[IT] 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터란?

양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 이용해 작동하는 새로운 형태의 컴퓨터입니다.

우리가 일반적으로 사용하는 컴퓨터는 0과 1의 두 가지 상태를 표현하는 "비트(bit)"로 데이터를 처리합니다.

하지만 양자 컴퓨터는 0과 1을 동시에 표현할 수 있는 "양자 비트(Qubit)"를 사용합니다.

이 Qubit 덕분에 양자 컴퓨터는 훨씬 더 복잡한 연산을 한 번에 처리할 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 주요 개념

• Qubit (양자 비트): Qubit은 고전 컴퓨터의 비트와 달리 0과 1을 동시에 가질 수 있는 성질을 지니고 있습니다. 이를 중첩(Superposition)이라고 부릅니다. 이 중첩 덕분에 양자 컴퓨터는 여러 계산을 동시에 수행할 수 있어 빠른 속도를 자랑합니다.
• 얽힘(Entanglement): 양자 얽힘은 두 개 이상의 Qubit이 서로 강하게 연결된 상태를 의미합니다. 한 Qubit의 상태가 결정되면 다른 Qubit의 상태도 즉시 결정됩니다. 이를 통해 여러 Qubit 간의 정보를 더 효율적으로 전달하고 처리할 수 있습니다.
• 양자 게이트(Quantum Gate): 고전 컴퓨터가 논리 게이트를 통해 비트를 조작하는 것처럼, 양자 컴퓨터는 양자 게이트를 통해 Qubit의 상태를 조작합니다. 이를 통해 다양한 연산을 수행할 수 있습니다.

양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터의 차이

양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터의 가장 큰 차이점은 연산 방식에 있습니다.

고전 컴퓨터는 비트를 하나하나 처리하면서 직렬 방식으로 계산을 수행하지만, 양자 컴퓨터는 여러 상태를 한 번에 계산할 수 있어 병렬 연산이 가능합니다. 이를 통해 매우 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있습니다.

 

양자 컴퓨터의 주요 기술적 차이 중 하나는 Qubit을 안정적으로 유지하는 방식입니다.

Qubit을 안정적으로 제어하기 위해 초전도(Superconducting) 기술과 프라즈마(Plasma) 방식을 사용합니다.

• 초전도 방식: 양자 컴퓨터의 하드웨어는 매우 낮은 온도에서 작동하며, 흔히 사진에서 볼 수 있는 샹들리에 형태는 초전도 상태에서 Qubit을 제어하는 장치를 의미합니다. 초전도 상태에서는 전기 저항이 사라져 입자들이 안정된 상태로 고정됩니다. 대부분의 양자 컴퓨터는 이 초전도 방식을 사용합니다.
• 프라즈마 방식: 고온에서 입자를 제어하는 방식으로, 이온 트랩과 같은 기술을 통해 Qubit을 형성하는 기술입니다. 이는 초전도 방식과는 다르게 상대적으로 고온에서 작동합니다.

출처 IBM

양자 컴퓨터의 발전 단계

양자 컴퓨터는 아직 개발 초기 단계에 있지만, 여러 기업과 연구 기관에서 활발한 연구가 진행 중입니다. 현재 양자 컴퓨터의 발전 단계를 크게 나눠볼 수 있습니다:

