[AI요약] 최근 양자암호통신 연구가 결실을 맺어 상용화 단계에 접어들고 있다. 보안업계는 향후 5~10년간 양자암호통신 시장의 성장기로 보고 있다. 코로나19 팬데믹을 거치며 급격하게 진행된 디지털화로 세계적으로 데이터 보안 중요성이 부각되는 상황에서 글로벌 양자암호통신 시장의 규모는 2030년 136조원에 달할 것으로 전망된다.

최근 한국과학기술연구원(KIST)가 세계 두 번째로 차세대 보안 기술인 ‘양자암호’ 상용화 핵심기술에 대한 실험검증에 성공했다는 소식이 들려왔다. 이어 SK텔레콤은 국내 암호분야 강소기업들과 힘을 합쳐 양자암호 기술의 핵심 키인 양자난수생성(QRNG)칩을 개발, 국방 및 공공시장을 공략한다는 계획을 밝혔다.

이러한 양자암호는 커넥티트카, 원격 시스템이 고도화되고 있지만 연이어진 해킹 근절을 위한 차세대 보안 기술로 양자역학의 법칙을 적용, 도청이나 감청이 절대 불가능한 양자암호통신기술 개발로 이어지고 있다.

기술의 핵심 원리는 양자역학의 ‘양자 복제불가능성’에 기반하고 있다. 양자는 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량으로 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소 단위다.

절 때 뚫을 수 없는 방패, 양자암호

양자암호에 기반한 통신 기술은 디지털 정보기술의 외연을 양자물리학으로 확장한 양자정보기술의 한 분야로 이미 1980년대부터 연구가 본격화됐다. 관련 기술로는 양자정보처리 및 양자정보통신, 양자원격전송, 양자계산과 초고속 데이터검색 기술 등이 있다.

이는 기존 정보기술의 패러다임을 바꿔 놓을 게임 체인저로 인식되고 있는데, 그중 양자암호통신은 가장 기초적이면서도 기술성숙도는 높은 기술로 미국, 유럽, 일본 등을 중심으로 국가의 지원을 받은 기업들의 연구가 이어졌다.

최근 이러한 양자암호통신 연구가 결실을 맺어 상용화 단계에 접어들고 있다. 보안업계는 향후 5~10년간을 양자암호통신 시장의 성장기로 보고 있다. 코로나19 팬데믹을 거치며 급격하게 진행된 디지털화로 세계적으로 데이터 보안 중요성이 부각되는 상황에서 양자암호통신 시장은 큰 성장이 전망되고 있다. 특허청이 지난해 발표한 보고서는 2030년 세계 양자정보통신 시장 규모를 136조원으로 전망하고 있다.

이는 직접적인 통신 분야는 물론 금융, 모빌리티, 스마트시티 등 융합형 산업은 물론 최근 부상하고 있는 메타버스, 대체불가토큰(NFT) 등 신기술 기반 디지털 경제 안정성 확보에 혁신적인 영향을 미칠 것으로 기대를 모으고 있다.

빛 알갱이에 담는 정보, 해킹 시도 시 비누방울처럼 사라진다

양자암호통신은 양자역학 원리를 적용, 광자(빛 알갱이)에 정보를 담아 전송하는 통신 방식이다. 현 암호통신 방식이 1개의 암호키로 운용되는 것과 달리, 양자암호통신은 송신측과 수신측 모두 양자난수암호를 지속적으로 생성해, 누군가 해킹을 시도 할 시 정보가 비누방울처럼 꺼지게 된다고 한다. 이를 두고 양자암호통신은 서로 비누방울을 교환하는 것과 같다고 표현하기도 한다.

현재까지의 디지털정보는 0과 1의 비트로 된 수열로 표현되는 데, 양자암호통신의 양자정보는 여기에 더해 0과 1이 중첩된 양자비트 또는 큐비트로 나타낸다는 특징이 있다.

