양자정보통신(Quantum computing and network)은 최근의 AI와 함께 차세대 ICT 혁명의 핵심적인 기제로 작용할 것으로 예상하고 있다. 양자정보통신은 원자 단위 이하의 극소 세계에서 발견되는 물리학적 특성에 기반을 둔 기술을 이용한다. 미국, 중국, 캐나다 등에서 최근 양자기술을 이용한 양자컴퓨터, 양자통신 등의 초기 상용화 단계의 제품이 등장하면서 전 세계 주요국들과 IT 거대기업들의 관심이 증폭되고 있으며, 주요국 및 글로벌 IT 기업들의 양자컴퓨터 및 네트워크에 대한 투자도 급증하고 있다. 리서치앤 마켓(Research and Market)의 예측에 따르면, 양자컴퓨팅 시장은 2019년 5억700만 달러에서 2020~2030에 연평균 56.0%로 성장하여 2030년까지 약 650억 달러에 이를 것으로 예측하였다.⁽¹⁾

양자정보통신 개념도
[출처: IITP⁽²⁾]

양자정보통신을 구성하는 양자는 현재의 기술로는 더 이상은 쪼갤 수 없는 물리학의 최소단위로 간주되는 양자에 대해 빛의 성질을 이용하는 광자에 일정한 형태의 신호처리를 제공함으로써 정보의 입력과 전송을 할 수 있다는 것을 발견하면서 발전하였다.

양자는 중첩성, 얽힘, 비가역성, 불확정성 등 양자만의 독특한 특성이 있고 있어, 이러한 특성을 이용해 현재의 우리가 경험하는 디지털 세계와는 완전히 다른 새로운 기술 패러다임을 형성할 것으로 예상하고 있다. 첫째, 양자의 중첩성은 양자가 2개의 특성을 갖는 동시에 갖는 특성으로 디지털 세계에서 기본 단위가 ‘0’ 또는 ‘1’로 표현되는 데 반해 양자에서 중첩은 ‘0’이면서 동시에 ‘1’인 상태를 모두 취할 수 있다는 것을 의미한다.

둘째, 양자의 얽힘은 2개의 서로 다른 양자가 서로 특별한 관계를 형성하여 2개의 양자 간의 거리에 무관하여 상대방의 상태에 영향을 받도록 얽혀 있는 상태를 의미한다. 이러한 얽힘 상태로 인해 얽힘 상태의 한 양자의 상태를 알고 있으며, 얽힘 상태의 상대적인 양자의 상태를 정확하게 예측할 수 있다.

셋째, 양자의 비가역성으로 양자의 상태에 특정은 가능하나, 양자를 측정하는 순간에 양자 상태는 비가역적으로 되돌릴 수 없는 상태로 변화하면서 한번 관측 후에는 이전 상태로의 복원이 불가능한 특성을 의미한다.

넷째, 양자의 불확정성은 양자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없으며, 양자의 상태 값은 확률로서만 존재함을 의미한다.

양자의 특성
[출처: IITP⁽³⁾]

이러한 특성이 있는 양자정보통신(양자컴퓨터 및 양자네트워크 등)은 기존 컴퓨터와 통신 기술에서 반도체의 집적화의 한계에 거의 도달하고 있는 상황에서 극소세계의 물리적 현상을 이용하여 양자정보통신은 꿈의 컴퓨터 및 네트워크를 가능하게 할 것이라는 기대를 갖도록 하고 있다. 정보소자 크기를 극소화하는 과정에서 나타나는 문제를 피하는 동시에 성능의 획기적인 개선이 가능하기 때문이다. 즉 슈퍼컴퓨터를 능가하는 초고속 연산, 심지어 양자컴퓨터가 성숙되어 가는 시점에는 현존하는 최고 성능의 슈퍼컴퓨터에 비해 백만 빠른 연산도 가능할 것으로 예상하고 있으며, 양자의 얽힘 특성을 이용하여 빛의 속도를 초월하여 무한한 속도로 거리를 초월해서 정보를 전달할 수 있을 것으로 예측된다. .

양자정보기술은 네트워크에서 정보전달 관련 완벽한 보안을 달성하기 위한 기술로도 활용될 것으로 예상하고 있다. 양자통신에서는 중간에 양자상태를 관측하더라도 관측 후에는 이전상태로 복원할 수 없는 특성을 지니고 있으므로 정보전송 중에 도청, 하이재킹, Man-in-the-Middle 공격 등을 완벽하게 예방할 수 있을 것으로 기대되면서 양자통신 보안에 관한 관심이 높아지고 있으며, 이 분야에서는 우리나라의 SK텔레콤, KT도 핵심기술력을 보유하고 있는 것으로 평가되고 있다.

