BloQBench: A Blockchain Benchmarking Framework for Quantum Supremacy

컴퓨터가 너무 강력해져서 일반적인 슈퍼컴퓨터로는 우주의 나이보다 더 긴 시간이 걸려도 풀 수 없는 퍼즐을 풀어내는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 바로 **양자 컴퓨팅(quantum computing)**이라는 흥미로우면서도 약간은 두려운 최전선입니다. 양자 컴퓨터를 단순히 여러분의 노트북보다 빠른 버전이 아니라, 일반적인 방식으로는 절대 풀 수 없도록 설계된 자물쇠를 즉시 열 수 있는 마법의 열쇠라고 생각하십시오. 과학자들이 던지는 핵심 질문은 이것입니다: "양자 컴퓨터가 실제로 이 일을 해냈다는 것을 우리는 어떻게 확실히 알 수 있을까?"

보통 누군가 "내가 해냈어!"라고 주장할 때, 그들은 그냥 그렇게 말하고 우리는 그들을 믿어야 합니다. 하지만 과학에서 신뢰는 충분하지 않습니다. 우리에게는 증거가 필요합니다. 문제는 만약 어떤 퍼즐이 일반 컴퓨터가 풀기에 너무 어렵다면, 일반 컴퓨터가 그 답을 검증하기에도 너무 어렵다는 점입니다. 이는 마치 누군가 머릿속으로 미로를 통과하는 문제를 풀었다고 말하는데, 당신은 미로를 볼 수 없어서 그 사람이 속임수를 쓰지 않았는지 확인할 방법이 없는 것과 같습니다. 이 논문은 바로 이 문제를 다룹니다. 즉, 일반 컴퓨터가 속이는 것이 불가능하면서도, 문제를 낸 사람을 신뢰할 필요 없이 정답임을 쉽게 증명할 수 있는 테스트를 어떻게 만들 것인가 하는 문제입니다.

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디지털 꿀단지: BloQBench

이 논문의 저자인 Nicholas J.C. Papadopoulos와 Ramin Ayanzadeh는 BloQBench라는 디지털 함정을 만들었습니다. 전 세계적인 네트워크인 블록체인(모든 일이 일어나는 것을 누구나 볼 수 있는 거대하고 변경 불가능한 공공 장부라고 생각하십시오) 위에 놓인 거대한 공공 보물 상자를 상상해 보십시오. 이 상자에는 돈이 가득 차 있지만, 119개의 매우 복잡한 자물쇠로 잠겨 있습니다.

여기 마술 같은 트릭이 있습니다. 이 자물쇠들의 조합을 만든 사람조차도 조합을 알지 못합니다. 이 자물쇠들은 "스마트 컨트랙트"(프로그램)에 의해 생성되며, 이 프로그램은 "사전 계산된 비밀(pre-computed secrets)"이 존재하지 않도록 보장하는 방식을 사용하여 현장에서 즉석으로 자물쇠를 만들어냅니다. 이는 버튼을 누를 때마다 고유하고 풀 수 없는 수수께끼를 무작위로 인쇄하는 자판기와 같으며, 기계 자체는 인쇄 직후에 그 답을 즉시 잊어버립니다.

도전 과제는 무엇일까요? 이 자물쇠들은 **정수 인수분해(integer factorization)**를 기반으로 합니다. 쉬운 말로 설명하자면, 거대하고 뒤섞인 숫자를 가져와서 그 숫자를 만들어낸 두 개의 작은 소수가 무엇인지 찾아내는 것입니다. 일반 컴퓨터에게 이것은 케이크를 다시 구워 원래 사용된 달걀과 밀가루가 무엇인지 찾아내는 것과 같으며, 큰 숫자의 경우 사실상 불가능합니다. 하지만 양자 컴퓨터에게 특수한 알고리즘을 사용하는 것은, 재료가 섞이기 전의 상태를 볼 수 있는 타임머신을 가진 것과 같습니다.

게임 플랜: 작동 방식

이 과정은 반전이 있는 고액의 게임 쇼처럼 설정되었습니다:

1. 설정: 스마트 컨트랙트는 119개의 "자물쇠"를 생성합니다. 각 자물쇠는 4,608비트(매우 큰 숫자)로 구성된 숫자입니다. 이 계약은 일반 컴퓨터가 이 모든 자물쇠를 모두 풀 수 있는 확률이 10억 분의 1이 되도록 설계되었습니다. 목표는 적어도 하나 이상의 자물쇠가 일반 컴퓨터가 정말로 풀 수 없는 것이 되도록 만드는 것입니다.
2. 보상: 계약에는 보상금(bounty)이 들어 있습니다. 이 논문은 퍼즐을 푸는 비용을 충당하기 위해 최소 800,000,000 gas(이더리움 네트워크에서 거래 비용을 지불하는 데 사용되는 단위)를 제안합니다. 현재 가스가 단위당 23.8 Gwei라면, 이는 약 19.04 ETH에 해당합니다.
3. 경주: 누구나 자물쇠를 풀려고 시도할 수 있습니다. 만약 당신이 양자 컴퓨터를 가지고 있거나(또는 정말 운 좋은 천재적인 슈퍼컴퓨터 보유자라면), 소수 인수를 찾는 시도를 할 수 있습니다.
4. 부정행위 방지: 사람들이 서로의 답을 훔치는 것을 막기 위해, 시스템은 "커밋-리빌(commit-reveal)" 방식을 사용합니다. 당신은 먼저 답을 디지털 봉투(해시)에 담아 잠가야 하며, 하루를 기다려야 합니다. 그 하루가 지난 후에야 봉투를 열고 답을 공개할 수 있습니다. 이는 악의적인 행위자가 당신의 답을 보고 당신이 상금을 받기 전에 가로채는 "프런트 러닝(front-running)"을 방지합니다.
5. 승리: 만약 자물쇠를 풀면, 계약은 해당 자물쇠가 "풀림(solved)" 상태로 표시합니다. 만약 가장 어려운 마지막 자물쇠를 풀게 되면, 당신은 전체 보상금을 받게 되며, 블록체인 위의 거대한 깃발이 "TRUE"로 바뀝니다. 이 깃발은 양자 우위(quantum supremacy)가 달성되었다는 부정할 수 없는 증거가 됩니다.

