양자 컴퓨터와 암호화폐

소개

양자 컴퓨터는 복잡한 방정식을 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 풀 수 있는 강력한 기계입니다. 일부 전문가들은 오늘날 가장 빠른 컴퓨터로 수천 년이 걸리는 암호화를 단 몇 분 만에 해독할 수 있다고 추정합니다. 결과적으로 비트코인 ​​및 암호화폐 의 기반이 되는 암호화를 포함하여 오늘날 대부분의 디지털 보안 인프라가 위험에 처할 수 있습니다.

이 기사에서는 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터와 어떻게 다른지, 그리고 암호화폐와 디지털 인프라에 어떤 위험이 있는지에 대해 소개합니다.

 

현재 양자 컴퓨팅 분야에서 가장 선두적인 회사는 IBM, Google, Microsoft, Amazon, Intel 등이 있습니다. 이 회사들은 이미 양자 컴퓨팅 기술을 연구하고 있으며, 각각의 방식으로 양자 컴퓨팅 기술을 상용화하려는 노력을 하고 있습니다. 이 중에서도 IBM의 양자 컴퓨터는 이미 상용화되어 있으며, 다양한 기업과 학술 연구기관에서 이용되고 있습니다. 하지만 양자 컴퓨팅 기술은 아직 상용화에는 이르지 않았고, 많은 연구가 필요합니다.

 

비대칭 암호화 및 인터넷 보안

비대칭 암호화 (공개 키 암호화라고도 함)는 암호화폐 생태계와 대부분의 인터넷 인프라의 중요한 구성 요소입니다. 정보를 암호화하고 해독하는 키 쌍, 즉 암호화할 공개 ​​키와 해독할 개인 키에 의존합니다. 반대로 대칭 키 암호화는 하나의 키만 사용하여 데이터를 암호화하고 해독합니다.

 

공개 키는 자유롭게 공유하고 정보를 암호화하는 데 사용할 수 있으며 해당 개인 키로만 해독할 수 있습니다. 이렇게 하면 의도한 수신자만 암호화된 정보에 액세스할 수 있습니다.

비대칭 암호화의 주요 이점 중 하나는 신뢰할 수 없는 채널에서 공통 키를 공유할 필요 없이 정보를 교환할 수 있다는 것입니다. 이 중요한 능력이 없었다면 인터넷에서 기본적인 정보 보안은 불가능했을 것입니다. 예를 들어, 신뢰할 수 없는 당사자 간에 정보를 안전하게 암호화하는 기능이 없는 온라인 뱅킹은 상상하기 어렵습니다.

 

주제에 대해 자세히 알아보려면 대칭 암호화와 비대칭 암호화를 확인하십시오.

비대칭 암호화의 보안 중 일부는 키 쌍을 생성하는 알고리즘이 공개 키에서 개인 키를 계산하는 것을 매우 어렵게 만드는 반면 개인 키에서 공개 키를 계산하는 것은 간단하다는 가정에 의존합니다. 수학에서는 이것을 한 방향으로 계산하기는 쉽지만 다른 방향으로는 어렵기 때문에 이것을 트랩도어 함수라고 합니다. 

 

현재 키 쌍을 생성하는 데 사용되는 대부분의 최신 알고리즘은 알려진 수학적 트랩도어 함수를 기반으로 합니다. 이러한 트랩도어 기능은 기존 컴퓨터에서 실행 가능한 시간 내에 해결할 수 없는 것으로 알려져 있습니다. 가장 강력한 기계라도 이러한 계산을 수행하는 데는 엄청난 시간이 걸립니다. 

 

그러나 이것은 양자 컴퓨터라는 새로운 컴퓨팅 시스템의 개발로 곧 바뀔 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 왜 그렇게 강력한지 이해하기 위해 먼저 일반 컴퓨터가 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.  

 

클래식 컴퓨터

오늘날 우리가 알고 있는 컴퓨터는 고전 컴퓨터라고 할 수 있습니다. 이는 계산이 순차적인 순서로 수행됨을 의미합니다. 계산 작업이 실행된 다음 다른 작업을 시작할 수 있습니다. 이는 기존 컴퓨터의 메모리가 물리 법칙을 따라야 하고 0 또는 1(꺼짐 또는 켜짐) 상태만 가질 수 있기 때문입니다.

