해시넷
양자난수생성기
양자난수생성기(Quantum Random Number Generator)란 패턴을 분석할 수 없는 순수 난수를 만드는 장치이다. 통신 네트워크를 통한 외부 위협을 원천 봉쇄할 수 있다.
개요
양자는 더 쪼갤 수 없는 물리량의 최소 단위이다. 그리고 양자난수생성기는 양자의 특성을 이용하여 패턴을 분석하는 것도 불가능한 무작위 숫자를 생성하는 장치이다. 통신 네트워크를 통한 해킹 같은 외부 위협을 원천봉쇄할 수 있으며, 양자암호통신의 핵심 기술이다. 양자 난수는 예측할 수 없어야 하고(Unpredictable), 어느 한쪽으로도 편향성이 없어야 하고(Unbiased), 앞뒤 숫자 간에 상호연관성이 없어야 한(Uncorrelated)다. 난수는 통신 내용을 암호화하여 전송하는 데 사용되는데, 패턴이 없는 숫자를 이용하여 정보 탈취나 도청이 불가능하도록 만든다. 현재까지의 암호체계는 수학적 알고리즘으로 생성된 유사 난수(Pseudorandom Number)를 활용했다. 유사 난수의 경우, 불규칙적으로 보이지만 실제로는 일정한 주기를 가지고 있는 난수로, 난수의 초깃값과 동작 상태를 알면 이를 통해서 다음 값을 예측하고 앞뒤 숫자 간의 상호 연관성을 찾아낼 수 있다는 단점이 있다. 따라서 외부위협이나, 해커의 공격에 비교적 취약하다. 하지만 순수 난수는 앞뒤 숫자 간의 상호 연관성이 없기 때문에, 순수 난수를 생성하는 양자난수생성기가 차세대 통신 보안기술로 기대되고 있다. 유사 난수는 패턴을 읽고 연산하는 슈퍼컴퓨터를 통하여 암호 체계가 무너질 수 있지만, 양자난수생성기로 만든 난수는 패턴 연산 컴퓨팅으로도 풀 수 없는 불규칙성을 갖고 있기 때문에 보안성이 뛰어나다. 슈퍼컴퓨터보다 데이터 처리 속도가 1억 배 더 빠른 양자 컴퓨터도 등장하여 기존 암호 체계의 사전 예측 가능성이 커지고 있다.[1]
난수
컴퓨터 과학 분야의 난수는 일반적으로 결정론적인 방법으로 생성된 난수를 말한다. 컴퓨터로 생성된 모든 난수는 유사 난수라고 부른다. 특정한 입력이나 조건에 따라 무작위로 선택된 것 같은 난수나 난수 열이 생성되고, 생성 조건이나 입력이 같다면 결괏값은 항상 같다. 컴퓨터를 시동하면 난수표가 생성되어 컴퓨터 내부에 보관되는데, 컴퓨터 프로그램이 매번 같은 방법으로 난수를 가져오라고 요청한다면 매번 그 값은 같아서 순수 난수라고 부를 수 없다. 따라서 보통은 씨앗 값을 인자에 다르게 주어서 요청할 때마다 다른 유사 난수를 돌려줄 수 있도록 한다. 씨앗 값은 보통 현재 시각을 이용한다. 매 순간 현재 시각이 바뀌어서 한번 지나간 시간은 다시 돌아오지 않는 특성 때문에 이전에 발생했던 난수는 다시 재연할 수 없고, 시간 단위가 섬세할수록 사람이 임의로 난수를 조작할 수 없게 된다.[2]
- 유사 난수 : 의사 난수라고도 부른다. 난수를 구조적으로 의사 난수와 양자 난수로 구분하기도 한다.[3] 유사 난수는 사람이 소프트웨어 방식으로 구현한 값이다. 현재 통상적으로 사용되는 난수 체계는 유사 난수에 기반한 경우가 많다. 알고리즘의 상태에 따라 값이 정해지기 때문에 생성된 수열은 일정한 반복을 가지게 되고, 따라서 난수의 예측 불가능성을 가질 수 없다. 예측 불가능성이 필요한 경우에는 하드웨어처럼 외부 신호를 사용하는 하드웨어 난수 생성기를 사용한다. 몬테카를로 방법과 같은 확률 계산에 사용되며, 암호학에서도 중요하게 사용된다. 유사 난수를 생성하는 데는 유사난수 생성기 알고리즘이 사용된다.[4]
