양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 다른 방식으로 계산을 하기 때문에 빠른 속도로 계산을 할 수 있습니다. 알려져 있기로는 현존하는 최고의 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 계산을 양자 컴퓨터로 사용하면 단 몇분만에 계산을 할 수 있다고 알려져 있습니다.
기존 컴퓨터 디지털 보안 체계는?
양자 컴퓨터가 현존하는 디지털 보안 체계를 무력화시킬 수 있다는 내용은 언론에서 많이 다루어졌습니다. 그 원리를 알려면 먼저, 현재 디지털 보안 체계 구성을 알고 양자컴퓨터가 어떻게 그 보안체계를 무력화시킬 수 있는지를 파악해야 합니다.
RSA 암호화란?
RSA 암호화 알고리즘은 1977년에 만들어졌으며, 3명의 이름(Ronald Riverst, Adi Shamir, Leonard Adleman)을 따서 명명했죠. 이 기술은 현재 인터넷상에서 가장 많이 사용하고 있는 암호화 기술 중 하나입니다.
따라서 현재 전 세계 인터넷 보안에 가장 중요한 역할을 하고 있으며, 인터넷 쇼핑, 이메일 보안, 전자 문서의 디지털 서명등에 사용되고 있습니다.
소인수 분해를 이용한 암호화를 하기 때문에 굉장히 복잡해지는 코드들이 만들어지죠. 물론 기존 컴퓨터로 소인수 분해된 암호 코드를 풀 수는 있지만 기존 컴퓨터로 수백 년이 걸리기 때문에 해킹이 불가능하다는 말이 여기에서 나오는 이유입니다.
RSA 암호화 방법, 원리
RSA의 암호화 알고리즘 작동 방식은 일반인에게는 굉장히 복잡하긴 한데, 이해를 돕기 위해 예를 들어보겠습니다.
RSA 암호화 방식
- 보내는 사람은 공개 키를 사용하여 암호화합니다.
- 받는 사람은 개인 키를 사용하여 암호문을 다시 풉니다.
인터넷 유저가 온라인 쇼핑몰에서 물건을 살 때 예시
1. 쇼핑몰에서 물건을 사기 위해 카드 결제를 할 때 카드 정보를 입력하게 되면 사용자의 컴퓨터는 공개 키를 이용하여 카드 정보를 암호화하죠.
2. 이후 암호화된 카드 정보는 쇼핑몰 서버로 이동합니다.
3. 쇼핑몰 서버는 개인키를 사용하여 암호화된 카드 정보를 복원하죠.
4. 이 카드 정보로 결제 처리가 진행되는 원리를 가지고 있습니다.
메일 보안도 마찬가지로 예를 들어보겠습니다.
1. “반갑습니다”라고 메일을 보내면 아스키코드로 변환하여 “01010111 11010110 00101110 11101001 00101000 11001011″로 표현합니다.
2. 암호화 과정인 소인수 분해 과정을 거쳐 “0285 0952 0287 0985 0741 0358″로 암호화하여 서버로 전송됩니다.
3. 이후 다시 개인키를 사용하여 “반갑습니다”라고 암호를 풀어서 우리에게 보여주죠.
RSA 암호화 알고리즘은 수학적 원리를 가지고 있기 때문에 목적을 갖는 결과값을 계산하는 방식에 유리한 양자컴퓨터가 빠르게 연산할 수 있습니다.
양자 컴퓨터 결과값이 100% 신뢰할 수 있게 작동된다면, 단 몇 초, 몇 분 만에 암호화된 코드를 바로 풀어버릴 수 있는 것이죠.
다만, 지금까지는 양자컴퓨터의 원리로 해킹된 사례는 없는 것으로 보고 되고 있습니다.
양자 컴퓨터 원리 vs 기존 컴퓨터 원리
양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 이용하여 계산하는 원리를 가지고 있습니다. 따라서 기존 컴퓨터와 작동하는 원리가 다르죠.
기존 컴퓨터는 0(On)과 1(Off)을 사용하는 트랜지스터를 사용하여 비트란 단위로 모든 연산을 수행합니다. 반도체 칩 안에 이러한 트랜지스터가 수억 개가 존재하죠. 따라서 반도체 성능은 트랜지스터가 몇 개가 있느냐가 반도체 기술과 성능입니다.
이러한 기존 컴퓨팅 방식은 한치의 오치가 없이 모든 결과값을 만들어 냅니다. 0 아니면 1로 표현하기 때문에 시간은 오래 걸리더라도 언젠가는 계산을 해낼 수 있는 거죠.
하지만 양자 컴퓨터는 완전히 다른 개념으로 양자 역학을 이용하는 방식이며, 큐비트란 단위로 모든 연산을 수행합니다. 양자 중첩 원리를 바탕으로 빠른 속도로 계산해서 최적의 값을 도출하죠.
아래 그림을 보면 0과 1이 3차원 공간에서 동시에 존재하면서 연산을 수행하게 됩니다. 이러한 개념을 양자 중첩의 원리로 표현을 하는 것이며, 이 개념은 0이 존재할 수도 있고 1이 존재할 수도 있고, 동시에 존재할 수 있는 상태를 말합니다.
다만, 큐비트를 제어한다는 것은 매우 어려운 기술이죠.
양자 중첩을 구현할 수 있는 현존하는 기술은 절대영도 -273도씨 환경에서 작동되는 초전도체를 이용하는 방식과 자연상태에 있는 물질의 이온을 제어하는 이온트랩 방식이 있는데, 항상 양자 컴퓨팅 환경을 유지하고 제어한다는 점이 핵심 기술 중에 하나일 것입니다.