 

컴퓨터가 복잡한 계산을 더 작은 덩어리로 나누어 효율성을 얻을 수 있도록 하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 방법이 존재합니다. 그러나 기본은 동일하게 유지됩니다. 계산 작업은 다른 작업을 시작하기 전에 완료해야 합니다.

컴퓨터가 4비트 키를 추측해야 하는 다음 예를 살펴보겠습니다. 4비트는 각각 0 또는 1일 수 있습니다. 표에 표시된 대로 16가지 가능한 조합이 있습니다.

 

 

고전적인 컴퓨터는 각 조합을 한 번에 하나씩 개별적으로 추측해야 합니다. 열쇠 고리에 자물쇠와 16개의 열쇠가 있다고 상상해 보십시오. 16개의 키는 각각 개별적으로 시도해야 합니다. 첫 번째 열쇠가 자물쇠를 열지 않으면 다음 열쇠를 시도하고 그 다음 열쇠를 시도할 수 있으며, 올바른 열쇠가 자물쇠를 열 때까지 계속됩니다.

 

그러나 키 길이가 늘어나면 가능한 조합의 수도 기하급수적으로 늘어납니다. 위의 예에서 추가 비트를 추가하여 키 길이를 5비트로 늘리면 32개의 가능한 조합이 생성됩니다. 6비트로 늘리면 64개의 가능한 조합이 생성됩니다. 256비트에서 가능한 조합의 수는 관찰 가능한 우주의 예상 원자 수에 가깝습니다.

반대로 계산 처리 속도는 선형적으로만 증가합니다. 컴퓨터의 처리 속도를 두 배로 늘리면 주어진 시간에 추측할 수 있는 횟수가 두 배로 늘어납니다. 기하급수적 성장은 추측 측면에서 선형 진행을 훨씬 능가합니다.

 

고전적인 컴퓨팅 시스템이 55비트 키를 추측하는 데는 수천 년이 걸릴 것으로 추정됩니다. 참고로 비트코인에서 사용되는 시드의 최소 권장 크기는 128비트이며 많은 지갑 구현에서 256비트를 사용합니다.

 

고전 컴퓨팅은 암호화폐와 인터넷 인프라에서 사용하는 비대칭 암호화에 위협이 되지 않는 것으로 보입니다.

  

양자 컴퓨터

현재 개발 초기 단계에 있는 컴퓨터가 있는데, 이러한 종류의 문제는 해결하기가 쉽지 않습니다. 바로 양자 컴퓨터입니다. 양자 컴퓨터는 아원자 입자의 행동 방식과 관련된 양자 역학 이론에 설명된 기본 원리를 기반으로 합니다.

 

기존 컴퓨터에서 비트는 정보를 나타내는 데 사용되며 비트는 0 또는 1의 상태를 가질 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 양자 비트 또는 큐비트로 작동합니다. 큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위입니다. 비트와 마찬가지로 큐비트도 0 또는 1의 상태를 가질 수 있습니다. 그러나 양자 역학 현상의 특수성 덕분에 큐비트의 상태도 동시에 0과 1이 될 수 있습니다.

 

이것은 양자 컴퓨팅 분야에 대한 연구 개발에 박차를 가했으며, 대학과 민간 기업 모두 이 흥미진진한 새로운 분야를 탐구하는 데 시간과 돈을 투자했습니다. 이 분야가 제시하는 추상적 이론과 실용적인 공학 문제를 다루는 것은 인간의 기술적 성취의 최첨단에 있습니다.

불행하게도 이러한 양자 컴퓨터의 부작용은 비대칭 암호화의 기반을 형성하는 알고리즘이 해결하기가 쉬워지고 이에 의존하는 시스템이 근본적으로 손상된다는 것입니다.

 

다시 4비트 키를 해독하는 예를 살펴보겠습니다. 4큐비트 컴퓨터는 이론적으로 단일 계산 작업에서 한 번에 16가지 상태(조합)를 모두 취할 수 있습니다. 올바른 키를 찾을 확률은 이 계산을 수행하는 데 걸리는 시간에서 100%입니다.

