마이컴 1993년 2월호 - 컴퓨터별곡, 양자 물리학을 이용한 완벽한 암호

마이컴 1993년 2월호 - 컴퓨터별곡

적을 알면 백전백승이라는 말이 있듯이 적의 사정을 알기 위해서 적국에 스파이를 파견하게 되면 서로간의 통신 방법은 약속된 암호를 사용한다. 

따라서 암호는 다른 사람들이 절대로 알아보지 못해야만 그 가치가 있다. 암호는 전투의 승패가 갈리는 중요한 역할을 한다. 이 암호를 사용하는 방법은 나름대로 다양하지만 암호 사용자들이 가장 좋아하는 것은 양자 물리학에 기초를 둔 방식을 자주 이용한다.

영국의 옥스포드 대학의 물라학자인 아터 이커트는 200야드 거리에 있는 친구에게 완벽한 암호로 된 메시지를 보내는 방법을 고안하였다. 

그렇다고 그의 신호가 도청으로부터 안전한 것은 아니며 그의 암호가 너무 복잡하여 풀 수가 없다는 의미도 아니다. 알고 보면 사실 매우 간단하다. 그가 고안한 비밀은 에너지와 물질의 기본 법칙에 근거를 두고 있다. 

만약 물리학의 기본 법칙 자체가 정확한 법칙이라면 어느 누구도 (예를들어 막강한 능력을 가진 정보기관) 그 암호를 해독할 수 없을 것이다. 

아터 이커트가 시도하는 방식은 정보를 감추기 위해 입자의 불가사이한 행동을 응용하고 있다. 이 입자들이 따르는 규칙이 바로 양자 물리학인 것이다. 

10년전만하더라도 양자를 이용한 암호화 작업은 한가한 사람들의 흥미로운 짓으로 여겼다. 그러나 지금은 여러가지 양자를 이용한 암호 장치가 활발히 연구되고 있다.

아터 이커트의 암호체계는 전통적인 방법에서 완벽하게 이탈한 것은 아니다. 수천년전으로 거슬러 올라가 보면 암호는 모두 같은 기본구조를 공유하고 있음을 알 수 있다. 

그것은 원문(plaintext)으로 알려져 있는, 암호화될 문장이 있고, 그 문장을 암호화하는 방법인 키(key)가있다. 마지막으로 암호화된 문장인 암호문(ciphertext) 이 있다. 여기서 키가 다른 사람의 침입이 가능한 부분이 된다.

기원전 400년경의 스파르타 시대를 보면, 군인들은 긴 나무 막대를 파피루스나 가죽을 이용하여 나선형으로 팽팽히 감았다. 그리고 그 막대의 세로로 각 행마다 막대를 돌려가며 메시지를 내려 썼다. 

예를들어, ATTACK AT DOWN이라는 메시지는 ACDTKATAWATN으 로 보이게 된다. 그 문장을 재구성하려면 그 문서를 같은 막대에 다시 감아야 한다. 이 방법의 약점은 조금만 관심을 갖는다면 누구나 알아낼 수 있다는 것이다. 

이 막대만 입수한다면 그 메시지는 금방 드러나 버린다. 이러한 방법은 암호 체계를 세우는 데 그다지 바람직한 그 방법이 아닌데 이것이 일반적으로 세우는 암호체제의 기본적인 약점에 해당된다. 즉, 키가 실물로 존재한다면 그 키가 획득되거나 복제되기 쉽다는 점이다.  

따라서 키는 물리적인 실체로 존재하지 않아도 상관없다. 메시지를 뒤죽박죽으로 혼합해 놓은 비법이 포함되어 있으면 된다. 로마시대의 줄리어스 시저는 간단한 규칙을 사용했다. 

A와 D를, B와 E를, C와 F를 바꾸어 넣는 식이었다. 시저의 암호 형식은 수학적으로 보면 현대의 암호와 본질적인 차이는 거의 없다. 글자를 숫자로 나타내어 보면 시저의 암호는 덧셈을 응용한 것이라는 것을 알게 된다. 키를 원문에 더함으로써, 암호문이 얻어지는 셈이다. 

