양자 컴퓨팅과 블록체인에 대한 심층 분석
글: Suzytu
양자 컴퓨팅은 블록체인을 무너뜨릴까, 아니면 더 안전하게 만들까?
컴퓨팅의 미래를 이야기할 때 블록체인과 양자 컴퓨팅은 가장 흥미롭고도 논란이 많은 두 분야다. 실제 응용 측면에서 블록체인 기술은 암호화폐와 암호학을 만들어 개인과 기업이 사용할 수 있게 하는 등 훨씬 앞서 있지만, 양자 컴퓨팅 산업 역시 놀라운 속도로 성장하고 있다. 실제로 양자 컴퓨팅 산업의 성장률은 블록체인에 이어 두 번째로 높을 가능성이 있으며, 2022년부터 2027년까지 연평균 25%의 성장률을 기록할 것으로 예상된다.
일부 전문가들은 양자 컴퓨팅의 발전이 블록체인의 종말을 의미할 수 있다고 주장한다. 왜냐하면 양자 컴퓨터는 최첨단 블록체인 암호조차 해독할 수 있기 때문이다. 또는 양자 컴퓨터가 데이터 보호라는 미래의 방식으로서 블록체인을 대체할 수도 있다.
어떤 면에서 블록체인 암호화와 양자 컴퓨팅은 암호학 경쟁에서 승자가 누구인지 결정하는 경주를 벌이고 있다. 핵심 질문은 과연 양자 컴퓨터가 블록체인을 해킹할 만큼 충분히 빠르게 발전할 것인가이다. 그 답은 암호학자들이 양자 해커로부터 자신을 보호하기 위해 충분히 빠른 보안 솔루션을 개발할 수 있는지 여부에 달려 있다.
하지만 양자 컴퓨팅과 블록체인 사이의 관계가 반드시 적대적인 것은 아니다. 일부 연구자들은 결국 양자 컴퓨팅과 블록체인 기술이 융합될 것이라고 생각한다. 그렇게 되면 더 안전하고 빠르며 잠재적으로 혁명적인 컴퓨팅 솔루션이 탄생해 다양한 암호학적 문제뿐 아니라 현실 세계의 여러 문제 해결에도 기여할 수 있다.
목차
1. 양자 컴퓨팅이란 무엇인가 — 블록체인과 어떻게 다른가?
2. 양자 컴퓨팅이 블록체인을 무너뜨리고 암호화폐를 종결시킬까?
3. 양자 컴퓨팅이 미래의 블록체인과 융합되거나 강화될 수 있을까?
4. 양자 저항성 원장(QRL)이란 무엇인가?
5. 비트코인 포스트퀀텀(BPQ)이란 무엇인가?
6. 양자 컴퓨팅과 블록체인의 미래는?
양자 컴퓨팅이란 무엇인가 — 블록체인과 어떻게 다른가?
양자 컴퓨팅에 익숙하지 않은 독자를 위해 설명하자면, 양자 컴퓨팅은 '양자 상태(quantum state)'를 활용하여 일반 슈퍼컴퓨터로 거의 불가능하거나 엄청난 처리 능력이 필요한 문제들을 해결하는 독특한 형태의 컴퓨팅이다. 양자 컴퓨터는 일련의 문제를 하나씩 분석하는 전통적인 슈퍼컴퓨터와 달리, 다수의 잠재적 문제와 답변을 동시에 분석할 수 있다. 이러한 컴퓨터는 양자 물리학의 힘을 이용해 잘못된 답 후보를 극도로 빠르게 제거하면서 정답 후보를 놀라운 속도로 추려낸다.
기존 컴퓨터는 일반적으로 고전 컴퓨터(classical computer)라고 불리며, 각 비트(bit)는 1 또는 0 중 하나의 상태만 가질 수 있다.반면 양자 컴퓨터는 비트가 아닌 큐비트(qubit)로 구성되며, 양자 중첩(quantum superposition)이라는 개념 덕분에 큐비트는 동시에 두 가지 상태를 가질 수 있다.또한 전통적인 비트와 달리, 큐비트는 양자 얽힘(quantum entanglement)이라는 과정을 통해 서로 영향을 미칠 수 있어 전체 계산 시스템 내에서 하나의 큰 양자 상태를 형성한다. 큐비트를 하나 추가할 때마다 컴퓨터의 가능한 상태 수가 두 배로 증가하므로, 고전 컴퓨터에 비해 막대한 계산 능력을 갖게 된다.
