양자 통신 두번째 설명

사람들의 신용카드 세부 정보와 건강 기록에서 회사의 귀중한 지적 재산에 이르기까지 엄청난 양의 민감한 정보를 노출시킨 새로운 메가 해킹에 대한 보고 없이 지나가는 주는 거의 없습니다(거의 매주 보고되고 있죠). 사이버 공격으로 인한 위협은 정부, 군대 및 기업이 정보를 보다 안전하게 전송하는 방법을 모색하도록 강요하고 있습니다.

오늘날 중요한 데이터는 일반적으로 암호화된 다음 정보를 디코딩하는 데 필요한 디지털 "키"와 함께 광섬유 케이블 및 기타 채널을 통해 전송됩니다. 데이터와 키는 1과 0을 나타내는 전기 또는 광학 펄스의 스트림인 고전적 비트로 전송됩니다. 그리고 그것은 그 디지털키를 취약하게 만듭니다. 스마트 해커는 전송 중인 비트를 흔적을 남기지 않으면서, 읽고 복사할 수 있습니다.

양자 통신은 데이터를 보호하기 위해 양자 물리학의 법칙을 이용합니다. 이러한 법칙은 입자(일반적으로 광 케이블을 따라 데이터를 전송하기 위한 광자)가 중첩 상태를 취할 수 있도록 하며, 이는 입자가 1과 0의 여러 조합을 동시에 나타낼 수 있음을 의미합니다. 입자는 양자 비트 또는 큐비트로 알려져 있습니다.


사이버 보안 관점에서 큐비트의 장점은 해커가 전송 중에 큐비트를 관찰하려고 하면 초취약 양자 상태가 1 또는 0으로 "붕괴"된다는 것입니다. 이것은 해커가 활동의 명백한 징후를 남기지 않고 큐비트를 조작할 수 없다는 것을 의미합니다.

일부 회사는 이 특성을 활용하여 양자 키 배포(QKD)라는 프로세스를 기반으로 매우 민감한 데이터를 전송하기 위한 네트워크를 만들었습니다. 적어도 이론적으로는 이러한 네트워크는 매우 안전합니다.


양자 키 배포 (Quantum Key Distribution) 란 무엇입니까?
QKD는 암호화된 데이터를 네트워크를 통해 고전적인 비트로 전송하는 것을 포함하며, 정보를 해독하는 키는 큐비트를 사용하여 양자 상태로 인코딩 및 전송됩니다.

QKD를 구현하기 위해 다양한 접근법 또는 프로토콜이 개발되었습니다. BB84라고 알려진 널리 사용되는 것은 이렇게 작동합니다. 앨리스와 밥이라는 두 사람을 상상해 보세요. Alice는 Bob에게 안전하게 데이터를 보내고 싶어 합니다. 이를 위해 그녀는 편광 상태가 키의 개별 비트 값을 나타내는 큐비트 형태의 암호화 키를 만듭니다.

큐비트는 광섬유 케이블을 통해 밥에게 전송될 수 있습니다. 이러한 큐비트의 일부 상태 측정을 비교함으로써, "키 선별"이라고 알려진 프로세스를 수행합니다—Alice와 Bob은 동일한 키를 보유하고 있음을 확인할 수 있습니다.

큐비트가 목적지로 이동함에 따라 일부 큐비트의 취약한 양자 상태는 비일관성으로 인해 붕괴될 것입니다. 이를 설명하기 위해 앨리스와 밥은 "키 증류 (정제) "로 알려진 프로세스를 실행합니다. 이 프로세스는 오류율이 해커가 키를 가로채려고 시도했음을 암시할 만큼 충분히 높은지 계산하는 것을 포함합니다.

그렇다면 의심스러운 키를 버리고 보안 키를 공유할 수 있을 때까지 새 키를 계속 생성합니다. 그런 다음 앨리스는 자신의 데이터를 암호화하여 밥에게 고전적인 비트로 전송할 수 있습니다. 밥은 자신의 키를 사용하여 정보를 디코딩합니다.

우리는 이미 더 많은 QKD 네트워크가 등장하기 시작했습니다. 가장 긴 것은 베이징과 상하이 사이의 2,032 킬로미터 (1,263 마일)의 지상 연결을 자랑하는 중국입니다. 은행과 다른 금융 회사들은 이미 데이터를 전송하기 위해 그것을 사용하고 있습니다. 미국에서는 Quantum Xchange라는 스타트업이 동부 해안을 따라 흐르는 500마일(805km)의 광섬유 케이블에 액세스하여 QKD 네트워크를 구축하는 계약을 체결했습니다. 초기 구간은 맨해튼과 많은 은행이 대규모 데이터 센터를 보유한 뉴저지를 연결할 것입니다.

QKD는 상대적으로 안전하지만, 양자 반복기에 의존할 수 있다면 훨씬 더 안전할 것입니다.



양자 중계기 (Quantum  Repeater)란 무엇인가요?
케이블의 물질은 광자를 흡수할 수 있는데, 이것은 그들이 보통 수십 킬로미터 이하로 여행할 수 있다는 것을 의미합니다. 기존 네트워크에서는 케이블을 따라 다양한 지점의 중계기를 사용하여 신호를 증폭하여 이를 보완합니다.

