[보안(?)] 양자 컴퓨팅

지금까지 거의 모든 보안 알고리즘은 양자 컴퓨팅이 개발되면 break 될 수 있음. 그래서 모든 보안관련 책에 양자컴퓨팅 얘기를 빼먹을 수 없지 암암 알아보자고 ㅇㅇ

양자컴퓨팅이란?

• 양자 컴퓨팅 : 양자 역학의 특징을 바탕으로 컴퓨터 기술을 개발하는 것을 중심으로 하는 연구 분야
• 양자 이론 : 물질과 에너지가 원자와 아원자 수준에서 어떻게 작용하는지를 설명하는 물리학의 한 분야
• 슈뢰딩거고양이

양자역학의 기본원리

• 양자 기술의 특성인 중첩과 얽힘을 이용
• 양자 중첩 : 입자는 다수의 양자 상태 또는 고유 상태의 중첩에 있을 수 있다.
  
• 양자 얽힘 : 그룹의 각 입자의 양자 상태는 다른 입자의 상태와 독립적으로 설명될 수 없다

Qubit 기초

• 기존 디지털 컴퓨터에서는 결과를 얻기 위해 비트를 조작한다. 비트는 오직 0과 1이라는 두 가지 값만 가진다.
• 양자 컴퓨터는 양자 비트나 큐비트에 기반을 둔다.
• 큐빗은 두 상태 양자역학 시스템
  • 큐빗은 두 개의 독립적인 양자 상태의 어떤 양자 중첩에도 존재할 수 있음
    ㄴ= 큐비트는 동시에 0이자 1이 될 수 있다. (정확히는 0과 1 사이의 모든 값)
• 큐비트의 상태는 한 쌍의 복소수로 나타낼 수 있음
  • N 큐비트가 있는 시스템에서는 2^N의 복소수 상태로 나타냄
  • 어떤 주어진 순간에 N 비트를 가진 컴퓨터는 2^N의 가능한 상태 중 하나여야 하지만, 큐비트를 가진 양자 컴퓨터의 상태는 2^N 양자 진폭의 값으로 묘사되는데, 이는 0이나 1 이 아닌 어떤 값이든 될 수 있는 연속되는 매개변수가 됨
  • ㄴ= N 큐비트를 가진 양자 컴퓨터에서는 조작될 수 있는 2^N 양자 진폭을 조작 가능
  • 비트를 가진 기존 컴퓨터에서는 오직 N 비트만 조작 가능
  • => 기존 디지털 컴퓨터의 계산력 <<<<< 양자 컴퓨터 계산력
    

퀀텀 게이트 & 서킷

• 양자 논리 게이트는 적은 수의 큐비트에서 작동하는 기본 양자 회로
  

양자 알고리즘

• 양자 푸리에 변환(FT) : 고전적인 분석의 기본적인 도구이며 양자 계산에서도 마찬가지로 중요
• 정수의 소인수를 찾는 Shor의 알고리즘
  • Peter Shor에 의해 1994년에 개발
  • 인수분해 문제에 대해 효율적인 해결책을 제공
    • ㄴ 인수분해는 계수를 인수분해하여 RSA 해동 가능
  • 충분한 크기의 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빨리 문제를 해결할 수 있다는 것을 보여주었다
  • 다의수 시간으로 실행
  • Shor의 알고리즘의 효율성은 QFT의 효율성과 반복 제곱에 의한 모듈 지수화에 기인

퀀텀 컴퓨팅을 위한 접근법

• 아날로그 양자 컴퓨팅
  • 양자 어닐링, 양자 시뮬레이션 및 단열 양자 컴퓨팅과 같은 접근 방식을 포함
  • 상대적으로 달성하기 쉬움
  • But 고전적인 컴퓨팅과 그에 따른 특정 응용 프로그램에 비해 이점이 제한적
• 게이트 기반 양자 컴퓨팅
  • 본질적으로 더 보편적
  • 양자 게이트를 통해 상태가 조작되는 큐비트로 구성된 양자 회로를 사용

퀀텀 컴퓨팅 사용 사례

• 어닐링 또는 범용 양자 컴퓨터를 이용한 최적화
• 양자암호, 양자네트워크 및 통신
• 퀀텀 머신 러닝
• 센서 및 양자 소자
• 양자난수생성(QRNG)

퀀텀 컴퓨팅의 과제

• 큐비트 수가 낮음
• 양자 상태 유지 및 큐비트 회전 제어 오류
• 데이터 로딩 문제
• 측정은 양자 상태를 파괴