양자 암호 시스템의 시작

2022년 대한민국학술원 우수학술도서 선정도서

◈ 이 책에서 다루는 내용 ◈

◆ 사용자와 데이터, 기반 구조를 안전하게 유지하기 위한 새로운 양자-이후 암호 알고리즘 구현

◆ 양자 컴퓨팅이 현재의 암호 시스템을 깨뜨릴 방법

◆ 양자 암호 해독이 가능해질 날

◆ 양자역학의 기본 개념

◆ 기존 솔루션으로 보안 위협에서 보호하기

◆ 최신 암호학적 방법으로 최신 상태 유지

◆ 양자-이후 세계를 준비하기 위한 조언

◆ 디지털 암호화와 인증, 무결성 해시의 기본 이해

◆ 양자 컴퓨팅을 넘어서는 새로운 발명과 개선 사항 분석

◆ 가까운 미래에 양자 컴퓨팅이 가져올 것

◈ 이 책의 대상 독자 ◈

양자-이후(post-Quantum) 이전(migration) 프로젝트를 담당하고 주도할 가능성이 큰 조직의 컴퓨터 보안, 특히 컴퓨터 암호 시스템을 관리하는 모든 사람을 대상으로 한다. 또한 좋은 암호 시스템의 중요성과 조직에 미치는 영향을 알고 있는 관리자와 책임자를 대상으로 한다. 마지막으로 양자역학과 양자 컴퓨터 그리고 양자 암호 시스템에 관심이 있는 사람이라면 읽을 만한 가치가 있다.

◈ 이 책의 구성 ◈

1부, '양자 컴퓨팅 기초'는 양자역학과 양자 컴퓨팅이 현재의 암호화 보호(cryptographic protection)를 어떻게 깨는지에 대해 다룬다.

1장, '양자역학 입문'에서는 양자역학이 디지털 세계에 미치는 영향을 이해하는 데 가장 중요한 성질을 설명한다. 양자역학을 처음 읽었을 때 제대로 이해하지 못했더라도 걱정할 필요가 없다. 양자역학은 100년 넘게 전 세계에서 가장 똑똑한 사람들을 괴롭혀왔다. 우리는 보통 사람이기 때문에 핵심 개념을 바로 이해하지 못한 것도 무리가 아니다.

2장, '양자 컴퓨터 입문'에서는 다른 유형의 양자 컴퓨터와 이 컴퓨터들이 지원하는 양자의 성질을 알아보고, 향후 10년 안에 양자 컴퓨터가 나아갈 방향을 다룬다.

3장, '양자 컴퓨팅이 현재의 암호 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있을까?'에서는 전통적인 이진 컴퓨터가 대부분의 공개키 암호 시스템을 쉽게 깨뜨릴 수 없는 이유와 양자 컴퓨터가 공개키 암호 시스템을 깨뜨리는 방법을 설명한다. 양자 컴퓨터가 깨뜨릴 수 있는 것과 양자 계산 능력에 대항할 수 있는 것을 다룬다.

4장, '양자 암호 해독은 언제 가능할까?'에서는 양자 컴퓨터가 기존 공개키 암호 시스템을 깨뜨릴 수 있는 여러 시기와 가능성을 설명한다.

5장, '양자-이후의 세계는 어떤 모습일까?'에서는 양자-이후 세계와 우리에게 미칠 영향을 알아본다.

2부 '양자 해독 대비'는 다가오는 양자우위를 가장 효율적으로 준비할 수 있도록 도와줄 것이다.

6장, '양자-내성 암호 시스템'에서는 미국 국립표준기술연구소(NIST, National Institute of Standards and Technology)의 양자-이후 공모전 2차전에서 검토 대상이 된 20여 개의 양자-내성 암호 시스템과 기법을 다룬다. 이런 두 개 이상의 양자-내성 알고리즘이 미국의 차세 대 국가 암호 시스템의 표준이 될 것이다. 경쟁하고 있는 알고리즘과 이들의 강점 및 약점을 살펴본다.

7장, '양자 암호 시스템'에서는 암호화 강도(cryptographic strength)를 제공하고 위해 양자 성질을 사용하는 암호 시스템과 기법을 다룬다. 장기적으로는 양자-내성 암호 시스템 외에도 양자-기반 암호 시스템을 사용하게 될 것이다. 양자-기반 암호 시스템을 알아본다.