 

 

양자 저항 암호

양자 컴퓨팅 기술의 출현은 암호화폐를 포함한 대부분의 현대 디지털 인프라의 기반이 되는 암호화를 약화시킬 수 있습니다.

 

이것은 정부와 다국적 기업에서 개인 사용자에 이르기까지 전 세계의 보안, 운영 및 통신을 위험에 빠뜨릴 것입니다. 기술에 대한 대책을 조사하고 개발하기 위해 상당한 양의 연구가 진행되고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 양자 컴퓨터의 위협에 대해 안전하다고 가정되는 암호화 알고리즘을 양자 저항 알고리즘이라고 합니다.

 

기본적인 수준에서 양자 컴퓨터와 관련된 위험은 키 길이의 간단한 증가를 통해 대칭 키 암호화로 완화될 수 있는 것으로 보입니다. 이 암호화 분야는 개방형 채널에서 공통 비밀 키를 공유함으로써 발생하는 문제로 인해 비대칭 키 암호화에 의해 제외되었습니다. 그러나 양자 컴퓨팅이 발전함에 따라 다시 나타날 수 있습니다.

개방형 채널에서 공통 키를 안전하게 공유하는 문제는 양자 암호화에서 자체 솔루션을 찾을 수도 있습니다. 도청에 대한 대책을 개발하기 위한 발전이 이루어지고 있습니다. 공유 채널의 도청자는 양자 컴퓨터 개발에 필요한 동일한 원리를 사용하여 감지할 수 있습니다. 이렇게 하면 공유 대칭 키가 이전에 제3자에 의해 읽히거나 변조되었는지 알 수 있습니다.

 

가능한 양자 기반 공격을 물리치기 위해 조사 중인 다른 연구 방법이 있습니다. 여기에는 큰 메시지 크기를 생성하는 해싱 과 같은 기본 기술 이나 격자 기반 암호화와 같은 기타 방법이 포함될 수 있습니다. 이 모든 연구는 양자 컴퓨터가 해독하기 어려운 유형의 암호화를 만드는 것을 목표로 합니다.

 

개방형 채널(Open channel)은 블록체인 기술을 기반으로 하는 암호화폐에서 지불 처리를 보다 빠르고 효율적으로 처리하기 위해 사용되는 기술입니다. 이는 블록체인 기술에서 사용되는 스마트 계약 기능을 이용하여, 암호화폐 거래를 직접적으로 블록체인에 기록하지 않고, 블록체인 상에서 개별적으로 처리할 수 있는 채널을 열어 놓는 것을 말합니다.

 

개방형 채널은 블록체인 네트워크 상에서 거래를 직접 처리하는 것이 아니라, 블록체인 네트워크 상에서 채널을 열어 거래를 처리하는 방식으로 동작합니다. 이를 위해 두 거래자가 해당 채널을 열고, 그 안에서 거래를 진행합니다. 이 때, 채널 안에서 거래를 처리하기 때문에 블록체인 상에서 직접 거래가 발생하지 않아도 되어, 보다 빠르고 저비용으로 거래를 처리할 수 있습니다.

 

개방형 채널은 블록체인 상에서 거래 처리 속도를 높이고, 수수료를 줄일 수 있는 등의 장점을 가지고 있습니다. 또한, 개방형 채널을 열고 거래를 진행하는 동안에는 해당 거래가 블록체인 상에 기록되지 않기 때문에 거래의 개인 정보와 내용이 보호될 수 있다는 점도 장점으로 꼽힙니다.

 

양자 컴퓨터와 비트코인 ​​채굴

Bitcoin 마이닝 도 암호화를 사용합니다. 채굴자들은 블록 보상 에 대한 대가로 암호화 퍼즐을 풀기 위해 경쟁하고 있습니다. 한 명의 채굴자가 양자 컴퓨터에 액세스할 수 있다면 네트워크를 지배할 수 있습니다. 이는 네트워크의 분산화를 줄이고 잠재적으로 51% 공격에 노출될 수 있습니다. 

