국내 연구진이 고체 내 전자 간 거리(양자 거리)를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시했다. 차세대 컴퓨터인 양자컴퓨터 성능을 높일 것으로 기대되는 원천기술이다.
과학기술정보통신부 직할 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질 연구단 임준원 책임연구원과 양범정 서울대 물리천문학부 교수, 한국원자력연구원 김규 책임연구원은 이같은 연구성과를 내 국제학술지 '네이처'에 실었다고 6일 발표했다.
전자는 위치가 고정된 '입자'가 아니다. 시시각각으로 변하는 '파동' 형태로 존재하기 때문에 확률적으로만 위치를 파악할 수 있다. 이를 수학적으로 기술한 것이 슈뢰딩거 방정식, 이른바 파동함수다. 이 파동함수를 확률밀도함수로 바꿔 적분하면 특정 위치에서 전자가 발견될 확률이 나온다. 고체 내에 존재하는 전자의 파동함수를 '블로흐 파'라고 한다.
블로흐 파(고체 속 전자의 파동함수)는 기하학적으로 보면 도넛 두개가 겹쳐 있는 것처럼 곡률을 갖는다. 이 중첩된 도넛에 두 개의 점을 찍는다고 할 때, 이 점 사이 거리가 양자 거리다. 양자 거리를 파악하면 양자 컴퓨터의 '결맞음(신뢰도)'을 높일 수 있는 열쇠가 된다.
고체의 에너지 띠는 블로흐 파가 가질 수 있는 에너지와 운동량 사이의 관계를 선으로 그린 것이다. 이 띠는 대체로 곡선(곡선 에너지 띠)으로 그려진다. 그런데 고체의 격자 구조가 특수한 경우, 전자들의 평균 이동 속도가 0이 되는 독특한 현상이 발생하는데 이를 '평평한 에너지 띠'라고 한다. '꿈의 신소재' 그래핀이 두 층으로 뒤틀려 결합된 '카고메 격자 물질'에서 평평한 에너지 띠가 관찰된다.
이런 평평한 에너지 띠 상태에선 전자의 유효 질량이 무한대가 되면서, 양자 거리가 '0'이 된다는 게 정설이었다. 자기장을 걸어도 에너지 변화가 없었다.
연구팀은 평평한 에너지 띠와 곡선 에너지 띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위가 퍼지고, 이 때 나타나는 블로흐 파의 특이점에 착안해 양자 거리를 유추(계산)할 수 있다는 사실을 처음 밝혀냈다.
연구팀 관계자는 "자기장 하에서 전자 거동에 대한 새로운 현상을 발견한 것"이라며 "블로흐 파의 기하학적 성질에 대해 더 깊은 이해를 할 수 있게 됐다"고 설명했다. 이번 연구는 IBS와 미국 육군의 지원을 받아 진행됐다.
5세대(5G) 이동통신으로 ‘초연결시대’가 열리면서 통신망 보안에 관심이 커지고 있다. 일반 컴퓨터보다 연산력이 월등한 양자컴퓨터 개발에 속도가 붙으면서 이에 맞는 보안 기술을 마련해야 한다는 의견도 나오고 있다.미국 컨설팅업체 맥킨지앤드컴퍼니는 지난 2월 보고서에서 2030년까지 양자컴퓨터가 세계적으로 최대 5000대 보급될 것으로 전망했다. 양자컴퓨터의 파급력은 연산 방식에서 나온다. 일반 컴퓨터는 0과 1로 구성된 비트(bit)로 데이터를 표현하고 연산한다. 반면 양자컴퓨터는 0과 1이 공존하는 ‘큐비트(quantum bit)’를 사용한다. n큐비트급의 양자컴퓨터는 2^n(2의 n제곱)에 해당하는 경우의 수를 한꺼번에 연산할 수 있어 일반 컴퓨터보다 연산 속도를 높일 수 있다. 예를 들어 16큐비트 양자컴퓨터는 일반 컴퓨터가 65536번(2의 16제곱) 연산해야 할 계산을 한 번에 수행할 수 있다. 양자컴퓨터의 연산 속도가 기존 암호체계를 무력화할 수 있다는 우려가 나오는 이유다.