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통신기술의 새로운 도약, 양자기술
[439호] 2017년 09월 26일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

 양자 기술은 물리적 성질을 띠는 최소 단위의 입자인 양자를 활용한 기술이다. 보안 기술, 인공지능 등에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되어 TV 등 다양한 미디어 매체에 연일 등장하고 있다. 하지만 저명한 물리학자인 리처드 파인만조차도 “양자역학을 완벽하게 이해하고 있는 사람은 아무도 없다고 자신 있게 말할 수 있다” 라고 언급할 정도로 양자 기술의 개념은 난해하다. 우리가 흔히 접하거나 눈으로 직접 볼 수 있는 현상과 전혀 다른 개념의 현상들이 발생한다는 것이 그 이유이다. 현재 주목받고 있는 대표적인 양자 기술인 보안 기술과 그 원리에 대해 알아보고, 우리나라 양자 기술의 발전 가능성을 짚어보자.

순수 난수 생성으로 강력해진 암호체계

특정한 규칙을 찾을 수 없게 만들어진 난수를 이용한 암호는 암호 체계에서 중요한 역할을 한다. 난수를 이용하면 제 3자가 중요한 정보를 빼내지 못하도록 통계적으로 편중되지 않은 강력한 암호를 만들 수 있다. 하지만 현재 컴퓨터로 발생시키는 난수는 ‘의사(擬似) 난수’로, 말 그대로 진정한 난수가 아닌 가짜 난수이다. 물론 생성된 수만 본다면 직접 규칙성을 찾기는 어렵지만, 각 수를 생성하는 알고리즘이 하나로 정해져 있어 진정한 난수라 할 수 없기 때문이다. 따라서 기존의 난수는 오랜 시간이 걸리더라도 출력된 결과물들을 분석하면 난수 생성 규칙을 파악할 수 있었으며, 최근 컴퓨터 성능의 발달로 이를 파악하기가 쉬워졌다. 하지만 양자 난수는 의사 난수와는 달리 양자의 불확실성을 이용하기 때문에 성능이 뛰어난 컴퓨터로도 생성 규칙을 찾아낼 수 없는 순수한 난수이다.
양자 난수의 생성 방법 중 하나는 방사성 동위원소 원자의 반감기를 이용하는 방식이다. 방사성 동위원소는 특정 반감기를 가지고 자연 붕괴하게 되는데, 이때 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 α 입자를 방출한다. 이렇게 자연적으로 발생한 α 입자가 다이오드와 충돌하면 발생하는 전하의 흐름으로 인해 전기 신호가 생성되고, 양자 난수 생성기는 이 전기 신호가 생성되는 시간 간격을 이용하여 난수를 출력한다. 이때, 양자역학적 불확정성 원리에 의해 α 입자가 방출되는 시간을 예측할 수 없어 컴퓨터로도 분석할 수 없는 난수를 만들어낼 수 있다.

빛의 편광성 이용해 도청 확률 낮춰

양자 기술을 이용한 보안 체계에는 양자 난수 이외에도 양자 암호 통신이 있다. 양자 암호 통신은 전파를 이용하는 일반적인 통신과는 달리 빛의 편광을 이용하여 정보를 전달한다. 양자 암호 통신은 크게 비트 전송, 편광 필터를 이용한 비트 해석, 필터 정보 공유, 마지막으로 통신문 전송의 4단계로 이루어진다. 통신문을 보호할 암호를 양자 기술을 통해 임의로 정하는 방향으로 통신이 이루어진다. 양자 암호 통신의 세부적인 과정을 단순화하면 다음과 같다. 우선, 정보의 발신자와 수신자는 +모양과 X자 모양의 편광 필터를 준비한다. 각각의 필터는 수평과 수직 방향으로 편광된 광자와, 대각선 방향으로 편광된 광자를 얻을 수 있다. 이때, 두 사람은 각 방향의 편광 성분이 어떤 값을 의미하는지 미리 약속한다. 예를 들어, 수직 방향과 오른쪽 대각선 방향 편광 성분은 0을 뜻하고, 수평과 왼쪽 대각방향으로 편광된 광자는 1을 의미하도록 한다. 이후 발신자와 수신자는 원문의 각 비트를 어떤 임의의 편광 필터를 사용해 해석할지 결정한 후, 각자가 결정한 필터를 사용해 발신자가 보낸 정보에 적용한다. 이때, 만약 두 사람이 같은 비트에 같은 종류의 편광 필터를 사용하였다면 원문의 비트가 그대로 복구되지만, 다른 편광 필터를 사용한 경우에 수신자는 발신자와 다른 비트를 얻게 된다. 이후 두 사람은 전화 등 다른 통신 수단을 이용해 각 비트를 해석하는 데 사용하였던 편광 필터의 종류를 공유한다. 이는 어떤 비트 값을 동일하게 가지고 있는지 확인하기 위함이다. 같은 필터를 사용했다면 처음 발신자가 전달하려던 비트 값이 수신자에게 제대로 전달되었다고 볼 수 있다. 결과적으로 두 사람은 동일한 편광 필터를 사용한 공유 가능한 비트를 전체에서 선별해낼 수 있으며, 공유에 성공한 정보들을 이후에 추가로 전송할 통신문을 풀 암호로 사용할 수 있다.
양자 암호 통신은 도청 여부를 확인하기도 쉽다. 양자는 측정과 동시에 그 상태가 변한다는 특성을 갖고 있기 때문이다. 이 때문에 발신자와 수신자가 서로 같은 종류의 필터를 사용한 비트 중 몇 가지만 선별해 비교해보면 도청 여부가 쉽게 판가름 난다. 양자 통신을 도청할 경우에는 양자의 상태가 변하기 때문에 도청 사실이 바로 드러나고, 통신문만을 얻어내면 암호를 모르니 해석할 방도가 없다. 이처럼 양자 암호 통신의 안전성은 어느 정도 확보되어 있다.

