KB경영연구소 지식경영연구팀, ‘양자 컴퓨터의 발전과 보안 암호에의 영향’ 리포트 발간

[보안뉴스 김영명 기자] 양자컴퓨터가 현 시대 사이버보안에 있어 새로운 위협이 될 수 있다는 연구 결과가 나오면서 주목받고 있다. 한국인터넷진흥원은 차세대 암호 중 하나로 양자내성암호를 언급하기도 했다. KB금융지주 KB경영연구소 지식경영연구팀은 최근 ‘양자 컴퓨터의 발전과 보안 암호에의 영향’이라는 리포트를 발간했다. 해당 리포트를 중심으로 양자컴퓨터가 보안 암호에 어떠한 영향을 미칠 수 있을지 살펴본다.


▲구글의 양자 컴퓨터 칩(시카모어)과 구글이 발표한 네이처 논문(좌부터)[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

구글은 2019년 10월, 기존의 슈퍼컴퓨터로 약 1만년이 걸리는 계산을 200초만에 해결할 수 있는 양자컴퓨터를 개발했다고 발표하며 큰 파장을 일으켰다. 양자컴퓨터가 마침내 슈퍼 컴퓨터의 연산능력을 넘어서는 ‘양자 우위(Quantum Supremacy)’에 도달한 것은 아닌가 하는 논란도 일었지만, 양자컴퓨터의 발전이 복잡한 연산을 쉽게 해결해 현재의 암호체계를 쉽게 무력화하는 것은 아닌지 우려의 목소리도 있었다.

양자컴퓨터는 양자 역학의 특성을 이용해 기존 컴퓨터와는 다른 방식으로 동작하는 컴퓨터. 양자전자, 양성자, 중성자 등 매우 작은 단위 물질을 의미하는 동시에 여러 상태를 가질 수 있는 특성이 있다. 이러한 특성을 컴퓨터에서 잘 활용하면 기존 컴퓨터가 비트를 사용해 0 또는 1만을 표현하는 것과 달리, 큐비트 양자컴퓨터의 연산 단위를 사용해 0과 1의 상태를 동시에 나타낼 수 있다. 이를 통해 양자컴퓨터는 수많은 경우의 수를 동시에 표현하고 빠르게 계산할 수 있어 슈퍼컴퓨터를 능가하는 초고속 연산이 가능하다.

양자컴퓨터의 핵심은 연산의 키가 되는 양자의 성질을 어떻게 안정적으로 구현하고 확장해 나갈 것인가에 달려 있으며, 초전도체, 이온, 반도체, 광 방식 등 다양한 방식으로 연구가 진행되고 있다.

양자컴퓨터는 복잡한 확률 문제를 계산하거나 최적 경로 찾기 등에서 활용이 기대된다. 특히, 소인수 분해 문제를 해결하는 알고리즘인 쇼어 알고리즘(Shor′s algorithm)의 활용도가 주목받고 있다. 인터넷 뱅킹 등을 포함해 현재 가장 널리 쓰이고 있는 암호 알고리즘인 RSA 알고리즘은 소인수 분해가 어렵다는 점에 기반해 ‘양자컴퓨터가 이러한 암호를 쉽게 풀어 버리면 보안 암호 체계가 무력화되지 않을까’라는 우려가 존재한다. 쇼어 알고리즘을 이용하면 소인수 분해를 합리적인 시간 내에 해결할 수 있다. 다만, 이 알고리즘을 구현하기 위해서는 수백만 개의 물리적인 큐비트를 가진 양자컴퓨터가 필요한데, 이러한 양자컴퓨터를 만들기에는 여러 한계가 있어 아직은 안전하다는 것이 전문가들의 중론이다.

양자컴퓨터 개발을 위해 미세한 입자인 양자의 성질을 이용해야 하는데, 여기에는 몇 가지 어려움이 존재한다. 예를 들면, △양자는 너무 작은 입자로 외부 환경에 민감하게 영향을 받고 △적절하게 제어하기 위해 나노·소재·센서·통신 기술 등 발전이 필요하며 △큐비트 증가시 발생하는 오류를 줄여야 한다는 것 등이다.

