🤖 양자 암호(Quantum Cryptography)

1. 양자 암호 개요

• 양자역학 원리를 이용한 보안통신 기술

  • 양자중첩성, 불확정성 원리, 관측 불가침성 등을 기반으로 정보 보안을 실현
  • 기존의 수학적 난이도 기반 암호체계와 달리, 물리법칙에 의한 보안성 확보

• 기존 암호체계의 한계 극복

  • RSA, ECC 등 공개키 기반 암호는 양자컴퓨터 등장 시 보안 위협에 노출
  • Shor 알고리즘 등을 통해 다항시간 내 비밀키 추출 가능
  • 이러한 문제 해결을 위한 대안으로 ‘양자 암호통신’ 기술 부각

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2. 양자 암호의 핵심 원리

(1) 양자 중첩성 (Superposition)

• 하나의 양자 비트가 동시에 여러 상태 가짐
• 0과 1 상태의 중첩을 통해 고유한 양자 상태 형성 가능

(2) 양자 얽힘 (Entanglement)

• 두 개 이상의 양자가 하나의 시스템처럼 행동
• 한 쪽 상태가 정해지면 다른 쪽도 즉시 결정됨
• 정보 공유 및 통신 과정에서 활용

(3) 불확정성 원리 (Heisenberg Uncertainty Principle)

• 양자의 정확한 위치와 운동량을 동시에 측정 불가능
• 측정 행위 자체가 상태 변화 유발 → 도청 여부 탐지 가능

(4) 관측 불가침성 (No-Cloning Theorem)

• 양자 상태 복제 불가능
• 동일한 복사본 생성이 원리적으로 불가하여 중간자 공격 차단 가능

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3. 양자 암호통신의 주요 기술

(1) 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)

• 대표적 프로토콜: BB84, E91
• 송신자(Alice)와 수신자(Bob)가 양자 채널을 통해 키 공유
• 도청자(Eve)가 존재하면 양자 상태 변화 감지로 도청 탐지 가능

▷ BB84 프로토콜

• 1984년 Bennett와 Brassard 제안
• 직교/비직교한 편광 상태를 이용한 키 전송
• 공개 채널로 전송된 측정 기준 정보를 기반으로 키 생성

▷ E91 프로토콜

• 양자 얽힘 상태 기반 키 분배
• Bell 부등식을 통해 도청 여부 확인

(2) 양자 무작위 수 생성기(QRNG)

• 진정한 난수 생성 가능
• 물리적 무작위성에 기반하여 예측 불가능한 키 생성 지원

(3) 양자암호 네트워크

• 양자 중계기 사용을 통한 네트워크 확장
• Trusted Node 방식과 Entanglement Swapping 방식으로 구분

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4. 양자 암호의 보안성

• 무조건적 보안성(Unconditional Security) 보장

  • 수학적 복잡도 아닌 물리 법칙 기반의 보안성 확보
  • 양자 상태의 복사 불가, 관측 시 변화 등의 원리에 의한 도청 탐지 가능

• 정보 이론적 보안성

  • One-time pad와 결합 시 완전한 암호화 가능
  • 도청 시 오류율 증가로 침입자 존재 확인 가능

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5. 양자 암호의 한계 및 고려사항

• 전송 거리 제한

  • 광자 손실 및 디코히런스(Decoherence) 현상으로 장거리 전송 어려움
  • 양자 중계기, 위성 기반 전송 기술 등으로 극복 시도 중

• 하드웨어 구현 복잡성

  • 정밀한 광학 장비 및 고가 장비 필요
  • 상용화 및 대중화에 시간과 비용 소요

• 통합 운용 문제

  • 기존 네트워크와의 호환성 문제
  • 암호 프로토콜, 통신 장비, 인증 시스템 등과의 연계 필요

• 신뢰 노드(Trusted Node) 방식의 취약점

  • 중간 노드가 신뢰되지 않으면 보안성 저하
  • 완전한 종단 간 암호화 실현 어려움

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6. 활용 사례 및 동향

(1) 국내 사례

• KIST, ETRI, SKB 등 중심의 양자암호통신망 실증 구축
• 세종대전, 서울부산 간 QKD망 구축 시범사업 진행
• 금융권(KEB하나은행 등)에서 양자암호 적용 실험

(2) 해외 동향

• 중국: 세계 최초 양자통신 위성 '墨子호' 발사, 글로벌 QKD 구현 추진
• 유럽: EU의 Quantum Flagship 프로젝트 진행 중
• 미국: National Quantum Initiative에 따라 민군협력 기반의 연구 개발 가속화

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7. 향후 발전 방향

• 양자 위성통신 기술 확산

  • 장거리 전송 문제 극복을 위한 우주 기반 양자암호통신 연구 확대

• 양자 인터넷 개념 대두

  • 얽힘 기반의 분산형 통신 및 컴퓨팅 실현을 목표로 양자 네트워크 진화 중

• 후양자 암호(Post-Quantum Cryptography)와의 병행

  • 양자컴퓨터 환경에서도 안전한 암호 기술(PQC)과 양자암호(QC)의 병렬 연구 필요

• 표준화 및 상호운용성 확보

  • ITU, ISO 등 국제표준화기구 주도 하에 QKD 인터페이스, 프로토콜 표준 정립 추진

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8. 결론

• 양자암호는 양자역학 원리에 기반한 차세대 보안 기술로, 기존 암호체계의 근본적 한계를 극복할 수 있는 유력한 대안
• 기술적 난이도 및 물리적 한계로 인해 상용화에는 제약 존재하지만, 위성 기반 QKD, 양자중계기 개발 등으로 실용화 가속 중
• 국가 사이버 안보, 금융 보안, 국방 통신 등에서 핵심 기술로 자리매김할 전망
• 후양자암호 기술과 함께 차세대 보안체계 구축의 양대 축으로 전략적 투자가 요구됨

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