측정 및 네트워크 암호화

스토리8월 23, 2022

다음 단계: 차세대

테스트 및 계측과 네트워크 암호화를 통해 양자 기술을 새로운 부문에 적용하는 방식

공공부문과 민간부문에서 양자 기술에 수십억 달러를 투자하고 있습니다. 양자 기술에서 새로운 이정표가 세워졌다는 기사가 연이어 언론에 보도되고 있습니다. 센서 기술, 컴퓨팅, 통신 부문에서 상상처럼 느껴지던 운용 방식이 곧 현실이 될 것으로 보입니다. 과학 및 산업 부문과 공공기관은 로데슈바르즈가 제공하는 고정밀 T&M(Test and Measurement) 솔루션을 사용해 개별 양자 시스템에서 특정 테스트를 수행할 수 있습니다. 또한 로데슈바르즈의 암호화 전문가는 연구 단계에 머무르던 양자 기반 보안 통신을 관련 부문에 적용하기 시작했습니다.

Ping Loke 사진

"양자 컴퓨팅, 양자 센서 기술, 양자 통신, 이 세 가지 기술에는 어마어마한 잠재력이 있습니다."

Ping Loke, R&D Executive Vice President

양자 기술에 대한 투자 금액만으로 판단하더라도 양자 기술의 혁신 잠재력에 대한 기대가 얼마나 높은가를 알 수 있습니다. 전 세계의 유명 벤처캐피털 펀드들이 투자를 아끼지 않고 있으며 수십억 달러의 공공자원도 국내 및 다국적 연구 자금에 투입되고 있습니다.

예를 들어 독일 연방교육부는 26억 유로 규모의 양자 기술 펀드를 조성했습니다. EU Quantum Flagship 프로젝트에는 10억 유로 이상의 예산이 편성되어 있으며 US National Quantum Initiative Act에는 20억 달러가 배정되어 있습니다.

"지난 20년간 폭발적인 연구 활동이 이루어졌습니다. 현재는 2세대 양자 기술에 주력하고 있는 추세입니다."
Ping Loke, 본사 R&D Executive Vice President

양자 효과는 일상 생활의 일부가 되었습니다. 예를 들어 최신 스마트폰의 경우 주로 플래시 메모리 칩에 수백, 수십억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있습니다. 전류와 전압을 제어하는 트랜지스터의 기능은 반도체의 양자 기계학적 특성을 기반으로 합니다. 1세대는 자연적인 양자 효과를 이용합니다. 반면, 2세대 양자 기술은 개별 양자 상태를 만들고 제어하는 것을 기반으로 합니다.

양자 기술 2.0: 무엇을 기대할 수 있는가?

맞춤 의료

맞춤 의료

맞춤 의료: 모든 사람은 다르기 때문에 질병도 각각 다릅니다. 예를 들어 암세포는 사람마다 다르며 시간이 지남에 따라 달라지는 경우도 많습니다. 이러한 차이와 변화는 이미 분석적 용어로 문서화되었으며 이에 따라 어마어마한 양의 데이터가 생성되었습니다. 빅 데이터라는 단어가 유행하고 있습니다. 하지만 기존 컴퓨터에서 이 데이터를 빠르고 효과적으로 평가하여 맞춤 치료 형태를 개발하는 것은 불가능합니다.

공급망 업그레이드

공급망 업그레이드

공급망 업그레이드: 글로벌 유통망을 통해 상품이 전 세계 구석구석으로 유통되고 있고 이제 클릭만 하면 어떤 상품도 구입할 수 있습니다. 클릭만 하면 가정에서 사용할 새 태블릿을 구입할 수도 있고 회사 파티를 위한 증정품도 쉽게 구입할 수 있습니다. 하지만 그 이면에는 제조업체, 서비스 제공업체, 공급업체, 무역 사업자, 운송회사, 택배 서비스 등의 복잡한 물류망이 있습니다. 컨테이터 항만에서 약간의 재고 또는 구입 품목의 가격 변동이 발생할 경우에도 대체품을 찾아야 하며, 실시간 검색이 선호됩니다. 하지만 이러한 작업의 복잡도는 기존 컴퓨터가 처리할 수 있는 수준을 넘어섭니다.