8장, '양자 네트워킹'에서는 양자 중계기(quantum repeater)와 같은 양자-기반 네트워킹(quantum-based networking) 장치와 양자 네트워크를 보호하는 애플리케이션을 다룬다. 그리고 양자 네트워킹의 현재 상태와 장단기 미래에 대한 가능성도 다룬다. 언젠가는 인터넷 전체가 양자-기반이 될 것에 대비해 네트워킹 부품과 구성 요소를 살펴보고 어떻게 해결할 수 있는지 알아본다.

9장, '지금부터 대비하라'에서는 모든 조직이 다가오는 양자 암호 해독에 대비하는 방법을 알려준다. 여러분의 가장 중요한 장기 비밀(long-tern secret)을 보호하기 위해 지금 무엇을 해야 하는지와 어떤 암호키(cryptographic key)의 길이를 늘여야 하는지 그리고 언제 어떤 것을 교체해야 하는지를 알려준다.

부록에는 양자 정보 자원(quantum information resource)에 관해 더 알아볼 수 있는 자료를 담았다. 설명을 제대로 이해했다면, 이 책을 다 읽었을 때 그 어느 때보다도 양자물리학과 현재의 전통적 공개키 암호 시스템을 깨뜨리는 방법을 이해하고, 여러분의 중요한 디지털 비밀을 적절하게 준비해 더 잘 보호할 수 있을 것이다. 

로저 A. 그라임스

1987년 이래로 30년 넘게 악의적인 컴퓨터 해커들과 싸워왔다. CISSP와 CISA, MCSE, CEH, Security+를 포함해 수십 개의 컴퓨터 자격증을 취득했으며, 컴퓨터 보안과는 상관없는 공인회계사(CPA, Certified Public Accountant) 시험에도 합격했다. 20년 넘게 기업과 기업의 웹사이트에 침입한 전문 침입 테스터로 일해왔으며, 테스트에 3시간을 넘긴 적이 없었다. 또한 컴퓨터 보안 수업을 만들고 업데이트해왔으며, 강사로서 수천 명의 학생들에게 해킹과 방어 방법을 가르쳤다. 컴퓨터 보안 회의에서 자주 발표자로 나서고 있으며, 컴퓨터 보안에 관한 10권의 책과 1,000여 건의 잡지 기사를 쓰거나 공동 집필했다. 2005년 8월부터 「InfoWorld」와 「CSOOnline」(www.infoworld.com/blog/securityadviser/)의 컴퓨터 보안 칼럼니스트를 맡아 20년 넘게 정규직 컴퓨터 보안 컨설턴트로 일하고 있다. 「Newsweek」와 NPR의 「All Things Considered」를 포함한 여러 잡지와 텔레비전 쇼, 라디오 등에서 자주 인터뷰를 한다. 현재 전 세계의 크고 작은 회사에 악성 해커와 악성코드를 가장 빠르고 효율적인 방법으로 막는 방법을 조언하고 있다. 1983년부터 양자물리학을 공부해왔다.

1부 ― 양자 컴퓨팅 기초

1장. 양자역학 입문

양자역학이란 무엇인가?

__양자는 반(反)직관적이다

__양자역학은 현실이다

양자역학의 기본 성질

__광자와 양자역학

__광전 효과

__파동-입자 이중성

__확률 원리

__불확정성 원리

__스핀 상태와 전하

__양자 꿰뚫기

__중첩

__관찰자 효과

__복제 불가 정리

__유령 같은 얽힘

__결깨짐

오늘날 우리 세계의 양자 사례

추가 정보

요약

2장. 양자 컴퓨터 입문

양자 컴퓨터는 어떻게 다른가?

__비트를 사용하는 기존 컴퓨터

__큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터

__양자 컴퓨터는 아직 황금 시간대를 맞이할 준비가 되지 않았다

__양자 컴퓨터가 곧 우위를 차지할 것이다

양자 컴퓨터는 오류 정정을 사용해 큐비트를 개선한다

양자 컴퓨터의 종류

__초전도 양자 컴퓨터

__양자 열 풀림 컴퓨터

__범용 양자 컴퓨터

위상 양자 컴퓨터

__마이크로소프트의 마요라나 페르미온 컴퓨터

__이온덫 양자 컴퓨터

__클라우드 양자 컴퓨터

__미국 외의 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터의 구성 요소

__양자 소프트웨어

__양자 스택

양자 국가 지침(Quantum National Guidance)

__국가 정책 지침(National Policy Guidance)

__보조금과 투자

컴퓨터 이외의 다른 양자 정보 과학

추가 정보

요약

3장. 양자 컴퓨팅이 현재의 암호 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있을까?

암호 시스템 기초

__암호화

__무결성 해시값

__암호 활용

양자 컴퓨터는 암호를 어떻게 깨뜨릴 수 있을까?