복잡한 문제 해결 외에도, 양자 컴퓨팅은 암호화 세계를 변화시킬 엄청난 가능성을 지닌다. 양자 물리학과 양자 상태의 특성상, 특정 정보의 상태는 관찰될 때 실제적으로 변하게 된다. 따라서 이론적으로 양자 암호화는 진정으로 깨지지 않는 것이 될 수 있는데, 왜냐하면 예정된 수신자가 아닌 누군가(혹은 어떤 기계라도) 정보를 열람하려 할 경우 그 정보의 상태가 돌이킬 수 없게 변하기 때문이다. 그러나 양자 컴퓨팅이 강력한 암호 기술을 창출할 수 있듯이, 기존에는 해독 불가능했던 암호 형태를 파괴할 가능성도 지니므로, 이는 블록체인의 본질적인 목적과 잠재적으로 충돌할 수 있다.
IBM과 같은 기업들은 현재 양자 컴퓨터를 활용해 전기자동차용 고에너지 밀도 배터리 개발, 탄소 배출 감소 신소재 개발, 우주의 기원을 밝혀낼 입자 탐색 등 다양한 문제를 해결하고 있다.
양자 컴퓨팅과 비교해 블록체인은 일련의 분산 원장 기술로서, 분산된 컴퓨터들(노드라고 함)로 구성된 네트워크에 의해 검증된 정보 장부를 생성하며, 한번 검증되면 사실상 변경이 불가능하다. 다양한 합의 알고리즘을 통해 분산 노드 네트워크는 정보 블록의 '검증' 여부에 동의하거나 반대하며, 이를 통해 블록체인에 블록을 추가한다. 블록체인은 전적으로 고전 컴퓨팅 영역에 속하므로, 특정 시간점에서 단 하나의 상태만을 가진다.
업계에서 이미 입증되었듯이, 블록체인 기술은 자동 실행 스마트 계약을 통해 분산 애플리케이션을 만드는 데 탁월한 도구이며, 여기에는 디지털 화폐, 물류 및 기록 보관 프로토콜, 다양한 금융 상품(대출, 스테이킹, 유동성 마이닝, 심지어 분산형 보험 프로토콜 포함)이 포함된다.
그러나 네트워크의 한계로 인해, 블록체인은 고도의 계산 능력이 요구되는 문제 해결에는 적합하지 않다. 실제로 느린 거래 속도는 오늘날 블록체인의 가장 큰 문제 중 하나이며, 새로운 블록체인 플랫폼들은 초당 더 많은 거래량(TPS)을 처리할 수 있는 솔루션을 제공하기 위해 경쟁하고 있다. 반면 양자 컴퓨팅은 과학기술 분야의 크고 난해한 문제 해결에 큰 가능성을 지니지만, 일반 소비자가 사용하는 애플리케이션을 만드는 데는 적합하지 않을 수 있다.
따라서 양자 컴퓨팅과 블록체인은 매우 다른 두 기술이지만, 이들의 상호작용은 두 산업 모두를 영원히 바꿔놓을 수 있다.
양자 컴퓨팅이 블록체인을 무너뜨리고 암호화폐를 종결시킬까?
양자 컴퓨팅과 블록체인을 논할 때 주요 우려는 양자 컴퓨터가 블록체인 암호화를 압도해 우리가 아는 안전한 암호화폐의 종말을 가져올 수 있다는 점이다.양자 암호화가 블록체인 암호학을 압도한다면, 암호화폐 산업 전체가 붕괴되지 않더라도 대규모 암호화폐 도난과 심각한 혼란이 발생할 수 있다.
딜로이트(Deloitte)의 한 연구에 따르면, 한 차례 공격으로 비트코인의 25%를 훔칠 수 있다고 한다. 2022년 1월 기준 이는 약 3,000억 달러에 달하며, 암호화폐 시장 규모가 계속 급격히 성장함에 따라 양자 컴퓨터 기반 암호 해킹은 궁극적으로 수조 달러를 훔쳐全球经济을 혼란에 빠뜨리고 블록체인 자체를 파괴할 가능성도 있다.
