양자 컴퓨팅 분야는 빠르게 발전하며 과거에는 계산적으로 불가능했던 문제를 해결 가능한 영역으로 바꾸고 있습니다. 그러나 모든 급진적 기술과 마찬가지로, 양자 컴퓨팅 역시 새로운 보안 위협을 동반합니다. 그중 하나가 바로 사이드-채널 공격으로, 이는 암호 수학적 취약점이 아닌 계산 과정에서 새어 나오는 물리적 정보를 악용합니다.
본 글은 양자 컴퓨터 전력 사이드-채널 공격이라는 획기적인 연구 영역을 깊이 있게 탐구합니다. 특히 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 제공되는 실제 펄스 레벨 데이터를 활용한 연구(arXiv:2304.03315)를 바탕으로, 2023년에 새롭게 보고된 다섯 가지 공격 기법, 그 파급력, 그리고 물리적·프로토콜 차원의 대응책을 다룹니다. 또한 기초 개념부터 실습 코드까지 폭넓게 제공하여, 독자가 직접 저수준 데이터를 스캔·파싱·분석할 수 있도록 안내합니다.
양자 컴퓨팅에 입문한 개발자, 고급 사이버보안 전문가, 혹은 암호와 양자의 교차점에 관심 있는 독자 누구에게나 본 자료가 포괄적이고 실용적인 길잡이가 되기를 바랍니다.
**사이드-채널 공격(Side-Channel Attack, SCA)**은 알고리즘 자체가 아닌 구현체에서 나타나는 물리적 현상을 관찰하여 민감 정보를 탈취하는 기법입니다. 대표적으로
양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 활용해 양자 비트(큐비트)를 중첩·얽힘 상태로 조작하여 특정 문제(예: 큰 수 인수분해, 양자 시스템 시뮬레이션)를 지수적으로 가속합니다. 초전도·트랩드 아이온 등 다양한 구조가 존재하며, IBM Q Experience, Amazon Braket 같은 클라우드 플랫폼을 통해 접근 가능합니다.
연산 과정은
클래식 환경에서 처음 연구된 SCA(Kocher, 1996)는 다음과 같은 기법을 포함합니다.
이들 방법으로 DES/AES 구현이 다수 뚫린 바 있습니다.
양자 장치는 기본적으로 전자·광학 펄스로 큐비트를 제어합니다. arXiv:2304.03315에 따르면 양자 연산 정보가 저수준 펄스 데이터를 통해 유출될 수 있음이 입증되었습니다.
특징
판데이 외, 2023이 시연한 다섯 가지 신종 공격은 다음과 같습니다.
단일 명령 식별 공격
다중 명령 지문화
큐비트 라인 매핑
입력 상태 영향 공격
자원 사용 타이밍 분석
IBM Qiskit 등은 펄스 스케줄을 다운로드할 수 있습니다.
from qiskit import IBMQ, transpile
from qiskit.providers.aer import PulseSimulator
provider = IBMQ.load_account()
backend = provider.get_backend('ibmq_armonk')
circuit = ... # 여기에 QuantumCircuit 작성
transpiled = transpile(circuit, backend)
schedule = transpiled.qobj().to_instruction_schedule_map()
펄스 데이터에는
# 실험 결과 폴더에서 펄스 데이터 다운로드
scp user@quantum.cloud:/results/experiment_*/pulse_data.json ./pulses/
ls ./pulses/*.json
import json
def parse_pulse_schedule(file_path):
with open(file_path, 'r') as f:
schedule_data = json.load(f)
for entry in schedule_data['instructions']:
print(f"CHANNEL: {entry['ch']}\tTIME: {entry['t0']}\tPULSE: {entry['pulse']}")
# 추가 분석: 진폭, 게이트 추론 등
parse_pulse_schedule('./pulses/pulse_data.json')
공개 클라우드에서 독점 양자 알고리즘을 실행하는 기업이 있다고 가정합니다. 악성 내부자나 테넌트 간 격리 미흡으로 펄스 로그에 접근한 공격자는
특정 양자 프로토콜은 큐비트 상태에 클래식 비밀(암호 키)을 인코딩합니다. 입력 감응적 구현이라면 공격자는 전력 패턴을 통해
양자 알고리즘(Shor, Grover 등)은 RSA, ECC를 위협합니다. 사이드-채널은 또 다른 독립적 공격면으로, 대규모 양자 컴퓨터가 완성되기 전부터 현실적 위험을 제공합니다.
NIST의 PQC 표준화는 수학적 안전성을 중시하지만, 실제 배치 시 사이드-채널 방어 없이는 무용지물일 수 있습니다.
# 배치 실험의 펄스 스케줄 목록 확인
ls /quantum_results/pulse_logs/*.json
# 민감 연산 추정이 가능한 고진폭 펄스 탐색
for file in /quantum_results/pulse_logs/*.json; do
echo "Checking $file"
grep "amplitude" "$file" | awk -F ':' '{ if($2 > 0.9) print $0; }'
done
import glob
import json
def extract_high_amplitude(file_path, threshold=0.9):
with open(file_path, 'r') as f:
data = json.load(f)
for inst in data.get('instructions', []):
pulse = inst.get('pulse', {})
amplitude = pulse.get('amplitude', 0)
if amplitude > threshold:
print(f"File: {file_path} -- Amplitude: {amplitude} on Channel: {inst.get('ch')} at t={inst.get('t0')}")
# 모든 로그 일괄 처리
for file_path in glob.glob('/quantum_results/pulse_logs/*.json'):
extract_high_amplitude(file_path)
import numpy as np
from scipy.spatial.distance import euclidean
# signal1, signal2: 펄스 진폭 배열
distance = euclidean(signal1, signal2)
print(f"Signal similarity: {1/(1+distance)}")
양자 컴퓨팅은 암호 지형을 뒤흔들 잠재력을 지녔지만, 동시에 새롭고 미묘한 사이드-채널 취약점을 노출합니다. 오늘날 클라우드 환경에서도 공격자는 펄스 데이터를 통해 알고리즘, 심지어 비밀 입력까지 추정할 수 있습니다.
종합적 방어가 필수입니다.
정부·금융·헬스케어 등 전 분야가 양자를 도입하는 시점에서, 사이드-채널 관점의 안전성은 연구뿐 아니라 운영 보안의 핵심 과제가 될 것입니다.
Pandey, A., Chang, C. N., Karalekas, P. J., Krishnamurthy, D., & Kesidis, G. (2023). “Exploration of Quantum Computer Power Side-Channels.”
arXiv:2304.03315
Saab Chartouni, H. (2025). “Quantum and side-channel attacks.”
HAL 논문
Secure-IC. “Mitigating Side-Channel Attacks in Post Quantum ... - Secure-IC.”
Secure-IC 블로그
Qiskit 문서: 펄스 스케줄
IBM Qiskit Pulse
NIST Post-Quantum Cryptography Project
NIST PQC
Broadbent, Fitzsimons, & Kashefi. “Universal Blind Quantum Computation.” (2009)
arXiv:0807.4154
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