양자 암호화 - Quantum cryptography

양자 암호화 - Quantum cryptography

양자암호학은 양자역학적 특성을 이용하여 암호 작업를 수행하는 과학이다. 양자암호학의 가장 잘 알려진 예는 키 교환 문제에 대한 이론적으로 안전한 해결책을 제공하는 양자 키 분배다. 양자암호화의 장점은 고전적(즉, 비수량) 통신만으로 불가능하다고 입증되거나 추측되는 다양한 암호업무의 완료를 가능하게 한다는 데 있다. 예를 들어 양자 상태로 인코딩된 데이터를 복사할 수 없다. 암호화된 데이터를 읽으려고 하면 양자 상태가 바뀐다(노클론 정리). 이는 양자키 분포에서 도청을 감지하는 데 사용될 수 있다.

양자키분배

양자암호법의 가장 잘 알려지고 개발된 응용은 양자키분배(QKD)로, 비록 이브가 앨리스 사이의 모든 통신을 엿들을 수 있다 하더라도, 제3자(Eve)가 그 키에 대해 아무것도 배우지 않고 양자통신을 이용하여 양 당사자(예를 들면 앨리스와 밥)간의 공유키를 설정하는 과정이다. 그리고 밥. 만약 이브가 열쇠가 확립된 것에 대한 정보를 배우려고 한다면, 앨리스와 밥이 알아차리게 하는 불일치가 발생할 것이다. 일단 키가 설정되면 일반적으로 고전적 기법을 이용한 암호화된 통신에 사용된다. 예를 들어, 교환된 키는 대칭 암호화에 사용될 수 있다.

양자 키 분포의 보안성은 고전적인 키 분포로는 불가능한, 엿듣는 사람의 능력에 어떠한 제한도 가하지 않고 수학적으로 증명될 수 있다. 양자역학의 법칙이 적용되고 앨리스와 밥이 서로를 인증할 수 있다는 등, 몇 가지 최소한의 가정이 필요하지만, 이것은 보통 "조건 없는 보안"으로 설명된다. 이브는 앨리스나 밥처럼 중간의 공격이 가능한 것처럼 흉내 낼 수 없어야 한다.

양자 키 유통은 겉으로 보기에는 안전해 보이지만 응용은 실용성의 도전에 직면해 있다. 전송거리와 키 생성 속도 제한 때문이다. 지속적인 연구와 성장하는 기술은 그러한 한계 속에서 더 많은 발전을 가능하게 했다. 2018년 Lucamarini 외에서는 손실 통신 채널의 비밀 키 용량에 의해 주어지는 포인트 투 포인트 리피터(point-to-point repeater-bound)를 극복할 수 있는 방안을 제안했다. 트윈필드 양자 키 분배 체계는 현재 통신에서 이미 보편적으로 사용되고 있는 「표준 광섬유 550km」에 대해 최적의 키 요율을 달성할 수 있다고 제시하고 있다. 이러한 주장은 2019년 민더 등이 요금손실 한도를 넘어선 1차 QKD 실험 시연에서 확인됐다. 이 QKD 구현은 최초의 효과적인 양자 중계기로 특징지어졌다.

위치 기반 양자암호화

위치 기반 양자암호화의 목표는 플레이어의 지리적 위치를 고유의 자격 증명으로 사용하는 것이다. 예를 들어, 수신자가 그 특정 위치에 있을 때만 읽을 수 있다는 보장으로 특정 포지션의 사람에게 메시지를 보내고자 한다. 포지션 검증의 기본 과제에서 앨리스는 자신이 특정 지점에 위치해 있다는 것을 검증자에게 납득시키고자 한다. (프로베라의 주장 위치를 제외한 모든 위치를 지배하는) 적들을 결탁하는 것에 대항하여 고전적인 프로토콜을 이용한 위치 검증은 불가능하다는 것을 Chandran 등이 보여주었다. 적에 대한 각종 제한 아래서는 계략이 가능하다.

'양자태깅'이라는 이름으로, 켄트에 의해 2002년에 첫 번째 위치 기반 양자 구도가 조사되었다. 미국 특허는 2006년에 수여되었다. 위치 검증을 위해 양자 효과를 이용한다는 개념은 2010년 과학 문헌에 처음 등장했다. 2010년에 위치 검증을 위한 몇 가지 다른 양자 프로토콜이 제안된 후, Buhrman 등은 일반적인 불가능 결과를 주장했다. 엄청난 양의 양자 얽힘을 사용하여, 적들을 결탁한 적들은 항상 자신이 청구된 위치에 있는 것처럼 확인자들에게 그것을 보도록 할 수 있다. 그러나 이 결과는 한정된 수량 또는 소음이 많은 수량 저장 모델에서 실용적인 계획의 가능성을 배제하지 않는다. 이후 베이기와 쾨니그는 위치 검증 프로토콜에 대한 일반 공격에 필요한 EPR 쌍의 양을 기하급수적으로 개선했다. 그들은 또한 특정 프로토콜이 선형적인 양의 EPR 쌍만 통제하는 적들에 대해 안전성을 유지한다는 것을 보여주었다. 시간 에너지 결합으로 인해 양자 효과를 통한 형식적인 무조건적인 위치 검증의 가능성은 여전히 열려 있는 문제로 남아 있다는 주장이다.

장치 독립 양자암호화

양자암호 프로토콜은 그 보안이 사용된 양자 소자가 진실하다는 신뢰에 의존하지 않는 경우에 장치 독립적이다. 따라서 그러한 프로토콜의 보안 분석은 불완전하거나 심지어 악의적인 장치의 시나리오를 고려할 필요가 있다. 메이어스와 야오밍은 입출력 통계에 의해 고유하게 결정될 수 있는 "자기 테스트" 양자 기구를 사용하여 양자 프로토콜을 설계하는 아이디어를 제안했다. 그 후, 그의 논문에서 로저 콜벡은 장치의 정직성을 점검하기 위해 벨 테스트의 사용을 제안했다. 그 이후로 벨 시험을 수행하는 실제 기기가 실질적으로 "소음" 즉 이상과는 거리가 먼 경우에도, 몇 가지 문제가 무조건적인 보안 및 장치 독립적 프로토콜을 인정하는 것으로 나타났다. 이러한 문제에는 양자 키 분포, 무작위 확장, 무작위 증폭 등이 포함된다.

2018년에 Arnon-Friedman 등이 수행한 이론 연구는 나중에 점증식 장비화 속성의 확장인 "EAT"로 언급되는 엔트로피의 속성을 이용하는 것이 장치 독립 프로토콜의 보안을 보장할 수 있다고 제안한다.