반도체 공정의 발달로 무어의 법칙이 한계에 가까워지며 트랜지스터의 크기를 더 작게 만들기 힘든 근본적인 문제가 도래하고 있다. 양자컴퓨터가 얼마나 단시간에 현실에서 실현될지 알 수는 없지만, 미래의 ‘게임 체인저’가 될 수 있는 혁신적인 기술인 것은 분명한 만큼 지속적인 관심과 모니터링이 필요하다.

구글 ‘시카모어’, 양자컴퓨터의 우위를 주장하다
2019년 10월 23일, 구글은 ‘기존의 슈퍼컴퓨터로 약 1만년이 걸리는 계산을 200초만에 해결할 수 있다’고 주장하는 논문을 발표하며 구글의 양자컴퓨터 기술인 시카모어 칩(Sycamore chip)을 소개해 큰 반향을 일으켰다.

이로 인해 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 연산 능력을 넘어서는 상태인 ‘양자 우위(Quantum Supremacy)’에 도달한 것이 아니냐는 논란과 함께, 양자컴퓨터 기술의 발전이 복잡한 계산을 바탕으로 한 현대의 암호체계를 쉽게 무력화하는 것은 아닌가 하는 우려의 목소리도 커지고 있다.

주목한 만한 점은 이러한 발표가 단순히 회사의 보도자료나 신문기사가 아닌 영국의 학술 전문지 네이처(Nature)에 정식 논문으로 게재됐다는 것이다. 양자컴퓨터를 개발하는 경쟁사인 IBM의 양자컴퓨터 연구소에서는 구글의 발표 내용에 반박하며 ‘양자 우위’가 달성된 것이 아니라는 반론을 제기하기도 했지만, 결론적으로 ‘양자컴퓨터의 최신 성과를 보여주는 훌륭한 사례라는 점은 인정’했다. 전문가들 사이에서도 ‘양자역학의 원리를 현실에서 활용 가능하다는 증거를 보여준 큰 성과’라는 점에는 이견이 없다는 평을 내놓았다.

양자컴퓨터는 연산 처리를 할 때 기존 컴퓨터의 계산 방식과 근본적으로 다른 방식으로 접근하기 때문에 특정한 영역에서 획기적인 성능 향상을 통해 그간 난제로 알려진 문제들이 쉽게 풀릴 수도 있다는 점이 밝혀지며 화제가 되고 있다.


▲트랜지스터와 AND 연산 회로와 칩 속의 연산회로 구조 예시[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

기존 컴퓨터, 전기의 흐름을 0과 1로 표현해 계산
기존 컴퓨터는 0과 1의 이진법을 사용해 데이터와 정보를 저장하고 처리하는 전자 기기다. 기존 컴퓨터는 연산의 기초 단위로 비트(Binary digit, Bit)를 사용해 0 또는 1로 처리하고 저장하는데, 이것은 스위치의 개념으로 볼 수 있다. 예를 들어, 십진수 13은 2진수 1101로 처리되는데, 4개의 비트를 사용해 각각의 비트는 스위치가 1(On)-1(On)-0(Off)-1(On)의 상태가 된다.

전기 신호로 이것을 표현하기 위해서는 전기가 통하는 ‘도체’ 상태와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’ 상태가 필요하며, 외부의 자극을 이용해 전기의 흐름을 조절할 수 있는 ‘반도체’가 이러한 스위치 역할을 하고 있다. 트랜지스터 회로의 중간에 도체 상태와 부도체 상태를 오갈 수 있는 ‘반도체’가 있어 전기가 흐르면 1, 전기가 흐르지 않으면 0을 표현한다.

트랜지스터 내 세 개의 다리 중 두 번째 다리인 베이스에 전압을 걸어 전기가 흐르거나 흐르지 않도록 상태를 조절하면 트랜지스터 1개가 1비트의 저장용량을 가진다. 이러한 트랜지스터 2개를 이용하면 AND, OR와 같은 논리 연산 회로를 만들 수 있으며, 이를 확장해 사칙연산과 더욱 복잡한 연산 회로의 제작이 가능하다.

컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)에는 이러한 트랜지스터 수십억 개가 집적돼 있다. 흔히 반도체 제조공정을 얘기할 때 3나노, 5나노 공정을 사용했다고 표현하는데 이것은 트랜지스터 회로의 선폭 길이가 3nm, 5nm라는 의미다. 즉, 5나노 공정은 반도체를 만들 때 5억분의 1미터 정도로 정밀하게 전기회로를 새겨서 제조했다는 뜻이 된다. 통상 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록 고용량·고성능·고효율의 칩을 통해 컴퓨터 성능이 향상되며 제조사별 집적된 트랜지스터의 수는 IBM, TSMC, 인텔, 삼성 등에서 각각 차이가 있다.

