양자암호통신

왜 배우는가: 양자암호통신은 계산량이 아니라 물리 법칙으로 도청을 검출한다는 점에서 기존 암호와 원리가 다르다. 정보보안 기술사 시험에서는 키 분배 방식, 주요 기술, 취약점을 묶어 반복해서 묻는다. 개념 정의와 등장 배경을 정확히 잡아야 이후 원리와 취약점을 연결해 답안을 쓸 수 있다.

출제 이력: 제128회 4교시 4번, 제117회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

양자암호통신은 양자역학 원리를 이용해 도청 여부를 검출하며 암호키를 안전하게 분배하는 기술이다.

• 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)
• 단일광자(Single Photon)
• 복제 불가능성(No-Cloning Theorem)
• BB84 프로토콜
• 양자 중계기(Quantum Repeater)
• 양자난수생성기(QRNG)
• 광자 수 분리 공격(PNS)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 양자암호통신은 열쇠를 보내는 방법을 물리 법칙으로 지키는 기술이다. 기존 암호는 해독에 필요한 계산이 어려워서 안전하다. 반면 양자암호통신은 키를 빛의 양자 상태에 실어 보내고, 중간에 누가 엿보면 그 상태가 흐트러져 흔적이 남는다.

정식 정의는 다음과 같다. 양자암호통신은 양자 상태의 측정이 상태를 바꾼다는 측정 교란(Measurement Disturbance) 원리와 양자 상태를 임의로 복제할 수 없다는 복제 불가능성을 이용해, 송수신자 사이에 도청 여부를 검출하면서 대칭키를 생성·분배하는 통신 방식이다. 대표 방식이 양자 키 분배(QKD)이다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다. 단일광자는 광신호를 하나의 광자 단위로 다루는 상태를 말한다. 송신 측은 이상적으로 광자 한 개씩 보내야 하지만 실제 장비는 여러 개가 함께 나가는 경우가 많다. 기저(Basis)는 양자 상태를 측정하는 기준 좌표이며, 송수신자가 공개 채널에서 기저만 맞춰 보고 일치한 비트만 키로 쓴다. 오류율(QBER)은 걸러진 키에서 생긴 오류 비율로, 높으면 도청 가능성을 의심하여 키를 폐기한다.

암호키 자체는 대칭키이다. 양자 신호는 키를 만드는 데만 쓰이고, 실제 데이터 암호화는 AES 같은 기존 대칭 암호나 일회용 패드로 한다. 따라서 양자암호통신은 기존 암호를 대체하기보다 키 분배 단계를 보강하는 기술로 이해해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

컴퓨터 성능이 높아지고 양자컴퓨터 연구가 진전되면서 기존 공개키 암호의 수학적 안전성이 장기적으로 위협받는다는 우려가 커졌다. 이 때문에 계산 난이도에 기대지 않는 키 분배 방식이 주목받게 되었다.

1984년 Bennett과 Brassard가 BB84 프로토콜을 제안하면서 양자 키 분배의 이론적 틀이 마련되었다. 이 프로토콜은 두 비직교 양자 상태를 완벽히 구분할 수 없다는 원리에 기반하며, 이후 E91, B92 등 여러 방식이 제안되었다.

실제 구현 측면에서는 광섬유를 통한 장거리 전송에서 광 손실이 거리에 비례해 증가하는 문제가 있다. 따라서 단일광자 검출기의 양자효율과 잡음 수준이 통신 거리와 오류율을 결정한다. 국내에서도 양자 키 분배 장비와 양자 난수 생성기, 양자 중계 기술의 상용화가 추진되고 있어 실무적 관심이 높아졌다.