반면, 양자정보기술은 보안 분야의 엄청난 도전과제를 작용할 수 있을 것으로 예상한다. 양자컴퓨터가 실현되면 기존에 100만 년에 걸려야만 해독할 수 있던 암호가 수 초 이내, 또는 수 분 이내 해독이 가능해질 수 있다. 이는 기존의 암호기술이 적용된 안보 분야 등의 시스템에 중대한 보안위험으로 작용할 수 있음을 함의한다.

최근 중국의 양자암호 분야에 관한 기술이 발전하면서 미국 정부는 양자정보통신에 대한 적극적인 투자를 적극적으로 강화하고 있는 것이 이를 입증하는 사례이다. 미국은 양자암호 분야에 관한 연구를 강화하는 동시에 양자 시대에도 풀 수 없는 암호기술을 개발하기 위해 양자시대 이후의 암호기술 연구 프로젝트를 가속화하고 있다.

이러한 배경에서 이 글에서는 양자정보통신 분야에 대한 정부의 적극적인 정책 의지를 표명하고, 투자를 강화하면서, 아울러 양자 시대를 대비한 암호기술 개발을 추진하고 있는 미국의 양자정보통신 및 보안 정책 동향 위주로 살펴보고 정책시사점을 고찰해 보고자 한다.

미국의 국가양자정보과학 전략

미국의 양자 분야에 대한 기술연구는 오래전부터 진행되었으며, 연방정부 차원의 정책 추진은 오바마 정부에서부터 본격적으로 시작되었다. 오바마 대통령은 2009년 1월 정부 출범과 함께 양자기술 분야의 국가적 당면과제를 탐구하고, 연구방향을 설정한 ‘양자정보과학비전(A Federal Vision for Quantum Information Science)⁽⁴⁾’을 발표하였다. 이 보고서를 기반으로 미 연방정부의 양자정보과학 관련 연구개발 우선순위를 선정하였다.

트럼프 행정부에 들어서도 양자과학 분야에 대한 중요성을 재차 인식하고, 2018년 9월 양자기술을 차세대 기술혁명의 일환으로 중시하면서 국가 차원의 체계적인 연구개발 접근방법으로 ‘국가양자정보과학 전략(National Strategic overview of Quantum Information Science⁽⁵⁾)’을 마련하였다. 이 국가양자정보과학전략에서는 과학 우선의 접근방법 채택, 미래를 위한 양자 분야 인재양성, 양자분야의 민관협력 강화, 주요 인프라 구축, 국가안보 및 경제성장 지속, 국제협력 강화의 6개 권고사항을 제시하였다.

특히 ‘국가양자정보과학전략은 양자센싱 등 주요 과제에 10년간 투자하는 등 양자 분야의 기초연구를 강화하고 사전경쟁적인 연구를 촉진하며, 양자정보과학 분야의 인력양성을 위해 산업계와의 협력을 적극적으로 추진할 계획이라고 제시하였다. 또한, 이 전략에서는 양자정보과학에 관한 국가연구개발 정책영역을 7개 분야로 구분하고, 정부, 학계, 산업계의 협력방안을 제시하였다. 이 전략에 따른 정부기관들의 양자 정보과학 분야의 연구영역 관련 기관은 다음과 같다.

미국의 양자정보과학 연구영역별 주요 관련기관 [출처: NSTC⁽⁶⁾]

이후 2018년도 12월에 양자정보과학 연구개발에 대한 전략적인 투자를 촉진하기 위해 ‘국가양자이니셔티브법(National Quantum Initiative Act⁽⁷⁾)’을 제정하여 장기적으로 재정을 투입하여 안정적으로 지원할 수 있는 예산 및 제도적 기반을 확고히 하였다. 이 이니셔티브에 따라 미국은 향후 10년에 걸쳐 연방정부의 양자정보과학 연구개발과 관련한 목표, 우선과제, 성과평가, 투자계획 등을 제시하는 ‘국가양자이니셔티브 프로그램’을 출범시켰다.

