기술 [누구도 절대 볼 수 없는] 초안전한 ‘양자 암호’가 실용화 단계에 이르렀다는 사실, 알고 계셨나요?

[お持て成し]

[누구도 절대 볼 수 없는] 초안전한 ‘양자 암호’가 실용화 단계에 이르렀다는 사실, 알고 계셨나요? / 2월 14일(토) / 다이아몬드 온라인

양자 컴퓨터가 우리 미래를 바꾸는 날이 사실 바로 눈앞에 다가오고 있다.
바로 지금 같은 시기에 양자 컴퓨터에 대해 알게 되는 것은 큰 의미가 있다. 단순한 전문 기술이 아니라, 앞으로의 세계를 이해하고 스스로의 입장에서 어떻게 관여할지 고민하기 위한 ‘새로운 교양’이다.
『교양으로서의 양자 컴퓨터』에서는 최전선에서 연구를 이끄는 오사카 대학 교수 후지이 케이스케 씨가 물리학, 정보과학, 비즈니스 관점에서 양자 컴퓨터를 이해하기 쉽고 재미있게 전달하고 있다. 이번에 후지이 씨와 인터뷰를 진행. 누구에게도 깨지지 않는 ‘양자 암호’에 대해 들었다. (취재·구성/오가와 아키코) 

● 실질적으로 풀 수 없는 암호와, 엿볼 수 없는 암호

――『교양으로서의 양자 컴퓨터』에는 “누구에게도 깨지지 않는 암호 만드는 방법” 이야기가 있어 흥미로웠습니다. 다시 한 번, 어떤 원리인지 알려 주세요.

- 후지이 케이스케 씨(이하 후지이(藤井))

먼저, 기존의 암호와 양자 암호에 대해 정리해 두겠습니다.

기존 컴퓨터는 모든 정보를 0과 1이라는 두 종류의 숫자로 표현하고, 곱셈과 덧셈으로 계산합니다.
기존 컴퓨터에서 사용되는 암호의 안전성은 ‘연산량적 안전성’이라고 불리며, 컴퓨터가 그 문제를 풀기 어려워 사실상 ‘풀 수 없다’, 즉 안전하다고 여겨집니다.

전형적인 예는 소인수분해입니다.
자리수가 커지면 폭발적으로 어려워지고, 기존 컴퓨터에서는 계산에 막대한 시간이 소요돼 사실상 풀 수 없다고 할 수 있습니다. 이것이 현재 사용되는 대부분의 암호 방식입니다. 신용카드 결제나 은행 간 거래 등에도 사용됩니다.
현재 컴퓨터에서 사용할 수 있어 편리하지만, 엄청난 연산 능력을 가진 사람이 나타나면 해제되는 것이 문제점입니다.

● 훔쳐 보면 반드시 들키는 구조

- 후지이(藤井)

그에 반해 양자 암호는 양자역학적 원리를 이용해 암호화하므로, 보다 근본적으로 안전성을 확보할 수 있습니다. 양자역학이라는 물리 법칙에 반하지 않는 한, 해독할 수 없습니다.

―― 무슨 말인가요?

- 후지이(藤井)

양자적인 ‘중첩 상태’를 정보에 삽입하고, 제3자가 도청을 시도하면 그 관측을 통해 도청 흔적이 남아 검출되는 구조입니다.
양자역학에서는 “중첩 상태”라고 하여 0과 1 중 어느 하나가 정해지지 않은 상태를 만들 수 있는데, 이 중첩 상태를 들여다보면 그 순간에 0과 1 중 하나가 결정됩니다. 즉, ‘겹쳐진 상태’가 깨져 버린다.

예를 들어 0과 1의 ‘겹쳐진 상태’를 삽입한 정보를 상대에게 보냈을 때, 상태를 모르는 사람이 보면 그 정보가 손상되지만, 정보가 삽입되는 방식을 아는 상대는 읽어낼 수 있습니다.
누군가가 들여다보면서 고장이 난 건지, 원래 상태인지 알 수 있거든요.

―― 들키지 않고 몰래 볼 수 없는 거군요.

- 후지이(藤井)

할 수 없습니다. 사실 우리 전문가들조차도 ‘겹쳐진 상태’를 본 적이 없습니다. ‘겹쳐진 상태가 있다’고 해석하면 잘 설명할 수 있어서 그렇게 말하지만, 보면 부서져서 볼 수 없는 딜레마가 있습니다.
게다가, 들여다보는 방식에 따라 부서지는 방식이 달라지는 특성도 있습니다. 따라서 흔적이 남아 있는 것은 버리고, 흔적이 없는 것을 사용하면 안전합니다. 인프라로서 양자적인 광원과 검출기가 필요하지만, 그 대신 어떤 계산 능력을 가졌든 해독할 수 없는 암호로 만들 수 있습니다.