- 양자 난수 : 사람이 아닌 순수 자연 현상의 물리계에서 추출하여 생성한 난수이다. 진정 난수, 자연 난수, 순수 난수라고도 부른다. 반복되는 주기가 없어 예측이 불가능하고, 해킹에서 안전하다는 장점이 있다. 하지만 별도의 추출장치가 필요하고, 속도가 느리며, 편향성이 심하고, 크기가 매우 크고 비싸다. 10nm 이하의 미시 세계에서는 우리의 일상 속 물리 현상과 달리 확률에 기반한 불확실한 현상이 일어난다. 이를 바로 양자역학이라고 부르는데, 양자 난수는 이 양자역학적 현상을 활용하여 생성한다. 현재까지 양자 난수 생성 방식으로 알려진 것은 크게 광학식과 전기식으로 구분된다. 광학식은 빛의 입자이자 파동인 광자를 이용하고, 전기식은 전기의 기본 구성인 이온을 이용하여 전기 저항을 고의로 일으켜 난수를 검출한다. 양자 난수를 계속해서 생성하는 장치를 바로 양자난수생성기라고 부르며, 아무리 뛰어난 슈퍼컴퓨터라도 예측할 수 없는 무질서한 난수이다. 현재 양자난수생성기는 상용화가 되어있지만, 장비가 크고 비용 부담이 커서 범용으로 사용하기엔 아직 한계가 있다. 이를 개선하기 위해 초소형 양자난수생성기가 개발되기도 했다.[3]
특징
양자암호통신
양자 암호통신은 기존 암호키 분배가 가지고 있는 수학적 알고리즘 문제를 개선할 대안으로써, 보안 측면에서 고객에게 추가적인 이점을 제공하고 신뢰 지수를 높일 수 있는 기술이다. 고속 암복호화 기술과 결합하면 기존의 저속 암복호화기의 병목현상을 해결할 수 있으며, 인지의 여부를 모두 떠나서 크게 주목받지 않았던 링크 구간의 보안에 해결책을 제시한다. 알고리즘에 의존하지 않기 때문에, 미래의 외부로부터의 공격에서 안전하다. 초연결사회라고 불리는 5G 시대는 통신이 금융, 의료기기, 인공위성, 자율주행차 등까지 확장될 수 있다. 따라서 5G망에서도 기존의 유사 난수 방식을 이용할 경우, 기술 의존도가 더욱 심화한 시점에선 보안이 심각하게 취약해질 수 있다. 예를 들어, 자율 주행 차량을 대상으로 도청을 시도한다면, 탑승자의 의도와는 전혀 상관없이 제삼자에 의해 원격 조정 당할 가능성이 있다. 여기서 양자암호통신은 양자 얽힘 현상이 작용하면 애초부터 복제가 불가능하다. 양자 얽힘은 두 개의 입자가 강한 상관성을 가지면 아무리 멀리 떨어뜨려 놔도 한쪽이 반응하면 다른 한쪽도 바로 반응하는 현상을 말한다. 만약 도청자가 양자암호통신을 통해 전달하는 데이터를 알아내려 접근하면 양자 데이터가 소실되고, 수신자는 정확도가 떨어진 데이터를 확인할 수밖에 없기 때문에 중간에서 도청 시도가 있었다는 사실을 알 수 있다. 양자암호는 양자암호분배기를 통해 무작위로 생성되며, 키를 알고 있는 송수신 자만 정보를 읽을 수 있는 권한이 있다. [5]
양자암호통신에서 주의해야 할 점은, 양자 암호통신과 양자통신은 같지 않다는 것이다. 양자통신은 양자 상태를 무손실로 전송한다는 뜻이다. 양자 암호통신은 대칭 암호키를 생성하는 것이 목적이기 때문에, 전송한 양자 신호 중 성공적으로 도착한 신호를 추출하여 암호키로 사용한다. 기존 통신의 개념처럼 전송효율이 100%인 것은 아니며, 실질적으로는 약 10,000분의 1의 효율을 보인다. 기존의 암호화 기술에서 키 분배의 안전성을 획기적으로 높이는 기술이며, 양자 암호통신이 적용되더라도 기존 암호화 기술이 전혀 필요 없어지는 것은 아니다. 대표적인 기술로는 단일광자 검출기, 신호처리 알고리즘, 양자 중계기, 양자난수생성기, 간섭계 안정화 기술 등이 있다. [6]