보안 통신의 양자 물리학

보안 통신의 양자 물리학

보안 통신의 양자 물리학: 개인이건 전문가이건, 해변에서 촬영한 스냅샷이건 신제품을 위한 개발 제안서이건, 데이터와 데이터 전송은 보호받을 필요가 있습니다. 오늘날의 기업은 사이버 공격과 그에 따른 피해를 비즈니스에 대한 가장 큰 리스크로 지적해 왔습니다. 양자 컴퓨팅이 개발되는 과정에서 기존 암호화 기술의 한계가 드러나게 되었습니다. 양자 통신의 혁신이 이루어지고 무단 접속을 정확히 탐지할 수 있게 되면서 양자 통신은 미래를 여는 열쇠로 평가받고 있습니다. 즉, 민감한 데이터에 대해 강력한 보안 채널을 만들 수 있는 것입니다.

더욱 빠른 속도의 양자 컴퓨팅.

우리의 세계는 이진 코드로 통제되고 있습니다. 기존 컴퓨터는 데이터를 1과 0, true 또는 false, off 또는 on의 시퀀스로 처리합니다. 이러한 방식은 간단한 텍스트 처리부터 메타버스의 가상 현실까지 모든 것에 적용됩니다. 하지만 우리가 생활하고 일하고 있는 세상은 점점 더 복잡해지고 있습니다. 우리가 처리해야 할 데이터의 양은 빠르게 증가하고 있습니다. 2012년부터 2020년까지 생성된 디지털 데이터의 양은 10배 증가했으며 2025년까지 다시 세 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 예상되는 데이터의 양은 180제타바이트, 다시 말해 180조 기가바이트를 상회합니다.

따라서 기존 컴퓨터는 극복할 수 없는 두 가지 문제점, 즉, 시간과 복잡성에 직면해 있습니다. 데이터의 양이 많을수록 해당 데이터를 순차적으로 처리하는 데 필요한 시간도 증가합니다. 문제가 복잡할수록 두 가지 상태만 있는 이진 코드를 사용해 해결 방법을 효율적으로 계산할 수 있는 가능성은 감소합니다. 양자 컴퓨터는 현대 물리학에서 얻은 정보를 활용해 두 가지 문제점을 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Some like it cold

저온 연구

저온 연구를 위한 WMI(Walther Meißner Institute)는 Bavarian Academy of Sciences and Humanities 내 연구 기관입니다. 이 연구 기관은 저온/초저온 물리학 분야에서 기초 및 응용 연구를 수행합니다. 양자 컴퓨팅은 자연적으로 대세를 이루게 된 분야 중 하나이며 연구원들은 로데슈바르즈와 그 자회사인 Zurich Instruments의 T&M 솔루션을 이용하여 시스템을 관리하고 있습니다.

"어느 한쪽-또는"이 아닌 "통합"

기존 비트와 마찬가지로, 양자 비트(qubit)는 양자 기계학적 메모리 단위를 형성합니다. 양자 비트는 0과 1 이외에도 오버랩과 혼합 상태를 가정할 수 있습니다. 이러한 동시성은 근본적인 기술적 패러다임의 변화를 나타냅니다. 이제 기존의 순차적 계산 방식을 동시에 실행할 수 있어 양자 컴퓨터가 매우 많은 시간을 절감해 줄 수 있다는 것입니다.

무엇보다도, 새로운 양자 기계학적 방식을 통해 새롭고 훨씬 복잡한 질문을 처리할 수 있습니다. 하지만 기존 처리 성능으로나 양자 컴퓨팅에서나 "어느 한쪽-또는" 방식으로 결정하지 않습니다. 대신, 중요한 것은 작업에 따라 기존 시스템과 양자 시스템을 통합하는 것입니다.

연구 목표를 간단히 살펴보기만 해도 응용 연구 팀이 풀어야 할 숙제가 얼마나 많은지를 알 수 있습니다. 예를 들어 단백질 접힘은 매우 중요한 문제이며 주목 받고 있는 분야 중 하나입니다. 해결방법을 찾는다면 1차 아미노산 배열 순서를 기준으로 단백질의 3차원 구조를 예측할 수 있습니다. 이 연구를 통해 예를 들어 유효한 맞춤 의료를 개발할 가능성이 높기 때문에 이 연구에 대한 기대도 높습니다.

물리학 대 논리

양자 세계에서는 하나의 입자가 동시에 두 위치에 존재할 수 있습니다. 입자를 관찰한 때에만 측정 등의 방식으로 해당 위치를 좁혀갈 수 있습니다. 달리 말해, 입자를 관찰할 때까지는 확정적 위치가 없습니다. 이와 같이 특이한 특성으로 인해 상태가 매우 불안정적입니다. 오류 발생 가능성이 큰 개별 물리적 qubit을 사용하는 대신, 복수의 qubit은 논리적 qubit으로 그룹화됩니다. 하지만 단백질 접힘과 같은 실무적 질문에 대답하기 위해서는 최대 백만 개의 논리적 qubit이 포함된 양자 시스템이 필요하다는 것이 과제입니다. 논리적 qubit에는 최대 100개의 물리적 qubit을 포함할 수 있지만 최대 처리 용량은 현재 127 물리적 qubit에 불과합니다.