메시지 : A T T A C K A T D A W N 

수로 바꾸면 : 1 20 20 1 3 11 1 20 4 1 23 14 

더해질 키 : 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 

얻어지는 수 : 4 23 23 4 6 14 4 23 7 4 26 17  

다시 문자로 바꾸면 : D W W D F N D W G D Z Q

그러나, 시저가 사용하던 이러한 방식의 암호도 그렇게 안전하지는 않다. 이 방법은 실제로 해결할 수 있는 키는 얻을 수는 없지만, 규칙을 신중히 검토해 보면 암호문 자체에서 해결 방법이 추측될 수는 있는 약점을 지니고 있는 것이다. 

여기서 암호 해독자는 암호문의 글자가 각각 얼마나 쓰여졌나 세어보는 일이다. 그리고, 그 결과를 각 문자의 통계적 빈도와 비교해 보고 (영어에서 가장 흔히 쓰이는 문자는 E, T, O, A, N의 순이다) 암호 해독자는 약속된 규칙을 발견하게 되고 키를 알아낼 수 있다.  

1918년 AT&T의 엔지니어인 길버트 버냄은 규칙이 드러나지 않는 암호체제를 고안해 냈다. 당시 AT&T는 텔레타이프를 써서 원시적인 컴퓨터처럼 0과 1로 이루어 지는 ON OFF 신호로 통신을 하고 있었다. 

이 암호의 키는 메시지 자체와 길이를 맞추어 1과 0으로 무작위 수열을 이룬것이다. 이것의 예를 한번 보자. 각 메시지의 비트를 다음과 같은 규칙에 따라 키와 더한다.

1+1 = 0, 0+0 = 0, 1+0= 1, 0+1 = 1 

원문:1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 

키 : 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 

암호문 : 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 

(수가 1과 0일 필요는 없다. 또한 덧셈의 세부규칙도 바뀔 수 있다. 중요한 것은 키가 무작위라는 점이다) 길버트 버냄이 이 무작위로 선택한 키의 개념을 소개한 후 몇 년이 지난 다음, 수학자들은 이 암호문이 아무리 길더라도 암호해독자는 키와 원문을 알아 맞출 수 없다는 사실을 증명할 수 있었다. 

심지어 암호해독자가 암호가 만들어진 원리를 알고 있다 하더라도, 키의 무작위성으로 인해 원문의 일정한 규칙을 알아볼 수 없게 하였다.

그러나, 이 방법에도 역시 장애는 존재한다. 양쪽 사이에서 키에 관한 동의가 있어 두 메시지가 보내졌고 도청자가 이 양쪽의 암호문을 들었다면 그는 이것을 이용하여 이 두 메시지를 판독할 수 있게 된다. 이 메시지를 더하기만 하면 되는 것이다. 

키는 이 과정에서 상쇄되어지고 두 메시지의 합이 남는다. 이 메시지를 끌어 내는 것은 비교적 쉬운 일이다. 컴퓨터를 이용하여 체계적으로 한 메시지의 각각의 장소에 글자를 넣어 보면서 또 다른 메시지가 어떻게 변하는지를 살펴보면 판독이 가능하게 된다. 따라서, 완벽한 비밀을 유지하는 유일한 방법은 모든 메시지마다 새로운 난수열을 쓰는 것 뿐이다.

그러나 이러한 과정이 쉽게 보일지도 모르지만, 키가 필요한 곳으로 전달하는 것은 매우 힘든 일 중에 하나이다. 만약 정보기관에서 해외에 있는 스파이에게 이 방식을 사용하려면, 그에게 직접 긴 수열을 전달하거나, 서로 간에 동의된 규칙이 있어야 한다.  

2차대전 중 스위스에 있던 소련의 스파이는 모스크바로 접선하는 경우에 무역통계서에 있는 숫자를 이용하는 방법을 썼다. 이 통계서는 각 페이지마다 철강이 얼마나 수입되고, 밀이 얼마만큼 수출되었는지 등의 수치들이 나열된 책이었다. 