특히 이 국가양자이니셔티브법에는 중추적인 양자정보과학기술 기관으로 국가과학기술표준원(NIST)의 양자컨소시엄, 국립과학재단(NSF)의 양자정보과학 연구개발 및 양자연구학제교육훈련센터, 에너지부(DoE)의 양자정보과학 연구 및 국립양자정보과학연구센터 등을 명시하고 향후 ’19년부터 ’23년까지 5년간 최대 12억 달러에 달하는 예산을 지원할 계획이라고 제시하였다.

미국의 양자 이니셔티브 주요기관의 역할 및 예산 [출처: NSTC⁽⁸⁾]

미국 양자 네트워크 전략적 비전

미국 트럼프 행정부는 2020년 들어서도 양자정보과학 분야에서 미국의 리더십을 공고히 하면서 미국 경제성장과 기술 발전, 국가안보에서의 잠재력을 발휘하기 위한 노력을 하고 있다. 특히 현재 진행 중인 연방 기관, 학계 및 산업계의 양자 분야에 대한 연구를 국가 차원에서 조정하기 위해 설립된 백악관 국립 양자조정실은 2020년 2월 “미국 양자 네트워크를 위한 전략적 비전(A Strategy Vision for America’s Quantum Networks⁽⁹⁾)”을 발표했다.

이 전략적 비전은 2018년 12월 트럼프 대통령이 연방 차원의 투자와 조정을 통해 양자정보과학 연구 개발을 촉진하기 위해 서명한 국가양자이니셔티브법의 일환을 추진된다. 이 전략적 비전은 국가양자이니 셔티브법 관련 기관들, 국가양자조정실(NQCO: National Quantum Coordination Office) 및 국가과하기술위원회(NSTC: National Science and Technology Council)의 양자정보과학소위원회(SCQIS)가 주도적으로 참여하고 있다.

미국은 트럼프 행정부의 지도력 하에서 양자인터넷을 개척하고 모든 미국인에게 혜택을 주는 양자정보과학의 탐색과 혁신을 지속할 것이며, 국가양자조정실은 관련 기관들과 함께 “양자기기의 네트워킹을 위한 기반 구축(Building the Foundation for Networking Quantum Devices)”을 역점적으로 추진할 계획이라고 밝혔다.

이러한 전략적 비전을 구현하기 위해 다음의 2개의 구체적인 목표를 설정하였다.

① 향후 5년 동안 미국의 기업과 연구실험실은 양자 상호연결, 양자 중계기 및 양자 메모리에서부터 대륙 간 고성능 양자 채널 및 우주 기반 얽힘 탐색에 이르기까지 양자 네트워크를 가능케 하는 기초과학 및 핵심기술을 실증해 나갈 것이다. 동시에, 이러한 양자정보통신 시스템의 잠재적 영향력과 향상된 기능의 적용이 상업, 과학, 건강 및 국가 안보 등에 대한 어떠한 기여를 할 것인지를 분석할 것이다.

② 향후 20년 동안 양자 인터넷을 연결하는 것은 네트워크로 연결된 양자기기를 활용하여 기존 기술로는 불가능했던 새로운 기능을 실현하는 동시에 얽힘의 역할에 대한 이해도를 향상시킬 것이다.

이러한 목표를 추구하는 동안 국가양자이니셔티브의 강력한 조정과 미래 지향적 지도력에 따라 새로운 방향성을 지속적으로 탐구할 계획이다. 백악관 NSTC의 양자정보과학소위원회는 유용한 양자 네트워킹 및 기타 양자 기술과의 관련성에 대한 이해도의 향상과 비례하여 다음과 같은 양자정보과학 활동을 추진할 것을 권장하였다.

① 양자제한검출기(Quantum-limited detector), 초 저손실 상호연결, 우주와 지상 간 연결, 기존의 네트워킹 및 사이버보안 프로토콜 등 주요 구성요소에 대한 기술 및 플랫폼 개발

② 광학 및 통신체계로부터 마이크로파를 포함한 양자 컴퓨터 관련 영역에 이르기까지 양자 소스 및 신호의 변환

③ 얽힘 및 고수준 얽힌 상태 생성, 양자 상태의 전송, 통제, 양자 상태의 측정

④ 광학 또는 통신 파장에서 광자 기반 양자 비트와 호환되는 양자 메모리 및 소규모 양자 컴퓨터 개발

⑤ 양자 오류 정정, 양자 클라우드 컴퓨팅 프로토콜 및 새로운 양자 센서 모형을 포함하여 소규모 및 대규모 양자 프로세서 사이의 장거리 얽힘을 위한 새로운 알고리즘 및 애플리케이션 연구

⑥ 지상 및 공간 기반 얽힘 분포에 대한 기술 연구

미국 양자시대를 대비한 암호 정책 추진

미국 양자정보과학의 핵심기술의 일부로 양자를 활용한 보안을 연구하는 것과 더불어 양자시대 및 그 이후를 준비하여 새로운 암호기술 개발에도 박차를 가하고 있다.

