양자컴퓨터·QKD·PQC·QRNG, 모두 같은 ‘양자’일까?

'양자'라는 말, 네 가지 기술에서 같은 뜻일까?

 

양자컴퓨터, 양자통신, 양자난수, 양자내성암호. 이름에는 모두 '양자'가 들어간다.

그런데 네 기술이 양자를 사용하는 방법은 서로 다르다.

 

★ 특히 양자내성암호(PQC)는 양자 현상을 이용하는 기술이 아니라, 양자컴퓨터의 공격에 대비하는 암호이다.

 

처음에는 '양자'라는 단어부터 살펴본다.

 

양자란 무엇일까?

 

물을 컵에 따르면 물의 양을 조금씩 늘릴 수 있다.

반면 작은 세계에서 에너지가 오가는 방식은, 어떤 상황에서는 정해진 크기의 묶음을 주고받는 것처럼 설명된다.

이때 그 묶음을 '양자'라고 부른다. 빛의 양자는 광자이다.

 

☞ 이것이 "세상 모든 것이 똑같은 작은 알갱이로 이루어졌다"는 뜻은 아니다.

• 양자역학은 원자·전자·빛 등이 어떻게 움직이고 측정되는지를 설명하는 물리학이다.
• 작은 세계에서는 에너지의 묶음뿐 아니라 중첩, 얽힘, 측정 결과의 불확실성 같은 성질도 중요하다.

 

★ "양자의 정의가 네 가지"인 것이 아니다. 양자역학과 관련된 기술 네 가지가 서로 다른 일을 하는 것이다.

 

이름	무엇을 하는가?	양자 현상을 직접 이용하는가?
양자컴퓨터	양자비트로 특정 문제를 계산	이용함
QKD	양자 신호를 이용해 암호키를 나눔	이용함
QRNG	양자 현상을 측정해 난수를 만듦	이용함
PQC	양자컴퓨터의 공격에 대비한 암호를 실행	이용하지 않음

 

 

양자컴퓨터 : 무엇을 계산하는가?

 

일반 컴퓨터는 정보를 0 또는 1이라는 비트로 처리한다.

양자컴퓨터는 양자비트, 즉 큐비트를 사용한다.

큐비트는 측정하기 전까지 0과 1에 해당하는 상태가 중첩될 수 있고, 여러 큐비트의 상태가 얽힐 수도 있다.

 

★ "0과 1을 동시에 처리하므로 모든 계산이 순식간에 끝난다"라고 이해하면 곤란하다.

• 양자컴퓨터는 큐비트를 조작해 특정 문제에서 유리한 계산 방법을 만드는 컴퓨터이다.
• 모든 문제에 빠른 것도 아니고, 수많은 답을 한 번에 읽어낼 수 있는 것도 아니다.

 

☞ 암호와의 관계

• 충분히 강력한 미래의 양자컴퓨터가 RSA나 타원곡선 암호처럼 현재 널리 쓰이는 일부 공개키 암호를 위협할 수 있다.
• 하지만 이것이 "기존의 모든 암호가 깨진다"는 뜻은 아니다. 예를 들어 AES 같은 대칭키 암호는 RSA와 공격 방식이 다르다.
• 오늘날의 양자컴퓨터가 인터넷 암호를 당장 깨고 있는 것도 아니다. 그래서 보안 분야는 위험이 현실이 되기 전에 대비하고 있다.

 

양자보안 : 하나의 기술 이름일까?

 

양자보안은 정보를 보호하는 여러 기술을 묶어 부르는 넓은 말이다. 그 안의 기술들이 모두 똑같은 원리로 작동하지는 않는다.

• 보안에는 몇 가지 다른 일이 필요하다. 암호키를 안전하게 나누는 일, 예측하기 어려운 숫자를 만드는 일, 미래의 공격에 강한 암호를 쓰는 일이다.
• QKD, QRNG, PQC가 각각 이 일과 관계가 있다. 하나를 설치했다고 나머지 일이 자동으로 해결되지는 않는다.

 

▶ QKD : 암호키를 어떻게 나눌까?

• 앨리스와 밥이 같은 비밀 암호키를 갖고 싶다고 해보자. QKD는 광자 같은 양자 신호를 주고받고 측정한 뒤, 측정 결과를 비교·처리해 두 사람이 공유할 암호키를 만드는 방법이다.
• 중요한 점은 비밀 문서 자체를 광자로 보내는 기술이 아니라는 것이다. QKD가 만든 것은 데이터 암호화에 사용할 암호키이다. 실제 문서나 영상은 그 키를 이용해 암호화한 뒤 일반 통신망으로 보낼 수 있다.
• "누가 광자를 보기만 하면 즉시 경보가 울린다"는 표현도 정확하지 않다. 앨리스와 밥은 여러 신호를 주고받은 후에 오류율 등을 검사한다. 실제 장비의 결함, 통신 중 손실, 상대방 신원 확인 문제도 별도로 다뤄야 한다.

 

★ "물리적으로 해킹 불가능"보다는 "적절한 조건에서 도청으로 인한 이상을 확인하고 안전한 키를 만드는 기술"이라고 설명하는 편이 좋다.