스파이는 페이지, 행, 열을 무작위로 찍어서 키로 사용했다. 그리고 모스크바에 있는 암호수신자가 책의 어디를 보아야 하는지를 알수 있게 하기 위해서 스파이는 메시지안에 페이지와 행, 열을 알려주는 내용도 포함시켰다.

그 후로 냉전시대에, 소련은 난수들을 마구 타이프하여 우표크기의 소책자로 제작하였다. 이 책자에는 질서가 있었다. 이 수치들은 타이프라이터의 왼편의 수가 되기도 오른편의 수가 되기도 한다. 

소련은 이 비밀수치들을 소중히 여겨서 1956년에 캐나다의 소련 대사관에 화재가 발생했을때 암호의 키가 발각되지 못하도록 건물을 그대로 타도록 한 일이 있다.  

길버트 버냄이 고안한 암호체계는 아직도 가장 완벽한 축에 속한다. 워싱턴과 모스크바 사이의 핫라인 메시지도 암호화하는데 양측은 길고 동일한 키들을 사용하며 그 키를 사용한 후 즉시 폐기된다. 

당연히 그러한 키들은 신중히 보호되어야 한다. 만약 출판물에서 키를 사용한다면 그 비밀을 알고 있는 직원들은 충성스러운 사람들로 구성되어야 함은 물론이다. 

그러면 여기서 만약 키가 복제될 수 없다는 완벽한 신뢰를 갖고 키를 서로에게 공개적으로 보낼수 있다면 이 방법이 얼마나 쓸모 있을지를 상상해 보자. 이 부분이 바로 양자 물리학이 보증할 수 있는 부분인 것이다.

암호 작성자의 관점에서 보았을 때 양자가 가진 놀라운 특징이 아무런 의미를 지니지 않는다는 점이다. 양자의 입자는 우리가 상상하는 일반적이고 상식적인 사물의 존재 방식을 부정한다.

우리는 보통 사물을 생각할 때 사물은 한가지 시점에서 한가지 위치를 점하고 있고 한 시점에서는 한 방향으로 움직이고 있다는 것으로 생각한다. 

그러나 입자는 동시에 여러 위치에 있을 수 있고, 다른 에너지를 지닐 수 있다. 입자가 서로 다른 모양을 하는 것은 서로 강하거나 약하게 겹쳐지는 것이라고 말할 수 있다. 

물리학자는 특정한 환경에서 입자의 행동을 기술하는 방정식을 적용함으로써 입자가 일정한 방식으로 운동한다는 가능성을 알아낸다. 

어떻게 암호 정보에 불명확성을 이용할 것인가? 우선, 키로 사용하기 위해서는 입자의 행동에 적절한 면을 취해야 한다. 빛의 입자인 광자를 예로 들면, 광자는 운행중에 진동한다. 

이는 공간의 전자기장의 변화와 마찬가지로 볼 수 있다. 어떤 광자는 위아래로 번갈아 가며 향하는 수직의 전기력을, 어떤 광자는 좌우로 움직이는 수평의 힘을 만들어 내기도 한다. 

광자의 흐름이 같은 방향으로 진동할 때 이를 편광이라고 한다. 편광을 암호에 응용하기로 하였다고 상상해 보자. 광자가 진동할 각각의 각도는 각각의 수를 나타내게 된다. 수직의 편광이 0을 나타낸다면 수평의 편광은 1을 나타내게 되는 식이다. 이러한 키를 응용하려면, 편광을 관측할 수 있어야 한다. 

태양광선은 편광되어 있지 않다. 그 광자는 가능한 방향으로 진동한다. 폴라로이드 선글래스는 한 방향으로 편광된 빛이 수직으로 들어오도록 해 준다. 그리고 나머지 빛은 흡수해 버린다. 만약 그러한 선글래스 렌즈를 통과한 광자가 같은 방향으로 되어 있는 폴라로이드 렌즈를 통과한다고 하더라도 빛은 변화하지 않는다. 