미국 상공부의 국립과학기술표준연구소(NIST)는 이전부터 DES(Data Encryption Standard), AES(Advanced Encryption Standard)의 암호표준을 제정하여 보급하고 있으며, 현재 고수준의 보안이 필요한 네트워크 및 디지털 기기 등에는 AES가 널리 적용되고 있다.

그러나 양자 시대를 맞이하면서 이러한 암호기술 등도 완벽하지 않을 수 있다는 우려 등이 높아지는 상황에서 양자시대 및 그 이후를 대비한 새로운 암호표준을 제정하기 위한 암호공모를 진행하고 있다. NIST는 PQCrypto 2016 컨퍼런스에서 공개경쟁방식의 프로세스를 통한 양자 시대 및 그 이후를 대비한 포스트 양자(Post-Quantum) 암호화 표준을 개시하다고 발표했다. 차세대 암호 알고리즘은 전 세계의 기관들이 참여할 수 있으며, 여러 번의 라운드를 걸쳐 진행하고 있다.

포스트 양자 암호화의 경우, 양자 보안 측정의 불확실성은 아마도 가장 까다로운 문제로 지적되고 있다. 오늘날의 암호화 표준에서 고전적인 보안 강도는 근본적인 어려운 문제를 해결하는 가장 잘 알려진 알고리즘의 복잡성에 따른다. 예를 들어, RSA 암호화 시스템의 경우 보안 강도는 공개 키 매개 변수의 이진 길이와 관련하여 최상의 인수 분해 알고리즘의 복잡성에 따라 측정된다. 대조적으로, 포스트 양자 암호화 메커니즘에서 보안은 고전 및 양자 컴퓨터 모두를 고려하면서 다양한 문제점을 예상하고 해결할 필요가 있다. 양자 보안 요구사항은 메모리 공간 및 회로 깊이를 포함한 미래의 양자 컴퓨터에 대한 특수 상황 등을 고려해야한다.

포스트 퀀텀 암호화 메커니즘은 현재 널리 사용되는 공개 키 암호화 표준에서 발생하지 않은 다양한 문제점을 해결할 필요가 있다. 예를 들어, 일부 포스트 양자 암호화 메커니즘에서 암호 해독 실패가 발생할 수 있다. 일반적으로 매우 적은 확률로만 발생하지만 특정 프로토콜에서 작동할 때 보안 결함이 없는지 확인해야한다.

NIST는 2017년까지 1차 라운드를 통해서 64개의 후보를 선정하였고, 이어서 2차 라운드를 통해 2019년 1월 1년이 이상 각 알고리즘의 보안, 비용 및 성능 및 구현 특성을 고려하여 평가를 진행하여 26건을 2차 후보로 선정하였다. 이 표준화 단계에서, 알고리즘 다양성은 서로 다른 범주가 서로 보완할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 연구가 계속되도록 여러 분야에서 선정되었다. 각 분야의 2차 후보의 분포는 다음의 표와 같다.

NIST의 차세대 암호 표준 선정 관련 2라운드 후보
(출처: AIMS⁽¹⁰⁾, 국가보안기술연구소, IITP⁽¹¹⁾ 재인용)

NIST의 포스트 양자 암호화 표준화 프로세스는 다년간의 프로젝트이며, 두 번째 라운드는 12-18개월이 소요될 예정이며, NIST는 후보를 3차로 다시 한번 진행할 수도 있고, 2차 후보 중에서 표준화를 위해 직접 선택할 수도 있다. NIST는 2022년 또는 2023년 경 포스트 양자 암호화 표준을 발표할 것으로 예상된다.

정책적 시사점

양자 혁명의 속도가 빨라지고 있으며, 가트너는 2023년까지 조직의 20%가 양자 컴퓨팅 프로젝트 예산을 책정하기 시작할 것으로 예측하고 있다.⁽¹²⁾ 미국 등 주요국의 양자정보통신의 대한 대규모의 선제적인 투자에 비해서는 다소 늦었지만, 최근 국내에서도 양자정보통신 정책에 적극적으로 나서고 있다. 2020년 시작과 함께 과학기술정보통신부는 양자컴퓨팅·양자암호통신·양자센서에 대한 중요성을 인식하여 양자정보통신 기술·산업 촉진계획을 마련하고 투자계획을 발표하였다. 과학기술정보통신부는 1차관은 양자컴퓨팅, 2차관은 양자암호통신과 양자센서 중장기계획 수립으로 역할분담하여 추진할 계획이다. 금년에는 84억3400만원 예산을 투입해 양자 관련 시스템과 알고리즘과 소프트웨어 등 양자컴퓨팅 유망 기반기술 개발을 중점 추진할 계획이다.

