양자컴퓨터와 암호

2020-02-21
조회수 657

2019년 10월 23일, 구글의 양자컴퓨터 칩 ‘시커모어’가 세계 최초로 ‘양자우월성(양자컴퓨터가 기존의 슈퍼컴퓨터의 성능을 능가하는것)’을 달성했다는 소식이 학술지 ‘네이처’를 통해 발표됐다. 슈퍼컴퓨터가 약 1만 년 계산을 해야 풀 수 있는 문제를 시커모어는 단 200초(3분 20초) 만에 해냈다는 것이다. 이와 같은 구글의 발표로 인해 암호화폐의 가격이 급락하는 등 세계가 떠들썩해졌다. 그렇다면, 양자컴퓨터는 무엇인지 양자컴퓨터와 암호는 어떤 관련이 있는지 알아보자.

양자컴퓨터의 계산 속도의 비밀

양자컴퓨터 원리의 기초가 되는 물리학 이론이 있는데, 바로 ‘양자역학’이다. ‘양자’란 원자, 전자, 소립자 같이 작은 입자를 말하며, ‘역학’이란 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 연구하는 이론이다. 즉, ‘양자역학’은 양자의 움직임을 밝히는 이론이다. 양자역학의 핵심인 ‘중첩’과 ‘얽힘’이라는 특징을 이용한 것이 바로 ‘양자컴퓨터’다.

[구글의 양자컴퓨터]

슈퍼컴퓨터를 포함한 기존의 컴퓨터는 0과 1로 연산하는 이진법으로 정보를 처리한다. 0과 1이 사용되는 하나의 자리이자 정보 처리 단위를 비트(bit)라고 한다. 반면 양자의 중첩이라는 특성을 이용한 양자컴퓨터에서는 데이터가 0이면서 동시에 1이 될 수 있다. 이러한 양자컴퓨터의 정보 처리 단위를 큐비트(qubit)라고 한다. 이러한 특성 때문에 큐비트 1개는 2가지 상태를 가진다. 즉, 큐비트의 개수에 따라  만큼의 상태를 동시에 가질 수 있다. 이 말은 기존의 컴퓨터가 한 번 계산할 때 양자컴퓨터는 만큼의 계산을 한 번에 수행할 수 있다는 뜻이다. 따라서 양자컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터와 비교할 수 없는 엄청난 속도를 가진다.


양자컴퓨터, RSA 암호를 무너뜨릴까?

양자컴퓨터와 암호 사이에는 밀접한 관계가 있다. 현재 널리 쓰이고 있는 암호 체계는 ‘RSA 암호’이다. RSA 암호 체계는 ‘두 소수의 곱셈은 간단하지만, 그 곱을 소인수분해 하는 것은 매우 어렵다’는 사실을 이용하여 만들어졌다. 예를 들어 38724229를 어떤 두 소수의 곱으로 나타낼 수 있을지 생각해 보자. 정답은 4391과 8819의 곱이다. 이처럼 아주 큰 정수를 두 소수로 인수분해하는 것은 매우 어렵다. 현재 이 암호를 풀려면 매우 큰 수를 소인수분해 할 수 있어야 하는데, 현재의 컴퓨터로는 약 번의 계산이 필요하기 때문에 의미 있는 시간 내에 해결이 불가능하다.

1994년, 미국 수학자이자 MIT 교수인 피터 쇼어가 큰 수의 소인수분해를 해낼 수 있는 ‘쇼어 알고리즘’ 개발에 성공했다. 현재는 계산 불가능한 이 알고리즘을 계산할 수 있는 양자컴퓨터가 개발된다면 RSA 암호 체계는 곧바로 무너지고, 국가 보안이나 금융 시스템이 붕괴될 수 있다. 이와 같은 양자컴퓨터 시대에 대비하여 수학자들은 양자컴퓨터가 쉽게 무너뜨릴 수 없는 암호 체계를 만들고 있다. 바로 ‘후양자 암호’다. 후양자 암호 체계의 후보로 꼽히는 문제들은 해쉬 기반 암호, 다항식 기반 암호, 타원 곡선 기반 암호, 격자 기반 암호등이 있다. 이미 후양자 암호에 대한 기초적인 연구가 완료되었으며, 가장 강력한 후양자 암호 체계를 찾기 위해 노력하고 있다.


다가오는 미래에 양자컴퓨터의 역할은?

양자컴퓨터가 기존의 암호 체계를 파괴할 수 있다는 부정적인 측면만 있는 것은 아니다. 양자컴퓨터가 개발되면 게놈(유전자), 데이터마이닝, AI, 에너지 분야 등 슈퍼 컴퓨터로 해결할 수 없는 복잡한 영역의 연구에 응용할 수 있어 과학 기술 발전에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 현재 매우 많은 시간이 소요되는 연구 기간이 양자컴퓨터로 인해 단축될 수 있고, 그것은 우리의 상상을 뛰어 넘을 것이다. 그렇게 되면, 세상은 우리가 상상해 보지 못한 새로운 모습으로 변화할지도 모른다. 이것이 양자컴퓨터에 대한 끊임없는 연구와 투자가 이루어지고 있는 이유이다.


/ 글 와이즈만 영재교육연구소 수학팀 안혜원 연구원

/ 이미지 출처 구글 공식 블로그 



융합상식QUIZ, 함께 풀어 봅시다 :)

Q. 양자컴퓨터가 상용화되면 RSA 암호 체계가 무력화 될 수 있는 이유에 대해 설명해 보세요.




응모 기간: 2/21(금)~3/20(금)  

정답 발표 및 당첨 안내: 3/23(월)

비밀댓글로 정답과 연락처를 남겨 주시면 추첨을 통해 문화상품권을 선물로 드려요.

(상품발송 외에 별도로 개인정보는 수집하지 않습니다)




[정답 발표]

RSA 암호 체계가 안전한 이유는 큰 수를 두 소수로 인수분해하는데 매우 많은 시간이 소요되어 

현실적으로 의미 있는 시간 내에 해결할 수 없기 때문인데, 

양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다도 계산 속도가 월등히 빠르기 때문에 

쇼어 알고리즘을 이용하여 짧은 시간 안에 암호를 풀 수도 있기 때문이다.


/


[당첨자 발표]

이번 융합상식 퀴즈는 아쉽게도 당첨자가 없습니다.

다음 융합상식 퀴즈에 많은 관심을 부탁드려요♥




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