양자암호통신 기술 구분 기술 개요 단일광자 검출기 단일 광자 수순의 미약한 광신호를 고감도 광학 센서로 수신하는 기술이다. 장비의 동작 속도나 암호키 생성률을 결정한다. 신호처리 알고리즘 생성된 암호키의 오류를 효율적으로 수정하고 비밀성을 증폭한다. 시스템의 절대적인 안전성을 보장하고, 신호 처리 속도를 결정한다. 간섭계 안정화 기술 전송 과정에서 경로 차 중첩과 위상변조를 거쳐 완전 수신 단에 도달한 단일 광자가 정확히 간섭할 수 있도록 외부요인의 위상 오차를 제거한다. 양자난수생성기 암호키 생성 과정 중 필요한 완전 난수를 만드는 기술이다. 양자 중계기 양자 암호는 미약한 광신호를 이용하기 때문에 장거리 전송에 한계가 존재한다. 따라서 양자 상태를 유지한 채 신호를 전달하는 양자 중계 기술이 필요하다.
개발
국내
- 초소형 양자난수생성기를 개발하는 데 성공하여 미국 공군에 양자 난수 암호 칩을 공급한 국내 스타트업 기업이다. 최근 국내에서 정부가 정책적으로 집중적으로 육성하는 비메모리 시스템 칩 기술에 해당한다. 양자난수생성기 기술은 대표적으로 상용화된 빛을 이용한 방식과 방사성 동위원소를 이용한 방식을 예로 들 수 있는데, ㈜이와이엘의 양자난수생성기는 방사성 동위원소를 이용한 방식을 적용했다. 전자는 정확하게 50%를 투과하는 거울을 제작할 수 없어 편향성을 보정하는 과정이 필요하고, 초고감도 센서가 필요하여 크기가 크고 값이 비싸다는 단점이 있다. 후자는 품질이 매우 좋은 난수를 생성할 수 있으나, 인체에 해롭고, 크기가 크고 비싸서 쉽게 상용화되지 못한다. ㈜이와이엘의 초소형 양자난수생성기는 방사성 동위원소의 반감기를 이용하여 양자 난수를 추출하는 기술을 개발했다. 인체에 무해한 극소량의 방사성 동위원소를 활용한 예로는 화재감지기, 의료기기처럼 주변에서 어렵지 않게 발견된다. 여기서 반감기란 방사성 동위원소가 붕괴하고 그 수가 절반으로 줄어드는 데까지 걸리는 시간을 가리킨다. 동위원소에서 나오는 에너지를 숫자로 전환하기 때문에, 생성된 난수는 결국 원천적으로 해킹할 수 없다. 통계적으로 완전한 난수를 만들어내기 때문에 별도의 보정 과정이 불필요하고, 난수의 왜곡이 전혀 없다. 안정성과 소형을 중요시하는 시장 특성이 반영되어 있다. 방사성 동위원소에서 자연적으로 방출되는 알파 입자를 센서로 감지하고, 감지된 신호를 디지털 펄스로 전환한 뒤, 펄스 간의 시간 간격을 측정하여 난수를 생성한다. 생성 원리는 다음과 같다.
- 방사성 동위원소는 정해진 반감기 동안 자연스럽게 붕괴한다.
- 붕괴한 원자핵은 항상 새로운 것으로서 중복되는 원자핵은 존재하지 않는다.
- 반감기 동안 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 α 입자를 방출하며 다른 원자핵으로 변화된다.
- 양자역학적 불확정성 원리에 의하여 언제 어떻게 방출될지 알 수 없음으로 완전히 무작위에 의한다.
- α 입자가 다이오드 충돌하면 공핍 현상에 의하여 전하의 흐름을 생성하여 펄스가 발생한다.
- 감지된 신호를 디지털 펄스로 전환한다.