특히 유명한 이론적 컴퓨터 알고리즘인 쇼어 함수(Shor's algorithm)는 양자 컴퓨터에서 구현될 경우, 현재 타원 곡선 암호(Elliptic Curve Cryptography, ECC)로 숨겨진 소인수 분해 문제를 이론적으로 해결할 수 있다. 이는 해시에 사용되는 곱셈 형태인데, (현재로서는) 역방향으로 계산하는 것(즉, 공개키로부터 개인키를 생성한 원래 숫자를 찾는 것)이 거의 불가능하다.
예를 들어, 연구자들은 고전 컴퓨터가 타원 곡선 암호를 사용하는 공개키와 연결된 개인키를 알아내기 위해 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456번의 기본 연산이 필요하다고 계산했다. 이론적으로는 수천 년이 걸릴 수 있다.
반면 동일한 계산에 따르면, 쇼어 함수를 사용하는 양자 컴퓨터는 공개키와 연결된 개인키를 알아내기 위해 단 2,097,152회의 기본 연산만 필요로 한다. 이는 몇 시간 내로 해결될 수 있다. 그러나 현재 주류 양자 컴퓨터는 쇼어 함수를 활용할 수 있는 능력을 아직 확보하지 못했으며, 언제 완전히 실현될지도 불확실하다는 점을 인식해야 한다.
블록체인 암호화를 해킹하는 것 외에도, 또 다른 우려는 양자 컴퓨터가 암호화폐 채굴을 위해 기존 컴퓨터를 대체할 수 있다는 점이다. 이론적으로, 이러한 컴퓨터가 ASIC과 같은 기존 채굴 장비보다 더 빠르게 채굴할 수 있다면 자산 가격 불안정, 51% 공격, 채굴 권한의 극심한 집중화를 초래할 수 있다. 그러나 이것은 주로 비트코인과 같은 작업 증명(PoW) 기반 블록체인에 대한 걱정이며, 지분 증명(PoS) 기반 합의 모델에는 일반적으로 영향을 미치지 않는다. 환경 문제와 기타 요인으로 인해, 이더리움과 같은 대부분의 PoW 기반 블록체인은 계산 집약적인 채굴을 필요로 하지 않는 PoS 및 기타 합의 모델로 전환하고 있다.
이러한 계산과 예측에도 불구하고, 모든 전문가들이 양자 컴퓨팅이 효과적으로 블록체인을 해킹하고 기존 암호학을 무용지물로 만들 수 있다고 믿는 것은 아니다. 예를 들어 일부는 비트코인에 사용되는 SHA-256 암호화가 양자 저항성을 가질 수 있다고 주장한다. 양자 컴퓨터가 현재의 블록체인 암호화 방법을 해킹할 수 있다 하더라도, 그에 10~20년이 걸릴 수 있으므로 블록체인 암호학자들에게 새로운, 더 강력한 암호화 방법을 개발할 시간적 여유를 줄 수 있다.
또한 타원 곡선 암호화의 가장 일반적인 대안인 RSA 암호화도 어느 정도 양자 저항성을 가질 수 있다. 전통적인 해독 방식에서는 타원 곡선 암호화가 RSA보다 더 안전하다고 여겨지지만, 전문가들은 양자 해독에서는 오히려 그 반대일 수 있다고 조언한다. 게다가 RSA가 궁극적으로 '양자 해킹 가능'이 되더라도, 소프트 포크나 주기적으로 변경되는 지갑 주소는 양자 컴퓨터가 블록체인을 파괴하거나 암호화폐를 훔치는 대부분의 실질적 능력을 완화할 수 있다.
양자 컴퓨팅이 미래의 블록체인과 융합되거나 강화될 수 있을까?
양자 컴퓨팅이 우리가 아는 블록체인과 암호화폐를 무너뜨릴 수 있다고 보는 사람들도 있지만, 다른 이들은 양자 암호화가 블록체인과 결합되어 오늘날의 프로토콜보다 훨씬 더 안전한 블록체인을 만들 수 있다고 본다. 이론적으로 이러한 블록체인은 전통적인 해킹과 양자 컴퓨터 공격 모두에 강한 저항력을 가질 것이다.