 

▶ PQC : 양자컴퓨터에 대비해 암호를 바꾸려면?

• PQC는 양자내성암호, 영어로 Post-Quantum Cryptography이다. 현재 컴퓨터에서 실행할 수 있으면서, 미래의 양자컴퓨터에도 풀기 어렵다고 여겨지는 새로운 수학적 문제를 바탕으로 설계한다.
• PQC를 쓰기 위해 양자컴퓨터나 광자 통신 장비를 설치해야 하는 것은 아니다. 기존 컴퓨터·스마트폰·서버의 암호 프로그램과 통신 절차를 업데이트해 적용할 수 있다.
• 다만 "파일 하나만 업데이트하면 모든 인프라가 바로 안전해진다"는 뜻도 아니다. 서로 통신하는 장비가 호환되는지, 암호키와 인증서를 어떻게 관리할지 등을 함께 살펴야 한다.

 

▶ QRNG : 암호에 필요한 난수는 어디서 만들까?

• 암호 시스템은 암호키나 일회용 숫자를 만들 때 다른 사람이 예측하기 어려운 난수가 필요하다. QRNG는 광자의 측정 결과나 방사성 물질의 붕괴 같은 양자 현상을 난수의 원천으로 이용한다.
• 예를 들어 QRNG 장치는 광자가 어느 센서에 도착했는지 또는 언제 감지됐는지를 측정할 수 있다. 측정 결과는 전자회로를 거쳐 0과 1이 된다.
• 방사성 붕괴를 이용하는 장치도 있지만, 모든 QRNG 칩에 방사성 물질이 들어 있는 것은 아니다. 제품마다 무엇을 측정하는지 확인해야 한다.
• QRNG 역시 암호화 전체를 혼자 수행하지 않는다. 난수를 공급하는 역할이다. 컴퓨터나 서버에 설치하는 'QRNG 프로그램'은 실제 칩·장비·원격 서비스를 연결해 그 난수를 암호 프로그램에 전달하는 역할일 수 있다.

 

 

 

그렇다면 QCM은 네 번째 기술일까?

 

QCM(양자암호모듈)은 위 기술처럼 한 가지 물리 원리나 수학적 암호 방식을 가리키기보다,

여러 보안 기능을 칩·장비·소프트웨어 모듈에 담아 구현한 것을 뜻하는 문맥에서 사용된다.

 

제품이나 연구마다 'QCM'이라고 부르는 범위가 같지는 않으므로, 이름만 보고 안에 무엇이 들어 있는지 판단할 수는 없다.

☞ 도시락에 비유하면, QRNG·PQC·QKD는 서로 다른 음식이나 조리법이고, QCM은 실제 제품에 필요한 기능을 담은 도시락 상자에 가깝다.

 

• QCM 제품은 QRNG로 난수를 만들고, PQC로 키를 교환하거나 신원을 확인하며, 다른 암호 기능으로 데이터를 보호할 수 있다.
• 그렇다고 QCM이라는 이름의 제품에 QKD·PQC·QRNG가 모두 들어간다고 단정해서는 안 된다.

 

▶ 실제로 확인할 수 있는 국내 상용 사례

SK텔레콤 '양자암호원칩'	QRNG 칩과 암호통신 반도체를 하나로 합친 초경량·저전력 칩. IoT 기기용으로 MWC23에서 공개됨.
갤럭시 퀀텀(삼성전자)	2020년 국내 최초로 상용 QRNG 칩을 탑재한 스마트폰. 이후 후속 모델로 이어짐.
엑스게이트 'Q-VPN'	기존 VPN에 QRNG를 먼저 탑재했고, 이후 PQC 알고리즘까지 결합해 국방 분야 등에 공급됨.

★ 이 사례들을 모두 "QKD로 통신한다"거나 "같은 QCM 구조다"라고 묶어 말하면 안 된다. 제품마다 QRNG·PQC 중 실제로 무엇을 결합했는지가 다르다.

 

 

양자컴퓨터와 양자보안, 한눈에 비교하면

 

구분	양자컴퓨터	양자보안
역할	양자 현상을 이용해 특정 문제를 계산	정보와 통신을 보호하기 위한 기술·제품의 묶음
암호와의 관계	충분히 발전하면 일부 기존 공개키 암호를 위협할 수 있음	위협에 대비하거나 암호키·난수의 안전성을 높임
대표 기술	큐비트, 양자 알고리즘	PQC, QKD, QRNG 및 이들을 활용한 모듈
꼭 기억할 점	모든 계산이나 모든 암호를 순식간에 해결하지는 않음	한 기술이나 제품만으로 '절대 뚫리지 않는 방어막'이 되지는 않음

★ 양자컴퓨터는 양자 현상을 이용해 계산한다. QKD는 양자 현상을 이용해 암호키를 나누고, QRNG는 난수를 만든다. PQC는 양자 현상을 직접 쓰지 않고도 미래의 양자컴퓨터 공격에 대비한다. QCM은 이런 기능들을 실제 제품에 구현하는 모듈을 가리키는 말이다.