양자컴퓨터(Quantum Computer)는 기존의 **고전 컴퓨터(classical computer)**와는 전혀 다른 방식으로 정보를 처리하는 차세대 컴퓨터입니다. 핵심은 바로 양자역학의 원리를 바탕으로 계산을 수행한다는 점입니다.
📌 핵심 개념
1. 큐비트(Qubit)
- 고전 컴퓨터는 정보를 0 또는 1로 표현하는 **비트(bit)**를 사용하지만,
양자컴퓨터는 **큐비트(Quantum bit)**를 사용합니다. - 큐비트는 **0과 1의 중첩 상태(superposition)**로 동시에 존재할 수 있습니다.
예시:
고전 비트 → 0 또는 1
큐비트 → 0과 1이 동시에 존재하는 상태
2. 얽힘(Entanglement)
- 두 개 이상의 큐비트가 서로 얽혀 있는 상태에서는, 하나의 큐비트의 상태를 알면 다른 큐비트의 상태도 즉시 알 수 있습니다.
- 이 덕분에 병렬 연산이 가능해져, 특정 계산은 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있습니다.
3. 양자 간섭(Quantum Interference)
- 여러 개의 중첩된 상태 중에서 원하는 정답에 도달하도록 확률을 조정하는 기술입니다.
💡 양자컴퓨터가 잘하는 일
- 복잡한 최적화 문제
- 암호 해독 (예: RSA 암호 체계 무력화 가능성)
- 신약 개발 및 화학 반응 시뮬레이션
- 기후 모델링, 금융 시뮬레이션 등 고난이도 연산
⚠️ 아직은 초기 단계
- 큐비트를 안정적으로 유지하기 어려워서 오류율이 높고
실용화에는 시간이 더 필요합니다. (양자 오류 수정 등 해결해야 할 과제 존재)
🧠 요약
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용해, 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 복잡한 계산 문제를 해결할 수 있는 가능성을 지닌 컴퓨터입니다.
아직은 연구와 개발이 활발히 진행 중이며, 미래의 컴퓨팅을 바꿀 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있습니다.
양자컴퓨터는 어떻게 암호를 풀까?
완전히 다른 계산 방식을 통해 빠르게 비밀을 알아내는 데 있습니다. 특히 RSA 암호 같은 전통적인 암호 방식은 양자컴퓨터로 효율적으로 뚫을 수 있다고 알려져 있어요.
🔐 우리가 흔히 쓰는 암호: RSA
- RSA 암호는 소인수분해의 어려움에 기반해 보안을 유지해요.
- 예를 들어, 아주 큰 수 N = 17 × 23 같은 건 쉽게 분해할 수 있지만,
수백 자리짜리 숫자의 경우 고전 컴퓨터로는 수천 년이 걸릴 수도 있어요.
⚛️ 양자컴퓨터가 암호를 푸는 방법: 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm)
- 양자컴퓨터는 쇼어(Shor)의 알고리즘이라는 양자 알고리즘을 이용해,
소인수분해를 매우 빠르게 수행할 수 있어요.
🚀 쇼어 알고리즘의 핵심
- **양자 병렬성(superposition)**을 활용해 많은 계산을 동시에 함
- **양자 푸리에 변환(QFT)**을 통해 특정 주기를 빠르게 찾아냄
- 이 주기를 통해 RSA에서 사용된 큰 수의 소인수를 빠르게 찾아냄
결과적으로,
- 고전 컴퓨터 → 수천 년
- 양자컴퓨터 → 몇 초 ~ 몇 분 (이론상)
🧨 그럼 보안은 끝장인가요?
지금 당장은 걱정할 필요는 없어요.
- 현재의 양자컴퓨터는 수십~수백 큐비트 수준이라 실용적인 RSA 해독은 어렵습니다.
- 하지만 수천 큐비트 이상의 양자컴퓨터가 등장하면 진짜 위험해질 수 있어요.
그래서 전 세계적으로 **"양자내성암호(Post-Quantum Cryptography)"**라는
양자컴퓨터에도 뚫리지 않는 암호 기술을 개발하고 있어요.
✅ 요약
| 암호 해독 | 소인수분해 어려움 → 안전 | 쇼어 알고리즘 → 빠르게 해독 가능 |
| 처리 속도 | 느림 (수천 년) | 빠름 (이론상 몇 분) |
| 현재 상태 | 안전 | 이론적으로 위협, 아직 실용화 전 |
그렇다면, 쇼어 알고리즘의 작동 원리나 양자내성암호가 어떤 방식인지 설명할게요
🔍 1. 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm)의 작동 원리
쇼어 알고리즘은 RSA의 기반인 큰 수의 소인수분해를 빠르게 수행하는 양자 알고리즘입니다.
핵심은 고전 컴퓨터가 느리게 푸는 문제를, 양자역학의 성질을 이용해 효율적으로 푼다는 거예요.
📌 전체 과정 요약
예를 들어, 어떤 큰 수 N을 두 소수의 곱으로 이루어진 형태로 분해하고 싶다고 해볼게요.
🧮 Step 1. 임의의 숫자 a 선택 (단, 1 < a < N)
🧮 Step 2. a와 N이 서로소인지 확인 (gcd(a, N) = 1)
이때 서로소가 아니면 이미 약수를 찾은 것!
🧮 Step 3. a^r ≡ 1 mod N을 만족하는 주기 r를 찾기
이게 핵심! 고전 컴퓨터는 r을 찾기 어려움, **양자컴퓨터는 병렬 연산 + 푸리에 변환(QFT)**으로 r을 빠르게 찾을 수 있음
🧮 Step 4. r이 짝수이고, a^(r/2) ≠ -1 mod N일 때
gcd(a^(r/2) ± 1, N)을 계산하면 N의 소인수를 얻을 수 있어요!