특히 전문가들은 비대칭 키 알고리즘과 위에서 언급한 타원 곡선 곱셈 기반 해시 함수 같은 기존 블록체인 암호화 방법을 양자 키로 대체할 수 있다고 말한다.
양자 키 암호학, 즉 양자 키 분배(QKD, Quantum Key Distribution)는 광섬유 링크를 통해 광자의 형태로 빛의 '양자 입자'를 전송하는 방식으로 작동한다. 앞서 언급했듯이, 누군가 전송 중인 광자를 엿보려는 시도는 거래의 유효성을 사실상 무효화한다.
실제로 효과적이기 위해서는 이러한 양자 키를 일회용 패드(OTP, One-Time Pad) 암호화와 함께 사용해야 하며, 이는 한 번만 사용 가능한 키를 생성한다.
리춘탕(Li Chuntang), 쉬인쑹(Xu Yinsong), 탕자하오(Tang Jiahao), 류원jie(Liu Wenjie)가 『Quantum Computing Journal』에 발표한 논문 「Quantum Blockchain: A Decentralized, Encrypted, and Distributed Database Based on Quantum Mechanics」는 양자 컴퓨팅이 미래 블록체인에 제공할 수 있는 추가 혜택을 자세히 설명한다. 특히 현재 블록체인의 주요 문제 중 하나인 노드 선택의 무작위화 문제를 해결할 수 있다. 양자 블록체인 프로토콜은 기존의 무작위화 방법 대신 양자 난수 생성기를 활용해 검증자 노드를 무작위로 선택할 수 있다.
논문은 또한 양자 블록체인이 고전적인 비잔틴 장군 문제(Byzantine Fault Tolerance) 프로토콜을 양자 암호화를 적용한 새로운 형태의 양자 비잔틴 프로토콜로 대체할 수 있다고 주장한다. 지금은 매우 이론적인 수준이지만, 이는 51% 공격을 방지하는 데 도움이 될 수 있을 뿐 아니라, 새로운 고도로 안전한 양자 암호 기반 암호화폐를 창출할 수 있다.
지금까지 언급한 내용 대부분은 새로운 양자 블록체인을 만드는 것을 전제로 하지만, 양자 기술은 기존 블록체인에도 적용될 수 있으며, 이는 비트코인, 이더리움, 솔라나 등의 주요 블록체인에서 탈중앙화를 강화하고 거래 시간을 단축시킬 수 있다.
아직 명확히 규정되지 않았고 참고 논문에서도 다뤄지지 않은 잠재적 문제는 양자 컴퓨팅 기능(큐비트 생성 포함)이 어떻게 노드 운영자들 사이에서 분배될 것인지이다. 현재 대부분의 양자 컴퓨터는 고도로 실험적이며 극도로 비싸므로, 진정한 탈중앙화 블록체인에 필요한 다수의 노드 운영자를 확보하는 것이 어렵다. 그러나 이 상황은 바뀔 수 있다. 중국의 한 기업은 단 5,000달러의 소형 양자 컴퓨터를 출시했는데, 이는 현재 풀(full) 이더리움 노드를 운영하는 데 드는 비용보다 훨씬 낮다.
양자 저항성 원장(QRL)이란 무엇인가?
지금까지 공개 블록체인 프로젝트 중 완전한 양자 저항성을 주장하는 것은 두 가지뿐이다. 바로 양자 저항성 원장(QRL)과 비트코인 포스트퀀텀(BPQ)이다.양자 저항성 원장(QRL)은 자신을 '상태 기반 서명 방식과 무류의 보안을 갖춘 포스트퀀텀(Post-Quantum) 안전 블록체인'이라고 소개한다.
이를 위해 QRL 프로토콜은 "IETF가 지정한 XMSS, 최소한의 보안 가정을 가진 전방향 보안 서명 방식"을 사용한다. XMSS는 메르클 트리(Merkle Tree)를 활용한 확장된 메르클 서명 방식이다. 메르클 트리는 각 노드가 데이터 블록의 암호화 해시로 표시되는 트리 구조다.