- 펄스 간의 시간 간격을 계측하여 난수를 생성한다.
- α 입자의 강력한 에너지로 인하여 α 입자와 생성되는 난수가 일대일로 대응되므로 해외에서 개발된 광자의 랜덤 성을 이용한 양자난수생성기에서 편향성 극복을 위하여 적용하는 XOR 알고리즘이 필요 없는 완전한 상태의 난수를 생성한다.[7]
- 저렴한 가격에 양산이 가능한 초소형 제품이기 때문에 각종 스마트기기와 사물인터넷 기기의 보안을 강화하기 위해 도입될 수 있다는 장점이 있어, 카드 결제나 전자상거래 보안에도 적용될 수 있다. 2016년 11월 2일, ㈜이와이엘은 미래창조과학부에서 지원을 받아 미국 보스턴에서 열린 세계 벤처 경진대회 보스턴 매스챌린지에 참가하여 최고상인 다이아몬드 상을 수상했고, 10만 달러의 상금을 받았다.[3] 2019년 4월, 양자 난수를 이용한 암호화 모듈에 대한 FIPS 140-2 인증을 획득했다. 2020년, ㈜이와이엘의 양자 난수 기술이 미국 공군 보안 시스템을 위한 핵심 기술로 선정되어, 미국 공군의 무인 정찰기에 적용할 목적으로 초소형 암호 칩을 개발하기로 했다. 미 공군의 센서 연구소가 후원하고 디펜스웍스라는 민간 기술과 미국 국방 기술을 연결하는 조직에 의해 관리되는 사업으로, 경진대회 형태로 이루어진다. 개발되는 칩에는 무인 정찰기 등에서 촬영한 영상 파일을 인공지능 기술로 압축하고, 양자 난수를 활용하여 암호화 가속 기술과 부 채널 공격 같은 물리적 해킹 공격을 방어하기 위한 보안 기능이 적용된다.[8]
- 암호 플랫폼 및 웹 보안 전문 업체로, 암호키 관리 시스템 디아모(D'Amo) SG-KMS에 양자 난수 생성기와 하드웨어 보안 모듈을 추가하여 보안성 강화 패키지를 만들었다. 생성된 키를 안전한 장소로 보관할 수 있는 하드웨어 보안 모듈을 추가하여 안전하게 키를 보호할 수 있는 서비스로, 하드웨어 보안 모듈은 물리적 연산 장치로 저장된 데이터에 대한 위조 및 변조를 방지할 수 있는 보안 프로세서이다. 메모리나 저장소에 보관하는 키 보관 방식보다 안전하다.
- 2011년, 양자기술연구소를 설립하여 양자암호통신 기술을 개발하고 있다. 2016년, 세계 최고의 스위스 암호통신 기업 IDQ를 인수하고, 같은 해에 세계 최초로 세종과 대전 간의 LTE 백홀에 양자암호통신을 적용했다. 유럽연합과 미국의 양자암호통신 구축 사업을 수주했으며, 2017년에는 세계에서 가장 작은 크기인 5mm*5mm 크기 양자난수생성기 칩을 개발했고, 2019년, 2.5mm*2.5mm*0.8T 크기의 모바일 양자난수생성기 칩을 개발했다.[1] 2020년 5월, 세계 최초로 양자난수생성기 칩이 탑재된 5G 스마트폰을 개발했다. 칩은 가로 2.5mm, 세로 2.5mm 초소형 크기와 초 전력 성능을 가지고 있어 스마트폰에 최적화되어 있다. 삼성전자와 함께 개발한 '갤럭시 A 퀀텀'에는 블록체인 모바일 전자 증명 서비스 '이니셜'과 T 아이디 이중 로그인, SK 페이 생체인증 보호 서비스가 제공된다. 특히 블록체인 서비스 이니셜의 경우, 사용자가 출입증이나 자격증과 같은 각종 개인 증명서를 저장할 때 퀀텀 지갑이 자동 생성되어 안전하게 보관할 수 있고, 이니셜 앱과 발급기관 간의 인증 절차도 안심하고 이용할 수 있다. 블록체인 DID 기술을 적용하여 위조 및 변조를 방지하고 자기 주권을 강화했으며, 오프라인 절차가 따로 필요 없이 스마트폰 하나만으로 다양한 개인 증명서를 발급하거나 제출할 수 있다. 스마트폰 '갤럭시 A 퀀텀'에 적용된 양자난수생성기 칩의 내부에는 CMOS 이미지센서가 있다. 