※ ‘어렵게 느껴지는 기술! 쉽게 이해할 수 없을까? <테크 스토리>는 기술에 관한 궁금증을 꼬리에 꼬리를 무는 질문을 따라가며 풀어보는 기획 시리즈입니다. 기술과 친해져 보세요.

모든 것이 네트워크로 연결되는 초연결의 시대. 얼굴 인증, 지문 하나로 스마트폰에서 수백만 원이 결제되는 시대에 살고 있는 지금. 사이버 보안 문제는 통신 분야에서 빠질 수 없는 중요한 이슈다. 이러한 상황에서 미래의 강력한 보안 방식으로 주목받는 기술이 있다. 바로, ‘양자암호’다.

SK텔레콤은 삼성전자와 함께 지난 2020년 세계 최초로 양자암호 5G 스마트폰 ‘갤럭시 A 퀀텀’을 출시하고, 2021년에는 ‘갤럭시 퀀텀2’를, 올해 4월 26일 ‘갤럭시 퀀텀3’ 출시를 앞두고 있다. 양자암호 기술이 무엇이고, 왜 스마트폰에 적용되어야 하는지 궁금증을 질문과 답변을 통해 풀어본다.

퀀텀? 양자암호란 무엇인가?

퀀텀(Quantum)은 ‘양자’를 의미한다. 양자는 더는 쪼갤 수 없는 물리량의 최소 단위를 뜻한다. 양자는 중첩성·얽힘·불확정성·비가역성·무작위성 특징을 지닌다. 중첩성은 0과 1이란 데이터가 동시에 존재하고 측정하기 전까지 정확한 양자 상태를 알 수 없는 특성이고, 얽힘은 둘 이상의 입자가 얽혀있어 원격으로 떨어진 한 입자의 상태변화가 동시에 다른 입자에도 반영되는 특성을 말한다. 비가역성은 이전 상태로 복원이 불가능한 특성으로, 양자는 비눗방울처럼 미세한 자극에도 상태가 변화하고 흔적이 남는다.

양자암호통신은 이러한 양자의 민감한 특성을 활용해 제3자의 탈취 시도를 무력화하는 암호키를 만들고, 이를 송신자와 수신자에게 동시에 나눠주는 기술이다. 탈취·복제를 시도하는 순간 암호의 형태와 내용이 바뀌기 때문에 해킹 시도를 원천적으로 봉쇄할 수 있어 차세대 보안 기술로 주목받고 있다.

왜 양자암호가 필요한가?

현재 전 세계는 산업 판도를 뒤집을 게임 체인저로 ‘양자기술’에 주목하고 있다. 양자기술은 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센싱·계측 분야로 나뉘어 기술 연구와 산업화가 이뤄지고 있다.

이중에서도 양자암호는 양자 컴퓨터를 대비하기 위해 등장했다. 2030년에 본격 상용화할 것으로 전망되는 양자 컴퓨터는 현재 슈퍼 컴퓨터가 1만 년에 걸릴 계산을 수 초 만에 해결할 수 있다. 이러한 기존 컴퓨터와 차원이 다른 양자 컴퓨터의 계산 능력이 암호 해독에 활용된다면 현재 공개키 기반의 암호화 방식에서 사용되는 복잡한 수식은 쉽게 풀릴 수 있고, 현재의 보안은 무력해진다. 산업계는 양자컴퓨터가 상용화되면, 세계 대부분의 사이버 암호 시스템이 뚫린다고 전망하고 있다. 양자 컴퓨터로부터 안전하게 만들지 않는다면 국가 기간망, 국가 통신망 등이 보안 위협을 받을 수 있다.

양자암호는 양자의 특성을 활용해 암호키를 안전하게 나눠 갖기 때문에 기존 복잡한 알고리즘 형태의 암호키 분배방식과 달리 근본적으로 양자 컴퓨터로부터 안전하다. 양자컴퓨터가 창이라면 양자암호는 ‘뚫리지 않는 방패’라 할 수 있다.

■ 현재 컴퓨터와 양자 컴퓨터는 무엇이 다른가?

양자 컴퓨터는 0과 1 하나만 표현할 수 있는 현재 컴퓨터의 기본 비트(Bit) 단위에서 벗어나 0과 1의 중첩이 가능한 양자 특성을 이용한다. 이 단위를 큐비트(Qubit)라고 하는데, 많은 양의 데이터를 동시에 처리하고 결과값을 한 번에 낼 수 있어 현재 컴퓨터가 백만 년이 걸릴 계산을 수 초에 만에 해결할 수 있다.

양자보안기술 기술 어디에 쓰이나?

양자보안 기술은 금융, 의료, 국방, 연구기관 뿐만 아니라 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT)과 같은 신사업과 융합도 기대된다. SKT는 자사의 기술을 활용해 국가 기간망, 공공 통신망, 국가 융합망 등에 양자암호 통신을 적용했다. 양자난수 생성기는 5G 사용자 인증 서버에 적용하였고, SKT가 2020년 양자난수생성(QRNG) 칩셋을 탑재한 5G 스마트폰 갤럭시 A 퀀텀을 선보인 것을 시작으로 올해까지 3번째 모델을 출시한 것이 일반 대중이 인지할 수 있는 양자암호 기술의 대표라 할 수 있다.

SKT가 직접 양자암호통신 기술 개발에 나선 이유는?

