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The Journal of the Korean Institute of Information and Communication Engineering

Analysis of Quantum Circuit Implementation for Cryptographic Algorithms Resistant to Quantum Computing

Seyoung Yoon, Gyeongju Song, Hwajeong Seo

Published Jun 30, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

양자컴퓨팅 환경에서 안전성을 보장하는 암호 알고리즘에 대한 연구는 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 비밀번호 기반 KDF(Key Derivation Function)인 Bcrypt와 이를 구성하는 Blowfish 블록 암호의 구조, P-array 및 S-box 테이블 업데이트 과정을 분석하고 이를 양자회로로 구현하는 방안을 제시한다. 또한, S-box를 반복적으로 참조하는 Bcrypt 특성상 대규모 qRAM이 필요함을 지적하였으며 다른 KDF인 Scrypt 및 Argon2와 비교함으로써 양자회로 구현의 실현 가능성을 검토하였다. 그 결과, 메모리 접근 방식과 연산 반복도 관점에서 Bcrypt가 상대적으로 많은 큐빗과 깊은 Depth를 요구함을 확인하였으며, 이는 양자컴퓨팅 환경에서도 Bcrypt가 강인한 암호화 알고리즘으로 평가될 수 있음을 시사한다.

DOI
10.6109/jkiice.2025.29.6.791

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Quantum Error Correction Code Scheme used for Homomorphic Encryption like Quantum Computation

한국과학기술정보연구원/과학기술연구망센터, IlKwon Sohn, Jonghyun Lee +3 more

최근 엄청난 계산 능력을 보여주는 양자 컴퓨터와 정보 접근성이 높고 비용이 낮은 클라우드 컴퓨팅에 대한 개발이 활발하 게 이루어지고 있다. 이러한 양자 컴퓨터의 경우 양자오류정정부호가 필수적이며, 클라우드 컴퓨팅의 경우 보안성 및 계산성 을 확보하기 위해 동형암호가 사용될 수 있다. 각각 다른 목적을 위해 사용되는 이 두 기법은 서로 비슷한 가정을 바탕으로 하고 있어, 양자오류정정부호를 기반으로 동형암호를 구성하는 연구들이 진행되어왔다. 따라서 본 논문에서는 일반적인 양자 오류정정부호를 변형하여 동형암호적 양자정보처리가 가능한 기법을 제시한다. 기존의 양자오류정정부호를 이용한 동형암호 기법의 경우 부호를 사용하였지만 오류정정 능력이 전혀 없는데 반해, 제시한 양자오류정정부호 기법을 사용하면 동형암호적 양자정보처리가 가능하면서도, 동시에 양자오류정정부호 본연의 기능인 양자정보의 연산, 저장 중의 오류를 정정할 수 있는 장점이 존재한다.

Jouranl of Information and Security•Sep 30, 2019•0 citations

Design and Evaluation of PUF-Based Embedded Module for Hybrid Post-Quantum Cryptographic Communication

Y. H. Cho, Yun‐Seok Choi, Sang Hoon Han

본 연구는 양자컴퓨팅 환경에서 기존 공개키 암호의 취약점을 보완하기 위해, PUF 기반 장치 인증과 PQC 암호화 기술을 통합한 하이브리드 암호통신 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 SRAM PUF를 통해 디바이스 고유 정보를 생성하고, Kyber-768 기반 키 교환 방식과 결합한 3계층 구조로 설계되었다. 임베디드 환경에서 구현된 시스템은 성능 분석 및 다양한 공격 시나리오에 대한 보안 저항성 평가를 통해 유효성과 신뢰성을 입증하였다. 또한 RSA 및 ECC 기반 기존 방식과 비교하여 처리 속도와 자원 효율성 면에서 우수한 결과를 보여주었다. 이를 통해 PUF와 PQC를 결합한 하이브리드 통신 시스템은 향후 양자컴퓨팅 시대의 IoT 보안 솔루션으로서 실질적인 대안이 될 수 있음을 확인하였다.

Journal of the Korea Society of Computer and Information•Aug 31, 2025•0 citations

양자키분배와 RSA 암호를 활용한 이중키 설정 키유도함수

박호중, 배민영, 강주성 +1 more

안전한 통신 시스템을 갖추기 위해서는 안전한 암호 알고리즘의 사용과 안전한 암호키 사용이 필수적이다. 현대 암호에서는 표준화된 키유도함수(Key derivation function)를 통해 안전한 암호키를 생성한다. 최근에는 양자물리의 성질을 이용한 양자키분배(Quantum key distribution, 이하 QKD) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 현대 암호시스템의 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 관점에서 양자 암호와 현대 암호를 결합한 이중키 설정에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서는 양자키분배(QKD)와 현대 암호시스템인 RSA를 조합하여 안전한 키를 생성하는 두 가지의 키유도함수를 제안한다. 또한, 시뮬레이션을 통하여 생성된 암호키의 엔트로피를 측정하는 방법으로 제안한 키유도함수의 유효성을 살펴본다.