다만 양자암호통신이 양자컴퓨터와 같은 기술이라고 오해하기 쉽다. 양자통신은 양자역학적 특성을 이용할 뿐이며, 양자 내성 암호(PQC)는 별도로 기존 컴퓨터에서 구현되는 알고리즘이다. 두 개념을 구분해 답안에 쓰는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

양자암호통신의 핵심은 양자키분배(QKD, Quantum Key Distribution) 시스템이 단일 광자의 상태 변화를 이용해 도청을 검출하는 구조다. 송신 장치(Alice), 수신 장치(Bob), 양자 채널, 고전 공개 채널, 키 후처리 모듈이 함께 동작한다.

검출기의 양자효율은 통신 거리를 제한한다. 광 손실이 거리에 비례해 커지기 때문이다. 검출기 잡음은 비트 오류율을 높이므로, 높은 양자효율과 낮은 잡음이 함께 요구된다. 양자암호에서는 응답 속도가 느리더라도 단일광자 검출 능력이 우수한 APD 타입 검출기를 주로 쓴다.

원리는 두 가지다. 첫째, 서로 직교하지 않는 두 양자 상태는 완벽히 구분할 수 없다. 둘째, 양자 상태는 복제할 수 없다(No-Cloning Theorem). 따라서 도청자가 정보를 얻으려면 신호를 교란하고, 그 교란이 오류율로 드러난다.

도청 시도는 측정 과정에서 양자 상태를 교란하므로 오류율 증가로 검출된다

BB84 절차는 다음과 같다.

• 송신자가 무작위 기저(직선 또는 대각)를 골라 편광된 광자를 보낸다.
• 수신자가 무작위 기저로 각 광자를 측정한다.
• 공개 채널에서 두 측정 기저를 비교하고 일치한 비트만 남긴다(걸러진 키).
• 일부 비트를 공개 비교해 양자비트 오류율(QBER)을 추정한다.
• 오류율이 기준을 넘으면 키를 폐기하고, 넘지 않으면 오류정정을 수행한다.
• 비밀증폭으로 공개된 정보에 관한 부분을 제거해 최종 비밀키를 얻는다.

기저 일치 비율은 평균 1/2이므로, 전송한 광자 중 키로 쓰이는 비율은 절반 이하다. 여기에 손실을 더하면 실제 키 생성 효율은 매우 낮아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

양자암호통신의 국내 평가 체계는 확인된 자료에서 특정하기 어렵다. 대표적으로 국가정보원 검증필 암호모듈(KCMVP) 검증 제도가 있다. 양자암호 장비의 평가 기준은 관련 자료로 확인해야 한다. 구체적인 검증 기준 번호와 세부 조건은 확인된 자료가 없으므로 본문에서 번호를 쓰지 않는다.

2025년 이후 웹 자료에서는 양자난수생성기 기반 음성 암호화 제품과 QKD 제어·관리 시스템(QKMS) 상용화가 보도되었다. 해당 기사는 2026년 전시회 발표 내용이므로 제품 사양이 아닌 동향으로만 참고한다. 양자내성암호(PQC)는 양자컴퓨터 대비 알고리즘 기준이며, 양자암호통신(QKD)과 기술 기반이 다르므로 혼동하지 않는다.

6. 유형과 비교

양자암호통신의 방식은 크게 프로토콜 계열과 구현 방식으로 나눌 수 있다. 프로토콜은 BB84(1984년, 단일 광자 기저 전송 방식)를 기준으로 E91(얽힘 광자쌍 기반, 벨 부등식 위반으로 도청 검출), B92(두 비직교 상태만 사용하는 단순화 방식), BBM92(편광 얽힘 광자쌍 기반)로 구분한다. 구현 방식은 광원·검출기 구성에 따라 Plug & Play 방식과 일반 방식으로 나뉜다.

위 표는 프로토콜의 보안 근거와 구현 난이도가 서로 다르다는 점을 보여 준다. BB84는 가장 널리 쓰이는 기준 프로토콜이고, E91은 얽힘 자원 생성이 필요해 장비 부담이 크다. B92는 상태 수가 적어 구현은 단순하나 효율이 낮다.