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Ponemon Institute 보고서
양자 컴퓨팅을 위한 전 세계적인 대비가 어느 수준까지 진행되었지에 관한 TV의 글로벌 포스트 양자 연구의 결과를 살펴보십시오.
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제로 투 양자
양자 컴퓨팅 혁신이 도래했습니다.
양자 컴퓨팅이란 무엇이며 포스트 양자 암호화가 디지털 트러스트에
미치 영향은 무엇일까요?
포스트 양자 암호화
양자 컴퓨팅이란?
양자 컴퓨팅이란 양자역학을 고급 수학 및 컴퓨팅 엔지니어링과 결합하여 기존의 컴퓨터로 해결하기 너무 복잡한 문제를 푸 기술이자 빠르게 발전하고 있 분야입니다. 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨팅과 근본적으로 다른 원리를 기반으로 완전히 다른 기계를 사용하여 작동하기 때문에 무어의 법칙이 적용되지 않습니다. 놀랍도록 빠르게 증가하 양자 컴퓨팅의 이점과 역량은 문제를 해결하고 정보를 분석하고 데이터를 보호하기 위해 컴퓨터를 사용하 방식을 이미 바꾸어 놓았습니다.
왜 양자 컴퓨팅이
ѫ까요?
오늘날 전 세계에서 가장 발전된 슈퍼컴퓨터라고 하더라도 100년도 더 전에 컴퓨터 발명 당시 적용한 트랜지스터 바이너리와 컴퓨팅 원리를 기반으로 계산을 실행합니다. 많은 문제에 기존의 컴퓨팅 모델로 계산할 수 없 변수 관련 복잡성을 갖고 있습니다.
양자 컴퓨팅은 양자 가변성을 기반으로 실행되기 때문에 기존의 컴퓨터가 고전적 문제를 해결하 속도로 복잡한 문제를 계산할 수 있습니다.
무엇이 양자 컴퓨팅을 강력하게 만들까요?
가장 빠르고 강력한 슈퍼컴퓨터라고 하더라도
무차별 대입 계산을 수행합니다. 한 가지 결과가 해답으로 입증될 때까지
가능한 모든 결과를 선형으로
‘시도ę합니다.
이와 대조적으로 양자 컴퓨터 양자역학을 사용하여
가능한 모든 결과를 동시에 고려해
모든 경로에서 선형 여정을 ‘건너뜁니다’. 양자 컴퓨팅은 이진이 아니라
확률로 작동합니다. 이러한 형태의 컴퓨팅을 활용하면
기존 컴퓨터로 합리적인 시간 내에 해결하기엔
너무 크거나 복잡한 문제에 대한 솔루션을
찾을 수 있습니다. 기존의 컴퓨터 많은 양의 데이터를 정렬하고
분류할수 있지만 해당 데이터 내 동작을
예측할 수 없습니다.
양자 컴퓨팅의 확률적 특성은 복잡하고 방대한 그룹 내
개별 데이터 조각의 동작과 관련하여 전체 데이터 세트의
모든 가능성을 고려하여 해결책을 찾 기능을 제공합니다.
기존 컴퓨팅이 특정 유형의 계산에 뛰어나지만
다른 계산에서 그렇지 못한 것처럼
양자 컴퓨팅 역시 특정 컴퓨팅 분야에서 뛰어 나지만
모든 컴퓨팅에 뛰어난 것은 아닙니다. 대부분의 전문가 기존 슈퍼 컴퓨터와 양자 컴퓨터가
각각 고유한 컴퓨팅 특성을 활용하여
다른 분야에서 매우 뛰어난 계산을 수행하여
서로를 보완한다 데 이견이 없습니다.
양자 컴퓨터 어떻게 작동할까요?
양자 컴퓨팅를 이해하려면 양자의 움직임 동작, 위치, 관계를 나타내 원리를 알아야 합니다.