1. 이론 연구 단계: 양자 컴퓨터의 기본 개념이 등장한 1980년대부터 이론적 연구가 활발히 진행되었습니다. 그동안 양자 역학을 컴퓨팅에 어떻게 적용할지에 대한 이론이 발전되었습니다.
2. 초기 프로토타입 개발: 2000년대에 들어서면서 실험실 수준에서 양자 컴퓨터의 기본적인 프로토타입이 개발되기 시작했습니다. 이 단계에서는 Qubit을 어떻게 안정적으로 구현하고 제어할지에 대한 연구가 주를 이루었습니다.
3. 양자 우위(Quantum Supremacy): 2019년, 구글이 양자 우위를 달성했다고 발표했습니다. 양자 우위란 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 능력을 의미합니다. 구글의 Sycamore 양자 컴퓨터는 매우 복잡한 문제를 단시간 내에 해결해 이 목표를 달성했습니다.
4. 퀀텀 유틸리티(Quantum Utility): 2023년, IBM은 자사의 양자 컴퓨터가 퀀텀 유틸리티(Quantum Utility) 단계에 도달했다고 발표했습니다. 이는 양자 컴퓨터가 실질적으로 유용한 계산을 수행할 수 있음을 의미하며, 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다는 평가를 받습니다.
5. 실용화 및 상용화 초기 단계: 현재 양자 컴퓨터는 상용화 초기 단계에 있으며, 여러 기업이 클라우드 기반으로 양자 컴퓨터를 제공하기 시작했습니다. 하지만 상용 양자 컴퓨터는 여전히 실험적이며, 일상적인 용도로 사용되기까지는 시간이 걸릴 것으로 보입니다.

양자 컴퓨터를 다루는 주요 기업

현재 여러 기술 기업들이 양자 컴퓨터의 연구 및 상용화를 추진하고 있습니다.

1. 구글(Google):
   • 구글은 2019년에 양자 우위를 달성했다고 발표한 Sycamore 양자 컴퓨터로 유명합니다. 구글은 지속적으로 양자 컴퓨터 연구를 진행하며 상용화 가능성을 높이고 있습니다.
2. IBM:
   • IBM은 IBM Quantum이라는 양자 컴퓨터 프로젝트를 운영하고 있습니다. IBM은 2023년에 양자 컴퓨터가 실제로 실용적인 문제를 해결할 수 있는 퀀텀 유틸리티 단계에 도달했다고 발표했습니다. 또한 IBM은 클라우드 플랫폼을 통해 누구나 IBM의 양자 컴퓨터에 접근하여 실험할 수 있는 서비스를 제공하고 있습니다.
3. 마이크로소프트(Microsoft):
   • 마이크로소프트는 Azure Quantum이라는 플랫폼을 통해 양자 컴퓨팅을 클라우드 서비스로 제공하고 있습니다. 마이크로소프트는 양자 컴퓨터의 소프트웨어 및 하드웨어 연구를 동시에 진행하며, 다양한 기업과 협력하고 있습니다.
4. 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing):
   • 리게티는 미국의 양자 컴퓨터 하드웨어 스타트업으로, Rigetti Quantum Cloud Services라는 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스를 제공합니다. 리게티는 양자 컴퓨터의 상용화를 위해 꾸준히 기술을 발전시키고 있습니다.
5. D-Wave Systems:
   • D-Wave는 양자 어닐링(Quantum Annealing) 기술을 사용하여 양자 컴퓨터를 개발한 회사입니다. 현재 상용화된 제품을 제공하고 있으며, 기업과 연구기관에 양자 솔루션을 제공하고 있습니다.
6. IonQ:
   • IonQ는 이온 트랩 기술을 기반으로 하는 양자 컴퓨터를 개발하는 기업으로, 클라우드를 통해 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 서비스를 제공하고 있습니다.

양자 컴퓨터를 사용하는 산업군과 기업

양자 컴퓨터는 이미 다양한 산업에서 실험적으로 도입되고 있으며, 양자 기술을 활용한 연구를 진행하는 기업들이 늘어나고 있습니다. 현재 양자 컴퓨터를 사용하는 대표적인 산업군은 다음과 같습니다:

