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[미래기술25]AI ‘넥스트 레벨’로 진화…‘깰 수 없는’ 암호체계 나온다

`양자버전 AI` 나온다…교통·에너지 최적화 문제도 해결
양자암호통신이 스마트폰 속으로…새로운 암호체계도 등장
`수백조원 시장 잡아라`…양자센서 시장도 새로 열려
  • 등록 2021-09-16 오후 4:09:46

    수정 2021-09-16 오후 8:59:38

[이데일리 이후섭 기자] 양자는 과학적으로 에너지를 갖는 최소한의 단위로, 나노미터(nm) 10분의 1 수준의 아주 미세한 크기라 빠르게 움직입니다. 이런 개념을 이용한 양자역학 원리를 컴퓨터에 적용시켜 보자는 양자컴퓨터가 나오면 현재 최고 성능의 슈퍼컴퓨터로도 10년 이상 걸릴 소인수분해 문제를 불과 10시간이면 해결할 것으로 기대돼 인공지능(AI), 암호, 기후, 교통 등 여러 분야에서 널리 활용될 수 있습니다. 또, 양자의 물리적 상태를 활용해 도청을 방지하는 양자암호통신이 개발됐으며, 수학적 계산에 기반을 둔 새로운 암호체계 양자암호내성(PQC)도 등장했습니다. <편집자주>

현재 슈퍼컴퓨터보다 1억 배 이상 빠를 것으로 보이는 양자컴퓨터가 현실화되면 인공지능(AI), 암호, 기후, 교통 등 다양한 분야에서 활용도가 높을 것으로 기대됩니다. 현재의 AI 기술을 `다음 단계`로 끌어올릴 수 있을 뿐만 아니라 교통 최적화, 에너지 최적화 등 여러 산업군에서 많은 문제를 해결할 수 있을 전망입니다.

우리가 사용하는 컴퓨터는 `비트(bit)`라는 정보 표현방식을 바탕으로 0과 1을 조합한 이진법에 연산 작용을 더해 데이터를 처리합니다. 양자컴퓨터는 이보다 더 작은 `큐비트(quantum bit, qubit)`를 기반으로 이진법을 벗어나 0과 1의 중첩 현상과 얽힘 현상 등을 기반으로 구현 및 작동돼 훨씬 더 다양한 데이터 조합을 병렬로 처리합니다.

양자컴퓨터는 큐비트를 통해 다양한 값을 동시에 표현하고 처리할 수 있기 때문에 큐비트의 수가 증가할수록 동시에 처리할 수 있는 작업의 숫자가 지수 함수적(2n)으로 증가하며, 이를 통해 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 문제를 해결하고 연산할 수 있습니다.

이준구 카이스트 전기 및 전자공학부 교수는 “풀려고 하는 문제의 규모가 크면 클수록 기존 컴퓨터보다 양자컴퓨터의 성능이 두드러진다”며 “예를 들어 2048비트로 표현되는 정수의 소인수분해 문제를 풀기 위해서는 현재 슈퍼컴퓨터로 10년 이상 걸리겠지만, 양자컴퓨터로는 10시간이면 가능할 것”이라고 설명했습니다.

[이데일리 문승용 기자]
◇`양자버전 AI` 나온다…교통·에너지 최적화 문제도 해결


이처럼 많은 양의 데이터를 빠른 속도로 처리할 수 있는 성능을 통해 `양자버전의 AI`가 나올 것으로 보입니다. 현재 AI 기술은 하드웨어 측면에서 조만간 한계에 부딪힐 것이라는 예상입니다. 컴퓨터에 들어가는 트랜지스터 크기를 줄이면서 성능도 개선하고 전력소모도 줄이는 방향으로 발전해왔는데, 지금은 하나의 트랜지스터 안에 들어 있는 원자 개수를 수백 개까지 줄인 상황입니다. 이를 100개 이하로 줄이는 것은 물리적으로 불가능하기에 현재 기술은 3~5년 내에 더이상 발전할 수 없는 단계에 도달할 것으로 관측됩니다.

이 교수는 “한계 도달 이후에는 완전히 새로운 컴퓨팅에 대한 투자가 훨씬 더 적극적으로 이뤄질 것으로 예상되는데, 대표적인 것이 양자컴퓨팅으로 그야말로 `넥스트 레벨`로 갈 수 있는 기술로 꼽힌다”고 강조했습니다.

교통 분야에선 소요 시간을 최소로 단축할 수 있는 교통 최적화 기술, 전기 자동차를 위한 고성능 배터리 구조 및 재료 시뮬레이션 연구에 양자컴퓨터 기술이 사용되고 있습니다. 차량이 움직일 때 주변 차량의 대수, 속도와 속력, 주변 상황, 유입과 유출 등의 데이터를 양자컴퓨터가 실시간으로 연산해 최적화 경로를 알아낼 수 있죠.

두바이 전기 수도국(DEWA)은 미국의 마이크로소프트사와 협력해 에너지 분배, 용수 사용량 및 네트워크 설계를 관리함으로써 에너지 최적화를 실행할 수 있도록 그리드(grid) 및 유틸리티 관리에 양자컴퓨팅 기술을 도입했습니다.