중첩
양자 수준에서 물리적 시스템은 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 이러한 시스템이 관찰되거나 측정될 때까지 해당 시스템은 동시에 모든 위치를 차지합니다. 양자역학의 이러한 핵심 원리를 활용하여 양자 컴퓨터 가능한 모든 결과가 계산에 동시에 존재할 수 있다 시스템의 가능성을 기반으로 작동합니다. 양자 컴퓨팅에서 사용하 시스템의 종류로 광자, 포획된 이온, 원자 또 준입자가 있습니다.
ѫ
양자 상태 다른 양자 상태를 방해할 수 있습니다. ѫ은 진폭을 상쇄하거나 진폭을 증폭하 형태를 띨 수 있습니다. 이러한 ѫ을 시각적으로 표현해 보려면 물 웅덩이에 돌멩이 두 개를 동시에 떨어뜨리 경우를 떠올릴 수 있습니다. 각 돌이 일으키 파장의 경로가 서로 겹칠 때 파동에서 더 강력한 마루와 골이 생성됩니다. 이러한 ѫ 패턴 덕분에 양자 컴퓨터 기존 컴퓨터와 완전히 다른 알고리즘을 실행합니다.
힘
양자 수준에서 입자와 같은 시스템이 얽혀 먼 거리에 있어도 서로의 동작을 미러링합니다. 양자 컴퓨터 하나의 시스템 힘 상태를 측정하여 다른 시스템의 상태를 ‘알 수 있습니다’. 실제적인 예를 들면, 양자 컴퓨터 전자 B가 수백만 마일 떨어져 있다고 하더라도 전자 A의 스핀을 측정하여 전자 B의 스핀 동작을 알 수 있습니다.
큐비트
기존 컴퓨팅은 비트라고 불리 바이너리의 결합을 통해 계산을 수행합니다. 이것은 기존 컴퓨팅이 지닌 근본적인 한계입니다. 즉, 주어진 시간에 두 가지 상태 즉, 0이나 1 중 하나만 가질 수 있 어로 작성됩니다. 하지만 양자 컴퓨팅을 사용하면 0이나 1일 수도 있고 0이나 1의 중첩된 어떤 비율일 수도 있 양자 상태 어로 계산이 작성됩니다. 이러한 유형의 계산 정보를 ‘양자 컴퓨터 비트’ 또 큐비트라고 합니다.
큐비트 시스템 내에서 정보가 기하급수적으로 증가할 수 있 특성을 갖습니다. 동시에 작동하 상태가 여러 개인 큐비트 비트보다 훨씬 더 많은 방대한 양의 정보를 인코딩할 수 있습니다. 이런 이유로 양자의 컴퓨팅 성능은 과장하기가 어렵죠. 결합된 큐비트의 컴퓨팅 성능은 기존 컴퓨팅보다 훨씬 더 빠르게 증가합니다. 또한, 큐비트 프로세싱 칩처럼 물리적 공간을 차지하지 않기 때문에 일부 측정값에 따르면 무한 컴퓨팅 능력에 도달하 것이 훨씬 쉽습니다.
양자 컴퓨터의 유형
양자 컴퓨팅를 이해하려면 양자의 움직임 동작, 위치, 관계를 나타내 원리를 알아야 합니다.
유형에 상관없이 양자 컴퓨팅 하드웨어 슈퍼컴퓨팅과 관련이 있 서버 팜과 매우 다릅니다. 양자 계산을 실행하려면 주변 입자로 인한 변경이나 방해 없이 측정할 수 있 상태로 입자를 배치해야 합니다. 대부분의 경우 이러한 조건은 컴퓨터를 절대 0도에 가깝게 냉각하고 금박막을 사용하여 큐비트 입자를 노이즈로부터 보호하 것을 의미합니다. 현재 양자 컴퓨터에 이와 같이 세심하고 정밀한 조건이 필요하기 때문에 매우 특수한 환경에서 구축하여 구성해야 합니다.
양자 컴퓨터 어느 분야에 활용할 수 있나요?