양자컴퓨터, 양자역학의 원리로 여러 경우의 수를 동시 표현 및 빠르게 계산
양자컴퓨터는 ‘컴퓨터 칩의 집적도를 높여 컴퓨팅 파워를 높이려는 노력과 함께 여러 가지 상태를 동시에 가질 수 있는 양자5의 성질을 컴퓨터 계산에서 활용할 수 있다면 기존 컴퓨터에 비해 연산능력을 획기적으로 확장할 수 있지 않을까’라는 아이디어를 바탕으로 연구가 시작됐다.

양자컴퓨터는 연산의 기초 단위로 큐비트(Quantum Bit, Qubit)를 사용해 만들어진 컴퓨터다. 양자는 입자이면서 동시에 파동이라는 이중성을 가지며, 동시에 여러 상태를 가질 수 있다는 양자역학의 원리를 이용한다. 비트는 0과 1중 하나만 표현할 수 있지만, 큐비트는 0과 1의 값을 한 번에 표현이 가능하다.


▲1비트, 1큐비트, 4큐비트 표현[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

즉, 기존의 컴퓨터에서는 4개의 비트로 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111를 한 번에 하나씩 표현이 가능하다. 하지만 양자컴퓨터는 하나의 큐비트가 0과 1의 2가지 경우를 동시에 나타날 수 있으므로, 4개의 큐비트만으로 16(=24)가지의 경우를 한 번에 표현한다.

양자컴퓨터는 큐비트를 이용해 수많은 경우의 수를 동시에 표현하고 빠르게 계산하는 컴퓨터다. 양자컴퓨터에서는 큐비트의 수를 늘려갈수록 기존 컴퓨터보다 훨씬 많은 경우의 수를 표현할 수 있어 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산이 가능하다. 기존 컴퓨터가 4비트를 갖는 있는 경우, 위의 16가지 경우를 모두 처리하기 위해서는 한 번에 한 가지씩 총 16번의 반복이 필요하지만, 양자컴퓨터가 4큐비트를 가지고 있는 경우 16가지 경우를 한 번에 처리할 수 있다.


▲4비트 정보의 처리와 4큐비트 정보의 처리[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

만약, 큐비트의 수가 10개라면 210(=1,024)개의 경우의 수를, 20개라면 220(=104만8,576)개의 경우의 수를 한 번에 표현하고 처리할 수 있다. 앞서 언급한 구글 시카모어의 경우 53큐비트로 구현돼 있는데, 이론상 253, 약 1경(9,007조 1,993억)개의 경우의 수를 한 번에 표현하고 처리할 수 있다. 구글은 이러한 53개의 큐비트를 활용해 200초간 백만 번의 연산을 수행했다고 네이처 논문을 통해 발표했다.

재미있는 점은 0.2 입방밀리미터(mm3)의 초전도체 소자 53개를 나열한 양자 칩 1개가 2019년 당시 최고 성능의 슈퍼컴퓨터인 IBM 서밋(Summit)을 이겼다며 ‘IBM의 슈퍼컴퓨터로 동일한 연산에 1만년의 시간이 걸린다고 주장한 것이다. IBM 연구진은 구글이 제시한 문제 자체가 양자컴퓨터에 극히 유리한 연산 문제로 슈퍼컴퓨터의 알고리즘을 개선하면 2.5일만에 풀 수 있으며, 성능을 최적화하면 더욱 빠르게 풀 수 있다고 논평했지만 구글이 달성한 양자컴퓨터의 성과 자체는 인정했다.

양자컴퓨터의 발전, 다양한 방식 통한 큐비트의 구현
양자컴퓨터의 핵심인 큐비트는 초전도체, 이온(트랩), 반도체, 광자 방식 등을 통해 구현할 수 있다. 양자컴퓨터는 큐비트의 숫자가 많아질수록 한 번에 계산할 수 있는 경우가 늘어난다. 따라서 많은 연구기관과 기업은 큐비트를 어떻게 구현할지 다양한 플랫폼 영역에서 개발을 진행 중이다. 큐비트의 개수와 연산 정확도 측면에서 초전도체 회로 방식과 이온(트랩) 방식이 우위에 있다.