Sadik Hafizovic 사진

"우리의 미션은 양자 컴퓨터 구축을 지원하는 것입니다."

Dr. Sadik Hafizovic, 로데슈바르즈 자회사 Zurich Instruments CEO 겸 공동 설립자

Zurich Instruments는 로데슈바르즈 계열사 중 가장 최근 포함된 기업입니다. 특히 양자 컴퓨팅에 대한 T&M 시장은 두 기업에 어마어마한 잠재성을 의미합니다. 양자 컴퓨터를 운영 및 유지하기 위해서는 RF 신호를 극히 정밀하게 발생 및 측정하여 양자 상태를 효과적으로 생성 및 기록해야 하므로 다양한 종류의 특정 T&M 솔루션이 필요합니다. 양자 컴퓨터를 위한 제어 시스템은 기업 포트폴리오의 일부입니다.

"연구 실험실과 산업 파트너들은 양자 컴퓨터를 완벽히 운영하기 위해 측정 및 제어 시스템을 이용합니다. 그러면 양자 연구원들이 자체 기기를 개발하는 데 시간을 낭비할 필요가 없기 때문에 우리는 혁신을 가속화하는 데 도움을 줄 수 있습니다"
Sadik Hafizovic, 로데슈바르즈 자회사 Zurich Instruments CEO 겸 공동 설립자

더욱 강화된 보안의 양자 통신

양자 컴퓨터는 처리 효율성의 한계를 높일 수 있는 잠재력이 있습니다. 하지만 그에 따라 보안 통신과 같은 과제를 해결해야 하는 문제가 따릅니다. 1990년대 초기에 고성능 양자 컴퓨터를 이용하여 기존 암호화 알고리즘을 깰 수 있는 최초의 알고리즘이 시작되면서 판도라의 상자가 열렸습니다.

그 후부터 다체 암호화 방식이 적용되었습니다. 기본적으로 두 가지 접근방식이 있습니다. 첫 번째는 전체적으로 기존 암호화 방식을 이용하는 PQC(Post-Quantum Cryptography, 포스트 양자 암호)이며 주요 차이점 한 가지는 양자 컴퓨터로부터의 공격 시 손상을 입지 않는다는 점입니다. 이 방식에 사용된 알고리즘은 양자 또는 기존 컴퓨터를 이용할 때 현재 알려진 효과적 공격이 없다는 이론적 가정을 기반으로 합니다.

Falk Herrmann 사진

"보안 통신 네트워크는 첨단 정보 사회에서 중요한 인프라가 되었습니다."

Dr. Falk Herrmann, 로데슈바르즈 사이버 보안 CEO

두 번째 접근방식은 QKD(Quantum Key Distribution, 양자 키 분배)와 관련이 있습니다. 이 분야의 혁신을 주도하고 있는 당국은 독일 연방정보보안청(BSI)과 NIST(National Institute of Standards and Technology)입니다. 디지타이징이 더욱 증가하고 있는 사회에서 민간 부문 고객과 특히 정부 고객은 신뢰할 수 있는 IT 보안 솔루션에 의존합니다.

이러한 혁신 솔루션은 암호화에서 무엇을 중요시하는가에 대한 생각을 전환하고 있습니다. 기존 방식과 최근 소개된 포스트 양자 방식은 수학적 가정, 즉, 특정 작업을 충분히 효율적으로 계산할 수 없다는 개념을 기반으로 합니다. 반면 QKD는 물리적 원리를 기반으로 합니다.

대칭 키를 안전하게 배분

대칭 키를 안전하게 배분하는 것이 목표입니다. 그러려면 광 링크(광 케이블 등)를 통해 수백만 개의 개별 광자(빛 입자)를 전송해야 합니다. 각 광자는 자체의 임의 양자 상태를 가지고 있습니다. 양자를 판독 또는 복사하려는 시도가 있을 경우 이 상태에 변화가 나타납니다. 외부에서 양자를 관찰하려는 시도가 있을 경우 전송이 중단되고 모든 중단이 탐지되는 방식으로 QKD 프로토콜이 설계되었기 때문에 이러한 상태 변화는 정확하게 탐지할 수 있습니다.