현실 세계에서 양자 컴퓨팅의 응용 분야를 살펴보려면 양자 컴퓨팅이 새로 등장한 분야라 점을 간과해서 안 됩니다. 현재, 양자 컴퓨터 초기 단계에 있으며, 기존의 양자 컴퓨터 현재의 기술 수준으로 인해 굉장히 제한된 상태라 점을 인지해야 합니다. 양자 컴퓨팅 연구원과 엔지니어 기대치를 뛰어넘 발전이 이루어지고 있다 의견에 동의합니다. 양자 컴퓨팅으로 할 수 있 일은 기술의 발전에 따라 계속 변화하거나 진화할 것이 분명하지만 이미 전도유망한 응용 분야가 존재합니다.
시뮬레이션 및 모델링
날씨 및 분자화학과 같이 굉장히 복잡하고 미묘한 시스템에 기존 컴퓨터 기능을 뛰어넘 컴퓨팅 방법이 필요합니다. 양자 컴퓨터 훨씬 더 빠른 분석 기능을 제공할 뿐만 아니라 이러한 시스템 유형에 대해 정확한 분석을 제공할 수도 있습니다.
물류 및 최적화
양자 컴퓨터 시스템의 미묘한 차이를 분석하 데 뛰어나기 때문에 프로세스의 변동, 이상, 비효율성을 찾 데 탁월한 도구를 만듭니다. 제조 및 생산에서 공급망으로의 이동, 상거래 시스템에 이르기까지 양자 컴퓨팅은 마찰 지점을 빠르게 찾거나 더 수월한 방법, 경로를 찾을 수 있습니다.
인공 지능(AI) 및 기계 학습(ML)
양자 컴퓨팅의 비선형적 특성을 고려해 보면, AI 및 ML에 양자 컴퓨팅을 적용할 경우 생각하 기계의 미묘한 차이와 정교함 측면에서 완전히 새로운 차원이 열리게 됩니다. 기계 학습과 생성형 AI의 경우 특히 양자 컴퓨터 ML 및 AI 머신에 필요한 방대한 양의 데이터를 더 빠르고 완벽하게 분석할 수 있어 원하 결과를 제공하 데 필요한 예측 패턴을 확립할 수 있습니다.
양자 컴퓨터가 널리 사용되 시기 언제가 될까요?
급속한 발전과 큰 영향력에도 불구하고 기능적 양자 컴퓨팅은 현재 대부분 이론적인 수준입니다. 진정한 양자 가능성의 규모로 계산 및 모델링을 수행할 수 있 양자 컴퓨터가 현실화되려면 아직은 수년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 구체적인 시기가 궁금하신가요? 그건 그 누구도 확실히 알 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 이 분야의 지속적인 발전 덕분에 조만간 유용한 양자 컴퓨터를 보게 될 것입니다.
2023년, 양자 컴퓨팅 분야의 세계적인 선도기업인 IBM은 자사 양자 칩 Heron을 사용하여 133 큐비트 처리를 달성했다고 했습니다. IBM은 2024년에 3개의 결합된 Heron 프로세서 개발을 계획 중입니다. Heron 칩 한 개 게이트 1,800개를 실행할 수 있으며 동시에 오류를 줄이고 성능을 높입니다. IBM은 2029년까지 오류를 수정한 양자 컴퓨팅 목표에 도달하겠다 했습니다.
대다수 양자 전문가 더 빠르지 않더라도 10년 이내에 유용한 양자 컴퓨팅이 상용화될 것이라고 내다보고 있습니다. 공공 분야에서 양자 기술을 더 빨리 사용하게 될 수도 있습니다.
양자 컴퓨팅 및 PQC의 역사
양자 컴퓨팅이 보안에 미치 영향은 무엇인가요?
RSA 결합하여 큰 소수를 형성하 디지털 키 두 개를 기반으로 합니다. 기존 컴퓨터 알려진 수 두 개를 손쉽게 곱해 소수를 구할 수 있지만 반대의 경우를 해결하 데 매우 취약한 도구입니다. 기존 컴퓨터 무차별 이진 계산을 사용하여 소수에서 두 가지 요소를 산출하기가 어렵습니다. 간단히 말해, 현재 RSA 알고리즘은 본질적으로 해독할 수 없 코드인데, 가장 강력한 슈퍼컴퓨터라고 하더라도 합리적인 시간 이내에 키 값을 계산할 수 없기 때문입니다. 오늘날 2048비트 RSA 암호화 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 처리하더라도 대략 300조 년이 걸립니다.