이미지센서가 LED 광원이 방출한 빛을 감지하면, '일정한 시간 동안 일정한 세서 면적 안에 감지되는 광자의 개수는 예측 불가능하다는 양자의 무작위성을 이용하여 난수를 추출한다. 이 난수는 T 아이디, SK 페이, 이니셜 앱에 제공되며, 각 앱에서 암호키를 생성하는 데 활용한다. 모든 서비스는 데이터를 보관하거나 주고받는 과정에서 암호화와 복호화 작업을 진행하는데, 여기에 암호키가 필수적이기 때문이다. 결과적으로 이용자는 양자난수생성기 칩을 통해 보안성이 높은 암호키를 사용함으로써 개인정보를 안전하게 보호할 수 있다.[9] 반면 일각에서는, 양자난수생성기로 예측을 할 수 없는 진짜 난수를 만들어낸다고 해도, 키의 보관과 분배, 암호화 등의 다음 단계의 기술이 없다면 사실상 보안 측면에서 무용지물이라고 지적하는 전문가들도 있다. 양자 기술을 이용한 것은 맞지만, 양자 보안과 양자 암호라고 보기엔 무리가 있다는 의미이다. 양자암호통신은 일회성 암호 키를 공유하는 기법으로, 송수신 자가 일회성 키를 공유하고 외부로부터 침입이 들어올 때 내용 자체가 변경되는 방식이다. 따라서 양자 키 분배 시스템, 암호화 장비, 네트워크 기술 등이 모두 필요하다.[10]
국외
- 중국과학기술대학교 판젠웨이, 장쥔 연구팀은 영국 옥스퍼드 대학교 연구팀과 공동으로 68Gbps 고속 양자난수생성기를 개발했다. 그리고 2012년, 캐나다 토론토 대학교에서는 6Gps 양자난수생성기 시스템을 개발했다. 68Gbps는 비트 레이트로, 양자난수생성기의 가장 중요한 지표이다. 초기의 양자난수생성기는 단일 광자 경로 선택법으로 비트 레이트가 4Mbps에 불과했으나, 비트 레이트가 높은 양자 난수를 얻기 위해 꾸준히 발전하고 있다. 판젠웨이 연구팀은 레이저 위상 요동을 기반으로 한 초고속 양자 난수 생성기술을 발전시킨 다음, 피드백을 통해 온도 제어가 필요 없고 안정성은 높은 간섭계를 개발했다. 반도체 레이저에서 자연 방출된 광자의 양자 위상 요동 정보를 강도 정보로 전환하여 표본을 빨리 수집할 수 있다. 또, 레이저의 작업 전류에 대한 체계적인 최적화로, 양자 위상 요동 기여와 전형적인 소음 기여 간 비례를 극대화했다. 최소 엔트로피 모델을 통해 원시 데이터 중 양자 난수 비례 하한선을 확인했다.[11] 2018년 9월, 중국과학기술대학교의 반건위 교수와 장강, 범정운, 마웅봉은 중국 과학원의 상하이 마이크로 시스템 정보 기술 연구소와 일본 NTT 기초 과학 연구소와 협력하여 고품질의 양자 얽힘 광원과 고효율 단일 광자 검출기를 개발하는 데 성공했다. 양자 얽힘의 본질적인 무작위성을 기반으로, 장치에 무관한 양자 난수가 세계 최초로 실현된 연구이다. 일기 예보, 신약 개발, 신소재 및 핵무기 개발과 같은 수치 시뮬레이션이나 암호학 같은 분야에서 널리 사용되며 새로운 국제 표준을 형성할 것이라는 평가를 받고 있다. 3년 이상이 걸린 연구는 고속 제어와 적절한 공간 거리 설계를 통해 기기와 무관한 양자난수생성기에 필요한 공간 거리 요구를 만족하는 성과를 냈다. 또, 얽힌 광자의 수집과 전송, 변조 등의 효율이 최적화되고 고성능 광원의 고효율 측정을 실현했다. 본 연구는 중국 과학원과 중국 자연과학기금단, 안회성 등의 지원을 받았다.[12][13]
각주
- ↑ 1.0 1.1 스크랩, 〈(IT위키)양자난수생성기 〉, 《네이버포스트》, 2019-06-27
- ↑ 난수 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%82%9C%EC%88%98
- ↑ 3.0 3.1 3.2 노동균 기자, 〈슈퍼컴퓨터로도 해킹 불가능한 암호 체계 만드는 '양자 난수'란 무엇?〉, 《아이티조선》, 2016-11-04
