양자 암호화(Quantum Cryptography)는 양자 역학의 원리를 이용하여 정보를 안전하게 전송하는 기술입니다. 이 기술은 기존의 고전적인 암호화 방법보다 훨씬 높은 보안성을 제공합니다. 양자 암호화의 가장 대표적인 예는 양자 키 분배(Quantum Key Distribution, QKD)로, 이를 통해 두 사용자는 보안 채널을 통해 비밀 키를 공유할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 양자 암호화의 기본 개념과 그 동작 방식을 설명하겠습니다.
양자 암호화의 기본 개념
양자 암호화는 양자 역학의 두 가지 주요 원리를 이용합니다:
- 양자 중첩(Superposition): 양자 비트(큐비트)는 0과 1 상태의 중첩 상태로 존재할 수 있습니다.
- 양자 얽힘(Entanglement): 두 개 이상의 큐비트가 얽힌 상태에 있을 때, 하나의 큐비트 상태를 측정하면 다른 큐비트의 상태가 즉시 결정됩니다.
이러한 원리들을 이용하여 정보의 보안을 보장하는 기술이 바로 양자 암호화입니다.
양자 키 분배 (Quantum Key Distribution, QKD)
양자 키 분배는 양자 암호화의 가장 대표적인 응용으로, 두 사용자가 안전하게 비밀 키를 공유할 수 있게 합니다. QKD의 가장 유명한 프로토콜은 BB84 프로토콜로, 이는 1984년 찰스 베넷(Charles Bennett)과 질 브라사드(Gilles Brassard)에 의해 제안되었습니다.
BB84 프로토콜
BB84 프로토콜은 양자 비트를 이용하여 키를 분배하는 과정으로, 다음과 같은 단계를 거칩니다:
키 생성: 송신자(앨리스)는 랜덤한 0과 1 비트를 생성합니다. 각 비트는 임의의 기준(기본 기준과 대각선 기준)으로 인코딩된 큐비트로 변환됩니다.
- 기본 기준: 0은 |0⟩, 1은 |1⟩
- 대각선 기준: 0은 (|0⟩ + |1⟩)/√2, 1은 (|0⟩ - |1⟩)/√2
키 전송: 앨리스는 큐비트를 수신자(밥)에게 전송합니다.
기준 선택: 밥은 각 큐비트를 측정하기 위해 랜덤하게 기본 기준과 대각선 기준을 선택합니다.
기준 비교: 앨리스와 밥은 공개 채널을 통해 자신이 사용한 기준을 비교합니다. 밥이 앨리스와 동일한 기준을 선택한 경우에만 해당 비트를 키에 포함시킵니다.
오류 검출: 앨리스와 밥은 키의 일부를 비교하여 전송 과정에서 발생한 오류를 검출합니다. 오류가 너무 많으면 키를 폐기하고 처음부터 다시 시작합니다.
비밀 키 생성: 오류 검출을 통과한 비트를 모아 최종적인 비밀 키를 생성합니다.
BB84 프로토콜의 예시
앨리스와 밥이 BB84 프로토콜을 통해 비밀 키를 분배하는 과정을 예시로 설명해보겠습니다:
키 생성: 앨리스는 다음과 같은 랜덤 비트를 생성합니다: 1010
- 기준: + × + ×
- 큐비트: |1⟩ (|0⟩ + |1⟩)/√2 |0⟩ (|0⟩ - |1⟩)/√2
키 전송: 앨리스는 큐비트를 밥에게 전송합니다.
기준 선택: 밥은 각 큐비트를 측정하기 위해 다음과 같은 기준을 랜덤하게 선택합니다: × + + ×
기준 비교: 앨리스와 밥은 기준을 공개 채널을 통해 비교합니다. 일치하는 기준만 키에 포함시킵니다.
- 앨리스 기준: + × + ×
- 밥 기준: × + + ×
- 일치: ×, + (두 번째와 세 번째 비트)
오류 검출: 앨리스와 밥은 일치한 기준에서 얻은 비트를 비교하여 오류를 검출합니다. 예를 들어, 비교한 비트가 일치하면 오류 없음.
비밀 키 생성: 최종적으로 얻은 비트를 모아 비밀 키를 생성합니다. 예를 들어, 01.
양자 암호화의 장점
- 절대적인 보안: 양자 암호화는 양자 역학의 원리를 이용하기 때문에, 도청자가 정보를 훔치려 하면 양자 상태가 변하게 되어 도청이 탐지됩니다.
- 미래의 보안: 양자 컴퓨터가 발전하더라도 양자 암호화는 보안을 유지할 수 있습니다.
양자 암호화의 단점
- 기술적 한계: 현재 양자 암호화 기술은 매우 높은 수준의 기술적 요구사항을 필요로 합니다.
- 거리 제한: 양자 상태는 거리가 멀어질수록 유지하기 어려워 장거리 통신에 한계가 있습니다.
결론
양자 암호화는 양자 역학의 원리를 이용하여 정보를 안전하게 전송하는 혁신적인 기술입니다. 양자 키 분배(QKD)를 통해 두 사용자는 보안 채널을 통해 비밀 키를 안전하게 공유할 수 있습니다. 양자 암호화는 기존의 고전적 암호화 방법보다 훨씬 높은 보안성을 제공하며, 양자 컴퓨터가 발전하더라도 보안을 유지할 수 있습니다. 하지만 현재 기술적 한계와 거리 제한 등의 문제도 존재합니다. 이러한 문제들을 극복하고 양자 암호화 기술이 더욱 발전한다면, 정보 보안 분야에 큰 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.