[우리문화신문=이한영 기자]  ​‘양자역학(Quantum Mechanics)’이라는 개념은 SF 영화에서 이따금 등장하곤 했다. 대표적으로는 마블의 영화 ‘앤트맨과 와스프’가 있다. 영화에서 주인공 스캇은 양자세계로 들어갔다가 갇힌 재닛과 정신적으로 연결된다. 이는 두 개의 입자가 거리와 무관하게 통일된 양자상태로 연결되는 ‘얽힘(entanglement)’ 현상을 표현한 것이다.

 

이와 같은 양자의 특성을 적용한 컴퓨터가 바로 ‘양자 컴퓨터’다. 양자 컴퓨터는 양자를 연산 재료로 활용해 병렬 연산을 수행한다. 이를 통해 기존 컴퓨터로 10억 년이 걸리는 계산식을 양자 컴퓨터는 100초 안에 끝낼 수 있다. 단순히 현재 성능을 뛰어넘는 것은 물론 기존에는 상상할 수 없었던 일을 실현할 수 있게 되는 것이다. 다만, 양자 컴퓨터의 우월한 성능은 암호 해독 측면에서 기존 암호 체계를 무너뜨릴 수 있어 보안에 대한 새로운 기술도 필요한 상황이다. 양자 컴퓨터와 관련 보안 기술을 소개한다.

 

 

현재의 컴퓨터는 정보 단위인 ‘비트’ 하나에 0과 1을 담아 연산을 처리한다. 양자 컴퓨터는 새로운 정보 단위인 ‘큐비트’ 하나에 0과 1을 동시에 담아 여러 연산을 한 번에 처리할 수 있다. 데이터를 병렬로 동시에 처리할 수 있고, 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량도 늘어난다.

 

예를 들어 2개의 큐비트라면 모두 4가지 상태(00, 01, 10, 11)를 중첩하는 것이 가능하고 n개의 큐비트는 2의 n제곱이 된다. 입력 정보량의 병렬 처리로 연산 속도가 기하급수적으로 빨라지는 것이다. 1큐비트가 0과 1, 2개의 상태를 동시에 가지므로, 1개 값만 가진 1비트에 견줘 2배 빠른 계산이 가능하다. 2큐비트는 00, 01, 10, 11 4개 상태를 동시에 가져 2비트보다 4배 빠르며, 3큐비트는 8배, 4큐비트는 16배로 늘어난다.

 

 

양자 컴퓨터 개발, 어디쯤 왔나?

 

양자 컴퓨터의 개념은 물리학자 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman)에 의해 1980년대 초에 처음 제시됐다. 이후 2014년 구글이 이 분야에 뛰어들었고, 2016년 IBM이 첫 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼 ‘IBM 퀀텀 네트워크’를 내놓았다.

 

2019년에는 구글이 53큐비트의 양자 컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’를 공개하며 현존 최고 성능 슈퍼컴퓨터를 압도하는 이른바 ‘양자 우월성’(Quantum Supremacy)을 처음 입증했다. 시커모어는 기존 슈퍼컴퓨터로 1만 년 이상 걸리는 것을 3분 20초 만에 풀어냈다. 이 밖에, 아마존웹서비스(AWS)도 양자컴퓨팅 서비스 '아마존 브래킷' 출시와 함께 양자 컴퓨팅 센터와 양자 솔루션 랩 운영 계획을 발표했다.

 

양자 컴퓨터의 본격적인 상용화 시점은 오류 내성을 갖추고 수백만 큐비트까지 올라가는 2030년대 후반으로 전망되고 있다. 그리고, 무한한 가능성을 가진 양자 컴퓨터 시장을 선점하기 위한 글로벌 경쟁이 이미 뜨겁게 펼쳐지고 있다.

 

미국은 세계 처음 ‘양자법’을 2018년 말 제정하고 백악관 직속 국가양자조정실(National Quantum Coordination Office: NQCO)을 신설했다. 지난해 6월 표준기술연구소(NIST) 주도로 양자경제개발연합체(QED-C)를 구성해 140여 개 기업이 참여했다. 미국은 양자 컴퓨터 개발에 약 4억 달러(한화 약 1조 4000억 원)을 투자할 계획이다.

