양자 암호 통신 편집하기 (부분)

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= 양자 키 분배 =

통신자가 암호화된 방식으로 안전하게 통신하기 위해서는 외부에 공개되지 않은 비밀키(secret key)를 분배하는 것이 필수적이다. 양자 키 분배란 양자 물리계의 고유한 특성을 활용하여 통신자 간 비밀키를 공유하는 기술을 말한다. 현재 암호 체계에서 가장 잘 알려진 RSA(Rivest-Shamir-Adleman) 암호 체계의 안전성은 큰 수의 소인수분해의 계산 복잡도에 의존한다. 따라서 RSA 방식은 소인수분해 문제를 풀기에 충분한 성능의 컴퓨터가 고안되면 암호 체계의 허점이 생긴다는 단점이 있다. 양자 키 분배에서는 키 분배 안전성이 [[양자 물리학]] 법칙에 의존하므로, 안전성이 수학적 복잡성이 아니라 물리 법칙에 기반한다는 장점이 있다. 양자 키 분배 과정에서 도청 행위가 있을 경우, 통신자는 측정 오류를 비교함으로써 도청자의 존재를 확인할 수 있다.

[[File:Quantum protocol 수정.png|none|thumb|400px|그림 1. 양자 키 분배 프로토콜 개요도. 통신자(Alice/Bob)는 도청자(Eve)의 도청 여부를 공개 채널을 통한 전송 오류율 계산을 통하여 확인할 수 있다.]]

두 통신자 Alice와 Bob이 서로 통신한다고 가정할 때, 양자 키 분배 프로토콜은 다음의 과정을 통해 이루어진다. 우선 양자 채널을 통하여 양자 상태가 분배된다. 양자 채널로는 광섬유가 주로 활용되며, 시야가 확보된 자유 공간(free space)에서도 양자 키 분배를 구현할 수도 있다. 광섬유를 활용한 509km 거리간 양자 키 분배와 자유 공간에서 위성을 사용한 대륙간 양자 키 분배가 실험을 통하여 구현된 바 있다.<ref name=Chen>J. P. Chen ''et al.'', Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over 509 km, Physical Review Letters '''124(7)''', (2020). doi:: 10.1103/PhysRevLett.124.070501.</ref><ref name=Liao>S. K. Liao ''et al.'', Satellite-relayed intercontinental quantum network, Physical Review Letters '''120(3)''', (2018). doi:: 10.1103/PhysRevLett.120.030501.</ref> Alice는 양자 상태에 난수 발생기로부터 무작위하게 생성된 정보를 단일광자의 편광이나 시간 빈에 부호화(encoding)하여 전송한다. 논의를 단순화하기 위하여, 0과 1이 무작위로 생성되는 2차원 [[난수 발생기]]를 활용한다고 가정한다. 도청을 방지하기 위해서는 순수 [[난수 발생기]](true random number generator)를 활용해야 한다. 이 때, 도청자 Eve가 전송된 양자 상태를 측정하면, 양자 역학적 과정에 의해 단일 광자의 양자 상태가 교란되고 통신자는 교란된 전송 오류를 확인하여 도청의 존재를 확인할 수 있다. 따라서 도청의 존재를 확인하기 위해서는 전송 오류를 확인하는 과정이 중요하다. Alice와 Bob이 서로 교환한 신호를 비교하고, 전송 오류를 확인하기 위한 목적으로 주로 고전적인 공개 채널(public channel)이 활용된다. 이 때 채널은 반드시 공개 채널일 필요가 없으나, 공개되지 않은 비밀 채널(private channel)일 경우 굳이 암호 키 분배를 할 필요가 없으므로 일반적으로 공개 채널이 가정된다.<ref name=Van>Van Assche. G, Quanrum Cryptography and Secret-key Distillation (Cambridge University Press 2006).</ref> 공개 채널을 통해 도청의 존재를 확인될 경우 생성된 키는 버려지고 새로운 키 분배 프로토콜을 수행한다.

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