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QKD; Quantum Key Distribution
양자기술로 생성한 암호키를 송수신측에 안전하게 전달하는 방식
  • 중간 도청시 암호키 손상, 탈취자 해독불가
  • 양자역학 고유 특성인 불확정성, 비복제성을 활용해 통신을 암호화하는 기술
  • '중첩' 이라는 양자 고유 특징을 활용해 중간에서 빼낼 수 없는 암호키를 송신자와 수신자에게 보내는 기술
  • 도감청을 원천 봉쇄

양자 키 분배는 데이터 자체를 양자로 암호화하는 기술이 아니라, 두 지점이 같은 비밀 키를 나눠 갖는 과정을 양자 물리로 처리하는 기술이다. 나눠 가진 키는 그 뒤 AES 같은 대칭키 암호화나 일회용 패드에 쓰인다. 장점은 도청자가 양자 상태를 건드리면 오류율이 올라가 도청 시도가 드러난다는 점이다. 다만 "도감청을 원천 봉쇄"한다는 표현은 이론상 키 분배 과정에 대한 것이며, 실제 장비는 구현 결함, 인증 부재, 서비스 거부에 취약할 수 있다.

CISSP 출제 개요 3.6은 공개키 기반 구조(PKI) 항목의 예로 양자 키 분배를 든다. 공개키 방식의 키 교환을 대신하거나 보완하는 키 수립 수단으로 보라는 뜻이다. 양자 컴퓨터 대비 알고리즘인 양자 내성 암호와는 전혀 다른 기술이다.

BB84 프로토콜

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BB84는 찰스 베넷(Charles Bennett)과 질 브라사르(Gilles Brassard)가 1984년 발표한 최초의 QKD 프로토콜이다. 광자의 편광을 서로 다른 두 기저(수직·수평 기저와 대각 기저)로 표현한다.

단계 송신자(앨리스) 수신자(밥) 채널
1. 준비 무작위 비트와 무작위 기저를 골라 그에 맞는 편광의 광자를 보낸다 - 양자 채널
2. 측정 - 광자마다 무작위로 기저를 골라 측정한다. 기저가 틀리면 결과는 무작위가 된다 양자 채널
3. 기저 비교(선별, sifting) 어떤 기저를 썼는지 공개한다(비트 값은 공개하지 않음) 자기 기저를 공개하고, 기저가 일치한 위치의 비트만 남긴다 인증된 공개(고전) 채널
4. 오류율 추정 남은 비트 일부를 공개해 비교한다 같은 비트를 비교해 양자 비트 오류율(QBER)을 구한다 인증된 고전 채널
5. 판단 오류율이 기준보다 높으면 도청이 있었다고 보고 키를 버린다 같음 -
6. 오류 정정 남은 비트의 불일치를 고전 방식으로 맞춘다 같음 인증된 고전 채널
7. 비밀성 증폭(privacy amplification) 도청자가 얻었을 수 있는 부분 정보를 없애도록 키를 압축한다 같음 -

기저가 일치할 확률은 절반이므로 보낸 광자 중 대략 절반만 선별 단계에서 살아남고, 오류율 추정과 비밀성 증폭을 거치며 최종 키는 더 짧아진다.

도청 탐지 원리

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  • 측정에 의한 교란: 양자 상태는 측정하면 바뀐다. 도청자(이브)가 기저를 모르고 측정하면 틀린 기저로 측정한 광자의 상태가 바뀌어 밥의 결과에 오류가 생긴다.
  • 복제 불가 정리(no-cloning theorem): 모르는 양자 상태를 똑같이 복사할 수 없으므로, 도청자는 광자를 복사해 두고 나중에 올바른 기저로 측정하는 방법을 쓸 수 없다.
  • 오류율 감시: 도청자가 개입하면 오류율이 자연 잡음 수준보다 올라간다. 송수신자는 일부 비트를 희생해 오류율을 확인하고, 기준을 넘으면 그 키를 쓰지 않는다.

