[QIS②] 양자 우위 시대 ‘퀀텀 세이프’ 비트코인?

비트코인 기반인 블록체인은 고전 컴퓨터의 분산 컴퓨팅으로 보안을 유지한다.

이는 나온지 10년이 넘은 기술로 고전 컴퓨팅에서는 보안이 지켜지고 있으나, 양자 우위를 현실화하고 있는 양자 컴퓨터의 잠재적 위협에는 취약하다.

비트 코인 해킹

앞서 설명했듯이 p2pk 주소와 재사용 된 p2pkh 주소의 모든 코인은 양자 공격에 취약하다. p2pk 주소는 비트 코인 블록 체인이 만들어지던 해에 지배적이었다. p2pk 주소의 코인 수는 거의 일정하게 유지됐다(약 200만 비트 코인). 합리적인 가정은 이러한 코인이 채굴을 통해 생성되었으며 원래 주소에서 이동된 적이 없다는 것이다.

p2pkh가 2010년에 소개되면서 빠르게 늘게 됐다. 그 이후로 생성된 대부분의 코인은 이러한 유형의 주소에 저장된다. 그래프에서 재사용 된 p2pkh에 저장된 비트 코인 수가 2010 년부터 2014 년까지 증가하고 그 이후 현재 250만 비트 코인에 도달, 천천히 감소하고 있음을 알 수 있다. 이것은 사람들이 일반적으로 p2pk 주소를 사용하지 않고 p2pkh 주소를 재사용하지 않는 모범 사례를 따르고 있음을 보여준다. 그럼에도 불구하고 여전히 양자 공격에 잠재적으로 취약한 400만 BTC(전체 비트 코인의 약 25 %)가 있다.

퀀텀 세이프

비트 코인을 사용하는 데 사용된 적이 없는 p2pkh 주소는 공개 키가 아직 공개되지 않았기 때문에 미교적 안전하다. 이는 비트 코인을 새로운 p2pkh 주소로 전송하면 양자 공격에 취약하지 않아야 함을 의미한다.

이 접근 방식의 문제는 취약한 비트 코인의 많은 소유자가 개인 키를 분실했다는 것이다. 이 코인은 양도할 수 없으며 충분히 큰 양자 컴퓨터를 구축하는 첫 성공 케이스가 취할 수 있다. 이 문제를 해결하는 방법은 비트 코인 커뮤니티 내에서 합의에 도달하고 사람들이 코인을 안전한 주소로 옮길 수 있는 최후 통첩을 제공하는 것이다. 미리 정의된 기간이 지나면 안전하지 않은 주소의 코인은 사용할 수 없게된다(기술적으로 이는 채굴자가 이러한 주소에서 오는 거래를 무시함을 의미한다). 이러한 과감한 단계는 이러한 민감한 문제에 대한 합의를 달성하는 복잡성은 말할 것도 없고 구현하기 전에 신중하게 고려해야 한다.

비트 코인 블록 체인은 본질적으로 현재와 미래 양자 컴퓨터 공격에 대해 탄력적인가?

취약한 비트 코인의 모든 소유자가 안전한 주소로 이동한다고 가정해보자. 개인 키를 ‘마법처럼’ 잃어버린 모든 이를 찾게 된 경우다.

“퀀텀 세이프(quantum safe)”의 전제 조건은 이 주소와 연결된 공개 키가 공개되지 않는 것이다. 그러나 위에서 설명한 것처럼 이러한 “안전한”주소에서 코인을 전송하려는 순간 공개 키도 공개돼 주소가 취약해진다. 그 순간부터 거래가 “채굴”될 때까지 양자 컴퓨터를 소유한 공격자는 코인을 훔칠 수있는 기회를 얻는다. 이러한 공격에서 공격자는 먼저 공개 키에서 개인 키를 추출한 다음 자신의 주소로 경쟁 거래를 시작한다. 그들은 더 높은 채굴 수수료를 제공해 원래 거래보다 우선 순위를 얻으려고 노력할 것이다.

비트 코인 블록 체인에서 거래를 채굴하는 데 현재(구글 양자컴퓨터 양자 우위 달상 발표 당시) 10분 이상 일정 시간이 걸린다. 양자 컴퓨터가 특정 공개 키의 개인 키를 파생하는 데 더 오래 걸리는 한 네트워크는 양자 공격으로부터 안전해야한 다. 현재 과학적 추정은 양자 컴퓨터가 RSA 키를 해독하는 데 약 8시간이 소요될 것으로 예측하며 일부 특정 계산에서는 비트 코인 서명이 30분 이내에 해킹될 수 있다고 예측한다. 이것은 비트 코인이 원칙적으로 양자 공격에 저항해야 한다는 것을 의미한다(주소를 재사용하지 않는 한).

현실적 위협 시점

그러나 양자 컴퓨터 분야는 아직 초기 단계이기 때문에 현실적인 공격이 가능한 양자 컴퓨터가 앞으로 얼마나 빨리 개발될 것인지는 불분명하다.

다만 지난해 한 해에만 첫 양자 우위를 주장한 구글 양자칩 ‘Sycamore’과 특정 연에서 이를 100억 배 능가하는 포토닉(photonic) 기반 양자 컴퓨터 프로토 타입 ‘지우장(Jiuzhang)’이 각각 미국과 중국에서 개발됐다.

中 포토닉 양자컴퓨터 양자우위 달성…구글 양자칩 100억배 성능

현재 ‘Jiuzhang’의 제한은 단일 유형의 작업, 즉 보손 샘플링만 수행할 수 있다. 다른 유형의 광(光) 양자 컴퓨터는 프로그래밍이 가능하다는 점에서 이같은 제한은 곧 극복 가능할 전망이다. 초전도 기반 구글, IBM 등 양자 컴퓨터는 다양한 알고리즘을 실행하도록 프로그래밍할 수 있다.