✅ 요약: 왜 빠른가요?
- 양자 컴퓨터는 수많은 경우를 동시에 계산 (중첩)
- 푸리에 변환을 통해 주기 찾기에 특화
- 이 과정을 통해 소인수분해를 매우 빠르게 함
🔐 2. 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography, PQC)란?
양자컴퓨터가 RSA나 ECC(타원곡선 암호) 같은 기존 암호를 쉽게 해독할 수 있기 때문에,
양자컴퓨터에 안전한 암호 알고리즘을 연구하고 있어요. 이걸 "양자내성암호"라고 합니다.
📌 어떤 방식들이 있나요?
양자내성암호는 양자컴퓨터로도 풀기 어려운 문제를 기반으로 해요. 주요 방식은 다음과 같아요:
| 💠 격자 기반 암호 (Lattice-based) | 수학적으로 고차원 격자에서 가장 가까운 점 찾기가 매우 어려움 | Learning With Errors (LWE), Shortest Vector Problem |
| 💠 코드 기반 암호 (Code-based) | 에러 정정 코드의 복구 문제 활용 | McEliece 방식 등 |
| 💠 다변수 다항식 암호 (Multivariate Polynomial) | 여러 변수의 다항식 풀기 문제 사용 | MQ 문제 (Multivariate Quadratic) |
| 💠 해시 기반 암호 (Hash-based) | 해시 함수만을 이용한 서명 | Merkle tree 등 |
| 💠 등위 기반 암호 (Isogeny-based) | 타원곡선 사이의 변환 관계를 이용 | Supersingular Isogeny 문제 |
✅ 양자내성암호의 특징
- 현실적으로 구현 가능하고, 현재도 일부 사용 중
- NIST(미국 국립표준기술연구소)가 표준화 작업 중
→ 대표적으로 CRYSTALS-Kyber (암호화)와 CRYSTALS-Dilithium (전자서명)이 채택됨
📌 요약 정리
| 목표 | 기존 암호 해독 | 양자컴퓨터에도 안전한 암호 개발 |
| 기반 | 양자 푸리에 변환을 통한 소인수분해 | 양자컴퓨터로도 풀기 어려운 문제 |
| 영향 | RSA, ECC 등 기존 암호 위협 | 차세대 보안 기술로 주목받음 |
| 기술 예시 | Shor’s Algorithm | Kyber, Dilithium, Falcon, Rainbow 등 |
**격자 기반 암호(Lattice-based cryptography)**는 현재 가장 유망한 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography) 중 하나입니다.
양자컴퓨터로도 뚫기 어려운 수학적 문제를 기반으로 하고 있어서 안전성이 매우 높아요.
🧱 1. 격자(Lattice)란?
격자는 여러 개의 선형 독립 벡터로 만들어지는 격자 구조의 점들의 집합이에요.
예를 들어 2차원에서는 이렇게 생겼어요:
이걸 n차원 공간으로 확장한 것이 우리가 사용하는 수학적 격자예요.
🔐 2. 격자 기반 암호의 핵심 아이디어
✅ 격자 기반 암호가 안전한 이유는?
바로, 수학적으로 매우 어려운 문제를 기반으로 하기 때문이에요.
대표적인 두 가지 문제는:
📌 (1) SVP: Shortest Vector Problem
- 가장 짧은 벡터를 찾는 문제
- 고차원 격자에서 제일 짧은 벡터를 찾는 것은 난이도가 지수적으로 높아요
- 고전 컴퓨터는 물론이고 양자컴퓨터도 효율적인 알고리즘이 없습니다
📌 (2) LWE: Learning With Errors
- 이건 암호 설계에 자주 쓰이는 문제인데요,
- 간단히 말하면, 작은 노이즈(오차)가 섞인 선형 방정식에서 원래의 정답을 찾는 문제예요.
- 수많은 변수와 오차가 포함되어 있어서 역산이 거의 불가능합니다.
⚠️ 양자컴퓨터도 못 푸는 이유?
- 쇼어 알고리즘은 소인수분해나 이산로그 문제에는 강력하지만,
격자 문제에는 적용이 불가능합니다. - 격자 기반 문제는 비선형적이고, 주기성이 없으며, 복잡한 고차원 구조를 갖고 있어서
병렬성이나 간섭 효과를 사용해도 효율적인 해법이 아직까지는 발견되지 않았어요.
🛡️ 격자 기반 암호의 장점
| 🧠 수학적으로 어려움 | SVP, LWE 등은 고차원에서 매우 복잡 |
| ⚛️ 양자컴퓨터에 안전 | 양자 알고리즘으로도 해결 불가 |
| 🏗️ 실용적 구현 가능 | 기존 시스템에 적용하기 쉬움 |
| 🔒 다양한 응용 가능 | 암호화, 서명, 키 교환 등 여러 분야에 사용 |
🧪 예시: Kyber & Dilithium
- Kyber: 격자 기반의 키 교환 및 암호화 알고리즘 (LWE 기반)
- Dilithium: 격자 기반 전자서명 알고리즘
- 둘 다 NIST가 선정한 차세대 양자내성암호 표준입니다
✅ 정리 요약
격자 기반 암호는 **고차원 격자에서의 매우 어려운 수학 문제(SVP, LWE 등)**를 기반으로 하며,
양자컴퓨터로도 풀 수 있는 알고리즘이 없기 때문에 매우 안전합니다.