그러나 두번째 렌즈를 회전시키면 빛이 어두워진다. 두번째의 렌즈를 첫번째 렌즈로 부터 90도 돌려 놓는다면 빛이 전혀 통과 하지 못하게 되는 것이다. 첫번째 렌즈를 통과한 빛이 모두 수직으로 편광되어 있기에 두번째 렌즈를 1도만 돌려도 모든 광자가 차단되리라고 생각될 것이다. 

그러나 각각의 광자는 양자의 입자이다. 다른 각도의 선글래스 렌즈를 만나면, 광자는 그에 맞추어 갑자기 편광이 바뀔 가능성이 있다. 수직에서 렌즈를 더욱 돌리면 돌릴수록 광자가 새로운 편광으로 변환 할 가능성은 그만큼 줄어든다. 

45도에서 광자는 50%의 통과율을 가지고 있다. 이 경우 빛의 밝기는 반으로 감소 하게 된다. 90도로 두번째 렌즈를 돌려 놓는다면 광자는 진동할 여지를 갖지 못하게 되고 빛이 통과할 수 없게 된다. 

편광 감지기도 마찬가지의 구조이다. 단지 수직과 수평으로 편광된 광자가 투사되고 있다는 사실을 안다면 감지기를 사용하여 100%의 신뢰도로 두 종류의 광자를 구별해 낼 수 있다. 그러나 대각선으로 편광된 광자가 투사된다면 혼란이 일어날 것이다. 

만약 수평으로 지나가도록 설치를 해 놓았다고 하자. 대각선 광자는 감지기에서 45도로 기울게 되면 50퍼센트의 투과될 확률을 갖고있다. 만약 투과하지 않는다면 그것이 대각선이었는지 수직으로 보이기 위해 무작위로 골라진 것인지는 알 수 없다. 

1970년대 초, 콜럼비아 대학의 물리학자 스테판 위즈너는 편광된 빛을 사용하여 지폐를 위조로부터 보호하기 위한 학설을 세웠다. 그러나 이러한 지폐를 만들어 내는 것에는 실패하였다. 

그의 아이디어는 1979년까지 인정을 받지 못하였다. 그러다가 1979년 그의 친구인 뉴욕의 IBM연구센터의 물리학자 찰스 베네트가 몬트리얼 주립대의 컴퓨터 과학자 길스 브래서드와 함께 위즈너의 아이디어를 실행가능한 형태로 바꾸는 노력을 하게 되었다. 그것은 편광된 광자에 의해 생성되는 키이다. 

그 계획에 의하면 예를들어 A, B 두 사람이 서로 메시지를 보내려면, 우선 그들은 메시지의 길이와 같은 키를 같이 알고 있어야 한다. 

그래서, 희미한 빛을 발사하고 광자의 펄스를 생성하기 위하여 필터와 빛의 굴절을 위한 크리스탈을 통과시킨다. 그리하여 수평, 수직, 좌측 대각선, 우측 대각선의 4가지 방향 중 하나로 편광되게 되는 것이다. 

A의 송신 A

／＼＼|-＼|／-＼

이 펄스는 상대방에게 전달된다. 서로는 수평과 수직을 구별할 수 있는 감지기를 설치하는데 +기호를 쓴다. 또 좌우의 대각선을 감지하는데 X기호를 쓴다. 비밀을 보호 하기 위하여 서로는 각자의 감지기를 어떻게 설치해야 하는지는 가르쳐 주지 않는다. 마음대로 배치한 후 그가 본 것을 기록한다. 

A의 송신

／＼＼|-＼|／-＼

B의 배치 

+ X + + X + XXX +

A가 그의 감지기를 올바르게 배치했다면, 즉 수평 광자가 도달하는 곳에 +를 설치했다는 식으로 배치하였다면 그는 정답을 기록할 수 있다. 예를 들어 대각선을 + 배치로 읽으려는 등의 잘못된 배치로 인한 오류가 생긴다면 그에게는 펄스가 수직 혹은 수평으로 멋대로 보일 것이다. 그리고 그는 두 타입중 하나로 잘못 기록하고 만다. 