첫 번째 QKD 장치는 기본적으로 물리학 작업 그룹에 의해 개발되었으며 몇년에 걸쳐 상용화 작업이 진행되어 왔습니다. 로데슈바르즈 사이버 보안은 수많은 연구 프로젝트에서 보안 솔루션에 관한 광범위한 전문지식과 보안 장치 및 시스템의 구축과 구현 관련 경력을 제공 및 활용하고 있습니다.

"로데슈바르즈는 연구 단계에 머무르던 양자 통신을 실제 환경에 적용하기 위한 전문지식을 활용하고 있습니다."
Falk Herrmann, CEO 로데슈바르즈 사이버 보안

협업을 통한 혁신

기술을 실제로 개발하는 것 이외에도, 고객과의 상호작용, 연구 단체 및 업계 협회 참여도 중요합니다. 이에 따라 로데슈바르즈는 새로 창설된 여러 협회에서 초창기 파트너로 활약해 왔습니다. 몇 가지만 소개하면 다음과 같습니다.

Munich Quantum Valley

MQV(Munich Quantum Valley)는 바이에른에서 독일 연방교육연구부의 후원을 받아 양자 과학과 양자 기술을 장려하기 위해 시작된 프로젝트입니다. 이 프로젝트의 목표는 최대 100 qubit의 데몬스트레이터를 구축하는 것입니다. Zurich Instruments는 3D 통합 qubit에 대한 새로운 고충실도 판독 스키마와 양자 프로세서를 위한 교정 루틴 자동화를 담당하고 있습니다. 이 프로젝트에는 Walter Meißner Institute, TU Munich, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland, IQM Deutschland 등의 파트너가 참여 중입니다.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

이 프로젝트의 목표는 성능, 규모, 정밀도, 적용 범위 측면에서 다른 여러 세대의 프로세서를 탑재한 초전도 양자 컴퓨터를 구축하는 것입니다. Zurich Instruments는 양자 컴퓨터 제어 시스템을 양자 스택에 통합하고 높은 통신 대역폭으로 데이터 전송 프로토콜을 최적화하는 작업을 맡았습니다. 이 프로젝트에 적극 참여 중인 업계 파트너는 Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech, Atos Information Technology가 있습니다.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

이 프로젝트는 유럽 연합에서 큰 기대를 걸고 최대 규모로 운영 중인 프로젝트 중 하나인 Quantum Flagship의 일부입니다. OpenSuperQ의 목표는 최대 100 qubit의 양자 데이터 처리 시스템을 설계, 빌드, 운영하는 것입니다. 중앙 위치에 있는 이 시스템에 대한 영구적 가용성을 외부 사용자에게 제공하는 것을 계획하고 있습니다. Zurich Instruments는 실온 전자기기와 multi-qubit 시스템의 계측 및 데어 소프트웨어를 담당하고 있습니다 . 이 프로젝트의 주요 파트너는 독일 Jülich Research Center, 스위스 대학 ETH Zurich, 스웨덴 Chalmers University of Technology입니다.

https://opensuperq.eu/

장기적 보안을 위한 Botan 암호화 라이브러리

로데슈바르즈 사이버 보안은 파트너인 AISEC(Fraunhofer Institute for Applied and Integrated Security), TU Berlin, Nexenio와 함께 양자 컴퓨터의 공격 시 손상을 방지할 수 있는 암호화 알고리즘으로 라이브러리를 업그레이드하고 있습니다.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

유럽 연합은 QKD를 후원하고 있는 13개 회원국의 40여 개 프로젝트 파트너로 구성된 컨소시엄을 창설했습니다. 목표는 실용성 있는 QKD(Quantum Key Distribution)을 구현하기 위해 테스트 및 통신 네트워크 인프라를 구축하는 것입니다. EuroQCI(European Infrastructure for Quantum Communications)는 미래 후속 프로젝트에서 추가 개발이 예정되어 있습니다.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

독일 연방교육연구부에서 진행하는 이 프로젝트의 목표는 통신 인프라 내에서 안전한 QKD 네트워크 관리 시스템을 연구, 개발, 입증하는 것입니다. 베를린과 본을 양자 통신 테스트 루트로 연결한 데몬스트레이터로 활용하여 프로젝트를 진행하게 됩니다. 독일 내 최장 거리의 양자 네트워크를 구축할 것으로 기대하고 있습니다.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Quarate는 연반교육연구부의 후원을 받는 프로젝트입니다. 목표는 양자 Microwave와 고급 상관관계 방식을 이용하여 데이터 획득을 개선함으로써 양자의 이점을 활용하여 기존 레이더 기술의 한계를 높이는 것입니다. 프로젝트 파트너는 DLR(German Aerospace Center), TUM(TU Munich), WMI(Walther Meißner Institute)가 있습니다.

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html