__시간 단축

__양자 알고리즘

__양자가 깨뜨릴 수 있는 것과 깨뜨릴 수 없는 것

__여전히 이론적이다

요약

4장. 양자 암호 해독은 언제 가능할까?

답변은 항상 '지금으로부터 10년 뒤'였다

양자 암호 해독 인자

__양자역학은 실재하는가?

__양자 컴퓨터는 실재하는가?

__중첩은 실재하는가?

__피터 쇼어 알고리즘은 현실적인가?

__안정된 큐비트를 충분히 갖고 있는가?

__양자 자원과 경쟁

__우리가 꾸준히 개선하고 있는가?

__전문가 의견

양자 사이버 해독은 언제 가능할까?

__시기 선택 시나리오

__언제부터 대비해야 하는가?

발생 시나리오

__국가가 양자 컴퓨팅을 강제하는 경우

__대기업에서 사용하는 경우

__대량 확산

__가장 가능성이 높은 발생 시나리오

요약

5장. 양자-이후의 세계는 어떤 모습일까?

깨진 응용프로그램

__약해진 해시함수와 대칭키 암호

__깨진 비대칭키 암호 알고리즘

__약해지고 깨진 난수 생성기

__약화되거나 깨진 종속 응용프로그램

양자 컴퓨팅

__양자 컴퓨터

__양자 프로세서

__양자 클라우드

양자 암호 시스템이 사용될 것이다

__양자 완벽 프라이버시

양자 네트워크가 나온다

양자 응용

__더 나은 화학약품과 의약품

__더 나은 배터리

__진정한 인공지능

__공급망 관리

__양자 금융

__향상된 위험 관리

__양자 마케팅

__더 나은 기상 예측

__양자화폐

__양자 시뮬레이션

__더 정밀한 군사와 무기

__양자 원격 이동

요약

2부 ― 양자 해독 대비

6장. 양자-내성 암호 시스템

NIST의 양자-이후 공모전

__NIST 보안 강도 분류

__공개키 암호 대 키 캡슐화 방식

__형식적 구별 불가능성 보증

__키와 암호문의 길이

양자-이후 알고리즘의 유형

__코드-기반 암호 시스템

__해시-기반 암호 시스템

__격자-기반 암호 시스템

__다변량 암호 시스템

__초특이 타원곡선 아이소제니 암호 시스템

__영지식 증명

__대칭키 양자 내성

양자-내성 비대칭키 암호화 알고리즘

__BIKE

__Classic McEliece

__CRYSTALS - Kyber

__FrodoKEM

__HQC

__LAC

__LEDAcrypt

__NewHope

__NTRU

__NTRU Prime

__NTS-KEM

__ROLLO

__Round5

__RQC

__SABER

__SIKE

__ThreeBears

__PKE와 KEM 키 그리고 암호문 길이에 관한 일반적 관찰

양자-내성 디지털 서명

__CRYSTALS-Dilithium

__FALCON

__GeMSS

__LUOV

__MQDSS

__Picnic

__qTESLA

__Rainbow

__SPHINCS+

__서명 키와 길이에 대한 일반적 관찰

주의 사항

__표준의 결여

__성능 문제

__검증된 보호의 결여

추가 정보

요약

7장. 양자 암호 시스템

양자 난수 생성기

__무작위가 항상 무작위는 아니다

__진정한 임의성이 왜 그렇게 중요한가?

__양자-기반 난수 생성기

양자 해시와 서명

__양자 해시 알고리즘

__양자 디지털 서명

양자 암호화 알고리즘

__양자 키 분배

요약

8장. 양자 네트워킹

양자 네트워크 구성 요소

__전송 매체

__거리 대 속도

__점 대 점

__신뢰할 수 있는 중계기

__진정한 양자 중계기

__양자 네트워크 프로토콜

양자 네트워크 응용프로그램

__더 안전한 네트워크

__양자 컴퓨팅 클라우드

__더 나은 시간 동기화

__전파 방해 방지

__양자 인터넷

다른 양자 네트워크

추가 정보

요약

9장. 지금부터 대비하라

네 가지 주요 양자-이후 마이그레이션 단계

__1단계: 현재의 솔루션 강화

__2단계: 양자-내성 솔루션으로의 전환

__3단계: 양자-하이브리드 솔루션 구현

__4단계: 완전한 양자 솔루션 구현

여섯 가지 주요 양자-이후 마이그레이션 프로젝트 단계

__1단계: 교육

__2단계: 계획 수립

__3단계: 데이터 수집

__4단계: 분석

__5단계: 조치/교정

__6단계: 검토 및 개선

요약

부록. 추가 양자 자료