양자 암호 기술과 양자내성암호(PQC) 알고리즘

I. 양자 암호 기술의 개요

가. 양자 암호 기술의 개념

• 양자의 중첩, 얽힘, 불확정성 특성 기반 도청이 불가능한 안전한 통신을 위한 암호 기술

나. 양자 암호 기술의 필요성

• 현대 암호 기술의 수학적 계산 복잡도에 의존하는 근본적 보안 취약성 대응 필요
• 기존 컴퓨팅 한계를 넘는 고성능 양자 컴퓨터의 출현 및 이를 활용한 공격 위협 대두
• 양자 상태의 중첩, 얽힘, 불확정성 기반 도청이 불가능한 암호 통신 기술 필요

 

II. 양자 암호 기술의 핵심 기술 요소

기술 요소	설명
(준)동형암호 (HE)	– HE: Homomorphic Encryption – 암호문을 이용하여 계산을 할 수 있도록 해주는 공개키 암호화 방식 – 암호화된 데이터들을 이용하여 계산 결과를 복호화하면 암호화되지 않은 상태로 계산한 값과 일치하는 암호화 방식
양자 난수 발생기 (QRNG)	– QRNG: Quantum Random Number Generator – 양자 역학적 성질 기반 특정 제한 조건에 따른 난수를 발생시키기 위해 설계된 프로그램 및 하드웨어
양자내성암호 (PQC)	– PQC: Post-Quantum Cryptography – 양자 컴퓨터의 공격으로부터 안전하다고 알려진 공개키 암호 – 다변수, 코드, 격자, 아이소제니 기반 암호와 해시기반 전자서명
양자 암호 (QC)	– QC: Quantum Cryptography – 양자의 역학적 특성(중첩, 얽힘, 불확정성) 기반 암호 기술 – 양자 암호 키 분배(QKD) 프로토콜 이용 비밀키 공유
암자암호키 분배 (QKD)	– QKD: Quantum Key Distribution – 양자 통신을 위해 비밀키를 분배/관리하는 기술 – 두 시스템 간 QKD를 운영하여 비밀키를 안전하게 공유
양자정보통신 (Q-ICT)	– Q-ICT: Quantum Information and Communication Technologies – 양자암호통신이나 양자 컴퓨팅 등 양자 관련 기술을 총칭 – 양자적 특성 기반 보안, 초고속 연산 등 기존 ICT기술의 한계를 극복
양자통신 (QC)	– QC: Quantum Communication – 양자적 특성 기반 전달할 정보를 안전하게 주고 받는 기술 – 양자키분배, 양자인증, 양자서명, 양자비밀공유, 양자 직접통신
전자서명 알고리즘 (DSA)	– DSA: Digital Signature Algorithm – 이산 대수 문제의 어려움을 이용한 엘가망 암호 방식 전자 서명
큐비트 (Qubit)	– Qubit: Quantum bit – 물질의 최소 단위인 양자 정보의 단위 – 1과 0의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위 사용
타원 곡선 암호 방식 (ECC)	– ECC: Elliptic Curve Cryptography – 타원 곡선 이론 기반 공개키 암호 방식 – 이산대수에서 사용하는 유한체의 곱셈군을 타원 곡선군으로 대치 – 다른 암호 방식에 비해 더 짧은 키 사이즈로 대등한 안전도 보유
타원곡선 전자서명 알고리즘 (ECDSA)	– ECDSA: Elliptic Curve Digital Signature Algorithm – 전자 서명 알고리즘에 타원 곡선 암호 방식을 이용 – 160bit 키를 갖고 1024bit RSA와 대등한 안전성 – 미국 전자 서명 표준에 포함, FIPS 186-2로 승인
타원 곡선 키 교환 프로토콜 (ECDH)	– ECDH: Elliptic Curve Diffie-Hellman – 타원 곡선 암호 방식 기반 Diffie-Hellman 키 교환 프로토콜 – 공유된 공개키를 직접 사용 및 대칭키 생성 후 암호화
함수암호 (FE)	– FE:  Functional Encryption – 사용자가 암호문의 구체적 함수만 알수 있는 공개키 암호화 방식 – 신뢰 기관이 마스터 비밀키로 함수를 받아 비밀키 생성

 

III. 양자내성암호(PQC) 알고리즘

가. 양자 알고리즘의 특징과 기존 암호 안전성

양자 알고리즘	특징	기존 암호	안전성
Shor	인수분해 문제 해결 속도 감소	공개키	– 더 이상 안전하지 않음
Grover	정렬되지 않은 데이터베이스의 원소를 검색하는 속도 향상	대칭키	– 키 사이즈 증가 필요
		해시	– 암호 알고리즘의 출력 길이 증가 필요

• 고성능 양자 컴퓨터를 이용한 보안 위협에 대비하기 위해 양자내성암호 필요

나. 양자내성암호(PQC)의 유형과 알고리즘의 장단점

유형	알고리즘	장점	단점
다변수기반 (Multivariate-based)	– Rainbow – Gui	– 작은 서명 크기 – 빠른 계산	– 큰 키 사이즈
코드기반 (Code-based)	– QC-MDPC – Wild McEliece	– 빠른 암/복호화 속도	– 큰 키 사이즈
격자기반 (Lattice-based)	– SS-NTRU – NTRU Prime – LWE-Frodo	– 다양한 응용환경 지원 – 빠른 속도의 구현	– 변수 설정 어려움
아이소제니기반 (Isogeny-based)	– SIDH	– 구현의 편리성 – 작은 키 사이즈	– 연산속도 느림
해시기반 (Hash-based)	– XMSS – SPHINCS	– 안전성 증명 가능	– 큰 서명 사이즈

[참고자료]
(1) KISA, ‘양자컴퓨팅 환경에서의 암호기술 이용 안내서’, 2017.12.