1. 제약 및 의료 산업:
   • 양자 컴퓨터는 신약 개발 과정에서 분자 구조 분석과 단백질 접힘 문제를 해결하는 데 유용합니다. **바이오젠(Biogen)**과 GSK(GlaxoSmithKline) 같은 제약 회사들이 양자 컴퓨터를 이용해 신약 개발을 가속화하고 있습니다.
2. 금융 산업:
   • 양자 컴퓨터는 복잡한 금융 모델을 시뮬레이션하고 위험 관리를 개선하는 데 사용할 수 있습니다. JP모건 체이스(JP Morgan Chase), 골드만 삭스(Goldman Sachs) 같은 금융 기업들이 양자 컴퓨터를 활용해 금융 예측과 거래 전략을 최적화하는 연구를 진행 중입니다.
3. 물류 및 최적화:
   • 복잡한 최적화 문제를 해결하는 데 뛰어난 성능을 발휘하는 양자 컴퓨터는 물류 및 공급망 최적화에도 적용되고 있습니다. Volkswagen과 DHL 같은 기업들이 물류 효율성을 개선하기 위해 양자 컴퓨팅 기술을 연구하고 있습니다.
4. 재료 과학:
   • 새로운 물질과 소재를 개발하는 데 양자 컴퓨터의 계산 능력이 활용되고 있습니다. 양자 컴퓨터를 통해 복잡한 물질의 분자 구조를 해석하고, 특수한 재료를 개발하는 연구가 진행되고 있습니다.

 

그럼 여기서 의문이 들 수 있다.

이렇게 좋은 기술이 이롭게만 사용되면 좋겠지만, 못된 공격자들도 이용하려고 하지 않을까?

관련 내용에 대해 더 알아보자.

 

양자 컴퓨터의 등장으로 기존의 암호화 알고리즘에 심각한 위험이 발생할 수 있습니다. 이는 양자 컴퓨터가 현재 사용되고 있는 암호화 방식 중 일부를 매우 빠르게 풀 수 있기 때문입니다. 양자 컴퓨터의 계산 능력이 강력해지면서, 기존 암호화 방식이 안전하지 않게 되는 이유와 이에 대한 대응 방안을 정리해 보겠습니다.

1. 양자 컴퓨터가 기존 암호화 알고리즘에 미치는 영향

기존 암호화 알고리즘의 위험성

양자 컴퓨터는 특정 알고리즘을 통해 기존 암호화 방식을 쉽게 풀 수 있습니다. 주요 위험성을 다음과 같이 정리할 수 있습니다:

• RSA 암호화:
  • RSA 암호화는 큰 소수를 곱하는 방식으로 데이터를 보호하는 방식입니다. 고전 컴퓨터로는 이 소인수분해가 매우 복잡해 시간이 오래 걸리지만, 양자 컴퓨터의 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm)을 이용하면 소인수분해가 빠르게 이루어집니다. 이는 RSA 암호화가 양자 컴퓨터에 의해 쉽게 깨질 수 있다는 것을 의미합니다.
• 타원 곡선 암호화(ECC):
  • 타원 곡선 암호화(ECC)는 공개키 기반 암호화 방식 중 하나로, 매우 안전한 것으로 알려져 있습니다. 하지만 쇼어 알고리즘은 ECC 또한 빠르게 풀 수 있어, 양자 컴퓨터가 충분히 강력해지면 ECC도 위험해질 수 있습니다.
• 대칭키 암호화 (AES):
  • 대칭키 암호화는 데이터를 암호화하고 해독하는 데 같은 키를 사용하는 방식입니다. AES-256과 같은 대칭키 암호화는 그로버 알고리즘(Grover’s Algorithm)이라는 양자 알고리즘에 의해 안전성이 절반으로 떨어질 수 있습니다. 예를 들어, AES-256 암호화는 양자 컴퓨터에 의해 AES-128 수준의 안전성만 제공하게 될 수 있습니다.

2. 양자 컴퓨터의 암호화 위협에 대응하기 위한 기술

양자 컴퓨터로 인해 기존 암호화 방식이 위험해지자, 이를 방어하기 위한 새로운 암호화 기술이 연구되고 있습니다. 이를 양자 내성 암호화(Post-Quantum Cryptography)라고 부릅니다.

