전 세계에서 가장 안전한 보안 기술, 양자역학의 원리 속에?

 “초고속, 초저지연, 초연결성” 이 특징들은 5G 시대를 일컫는 말이다. 5G 시대가 도래하면서 모든 것이 빠르게, 그리고 연결되는 특성 때문에 해킹을 당했을 때 피해가 빠르게 퍼질 수 있다. 따라서 양자역학을 토대로 한 양자암호 기술은 5G 시대의 보안을 책임질 기술로 자리 잡고 있다. 최근 많은 국가의 IT기업, 이동통신사 등이 양자암호통신 기술 개발을 진행 중이다.

[이미지 제작=대한민국청소년기자단 15기 서수민기자]

우리는 항상 무언가를 보며 살고 있지만, 그것들을 이루고 있는 탄소나 산소를 볼 수 없고 원자를 볼 수도 없다. 이렇게 매우 작은 미시세계를 다루는 학문이 양자역학이다. 양자역학에서는 고전역학과는 달리 위치나 속도 둘 중 하나는 반드시 알 수 없다. 입자가 어딨는지를 알면 어디로 얼마나 빨리 가는지 알 수 없고, 속도를 알아내면 위치를 알 수 없다. 또한 양자역학에는 관측이라는 개념이 있다. 이중 슬릿 장치에 전자를 쏘았을 때 파동이 가지고 있는 특징 중 하나인 간섭무늬가 등장한다. 실험 장치를 열고 전자가 날아가는 과정을 들여다보면 전자는 원래 우리가 알고 있는 형태인 입자로 돌아온다. 누군가가 보기 전까지는 파동처럼 행동하다가 누군가 볼 때는 입자로 돌아오는 것이다. 빛, 그러니까 관측이라는 개념이 매우 큰 영향을 준다는 것이다.

양자역학의 몇 가지의 특성 중 양자 상태의 비연속과 중첩의 원리는 양자암호와 직접적으로 연관되는 특성들이다. 양자암호는 안전한 통신을 위한 암호체계인데, 양자 키 분배 체계가 대표적이다. 양자 키 분배(Quantum Key Distribution)는 안전한 통신을 위한 암호체계이다. 중간에 도청자가 난입할 경우 그 존재가 드러나며, 신호가 왜곡되어 도청자도 정확한 정보를 얻을 수 없는 보안성을 띠고 있다.

암호 키를 교환하는 중에, 누군가가 정보를 빼내려고 하면 양자 상태가 교란된다. 양자역학에서 정보를 얻어내는 것은 반드시 “관측”이라는 개념이 필요하므로 정보에 접근하는 순간 양자 얽힘과 불안정성에 의해 원래의 양자 상태는 변형된다. 양자역학의 원리에 의해 양자 상태에 대한 정보를 얻어내면서 전달되는 양자 상태를 교란시키지 않는다는 것은 불가능하며, 양자 상태가 변형되었을 때 정보를 교환하는 사람들은 양자 상태가 변형된 것을 확인할 수 있다. 양자 상태의 변화는 키 분배에 변화를 가져오게 되므로 도청자의 존재를 확인할 수 있다. 양자 상태가 교란된다 하더라도 정보를 복사한다면 걸리지 않고 양자가 담고 있는 정보를 알아낼 수 있지만, 이는 “복사 불가능의 정리”에 의해 불가능하다. 또한 측정 후 붕괴라는 양자역학의 특이한 현상 때문에 단일 광자를 정확하게 측정할 수 있는 기회는 단 한 번으로 제한된다.

온도, 소리, 주파수 변화에 쉽게 손상되는 불안정한 양자의 특성상 가용 전송 거리가 매우 짧으며 이를 실용적으로 이용하기 위해 25km 정도 단위마다 중계소를 설치하여 구성한 양자암호 네트워크가 있다. 현재 중계소 없이 가용한 통신 거리는 약 140km이다. 현재 기술로는 불안정한 양자를 상온에서 대량으로 다룰 수 없기 때문에 상용화가 이루어지진 않고 있지만 이 문제가 해결된다면 양자 기술 상용화는 빠르게 이루어질 것이다.

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=15기 서수민기자]