코인의 51% 공격은 블록체인 기술을 기반으로 한 암호화폐에서 발생할 수 있는 보안 위협 중 하나입니다. 이는 누군가가 암호화폐의 전체 해시파워의 51% 이상을 가지고 블록체인 네트워크를 공격하는 것을 말합니다.

 

블록체인은 분산 원장 기술로, 수많은 컴퓨터들이 거래 정보를 공유하고 검증합니다. 이러한 분산화 구조는 일종의 보안장치로 작용하여 블록체인 네트워크에 대한 외부 공격을 어렵게 만듭니다. 하지만 누군가가 암호화폐 네트워크의 해시파워의 51% 이상을 가지고 있으면, 해당 네트워크에서는 이 사람이 원하는 대로 거래를 변경하거나 중복해서 보낼 수 있습니다. 또한 이 사람이 블록체인의 해시파워를 독점하면, 새로운 블록의 생성도 제어할 수 있습니다.

 

이러한 51% 공격은 매우 위험하며, 공격자가 해당 블록체인에서 거래를 조작하거나, 거래를 중복해서 보내거나, 새로운 블록을 제어하여 더 많은 코인을 채굴할 수 있게 됩니다. 따라서 암호화폐 사용자들은 이러한 공격에 대비하여 안전한 거래소에서 거래를 진행하고, 가능하면 분산화된 블록체인 네트워크를 이용하는 것이 좋습니다.

 

그러나 일부 전문가에 따르면 이것은 즉각적인 위협이 아닙니다. ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)는 적어도 가까운 미래에는 그러한 공격의 효율성을 감소시킬 수 있습니다. 또한 여러 채굴자가 양자 컴퓨터에 액세스할 수 있으면 이러한 공격의 위험이 크게 줄어듭니다.

 

ASIC는 Application-Specific Integrated Circuit의 약자로, 특정 응용 분야에 특화된 집적회로를 말합니다. 이는 일반적인 집적회로와는 달리, 특정한 기능을 수행하기 위해 설계되어 있어서 매우 효율적으로 동작하며 빠르게 처리할 수 있습니다.

 

ASIC는 주로 디지털 회로나 아날로그 회로를 기반으로 하여, 사용자가 원하는 기능을 수행하도록 설계됩니다. 이를 위해 ASIC 설계자는 사용자의 요구사항에 따라 집적회로를 설계하고, 해당 회로를 반도체 공정을 통해 제조합니다. 이렇게 제조된 ASIC는 해당 응용 분야에서 매우 빠른 속도와 낮은 에너지 소비를 특징으로 하여, 많은 분야에서 사용되고 있습니다.

 

ASIC는 디자인의 복잡도나 생산량에 따라 비용이 매우 높을 수 있기 때문에, 대부분 대규모 제조 공정이 필요합니다. 하지만 그만큼 매우 효율적으로 작동할 수 있기 때문에, 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 예를 들어, 통신, 컴퓨터, 자동차, 산업 제어 등의 분야에서 ASIC가 적용되며, 이를 통해 많은 혁신적인 기술이 개발되고 있습니다.

 

마무리 생각

양자 컴퓨팅의 발전과 그에 따른 현재의 비대칭 암호화 구현에 대한 위협은 시간 문제인 것 같습니다. 그러나 즉각적인 문제는 아닙니다. 완전히 실현되기 전에 극복해야 할 엄청난 이론적 및 공학적 장애물이 있습니다.

 

정보 보안과 관련된 막대한 이해 관계로 인해 향후 공격 벡터에 대한 토대를 마련하는 것이 합리적입니다. 고맙게도 기존 시스템에 배포할 수 있는 잠재적인 솔루션에 대해 많은 연구가 진행되고 있습니다. 이론적으로 이러한 솔루션은 양자 컴퓨터의 위협으로부터 중요한 인프라의 미래를 보장합니다.

 

양자 저항 표준은 잘 알려진 브라우저와 메시징 응용 프로그램을 통해 종단 간 암호화가 출시된 것과 같은 방식으로 더 많은 대중에게 배포될 수 있습니다. 이러한 표준이 확정되면 암호화폐 생태계는 이러한 공격 벡터에 대해 상대적으로 쉽게 가능한 가장 강력한 방어를 통합할 수 있습니다.