퀀텀 이슈: 양자 컴퓨팅이란 무엇인가?

세부 사항

양자 특집에서: 양자 컴퓨터에 대한 높은 수준의 개요, 그것이 정확히 무엇인지, 그리고 기존 컴퓨팅과 어떻게 다른지.

양자 컴퓨팅이란 무엇인가? 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터와 어떻게 다른가? 이것이 비트코인과 어떤 관련이 있는가?

새로운 비트코인 사용자들은 필연적으로 이러한 질문에 부딪히게 되었고, 실행 가능한 양자 컴퓨터가 개발된다면 비트코인의 존재 자체를 위협할 수 있는 노출 문제와 씨름해야 했다.

비트코인을 소유할 수 있는 능력은, 개인 키의 복사본을 직접 유출하지 않는 한 그 키로 보호되는 코인을 거래하기 위해 서명할 수 있는 사람은 키 소유자뿐이라는 근본적인 가정에 기반한다. 양자 컴퓨팅은 그 가정에 의문을 제기한다.

양자 컴퓨터는 단순히 "더 빠른 컴퓨터"가 아니다. 그것은 고전 컴퓨터와 매우 근본적으로 다른 방식으로 작동하며, 따라서 매우 특정한 종류의 계산에서 고전 컴퓨터보다 훨씬 더 효율적이다. 물론, 네 페이지 안에 양자 컴퓨터가 어떻게 작동하는지 세세하게 설명하지는 않겠지만, 고전 컴퓨터와 근본적으로 어떻게 다른지에 대한 핵심적인 직관을 제공할 것이다.

그럼 두 종류의 컴퓨터가 큰 암호화 키와 같은 것들과 어떻게 상호작용하는지 살펴보자.

고전 컴퓨터(이하 그냥 컴퓨터)에 저장되는 모든 것은 1과 0의 연속으로 저장된다. 각 비트(1 또는 0)는 정확히 1 또는 0이며, 모호함이 없다. 데이터가 저장될 때는 1과 0이다. 데이터가 조작되거나 수정될 때는 각 1 또는 0에 대해 비트 단위로, 단계별로 수행된다.

이것이 컴퓨터가 작동하는 방식이다. 컴퓨터는 저장하고 있는 이산적이고 모호하지 않은 데이터 조각들을 선형적으로, 한 단계씩 차례로 수정한다. (수학적으로 더 효율적인 방법이 아니라, 취하는 단계의 측면에서) 건너뛰거나 지름길을 택할 수 없으며, 수행 중인 계산의 단계를 하나씩 거쳐야 한다.

컴퓨터를 사용하여 개인 키를 생성할 때, 컴퓨터는 무작위 값(주사위 입력, 일반 사용자 입력, 장치 하드웨어의 무작위성 등)을 획득하여 이를 1과 0으로 메모리에 저장한다. 그런 다음 이 값에 타원 곡선의 생성점을 곱하여 공개 키를 얻어야 한다. 이는 알고리즘으로 수행되며, 가장 기본적인 수준으로 요약하면 어떤 비트를 가져와서 어떻게 수정하고, 물리적 수준에서 어떤 회로로 "밀어 넣어" 이를 수행하며, 결국 비트 단위로 수정된 새 값을 다시 메모리에 저장하는 방법에 대한 지침이다.

실제 유효한 주소에 도달하기 위한 다른 단계들이 있지만, 이 글의 목적상 그것들까지 다룰 필요는 없다(하지만 그것들도 위 단계와 마찬가지로 메모리의 1과 0을 수정하는 방법에 대한 단계별 지침일 뿐이다).

그렇다면 누군가 컴퓨터를 사용하여 다른 사람의 개인 키를 추측하려면 어떻게 해야 할까?

가능한 개인 키는 2^256개가 있다. 즉, 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936개의 서로 다른 키가 가능하다.

컴퓨터는 가능한 모든 개인 키를 하나씩(또는 병렬로 처리할 수 있는 만큼씩) 시도해야 하며, 키 생성을 위한 위의 정확한 지침을 단계별로 따라야 한다. 병렬로 확인하려는 키가 많을수록 더 많은 컴퓨팅 파워가 필요하며, 그 비용을 우회할 수 있는 지름길은 없다.

사용하려는 컴퓨팅 파워가 적을수록 더 많은 시간이 걸리고, 시간을 단축하려면 더 많은 컴퓨팅 파워가 필요하다.

이것은 컴퓨터로는 달성 불가능한 작업이다. 한편으로는 지구상의 모든 컴퓨터로도 충분하지 않은 계산 비용이 있고, 다른 한편으로는 모든 키를 확인하기 전에 우주의 모든 별이 죽을 만큼 높은 시간 비용이 있다.