QKD 네트워크는 다양한 지점에서 "신뢰할 수 있는 노드"를 생성하는 유사한 솔루션을 제안했습니다. 예를 들어 베이징-상하이 간 네트워크에는 32개의 네트워크가 있습니다. 이러한 웨이스테이션에서 양자 키는 비트로 해독된 다음 다음 노드로 이동하기 위해 새로운 양자 상태로 재암호화됩니다. 그러나 이는 신뢰할 수 있는 노드를 실제로 신뢰할 수 없음을 의미합니다. 노드의 보안을 침해한 해커는 탐지되지 않은 비트를 복사하여 노드를 운영하는 회사나 정부처럼 키를 획득할 수 있습니다.

이상적으로, 우리는 암호화 키가 증폭되고 장거리로 전송될 때 양자 형태를 유지할 수 있도록 하는 양자 중계기 또는 양자 프로세서가 있는 웨이스테이션이 필요합니다. 연구원들은 그러한 반복기를 만드는 것이 원칙적으로 가능하다는 것을 증명했지만, 그들은 아직 작동하는 시제품을 생산할 수 없었습니다.

QKD에는 또 다른 문제가 있습니다. 기본 데이터는 여전히 기존 네트워크를 통해 암호화된 비트로 전송됩니다.

즉, 네트워크의 방어를 위반한 해커는 탐지되지 않은 비트를 복사한 다음 강력한 컴퓨터를 사용하여 비트를 암호화하는 데 사용되는 키를 해독할 수 있습니다.

가장 강력한 암호화 알고리즘은 매우 강력하지만, 그 위험은 일부 연구자들이 양자 텔레포트라고 알려진 대안적인 접근법을 연구하도록 자극할 만큼 충분히 큽니다.


양자 순간 이동이란 무엇인가요?
이것은 공상 과학 소설처럼 들릴지 모르지만, 데이터를 완전히 양자 형태로 전송하는 것을 포함하는 실제 방법입니다. 이 접근법은 얽힘으로 알려진 양자 현상에 의존합니다.

양자 순간 이동은 얽힌 광자 쌍을 만든 다음 각 쌍 중 하나를 데이터 발신자에게 보내고 다른 하나를 수신자에게 보내는 방식으로 작동합니다. 앨리스는 얽힌 광자를 받으면 밥에게 전송하고자 하는 데이터를 저장하는 "메모리 큐비트"와 상호 작용하게 합니다. 이 상호작용은 그녀의 광자의 상태를 바꾸고, 밥의 광자와 얽히기 때문에 상호작용은 그의 광자의 상태도 순간적으로 변화시킵니다.

사실, 이것은 앨리스의 기억 큐비트에 있는 데이터를 그녀의 광자에서 밥의 것으로 "텔레포트"합니다. 아래 그래픽은 프로세스를 좀 더 자세히 설명합니다:

양자 얽힘의 3단계

양자 얽힘의 3단계를 보여주는 그림입니다
미국, 중국, 그리고 유럽의 연구원들은 얽히고설킨 광자를 분배할 수 있는, 순간 이동 네트워크를 만들기 위해 경쟁하고 있습니다. 그러나 이들을 확장하는 것은 과학 및 엔지니어링 분야에서 엄청난 도전이 될 것입니다. 많은 장애물에는 온 디맨드로 연결된 많은 광자를 배출하는 신뢰할 수 있는 방법을 찾는 것과 양자 반복기가 쉽게 만들 수 있는 매우 먼 거리에서 얽힘을 유지하는 것이 포함됩니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 도전들은 연구원들이 미래의 양자 인터넷을 꿈꾸는 것을 막지 못했습니다.


양자 인터넷이란 무엇인가요?
전통적인 인터넷과 마찬가지로, 이것은 전 세계에 걸쳐 있는 네트워크입니다. 가장 큰 차이점은 기본 통신 네트워크가 양자 네트워크라는 것입니다.

그것은 오늘날 우리가 알고 있는 것처럼 인터넷을 대체하지는 않을 것입니다. 고양이 사진, 뮤직 비디오 및 많은 민감하지 않은 비즈니스 정보는 여전히 클래식 비트의 형태로 이동합니다. 그러나 양자 인터넷은 특히 중요한 데이터를 안전하게 유지해야 하는 조직에 매력적일 것입니다. 또한 컴퓨팅 클라우드를 통해 점점 더 많이 사용할 수 있는 양자 컴퓨터 간의 정보 흐름을 연결하는 이상적인 방법이 될 수 있습니다.

중국은 양자 인터넷을 향한 추진의 선봉에 서 있습니다. 그것은 몇 년 전에 전용 양자 통신 위성인 Micius를 발사했고, 2017년에 그 위성은 베이징과 비엔나 사이의 세계 최초의 대륙간, QKD 보안 화상 회의를 개최하는 것을 도왔습니다. 지상국은 이미 이 위성을 베이징-상하이 간 지상파 네트워크에 연결하고 있습니다. 중국은 더 많은 양자 위성을 발사할 계획이고, 중국의 몇몇 도시들은 도시의 QKD 네트워크를 위한 계획을 세우고 있습니다.

일부 연구자들은 완전한 양자 인터넷조차도 궁극적으로 양자 기반의 새로운 공격에 취약해질 수 있다고 경고했습니다. 그러나 오늘날의 인터넷을 괴롭히는 해킹 공격에 직면하여 기업, 정부 및 군대는 더 안전한 양자 대안에 대한 감질나는 전망을 계속 탐색할 것입니다.