바로 이 지점에서 양자 컴퓨터로 인한 위협이 등장합니다. 양자 컴퓨터 선형 경로를 추적하지 않고 한 번에 모든 가능성을 분석할 수 있기 때문에 기존 컴퓨터의 한 번에 1개 루트를 처리하 방식을 효과적으로 ‘건너뛰어’ 합리적인 시간에 정확한 계산에 도달할 수 있습니다. 양자 컴퓨터 많은 소수를 올바른 요소로 나누어 RSA를 효율적으로 깰 수 있 역량을 갖추고 있습니다. 가까운 미래의 양자 컴퓨팅에 대한 예측에 따르면 RSA 암호화 몇 달 이내에 해독될 수 있으며 고급 양자 컴퓨터 몇 시간이나 몇 분 이내에 RSA를 해독할 수 있습니다.
현재 존재하 위험 요소 무엇인가요?
사이버 보안 전문가 양자 기술이 공통의 유용성 지점에 도달한 이후 미래 데이터에 대한 위협뿐만 아니라 현재 데이터에 대한 위협에도 중점을 두었습니다.
지금 수집해 나중에 해독
양자 기술에 대한 기대를 가지고 정부와 사이버 범죄자 ‘지금 수집하고 나중에 해독’할 수 있습니다. 이것은 악의적인 행위자가 사용 가능한 양자 컴퓨터에 액세스할 수 있을 때 저장된 데이터를 해독할 수 있기를 바라면서 데이터가 도난당하고 암호화된 상태로 저장되 경우입니다. 데이터가 오래되었다고 하더라도 정부와 기업의 운영에 중요한 데이터와 사용자 고객, 환자 등에 대한 비공개 정보를 포함하고 있을 수 있습니다.
PQC(포스트 양자 암호화)란?
양자 컴퓨터가 실제로 상용화되기까지 몇 년이 걸릴 수 있지만 ‘지금 수집해 나중에 해독’과 결합된 디지털 혼란의 가능성은 데이터 무결성에 큰 위험이 될 수 있습니다. 세계 최고의 사이버 보안 조직과 전문가들은 현재와 미래의 양자 암호 해독으로부터 데이터를 보호하 보안 조치를 이미 개발 중입니다.
PQC(포스트 양자 암호화) 전통적인 컴퓨터와 양자 컴퓨터 둘 다의 암호 해독 노력으로부터 데이터를 보호하 암호 체계입니다.
PQC 미래의 양자 컴퓨터를 보호할 뿐만 아니라 현재의 프로토콜과 네트워크 시스템과 원활하게 작동하 것을 목표로 삼고 있습니다. 성공적으로 구현된 PQC 대책은 사용되 컴퓨터 유형에 상관없이 현재 시스템에 통합되어 현재와 미래의 모든 공격 형태로부터 데이터를 보호합니다.
양자 컴퓨터 아직 걸음마 단계이지만 사이버 보안 전문가들은 이미 PQC 알고리즘을 개발했습니다. 이러한 보안 도구 양자 컴퓨팅과 함께 계속 진화할 것이고 현재의 보호 기능은 적절하게 구현되면 양자 위협보다 더 앞서 나아갈 것입니다.
NIST의 권장사항
미국 국립표준기술연구소 양자 컴퓨팅 위협을 예상하여 PQC 사용에 대한 을 이미 마련한 상태입니다. 권고사항은 다음과 같습니다.
- 양자 기술에 대비하기 위한 로드맵 확립
- 기술 제공업체와의 교류를 통해 포스트 양자 로드맵 논의
- 암호화 시스템 및 자산을 파악하기 위한 조사 실시
- 가장 민감하고 중요한 자산의 우선순위를 지정하 마이그레이션 계획 수립
양자 컴퓨팅, 양자 암호화, 포스트 양자 암호화 비교
용어와 알고리즘이 겹치면 기술 및 관련 위협을 오해하게 될 수 있습니다.
