An End-to-End Threat Model for the Quantum-as-a-Service Pipeline

컴퓨터가 단순히 작은 스위치들로 숫자를 계산하는 것을 넘어, 두 곳에 동시에 존재할 수 있는 입자들을 이용해 현실의 결을 타고 춤을 추는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 양자 컴퓨팅의 영역입니다. 이 기술는 오늘날의 슈퍼컴퓨터가 수천 년 걸려도 끝내지 못할 문제들을 해결할 수 있을 만큼 강력한 잠재력을 지니고 있습니다. 하지만 반전이 있습니다. 여러분은 아마 이 기계를 직접 소유하지는 못할 것입니다. 대신, 이 기계들은 거대한 기후 제어 데이터 센터에 존재하며, 여러분은 비디오 게임이나 스트리밍 서비스처럼 인터넷을 통해 접속하게 됩니다. 이를 "서비스형 양자(Quantum-as-a-Service, QaaS)"라고 부릅니다. 이것은 마치 케이크를 굽기 위해 매우 빠르고 마법 같은 주방을 빌리는 것과 같습니다. 여러분은 집 컴퓨터에서 레시피(코드)를 보내고, 클라우드 주방은 특수한 양자 오븐에서 그것을 구운 뒤, 맛있는 결과물을 다시 보내줍니다.

하지만 이 마법 같은 파이프라인은 마치 수십 개의 서로 다른 역을 통과하는 고속 열차와 같습니다. 각 역에는 자신만의 보안 요원, 티켓 검사기, 선로 전환기가 있습니다. 만약 도둑이 티켓 검사기를 속이거나, 선로 전환기를 건드리거나, 심지어 일정표를 훔쳐볼 수 있다면, 그들은 여러분의 케이크를 훔치거나 요리가 완성되기도 전에 레시피를 망쳐놓을 수 있습니다. 과학자들은 이미 이러한 시스템에 침입하는 몇 가지 교묘한 방법들을 찾아냈습니다. 예를 들어, 오븐이 다른 것을 요리하고 있다고 속이는 방식 등이 있습니다. 하지만 그들은 각 역을 개별적인 단위로만 살펴보았습니다. 도둑이 최대의 혼란을 일으키기 위해 어떻게 한 역에서 다른 역으로 옮겨 다닐 수 있는지에 대한 완전한 지도를 아직 그려내지 못했습니다. 이것이 바로 핀란드 유비아스큘라 대학교(University of Jyväskylä)의 연구팀이 해결하기로 결정한 퍼즐입니다.

바돈 라만(Badhon Rahman), 마지드 하그파라스트(Majid Haghparast), 토미 미코넨(Tommi Mikkonen)의 이 논문은 양자 작업의 전체 여정을 보여주는 명탐정의 청사진 역할을 합니다. 그들은 양자 작업을 클라우드로 보내는 복잡한 과정을 여섯 단계의 뚜렷한 과정으로 나누었는데, 이는 마치 여섯 명의 주자가 달리는 계주와 같습니다. 첫째, 여러분의 로컬 컴퓨터에서 회로를 설계합니다(개발 환경). 다음으로, 로그인하여 레시피를 전달합니다(인증 및 제출). 그다음, 클라우드가 작업을 조직하고 여러분의 레시피를 양자 기계가 이해할 수 있는 언어로 번ל합니다(클라우드 오케스트레이션 및 컴파일). 네 번째 단계는 실제 요리가 이루어지는 단계로, 양자 프로세서가 작업을 실행합니다(양자 하드웨어 실행). 그 후, 결과가 측정되고 정리됩니다(결과 반환 경로), 마지막으로, 전체 과정은 새로운 지침과 함께 다시 시작되는 루프로 돌아갈 수 있습니다(하이브리드 반복 루프).

저자들은 스푸핑(Spoofing), 변조(Tampering), 부인(Repudiation), 정보 유출(Information Disclosure), 서비스 거부(Denial of Service), 권한 상승(Elevation of Privilege)을 의미하는 STRIDE라는 고전적인 보안 체크리스트를 사용하여, 각 단계에서 악의적인 행위자가 저지를 수 있는 모든 가능한 방법을 매핑했습니다. 그들은 단순히 알려진 수법들을 나열한 것이 아니라, 이를 화려한 매트릭스로 정리했습니다. 이 지도에서 주황색 셀은 'QubitHammer'(해커가 기계의 설정을 조작하여 계산을 망치는 방식)나 'SWAP 공격'(데이터를 다른 사람의 것으로 바꾸는 방식)처럼 이미 현실에서 증명된 공격들을 보여줍니다. 하늘색 셀은 '상속된' 공격들로, 양자 기계를 둘러싼 고전적 컴퓨터들에 작동하는 기존의 해킹 기법들, 예를 들어 로그인 비밀번호를 훔치는 것 등을 나타냅니다. 연두색 셀은 가장 흥격적인 부분인데, 이는 '부인'(해커가 어떤 행동을 하고 나서 자신이 하지 않았다고 성공적으로 잡아떼는 것)이나 '권한 상승'(낮은 등급의 사용자가 시스템을 속여 왕국의 열쇠를 손에 넣는 것)처럼 그럴듯하지만 아직 충분히 연구되지 않은 위협들을 나타냅니다.

그러나 이 논문의 진짜 마법은 개별적인 문제들의 목록이 아니라, 저자들이 어떻게 점들을 연결하여 한 단계에서의 작은 결함이 전체 시스템에 걸쳐 어떻게 거대한 재앙을 촉발할 수 있는지를 보여주었는가에 있습니다. 그들은 도둑이 여러 가지 수법을 결합하여 심각한 피해를 줄 수 있는 세 가지 특정 '공격 체인'을 식elle혔습니다. 예를 들어, '체인 A'에서 해커는 먼저 양자 기계의 전력 사용량을 엿들어 여러분의 레시피가 어떻게 생겼는지 알아낸 뒤(사이드 채널 공격), 그 비밀 지식을 이용해 여러분의 특정 계산을 겨냥한 정밀한 방해 공격을 가할 수 있습니다. '체인 B'에서는 기계의 배치에 대한 공개된 정보를 사용하여, 레시피를 직접 보지도 않고 몰래 공격을 계획할 수 있습니다. 아마도 가장 영리한 것은 '체인 C'일 것입니다. 해커가 클라우드가 레시피를 번역하는 방식을 훔쳐내고, 이를 이용해 번역 과정 속에 숨어드는 '트로이 목마'를 제작한 뒤, 시스템에는 아주 정상적으로 보이도록 여러분의 작업을 망가뜨릴 수 있음을 시사합니다.

이 모든 조각들을 종합함으로써, 저자들은 우리가 양자 보안을 고립된 문제들의 집합이 아니라 하나의 연결된 파이프라인으로 바라봐야 한다고 제안합니다. 그들은 아직 이 구멍들을 고쳤다고 주장하지도 않으며, 시스템이 망했다고 말하지도 않습니다. 대신, 그들은 전체 그림을 볼 수 있는 구조화된 방법을 제공하며, 어떤 영역에 더 많은 연구가 필요한지, 그리고 서로 다른 취약점들이 어떻게 팀을 이루어 더 큰 위협을 만들어낼 수 있는지를 강조합니다. 이는 양자의 세계에서도 도미노 게임과 마찬가지로, 첫 번째 도미노를 쓰러뜨렸을 때 나머지 것들이 정확히 어떻게 쓰러질지 알아야 한다는 사실을 일깨워줍니다.