양자컴퓨팅의 시대가 빠르게 다가오고 있으며 과학계는 큰 기대를 가지고 그 것을 기다리고 있다. 양자 기계는 전통적인 컴퓨터가 계산하는 데 수천 년이 걸리는 수학적 문제를 해결할 수 있으므로 이 새로운 기술은 핵융합,항공 우주, 폴리머 디자인, 머신 러닝, 인공지능(AI), 빅데이터, 신약 발명 및 디지털 제조 등 각 분야에서 중요한 돌파구가 될 수 있다.
하지만 불행히도, 완전한 기능을 갖춘 양자 컴퓨터가 제공 하는 추가적인 컴퓨팅 파워의 규모는 인터넷 보안, 특히 암호 화폐와 같은 분산 된 레저(leger) 기술을 활용하는 온라인 플랫폼에 큰 위협이 될 수 있다.
오늘날의 양자 컴퓨터는 아직 많은 위험을 초래하지는 않지만, 그런 위험을 막기 위해 양자저항 알고리즘을 개발하는것이 필수라는 것은 분명하다.
포스트 퀀텀 표준 찾기
이 작업은 이미 미국에서 진행 중이며, 미국 상무부 국립표준기술연구소(이하 NIST)는 2017 년에 포스트 퀀텀 암호화(PQCrypto, 이하 PQC) 표준화 프로세스를 시작했다. 이 분야에서 탁월한 권한으로 널리 인정되는 이 프로젝트는 제출된 기술 중 하나 혹은 하나 이상을 새로운 포스트 퀀텀 표준으로 채택하는 것을 목표로 엄격한 평가를 위해 공개 키(public-key) 암호화 알고리즘을 제출하도록 공개적으로 발표했다.
3 라운드 대회, 가장 최신에 종료된 2022년 대회 이후, NIST는 69개의 잠재적 후보를 3 개의 서명 및 4개의 암호화로 좁혀 PQC 알고리즘 최종 후보로 선정했다. 특히, 크리스털-카이버(키 설정)및 크리스털-딜리튬(디지털 서명)은 대부분의 사용 사례에 대해 NIST가 권장하는 격자기반 암호화 알고리즘 중 두 가지이다.
싱가포르에 본사를 둔 아벨리안(Abelian)이라는 기업은 이미 이러한 PQC 표준에 기반한 기술 개발에 성공하고 있으며, 세계 최초의 포스트 퀀텀 L1 블록 체인 시스템과 개인 정보 보호 코인 아벨(ABEL)을 출시했다.
이 기술은 어떤 원리이며 왜 중요한가?
양자 문제
우리가 현재 알고 있는 인터넷은 데이터 암호화에 의해 유지된다. 이것이 없다면 사적인 메세지에서 은행 기록에 이르기까지 모든 디지털 정보에 모든 사람이 접근할 수 있다. 개인 데이터를 해독하기 위한 사이버 공격은 개인과 기업 모두에게 큰 혼란과 피해를 줄 수 있다.
오늘날 대부분의 데이터 암호화는 소인수 분해를 기반으로 한다. 소수는 더 큰 정수를 나눌 수 있는 가장 작은 정수이다. 정말 큰 숫자의 소인수는 모든 가능성을 처리하는 데 매우 오랜 시간이 걸리기 때문에 기존 컴퓨터로는 쉽게 찾을 수 없다. 그러므로 컴퓨터 과학자들은 현대 암호화를 이러한 수학적 문제 또는 그 변형에 기초하기로 결정했다. 그러나 그들의 전체 전략은 1995 년 뉴저지의 벨 연구소에서 피터 쇼어라는 수학자에 의해 짧은 시간 내에 엄청나게 많은 수의 소인수를 찾을 수 있는 알고리즘이 도출되면서 무너진듯 했다. 하지만 다행히 인터넷의 경우, 양자 컴퓨터에서만 실행할 수 있다.
이는 양자 컴퓨터가 양자 중첩의 특성을 이용하여 큐비트(qubit)를 생성하기 때문이다. 0 또는 1 의 상태를 가질 수 있는 일반 비트와 달리 큐비트는 0 과 1 상태를 동시에 나타낼 수 있다. 이를 통해 그들은 기존 컴퓨터보다 수십억 배 빠르게 수학 문제를 해결할 수 있다. 쇼어와 같은 특수 알고리즘과 양자 컴퓨터가 결합하면, 온라인 통신,금융 거래 및 가장 자주 쓰이는 메세지 플랫폼을 보호하기 위해 오늘날 흔히 사용되는 대부분의 암호화 프로토콜을 깨는데 하루도 걸리지 않을 것이다.
또한 비트 코인을 포함한 대부분의 기존 블록 체인의 기본이 되는, 적어도 하나의 암호화 프리미티브(디지털 서명 체계)는 양자 공격에 취약하다. 즉, 충분히 강력한 양자 컴퓨터를 가진 악의적인 의도의 누군가가 블록체인에 암호화폐 지갑의 공개 키가 보관된 주소를 표적으로 삼아 암호화폐를 훔치거나, 블록체인 거래에서 암호화폐가 이동하는 동안 자신의 개인 주소로 재전송을 시도할 수 있다는 의미다.