양자 컴퓨팅
양자 컴퓨팅에서 가장 많이 잘못 사용되 용어 아마도 ‘포스트 양자 컴퓨팅’, 약어로 ‘PQC’일 것입니다. 이 용어 ‘포스트 양자 암호화’와 약어가 같기 때문에 혼동될 수 있습니다. 하지만 ‘포스트 양자 컴퓨팅’은 양자 컴퓨터 과학에 존재하지 않습니다. 양자 컴퓨터 머신을 가리키 용어이고 양자 컴퓨팅은 분야와 프로세스를 의미합니다. 매우 유용한 첨단 양자 컴퓨터가 개발되고 오랜 시간이 지나더라도 양자 컴퓨터 계속해서 양자 컴퓨터이지 포스트 양자 컴퓨터가 되진 않을 것입니다.
양자 암호화
양자 암호화 포스트 양자 암호화와 같이 양자역학을 기반으로 하지만 PQC와 동일한 암호화 기술이 아닙니다. 양자 암호화에서 예측 불가 특성을 사용하여 큐비트 자체에 직접 인코딩되 정보로 데이터를 암호화하고 해독합니다. 현재, 가장 널리 알려진 양자 암호화 버전은 누군가 허가 없이 정보를 해독하려고 시도하면 큐비트 오류를 생성하 방식으로 데이터를 보호합니다. 이러한 양자 암호화 형태 마치 출입문이나 창문의 알람 센서와 비슷하게 작동합니다. 무단으로 접근하려고 하면 알람이 울리죠.
PQC(포스트 양자 암호화)
포스트 양자 암호화 기존의 컴퓨팅 암호화와 마찬가지로 수학적 방정식에 따라 작동합니다. 이 둘의 차이 바로 방정식의 복잡성에 있습니다. PQC에서 수학이 양자 속성을 활용해 방정식을 만들기 때문에 풀기가 어렵고, 심지어 양자 컴퓨터라고 하더라도 올바른 해답으로 ‘건너뛸’ 수 없습니다. PQC의 이점 중 하나 풀기가 매우 어려운 방정식을 기반으로 한다 점입니다. 현재의 기존 암호화와 같은 기본 구조를 공유하기 때문에 현재 최신 암호와 유사한 방법을 사용하여 배포할 수 있고 현재 시스템의 많은 부분을 보호할 수 있습니다.
현재의 PQC 표준
양자 암호학자들은 양자 위협을 해결하 여러 가지 알고리즘 세트를 개발했습니다.
이러한 세트 성능 작업에 따라 달라집니다. 일부 시스템은 PQC 문제를 더욱 집중적으로 처리할 수 있 데
다른 시스템에서 리소스에 큰 부담을 주지 않 솔루션이 필요합니다. 다른 형태의 기존 암호화와 마찬가지로
사용 사례마다 다른 PQC 세트를 적용해야 합니다. 현재 세 가지 세트가 강력한 PQC로 간주됩니다.
CRYSTALS-Kyber
ML-KEM(Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism)이라 표준 NIST를 기반으로 합니다. 이 M-LWE(Module Learning With Errors)에서 작동하 비대칭 암호화 방식입니다. Kyber 보안 웹사이트를 위한 TLS/SSL의 양자 방어 버전으로 키 교환 및 공개 키 암호에 적용되었습니다.
SPHINCS+
HORST 및 W-OTS를 사용하여 양자 공격으로부터 보호하 해시 기반 디지털 서명 세트입니다. 이러한 기반은 SPHINCS+의 서명이 Dilithium 및 Falcon보다 더 길지만 SPHINCS+에 짧은 공개 키 및 비공개 키의 이점을 제공합니다. SPHINCS+ FIPS 205로 보장됩니다.
FALCON
은 해시-서명 방법을 기반으로 하 격자 기반 디지털 서명 솔루션입니다. Falcon은 Fast Fourier Lattice-based compact signatures over NTRU의 약어입니다. FALCON의 이점은 공개 키와 서명이 작다 점입니다.