- 기존컴퓨터 정보처리 단위 : 비트(0과 1, 이진법)
- 양자컴퓨터 정보처리 단위 : 큐비트
큐비트 종류로는 물리적 큐비트(초전도체), 논리적 큐비트, 알고리즘 큐비트가 있는데 큐비트가 작동하는 방식을 구분한 것으로 양자 컴퓨터 개발 회사마다 각각의 방식으로 제어를 하고 있습니다.
기술적인 부분은 복잡하니 스킵하고, 결국 양자역학의 개념을 보면 0과 1이 동시에 위치할 수도 있는 양자 중첩을 이용한 계산을 하기 때문에 양자 컴퓨터가 빠를 수밖에 없습니다.
결국, 기존 컴퓨터는 0과 1을 순차적으로 계산하는 방식이니 단순 결과값을 정해놓고 계산하라고 시키면 그 분야에서 만큼은 양자컴퓨터가 단연 빠를 수밖에 없습니다.
양자 세계를 잠깐 보면,
큐비트가 활동하는 양자세계는 원자세계보다 더 작은 세계입니다. 과거 물리학에서 인간이 관측 가능한 미시적인 세계가 원자와 분자였으나, 1960년대 원자와 분자보다 더 작은 세계가 있다는 것이 공식화 되었죠.
이를 관측하기 위해 과학자들이 수없이 노력했지만 관측에 실패했습니다. 다만 양자세계에서 에너지의 움직임이 있다는 것을 알 수 있었죠. 그 이유는 양자를 관측하는 순간 관측하는 빛 에너지조차 양자세계에 영향을 미쳐 에너지의 움직임이 있는 것으로 판명되었습니다.
양자컴퓨터는 그러한 양자세계의 에너지를 컨트롤해야만 신뢰도가 높은 성능을 구현할 수 있죠. 따라서 정확한 결과값을 예측하기 위해서는 양자 오류 보정 기술도 필요합니다.
기존컴퓨터는 0과 1을 수없이 많은 반복 연산을 통해 결과물을 제시하기 때문에 입력값 대비 결과값은 한 치의 오차가 없습니다. 입력이 잘못되는 한 말이죠.
반면에 양자컴퓨터의 현존하는 기술은 양자 중첩을 수행할 수 있는 큐비트를 신뢰도 높게 제어해야 하기 때문에 기술이 복잡하며, 완벽한 제어는 사실상 불가능합니다. 따라서 높은 수준의 오류 보정기술이 핵심기술 중에 하나죠.
전 세계에서 개발되고 있는 양자 컴퓨터의 스탠다드 기준은 현재 존재하지 않습니다. 그 이유는 절대값이 없기 때문이죠. 따라서 각 개발 회사들은 자평을 통해 어떠한 성능을 구현했다 정도의 발표만 하고 있는 상황입니다.
양자 컴퓨터 예시 vs 기존 컴퓨터 예시
양자컴퓨터와 기존 컴퓨터를 비교사용하여 빠른 길을 찾는 내비게이션으로 예를 들어보겠습니다.
- 빠른 길을 찾기 위해서 기존 컴퓨터는 0과 1을 사용하여 모든 경우의 수를 계산한 후 그 중에 가장 빠른 길을 안내합니다. 하지만 양자 컴퓨터는 양자 중첩의 원리를 이용해서 동시에 계산을 한 후 빠른 길을 안내하죠.
따라서 양자 컴퓨터가 목적을 갖는 결과값을 찾을 때 빠르게 연산을 할 수가 있습니다. 결국, 금융 예측이나 신약 개발기간을 줄이는 분야에서 활용될 것으로 기대하고 있죠.
많은 전문가들은 양자 컴퓨터가 상용화를 성공해도 기존 컴퓨터를 대체할 수 없을 것이며, 두 종류의 컴퓨터가 공존할 것으로 내다보고 있습니다. 그 이유는 각각의 활용도가 다르기 때문이죠.
양자 컴퓨터, 디지털 보안의 미래
이러한 특징을 가지고 있는 양자컴퓨터는 RSA 암호화 알고리즘으로 되어 있는 디지털 암호체계를 쉽게 풀 수 있는 가능성이 있을 것으로 보고 있습니다.
결국 미국 백악관은 2022년 5월 양자컴퓨터 행정명령을 통해 국가 안보에 미치는 영향을 대응하고자 서명을 했으며, 백악관 직속 양자 위원회를 설치했습니다. 결국 양자 컴퓨터 기술 경쟁에 우위를 점하겠다는 뜻으로 얘기되고 있죠.
백악관 행정명령은 각 정부 기관에 역할 강화를 지시했습니다.
- 상무부(DOC) : 양자 컴퓨팅 소프트웨어 개발
- 국방부(DOD) : 국가 안보 분야 양자 컴퓨터 활용
- 에너지부(DOE) : 양자 컴퓨터 하드웨어 개발
이외에도 양자 컴퓨팅 공격 방어, 양자 암호화 기술 개발, 국가 인프라 보호 등의 투자 확대를 지시했죠. 결국 양자 컴퓨터 기술의 위험성을 이미 인지하고 있으며 단계적 대응 계획을 지시한 행정명령이라고 볼 수 있습니다.
그만큼 양자 컴퓨터가 현존하는 인터넷 보안을 무력화할 가능성을 염두해 두고 있는 것으로 해석할 수 있으며, 국가 단위로 대응을 하고 있는 것이 세계적 흐름입니다.
미래, 양자 컴퓨터가 상용화 된다면 양자암호 기술이 필연적으로 따라올 것으로 내다보고 있습니다.