구조를 위한 격자 기반기술
격자는 n차원 공간의 점으로 구성된 수학적 대상이다. 최단 벡터 문제 (Shortest Vector Problem-SVP) 와 같은 이러한 주기적 구조와 관련된 최적화 문제는 엔피 하드(NP-hard)이며 양자 컴퓨터로는 쉽게 해결할 수 없다. 이러한 문제를 활용하는 암호화 기술은 구현이 쉽기 때문에 양자 저항성 블록체인을 만들기 위한 이상적인 기반을 제공한다. 유일한 단점은 최근까지 대부분의 기술이 매우 큰 키를 필요로 하여 속도가 느리고 비효율적이라는 것이다. 그러나 격자기반 암호 기법은 지난 몇 년 동안 빠르게 발전해 왔으며 일부 최신 알고리즘은 이미 훨씬 작은 키로 작동 할 수 있다.
NIST는 PQC 대회에서 일부 격자기반 알고리즘을 최종 후보로 선정했다. 이들 중 하나인 크리스털-카이버 (CRYSTALS-Kyber)는 웹사이트 보안 및 금융 네트워크 보안과 같은 일반 암호화 상황에 권장된다. 이는 상대적으로 작은 암호화 키를 필요로 하여 양쪽이 쉽게 교환할 수 있으므로 매우 빠르게 실행할 수 있다.
디지털 거래 중 신원을 확인하거나 원격으로 문서에 서명하는 데 자주 사용되는 디지털 서명의 경우, NIST가 선택한 격자기반 알고리즘 중 하나는 크리스털-딜리튬(CRYSTALS-Dilithium)이다.
세계 최초로 입증된 보안 블록체인
아벨리안의 블록체인 인프라는 양자 컴퓨터로 실행할 수 있는 가장 실용적인 공격 시나리오에 대비하여 이 두 가지 격자기반 암호화 알고리즘을 모두 사용한다. 이러한 알고리즘의 보안은 대립 모델(adversarial models)이라고도 하는 수학적 프레임워크에서 엄격하게 검증되었으며 과학적으로 동료들의 심사, 검토를 받는 연구 논문에 발표되었다.
양자 저항뿐만 아니라,아벨리안은 개인 정보 보호 응용 프로그램을 지원하는 암호화 프리미티브를 갖추고 있다. 보낸 사람의 익명성 및 추적 불가능성을 보장하기 위해, 아벨리안은 격자기반의 연결 가능한 링(Ring) 서명 체계를 사용하는데 이는 프로젝트 설립자들이 공동으로 발명한 것으로, 그 중 한 명인 왕던컨 박사(Dr. Duncan Wong)은 거의 20년 전에 연결 가능한 링 서명 을 공동 발명했다.
일반적인 링 서명을 통해 사용자는 '링'이라고 하는 임의의 사용자 집합을 대신하여 메시지에 서명할 수 있다. 이 계획의 익명성은 서명이 서명한 링 멤버를 밝히지 않도록 보장한다. 그러나 두 개의 링 서명이 동일한 사람에 의해 제출되었는지 여부를 확인할 수 없기 때문에 암호화폐 체계에서 두 배의 지출로 이어질 수 있다. 격자기반의 연결 가능한 링 서명은 이중 지출 공격 시도에서 두 개 또는 그 이상의 서명을 생성한 모든 서명자를 탐지할 수 있기 때문에 이 문제에 대한 이상적인 포스트 퀀텀 솔루션을 제공한다.
또한 거래에 사용된 코인의 금액을 감추기 위해 아벨리안은 격자기반의 영지식 증명 (zero knowledge proof)시스템과 함께 격자기반의 위임체계를 설계했다. 이는 이중 지출은 불가능하게, 거래 금액은 가려져 있게 한다. 커밋 앤 프르브 프로토콜(commit-and-prove protocols)과 영지식 증명 (CP-ZKPs)은 오늘날의 거의 모든 개인 정보 보호 기반 프로토콜의 기초가 된다. 양자 컴퓨팅의 필연적인 출현에 대비하여 격자기반의 영지식 증명이 암호학에 빠르게 배치되고 있으며, 결과적으로 매우 짧은 증명을 가진 상당히 빠른 체계가 다수 생성되고 있다.
많은 프로젝트들이 아직 이론적 탐사 단계에 있지만 아벨리안은 이미 3,000 명 이상의 광부들을 끌어들인 양자 저항성 메인넷을 출시했다. 프로젝트는 올해 안에 양자 취약 EVM 체인에서 실행되는 웹3와 DeFi 응용 프로그램을 아벨리안의 L2 체인으로 원활하게 가져올 수 있는 스마트 계약 지원용 EVM 등가성 L2 체인을 도입할 계획이다. 또한, 아벨리안의 L2 체인은 L2 Dapps가 높은 확장성과 양자 내성을 가질 수 있도록 지원하는 영지식 브릿지를 갖출 것이다.
아벨리안의 최첨단 포스트 퀀텀 기술 활용ㅡ차세대 암호화폐 및 블록체인 시스템 개발 가능
아벨리안은 자사의 보안,확장성 및 분산성을 지속적으로 개선할 수 있는 자체 생태계의 성장을 위해 개방형 커뮤니티를 구축할 예정이므로 이 프로젝트의 모든 소스 코드는 곧 공개 될 것이다.
아벨리안팀은 이번 혁신으로 양자컴퓨팅에 취약할 수 있는 모든 블록체인 기반 프로젝트는 물론 비트코인을 비롯한 기존 암호화폐에 도움이 될 암호화 커뮤니티 핵심 양자내성 암호화 기법이 등장할 것이라고 강력히 믿고 있다.