즉 QKD는 도청을 물리적으로 막는 것이 아니라 도청이 있었는지 알아내고 오염된 키를 버리는 방식이다.

실제 구현의 한계

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한계 내용 보완 방법
인증 부재 QKD 자체는 상대가 누구인지 확인하지 못한다. 고전 채널이 인증되지 않으면 중간자 공격에 그대로 노출된다 사전 공유 대칭키나 양자 내성 전자서명으로 고전 채널을 인증한다
거리 제한 광섬유 손실 때문에 단일 링크의 거리가 제한된다. 양자 상태는 일반 증폭기로 증폭할 수 없다 중간에 신뢰 노드를 두거나 위성 링크를 쓴다
신뢰 노드(trusted node) 중계 지점에서 키가 일단 평문으로 다뤄지므로 그 노드를 물리적으로 믿어야 한다 신뢰 노드의 물리적 보안 강화, 다중 경로
전용 하드웨어 단일 광자 송수신 장비, 전용 광 링크가 필요하고 기존 네트워크와 통합이 어렵다. 소프트웨어 패치로 고칠 수 없다 장비 인증·평가, 운영 경험 축적
구현 공격 이론은 안전해도 검출기 눈부심 공격 같은 장비 결함 공격이 연구되어 왔다 장비 보안성 평가, 사이드채널 공격 대책
서비스 거부 도청자가 일부러 교란하기만 해도 오류율이 올라가 키를 만들 수 없다 대체 키 수립 경로를 함께 둔다

PKI 안에서의 위치

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기존 공개키 기반 구조에서 공개키 암호는 두 가지 일을 한다. 하나는 키 수립(RSA 키 전송, 디피-헬먼 키 교환)이고, 다른 하나는 인증서와 전자서명을 통한 인증이다. QKD는 이 가운데 키 수립만 대신할 수 있다. 상대를 인증하는 기능은 여전히 PKI의 전자서명(장기적으로는 양자 내성 서명)이나 사전 공유 키가 맡아야 한다. 따라서 QKD는 PKI를 없애는 기술이 아니라, 특정 구간(예: 데이터센터 사이 전용 광 링크)의 키 수립 수단으로 PKI 옆에 붙는 보완재로 이해하는 것이 맞다.

정부 기관의 입장

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영국 국가사이버보안센터(NCSC)는 QKD 백서에서 다음과 같이 신중한 입장을 밝혔다.

  • QKD는 인증을 제공하지 않으므로 다른 암호 서비스와 결합해야 하며, 그 자체로 상당한 보안을 주는 수단으로 의존해서는 안 된다.
  • 양자 컴퓨터 위협에 대한 주된 대책은 PQC이다.
  • 양자 부품과 기존 부품, 전용 하드웨어와 기존 네트워크를 결합하면 복잡도가 커지고, 고도화된 위협에 안전한 QKD 구현을 만드는 일은 아직 과제이다.
  • NCSC는 정부·군 용도로 QKD 사용을 지원하지 않고, 다른 분야에도 QKD만으로 키를 생성·분배하지 말라고 권고한다.

미국 NSA도 QKD의 기술적 한계를 들어 국가안보시스템 보호 수단으로 권장하지 않는 것으로 알려져 있다.

  • QKD는 키 분배만 해결한다. 데이터 암호화는 대칭키가, 상대 인증은 전자서명이나 사전 공유 키가 따로 해야 한다.
  • 도청 탐지의 근거는 측정에 의한 상태 교란과 복제 불가 정리이다. 도청을 막는 것이 아니라 탐지하고 키를 버린다.
  • QKD(물리 장비)와 PQC(알고리즘)를 혼동하지 않는다. 양자 컴퓨터 대비의 주된 대책은 PQC이다.
  • 거리 제한 때문에 신뢰 노드가 필요하고, 신뢰 노드는 물리적으로 보호해야 하는 약점이 된다.