국내 기업들은 구글, IBM 등 양자정보통신 분야를 선도하는 기업들에 비해 참여시기는 늦었지만 양자 컴퓨터의 핵심적인 보안기술 분야 개발에서는 성과를 내고 있다. SK 텔레콤은 송신부와 수신부에서 양자 암호 키를 동시에 생성하여 분배하는 기술인 양자 키(Key) 분배기, 양자의 고유한 특성을 이용해 정형화된 패턴을 판독할 수 없는 암호를 생성하는 기술인 양자 난수 생성기 분야에서 국제 최고 수준의 기술력을 보유하고 있는 것으로 평가되고 있다. SK텔레콤은 2020년 3월에 온라인으로 열린 ITU-T 회의에서 자사가 제안한 ‘양자 키 분배 적용 네트워크의 필요 보안사항’ 관련 기술보고서가 국제 표준으로 최종 승인됐다고 밝혔다.

양자 키 분배(QKD) 기술 개념도
[출처: SK 텔레콤, 한경비즈니스 재인용⁽¹³⁾]

SK텔레콤에 비해서는 후발주자지만, KT 또한 양자암호통신 분야에서 국제표준 주도권을 확보해나가고 있다. KT는 2020년 ITU-T SG13 국제회의에서 KT가 주도적으로 제안한 ‘양자암호통신 네트워크 기술 요구사항’ 표준에 대해 예비승인을 받았다고 밝혔다. KT는 전 세계 사업자 중 유일하게 양자암호통신에서 2건을 국제표준을 승인받게 되었다.

향후 양자정보통신 분야는 양자혁명을 불릴 수 있을 정도로 폭발적인 성장과, 산업계 전반의 혁기적인 변화를 몰고 올 것으로 예측됨에 따라 이 분야에 대한 정책적인 관심과 투자를 강화할 필요가 있다. 양자정보통신 분야가 물리학, 정보학 등의 기술력을 결합하고, 기초적인 연구가 필수적인 분야로 이 분야를 주도하고 있는 미국 등 주요국과의 연구개발 협력을 강화하는 한편 국내 양자정보통시 인재를 양성할 필요가 있다. 아울러 양자정보통신분야에서 국내 기술이 세계적인 수준으로 인정받고 있는 양자암호 분야에 대해서는 정책적인 지원을 통해 글로벌 기술 경쟁력을 확보함으로써, 국내 제품 및 서비스의 해외 진출을 지원할 필요가 있다.

[참고문헌]

Globenewswire, Worldwide Quantum Computing Market (2019 to 2030) – Drivers, Restraints and Opportunities, 2020.4.6.

IITP, ICT R&D 로드맵 2023, 2018.12

IITP, ICT SPOT ISSUE(ICT의 새로운 진화-양자정보통신을 위한 향한 주요국의 도전, 2019.8.7.

NSTC, A Federal Vision for Quantum Information Science, 2019.1.5.

NSTC, National Strategic overview of Quantum Information Science, 2018.9

NSTC Subcommittee on Quantum Information Science; ‘National Strategic overview of Quantum Information Science’, 2018.9.

Congress, H.R.6227 – National Quantum Initiative Act, 2018.12.21.

NSTC Subcommittee on Quantum Information Science; ‘National Strategic overview of Quantum Information Science’, 2018.9.

White House National Quantum Coordination Office, A Strategy Vision for America’s Quantum Networks, 2020.2

American Institute of Mathematical Science, New mission and opportunity for mathematics researchers: Cryptography in the quantum era, 2020.2

IITP, 주간기술동향(양자컴퓨터 R&D 현황과 전망), 2019.9.25.

Forbes, Staying Secure In A Post-Quantum World, 2020.3.12.

한경비즈니스, SK텔레콤, 9년 투자 ‘뚝심’…‘양자 암호 통신’ 뭐길래?, 2020.4.14.

디지털데일리, ‘양자암호’ 네 살배기 KT, 글로벌 표준 주도, 2020.4.21