양자 암호 기술

왜 배우는가: 양자 컴퓨터가 현실화되면 지금의 공개키 암호가 무력화될 수 있어, 기밀 정보를 장기간 지키려면 대응 기술을 미리 알아야 한다. 시험에서는 양자 키 분배와 양자내성암호의 원리를 구분하고 함께 비교하는 문제로 묻는 개념이다.

출제 이력: 제135회 3교시 4번, 제114회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

양자 암호 기술은 양자역학 원리로 안전한 키를 나누거나, 양자컴퓨터에도 견디는 알고리즘으로 암호를 보호하는 기술이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 양자키분배(QKD): 광자 상태에 실어 대칭키를 나누는 기술
• 양자내성암호(PQC): 양자컴퓨터 공격에 견디는 수학 난제 기반 알고리즘
• 불확정성 원리: 측정하면 상태가 바뀐다는 양자역학 원리
• 도청 탐지: 키 분배 중 엿듣기 흔적을 오류율로 확인하는 것
• 양자난수생성기(QRNG): 광자의 무작위성으로 난수를 만드는 장치
• 대칭키: 암호화와 복호화에 같은 키를 쓰는 방식
• 양자 컴퓨터 위협: 공개키 암호의 수학 기반을 흔드는 위험

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 양자 암호는 두 방향이다. 하나는 빛 알갱이인 광자에 키를 실어 보내고, 엿듣는 흔적을 잡아내는 방식이다. 다른 하나는 양자컴퓨터가 풀기 어려운 수학 문제로 암호를 만드는 방식이다. 앞 방식이 양자 키 분배이고, 뒤 방식이 양자내성암호다.

정식 정의에서 양자 암호(Quantum Cryptography)는 양자역학적 특성을 활용한 암호화 작업의 총칭이다. 대표적 예가 양자 키 분배이며, 키 교환 문제에 정보이론상 안전한 해답을 준다. 양자 암호는 고전역학으로 풀기 어렵다고 알려진 작업도 다룰 수 있다.

양자 키 분배의 안전성은 불확정성 원리에 근거한다. 양자채널에서 상태를 측정하면 상태가 바뀌므로 도청자가 엿보면 키 분배 정확도가 떨어지고, 합법 사용자가 그 변화를 감지한다. 양자 상태로 인코딩된 데이터는 복사할 수 없다는 점도 도청 탐지의 근거가 된다.

도청 시도는 광자 상태를 바꿔 오류로 드러나므로 탐지 가능하다

BB84 프로토콜은 두 당사자가 비밀키를 공유하는 대표 방식이다. 송신자와 수신자는 양자채널로 광자를 주고받고, 공개된 고전 채널로 결과를 비교한다. 이 고전 채널은 인증되어야 한다. 1991년 제안된 E91은 얽힘 광자쌍을 사용한다. 키 분배는 광섬유 감쇠 때문에 거리에 제약이 있다.

양자난수생성기(QRNG)는 키의 재료인 난수를 만든다. 광원에서 나온 광자가 무작위로 검출되는 현상을 디지털 신호로 바꾼다. 기존 난수는 수학 알고리즘으로 만든 유사난수라 패턴을 추정할 수 있지만, 양자 난수는 추출 패턴 자체가 없어 추측이 어렵다.

양자내성암호는 공개키 암호에 기존보다 복잡한 수학 알고리즘을 적용해 양자컴퓨터 공격에 대응한다. 양자 물리를 쓰지 않고 소프트웨어로 구현되므로 일반 컴퓨터에서 동작한다. 기존 시스템에 업그레이드로 적용하기 쉽다는 장점이 있다.

용어를 구분해 두어야 한다. 양자통신은 양자역학적 특성을 이용할 뿐 양자컴퓨터와 무관하다. 양자내성암호는 양자컴퓨터가 실용화된 상황을 가정해 안전성을 검증하는 것이며, 알고리즘 자체는 범용 컴퓨터에서 실행된다. 두 용어를 같은 범주로 쓰면 감점 요인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

현재 널리 쓰는 공개키 암호는 큰 수의 소인수분해나 이산대수 문제의 계산 어려움에 기대고 있다. 양자컴퓨터는 이런 문제를 기존보다 빠르게 푸는 알고리즘이 알려져 있어 이 기반이 흔들릴 수 있다. 대칭키도 탐색 공격에 취약해져 키 길이를 늘려 대응해야 한다.

암호문을 지금 모아 두었다가 나중에 해독하는 위협(Harvest Now, Decrypt Later)이 현실 문제로 거론된다. 장기간 보호해야 하는 기밀 정보일수록 대응 시점이 빨라야 한다. 여기서 양자 키 분배와 양자내성암호를 함께 검토할 필요가 생긴다.