현재 널리 쓰이는 공개 키 방식의 RSA 암호체계는 큰 숫자를 소인수분해하기 어렵다는 점을 기반으로 한다. 하지만 양자컴퓨터의 양자알고리즘을 이용하면 RSA 암호체계가 무력화될 수 있다.이런 보안 이슈에 대응하기 위해 양자컴퓨터의 공격에도 버틸 수 있는 ‘양자내성암호(PQC)’ 기술이 주목받고 있다. 양자내성암호 기술은 양자컴퓨터로도 풀어내는 데 수십억 년이 걸리는 수학 알고리즘을 활용해 암호키 교환, 데이터 암·복호화, 무결성 인증 등 주요 핵심 요소에 대한 보안 서비스를 제공한다. 별도 장비 없이 소프트웨어만으로 구현 가능해 적용이 쉽다.양자내성암호 기술은 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 미국 국가안보국(NSA) 주도로 IBM·아마존·구글·마이크로소프트 등 글로벌 기업들과 표준화 작업을 하고 있다. 암호 기술을 특정 분야에 사용하려면 최적화하는 작업이 필요하다. 학계에선 새로운 암호 기술이 발표되고 사회 전반에 적용되는 데 통상 10년이 걸리는 것으로 보고 있다.LG유플러스는 지난달 세계 최초로 이 기술을 통신장비에 적용했다. 기업 등 고객전용망에 활용되는 광전송장비에 이 기술을 도입해 양자컴퓨터의 공격에도 견딜 수 있는 보안성을 갖추게 됐다. LG유플러스는 작년 12월 서울대 산업수학센터, 크립토랩과 손잡고 기술 개발을 진행했다. 5G 서비스와 유·무선 가입자 서비스에도 양자내성암호 기술을 적용할 예정이다.양자내성암호 기술을 활용해 네트워크를 구축하면 통신망의 보안 수준이 극적으로 상승하는 효과를 얻을 수 있다. 다만 아직은 이런 기술을 개발하고 네트워크에 구축해 보안 패러다임을 바꿀 수 있도록 연구개발(R&D) 및 실증사업을 위한 지원이 필요한 시점이다. LG유플러스 관계자는 “미국 주도 표준화에 선도 대응하기 위해 알고리즘 기술과 특허를 확보해야 한다”며 “유망 스타트업을 발굴해 차세대 암호체계 생태계를 구축하고 양자컴퓨터에 대응할 소프트웨어산업 기반을 마련하기 위한 투자가 이뤄져야 한다”고 강조했다.
LG유플러스가 차세대 암호기술을 자사 네트워크 장비에 적용했다. 양자컴퓨터에도 뚫리지 않는다는 설명이다.LG유플러스는 서울대 산업수학센터 및 보안기술 전문업체 크립토랩과 양자내성암호(PQC·post quantum cryptography) 기술을 개발해 고객전용망 장비에 도입했다고 10일 발표했다.양자내성암호는 양자컴퓨터로도 해킹할 수 없다는 의미에서 붙은 이름이다. 현재 일반적으로 사용하는 RSA 암호 방식은 소인수분해 방식을 쓴다. 암호를 풀려면 슈퍼컴퓨터로도 천문학적인 시간이 걸린다. 하지만 양자컴퓨터가 상용화되면 RSA 암호 방식은 순식간에 뚫릴 수 있다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터처럼 0과 1로 나뉜 이진법이 아니라 0과 1이 중첩된 양자이진법 단위를 사용한다. 이 방식으로는 아무리 큰 수의 소인수분해도 순식간에 이뤄져 RSA 암호 방식은 무용지물이 된다.LG유플러스가 이번에 개발한 양자내성암호는 연립방정식을 기반으로 하는 격자 암호 방식을 사용한다. 양자컴퓨터의 연산 방식으로도 풀어내는 데 수십억 년이 걸린다는 게 회사 측 설명이다. 별도 장비 없이 소프트웨어로 구현하기 때문에 유·무선 모든 영역에서 보안을 강화할 수 있다.이 장비는 다른 장비 사이에서 트래픽을 주고받는 경로에 해당한다. 트래픽의 암호화 수준을 높여 향후 더 강력한 해킹 공격이 와도 막아낼 수 있다는 설명이다.미국 국립표준기술연구소 주도로 IBM과 아마존, 구글, 마이크로소프트 등 글로벌 정보기술(IT) 기업들은 양자내성암호 기술 표준화 작업을 진행 중이다. 박송철 LG유플러스 NW기술운영그룹장(전무)은 “내년부터 시작할 양자내성암호 표준화에 앞서 별도 인프라 구축이 없는 보안 기술을 적용한 사례”라며 “앞으로 상용화될 다양한 통신 서비스에서도 양자내성암호 기술을 확대하도록 기술 개발에 힘쓰겠다”고 말했다.이승우 기자 leeswoo@hankyung.com
