양자암호통신 기지개

양자컴퓨터, 연산능력 획기적 향상
100만년 걸리던 작업 100초에 해결
상용화 땐 현재 보안체계 무력화

양자암호통신, 해킹 막을 방패기술
국내 2020년부터 인프라 구축 추진
통신 3사, 초기 시장 개척 잰걸음

SKT, 2016년 세계 첫 양자암호키 적용
KT는 장비가격 50% 낮추는 기술 보유
LGU+ ‘양자내성암호’로 금융사 공략

SKT의 양자암호통신 기기와 서비스 모습. SKT 제공

“양자역학에 깊이 충격을 받은 적이 없는 사람은 아직 이를 이해하지 못한 것.”

1922년 노벨상을 받은 닐스 보어의 말이다. 이후로 한 세기가 흘렀음에도 양자세계는 이상한 나라의 앨리스처럼 여전히 대중에게 낯설다. 그러나 최근 산업계에서는 양자역학의 특성을 정보통신기술(ICT)에 활용하는 시도가 활발히 진행 중이다. 크게 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센싱·계측 분야로 나뉘어 기술 연구와 산업화가 시도되고 있다. 이 중 국내에서 가장 앞선 분야는 양자암호통신이다. 통신 3사를 중심으로 고도의 보안이 요구되는 곳에 양자암호통신을 시범 구축하며 초기 시장을 만들고 있다. 한국이 제안한 기술들이 국제표준으로 채택됐다는 소식도 속속 들린다.

◆양자기술, 미래 바꿀 게임체임저

양자기술은 미래에 전 산업을 혁신적으로 바꿀 ‘게임체인저’로 여겨지나, 아직은 태동 단계다. 20일 시장분석기관 인사이드 퀀텀 테크놀로지에 따르면 올해 양자암호통신 세계 시장 규모는 1억5880만달러에 불과하다. 올해 양자컴퓨터 시장 역시 마켓앤드마켓에 따르면 5억8900만달러로 추산된다.

그럼에도 양자기술이 중요한 것은 혁명적 가능성 때문이다. 양자컴퓨터만 해도 연산능력이 획기적으로 달라진다. 현재 최고 보안 수준인 RSA-2048로 암호화된 내용을 기존 컴퓨터가 소인수 분해방식으로 해독하면 100만년 이상 걸리지만, 양자컴퓨터는 100초에서 2분 안에 해독이 가능하다.

이는 양자의 특성 때문이다. 기존 컴퓨터의 비트는 한 번에 0이나 1 하나만 표현할 수 있다. 반면 양자컴퓨터의 최소 단위인 양자비트(큐비트)는 확률을 바탕으로 동시에 두 상태가 중첩되거나 둘 중 한 상태에 있을 수 있다. 큐비트쌍이 동시에 0·0, 0·1, 1·0, 1·1을 실행할 수 있는 셈이다. 큐비트 20개가 연결된다면 2의 20승인 104만8576개를 동시에 저장할 수 있다.

양자컴퓨터 개발은 소수 선도국을 중심으로 진행 중이다. 미국 IBM·마이크로소프트(MS)·인텔·구글·아마존·리게티, 캐나다 디웨이브 시스템스 등 외국 주요 기관이 이온트랩·초전도체·핵자기공명 등 다양한 방식의 양자컴퓨터 개발을 추진하고 있다.

◆한국 기술, 선진국의 81% 수준

양자컴퓨터가 상용화하면 현재의 보안은 무력해진다. 양자암호통신은 이에 맞설 수 있게 해 준다. 한국과학기술정보연구원은 “통신보안 분야에서 새로운 암호체계가 모든 산업에 확산되는 데 10년 이상이 소요된다고 한다”며 “따라서 양자컴퓨터가 개발되는 시점보다 10여년 전에 양자통신에 의한 암호체계가 개발돼야 한다”고 설명한다.

정부는 2020년부터 디지털 뉴딜의 하나로 ‘양자암호통신 인프라 구축’ 사업을 벌여 왔다. 현대중공업, 강원도청, 순천향대병원 등 26개 공공·민간에 이를 시범 구축했다.

과학기술정보통신부에 따르면 한국 양자기술은 선도국인 미국의 81% 수준이다. 이동통신(97.8%), 인공지능(87.4%)과 비교하면 국내 전체 ICT 분야 중 가장 낮다. 국내 핵심 연구인력도 150명 내외로 추산된다. 양자기술 연구개발 예산도 지난해 328억원으로 미국(2600억원), 중국(1700억∼1조원)보다 크게 적다.

이 때문에 정부는 2024년까지 50큐비트급 양자컴퓨팅 시스템을 구축하겠단 목표를 세웠다. 2030년대 후반 양자컴퓨터 상용화에 대비해서다.

◆탈취 불가능한 양자암호통신

양자암호기술은 양자키분배(QKD) 방식, 양자내성암호(PQC) 두 가지가 있다.

양자키분배는 양자의 중첩과 얽힘을 이용한다. 양자얽힘은 원자 하나에서 방출된 한 쌍의 전자가 지구와 달처럼 각각 멀리 떨어지게 되더라도 한쪽의 성질이 다른 쪽에 그대로 나타나는 특성을 말한다. 말 그대로 양자가 서로 얽힌 상태처럼 보인다. 아인슈타인은 이를 ‘유령 같은 원격작용’이라고 표현했다.

A에서 B로 암호화한 데이터를 보낸 후 이를 풀 ‘열쇠’인 광자를 별도 채널로 보내는 식이다. 중간에 C가 열쇠를 가로채 데이터를 보려 하면 양자얽힘이 풀려 열쇠 사용 자체가 불가능해진다. 양자는 관찰·측정하는 순간 원래와 다른 상태가 되기에 해킹 시도를 바로 알아챌 수 있다.