목표를 실제로 달성하려면 선형적으로 또는 병렬로 하나씩 확인하는 것 외에 다른 옵션이 필요하다. 바로 여기서 양자 컴퓨팅이 등장한다.

양자 컴퓨터는 이산 상태로 작동하지 않습니다. 모든 것은 정확히 1 또는 0입니다. 양자 컴퓨터에서 가장 기본적인 정보 단위는 큐비트(비트의 양자 버전)입니다. 비트와 달리, 큐비트는 1과 0이 동시에 존재하는 중첩 상태에 있습니다. 관측될 때만 둘 중 하나의 이산 상태로 확정됩니다. 

이것이 양자 컴퓨터가 다르게 계산할 수 있게 하는 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 다른 하나는 얽힘입니다. 큐비트는 단순히 고립되어 저장되는 것이 아니라, 그것들을 나타내는 물리적 원자들이 서로 얽혀 있으며 관측 시 이산 상태로 붕괴합니다. 이는 얽힌 원자들이 관측되어 단일 상태로 붕괴할 때, 아무리 멀리 떨어져 있더라도 얽힌 원자들이 같은 상태로 붕괴한다는 것을 의미합니다. 

이제부터는 조금 이상해지며, 다소 두루뭉술하게 설명해야 할 것입니다. 그래도 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터와 근본적으로 다른 이유에 대한 직관적 이해를 얻고 가실 수 있을 것입니다. 고전 컴퓨터에서의 알고리즘은 특정 비트 집합을 가져와 알고리즘의 지시에 따라 단계별로 수정하고, 완료되면 새로운 비트 집합을 출력하는 일련의 명령입니다. 즉, 알고리즘은 단계별로 하나의 이산 상태를 다른 이산 상태로 변환합니다. 

큐비트는 관측되어 하나로 붕괴되기 전까지 이산 상태를 저장하지 않습니다. 확률을 저장합니다. 임의의 크기(예를 들어 이 가상의 경우 2 256 )로 얽힌 큐비트 집합이 있을 때, 붕괴할 수 있는 각각의 가능한 상태는 해당 상태로 붕괴할 특정 확률을 가집니다. 

양자 알고리즘은 이산 상태에 대해 연산하는 단계별 명령이 아니라, 서로 다른 결과의 확률을 변경하는 방식으로 얽힌 큐비트들을 조작하는 방법에 대한 명령 집합입니다. 보강 간섭은 올바른 결과의 확률을 높이는 데 사용되고, 상쇄 간섭은 잘못된 결과의 확률을 낮추는 데 사용됩니다(이것은 물리적 양자 컴퓨터가 정확하게 작동하기 어렵게 만드는 노이즈나 간섭이 아니며, 다른 개념입니다). 

따라서 고전 컴퓨터가 특정 공개 키와 일치하는 개인 키를 찾기 위해 각각의 개인 키를 하나씩 확인해야 하는 반면, 양자 컴퓨터는 올바른 알고리즘을 사용하여 몇 번만 실행하면 정답에 도달할 수 있습니다. 이는 "모든 가능성을 한 번에 확인"하는 방식이 아닙니다. 단순히 중첩이 무엇으로 붕괴할지에 대한 확률을 수정할 뿐입니다. 

이것이 양자 컴퓨터가 타원 곡선 암호화의 기반 가정을 깨뜨릴 수 있고, 고전 컴퓨터는 그럴 수 없는 이유입니다(또한 양자 컴퓨터가 확인해야 할 방대한 가능한 답 후보 공간을 가진 특정 유형의 계산에만 유용한 이유이기도 합니다). 

고전 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅의 이러한 근본적인 차이는, 실제로 작동하는 실행 가능한 양자 컴퓨터가 생산된다면, 모든 비트코이너의 개인 비트코인을 보호하는 기반 가정이 깨진다는 것을 의미합니다. 그 모든 자금은 안전하지 않게 됩니다. 

네, 그러한 장치가 실제로 제조되고 작동한다면 심각한 위험이지만, 우리가 완전히 준비되지 않은 것은 아닙니다. 우리는 문제를 이해하고, 노출을 이해하며, 문제의 다양한 측면에 대한 많은 가능한 해결책이 모이고 있습니다. 

숨을 쉬고, 긴장을 푸세요. 이번 호의 나머지 부분에서 전체 문제를 안내해 드리겠습니다. 

이 글은 Bitcoin Magazine 최신 인쇄판인 The Quantum Issue에 실린 것입니다. 전체 호에서 탐구된 아이디어를 미리 엿볼 수 있도록 여기에 공유합니다.

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