 

중국은 2030 국가전략구현 6대 중대 프로젝트를 통해 ‘양자 굴기’를 추진 중이며 양자 컴퓨터 개발에 약 15조 원을 투자한다고 발표했다. 2025년까지 슈퍼 컴퓨터급 계산속도를 가진 양자 시뮬레이터를 개발하고 2030년까지 500~1000 큐비트급 범용 양자 컴퓨터 개발한다는 계획이다.

 

유럽연합(EU)은 13개국 38개 산ㆍ학ㆍ연 파트너로 구성된 오픈QKD(Quantum Key Distribution, 양자키분배) 프로젝트를 통해 양자 활용사례 확보에 나서고 있으며, 약 7조2천억을 투입해 양자 컴퓨터를 개발한다는 계획이다. 일본도 인공지능ㆍ바이오와 함께 양자를 3대 국가전략기술로 지원하며 관련 정책을 잇달아 내놓고 있다.

 

우리나라는 ‘2030년 양자기술 4대 강국 진입’을 목표로 지난 4월 ‘양자기술 연구개발 투자전략’을 발표했다. 현재 8큐비트 수준에서 2024년까지 50큐비트급 한국형 양자컴퓨팅 시스템(KQIP)을 구축하고 2028년까지 100큐비트급 기술력을 확보한다는 목표이다. 산학연 협력을 위해 삼성ㆍLGㆍSKㆍ포스코ㆍ한국전력 등이 참여한 협의체인 ‘미래양자융합포럼’를 지난해 7월에 출범시켰다.

 

삼성전자와 LG전자는 ‘IBM 퀀텀 네트워크’에 합류해 IBM의 양자 컴퓨팅을 활용, 인공지능, 커넥티드카, 사물인터넷, 빅데이터 등의 미래 기술 개발에 박차를 가한다는 계획이다. SK텔레콤도 올해 초 정부의 뉴딜 과제 수행을 통해 국내 8개 기관에 양자암호통신망 구축을 완료했다.

 

 

양자 컴퓨터가 보안에 미치는 영향

 

뛰어난 병렬 연산 성능을 갖춘 양자 컴퓨터의 등장이 점점 현실로 다가오고 있다. 아직 1000 큐비트 정도의 양자 컴퓨터가 상용화되기까지는 최소 10년 이상 걸릴 것으로 예상되지만, 기존 암호 체계를 무너뜨릴 수 있다는 점에서 새로운 암호화 기술이 필요하다는 지적이다.

 

이에, 세계 각국에서는 양자 컴퓨팅과 양자 우월성에 대응할 수 있는 양자암호통신 기술과 양자내성암호에 대한 활발한 연구와 투자를 진행 중이다. 슈퍼 컴퓨터로 1만 년 걸릴 문제를 200초 만에 해결하는 양자 컴퓨터의 등장은 양자 컴퓨터로도 해독할 수 없는 양자암호통신이 필요하다는 뜻이다.

 

지금까지의 암호키는 현존하는 최고 성능의 컴퓨터로도 풀기 어려운 수학적 난제에 기초해 만들어졌는데 소인수분해를 기반에 둔 RSA 암호 체계가 대표적이다. RSA는 큰 숫자를 소인수분해하기 어렵다는 점을 이용해 암호키의 안정성을 확보했다. 이를테면 암호 숫자가 특정 두 소수의 곱으로 이뤄졌는지는 수 초 내에 알아낼 수 있지만, 100자리 혹은 200자리 숫자의 소인수분해는 슈퍼 컴퓨터를 동원해도 오랜 시간이 소요된다.

