지식보관소_ 해킹이 불가능한 꿈의 신기술 양자암호통신

 

 

이런 양자컴퓨터의 잠재적인 연산능력에도

완벽하게 해킹을 당하지 않을 기술이 존재하는데요.

그것을 우리는 양자암호라고 부릅니다.

 

이런 양자암호 방식도 이름에서 알 수 있는 것처럼

양자역학의 원리를 사용하는데요.

양자컴퓨터처럼 하이젠베르크의 불확정성 원리를 이용합니다.

 

오늘은 이 내용에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

 

 

최근 구글이 개발한 양자컴퓨터 시커모어 때문에 굉장히 시끄러운 상황인데요.

양자 우월의 시대가 오면

현재 사용 중인 보안 기술들이

해킹을 당할 수 있는 우려가 있기 때문이죠.

 

이는 순차적인 연산을 해야하는 기존의 컴퓨터와는 달리

양자컴퓨터는 병렬 연산을 할 수 있고

이 때문에 소인수분해 같은 특정 연산에서 매우 강세를 보이기 때문입니다.

 

물론 현재 수준의 양자컴퓨터로도

당장 내일 암호가 뚫리는 것은 아니지만

이대로 가면 기존의 암호방식은

양자컴퓨터에 의해 뚫릴 가능성이 높아졌기 때문인데요.

 

따라서 당연히 QuAntum supremacy를 달성했다는 논문과 함께

이에 대한 대비책이 관심을 받게 되는 것입니다.

 

사실 그것 때문에 SK텔레콤에 양자암호 통신 모듈을 개발 중이던

우리넷의 주가가 25일 상한가를 갔는데요.

...

 

사실 이런 양자컴퓨터의 잠재적인 연산능력에도

완벽하게 해킹을 당하지 않을 기술이 존재하는데요.

그것을 우리는 양자암호(Quantum cryptography)라고 부릅니다.

 

이런 양자암호 방식도 이름에서 알 수 있는 것처럼

양자역학의 원리를 사용하는데요.

양자컴퓨터처럼 하이젠베르크의 불확정성 원리를 이용합니다.

 

 

하지만 양자컴퓨터와 양자암호는 전혀 다릅니다.

이전 편에 설명한 것처럼

양자컴퓨터는 양자얽힘 상태를 이용해서 연산을 하는데,

양자암호는 양자얽힘 상태의 광자를 관측하는 것만으로

decoherence(결어긋남)가 발생한다는 원리를 이용합니다.

 

중간에 다른 누군가가 해킹을 시도해서

중간에 그 내용을 보려고 하면 결어긋남이 발생하고

수신자가 수신을 받기 전에 결어긋남이 발생하면

그 정보는 해킹이나 오류가 일어난 정보로 간주하게 되는 건데요.

오늘은 이 내용에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

 

 

이번 편에서는 조금 어려운 양자 용어가 나옵니다.

바로 스핀이라고 하는 개념인데요.

 

스핀은 입자가 가지는 고유한 운동량을 나타내는데

중요한 건 우리가 쉽게 알고 있는 A에서 B로 이동하는 형태의 운동이 아니라,

이러한 운동 없이 입자가 고유적으로 가지는 운동량을 의미합니다.

 

당연히 현실 세계에서는

이러한 운동량을 표현할 수가 없기 때문에

입자 자체가 가지는 각운동량이라고 표현을 해서

이것을 스핀이라고 부릅니다.

 

이 용어 때문에 스핀이 정말로 입자가 돌고 있다고 생각하실 수 있는데

이는 완전히 틀립니다.

왜냐하면 입자는 물질의 가장 작은 단위를 말하는 것이고

가장 작은 단위는 돌고 있다라고 표현할 물리적인 실체가 없습니다.

 

예를 들어서

이 세상에서 가장 작은 하나의 점이 있다고 치겠습니다.

이 점이 회전을 한다면 알 수가 있을까요?

회전을 한다라고 하는 것은

여러 개로 이루어진 입자의 위치가

그 입자 구조의 중심을 기준으로 빙글빙글 돌고 있는 것을 의미하는데요.

 

이 세상에서 가장 작은 점은

돌고 있다라고 표현할 수 있는

그러한 물리적인 형체 자체를 아예 가지지 않았기 때문이죠.

 

하지만 그럼에도 불구하고 이런 입자들이

고유의 운동량을 가지고 있기에

이것을 스핀이라고 표현하는 겁니다.

 

 

아무튼 각 광자들은 고유의 스핀량을 가집니다.

모든 입자들이 이런 스핀량을 가지는데요.

이러한 스핀량으로 입자가 정해지는 것이죠.

 

이런 스핀에 따라서

입자물리학에서 말하는 페르미온과 보존으로 나눠지게 되는 것이죠.

그리고 좌석의 S극과 N극과 같은 자성도

입자물리학으로 들어가면

이런 스핀이라고 하는 전자의 각 운동량에 의해서 생기는 것입니다.

 

그리고 스핀 이외에

입자가 중성자가 되느냐 양성자가 되느냐, 아니면 전자가 되느냐와 같이

전자기적 성질을 결정하는 요소도 있는데

이거를 전하량이라고 합니다.

 

현재의 입자물리학이 알아낸 바에 따르면

원자는 원자핵으로 이루어져 있고

원자핵은 중성자와 양성자로 이루어져 있고

이것들은 Up quark 와 Down quark라고 하는

쿼크들로 이루어져 있습니다.

 

그리고 업쿼크는 2/3의 전하량을 가지고 있고

다운쿼크는 –1/3의 전하량을 가집니다.

 

따라서 양성자는 2개의 업쿼크와 1개의 다운쿼크를 가지고 있습니다.

