[특허]양자서명을 위한 양자 암호화 시스템
초록
본 발명은 양자 암호화 시스템으로서, 임의의 양자 상태를 나타내는 메시지 큐빗으로 구성되는 양자 메시지를 생성하고, 상기 메시지 큐빗을 복수의 편광판들을 통해 암호화하여 서명 큐빗을 생성하고, 상기 메시지 큐빗과 상기 서명 큐빗으로 구성된 양자서명 쌍을 생성하는 제1 통신장치; 및 상기 제1 통신장치로부터 상기 양자서명 쌍을 수신하고, 상기 양자서명 쌍을 복호화하여 양자서명 쌍을 검증하는 제2 통신장치를 포함한다.
본 발명은 양자 암호화 시스템으로서, 임의의 양자 상태를 나타내는 메시지 큐빗으로 구성되는 양자 메시지를 생성하고, 상기 메시지 큐빗을 복수의 편광판들을 통해 암호화하여 서명 큐빗을 생성하고, 상기 메시지 큐빗과 상기 서명 큐빗으로 구성된 양자서명 쌍을 생성하는 제1 통신장치; 및 상기 제1 통신장치로부터 상기 양자서명 쌍을 수신하고, 상기 양자서명 쌍을 복호화하여 양자서명 쌍을 검증하는 제2 통신장치를 포함한다.
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