SKT는 일찍이 양자에 주목했다. 2011년 양자기술연구소(Quantum Tech Lab)를 설립해 국내 기업 중 가장 먼저 연구를 본격화했다. 2018년에는 세계 최고 수준 양자보안기업인 스위스 IDQ를 인수했다. SKT는 양자키분배기(QKD, Quantum Key Distributor), 양자난수생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 중심으로 양자암호통신 핵심 기술을 고도화하고 있으며, 양자센싱(Q-sensing) 기술 개발 및 상용화에 노력 중이다.

양자암호통신의 핵심인 양자키분배기(QKD)는 양자의 특성을 활용해 제3자가 해킹할 수 없는 암호키를 만들어 송신자와 수신자에게 나눠주는 기술로 하드웨어 기반이다. SKT는 연구 결과를 토대로 QKD 기술을 2016년부터 상용화하기 시작해 산업 현장의 보안성을 크게 끌어 올렸다. 2016년 세계 최초로 QKD를 상용 LTE망에 적용해 SKT 대전 사옥 사이 유선 구간에 양자암호통신 기술을 적용하는데 성공했다. SKT의 양자암호통신 기술은 미국으로도 진출했다. 2019년 11월 SKT는 미국 괌·사이판 이동통신사 IT&E의 상용 LTE망에 QKD를 적용, 송수신 보안을 높였다. 지난해에는 디지털 뉴딜의 일환으로 양자암호 국책 과제를 대거 수주했으며, 고려대 안암병원, 계명대 동산의료원, 한국수력원자력 등 8개 기관, 9개 구간에 총 280km에 달하는 양자암호통신망을 구축했다.

양자센싱 분야의 성과도 2019년부터 나왔다. 빛의 최소 단위인 단일광자를 검출해 센서에 접목하면 센서 감도와 거리가 향상된다. SKT는 라이다(LiDAR)에 광자를 접목했다. 성과물은 CES 2019에서 공개했다. 당시 단일광자 라이다는 기존 라이다 대비 향상된 성능을 보였다. 측정 거리는 더욱 넓어졌고, 감지 능력은 날씨에 영향 받지 않을 만큼 향상됐다.

양자난수생성기(QRNG)는 암호키의 핵심인 난수를 만드는 기술이다. 양자난수생성기 칩셋을 탑재한 스마트폰이 ‘갤럭시 퀀텀’ 시리즈다. 이에 앞서 2019년에는 5G 가입자 인증 서버에 QRNG를 적용해 개인 정보 보안을 한층 높였다.

SKT가 스마트폰에 적용한 양자암호 기술은 무엇인가?

갤럭시 퀀텀 시리즈에는 양자난수생성(QRNG) 칩셋이 장착되어 있다. 양자난수생성기는 양자의 특성을 활용해 예측 불가능하고 패턴이 없는 불규칙한 순수 난수(True Random Number)를 생성하는 기술이다.

SKT의 양자난수생성 칩셋은 LED 광원, CMOS 이미지 센서 등으로 구성된다. LED 광원에서 방출된 빛 알갱이를 CMOS 이미지 센서로 감지하는 구조로, 양자난수생성 칩셋은 일정한 시간 동안, 일정한 센서 면적 안에 감지되는 광자의 개수를 측정해 그 랜덤한 수를 디지털화해 양자 난수로 뽑아낸다.

갤럭시 퀀텀 시리즈에 들어간 양자난수생성 칩셋은 2.5mm x 2.5mm 사이즈로, 손톱의 10분의 1보다 작은 칩이다. 아주 미세한 작은 칩으로 만들어 생산성을 높여 스마트폰에 장착 가능하게 상용화할 수 있었다.

QRNG는 기존 역추적이 가능한 난수와 달리 양자의 불확정성 성질을 이용하여 패턴이 없고 예측이 불가능한 난수를 제공한다. 높은 수준의 보안이 요구되는 인증·금융·메신저 등 보안이 필수적인 서비스를 더욱 안전하게 사용할 수 있도록 도와준다.

이번 출시되는 ‘갤럭시 퀀텀3’ 특징은?

4월 26일 공식 출시되는 ‘갤럭시 퀀텀3’는 SKT가 삼성전자와 함께 선보이는 세 번째 양자암호 폰으로, QRNG 칩셋을 탑재해 강력한 보안 기술을 갖췄다. 전작인 ‘갤럭시 퀀텀2’가 제공했던 양자암호 서비스의 편의성 및 적용 영역이 더욱 확대되어 T월드, T멤버십, 11번가 등 SK와 SK ICT 패밀리사들이 제공하는 서비스 앱들은 물론, 은행, 카드, 페이 등 금융 앱과 SNS, 게임 등 다양한 앱들에 강력한 보안을 제공한다. 이번 퀀텀3는 시리즈 최초로 고객들이 양자암호 서비스를 이용하고 있다는 것을 체감할 수 있도록 상태 바에 스마트폰을 보호하고 있음을 나타내는 ‘퀀텀 인디케이터’를 제공한다.

6.7인치 대화면과 1억 8백만 초고해상도 메인 카메라를 포함한 쿼드 카메라를, 전면에는 3천 2백만 화소의 카메라를 탑재했다. 앞선 퀀텀 2개 시리즈는 국내에서 밀리언 셀러를 기록했다. 스마트폰을 통한 금융거래가 필수적인 요즘, 갤럭시 퀀텀3는 안심하고 통신 생활을 누리고 싶은 고객에게 어필할 것으로 기대된다.