A의 송신 

／＼＼|-＼|／-＼

B의 배치 

+ X + + X + XXX + 

B의 판독: 

-＼||／-＼／＼-

A와 B는 그 후 서로 대화를 나누게 된다. A는 B에게 전화를 이용하거나 컴퓨터로 통신을 할 수도 있다. 이 경우에는 어떠한 안전장치도 하지 않은 상태이고 누구든지 도청이 가능하다. 서로가 어떻게 배치하였다고 말하거나 잘못된 점을 이야기한다. 

서로는 잘못된 세팅으로 인해 잘못된 판독을 없앤다음 남아있는 것은 비밀리에 숫자로 변환한다. 두 사람은 미리 수평과 좌측 대각선은 1이고 수직과 우측대각선은 0에 해당한다고 동의했다. 이 수가 그들의 매시지를 암호화할 때의 키가 되는 것이다.

A의 송신 

／＼＼|-＼|／-＼

B의 배치 

+ X + + X + XXX + 

B의 판독: 

-＼||／-＼／＼-

B의 옳은 판독

＼|／

A와 B의 수치로의 변환 

1 0 0  

만약 도청자가 이 키를 알아내려면 어려운 문제에 부딪친다. A의 빛이 B에게 도착하는 과정에서 도청자는 그 빛을 판독하기가 힘들다. 왜냐하면 그 빛은 워낙 희미하기 때문이다. 

또다른 선택은 그 광자의 흐름에 간섭하여 그것을 판독하는 것이다. 그러나 양자의 불확실성이 이를 허락하지 않는다. 다음을 보자. 예를들어 2, 4, 7, 11번째 수라 하자. 

A 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 

B 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1  

그들은 서로 그들의 그룹에 들어있는 1이 짝수개인지 홀수개인지 확인한다. 이 경우에 A는 짝수개, B는 홀수 개를 가지고 있다. 그들은 모순이 있다고 말하고, 결함을 찾아낼때까지 그룹의 범위를 좁혀가게 된다. 

무작위로 이를 반복함에 의해 앨리스와 밥은 그들의 키에 실질적인 확신을 갖게 된다. 그러나, 그들은 그 수치가 실제로 무엇인지는 물론 밝히지 않는다.전문가들은 "이러한 순수한 상태가 아닌 비밀로부터 그들은 순수한 비밀을 걸러낼 수가 있다."라고 주장한다.

A와 B는 다시 수의 무작위 그룹을 확인한다. 다시 한번 그들의 그룹이 각각 1이 짝수개인지 홀수개인지 살펴 본다. 그러나, 이번에 그들은 이 정보를 완전히 새로운 키를 만드는데 사용한다. 

만약 그룹에 1이 짝수개 있으면 비밀리에 0을 기록한다. 만약 홀수라면 1을 기록한다. 이 방법은 도청자가 키의 한 숫자도 알지 못한다는 것이 증명되었다. 그것이 수억 자리의 숫자로 되어 있더라도 말이다. 

그리고, 한번 그 무작위 키가 보호되면, 쌍방이 그 키의 어느 부분도 다시 쓰지 않기만 하면 그 키에 의해 암호화된 메시지는 완벽하게 안전하다. 이러한 과정을 통해 이커트는 양자 물리학의 다른 면을 알게 되었다. 그것은 아인슈타인이 50년전에 처음 벗겨 낸 입자의 속성이다. 

이커트는 "아인슈타인은 절대로 양자 역학을 좋아하지 않았다."라고 지적했다. 어떤 물리적 과정이 두 입자를 생성하여 각각 다른 방향으로 발사되었다고 상상해 보자. 그들은 핵이 붕괴되어 발생한 전자일수도 있고, 원자가 가열되어 생성된 광자일 수도 있다. 

에너지 보존의 법칙에 의하면 그들의 특성은 동일해야하고 서로 대립해야 한다. 하나의 전자가 시계방향으로 돈다면, 다른 하나는 반드시 시계 반대방향으로 돌아야 한다. 광자라면, 서로 90도로 편광되어야한다. 

