Harnessing dimensional leakage for continuous-variable randomness certification

보안 통신 네트워크와 강력한 컴퓨터를 구축하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 자연의 근본적인 속성인 진정한 무작위성에 의존합니다. 시계의 규칙적인 패턴이나 주사위 굴리기처럼 물리 법칙과 초기 조건에 의해 결정되는 것과 달리, 양자 무작위성은 진정으로 예측 불가능합니다. 이러한 예측 불가능성은 현대 암호학의 초석이며, 비밀 코드가 해독될 수 없도록 보장합니다. 이러한 무작위성을 생성하기 위해 연구자들은 종종 "준비 및 측정(prepare-and-measure)" 설정을 사용합니다. 이 실험에서 장치는 빛의 입자와 같은 작은 양자 시스템을 준비하여 두 번째 장치로 보냅니다. 이 측정의 결과가 무작위 숫자가 됩니다.

이러한 시스템이 신뢰받기 위해서는, 과학자들이 사용하는 양자 시스템이 이론이 예측하는 대로 정확하게 작동한다는 확신이 있어야 합니다. 이 실험들의 공통된 가정은 시스템이 특정하고 제한된 크기에 갇혀 있다는 것입니다. 이는 마치 담을 수 있는 물건의 수가 정해진 상자에 메시지를 보내는 것과 같습니다. 만약 상자가 너무 작다면, 도청자가 메시지를 조작하는 것이 불가능할 것입니다. 그러나 현실 세계, 특히 빛을 사용하는 경우 이 가정은 거의 완벽하지 않습니다. 빛은 무한한 종류의 상태로 존재하며, 과학자들이 이를 단순한 이진 상태 시스템으로 제한하려고 노력하더라도 미세한 "누출(leakage)"이 발생합니다. 시스템이 가끔 의도하지 않은 더 높은 상태로 미끄러지는 것입니다. 수년 동안 이 누출은 무작위성의 보안을 파괴하고 영리한 공격자가 결과를 예측할 수 있게 만드는 치명적인 결함으로 간주되어 왔습니다.

한 연구팀은 이러한 인지된 약점을 오히려 강점으로 바꿀 수 있음을 보여주었습니다. 데이터를 바라보는 방식을 바꿈으로써, 그들은 시스템이 의도된 경계를 벗어나 누출되더라도 진정한 무작위성을 인증할 수 있음을 입증했습니다. 실험의 단일한 특정 설정에 집중하는 대신, 그들은 가능한 모든 설정을 동시에 고려하여 결과를 분석했습니다. 이 접근 방식은 훨씬 더 견고하여, 이전에는 이 작업에 너무 불완전하다고 여겨졌던 단순하고 저전력인 레이저 설정을 사용하여 무작위성을 인증할 수 있게 해주었습니다. 그들의 연구는 물리적 시스템의 무질서하고 고차원적인 현실이 보안의 장벽이 될 필요는 없으며, 오히려 실용적인 일상 기기에서 안전한 난수를 생성하기 위한 자원이 될 수 있음을 시사합니다.

문제의 핵심은 과학자들이 전통적으로 무작위성을 검증하는 방식에 있습니다. 표준 테스트에서 연구자들은 입자를 준비하는 한 가지 특정 방법과 그것을 측정하는 한 가지 특정 방법을 선택합니다. 그런 다음 결과가 무작위인지 확인합니다. 만약 입자가 더 높은 에너지 상태로 아주 조금이라도 정보를 누출한다면, 공격자는 그 여분의 공간을 이용해 결과를 미리 알고 흉내 낼 수 있습니다. 이는 무작위성이 가짜처럼 보이게 만듭니다. 연구자들은 이러한 취약성이 단 하나의 설정 쌍을 볼 때 가장 심각하다는 것을 발견했습니다. 이는 마치 단 하나의 문만 감시함으로써 도둑을 잡으려는 것과 같습니다. 만약 도둑이 당신이 보고 있는 문을 알고 있다면, 당신이 모니터링하지 않는 뒷문으로 쉽게 빠져나갈 수 있습니다.