양자 내성 암호화(Post-Quantum Cryptography)

양자 컴퓨터에 대항할 수 있는 새로운 암호화 알고리즘을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 양자 내성 암호화는 양자 컴퓨터로도 쉽게 풀 수 없는 수학적 문제를 기반으로 하고 있습니다. 주요 알고리즘은 다음과 같습니다:

• 격자 기반 암호화(Lattice-based Cryptography):
  • 격자 문제는 수학적으로 매우 어려운 문제 중 하나로, 양자 컴퓨터로도 쉽게 풀 수 없을 것이라고 예상됩니다. 이 방식은 현재 연구되고 있는 양자 내성 암호화 중 가장 유망한 방식 중 하나입니다.
• 코드 기반 암호화(Code-based Cryptography):
  • McEliece 암호화 알고리즘과 같은 코드 기반 암호화는 코드 이론을 기반으로 하며, 양자 컴퓨터가 풀기 매우 어려운 것으로 알려져 있습니다.
• 다항식 암호화(Multivariate Polynomial Cryptography):
  • 다변수 다항식 방정식의 해를 구하는 문제를 바탕으로 한 암호화 방식입니다. 이는 양자 컴퓨터로 풀기 어렵다고 알려져 있습니다.
• 해시 기반 서명(Hash-based Signatures):
  • 기존의 해시 함수는 양자 컴퓨터로는 풀 수 없는 문제를 제공할 수 있습니다. 특히 해시 기반의 서명 알고리즘은 안전성을 유지할 수 있는 기술로 연구되고 있습니다.

양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)

양자 컴퓨터 시대에 대비하여 등장한 또 다른 중요한 기술은 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)입니다. QKD는 양자 역학의 원리를 사용하여 암호화 키를 분배하는 방식으로, 정보가 전송되는 도중에 누군가가 중간에서 엿보거나 해킹하려고 하면 그 사실이 즉시 탐지됩니다.

• BB84 프로토콜: QKD를 구현하는 대표적인 프로토콜로, 양자 상태를 통해 암호화 키를 안전하게 분배할 수 있습니다. 이 방식은 해커가 중간에서 암호화 키를 도청할 경우, 즉시 감지하여 보안을 유지할 수 있습니다.

3. 대응 방안 및 준비

양자 내성 암호화의 채택

양자 컴퓨터에 의한 위협에 대비하기 위해, 많은 기관과 기업들이 현재 양자 내성 암호화로의 전환을 준비 중입니다. NIST (미국 국립표준기술연구소)는 2022년 양자 컴퓨터에 안전한 암호화 표준을 제안하기 위해 새로운 양자 내성 알고리즘을 검토하였습니다. 69개의 알고리즘 중에서 2024년 8월 '크리스탈-카이버', '크리스탈-딜리시움', '팔콘', '스핑크스+' 등 4개의 암호화 알고리즘이 최종 채택 되었습니다.

점진적 전환

양자 컴퓨터는 아직 상용화 초기 단계에 있지만, 양자 컴퓨터가 상용화되기 전부터 대비하는 것이 중요합니다. 기업과 기관들은 양자 내성 암호화를 연구하고, 현재의 시스템을 업데이트해야 합니다.

하이브리드 암호화 시스템

현재 많은 연구자들은 기존 암호화 방식과 양자 내성 암호화를 병행하는 하이브리드 암호화 시스템을 제안하고 있습니다. 이 방식은 기존의 안전성을 유지하면서도 양자 컴퓨터 시대에 대비하는 점진적 전환을 가능하게 합니다.

긴 키 길이 사용

대칭키 암호화의 경우, 그로버 알고리즘으로 인한 약화에 대응하기 위해 현재보다 더 긴 키 길이를 사용하여 보안을 강화할 수 있습니다. 예를 들어, AES-256보다 더 긴 키를 사용해 안전성을 유지하는 방법이 있습니다.

요약

양자 컴퓨터는 컴퓨팅 능력에 있어 혁신적인 도구가 될 수 있지만, 동시에 기존의 암호화 체계에 큰 위협을 줄 수 있습니다. RSA나 ECC와 같은 널리 사용되는 암호화 방식은 양자 컴퓨터에 의해 쉽게 깨질 가능성이 높습니다. 이러한 위협에 대응하기 위해 양자 내성 암호화와 양자 키 분배 같은 새로운 기술이 등장하고 있으며, 점진적으로 검토하고 채택하여 양자 컴퓨터 시대에 대비할 필요가 있습니다!!