그러나 아인슈타인이 지적한대로, 양자물리학은 관찰되지 않는한은 이러한 광자가 어느 특정한 식으로 편광하지 않는다는 사실을 알려준다. 이론상, 그 쌍을 이룬 각각의 광자는 몇 광년동안 이렇게 애매하고 불명료한 상태로 몇 광년이나 운행하게 될 수도 있다. 

어느 누군가가 + 편광 감지기를 그것들 중 하나에게 사용한다면, 수평이나 수직중의 하나를 선택하게 하는 셈이다. 수평으로 남았다면, 다른 하나의 광자는 자연히 수직이 된다. 이는 마치 두 광자가 서로 빛의 속도보다 빨리 연락을 한 듯한 느낌마저 준다. 

이는 아인슈타인에 의해 이상하게 여겨지게 되고, 이러한 미스테리한 입자간의 '커뮤니케이션'은 후에 실험에 의해 실상으로 밝혀지게 된다.  

이커트는 이러한 논리가 능률적이고 완벽한 비밀키를 만들수 있으리라는 생각을 하였다. 후에 데이비드 머민에 의해 추가로 수정된 그의 시스템은 다음과 같다. 

앞서 말 한 A, B 두 사람이 뉴욕과 런던에 살고 있다고 하자. 그리고 광섬유가 그들을 연결하고 있다. 그들의 중간지점이 되는 대서양에는 뜨거운 원자가 들어있는 상자가 있다. 

동시에 그 상자는 두 광자를 발사한다. 하나는 B에게 이어져 있는 섬유를 타고 이동하고, 다른하나는 A에게 간다. A가 광자를 + 감지기로 읽어 수직으로 판독한다고 하자. 그러면 B의 광자는 수평이다. 만약, 그도 역시 + 감지기를 사용한다면. 그는 올바른 답을 얻게 될 것이다. 그러나 그가 X를 썼다면, 그 수평 광자는 어느쪽 대각선 으로 보일것일지를 선택해야만 하는 상황을 맞게 되어 버린다.  

A와 B는 광자가 도착할때 마다 무작위로 그들의 감지기를 +나 X로 세운다. 키가 이루어질 정도로 충분한 판독이 이루어졌다면, 그들은 서로 어느 신호가 서로간의 동일한 배치에 의해 얻어진 결과인지를 체크한다. 그들은 이러한 옳은 판독결과만을 남기고 이것들로 키를 만든다. 

이러한 전개는 A의 광자와 B의 광자는 90도의 각도로 어긋나도록 되어 있다. 이 경우에 그들은 단지 어느것이 1이고 0인지만 미리 정해 놓으면 되는 셈이다.

도청자는 이 경우에도 다시 한번 곤혹에 빠지게 된다. 대서양의 밑바닥까지 헤엄쳐 들어가서 통신선을 통해 전달되는 광자를 읽으려고 할 지 모른다. 광자를 +로 측정 하면 광자를 수평, 혹은 수직으로 억지로 맞추는 셈이된다. 

또한 A의 광자를 반대방향이 되도록 만든다. A와 B 양쪽 모두 X배치를 쓰고 있었다면, 둘은 모두 두가지 대각선중 하나로 무작위로 맞춘 광자를 읽게 될 것이다. 여기서 A와 B의 판독에 있어서의 상호 관계에는 아무런 보증이 없다. 

그들 키의 아무 부분이나 서로 비교해보면 그들은 같은 감지기를 사용하고 있음에도 불구하고 때때로 다른 수치를 기록하고 있다는 것을 알 수 있다. 

대부분의 경우 이커트의 방법은 메시지를 보낼때까지는 그 키를 일상적이고, 양자적 신호가 아닌 방법으로 컴퓨터에 저장하거나, 기록해 놓아야 한다. 

이커트의 시스템을 베네트는 다음과 같이 지적한다. "이것은 매우 훌륭한 시스템이다. 그러나,기술적인 관점에서 본다면 어려움이 많다. 

