양자암호(홍진택)

[정보보안 목차]

양자암호통신(Quantum Cryptography Communication)

What?  양자중첩, 양자얽힘, 비복제성의 양자 물리 현상 이용하여  암호가 제공하는 다양한 기능들의 안정성을 극대화한 암호기술

양자란? 더 이상 작게 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위의 입자

빛의 양자를 광자(photon)라 함.

 

Why?

• 대칭키 방식은 감청시 보안상 이슈 발생(재전송 공격) -> 보완으로 공개키 방식 사용
• 수학적 복잡성에 기반한 암호(예-RSA 공개키방식, 큰수에 대한 소인수분해 어려움) 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸림->양자컴퓨터로는 200초걸림

How? 양자얽힘 활용한 양차채널 통해 원거리 두 사람이 동일한 비밀키 공유 -> 양자역학 이용한 방식이기 때문에 안정함.

    

1. 양자암호통신(Quantum Cryptograpy Communication) 개념 

  1-1). 양자암호 정의

• 양자의 중첩, 얽힘의 양자특성을 이용하여 양자키(비밀키)를 생성, 전송시, 도중에 제3자가 열람, 복사, 도청 할 수
  없는 안전한 암호화 방식

 1-2) 양자 고유 특성

고유 특성	설명
양자중첩	- 여러 상태가 확률적으로 하나의 양자에 동시에 존재하고 측정하기 전까지 정확한 양자상태를 알 수 없다는 특성(0 과 1 의 상태 동시 존재)
양자얽힘	- 양자간 강한 상관관계, 둘 이상의 양자가 가지는 상관관계로 두 양자가 서로 멀리 떨어져 있어도 존재하는 특성
불확정성	- 서로 다른 물리량이 동시에 정확하게 측정이 불가능한 특성(불분명한 임의 상태)    (만약 광자를 복사했다 칠때, 광자를 측정할때마다 그 물리량이 따르게 측정됨)
비복제성	- 양자물리역학 -> 임의의 양자정보를 완벽하게 복제하는 것은 불가능 특성

2. 양자암호통신의 구성도 및 구성요소

   2-1) 양자암호통신의 구성도

     - 복제불가원리: 원거리 송/수신자가 양자채널 통해 중첩상태의 광자 주고 받는데 광자를 중간에 빼내서 복사시 "원래 양자상태를 만들 수 없다"는 양자역학의 복제 불가 이론 존재

    - 불확실성원리: 광자를 복사하거나 빼냈다고 가정하에, 비밀키를 알려면 중첩되어 있는 광자를 측정해야 하는 과정 필요 한데 광자를 측정할때마다 그 물리량이 따르게 측정됨(참고:그렇기 때문에 처음에 생성한 비밀키는 송/수신자가 가지고 있는 난수표를 활용해야지만 알수 있음)

- 도청들킴원리: 중간의 도청 시, 즉 측정이 일어나면 메시지를 이룬  양자상태가 0이나 1로 한쪽이 결정, 변경으로 오류를 송수신자는 즉각 알 수 있음->송수신자는 즉시 정보를 폐기 할 것임

 

   2-2) 양자암호통신의 구성 요소

구분	구성 요소	설명
큐빗 (Qubit)	양자비트, W-state 알고리즘	- 중첩원리에 따라 많은 정보량을 동시에 처리 할 수 있는 양자 기본 연산 단위 -  W-state: 브라켓 표기법으로 3큐빗의 뒤얽림 양자상태
광자 (Photon)	광양자(빛의 양자)	- 수많은 양자로 구성된 입자. 다양한 파장을 가진 양자가 모여 빛을 형성
채널 (Channel)	양자 채널	- 광자에 신호를 실어서 통신 할 수 있는 채널
	퍼블릭 채널	- 기존 TCP/IP 프로토콜 통신망
프로토콜	BB84	- 0비트의 상태를 나타내는 편광 2가지와 1비트의 상태를 나타내는 편광 2가지를 정의한 다음 십자 필터와 대각 필터를 통해 측정 - 송수신자간 OTP를 생성하는 프로토콜
신호체계	편광필터, 간섭계	광자에 편광성질을 부여 전송  - 편광필터로 측정  - 위상시간차를 두어 간섭계를 이용 측정 (참고) Polarization 편광은 특정한 방향으로만 진동하며 나아가는 빛을 가리킨다

- 양자암호통신은 스마트카, 스마트그리드 IoT 기기등 폭 넓게 활용