또 보통 광통신에서는 한 비트를 보내려면 광자를 적어도 20대 이상에서 최대 수천수만개를 보내는데, 정보를 탈취하려는 시도 시 이 중 몇개를 가져와 읽어 해킹이 가능하다는 단점이 있다. 반면 양자암호의 경우는 도청 여부를 즉시 알 수 있도록 광자의 개수를 조절할 수 있다. 또 진행방향에 수직한 평면에서 전기장이 진동하는 빛의 편광 특성을 이용해 보낸 편광방식과 받는 방식이 같아야 비트정보가 일치하도록 한다는 것도 특징이다. 이때 송신자와 수신자는 각각 양자 암호키 분배기를 설치하고 매번 생성되는 암호키를 나누어 갖는데, 이 양자 암호키는 신호를 주고 받는 그 한 순간만 열어볼 수 있기 때문에 중간에 정보가 유출되더라도 해킹이 불가능하다고 한다.  

이러한 양자암호체계는 1984년 IBM의 베넷과 캐나다 몬트리올대의 브라사드가 양자물리학을 이용해 해킹과 도청으로부터 안전한 보안 기술을 연구하면서 만들어졌다. 우리나라에서도 2005년 당시 고등과학원과 한국전자통신연구원의 공동연구로 양자암호시스템 시연을 진행한 바 있다.

이후에도 기술주도권 쟁탈을 위한 국가 간 경쟁은 더욱 치열해지고 있다. 미국은 2018년 세계 최초로 ‘양자법’을 제정하고 백악관 직속의 국가양자조정실(NQCO)를 신설해 엄청난 비용을 연구에 쏟아붓고 있다. 중국은 ‘양자 굴기’ 프로젝트로 연간 10억위안(약 1800억원)의 투자 계획을 밝힌 바 있고, 일본의 경우 AI, 바이오, 양자를 3대 국가전략기술로 선포한 상황이다. EU의 경우는 13개국 38개 산학연 파트너를 구성, 양자 연구 프로젝트를 진행하고 있다.

우리나라, 2030년 양자기술 4대 강국 목표로 한다

우리나라 역시도 글로벌 양자기술 경쟁에 뒤쳐지지 않기 위해 지난해 4월 양자기술 연구개발 투자전략을 발표한 데 이어 지난 1월에는 과학기술정보통신부가 SK텔레콤, KT, LG유플러스 등 통신3사와 함께 기업·기관이 전용회선 형태로 양자암호 인프라를 쓸 수 있게 하는 양자암호통신 사업모델을 발표한 바 있다.

핵심은 기업과 기관의 주요 정보가 오가는 통신망 구간에 양자암호를 적용할 경우 그 구간에 앞서 언급된 양자키 분배(QKD), 양자키관리시스템(KMS) 등을 연동해 쓰도록 암호화 전송장비를 적용한다는 것이다. 이어 각 통신사는 양자내성암호(PQC)가 적용된 전송장비를 통해 양자암호 통신망을 구축한다는 방침을 밝히고 있다.

특히 SK텔레콤의 경우 이미 13년 전인 2009년부터 양자암호에 대한 투자를 시작해 스마트폰용 QRNG 칩을 개발하고 2018년 6월 100% 자체기술로 왕복 112Km 구간의 ‘장거리 양자암호통신’ 실험에 성공하기도 했다. 2020년에는 5G, LTE 회선 가입자 인증 서버에 적용하던 QRNG 칩을 삼성전자, 국내 강소기업 등과 손을 잡고 스마트폰에 적용, 세계 최초로 양자보안폰인 ‘갤럭시 퀀텀’을 출시했다. 최근 갤럭시 퀀텀은 양자보안 5G 스마트폰 ‘갤럭시 퀀텀3’R지 출시된 상태다.

이어 SK텔레콤은 암호칩 개발업체 케이씨에스와 힘을 합쳐 QRNG와 암호통신기능의 반도체를 하나로 합친 ‘양자암호 원칩(Quantum Crypto chip)’ 개발을 진행 중이다. 또 갤럭시 퀀텀에 탑재한 스마트폰용 QRNG 칩을 공동 개발한 이미지신호프로세서(ISP) 반도체설계자산(IP) 기업 비트리와 난수 생성 속도를 2배 이상 끌어올린 차세대 QRNG 칩 개발도 진행하고 있다.