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[IT뉴스]양자역학 원리로 완전한 무작위성 구현…'진짜' 난수 생성기 개발

온카뱅크관리자

2025-06-12 08:27:29

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 양자역학을 활용해 난수를 생성하는 과정을 표현한 그림. Sarah J Berman Creative 제공
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 미국 연구팀이 양자역학을 기반으로 무작위 숫자를 출력하는 난수(亂數) 생성 시스템을 개발했다. 완전한 무작위성과 데이터 조작 여부를 인증할 수 있어 다양한 분야에서 활용이 기대된다.
 가우탐 타부리 미국표준연구소(NIST) 연구원팀은 양자역학을 기반으로 추출 과정이 모두 공개돼 조작 여부를 확인할 수 있는 난수 생성 시스템을 개발했다. 연구결과는 11일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다.
 무작위성은 일반적으로 어떤 결정을 할 때 편향을 배제하기 위해 활용된다. 간단한 내기부터 복권 당첨번호 추첨, 미국 법원의 배심원 선정 등 다양한 상황에 쓰인다. 패턴을 추측하기 어려운 숫자 배열은 그만큼 보안성도 높기 때문에 암호화 알고리즘에도 활용된다.
 고전컴퓨터 기반의 기존 난수 생성기는 뽑은 숫자가 정말로 무작위인지 인증하기 어렵다는 허점이 존재한다. 사용된 알고리즘이 결국에는 패턴을 나타내기 때문에 해커나 전문가가 조작하거나 다음 숫자를 예측할 수 있다는 위험이 필연적으로 존재한다.
 아인슈타인은 양자역학에 대해 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 어록을 남겼지만 결국 현대 양자역학의 근본적인 원리는 무작위성에 기반한다는 사실이 확인됐다. 크리스터 샬름 NIST 연구원은 "'진정한 무작위성(True randomness)'이란 우주에서 그 어떤 존재도 예측할 수 없는 것"이라며 "만약 신이 우주를 가지고 주사위 놀이를 한다면 이를 최고의 난수 생성기로 바꿀 수 있다"고 말했다.
 연구팀은 미국 콜로라도볼더대 연구팀과 함께 양자역학의 무작위성을 검증하는 실험인 '벨 실험' 원리를 활용해 '콜로라도대 무작위성 비콘(CURBy)'이라는 난수 생성기를 개발했다.
 벨 실험은 '양자 얽힘(entangled)' 상태에 있는 광자 쌍의 양자상태를 측정하는 실험이다. 각 광자는 물리적 상태가 하나로 정해지지 않은 양자상태로 존재하며 광자를 관측하면 하나의 상태로 정해진다. 이 과정은 다시 되돌릴 수 없다.
 얽혀 있는 광자 쌍에서 각각의 광자를 관측할 때는 무작위성이 나타나지만 전체 결과에서는 인과관계가 드러난다. 예를 들어 양자 상태의 광자 A와 B에서 앞면이 나올 확률이 각각 50%라고 가정했을 때, 두 광자가 서로 다른 면이 나오도록 '얽힌' 상태라면 광자 A가 앞면일 때 광자 B는 항상 뒷면이 나온다.
 연구팀이 개발한 난수 생성 시스템은 특수한 결정 내부에 한 쌍의 얽힌 광자가 생성되며 시작된다. 각 광자는 광섬유를 타고 서로 110미터 떨어진 지점으로 이동한 뒤 동시에 양자상태가 관측된다. 이 과정은 초당 25만번 반복된다.
 광자의 양자상태 측정 결과는 0과 1로 구성된 512자리의 2진법 코드로 변환된다. 양자역학의 진정한 무작위성으로 생성한 정보인 셈이다. 연구팀은 광자의 상태가 측정되고 코드가 생성되기까지의 모든 과정이 공개적으로 기록되는 시스템을 구축했다. 누구나 데이터 세트를 확인해 조작 여부를 확인할 수 있다.
 연구팀은 40일 동안 난수 생성기를 7454회 실행해 무작위 숫자를 7434개 추출하는 데 성공했다. 하루 평균 186개의 무작위 숫자를 생성했으며 한번 작동에 207초~327초가 소요됐다.
 이번 연구결과는 무작위 숫자가 필요한 모든 분야에 활용될 수 있다. 카부리 연구원은 "기초과학의 최전선에 있으면서 동시에 유용한 기술"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41586-025-09054-3
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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