기술 흐름을 보면 1984년 BB84가 제안되며 양자 키 분배 연구가 시작됐다. 2016년 NIST가 PQCrypto 학회에서 양자 내성 암호 표준화 공모를 발표했고, 2024년 8월 13일 FIPS 203, 204, 205 최종본이 공개됐다. 이후 2025년 3월 11일 HQC가 키 캡슐화용 다섯 번째 알고리즘으로 추가됐다.

국내에서는 국가정보원이 국가 전반의 양자내성암호 전환을 추진 중이다. 전환 대상과 세부 일정은 구체적으로 제시되지 않았다. 전환은 시간이 많이 드는 작업이므로 지금 준비해야 한다는 뜻이다.

구현 위험도 등장 배경에 속한다. 초안 단계의 키 캡슐화 메커니즘 구현체에서 타이밍 공격으로 비밀키가 복구될 수 있는 취약점이 확인됐다. 알고리즘 자체의 결함이 아니라 구현 오류이므로 라이브러리 패치가 필요하다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 기밀 정보의 보존 기간이 양자컴퓨터 등장 시점보다 길면 지금 대응해야 한다. 둘째, 암호 전환은 시스템 전체를 바꾸는 일이라 시간이 많이 든다. 셋째, 한 가지 기술만으로는 한계가 있어 키 분배와 알고리즘을 함께 검토해야 한다. 이 세 가지가 이후 비교와 대응 방안의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

양자 암호 기술은 크게 QKD(양자키분배)와 PQC(양자내성암호)로 나뉜다. 두 기술은 보호 원리가 다르므로 구성요소도 다르게 봐야 한다. QKD는 양자채널과 고전채널(인증 채널)로 구성된다. 양자채널은 광자에 키 생성 정보를 실어 보내고, 고전채널은 체/비교 결과를 공개 방식으로 주고받는다. PQC는 소프트웨어 알고리즘 묶음이므로 키 생성·캡슐화·서명 알고리즘과 그 구현체로 구성된다.

표 아래 설명: QKD는 물리 장비 투자가 필요하다. PQC는 기존 시스템에 알고리즘 교체로 적용되므로 도입 부담이 작다. 두 기술 모두 키 생성 단계에서 난수 품질이 보안을 좌우한다.

원리 — QKD는 불확정성 원리를 쓴다. 광자 상태를 측정하면 상태가 바뀌므로, 도청자가 측정하면 송수신자 간 오류율이 올라간다. PQC는 양자 컴퓨터의 Shor 알고리즘(소인수분해·이산대수)에 취약한 RSA·ECC 대신, 양자 컴퓨터로도 풀기 어려운 문제를 쓴다. Grover 알고리즘은 대칭키 탐색 시간을 제곱근 수준으로 줄이므로, 대칭키는 키 길이를 늘려 대응한다.

절차 — QKD(BB84 기준):

• 송신자가 무작위 비트와 무작위 기저를 골라 단일 광자를 보낸다.
• 수신자가 무작위 기저로 광자를 측정한다.
• 고전채널로 기저를 공개 비교하고, 측정 결과를 선별한다(체 과정).
• 일부 비트를 공개 비교해 오류율을 추정한다. 오류율이 임계치를 넘으면 도청 의심으로 폐기한다.
• 오류 정정과 개인정보 증폭 과정을 거쳐 최종 키를 만든다.

절차 — PQC 키 교환:

• 수신자가 공개키(KEM 키쌍)를 생성해 배포한다.
• 송신자가 공개키로 캡슐화해 공유 비밀값과 암호문을 만든다.
• 수신자가 개인키로 암호문을 복호화해 같은 공유 비밀값을 얻는다.
• 공유 비밀값에서 세션 대칭키를 유도한다.

QKD는 도청 시 오류율 증가로 탐지하고, PQC는 양자 컴퓨터로도 풀기 어려운 수학 문제에 의존한다

도식은 아래와 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 양자 암호 관련 기준은 국가정보원의 암호 검증 제도와 과학기술정보통신부의 양자 기술 정책이 중심이다. 구체적인 조항 번호는 확인되지 않아 기준 이름만 쓴다.

• 암호모듈 검증: 국가정보원 검증필 암호모듈(KCMVP) 제도. 양자 관련 암호 제품도 이 제도로 검증받는다.
• 국가 차세대 암호: 한국인터넷진흥원(KISA)의 차세대 암호 정책. 양자내성암호 전환 방향을 제시한다.
• 국제 표준: NIST 양자내성암호 표준화. FIPS 203(ML-KEM), FIPS 204(ML-DSA), FIPS 205(SLH-DSA)가 2024-08-13에 최종 공개됐다. HQC는 2025-03-11에 다섯 번째 KEM 알고리즘으로 선정됐다.

기준 수치 표

국가 전환 목표의 세부 일정은 변동 가능하다.

KCMVP는 국내 검증 제도이며, FIPS 203은 NIST 표준 번호다. 두 용어를 혼동하지 않는다.