● 양자 암호 통신의 실용화가 눈앞에 다가오고 있다

- 후지이(藤井)

양자 암호 통신의 실용화를 위해 총무성이 도쿄‑고베 구간 600km의 통신망을 구축한다는 것이 최근 뉴스에 나왔습니다.
2026 회계연도에 정비를 시작하고, 2027년에 실증을 시작한다는 내용이다. 인프라 구축이 필요하다고는 하지만, 일본 전역에 광통신 네트워크가 있기 때문에 광양자에 정보를 실어 통신을 하는 것입니다. 
양자 컴퓨터보다 간단한 양자 디바이스로 구현할 수 있어, 거의 실용 단계에 이르렀네요.

(※ 이 글은 『교양으로서의 양자 컴퓨터』를 바탕으로 새로 쓴 글입니다.)

후지이 케이스케

https://news.yahoo.co.jp/articles/538541cff1afe7aa1c6d3e4d8b62fdcc358c5e46

【誰も絶対に見ることができない】超安全な「量子暗号」は実用化の段階に来ていることを知

【誰も絶対に見ることができない】超安全な「量子暗号」は実用化の段階に来ていることを知っていましたか？/ 2/14(土) / ダイヤモンド・オンライン

　量子コンピュータが私たちの未来を変える日は実はすぐそこまで来ている。
そんな今だからこそ、量子コンピュータについて知ることには大きな意味がある。単なる専門技術ではなく、これからの世界を理解し、自らの立場でどう関わるかを考えるための「新しい教養」だ。
『教養としての量子コンピュータ』では、最前線で研究を牽引する大阪大学教授の藤井啓祐氏が、物理学、情報科学、ビジネスの視点から、量子コンピュータをわかりやすく、かつ面白く伝えている。今回、藤井氏にインタビューを実施。誰にも破られない「量子暗号」について聞いた。（取材・構成/小川晶子）

●　実質的に解けない暗号と、覗き見ることができない暗号

　――『教養としての量子コンピュータ』には、「誰にも破られない暗号の作り方」の話があって興味深かったです。あらためて、どういう仕組みなのか教えてください。

　藤井啓祐氏（以下、藤井）：まず、従来の暗号と量子暗号について整理しておきましょう。

　従来のコンピュータは情報をすべて0と1の2種類の数字で表現し、かけ算、足し算で計算しています。
従来のコンピュータで使われる暗号の安全性は「計算量的安全性」といって、コンピュータでその問題を解くのが難しいから実質的に「解けない」、つまり安全だということになっています。

　典型的なのは素因数分解ですね。
桁数が大きくなると爆発的に難しくなり、従来のコンピュータでは計算に膨大な時間がかかるので実質的に解けないと言えます。これが今使われているほとんどの暗号方式です。クレジットカード決済や銀行間取引などにも使われています。
今のコンピュータで使えるので使い勝手がいいのですが、ものすごい計算パワーを持った人が現れると解かれてしまうのが問題点です。

●　盗み見れば必ずバレる仕組み

　藤井：それに対して、量子暗号は量子力学的な原理を使って暗号化するため、もっと根本的に安全性を担保できます。量子力学という物理法則に反しない限り、解読することができないのです。

　――どういうことですか？

　藤井：量子的な「重ね合わせ状態」を情報に埋め込み、もし第三者が盗聴しようとすれば、その観測によって盗聴の痕跡が残り、検出されるという仕組みです。
量子力学では「重ね合わせ状態」といって0と1のどちらか決まっていない状態を創り出すことができるのですが、この重ね合わせ状態を覗き見ると、その瞬間に0か1かのどちらかに決まってしまうんです。つまり、「重ね合わせ状態」が壊れてしまう。

　たとえば0と1の「重ね合わせ状態」を埋め込んだ情報を相手に送ったとき、状態を知らない人が覗くとそれが壊れてしまうけれど、情報の埋め込まれ方を知っている相手には読み取ることができます。
誰かに覗かれて壊れているのか、元通りの状態であるのかもわかるんです。

　――バレずに盗み見ることができないのですね。

　藤井：できません。実は我々専門家も「重ね合わせ状態」を見たことはないんですよ。「重ね合わせ状態がある」と解釈するとうまく説明ができるのでそう言っているのですが、見ると壊れるので見られないというジレンマがあります。
しかも、覗き方によって壊れ方が変わるという性質もあります。ですから、痕跡が残っているものは捨てて、痕跡のないものを使えば安全です。インフラとして量子的な光源と検出器が必要にはなりますが、その代わりにどんな計算パワーをもってしても解読できない暗号にできるのです。

●　量子暗号通信の実用化はすぐそこまで来ている

　藤井：量子暗号通信の実用化に向けて、総務省が東京ー神戸間600kmの通信網を作ることが最近ニュースになっていました。
2026年度に整備し、27年に実証を始めるとのこと。インフラ整備が必要とはいうものの、日本中に光通信ネットワークがありますから、光量子に情報を載せて通信をするわけです。
量子コンピュータよりは簡素な量子デバイスで実現できるので、ほぼ実用段階まで来ていますね。

　（※この記事は『教養としての量子コンピュータ』を元にした書き下ろしです。）

藤井啓祐