양자 암호화 개념 쉽게 이해하기


3줄 요약

1.’암호’에 양자적 특성이 더해진게 양자 암호에요.

2. 양자 특성에는 ‘중첩’, ‘측정불가’, ‘복제불가’가 있어요

3. 양자 암호 통신은 단일 광자에 양자 특성을 이용하여 암호 키를 안전하게 생성하고, 양자 암호 키를 통해 데이터를 암호화하는 기술이에요

양자란?

양자는 물리적인 성질을 이루는 최소 단위 입자 또는 상태에요.

다른 말로 어떤 물리량이 연속적인 값이 아니라 매우 작은 단위의 비연속적인 값을 취할 때 그 단위를 ‘양자’라고 해요! 양자는 크기가 매우 작기 때문에 우리의 눈으로 직접 관찰할 수는 없어요​.

그렇기 때문에 우리 상식에서 일어날 수 없는 일들이 양자 세계에서는 일어나요.

양자 특성 세가지
1. 중첩

여기서 중첩 이란 서로 구별이 가능한 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 있다는 것인데요.

‘구별이 가능한 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 있다?’

‘누워있는 동시에 서 있을 수 있다는 말인가?’

이해를 돕기 위해 유명한 일화인 슈뢰딩거의 고양이를 간단하게 살펴볼게요.​

 

“고양이와 50% 확률로 붕괴되는 위험한 방사성물질을 상자에 같이 가둬두고 일정시간이 지나면 고양이의 상태는 과연 어떠한가?” 라는 질문에 슈뢰딩거는 ‘고양이가 상자 안에 살아있는 경우’와 ‘방사선 원소가 붕괴하여 고양이가 죽어있을 경우’ 이 두 가지 모두가 동시에 공존하고 있다고 했어요. 상자를 열어보기 전까진 구별이 가능한 두 가지 상태가 공존하는 상황인 것이죠.

2. 측정 불가

중첩이 되어 있는 양자는 측정하는 순간 깨지고 변형 돼요.

앞서 언급한 슈뢰딩거의 고양이는 우리가 상자를 열고 측정하는 순간

고양이가 존재하거나 사라져 있거나 오직 하나의 상태만 관측할 수 있어요.

즉, 양자 세계에서는 원리적으로 동시에 두 가지 성질을 측정하는 게 불가능 해요.

이것을 ‘불확정성의 원리‘라고 불러요.

3. 복사 불가

임의의 양자는 절대 복제가 불가능하다는 법칙이에요.

여기서 ‘복제’는 단순한 형태만 이야기하는게 아니라 어떤 실체가 존재하는 위치, 시간 등 양자 상태를 모두 포함해요.

앞서 살펴본 두 가지 특성, ‘측정 불가’하기 때문에 위치와 운동량을 완벽하게 같게 만들 수 없고

‘중첩’상태인 양자 상태를 같게 만들 수 없기 때문에 복제가 불가능하고요.

다른 말로는 ‘복제 불가의 법칙’이라고 해요.

양자적 특성에는 중첩, 측정불가, 복사불가 가 있어요

 
암호

암호는 왜 필요할까요?

통신 체계는 기본적으로 메시지를 보내는 ‘송신자’ 받는 ‘수신자’가 있어요.

그리고 호시탐탐 우리의 정보를 노리는 ‘해커’가 있고요.

암호학은 4가지만 기억하시면 돼요.

‘평문’, ‘암호화’, ‘복호화’, ‘키(key)’

평문은 누구나 읽을 수 있는 문서에요. 그리고 평문에 암호를 적용하는 행위가 바로 암호화 에요.

반대로 암호를 해제하는 행위가 복호화고요.

암호를 해제 하려면 열쇠가 필요 하겠죠? 이게 바로 키(key)!

키를 가지지 않은 해커는 더 이상 문서를 열어볼 수 없어요.

하지만 완벽하게 무결한 암호란 존재하지 하지 않아요.

양자암호와 양자암호 통신 등장

어떠한 암호든 반드시 취약성을 가지고 있고 어떠한 암호를 깨기 위해 해커들은 취약점을 분석하고 정보를 탈취해요. 이런 상황을 방지하기 위해 사람들은 앞서 설명한 양자 특성을 활용한 양자암호 통신을 고안해 냈어요.

암호 통신 양자를 선택한 이유는 양자적 특성 3가지가 암호의 ‘무결성’ 을 높이는 데 적합하기 때문이에요.

그렇다면 양자암호통신은 정보를 어떻게 전송 할까요?

양자암호통신은 하나의 단일 광자* 에 정보를 담아 전송하는 기술이에요.

*광자란, 사용되는 빛 에너지의 최소 단위를 뜻합니다

크기가 매우 작은 빛의 알갱이라고 생각하면 쉽겠죠?

하나의 광자를 기본 단위로 사용하기 위해 광자를 이용하여 암호 키를 생성해요.

공격자가 도청이나 복사를 시도한다면,

▶ ‘양자 복제 불가의 법칙’으로 복제가 불가능하게 됩니다.

측정을 하게 되면,

▶ ‘측정불가의 원리’에 의해 깨지고 변형됩니다. 우리는 변형된 양자 상태를 보고 공격자가 있다는 것은 알아챌 수 있게 됩니다.

정리


양자암호를 한 문장으로 설명하면 ‘암호’에 양자적 특성이 더해진게 양자 암호에요.


양자적 특성

1. 중첩

2. 불확정성의 원리 (측정 불가)

3. 복사불가의 법칙 (복제 불가)

​​

양자 암호통신은 ‘단일 광자의 양자 특성을 이용하여 송신자와 수신자가 내 암호 키를 안전하게 생성하고, 양자 암호 키를 통해 데이터를 암호화하는 기술’ 이고요.

양자 암호화에 대해 이야기를 해보았는데요.

쉽게 이해가 되셨나요?

 

양자 암호 설명은 여기서 마치도록 하겠습니다

그럼 다음에 양자암호 활용으로 또 만나요 😎

참고자료

양자물리학회 – 양박사가 설명해주는 양자암호

슈뢰딩거의 고양이, 위키피디아

[IT위키]양자암호통신

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