[이데일리 문승용 기자]


◇양자암호통신이 스마트폰 속으로…새로운 암호체계도 등장


양자컴퓨터의 발전은 여러 산업 분야에서 판도를 바꿀 `게임 체인저(Game Changer)`의 역할을 할 것으로 기대되지만, 한편으로는 해킹에 대한 두려움도 커지고 있습니다. 현재 은행 전산망이나 전자상거래 등에 쓰이는 RSA 알고리즘을 순식간에 풀 수 있는 양자컴퓨터 개발에 IBM, 인텔, 구글, 알리바바 같은 글로벌 IT기업이 뛰어들면서 이를 막는 양자 보안(Quantum Security)에 관심이 집중되고 있습니다.

양자암호통신이라 불리는 기술은 `빛`의 최소 단위 입자인 양자의 특성을 활용한 보안으로, 양자난수생성기(QRNG)와 양자키분배(QKD)기술이 있습니다. 양자난수생성기는 암호키를 만들기 위해 패턴이 불규칙한 난수(Random Number)를 생성하며 칩 형태로 만들어져 스마트폰은 물론 작은 사물인터넷(IoT)기기에도 장착할 수 있습니다.

양자키분배는 암호키를 나눠주는데 0이자 1인 양자의 특성을 활용합니다. 이를 통신망에 장착하면 해커가 해킹 시도 시 금방 알아챌 수 있다고 하죠.

우리나라에서는 SK텔레콤이 인수한 원천기술 업체 스위스 IDQ와 KT, 전자통신연구원(ETRI), 서울대 등이 나서 미래의 보안 위협을 줄이기 위해 기술 개발과 국제표준화에 적극적으로 나서고 있습니다. 유럽과 미국에 QKD를 수출할 뿐만 아니라 지난해 세계 최초로 양자암호폰을 출시하는 등의 성과도 거뒀죠.

정부도 적극적으로 나서 지난해 SK브로드밴드(SK텔레콤), KT, LG유플러스 주관의 8개 협력체(컨소시엄)와 협약을 체결해 `양자암호통신 시범인프라 구축` 사업을 추진해 왔습니다. 해당 사업은 양자암호통신과 양자난수발생기, 양자내성암호 등의 기술을 민간·공공 영역에서 실증하고 시장 활성화를 위한 응용서비스를 발굴하는 것으로 지난해부터 2021년까지 총 290억원이 투자됩니다.

지난해 군·관 협력용 비화통신서비스(해군3함대, 전남도청), 실손 보험처리를 위한 환자의료정보 전달 서비스(연세의료원 등) 등 16개 분야에서 적용됐고, 올해는 공공기관 행정·시설보안(대전시청, 대전상수도본부, 정수사업소), 의료기관 간 원격협진(순천향대병원 서울·부천) 등 15개 수요기관에 19개 서비스를 개발·실증할 예정입니다.

또 수학적 알고리즘을 이용한 새로운 암호체계인 양자내성암호(PQC) 연구도 활발하게 이뤄지고 있습니다. LG유플러스는 암호기술 전문기업 크립토랩과 함께 세계에서 유일하게 PQC 기술을 공공·민간분야 전용회선에 구축했습니다.

천정희 크립토랩 대표는 “확장성 측면에서 암호체계는 통신 뿐만 아니라 컴퓨터도 보호해야 하고, 전자상거래 등 응용체계도 보호해야 한다”며 “QKD는 흥미로운 기술이지만 통신 보안이라 컴퓨터 데이터 보안, 전자상거래 보안 등에 대해서는 물리적으로 안전한 방식이 없다. PQC를 도입하면 통신, 데이터, 전자상거래 보안 등을 동시에 해결 가능하다”고 자신했습니다.

`수백조원 시장 잡아라`…양자센서 시장도 새로 열려

양자기술의 발전으로 새로운 시장들이 열리면서 글로벌 대기업들은 이 시장을 선점하기 위한 치열한 경쟁을 펼치고 있습니다. 양자기술에 관한 시장조사업체인 인사이드 퀀텀 테크놀로지에 따르면 양자컴퓨터 시장 규모는 2025년 7억8000만달러(약 8800억원)에서 2029년까지 26억달러(약 2조9500억원) 규모로 성장할 것으로 전망됩니다. 글로벌 정보 기술 연구 및 자문 회사인 가트너는 양자컴퓨터 프로젝트에 예산을 책정하는 기업이 2018년에는 1% 미만이었지만, 2023년까지 그 비율이 20%에 이를 것으로도 전망했습니다.

양자암호통신 시장 규모도 오는 2035년 약 400조원에 이를 것으로 전망됩니다. 시장조사기관 마켓앤마켓은 글로벌 양자암호 시장은 2018년 1억달러에서 2023년 5억달러로 연평균 38% 성장할 것으로 내다봤습니다.

양자암호통신, 양자컴퓨터 외에 초정밀 측정이 가능한 양자센서 기술도 나오게 될 것으로 보입니다. 지구 중력장이나 자기장, 전기장 등에 대해 기존의 방법으로는 전혀 측정할 수 없었던 아주 미세한 변화를 앙자센서 기술을 통해 감지할 수 있게 되는 것입니다.

아주 예민한 센서를 활용하는 군(軍)에서 양자센서를 활용할 수 있는 영역이 굉장히 많을 것으로 예상돼 양자센서 시장도 글로벌하게 수십조 원 규모의 파급력이 큰 시장이 될 전망입니다.

이 교수는 “정부가 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센서 등 3가지 기술을 모두 다 개발하도록 추진하고 있다”며 “올해보다 내년에 투자액을 2배로 늘리는 것을 추진하고 있다”고 말했습니다.

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