양자 암호 기술이란?

양자 암호 기술이란?

 

친구에게 아무도 읽지 못하는 비밀 편지를 보낸다고 가정한다.

편지를 그대로 보내면 중간에 누군가 열어볼 수 있다.

그래서 편지 내용을 다른 사람이 알아볼 수 없는 암호로 바꾸고, 암호를 풀 수 있는 비밀 열쇠를 함께 전달한다.

그런데 이 비밀 열쇠마저 중간에 빼앗긴다면 문제가 된다.

이 문제를 양자역학이라는 과학 법칙으로 해결하는 기술이 바로 양자 암호 기술이다.

 

양자 암호 기술이란?

 

▶ 정의

• 아주 작은 빛의 알갱이인 광자(Photon) 등을 이용해 비밀 열쇠를 안전하게 나누는 기술이다.
• 이 방법을 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)라고 부른다.

 

▶ 주의할 점

• 양자 암호는 편지(메시지) 내용을 직접 암호로 바꾸는 기술이 아니다.
• 암호를 잠그고 여는 비밀 열쇠를 안전하게 나누는 기술에 가깝다.

 

양자란?

 

▶ 아주 작은 세계

• 물건을 계속 반으로 쪼개다 보면 원자, 전자, 광자처럼 아주 작은 세계를 만나게 된다.
• 이 작은 세계에 있는 물질과 빛은 우리 눈에 보이는 물체와 다르게 움직인다.

 

☞ 양자역학

• 이 작은 세계에서 나타나는 특별한 규칙을 설명하는 학문이다.

 

양자는 몰래 볼 수 없다

 

▶ 동전과의 차이

• 책상 위 동전은 누가 보든 안 보든 앞면/뒷면 상태가 변하지 않는다.
• 반면 양자는 측정하는 순간 상태가 영향을 받거나, 측정 방법에 따라 결과가 달라진다.

☞ 즉, 전송 중인 양자를 몰래 측정하면 원래 정보에 오류가 생길 수 있다.

 

★ 양자 정보는 몰래 훔쳐보기가 매우 어렵고, 훔쳐보려 하면 반드시 흔적이 남는다.

 

 

편광으로 비밀 숫자 보내기

 

▶ 편광이란

• 빛이 특정한 방향으로 흔들리며 이동하는 성질이다.
• ↑(위아래), →(좌우), ↗(대각선), ↖(반대쪽 대각선) 네 방향으로 표현할 수 있다.

 

▶ 숫자 약속

• ↑, ↗ → 숫자 1로 정한다.
• →, ↖ → 숫자 0으로 정한다.

 

▶ 측정 방법

• + 모양 측정, × 모양 측정 두 가지 방식이 있다.
• 맞는 방법으로 측정하면 원래 숫자를 알 수 있지만, 틀린 방법으로 측정하면 결과가 무작위로 나온다.

 

앨리스와 밥의 비밀 열쇠 만들기 (BB84)

 

▶ 등장인물

• 보내는 사람 : 앨리스(Alice)
• 받는 사람 : 밥(Bob)

 

★ 진행 순서

1. 앨리스가 0과 1을 무작위로 정한다.
2. 어떤 측정 방식(+ 또는 ×)으로 표현할지도 무작위로 정한 뒤, 광자의 편광 방향에 담아 밥에게 전송한다.
3. 밥도 두 측정 방법(+, ×) 중 하나를 무작위로 골라 광자를 측정한다.
4. 두 사람은 어떤 측정 방법을 사용했는지만 공개된 통신으로 비교한다 (측정값 자체는 공개하지 않는다).
5. 측정 방법이 서로 같았던 결과만 남겨서 둘만 아는 비밀 열쇠로 사용한다.

 

▶ 참고

• 이 방식을 BB84라고 부른다.
• 1984년 찰스 베넷(C. H. Bennett)과 질 브라사르(G. Brassard)가 제안한, 최초의 대표적인 양자 키 분배 방식이다.

 

도둑(이브)이 중간에서 훔쳐본다면

 

▶ 도청자의 한계

• 도둑 이브(Eve)는 앨리스가 어떤 방식으로 광자를 준비했는지 알 수 없다.
• 측정 방법을 무작위로 고를 수밖에 없다.
• 잘못된 방법으로 측정하면 광자의 상태가 달라지고, 달라진 광자가 밥에게 전달되면 밥의 측정 결과에 오류가 늘어난다.

 

▶ 오류율로 확인

• 오류가 충분히 적다 ☞ 안전한 비밀 열쇠로 사용할 수 있다.
• 오류가 지나치게 많다 ☞ 누군가 엿보았을 가능성이 있으므로, 열쇠를 버리고 다시 시작한다.

 

★ 도둑을 직접 잡는 것이 아니라, 도둑이 훔쳐본 흔적을 찾아내는 방식이다.

 

 

양자 암호는 절대로 해킹할 수 없을까?

 

▶ 이론과 현실의 차이

• 이론상 QKD는 양자역학 법칙을 이용해 도청 여부를 확인할 수 있다.
• 하지만 실제 장비(광자 발생 장치, 검출기, 제어 프로그램 등)는 완벽하지 않아 허점이 있으면 공격받을 수 있다.

 

★ 정확한 표현

• "무조건 해킹 불가능"이 아니라, "도청하면 흔적이 남도록 설계할 수 있지만, 실제 장비의 보안도 함께 중요하다"가 정확하다.

 

▶ 추가로 알아둘 점

• QKD가 모든 비밀번호와 인터넷 보안을 자동으로 대신해 주는 것은 아니다.
• 기존 암호 기술, 인증 방법, 안전한 장비와 함께 사용되어야 한다.

 

양자컴퓨터와 양자 암호는 같은 것일까?

 

▶ 양자컴퓨터

• 양자의 성질을 이용해 계산한다.
• 특정 문제를 기존 컴퓨터보다 빠르게 풀 가능성이 있다.
• 현재 쓰이는 일부 암호 방식에 위협이 될 수 있다.

 

▶ 양자 암호

• 양자의 성질을 이용해 비밀 열쇠를 전달한다.
• 전송 중인 양자 정보를 누가 측정했는지 확인한다.
• 안전한 통신을 만드는 것이 목적이다.

☞ 양자컴퓨터가 특별한 계산기라면, 양자 암호는 누가 열어보면 흔적이 남는 비밀 열쇠 전달 방법이다.

 

 

양자 암호 기술 요약

1. 양자 암호는 양자의 성질을 이용해 비밀 열쇠를 안전하게 나누는 기술이다.
2. 대표적인 기술을 양자 키 분배(QKD)라고 한다.
3. 광자의 편광 방향 등에 0과 1을 담아 비밀 열쇠를 만들 수 있다.
4. 누군가 광자를 몰래 측정하면 상태가 달라져 오류가 발생할 수 있다.
5. 통신하는 두 사람은 오류율을 확인하여 도청 가능성을 알아낸다.
6. 실제 시스템에서는 장비와 프로그램의 보안도 함께 중요하다.

 

★ 양자 암호는 절대로 열리지 않는 자물쇠라기보다, 누군가 열어보면 표시가 남는 특별한 비밀 상자와 비슷하다.