- ↑ 유사난수 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%82%AC%EB%82%9C%EC%88%98
- ↑ 넥스트데일리, 〈SKT, 5G에 '양자암호통신' 도입해 해킹 막는다〉, 《네이버포스트》, 2019-03-18
- ↑ 곽승환, 〈[양자키 분배기술 동향과 SK텔레콤 개발 현황]〉, 《에스케이텔레콤㈜》, 2015-06-23
- ↑ ㈜이와이엘 공식 홈페이지 양자난수생성기 - http://www.mikrotik.co.kr/trn/page03.php
- ↑ 박금지 기자, 〈국내 보안 스타트업 '이와이엘(EYL)', 미국 공군 핵심기술 공급한다〉, 《디지털조선티비》, 2020-01-13
- ↑ 에스케이텔레콤㈜ 뉴스, 〈SKT, 세계 최초 양자보안 5G 스마트폰 공개〉, 《에스케이텔레콤㈜》, 2020-05-14
- ↑ 오지현 기자, 〈세계 첫 양자보안폰? 갤럭시A 퀀텀에 학계는 '갸웃'〉, 《서울경제》, 2020-06-23
- ↑ 〈중국과학기술대학교, 세계 68Gbps 고속양자난수생성기 개발〉, 《한중과학기술협력센터》, 2015-07-13
- ↑ 동향 상세정보, 〈기기에 무관한 양자 난수 생성기를 실현한 중국과학자들〉, 《국가과학기술정보센터》, 2018-09-23
- ↑ Yang Liu 외 18인, 〈Device-independent quantum random-number generation〉, 《네이처》, 2018-11-19
참고자료
- 난수 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%82%9C%EC%88%98
- 양자난수 생성기 네이버 지식백과 한경 경제용어사전 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5871042&cid=42107&categoryId=42107
- 유사난수 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%82%AC%EB%82%9C%EC%88%98
- ㈜이와이엘 공식 홈페이지 양자난수생성기 - http://www.mikrotik.co.kr/trn/page03.php
- 〈중국과학기술대학교, 세계 68Gbps 고속양자난수생성기 개발〉, 《한중과학기술협력센터》, 2015-07-13
- 곽승환, 〈[양자키 분배기술 동향과 SK텔레콤 개발 현황]〉, 《에스케이텔레콤㈜》, 2015-06-23
- 노동균 기자, 〈슈퍼컴퓨터로도 해킹 불가능한 암호 체계 만드는 '양자 난수'란 무엇?〉, 《아이티조선》, 2016-11-04
- 스크랩, 〈(IT위키)양자난수생성기 〉, 《네이버포스트》, 2019-06-27
- 동향 상세정보, 〈기기에 무관한 양자 난수 생성기를 실현한 중국과학자들〉, 《국가과학기술정보센터》, 2018-09-23
- Yang Liu 외 18인, 〈Device-independent quantum random-number generation〉, 《네이처》, 2018-11-19
- 넥스트데일리, 〈SKT, 5G에 '양자암호통신' 도입해 해킹 막는다〉, 《네이버포스트》, 2019-03-18
- 박금지 기자, 〈국내 보안 스타트업 '이와이엘(EYL)', 미국 공군 핵심기술 공급한다〉, 《디지털조선티비》, 2020-01-13
- 에스케이텔레콤㈜ 뉴스, 〈SKT, 세계 최초 양자보안 5G 스마트폰 공개〉, 《에스케이텔레콤㈜》, 2020-05-14
- 오지현 기자, 〈세계 첫 양자보안폰? 갤럭시A 퀀텀에 학계는 '갸웃'〉, 《서울경제》, 2020-06-23
같이 보기