한국통신학회논문지•Apr 1, 2016•0 citations

ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜에 대한 취약점 분석

허현준, 최윤성

무선 통신 기술이 급속하게 발전함에 따라 일상 생활에는 많은 변화가 일어나고 있다. IT 기술 및 인터넷 기술의 발전으로 무선 네트워크가 성장하면서 우리 생활에 많은 편의를 가져다 주었지만, IoT 기술이 다양한 온라인 위협과 공격으로부터 안전하지 않다는 것은 부정할 수 없는 상황이다. 다 양한 연구자들이 안전한 인증 및 통신을 위한 다양한 프로토콜을 제안하여 보안 문제를 개선하고 있 으며, 그 중 ECC(Elliptic Curve Cryptography)라는 상대적으로 계산량이 적으면서도 안전한 암호 방식이 사용되고 있다. 최근 Shafiq 등은 다양한 보안 취약점을 개선한 ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜을 제안하면서, 제안된 프로토콜이 기존 프로토콜보다 다양한 공격에 더 효율적이고 안전하 다고 주장하였다. 본 논문에서는 Shafiq 등이 제안한 프로토콜에 대한 취약점 분석을 통하여, 이 프 로토콜이 smartcard stolen attack, lack of perfect forward secrecy, replay attack, waste of computational costs에 취약하다는 것을 밝혔다.

•Sep 1, 2021•0 citations

Generating Metamorphic Test Cases using 2-qubit Quantum Gate Combinations

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양자 컴퓨팅은 노이즈 민감성으로 인해 동일한 회로를 반복 실행하더라도 출력 확률 분포가 매번 달라질 수 있다. 본 연구는 이상적인 환경에서 동일한 출력 분포를 예상할 수 있는 2-큐비트 양자 게이트 조합을 메타모픽 테스트 케이스로 설계하고, Depolarizing, Amplitude Damping, Phase Damping 노이즈 모델을 적용하여 각 노이즈가 출력 확률 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 모든 노이즈 모델에서 노이즈가 0.01에 도달하자 p-value가 유의수준 이하로 떨어져 정의한 메타모픽 관계가 붕괴되었으며, KL-Divergence와 Cosine Similarity를 통해 예상 출력 분포와의 차이가 노이즈 강도에 따라 누적됨을 정량적으로 확인하였다. 메타모픽 테스팅 기법을 양자 게이트 조합에 적용할 때, 제안한 세 가지 지표를 활용하여 메타모픽 관계 판정 가능 여부를 확인하고 그 과정을 정량적으로 추적함으로써 양자 게이트 테스팅을 수행할 수 있다. 연구 결과는 양자 컴퓨팅 신뢰성 평가 및 노이즈 내성 회로 설계 등에 활용될 수 있으며, 다양한 양자 소프트웨어 테스팅 방법론으로 가능성을 제시한다.

Journal of the Korea Society of Computer and Information•May 31, 2026•0 citations

Introduction to Quantum Circuit Implementation Using IBM Qiskit

Sangwon Min, Jungsoo Rhee

양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.

