양자컴퓨터 도청 공격 막는 PQC와 QKD 융합 상용화로 통신망 보안 세대교체
기존 슈퍼컴퓨터로 수백 년이 걸리던 복잡한 암호 알고리즘을 단 몇 분 만에 풀어내는 고성능 양자컴퓨터의 등장이 가시화되면서 전 세계 사이버 보안 체계가 근본적인 전환기를 맞이했다. 전자상거래, 금융 거래, 공공 행정 인증, 군사 기밀 통신 등 현대 디지털 사회 전반을 지탱해 온 소인수분해 기반의 공개키 암호(RSA) 및 타원곡선 암호(ECC) 체계가 일시에 무력화될 수 있다는 기술적 우려가 현실로 다가왔기 때문이다. 이에 따라 미국과 유럽연합(EU), 중국, 일본을 비롯한 주요국 정부와 글로벌 정보통신기술 기업들은 도청과 해킹 시도를 원천적으로 차단하는 양자암호통신 기술 개발과 국제 표준화 주도권 확보에 총력을 기울이고 있다. 국가 안보 및 핵심 산업 기밀 보호와 직결되는 사안인 만큼 표준 선점이 곧 차세대 디지털 인프라의 주도권 장악으로 이어진다는 전략적 판단이 작용했다.
양자 보안 기술은 적용 방식과 물리적 특성에 따라 양자키분배(QKD)와 양자내성암호(PQC)라는 상호보완적 두 축으로 나뉜다. 양자키분배는 빛의 최소 단위인 단일 광자의 편광이나 위상 상태를 이용해 송신자와 수신자 사이에 무작위 암호키를 생성하고 실시간으로 공유하는 하드웨어 기반 전송 기술이다. 양자역학의 기본 원리인 복제 불가능성 정리에 따라 제3자가 중간에서 광자 신호를 가로채거나 도청을 시도하는 순간 양자 상태가 즉각 왜곡돼 침입 여부가 통신 양단에 실시간으로 감지된다. 도청 시도가 확인된 암호키는 시스템상에서 즉시 폐기되고 새로운 광자 신호로 대체되므로 물리 법칙상 안전성을 확보할 수 있다. 다만 신호 감쇄 문제로 인해 전송 거리에 물리적 제약이 따르고, 전용 광섬유 선로와 고가의 신호 송수신 장비, 신뢰 노드를 포함한 별도의 물리적 인프라를 단계적으로 구축해야 하는 비용적 부담이 따른다.
양자내성암호는 양자컴퓨터의 고속 연산 능력으로도 단시간에 풀기 어려운 격자 기반, 다변수 다항식 기반, 해시 기반, 코드 기반 등 복잡한 수학적 난제를 적용한 차세대 소프트웨어 암호화 알고리즘이다. 기존에 설치된 광통신망과 라우터, 스위치, 서버 등 네트워크 장비와 정보통신 인프라를 전면 교체하지 않고도 펌웨어 및 소프트웨어 업데이트만으로 보안 체계를 신속하게 전환할 수 있어 호환성과 확장성 측면에서 뛰어난 강점을 지닌다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 수년간에 걸친 글로벌 공모와 엄격한 안전성 검증 평가를 거쳐 크리스탈-카이버, 크리스탈-딜리슘 등 주요 양자내성암호 표준 알고리즘을 확정하고 연방 정부 및 공공 시스템 적용을 위한 단계적 지침을 마련했다. 이에 맞춰 글로벌 통신장비 제조사와 클라우드 서비스 기업들은 자사 운영체제와 보안 프로토콜 라이브러리에 표준 알고리즘을 이식하는 작업을 일제히 진행하고 있다.
국제전기통신연합 전기통신표준화부문(ITU-T)과 국제표준화기구(ISO), 국제전기기술위원회(IEC), 인터넷엔지니어링태스크포스(IETF) 등 주요 국제 표준화 기구에서는 양자키분배와 양자내성암호의 기술적 장점을 융합한 프레임워크 표준 정립 작업이 활발히 진행 중이다. 두 기술을 상호 배타적인 경쟁 구도로 설정하기보다 물리적 보안성이 극대화되어야 하는 국가 핵심 백본망이나 대규모 데이터센터 간 전송 구간에는 하드웨어 기반의 양자키분배를 구축하고, 방대한 단말 장치와 가입자 접속망 구간에는 경량화된 양자내성암호를 적용하는 다계층 이종 융합 하이브리드 보안 모델이 유력한 표준안으로 채택되고 있다. 이러한 복합 방어 체계는 통신 구간 전체에 걸쳐 보안 공백을 해소하면서도 전체 네트워크 구축과 유지관리 비용을 효율적으로 배분하는 방식으로 평가받는다.
정보통신 정책 전문가들은 양자컴퓨터의 완전한 상용화 이전 단계에서도 데이터 선탈취 후해독(SNDL) 공격 위험이 상존한다고 지적한다. 현재 암호화된 상태로 네트워크를 통해 전송되는 국가 기밀문서, 군사 작전 정보, 첨단 산업 기술 데이터, 개인 생체 인증 정보를 사이버 공격자가 미리 가로채 저장해 둔 뒤, 추후 연산 성능이 비약적으로 향상된 양자컴퓨터를 활용해 사후에 일괄 해독하는 지능형 사이버 위협 방식이다. 암호보안 분야 연구위원은 군사 기밀이나 의료 기록, 특허 원천 기술처럼 정보의 유효 가치가 10년 이상 장기적으로 유지되는 민감 자산의 경우 양자 보안 체계를 선제적으로 적용하지 않으면 장기적인 정보 유출 피해를 피하기 어렵다고 설명했다. 보존 연한이 긴 데이터일수록 국제 표준에 부합하는 양자 보안 기술의 도입 시기를 앞당겨야 하는 배경이다.