통신기술의 구심점으로 주목받는 양자기술

양자의 특성을 활용한 기술은 미래의 정보통신기술에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 세계적으로 양자 기술에 대한 투자는 이미 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 앞서 언급한 양자 암호 통신 등 암호 기술에 대한 관심이 높다. 유럽 연합은 2006년부터 퀀텀 유럽(Quantum Europe)이라는 투자 계획을 수립하고, 유럽의 양자 정보통신 로드맵을 제시해 일관된 연구를 수행하고 있다. 이어 2008년에는 안전한 양자암호 개발을 목적으로 하는 SECOQC(Secure Communication based on Quantum Cryptography)라는 프로젝트를 시작하기도 하였다. 이들은 앞선 연구들을 바탕으로 앞으로 3년 이내에 양자 암호키분배, 양자 난수 생성기를 개발하고 10년 이내에 양자 암호통신이 가능한 거리를 1,000km 이상으로 늘릴 것이라 밝혔다.
우리 주변 국가들에서도 최근 유럽과 마찬가지로 양자 기술 개발에 열을 올리기 시작했다. 중국에서는 작년 8월 세계 최초로 양자통신위성을 발사하고, 약 13조 원을 투자하여 양자연구소를 짓는 등 양자 기술에 아낌없이 투자하고 있다. 또한, 중국은 베이징부터 상하이까지 약 2,000km에 이르는 구간에 양자 통신망을 구축할 계획이다. 미국은 중국보다 앞선 2008년에 국가양자정보과학 비전을 발표하며 산업, 학계 등 다양한 분야를 연계한 양자 연구에 매년 1조 원 정도를 투자하기로 밝혔다. 구글, 마이크로소프트 등 미국의 대표적인 IT 기업들도 양자 기술 개발에 많은 자본을 투자하기 시작했다.

우리나라 양자기술의 현주소는

그렇다면 우리나라의 양자 암호 기술의 위치는 어디일까. 우리나라의 정보통신 회사인 SK텔레콤은 양자 암호 통신의 핵심적인 기술 개발에 적극적으로 참여하고 있다. 대표적인 예로, 기존 기술로는 양자 암호를 전송할 수 있는 최대 거리가 80km에 불과했으나 지난 6월, SK텔레콤은 양자 암호 통신 전용 중계 장치를 새롭게 개발함으로써 양자 암호키를 80km보다 긴 약 112km의 거리에서도 전송하는 데에 성공하였다. 또한, 지난 7월에는 양자 난수를 생성할 수 있는 세계에서 가장 작은 칩을 개발하기도 하였다.
시장 조사 업체인 마켓 리서치 미디어(Market Research Media)에 따르면, 2025년 우리나라의 양자 정보통신 시장은 약 1조 4,000억 원, 세계 시장은 약 26조 9,000억 원에 이를 전망이다. 하지만 아직 우리나라에서는 정부 차원의 연구 지원이 활발히 이루어지지 않고 있다. 2014년, 당시 미래창조과학부는 ‘양자정보통신 중장기 추진전략’을 수립하였지만, 예산 문제로 인하여 전략의 실행은 불발되었다. 이어 지난해 12월에는 ‘양자정보통신 중장기 기술개발 사업’ 국책 과제가 예비타당성 대상에 선정되었으나 9개월이 지난 현재까지도 마땅한 결론이 나지 않은 상황이다. 이에 대해서는 지난 7월 금액과 연구 범위를 모두 축소한 변경기획안이 새로 제출되기도 하였다. 2016년 한국전자통신연구원에 따르면, 국내의 양자컴퓨터 기술은 선진국의 41.6% 수준이며, 기술 격차는 7.6년 뒤떨어져 있다. 일부 학계에서는 양자 연구를 위한 기술력의 발전 가능성은 작으니 그 개발을 뒤로 미루자는 목소리도 나오고 있다.

양자 컴퓨터와 관련된 연구를 활발히 진행 중인 우리 학교 물리학과의 이순칠 교수는 “인공지능, 사물 인터넷 등과 같이 4차 산업에서 핵심적인 기반 요소는 초지능성과 초연결성이다” 라며 “양자 컴퓨터는 지금 사용하고 있는 컴퓨터보다 초지능성을 훨씬 더 발전시킬 수 있어 현재 예측하는 4차 산업혁명의 결과도 몇 단계 더 발전할 것이다” 라고 양자 기술의 긍정적인 전망을 강조했다. 물론 두 입장에 대한 합의가 그 전에 요구되겠지만, 우리나라에서도 양자 기술 개발에 대한 국가 차원의 투자와 지원이 활발히 이루어져 세계적으로 4차 산업혁명을 선도할 수 있기를 기대해본다.

 

 

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