메르클 트리는 "기존 블록체인 네트워크에서 개별 블록 내 모든 거래의 해시를 통합한 전체 해시"로 정의할 수 있다.
메르클 서명과 같은 상태 기반 해시 서명 방식은 RSA나 타원 곡선 암호학보다 양자 해킹에 더 강한 저항성을 지닌 것으로 여겨진다. 그러나 XMSS와 같은 해시 기반 상태 서명 방식은 키가 여러 번 사용될 경우 공격에 취약할 수 있어, 다른 암호화 방식에 비해 단점이 있다.
현재 미국 국립표준기술연구소(NIST) 컴퓨터보안자원센터(CSRC)는 이러한 암호 기술에 대한 연구와 의견을 적극적으로 수렴하며 민간 및 정부 사용을 위한 잠재적 장단점을 평가하고 있다. XMSS 외에도 NIST는 현재 약 70가지의 '포스트퀀텀 암호학(Post-Quantum Cryptography)' 신규 방법을 평가하고 있다.
QRL은 기존 메르클 서명 방식보다 더 효율적이고 안전한 '확장된' 메르클 서명 방식을 사용한다고 주장하지만, 이를 실제로 효과적인 양자 컴퓨터로 해킹 테스트하지 않는 한 이를 입증하기는 어렵다.
독자적인 블록체인 개발 외에도, 이 그룹은 자체 암호화폐(QRL)를 발행했는데, 2022년 1월 기준 가격은 0.20달러 미만이며 시가총액은 약 1,400만 달러를 약간 넘는다. QRL이 기반한 블록체인과 마찬가지로, QRL 개발자들은 이 암호화폐 자체가 양자 해킹으로부터 완전히 안전한 최초의 화폐라고 주장한다. 다른 암호화폐와 마찬가지로 QRL은 단일 노드에서 채굴하거나 마이닝 풀에 참여하는 방식으로 채굴할 수 있다.
비트코인 포스트퀀텀(BPQ)이란 무엇인가?
인기 있는 QRL 프로젝트 외에도, 또 다른 블록체인 프로젝트인 비트코인 포스트퀀텀(BPQ)도 해시 기반 상태 확장 메르클 서명 방식(XMSS)을 사용해 양자 컴퓨팅 공격으로부터 자신을 보호한다고 주장한다. 구체적으로,BPQ는 비트코인 메인 블록체인의 실험적 포크로, 기존 암호 기술 대신 양자 안전 디지털 서명을 사용한다.앞으로 몇 년간 BPQ가 수행할 연구는 비트코인 메인넷에 양자 저항성 암호 기술을 도입하는 기반이 될 수 있다.
QRL과 달리, BPQ는 현재 더 연구 중심 단계에 있으며, 계획된 화폐인 BitcoinPQ는 아직 채굴되지 않았다.
양자 컴퓨팅과 블록체인의 미래는?
양자 컴퓨팅과 블록체인의 미래는 극도로 불확실하지만, 컴퓨터 과학의 미래를 결정할 핵심 요소 중 하나가 될 수 있다.블록체인은 인터넷을 민주화시키고 암호화폐를 창출했으며, 비트코인과 이더리움과 같은 인기 있는 블록체인 형태로 세계 최대의 분산 컴퓨터 네트워크를 만들어냈다.
반면 초기 단계에 머물고 있는 양자 컴퓨팅은 우리 시대의 가장 중요한 과학기술 문제들을 해결하는 데 기여하며 예측할 수 없는 방식으로 기술을 발전시킬 가능성을 지닌다. 만약 양자 컴퓨팅과 블록체인이 충돌한다면, 그것은 사상 최악의 재앙이 될 수 있다. 그러나 암호학이 양자 저항성 암호 기술을 계속해서 개발해 나가거나, 양자 암호화 기술 자체가 블록체인에 통합된다면, 이 유망한 두 기술의 융합은 더 안전하고 민주적인 인터넷을 만들고 세상에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 높아진다.
TechFlow 공식 커뮤니티에 오신 것을 환영합니다
Telegram 구독 그룹:https://t.me/TechFlowDaily
트위터 공식 계정:https://x.com/TechFlowPost
트위터 영어 계정:https://x.com/BlockFlow_News
