양자암호통신

양자암호통신(Quantum Cryptography Communication)은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 안전하게 전송하는 차세대 보안 기술입니다. 기존의 암호 통신은 수학적 알고리즘에 기반하여 암호화 및 복호화를 수행하지만, 양자암호통신은 빛의 가장 작은 단위인 광자의 양자적 특성을 활용하여 도청이나 해킹이 불가능에 가깝도록 설계되었습니다.

양자암호통신의 핵심 원리:

• 양자 중첩(Superposition): 큐비트(양자 정보의 기본 단위)는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있습니다. 외부에서 측정하기 전까지는 어떤 상태인지 확정되지 않는 이 성질을 이용하여 정보를 더욱 안전하게 인코딩할 수 있습니다.
• 양자 얽힘(Quantum Entanglement): 두 개 이상의 양자가 서로 얽혀 있어, 하나를 측정하면 다른 하나의 상태가 즉시 결정되는 현상입니다. 이를 이용하면 송신자와 수신자가 동시에 동일한 암호 키를 안전하게 공유할 수 있습니다.
• 불확정성 원리(Uncertainty Principle): 양자역학적으로 짝을 이루는 물리량(예: 위치와 운동량)을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능합니다. 이를 암호 통신에 적용하면, 제3자가 암호 키를 몰래 측정하려 할 때 양자의 상태가 변하게 되어 도청 사실을 송신자와 수신자가 감지할 수 있습니다.
• 양자 복제 불가능성(No-Cloning Theorem): 임의의 양자 상태를 완벽하게 복제하는 것은 불가능하다는 양자역학의 기본 원리입니다. 따라서 해커가 전송되는 양자 정보를 복제하여 탈취하는 것이 원천적으로 불가능합니다.

양자암호통신의 보안성:

양자암호통신은 위에서 설명한 양자역학적 원리들에 기반하여 이론적으로 완벽한 보안을 제공하는 것으로 평가받습니다. 기존 암호 방식은 미래의 양자컴퓨터의 발전으로 인해 해킹될 가능성이 있지만, 양자암호통신은 물리 법칙 자체로 보안을 유지하기 때문에 양자컴퓨터의 위협으로부터 안전합니다. 도청 시도가 감지되면 통신이 중단되거나 정보가 왜곡되므로, 해커는 의미 있는 정보를 얻을 수 없습니다.

양자암호통신 기술의 종류:

• 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution): 양자 통신 채널을 통해 암호 키를 안전하게 공유하는 기술입니다. 대표적인 프로토콜로는 BB84, B92 등이 있습니다. 공유된 양자 키는 기존의 대칭키 암호 알고리즘과 함께 사용되어 통신 내용을 암호화합니다.
• 양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator): 양자역학적 현상의 무작위성을 이용하여 예측 불가능하고 편향 없는 순수한 난수를 생성하는 기술입니다. 이 난수는 암호 키 생성의 핵심 요소로 사용되어 보안성을 더욱 강화합니다.
• 양자 내성 암호(PQC, Post-Quantum Cryptography): 미래의 양자컴퓨터의 공격에도 안전하도록 설계된 수학 기반의 암호 알고리즘입니다. QKD가 하드웨어 기반의 보안 기술이라면, PQC는 소프트웨어적인 접근 방식입니다.

양자암호통신의 활용 분야:

양자암호통신은 높은 수준의 보안이 요구되는 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

• 금융: 은행, 증권 회사 등 금융 기관의 중요 정보 보호
• 국방: 군사 기밀, 국가 안보 관련 정보 보호
• 공공: 정부 기관의 중요 데이터 및 통신 보안
• 의료: 환자 개인 정보 및 의료 기록 보호
• 통신: 5G/6G 등 차세대 통신망의 보안 강화
• 클라우드: 클라우드 환경에서의 데이터 보안

양자암호통신의 최대 거리는 기술적 발전과 환경에 따라 다르지만, 현재까지 성공적으로 시도된 최대 거리는 약 1만 2900km입니다. 중국 과학기술대 판젠웨이 교수 연구팀은 미니 위성을 이용하여 중국과 남아프리카공화국 간 이 거리를 성공적으로 통신했습니다. 

 

• 무선 양자암호통신:

  KT는 자체 개발한 양자 키 분배 장치를 기반으로 무선 양자암호통신의 데이터 송수신 거리를 최대 10km까지 확대했습니다. 

   
• 양자 신호 10km 이상:

  지상에서 10km까지 양자 신호 송수신이 원활하게 되면, 그 이상은 데이터 전송에 큰 문제가 없을 것으로 예상된다고 합니다. 

   
• 중국 위성 양자통신:

  중국은 미니 위성을 이용해 중국과 남아프리카공화국 간 약 1만 2900km 떨어진 지역에서 양자 암호화 이미지를 안전하게 전송하는 데 성공했습니다. 

   
• ETRI 양자암호통신:

  ETRI는 무선 양자암호 통신 기술을 이용해 100m 거리에서 양자 신호를 전송하고 암호화에 성공했고, 환경에 따라 최대 150m까지 통신이 가능하다고 합니다. 

   
• 실제 조건에서의 한계:

  지상에서 양자 키를 직접 배포하는 것은 어렵지만, 위성을 이용하면 더 먼 거리를 통신할 수 있습니다. 

   
• 향후 발전 가능성:

  KT는 10km 이상의 거리에서 무선 양자암호통신 송·수신 검증을 계획하고 있으며, 기술적인 문제는 없지만, 실증을 위한 테스트 지역 확보가 필요하다고 합니다.