광자를 원래 그대로의 상태로 안전하게 저장하는 법은 없다."  베네트와 그의 대학원생들은 하드웨어를 다루고, 브래서드의 팀은 소프트웨어를 맡았다. 

알루미늄으로 된 그 모습은 IBM의 베네트의 작은 사무실안에 있다(베네트는 그의 대학원생들에게 그 상자안에 들어가서 빛이 새지 않는지 살펴보도록 하는 임무를 지시한다.) 

뚜껑의 아래에는 크리스탈, 감지기, 녹색 발광 다이오드등으로 이루어진 눈에 잘 띄지 않는 배열이 있고, 이들은 베네트의 PC에 의해 조정된다. 그 관은 한쪽에 빛의 펄스를 위한 준비를 해두고 광자는 테이블을 가로질러 다른쪽의 감지기로 이동된다. 

베네트와 브래서드는 그들에게 전해지는 여러가지 회의적 의견에 대해 명확한 근거를 선언하고 어떠한 도청장치든 그 광선안에 두도록 하였다.

 

실제로 중요한 것은 빛 그 자체에 있다. 신호를 전달하는데 있어서 광섬유를 사용하는 것이 명백해져 있는데, 섬유의 굽거나 꼬인지점에서 빛의 편광이 흩으러지기 때문에 신호가 소실될 우려가 있다.

연구자들은 베네트와 브래서드의 기계가 어떻게 이용될 것인지에 관해 연구해 왔는데 두 집단이 정보를 주고 받을 때 어떠한 정보의 누설도 없이 진행하려할 때 사용할 수 있다. 정부와 기업간을 예로 든다면 그들은 종종 비밀의 누설을 하지 않고 사건의 해결하려고 한다. 

군사조약 이나 제휴를 성립할 때도 이 경우에 속한다. 이 시스템에서 비밀을 유지하려면 양측은 교환될 질문이 무엇인지에 동의하면 된다. 양측의 데이터는 양자 암호로 전환되고 많은 조작이 필요한 작은 부분으로 나뉘어서 보내게 된다.

새로운 체계에서는 간섭계라고 알려진 장치가 편광 감지기를 대신한다. 광자는 간섭계에 들어와서 두가지 진로를 정해주는 광선 분리기에 부딛히게 되며 어느쪽 길을 택할 것인지는 50퍼센트의 확률을 가지고 있다. 짧은 경로와 긴 경로가 각각의 감지기로 연결해 준다.

광자들는 물론 간섭계안에서 무의미한 움직임을 한다. 그들은 동시에 모든 가능한 경로를 선택할 수 있다. 붕괴가 일어난 경로의 감지기에 광자가 도달하거나 하나의 경로에서 재결합하여 두 감지기 중의 하나에 무작위로 충돌 하기전에는 어느것도 확정지어지지 않는다. 

그전에는, 연구자들은 단지 각각의 경로에 확률을 할당하는 수 밖에 없다. 그러나, 그러한 확률을 편광 장비를 사용하여 광자가 다른 각도로 진동할 확률을 조정하는 것과 마찬가지로 조정할 수가 있다. 이 경우에 있어서 연구자들은 간섭계 안의 긴 경로의 길이를 소량 조정한다. 

그렇게 함으로써 광자가 분열되어 동시에 두 방향으로 나아가, 광자의 '부분'이 긴 경로를 따라 갈때 교차점에서 짧은 경로를 따라 도달된 부분과의 동시성을 제거하게 되는 것이다. 물리학의 전문용어를 쓰자면, 광자의 경로가 위상(페이즈)이 지연되었다고 한다. '위상'은 진동의 사이클에서 얼마나 멀리 떨어졌는가를 나타낸다.

위상 지연을 응용함으로써, 연구자들은 광자가 두 감지기중의 하나를 선택하여 충돌하지 못하게 할 수 있다. 만약 위상 지연이 진동의 정확히 반에 해당된다면, 광자의 부분들'은 하나의 감지기에서 재결합이 불가능해진다. 광자의 '부분'이 긴 경로를 따른다고 할때, 짧은 경로를 따르는 부분이 아래쪽으로 진동한다면 그 부분은 위쪽으로 진동한다. 