먼저, 초전도체 회로 방식은 현재 기술적으로 가장 앞서 있으며, 가장 많이 사용되고 있는 방식이다. 이 방식은 구글, IBM 등이 사용하고 있는 방식으로 금속 등을 매우 낮은 온도로 냉각하면 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용해 금속 안에서 전자가 자유롭게 이동할 수 있다는 점에 착안한다. 전극 두 장을 서로 마주하는 구조로 만들고 전자가 어느 쪽의 전극에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현하게 된다. 극저온인 -273℃까지 냉각하는 초거대 냉동기(가로·세로·높이 약 2m)가 필요하며 열·진동·자기장 등 외부 요소를 차단하기 위해 구리 및 알루미늄과 같은 통을 겹겹이 씌우고 있으며, 양자를 제어하기 위한 복잡한 선들이 연결됐다. 양자컴퓨터의 가장 중앙 부분(사진 속 사각형)에는 양자 칩이 있다.


▲구글의 양자 컴퓨터 ‘시카모어’와 IBM 양자 컴퓨터 ‘퀀텀’[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

이온(트랩) 방식은 초전도체 방식보다 더욱 오랜 기간 연구되고 있는 주요 개발 방식이다. 이 방식은 미국의 이온큐(IonQ), 허니웰(Honeywell) 등에서 사용하는 방식으로 전하를 갖는 이온을 전자기장을 이용, 공중에 트랩한 후 레이저광에 의해 이온을 조작하고 이온의 궤도 운동을 통해 이온이 어느 쪽 궤도에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현한다. 이때 불필요한 원자나 분자가 없는 진공 용기에 이온을 포획해 제어하며, 자연에 원래 존재하는 이온을 이용하기 때문에 큐비트를 안정적으로 구현할 수 있다. 이온 하나가 1큐비트를 구현한다.


▲IonQ의 양자 컴퓨터 칩과 IonQ의 Ion trap Chip 설치 예시[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

반도체 방식은 고품질 반도체 제조기술과 나노미터 크기의 부품 가공 기술 등을 활용한 방식이다. 반도체 제조사인 인텔(Intel)이 선도하는 방식이며, 트랜지스터와 흡사한 반도체 소자의 게이트 구조에 전자나 입자를 가두고 전자 한 개가 가지는 자성의 두 방향으로 큐비트를 구현한다. 이 방식은 기존의 반도체 기술을 활용해 작은 크기로 많은 양의 큐비트를 고밀도로 집적할 수 있으리라는 기대를 받고 있지만, 초전도체 방식과 마찬가지로 양자의 성질을 유지하기 위해 매우 낮은 온도를 유지할 필요가 있다.


▲인텔이 개발한 49큐비트 초전도칩과 광자 방식 양자컴퓨터 칩[자료=KB경영연구소 지식경영연구팀]

광자 방식은 빛을 구성하는 광자를 이용하는 광학에 기반한 방식으로 확장성 측면에서 주목받고 있다. 미국의 사이퀀텀(PsiQuantum), 캐나다의 양자컴퓨팅 기업 자나두(Xanadu) 등에서 사용하는 방식으로 빛이 입자와 파동의 성질을 가지며 대기 중에서도 약해지지 않고 멀리까지 보낼 수 있는 특성을 활용한다. 이는 파동의 진동 방향을 세로는 0, 가로는 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현하며, 저온이나 진공 상태가 아닌 상온의 공기 중에서도 작동한다는 점에서 주목받고 있다.

또한, 인공적으로 합성한 다이아몬드 소재를 활용하는 다이아몬드 센터 방식이나 리드버그원자(높은 에너지 상태의 원자로서 원자핵에서 아주 먼 곳을 전자가 도는 상태로, 일반적인 원자보다 원자간 상호작용을 강하게 구현할 수 있어 양자 연산이나 시뮬레이션 등에 이용)들을 이용해 조합 최적화 문제 등에 혁신적인 도움을 줄 수 있는 리드버그(Rydberg) 방식 등 다양한 방식으로 연구개발이 진행 중이다.
[김영명 기자(boan@boannews.com)]

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