BTQ Technologies·QPerfect, 논리 큐비트 206~2,438개 양자 일회서명 회로 첫 구현 공개

양자 일회서명의 원리와 의의

양자 일회서명은 서명 키를 고전 메모리 대신 불안정한 양자 상태로 로컬 저장장치에 보관하는 방식이다. 서명 행위 자체가 측정을 수반하기 때문에 해당 양자 상태는 즉시 붕괴되고, 노클로닝 정리(no-cloning theorem)에 의해 그 상태를 미리 복제하는 것도 불가능하다. 결과적으로 동일한 키로 두 번째 서명을 만드는 시도 자체가 물리 법칙에 의해 차단된다. 이 성질 덕분에 키 재사용을 감시하기 위한 블록체인이나 분산 원장 같은 외부 인프라를 운영할 필요가 없어진다. 두 기관은 이 기법을 로컬 양자 암호의 핵심 기반 기술로 제시했다.

이론적 한계를 넘은 회로 설계 단순화

기존 이론 연구들은 복잡한 순열 가능 의사난수 순열(PPRP)에 의존했고, 물리적으로 구현 가능한 상세 명세를 제공하지 못했다. 이번 연구에서는 PPRP 계층 전체를 Goldreich-Goldwasser-Micali(GGM) 트리 기반 단일 구멍뚫기 의사난수 함수(PPRF)로 대체해 전체 아키텍처를 간소화했다. GGM 경로 순회와 가역 Bruhat 분해 서브루틴을 결합함으로써 임의 아핀 잉여류 위에서의 균일 중첩 샘플링이 가능해졌다.

다중 비트 메시지 서명 부분에서도 기존의 비트별 반복 위상 반전 게이트 방식을 버리고, 전역 측정 루틴과 단일 이중 위상 변환 오라클(Dp→m)을 조합하는 방법으로 처리 단계를 대폭 줄였다.

자원 요구량과 에뮬레이터 검증

전체 파이프라인은 키 생성(KeyGen), 서명(Sign), 검증(Verify)의 세 단계로 구성된다. 논리 큐비트 수는 Θ(κ log r + n + l)로 표현되며, 단일 비트 서명 기준 보안 파라미터 λ = 2~10 범위에서 최소 206개부터 최대 2,438개의 논리 큐비트가 필요하다. 게이트 복잡도는 Θ(n³ + nl)로 산출됐다. 검증 단계는 고전 프로세서만으로 처리되어 별도의 양자 하드웨어가 불필요하다. 전체 회로 명세는 QPerfect의 MIMIQ 양자 에뮬레이터로 기초 자원 요구량이 검증됐다.

남은 과제: 양자 난독화와 하드웨어 제약

현 구현 단계에서는 고전적 완전 간결 구별 불가 난독화(iO)를 적용해 GGM 마스터 키를 보호할 수 있다. 그러나 벨 쌍 얽힘 공격처럼 적대적 입력 상태 조작에 대한 키 생성 단계 전체의 완전한 보안을 달성하려면 양자 구별 불가 난독화(quantum iO) 분야의 추가 발전이 필요하다. 하드웨어 측면에서는 서명이 완료될 때까지 양자 코히어런스를 유지해야 하는 특성 때문에, 긴 코히어런스 시간을 지원하는 중성원자 프로세서가 현실적인 배포 대상으로 지목됐다. 안전한 디지털 권한 위임, 토큰화 자산 이전, 무신뢰 난수 비콘 등의 응용 시나리오가 제시됐다.