진동의 확률은 무시된다. 즉, 광자가 경로를 벗어나서 감지기에 충돌할 확률은 전무하다는 것이다. 수직으로 편광된 광자가 수평방향으로 돌려진 필터를 통과할 정도로 불가능한 일인 것이다. 

이커트, 래러티, 탭스터는 쌍방간에 동일한 간섭계를 주며 각각의 간섭계에는 '1'과 '0'이라고 표식되어져 있는 두 감지기가 있다. 또한 각각의 간섭계에는 앨리스와 밥이 끄고 켤 수 있는 위상 지연 스위치가 달려있다. 

그 다음으로 연구자들은 대서양의 밑바닥에서 광자를 발생하게 하는 뜨거운 원자를 레이저로 교체한다. 레이저에 의해 발광된 광자들은 모두 동일한 진동수를 지닌다. 그러나 이 경우에 광자가 크리스탈에 닿으면 그 곳에서 두개의 새로운 광자가 방출된다. 이 광자는 광섬유를 통해 통신하고 있는 쌍방에 전달된다. 그들의 모체와는 달리 자손 광자들은 일정한 진동수를 갖지 않는다. 

이커트가 그의 처음 모델에서 사용한 편광된 광자들 처럼, 자손의 진동수는 양자의 불명료속에서 꼬이게 된다. 한가지 말할 수 있는 것은 모체 광자의 진동수에 더한 것이 그들의 진동수라는 점이다. 

각 쌍의 광자들이 쌍방에 닿을 때, 그들은 위상-지연 스위치를 내리거나 올릴수 있다. 그 스위치는 간섭계안의 경로 하나의 길이를 변화시켜 준다. 이 장치가 측정을 하기 때문에, 광자가 하나의 진동수를 선택하도록 만든다. 

아인슈타인의 파라독스가 말해 주듯이 하나의 광자를 그 양자의 중간적 위치에서 벗어나도록 하며 다른 하나를 그와 상관된 진동수를 띠도록 해 준다. 

이커트, 래러티, 탭스터는 간섭계를 배열하고 쌍방이 사용하는 위상 배치에 차이가 없다면 (양쪽 모두 스위치를 켰거나 혹은 껐거나), 그들은 서로 상관되고 있는 광자를 읽고 있는 한은 둘다 1이나 0을 기록할 것이다. 

그들의 위상 스위치가 서로 일치하지 않는다면, 그들은 어긋난 수를 얻게 된다. 이커트, 패러티, 탭스터는 그들의 위상 지연 시스템을 92년 3월에 성공적으로 운행했다. 간편을 꾀하기 위해 그들은 모든 작업을 200야드의 광섬유가 감싸고 있고, 통신을 할 사람들이 각자의 연구실에서 컴퓨터 소프트웨어 를 작동하였다. 

아직은 기술적인 문제가 있어 200야드를 넘는 거리에서는 시도해 보지 않았다. 광자가 섬유를 장시간 거칠수록 퍼지게 되어 감지하기가 힘들어진다. 전화선에 사용하는 광섬유에는 신호를 증폭할 수 있는 증폭기를 부착되어있다. 그러나, 비밀키의 일부가 될 이러한 신호의 증폭은 암호를 망가트리는 결과를 가져오게 된다.

이커트의 장치는 50마일의 거리에서도 작동할 것으로 기대하고 있다. 그리고 광학이 계속 발전하면 수 백마일에 이르는 일도 가능해 진다. 앞으로 5년 이내에 양자 암호를 사용할 수 있을지는 계산해 보야야 하는데 투자된 자본에 맞는 결과가 나올 것으로 전망하고 있다. 

(*자료 : 디스커버 '92. 9월)

이글은 지금은 없어진 컴퓨터 잡지, 마이컴 1993년 2월호 기사에서 발췌한 내용입니다

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