“신약 개발에는 많은 변수가 있습니다. 디지털컴퓨터로는 수많은 변수가 포함된 복잡한 계산이 어려워요. 양자컴퓨터로는 간단하게 해결될 문제죠.”27일 열린 ‘스트롱코리아 포럼 2020’의 ‘바이오 기술혁명 앞당기는 퀀텀 컴퓨팅’ 주제 세션에서 김재완 고등과학원 계산과학부 교수는 “양자컴퓨터가 바이오 분야에 혁신을 가져올 것”이라며 이같이 말했다. 김재완 교수는 김태현 서울대 컴퓨터공학부 교수, 정연욱 성균관대 성균나노과학기술원 교수와 토론을 벌였다.양자역학을 기반으로 만들어진 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 다른 특성이 있다. 디지털컴퓨터의 정보단위인 비트에는 0 또는 1만 담을 수 있다. 반면 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 구현하는 큐비트를 활용한다. 이런 특성 때문에 연산 속도가 빨라진다. 예를 들어 100만 개 항목에서 원하는 정보를 검색할 때 디지털컴퓨터는 50만 번 연산해야 하지만 양자컴퓨터는 수천 번 연산으로 끝난다.바이오 분야에서 양자컴퓨터가 주목받는 이유도 빠른 연산 속도 때문이다. 바이오 연구에는 수많은 데이터 분석이 필요하다. 슈퍼컴퓨터보다 더 빠른 양자컴퓨터가 필요한 이유다. 김재완 교수는 “단백질 형태 예측, 항원·항체 반응, 신약 개발 등 바이오 기술에 활용될 수 있다”고 설명했다.다만 양자컴퓨터 개발이 아직 초기단계여서 실제 활용되는 데는 시일이 걸릴 전망이다. 연산이 늘 정확한 디지털컴퓨터와 달리 양자컴퓨터는 본연의 특성상 가끔 계산 오류가 난다. 이런 문제를 우선 해결해야 한다는 뜻이다. 정 교수는 “당장 양자컴퓨터를 이용한 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 치료제 개발은 어렵지만, 완전한 양자컴퓨터가 개발되면 감염증 치료제 개발 속도가 빨라질 것”이라고 설명했다.양자컴퓨터와 늘 함께 등장하는 게 양자암호 기술이다. 속도가 빠른 양자컴퓨터 앞에서 기존 컴퓨터 보안 시스템은 쉽게 무력화될 수 있다. 이 때문에 양자암호 등 새로운 보안 시스템이 함께 연구되고 있다. 김태현 교수는 “양자컴퓨터가 등장한 이후 가장 위협이 되는 게 보안문제였다”며 “양자암호와 함께 여러 가지 대안적인 암호체계가 개발되고 있다”고 말했다.한국의 양자컴퓨터 기술 수준에 대해 정 교수는 “한국이 후발주자지만 선진국과 격차가 크지는 않다”며 자신감을 내비쳤다. 가장 앞선 IBM의 양자컴퓨터가 50개 큐비트를 이용하는데, 한국은 3년 내 5~10개 큐비트를 이용한 서킷을 개발하는 것을 목표로 하고 있다는 설명이다. 정 교수는 “우리가 가지고 있는 (반도체 같은) 뛰어난 하드웨어 기술을 밟고 올라서서 (양자컴퓨터라는) 큰 담장을 뛰어넘어야 한다”고 강조했다.홍윤정 기자 yjhong@hankyung.com
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