이를 해결하기 위해, 연구팀은 모든 입력의 앙상블을 살펴보는 새로운 평가 방법을 도입했습니다. 단 하나의 문을 확인하는 대신, 도둑이 사용할 수 있는 모든 가능한 문을 모니터링한 것입니다. 입자가 준비되고 측정되는 모든 서로 다른 방식에 걸쳐 결과를 평균화함으로써, 그들은 공격자가 결과를 예측할 수 있는 능력이 심각하게 제한된다는 것을 발견했습니다. 설령 공격자가 누출을 악용하여 특정 설정에 대한 결과를 예측할 수 있다 하더라도, 모든 설정에 대해 동시에 그렇게 할 수는 없으며, 그렇게 하려 한다면 감지 가능한 오류를 유발하게 됩니다. 이 평균화 과정은 취약성을 완화하여, 기존의 방식이 완전히 실패했을 상황에서도 연구자들이 무작위성을 인증할 수 있게 해주었습니다.

이러한 관점의 전환은 빛 파동의 매끄럽고 무한한 특성에 기반한 연속 변수(continuous-variable) 시스템을 사용하는 길을 열어주었습니다. 구체적으로, 연구팀은 호모다인 검출(homodyne detection)이라는 기술로 측정되는, 단순한 압축된 빛 펄스인 단일 모드 가우시안 상태(single-mode Gaussian states)를 사용하는 설정을 테스트했습니다. 과거에 이러한 설정은 빛이 자연스럽게 무한한 상태를 점유하기 때문에 무작위성을 인증하기에 너무 "누출이 많은" 것으로 간주되었습니다. 그러나 새로운 평균화 방법을 적용함으로써, 연구자들은 이러한 단순한 저압축 상태가 인증된 무작위성을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 누출 매개변수가 단 0.075일 때, 라운드당 평균 0.0313 비트의 무작위성을 인증할 수 있음을 발견했습니다. 이 수치는 작아 보일 수 있지만, 이전에는 이 목적에 쓸모없다고 생각되었던 시스템으로부터 얻어낸 비제로(non-zero)의 인증된 무작위성입니다.

연구자들은 단순한 빛 펄격에 머물지 않았습니다. 그들은 이 시스템에서 얼마나 많은 무작위성을 짜낼 수 있는지 확인하기 위해 더 복잡한 시나리오를 탐구했습니다. 표준 빛 검출기를 변위 광검출(displaced photodetection)을 포함하는 더 정교한 방법으로 교체했을 때, 인증된 무작위성의 양은 유의미하게 증가하여 0.082 비트에 도달했습니다. 그들은 또한 더 복잡한 형태의 빛인 비가우시안 상태(non-Gaussian states)를 테스트했습니다. 이는 만들기는 더 어렵지만 더 많은 잠재력을 제공합니다. 압축된 캣 상태(squeezed cat state)라고 알려진 특정 유형의 비가우시안 상태를 사용하여, 그들은 더 높은 수준의 무작위성을 달려 0.119 비트를 인증했습니다. 놀랍게도, 이러한 구조화되고 실험적으로 실행 가능한 상태들은 절단된 수학적 모델 내에서의 이론적 최대치에 가깝게 성능을 발휘하며, 최적의 무작위성의 약 95%를 포착해냈습니다.

이러한 발견은 차원 누출이 제거해야 할 순수한 결함이라는 오랜 관점에 도전합니다. 그들의 새로운 프레임워크 맥락에서, 물리적 시스템의 고차원적 특성은 단순히 용인되는 것이 아니라, 실용적인 구현을 가능하게 하도록 관리됩니다. 연구자들은 약간의 누출을 수용하고 모든 입력에 대해 평균을 냄으로써, 견고하면서도 실험적으로 접근 가능한 무작위 생성기를 구축할 수 있음을 입증했습니다. 이는 양자 기술 분야에서 중요한 진전으로, 완벽하고 이상적인 부품을 요구하는 단계에서 벗어나 현재의 불완전한 기술로도 구축할 수 있는 시스템을 향해 나아가고 있음을 의미합니다.

또한 이 연구는 보안을 어떻게 평가하느냐의 중요성을 강조합니다. 연구는 에스티메이터(estimator, 무작위성을 계산하는 데 사용되는 수학적 도구)의 선택이 결정적이라는 것을 보여주었습니다. 단일 입력 쌍에 집중하는 방법은 취약하며 누출에 의해 쉽게 깨집니다. 반면, 평균 에스티메이터는 공격자가 전체 영역에 걸쳐 예측 불가능하도록 강제하기 때문에 회복력이 있습니다. 이는 훨씬 더 어려운 과제입니다. 연구자들은 자신들의 결과가 실험가들이 실용적이고 안전한 연속 변수 무작위 생성기를 구축할 수 있는 명확한 경로를 제공하며, 물리적 세계의 잠재적 약점을 실질적인 이점으로 바꾼다고 결론짓습니다.