[양자 컴퓨팅과 보안] 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터

양자 컴퓨터?

• “스팀펑크 샹드리에” 라고 불리는 외관
• 절대영도 (-273’c) 냉방 유지 필요
• 노이즈 위험으로 절대 안정 필요
• 양자 비트 (Qubit) 사용
• 리처드 파인만씨가 필요성 제시

Qubit (큐빗)

• 0 또는 1이 될 수 있는 상태 (일반 비트는 0 혹은 1의 상태)
• 연산이 빠르다
• 암호 해독이 빠르다 (소인수분해 / 이산대수)

 

기존 컴퓨터와의 비교 (슈퍼컴퓨터)

기존 컴퓨터 (슈퍼 컴퓨터)	양자 컴퓨터
비트 기반 디지털 기술 (0 or 1)	양자 기술 (Qubit)
현대 암호 체계 분석 불가 → 계산 능력 한계	초고속 대용량 연산을 통해 가능 → 동시 계산 처리
순서대로 반복적인 계산 3bit → 8회	양자 특성을 통해 동시 계산 3bit → 1회
612자리 정수 암호 해독  → 백만년	612자리 정수 암호 해독 → 수 분 내
전력 소모량 : 15MW	전력 소모량 : 0.025MW
트랜지스터로 동작	양자 스케일 / 양자 터널링

• 소인수분해 문제를 빠르게 해결
  • RSA 암호 시스템 붕괴
• 신소재 개발
  • 전기자동차, 신약 등
• 최적화 문제 해결
  • 확률적 구배 강하 기법으로 최적화에 효율적 대처 가능

 

양자 얽힘

• 양자 (Quantum) : : 물질의 입자성과 파동성을 기술하는 물리량의 최소 단위 (더이상 쪼개지지 않는 입자)
  • 양자 얽힘 : 전자(-)와 양전자(+)가 서로 아무리 멀리 떨어지더라도 서로의 변화에 “즉시” 반응한다
  • ⇒ 한 큐빗의 속성 측정 → 파트너 큐빗의 속성 확인 할 필요 X → 유용!
• 얽힌 양자를 통한 키 교환 (전송)
  • 광케이블을 이용해 레이저로 전송 (100km까지만 가능)
  • 위성을 통해 100km이상 전송 가능

 

PQC (Post-Quantum Cryptography)

• 기존 컴퓨터에서 실행되는 암호 시스템
• 양자 공격에 안전 (양자 컴퓨터로도 풀기 힘든 문제)
• 기존 암호키 그대로 사용 가능
• 종류
  • Hash
  • Code
  • Isogeny
  • Lattice
  • Multivariate

 

슈뢰딩거의 고양이

• 상태 중첩 (superposition)을 설명하기 딱 좋은 예
• 상태 중첩
  • 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 동시 존재
  • 큐빗이 0이 될 수 도, 1이 될 수 도 있는 상태

 

코펜하겐 해석 (도깨비 같은 작용)

• 거시 세계
  • 우리가 생활하는 세계
  • 중력과 물리법칙이 적용되는 세계
  • 고전 물리학 → 상태가 정해져있음
• 미시 세계
  • 양자 역학이 지배하는 세계
  • 거시 세계의 법칙이 적용되지 않음
  • 양자 물리학 → 관측 행위를 통해 전, 후 상태가 변한다
  ⇒ 관측자의 행위가 “양자의 존재 상태”에 영향을 미친다
• EPR 역설
  • 아인슈타인 (Einstein), 포돌스키 (Podolsky), 로젠 (Rosen) 저자
  • 양자역학의 불완전함에 대한 논문 게재
  • 존 벨 (Jhon Bell)의 실험을 통해 EPR 역설 반박 → 양자 역학 승리

 

양자 컴퓨터의 함정

• 양자 결 어긋남
  • 결 맞음 : 얽힘 상태를 유지하려는 것
  • 결 어긋남 : 중첩 상태가 사라지는데 걸리는 시간 → 정보가 손실되는 과정
• 양자 오류 정정
  • 기존 컴퓨터 : 오류 정정을 대비하기 위해 중복 저장
  • 복제 불가 정리 : 알려지지 않은 양자 상태와 동일한 복사본을 만드는건 불가능하다
• 양자 오류 정정
  • 쇼어 코드
  • 보손 코드
  • 위상학 코드

 

양자 컴퓨터의 미래

• 양자 우위
  • 기존 컴퓨터로 불가능한 문제를 양자 컴퓨터로 해결할 수 있는 지점
  • 2019년 구글에서 달성
• 양자 어닐링
  • 단열 정리: 외부 조건의 점진적 변화에 적응 + 초기 성질 유지
  • 단열 정리에 의존해 계산하는 양자 컴퓨터
• 데이터 센터의 양자 컴퓨터
  • 클라우드 서버처럼 일반인들도 사용 가능