한국통신학회논문지•Jul 21, 2024•0 citations
양자컴퓨팅 환경에서 안전성을 보장하는 암호 알고리즘에 대한 연구는 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 비밀번호 기반 KDF(Key Derivation Function)인 Bcrypt와 이를 구성하는 Blowfish 블록 암호의 구조, P-array 및 S-box 테이블 업데이트 과정을 분석하고 이를 양자회로로 구현하는 방안을 제시한다. 또한, S-box를 반복적으로 참조하는 Bcrypt 특성상 대규모 qRAM이 필요함을 지적하였으며 다른 KDF인 Scrypt 및 Argon2와 비교함으로써 양자회로 구현의 실현 가능성을 검토하였다. 그 결과, 메모리 접근 방식과 연산 반복도 관점에서 Bcrypt가 상대적으로 많은 큐빗과 깊은 Depth를 요구함을 확인하였으며, 이는 양자컴퓨팅 환경에서도 Bcrypt가 강인한 암호화 알고리즘으로 평가될 수 있음을 시사한다.
최근 엄청난 계산 능력을 보여주는 양자 컴퓨터와 정보 접근성이 높고 비용이 낮은 클라우드 컴퓨팅에 대한 개발이 활발하 게 이루어지고 있다. 이러한 양자 컴퓨터의 경우 양자오류정정부호가 필수적이며, 클라우드 컴퓨팅의 경우 보안성 및 계산성 을 확보하기 위해 동형암호가 사용될 수 있다. 각각 다른 목적을 위해 사용되는 이 두 기법은 서로 비슷한 가정을 바탕으로 하고 있어, 양자오류정정부호를 기반으로 동형암호를 구성하는 연구들이 진행되어왔다. 따라서 본 논문에서는 일반적인 양자 오류정정부호를 변형하여 동형암호적 양자정보처리가 가능한 기법을 제시한다. 기존의 양자오류정정부호를 이용한 동형암호 기법의 경우 부호를 사용하였지만 오류정정 능력이 전혀 없는데 반해, 제시한 양자오류정정부호 기법을 사용하면 동형암호적 양자정보처리가 가능하면서도, 동시에 양자오류정정부호 본연의 기능인 양자정보의 연산, 저장 중의 오류를 정정할 수 있는 장점이 존재한다.
본 연구는 양자컴퓨팅 환경에서 기존 공개키 암호의 취약점을 보완하기 위해, PUF 기반 장치 인증과 PQC 암호화 기술을 통합한 하이브리드 암호통신 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 SRAM PUF를 통해 디바이스 고유 정보를 생성하고, Kyber-768 기반 키 교환 방식과 결합한 3계층 구조로 설계되었다. 임베디드 환경에서 구현된 시스템은 성능 분석 및 다양한 공격 시나리오에 대한 보안 저항성 평가를 통해 유효성과 신뢰성을 입증하였다. 또한 RSA 및 ECC 기반 기존 방식과 비교하여 처리 속도와 자원 효율성 면에서 우수한 결과를 보여주었다. 이를 통해 PUF와 PQC를 결합한 하이브리드 통신 시스템은 향후 양자컴퓨팅 시대의 IoT 보안 솔루션으로서 실질적인 대안이 될 수 있음을 확인하였다.
안전한 통신 시스템을 갖추기 위해서는 안전한 암호 알고리즘의 사용과 안전한 암호키 사용이 필수적이다. 현대 암호에서는 표준화된 키유도함수(Key derivation function)를 통해 안전한 암호키를 생성한다. 최근에는 양자물리의 성질을 이용한 양자키분배(Quantum key distribution, 이하 QKD) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어, 현대 암호시스템의 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 관점에서 양자 암호와 현대 암호를 결합한 이중키 설정에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서는 양자키분배(QKD)와 현대 암호시스템인 RSA를 조합하여 안전한 키를 생성하는 두 가지의 키유도함수를 제안한다. 또한, 시뮬레이션을 통하여 생성된 암호키의 엔트로피를 측정하는 방법으로 제안한 키유도함수의 유효성을 살펴본다.
무선 통신 기술이 급속하게 발전함에 따라 일상 생활에는 많은 변화가 일어나고 있다. IT 기술 및 인터넷 기술의 발전으로 무선 네트워크가 성장하면서 우리 생활에 많은 편의를 가져다 주었지만, IoT 기술이 다양한 온라인 위협과 공격으로부터 안전하지 않다는 것은 부정할 수 없는 상황이다. 다 양한 연구자들이 안전한 인증 및 통신을 위한 다양한 프로토콜을 제안하여 보안 문제를 개선하고 있 으며, 그 중 ECC(Elliptic Curve Cryptography)라는 상대적으로 계산량이 적으면서도 안전한 암호 방식이 사용되고 있다. 최근 Shafiq 등은 다양한 보안 취약점을 개선한 ECC 기반 원격 사용자 인증 프로토콜을 제안하면서, 제안된 프로토콜이 기존 프로토콜보다 다양한 공격에 더 효율적이고 안전하 다고 주장하였다. 본 논문에서는 Shafiq 등이 제안한 프로토콜에 대한 취약점 분석을 통하여, 이 프 로토콜이 smartcard stolen attack, lack of perfect forward secrecy, replay attack, waste of computational costs에 취약하다는 것을 밝혔다.
양자 컴퓨팅은 노이즈 민감성으로 인해 동일한 회로를 반복 실행하더라도 출력 확률 분포가 매번 달라질 수 있다. 본 연구는 이상적인 환경에서 동일한 출력 분포를 예상할 수 있는 2-큐비트 양자 게이트 조합을 메타모픽 테스트 케이스로 설계하고, Depolarizing, Amplitude Damping, Phase Damping 노이즈 모델을 적용하여 각 노이즈가 출력 확률 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 모든 노이즈 모델에서 노이즈가 0.01에 도달하자 p-value가 유의수준 이하로 떨어져 정의한 메타모픽 관계가 붕괴되었으며, KL-Divergence와 Cosine Similarity를 통해 예상 출력 분포와의 차이가 노이즈 강도에 따라 누적됨을 정량적으로 확인하였다. 메타모픽 테스팅 기법을 양자 게이트 조합에 적용할 때, 제안한 세 가지 지표를 활용하여 메타모픽 관계 판정 가능 여부를 확인하고 그 과정을 정량적으로 추적함으로써 양자 게이트 테스팅을 수행할 수 있다. 연구 결과는 양자 컴퓨팅 신뢰성 평가 및 노이즈 내성 회로 설계 등에 활용될 수 있으며, 다양한 양자 소프트웨어 테스팅 방법론으로 가능성을 제시한다.
양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.