과학기술정보통신부와 한국지능정보사회진흥원은 공공과 민간 전반에 걸쳐 양자암호통신 시범 인프라 구축과 상용화 실증 지원 사업을 다년간 추진해 왔다. 중앙행정기관과 지방자치단체의 행정전산망, 국방 지휘통제 전산망, 국립의료기관의 원격 의료 데이터 전송망, 스마트 공장 제어망 등 실제 운영 환경을 대상으로 양자키분배망과 양자내성암호 모듈을 직접 연동해 전송 지연 시간과 데이터 무결성, 장비 간 상호 운용성을 종합적으로 검증했다. 국내 주요 이동통신 3사 역시 독자적인 연구개발을 바탕으로 통신국사 간 기간망에 양자암호 전송 장비를 단계적으로 구축하고 금융권 및 공공기관을 겨냥한 양자암호 전용회선 서비스를 상용화했다. 기존 암호화 전송 장비에 양자의 무작위성을 활용한 양자난수생성기(QRNG) 칩셋과 고성능 하드웨어 보안 모듈을 탑재해 단말과 회선 전 구간의 보안 등급을 높이는 성과도 도출됐다.
산업 현장에서는 금융 전산망과 핵심 공공 인프라를 중심으로 차세대 보안 체계 전환을 위한 실무 검토와 현장 시험이 이어지고 있다. 금융 데이터센터 간 백업 데이터 전송망을 관리하는 통신망 운영 엔지니어 이모 씨(42)는 금융 결제 내역과 계좌 이체 정보의 위변조를 막기 위해 기존 초고속 광통신 회선에 양자키분배 장비를 연동하는 현장 시험을 완료했다고 전했다. 이 씨는 하드웨어 추가 구축에 따른 초기 설비 투자비와 유지보수 체계를 면밀히 분석해 기존 광전송망과의 연동성을 높이는 작업에 집중하고 있다고 덧붙였다. 공공 클라우드 플랫폼을 운영하는 시스템 보안 관리자 박모 씨(38)는 인프라 전면 교체 없이 소프트웨어 패치 형태로 설치할 수 있는 양자내성암호 가상사설망(VPN) 솔루션을 우선 적용해 외부 재택근무자의 원격 접속 구간에 대한 암호화 검증을 마쳤다고 밝혔다. 스마트 제조 설비의 센서 데이터를 관리하는 전산 담당자 최모 씨(46)도 무선 통신 구간에 경량 양자내성암호 모듈을 적용해 공정 제어 신호의 가로채기를 방지하는 모니터링 체계를 갖췄다고 설명했다.
국제 표준화 기구에서 국내 산학연 기관의 기술 기여와 특허 출원도 지속적인 성과를 내고 있다. ITU-T 내 정보보호 연구반(SG17)과 미래네트워크 연구반(SG13) 회의에서 국내 연구진이 제안한 양자키분배 네트워크 구조, 보안 기능 요구사항, 키 관리 인터페이스, 양자내성암호 결합 프로토콜 권고안이 잇따라 국제 표준으로 최종 승인됐다. 국제 표준 규격에 부합하는 표준특허 확보는 향후 글로벌 양자 통신 네트워크 장비 시장 진입 시 막대한 특허 사용료 지출을 방지하고 기술 주도권을 유지하는 핵심 요소가 된다. 통신 장비 제조사와 보안 소프트웨어 개발사들은 이러한 표준 권고안에 맞춰 양자 암호화 모듈, 광 송수신기, 보안 프로세서 칩셋 개발 역량을 확충하고 있다.
보안 적합성 검증 체계의 정비와 제도적 기준 확립도 필수 과제로 병행되고 있다. 국가정보원과 한국인터넷진흥원, 국가보안기술연구소 등 관계 기관은 국가 및 공공기관에 도입되는 정보보호 제품의 신뢰성을 평가하는 암호모듈 검증체계(KCMVP)를 개편해 양자내성암호 알고리즘과 양자키분배 장비에 대한 세부 시험·평가 기준을 수립했다. 공공 및 국가 핵심 인프라에 즉각 적용 가능한 검증필 양자 보안 모듈이 공급될 수 있도록 시험 절차를 간소화하고, 공공 조달 사업에서 양자 암호화 기술이 적용된 통신망 구축 시 기술 평가 가점을 부여하는 행정 규정이 마련됐다. 보안 가이드라인에 공공 정보통신망의 양자 전환 권고 기한을 명시하는 등 제도적 추진 기반도 순차적으로 구축됐다.
양자 센싱, 양자 컴퓨팅, 양자 통신 기술의 비약적인 발전 속도에 발맞춰 글로벌 디지털 통신망 전반의 암호 마이그레이션(전환) 체계 수립은 국가적 필수 과제로 확립됐다. 과학기술정보통신부는 국가 암호체계 전환 마스터플랜을 통해 2035년까지 공공 정보시스템 암호체계의 양자내성 전환을 완료한다는 단계적 이행 지침을 확정했다. 주요 통신사업자와 연구기관들은 국제 표준화 기술 규격 부합 여부를 사전 검증할 수 있는 오픈 테스트베드를 운영하며 민간 기업의 상용 제품 개발과 호환성 검증을 무상으로 지원하고 있다. 정부는 부처별 시스템 특성에 맞춘 양자 암호화 기술 규격과 단계별 전환 절차를 담은 세부 기술 지침을 국가사이버안보센터 및 관계 부처 합동 포털을 통해 공표했다.