 

또 현재 가장 보편적으로 쓰이는 보안 방식 가운데 하나는 공개키 암호화(Public Key Encryption) 방식이다. 공인인증서, 인터넷 뱅킹, 웹 보안 프로토콜, 비트코인 등 인터넷 전반에서 쓰이고 있으며, 소인수 분해와 이산 로그를 기반으로 한다. 기존 컴퓨터로 암호를 풀려면 수십억 년이 넘는 시간이 필요해 강력한 보안 시스템으로 활용되어 왔다.

 

문제는 소인수 분해와 이산 로그 모두 양자 컴퓨터가 특히 강한 분야라는 점이다. 소인수 분해를 가장 빠르게 할 수 있는 양자 알고리즘인 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm)을 수행할 수 있기 때문이다. 쇼어 알고리즘은 기존 컴퓨터에서는 작동하지 않는 알고리즘이다. 많은 양의 데이터를 단시간에 계산 가능한 양자 컴퓨터가 보급되면 기존 암호체계가 무력화될 수 있으며, 계산 가능한 암호 체계의 개선이 대두되고 있다.

 

이론적으로, 3000큐비트 양자 컴퓨터가 개발되면 현재 가장 비트 수가 높은 암호화 알고리즘인 ‘RSA2048’도 무력화될 수 있다. 1000큐비트 양자 컴퓨터가 약 10년 내로 등장할 것으로 전망되는 만큼 그 이전에 양자내성암호를 활성화해야 한다는 게 전문가들의 지적이다.

 

양자암호통신 기술은 이미 상용화 단계에 돌입했다. SK텔레콤이 삼성전자와 함께 양자보안 5G 스마트폰 갤럭시 퀀텀을 선보인 것이 대표적이다. 5G 스마트폰에 양자암호통신 기술을 적용해 인증ㆍ금융ㆍ메신저 등 보안이 필수적인 서비스를 안전하게 사용할 수 있게 했다.

 

 

안랩, 퀀텀 가상사설망(VPN) 탑재로 보안 강화

 

안랩은 양자 컴퓨터의 본격적인 등장에 대비해 자사의 네트워크 통합 보안 솔루션 ‘AhnLab TrusGuard’에 ‘Quantum VPN(Q-VPN)’을 탑재했다. 이를 통해 계산할 수 없는 양자암호통신 기술을 바탕으로 해독할 수 없는 암호화 기술을 구현했다.

 

안랩은 지난 2020년 9월부터 12월까지 ‘양자암호통신 디지털 뉴딜 1차년도 사업’의 산업 분야에 KT, 한국과학기술연구원(KIST), 현대중공업과 컨소시엄을 구성해 참여했다. 양자암호통신과 관련된 다양한 기술 중 응용 서비스인 Q-VPN 개발을 안랩이 담당하였고 현재는 이를 현대중공업에 성공적으로 구축하여 운영 중이다.

 

안랩 Q-VPN은 해독 불가능한 암호 체계를 위해 갖춰야 하는 ▲무작위성 ▲예측 불가능성 ▲재현 불가능성 세 가지 성질 모두를 만족하는 ‘양자난수’를 활용한다. 따라서, 아무리 많은 시간과 비용을 들여도, 심지어 양자 컴퓨터라 하더라도 해독할 수 없다. 공격자가 다수의 양자키 수열 획득 시에도 패턴을 파악할 수 없다. 일반 가상사설망을 대상으로 한 공격 방법은 무용지물이 되어 한층 더 높은 보안성을 제공할 수 있고, 양자 컴퓨터의 본격 등장에 대비하고자 하는 국내외 다수 고객의 보안성 강화 요구를 완벽하게 수용할 수 있다.

 

또한, 안랩의 Q-VPN 사용 시 2-Factor 인증 수단으로 널리 활용되는 일회용 비밀번호(OTP)와 SMS 기반 인증 기능을 ‘양자 난수’를 활용한 Q-OTP, Q-SMS 기반 인증으로 사용할 수 있다. 따라서, Q-VPN과 같게 공격자가 다수의 OTP 또는 SMS 코드 수열 획득하더라도 패턴 파악이 근본적으로 불가능하다.

 

                                                                                      AhnLab 콘텐츠기획팀 제공