양자내성암호는 양자컴퓨터로 풀기 어려운 복잡한 수학 알고리즘을 사용한다. 통신 3사 중 SK텔레콤과 KT는 양자키분배 방식을, LG유플러스는 양자내성암호 방식을 추진 중이다.

KT 융합기술원 인프라DX 연구소 이영욱 상무는 “양자내성암호는 시간을 조금 지연할 뿐 완전한 암호체계를 제공해 주지는 못한다고 생각한다”며 “최근 트렌드는 두 방식을 병행해서 훨씬 보안성을 높이는 방향”이라고 부연했다.

반면 LGU+ 측은 “양자키분배는 별도의 양자키분배 장치와 안정적인 양자키분배 채널 마련이 필수적으로, 하드웨어 기반이기에 다양한 보안요소에 활용하기 힘든 단점이 있다”며 “미국 국가안보국(NSA), 영국 국립사이버안보센터(NCSC)는 이 기술을 공공서비스에 사용하지 말 것을 권고했다”고 설명했다.

◆SKT, 기업용 양자암호 서비스 선봬

통신 3사는 양자암호통신을 시범 구축하며 초기 시장 개척에 나서고 있다.

SKT는 양자키분배기, 양자난수생성기(QRNG)를 중심으로 기술을 발전시키고 있다. 양자난수생성기는 양자의 특성을 활용해 패턴이 없는 ‘순수 난수’를 만드는 기술이다.

SKT의 양자암호는 국가 기간망 외에도 스마트폰, 가스검침센서 등 일상 곳곳에 적용됐다. SKT는 “2016년 세계 최초로 양자암호키를 SKT 대전사옥 사이 유선 구간에 적용하는 데 성공했다”고 밝혔다. 국책과제로 고려대 안암병원, 계명대 동산의료원, 평화홀딩스, 한국수력원자력, 대전시 등 8개 기관에도 총 280㎞의 양자암호통신망을 구축했다. 2020년에는 양자난수생성 칩셋을 탑재한 5세대이동통신(5G) 스마트폰 ‘갤럭시A퀀텀’을 출시했다.

2018년에는 세계 1위 양자보안기업인 스위스 IDQ를 인수했다. 이후 한국·스위스·미국·영국에 IDQ 사무실을 배치해 글로벌 사업을 확장 중이다.

표준화에도 성과를 거뒀다. 2019년 국제전기통신연합 전기통신표준화부문(ITU-T) 회의에서 SKT가 제안한 ‘양자키분배 적용 네트워크를 위한 보안 고려사항’ 기술 리포트와 ‘양자난수생성기 구조’가 국제표준으로 최종 승인됐다.

KT의 양자암호통신 기기와 서비스 모습. KT 제공

◆KT, 경제성 강점… 국제표준 채택도

KT는 양자암호통신의 경제성을 높였다. 양자키분배 방식은 고가 장비가 걸림돌이다. KT는 세트당 2억원가량인 장비 가격을 40∼50%가량 낮추는 기술을 보유했다. 고가 장비를 중앙에서 공유하는 방식으로 가입자 부담을 줄였다.

최근에는 20kbps 고속 양자암호통신을 독자 기술로 개발했다. 이를 통해 동시에 4000개 암호장비에 양자암호를 공급할 수 있다. 핵심 부품인 ‘고속 단일광자광원 생성 모듈’과 ‘고속 양자난수 연동 인터페이스’도 직접 개발했다. 이를 활용하면 국방·금융·공공 분야에 필요한 한국형 국가 보안체계의 자체 구축, 양자암호 응용서비스 개발협업 강화 등이 가능하다.

KT 양자암호기술은 강원도청, 제주도청, 해군 3함대, 제2군단, 현대중공업 등에 적용됐다.

국제표준도 이끌고 있다. KT는 “전 세계 사업자 중 양자암호통신 국제 표준을 6건 승인 받은 유일한 기업”이라고 밝혔다. 양자 암호 통신 네트워크 기술 요구 사항, 개방형 계층구조, 양자암호통신 네트워크의 제어 및 관리 기술 등이 표준으로 채택됐다.

현재 ITU-T에서 표준으로 제정했거나 혹은 연구·평가하고 있는 양자암호통신 네트워크 관련 기술은 31개다. 이 중 35%가 KT 주도로 표준화가 진행 중이라고 회사 측은 밝혔다.

LGU+의 양자암호통신 기기와 서비스 모습. LGU+ 제공

◆LGU+, 양자내성암호 적용 늘려

LGU+는 두 회사와 달리 양자내성암호 기술에 집중하고 있다. 2019년 12월 서울대 산업수학센터, 크립토랩과 ‘유·무선 양자내성암호 분야 업무협약’을 체결하고 기술 개발에 협력해왔다.

LGU+는 2020년 6월 세계 최초로 양자내성암호 기술을 탑재한 광전송장비(ROADM)를 개발했다. 지난해 디지털뉴딜 사업의 일환으로 △LG이노텍 평택 공장과 부산IDC를 연결하는 전용회선 640㎞ 구간 △을지대학병원 노원과 대전 간 전용회선 207㎞ 구간에 양자내성암호 기술을 적용했다.

LGU+는 이런 실증사례를 바탕으로 5세대 이동통신(5G) 등 유무선 통신망에 양자내성암호 기술을 확대·적용하고 있다. 올해에는 양자내성암호 전용회선 서비스를 정식 출시해 공공기관, 금융회사의 보안을 강화하는 데 주력할 예정이다.

송은아 기자 [e-mail]