[Math in Biz] 궁극의 `랜덤 넘버`에 도전하다…양자 난수 생성법

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LG유플러스는 지난 27일 보안 시스템온칩(SoC) 개발 기업 ICTK홀딩스, 정보보안 스타트업 EYL, LG CNS와 손잡고 국내 최초로 사물인터넷(IoT) 단말용 양자보안칩 개발에 성공했다고 밝혔다.

양자보안이란 '양자 난수 생성기(QRNG)'로 예측이 불가능하고 패턴이 없는 순수한 난수를 생성해 암호화키 중복·예측을 방지하는 기술이다. 기존 IoT 기기에 사용하던 보안 기술인 '순수 난수 생성기(TRNG)'보다 암호의 무작위성이 높아 해킹 위협으로부터 안전하다. QRNG 난수 무작위성은 TRNG보다 약 26% 높다. 이를 통해 고객들은 사생활 침해와 정보 유출을 방지할 수 있다.

여기서 한 가지 의문이 생길 수 있다. 우리는 매주 로또 번호를 받을 때도 무작위로 번호를 받는다. 그런데 왜 굳이 이런 난수를 생성하는 신기술이 필요한 걸까. 난수는 특정한 순서나 규칙을 가지지 않는 수를 뜻한다. 영어로는 '랜덤 넘버(random number)'다. 난수를 만드는 건 매우 중요하다. 설문조사를 위해 표본을 뽑거나 암호를 만드는 상황, 물건을 만들어 불량률을 검사할 때도 쓰인다.

예컨대 모든 인구를 토대로 설문조사를 할 수 없기에 임의로 수천 명을 뽑아서 설문조사를 하는데, 신뢰할 수 있는 설문조사를 위해서는 표본의 편향성이 전혀 없어야 한다. 특정 정당 지지자들이 많은 표본이나, 특정 지역에 편향된 표본은 모두 신뢰성을 크게 훼손시키기 때문이다. 이럴 때 정말 '랜덤하게' 표본을 뽑아낼 수 있는 기술이 중요하다. 난수 자체는 어려운 개념이 아니기 때문에 난수를 만드는 것도 쉽다고 생각하는 사람들이 많다. 하지만 절대 간단하지 않다. 물론 사람은 무의식적으로 난수를 쉽게 만들어낼 수 있다. 문제는 컴퓨터의 경우다. 필요한 난수의 개수가 수백 개인 상황에서 인간이 난수를 하나하나 뽑아낼 수는 없다.

따라서 컴퓨터가 난수를 뽑아내야 하는데, 문제는 컴퓨터는 사람이 입력한 걸 따르는 기계라는 것이다. 즉 컴퓨터는 일정의 명령어를 내어주고 그 명령에 따라 숫자를 뽑아내야 하는데, 그 명령어 자체가 일종의 규칙이 된다. 그렇다면 난수는 예측 가능한 수, 즉 난수가 아닌 상황이 된다.

컴퓨터는 그래서 난수표라는 방식을 쓴다. 미리 난수를 적어놓은 데이터를 쓰는 것이다. 문제는 난수표 자체는 미리 만들어놓은 난수 데이터이긴 하지만 모두가 이런 난수표를 쓰면 난수표 자체가 규칙이 되어버린다.

이를 해결하기 위해 시간데이터를 섞는다. 난수표를 여러 개 만들어두고, 난수를 만드는 그 시점의 시간을 기반으로 서로 다른 난수표를 선택하게 만든다. 때에 따라 중앙처리장치(CPU) 온도나 컴퓨터가 켜진 시간 등 다양한 입력 값을 더 섞기도 한다. 쉽게 말해 불규칙하게 발생할 것으로 예상되는 일종의 소음을 데이터에 첨가해서 값들을 더 섞어버리는 셈이다.

하지만 이것마저도 예측이 가능할 수 있기 때문에 특정 기법에서는 하드디스크가 만드는 소음과 같은 걸 첨가해 난수를 만들기도 한다. 하지만 여전히 일정한 규칙으로 만들어지는 과정에 소음을 섞는 방식에 불과해 만들어낸 숫자들이 진짜 난수인지는 의문이 남는다. 이러한 어려움을 근본적으로 해결할 수 있는 방법이 양자 난수 생성이다. 양자역학은 근본적으로 임의성을 기반으로 하는 학문이다. 하드디스크가 만드는 소음은 이론적으로는 같은 환경을 만든다면 똑같은 소음을 만들 수 있지만(현실적으로는 절대 쉽지 않지만) 양자역학은 근본적 원리 자체가 임의성이기 때문에 이 같은 문제에서 자유롭다. 양자 시스템을 사용해 난수를 생성하는 방법은 여러 가지 방법이 있다. 그중 가장 간단한 방법은 광자를 50% 확률로 반사하거나 통과시키는 편광 거울에 통과시키는 것이다. 통과하면 1, 반사되면 0으로 숫자를 기록하는 식이다. 광자는 양자역학에 따라 확률적으로 랜덤하게 검출된다. 연달아 광자를 통과시켜 나오는 숫자를 나열하면 '1010100'과 같은 식으로 나열되는 이 숫자를 예측하는 건 양자역학적으로 불가능하다. 기존 난수를 생성하는 방식과 달리 근본적으로 순수한 난수를 생성할 수 있는 셈이다. 이렇게 생성된 순수 난수는 무작위성뿐만이 아니라 난수의 분포도 균등하다.

LG유플러스는 양자 난수 생성기와 보안칩을 합친 양자보안칩을 만들기 위해 각 사의 전문 기술력을 유기적으로 조합했다. EYL은 약 3㎜ 크기의 QRNG를 개발하고, ICTK홀딩스는 물리적 복제 방지 기술(PUF)을 입혀 하나의 'QPUF'로 제작했다. LG유플러스와 LG CNS는 이 칩을 IoT 기기에 사용하기 위한 소프트웨어 툴을 설계하고 만들었다. 이를 통해 QPUF는 IoT 기기 데이터를 안전하게 저장할 수 있게 됐다. LG유플러스는 양자보안 기술을 자율주행차, 드론, 기업·가정용 폐쇄회로(CC)TV 등 다양한 IoT 기기 보안에 활용할 계획이다. 진짜 '랜덤 넘버'의 일상화가 멀지 않았다.

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