이것이 중요한 이유: 자동 스위치

BloQBench의 가장 멋진 점은 단순히 돈이 아니라, 깃발이 바뀌었을 때 일어나는 일입니다. 현재 블록체인은 당신의 돈을 보호하기 위해 "고전적(classical)" 보안(RSA 및 ECDSA와 같은)을 사용합니다. 이것들은 양자 컴퓨터가 나타나 이를 깨뜨릴 때까지는 안전합니다.

이 논문은 BloQБench가 자동 트리거 역할을 한다고 제안합니다. 당신의 은행 계좌에 안전 스위치가 있다고 상상해 보십시오. "양자 깃발(Quantum Flag)"이 거짓(false)인 동안에는 은행은 빠르고 저렴한 고전적 보안을 사용합니다. 하지만 누군가 퍼즐을 풀어 깃발을 "TRUE"로 바꾸는 순간, 시스템은 자동으로 새로운 "양자 내성(quantum-proof)" 보안 시스템(램포트 서명(Lamport signatures)이라 불리는 기술 사용)으로 전환됩니다.

이것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 새로운 양자 내성 보안은 사용하기에 더 느리고 비용이 많이 들기 때문입니다. 만약 너무 일찍 전환하면 돈을 낭비하고 모든 것을 느리게 만듭니다. 반대로 너무 늦게 전환하면 돈을 도둑맞게 됩니다. BloQBench는 위협이 실제로 입증되는 바로 그 순간을 기다렸다가 즉시 스위치를 올림으로써 이 문제를 해결합니다.

이 논문이 배제한 것들

저자들은 자신들이 하지 않은 것들에 대해 매우 신중하게 명시했습니다. 그들은 다음과 같은 다른 아이디어들을 명시적으로 거부했습니다:

• 신뢰할 수 있는 생성자 없음: 인간이나 회사가 퍼즐을 생성하는 아이디어를 거부했습니다. 만약 인간이 퍼즐을 만든다면, 그들이 스스로 풀 수 있는 비밀 "백도어"를 남겨둘 수 있으며, 이는 증명의 가치를 훼손합니다.
• "차수 찾기(Order-Finding)" 아님: 그들은 "차수 찾기"라고 불리는 다른 유형의 수학 퍼즐을 고려했지만, 이 방식은 블록체인에 배포하는 비용(60억 가스 이상)이 그들의 인수분해 방식(약 2억 3,700만 가스)보다 훨씬 비싸다는 것을 발견했습니다.
• 검증 불가능한 퍼즐 없음: 그들은 "샘플링 문제(sampling problems)"(컴퓨터가 무작위 패턴을 생성하는 문제)를 거부했습니다. 왜냐하면 이것들은 수행하기는 어렵지만, 그것이 맞는지 증명하기도 어렵기 때문입니다. 패턴이 맞는지 쉽게 확인할 수 없으므로 공적인 증거로서 작동하지 않습니다.

결론

이 논문은 양자 컴퓨터가 이미 세상을 이겼다고 주장하는 것이 아닙니다. 대신, 그것이 실제로 일어났을 때 이를 증명할 수 있는 프레임워크와 도구(BloQBench)를 제공하는 것입니다. 그들은 계약을 구축했고, 테스트했으며, 그것이 작동함을 보여주었습니다. 그들은 하나의 자물쇠를 검증하는 데 약 6,110,290 gas가 들고, 119개를 모두 푸는 데는 약 741,048,802 gas가 든다는 것을 계산했습니다.

저자들은 이 시스템이 "조절 가능한 기울기(tunable gradient)"를 만든다고 제안합니다. 양자 능력의 초기 징후를 감지하기 위해 자물쇠를 더 쉽게 만들 수도 있고, RSA와 같은 세계에서 가장 유명한 암호화 표준을 깨뜨릴 수 있는 순간을 기다리기 위해 (그들이 선택한 4,608비트 자물쇠처럼) 매우 어렵게 유지할 수도 있습니다.

요약하자면, BloQBench는 신뢰가 필요 없는, 공공의, 자동화된 심판입니다. 양자 컴퓨터가 타석에 들어설 때까지 기다렸다가, 퍼즐을 풀고, 그 즉시 우리의 디지털 세계를 보호하기 위해 스위치를 올립니다. 이 과정에서 누구도 믿을 필요가 없습니다. 이것은 양자 우위 경쟁을 명확한 승자와 보장된 안전망이 있는 게임으로 바꿉니다.