QRNG란 무엇인가 (2) — PQC · QKD와 함께 쓰는 방법

QRNG란 무엇인가 (2) — PQC·QKD와 함께 쓰는 방법

 

지난 글에서는 광자 측정으로 원시 난수를 만들고, 건강 상태 검사와 난수 추출을 거쳐 안전한 난수를 얻는 과정을 알아보았다.

이번에는 이렇게 만든 난수를 실제 암호 통신에서 어떻게 사용하는지 살펴본다.

 

QRNG 난수는 어디에 쓰일까

 

QRNG의 결과는 여러 암호 과정의 난수 입력으로 사용할 수 있다.

 

▶ 암호키 생성

QRNG 난수 → 비밀키 생성에 사용

 

▶ PQC 개인키 생성

• ML-KEM 같은 PQC 알고리즘은 공개키·개인키를 만들 때 안전한 난수가 필요하다.

QRNG 난수 → ML-KEM KeyGen의 난수 입력 → 공개키와 개인키 생성

 

▶ PQC 캡슐화

• ML-KEM 캡슐화도 새로운 무작위 입력을 사용한다.

QRNG 난수 → ML-KEM Encaps의 난수 입력 → 캡슐문과 공통 비밀값 생성

 

▶ QKD의 무작위 선택

• BB84 방식에서는 앨리스와 밥이 비트 및 기저를 무작위로 선택해야 한다.

앨리스의 QRNG → 보낼 비트와 기저 선택
밥의 QRNG     → 측정 기저 선택

★ QRNG는 QKD의 무작위 선택을 도울 수 있지만, QRNG 자체가 QKD의 도청 탐지 기능을 수행하는 것은 아니다.

 

 

QRNG를 사용한 PQC 통신 순서

 

앨리스가 서버, 밥이 접속자라고 가정한다.

 

▶ 키 생성까지

1. 앨리스의 QRNG가 난수 R_A를 만든다. (비밀키 재료이므로 외부에 공개하지 않는다.)
2. R_A를 ML-KEM KeyGen에 넣어 공개키 pk_A와 개인키 sk_A를 만든다.
3. 앨리스는 공개키와 인증 정보를 일반 인터넷으로 밥에게 보낸다.
4. 밥은 받은 공개키가 진짜 앨리스의 것인지 확인한다. (인증 실패 시 통신 중단)

 

▶ 캡슐화와 복원

5. 밥의 QRNG가 이번 연결에 사용할 새로운 난수 R_B를 만든다.
6. 밥은 앨리스의 공개키와 안전한 난수 입력으로 ML-KEM Encaps를 실행해서 캡슐문 C와 공통 비밀값 K_B를 얻는다.
7. 밥은 캡슐문만 일반 인터넷으로 앨리스에게 보낸다. (QRNG 원시 결과나 K_B는 보내지 않는다.)
8. 앨리스는 자신의 개인키와 캡슐문으로 ML-KEM Decaps를 실행해서 K_A를 얻는다. 정상적인 경우 K_A = K_B이다.

 

▶ 세션키 생성과 파일 암호화

9. 두 사람은 동일한 비밀값을 키 생성 함수(KDF)에 입력해서 같은 세션키를 만든다.
10. 세션키로 AES-GCM 같은 방식으로 파일을 암호화하고, 암호문을 일반 인터넷으로 전송한다.

 

QRNG → PQC 키 설정 → 세션키 → 파일 암호화 → 일반 인터넷 전송

 

 

QRNG를 사용한 QKD 통신 순서

 

▶ 진행 순서

1. 앨리스의 QRNG가 무작위 비트(0 또는 1)와 무작위 기저(+ 또는 ×)를 공급한다.
2. 앨리스는 선택한 비트와 기저에 맞춰 광자를 준비해 밥에게 보낸다.
3. 밥의 QRNG가 각 광자를 측정할 기저를 무작위로 선택한다.
4. 두 사람은 기저 비교, 오류율 추정, 오류 정정, 프라이버시 증폭을 수행한다. (자세한 과정은 QKD 시리즈 참고)
5. 이 과정을 마쳐야 비로소 두 사람은 같은 비밀키를 갖는다.

 

앨리스의 QRNG 결과 ≠ 밥의 QRNG 결과

하지만 QKD 통신과 후처리를 완료한 뒤에는

앨리스의 QKD 키 = 밥의 QKD 키

★ 같은 키가 만들어지는 이유는 QRNG 때문이 아니라, QKD 프로토콜(기저 비교·오류 정정·프라이버시 증폭) 때문이다.

 

 

다음 글에서는 QRNG를 네트워크 서비스로 사용하는 경우와, 일반 난수 생성기(DRBG)와의 관계, 그리고 QRNG에 대한 흔한 오해들을 정리한다.