2개 업쿼크의 전하량은 4/3인 것이고, 다운쿼크는 –1/3이기 때문에

이 둘의 전화량을 더하면 1이 됩니다.

그래서 양성자는 전기적으로 +1, 즉 양성이 되게 되죠.

 

반대로 중성자는 1개의 업쿼크와 2개의 다운쿼크를 가지는데

마찬가지로 계산해 보면

1개의 업쿼크가 2/3의 전하량을 가지고

두 개의 다운쿼크가 –2/3의 전하량을 가지기 때문에

두 개의 합은 제로가 되므로

중성자는 전기적으로 중성입니다.

 

 

아무튼 입자의 고유한 각 운동량을 결정하는 스핀에 의해서

우주에 존재하는 모든 입자의 속성이 정해집니다.

양성자, 중성자, 전자 같은 것들이죠.

 

그리고 우주에 존재하는 모든 것들은

이것들로 이루어져 있기 때문에

이러한 스핀(+전하량, 찔량) 덕분에

우주에 있는 모든 물체들이 존재하는 것이죠.

 

그리고 초끈이론에서 설명하는 것은

이런 스핀이라는 물리량을 부여하는 것이

가장 작은 입자인 끈의 진동이라는 형태로 표현하는 것입니다.

 

양자통신을 설명하려다 보니

어쩔 수 없이 스핀을 설명하기 위해서 이야기가 많이 새어나갔는데요.

아무튼 슬슬 소름 돋는 이야기를 시작하자면

만약 입자가속기로 서로 얽힌 상태의 입자 2개를 만들게 되면 어떻게 될까요?

 

이전에 호킹복사 영상에서

물질, 반물질, 쌍소멸을 설명했던 것과 같이

얽힌 입자들도 2개의 입자가 1:1 쌍으로 형성된다는 것을 알 수 있는데요

 

만약 얽힌 상태에 두 개의 입자가 있다면

이 두 개 입자의 스핀 상태는 서로 정반대로 얽히게 됩니다.

 

A와 B 두 개의 입자 중 하나의 스핀이 1/2(각운동량 방향을 의미함)이라면

다른 하나는 무조건 –1/2(반대방향)이 되는 것이죠.

 

그런데 여기서 관측 전에

물질의 상태가 정해지지 않는다는 양자역학의 놀라운 특성을 적용하면

굉장히 마법 같은 일이 일어납니다.

 

관측하기 전에 A와 B 중에

어떤 게 스핀이 1/2인지 알 수가 없다는 것이죠.

 

 

그럼, 여기서 재미있는 생각을 해볼 수 있는데

A와 B 서로 얽혀 있는 입자를 만들고

A입자를 저 멀리 달까지 보내버리고

지구에서 B의 입자를 측정하는 겁니다.

 

그러면 달까지 가는 동안 중첩 상태를 유지했다면

A와 B는 실질적으로 스핀 상태가 정해지지 않은 상태였지만

지구에서 A를 측정하는 순간, B의 상태는 측정해 보기도 전에

어떤 상태인지 이미 정해지는 것입니다.

 

왜냐하면 한쪽이 1/2이라면, 반대쪽은 여지없이 -1/2이기 때문이죠.

양자보안은 바로 이런 원리를 이용합니다.

 

얽힘상태의 광자를 한쪽에서 받고

거기서 측정한 얽힘상태의 광자를 암호키로 사용하는 것이죠.

 

만약에 해킹을 하기 위해서

받는 쪽에서 암호키를 받기 전에 이 얽힌 상태의 광자를 관측한다면

수신원에서 측정전의 결어긋남이 발생하게 되고

이 암호키는 해킹을 당했거나

수신전의 오류로 중첩이 깨진 것으로 판단을 하고

암호키를 폐기하게 되기 때문에

양자역학이 틀린 이론이 아닌 이상

양자암호 방식은 해킹이 불가능해지는 것입니다.

 

 

이 부분에서 많은 분들이 오해하는 것 중에 하나는

한쪽에서 관측을 하는 순간

바로 결어긋남이 발생하기 때문에

양자역학적으로는

빛의 속도보다 빠르게 정보가 전달될 수 있다라고 생각을 하는 것입니다.

 

하지만 그전에 이미 얽힌 상태의 전자쌍을 서로 공유를 해야 되고

이렇게 서로 전자쌍을 공유하는 과정이

빛의 속도를 넘을 수가 없는 데다가

서로의 암호를 확인하는 과정에서

애초에 빛의 속도를 넘을 수 없는 통신지연이 발생하기 때문에

여전히 통신속도가 광속을 넘을 수 없고

상대성이론은 깨지지 않는 것입니다.

 

결국 양자보안 통신이 통신 속도에 영향을 주는 것은 아니지만

상용화가 가능하다면

해킹이 원천으로 차단된다는 특성 덕분에

양자컴퓨터가 상용화되기 시작한 최근에

양자보안 통신이 많은 관심을 받게 된 것인데요.

 

우리나라의 SK텔레콤은

구글이 이번에 양자컴퓨터를 발표하기 하루 전인 21일에

미국과 유럽에

양자암호통신망 프로젝트를 수주한다는 발표를 하는 등

1월에 IBM의 세계최초의 양자컴퓨터 상용화가 된 이후로

양자통신과 양자컴퓨터 같은

양자역학과 관련된 기술들이

엄청난 투자와 함께 빠르게 발전하는 모습을 보여주고 있습니다.

 

과연 앞으로 양자기술이 얼마나 빨리 발전하게 될지

현재 굉장히 주목이 되는 시점이라고 할 수 있겠습니다.

그럼 이만.