양자역학과 양자컴퓨터를 연구하고 싶어 물리학과 진학을 목표로 하고 있는데, 블로그에 양자역학과 관련된 내용들을 저장해두려고 합니다. 이 블로그에 등록되는 양자컴퓨터 관련 글은 ChatGPT에서 얻은 정보를 바탕으로 작성될 예정입니다.

양자암호 기술은 양자컴퓨터를 이용하여 암호화를 수행하는 기술로, 현재까지는 상용화되지 않은 연구 단계의 기술입니다. 그러나 파이썬에서는 양자암호를 구현하고 시뮬레이션할 때 사용할 수 있는 여러 라이브러리가 있습니다. 이 글에서는 그 라이브러리를 이용하여 파이썬에서 양자암호기술을 어떻게 사용할 수 있는지 알아보겠습니다.

일반 컴퓨터에서는 양자암호 기술을 직접적으로 사용할 수 없습니다. 이유는 일반 컴퓨터는 양자 메커니즘을 사용하지 않기 때문입니다. 양자 암호화와 관련된 작업 대부분은 양자 컴퓨터를 사용하여 수행됩니다. 아직 완전한 양자 컴퓨터는 나오지 않았기 때문에, 개인이 양자암호를 개발할 때는 시뮬레이터를 사용해야 합니다.

양자 암호화(QC)는 양자 메커니즘을 사용하여 키를 교환하고 데이터를 보호하는 암호화 방식입니다. 파이썬에서 QC를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 이 글에서는 PyQuil 라이브러리와 Qiskit 라이브러리를 사용하는 방법에 관해서 설명하겠습니다.

PyQuil을 사용한 양자 암호화

암호화와 복호화를 진행하기 위해서는 먼저 키를 생성해야 합니다. 파이썬에서 PyQuil 라이브러리를 사용하여 키를 생성하는 방법은 다음과 같습니다. (PyQuil 라이브러리는 기본 패키지가 아니기 때문에 먼저 설치해줘야 합니다.)

from pyquil import Program
from pyquil.gates import *
from pyquil.api import get_qc

# Quantum computer with 2 qubits
qc = get_qc('2q-qvm')

# Generate a random bit string of length 2
key = ''.join([str(random.randint(0, 1)) for _ in range(2)])
print(f"Key to be exchanged: {key}")

# Alice prepares her qubits
alice = Program()
if key[0] == '1':
    alice += X(0) # apply NOT gate
if key[1] == '1':
    alice += X(1) # apply NOT gate
alice += H(0) # apply Hadamard gate
alice += CNOT(0, 1) # apply CNOT gate
alice += H(0) # apply Hadamard gate
alice.measure_all() # measure the qubits

# Run the program on the quantum computer
result = qc.run(alice)

# Bob measures the qubits
bob = Program()
bob.measure_all() # measure the qubits

# Run the program on the quantum computer
result = qc.run(bob)

# Extract the bits received by Bob
received_key = result[0].tolist()
print(f"Received key: {received_key}")

이 코드는 2개의 양자비트를 사용하여 키를 생성합니다. Alice는 키를 만들기 위해 Hadamard 게이트와 CNOT 게이트를 적용한 다음 결과를 측정합니다. Bob은 측정 결과를 수신하고 키를 추출합니다. 이제 Alice와 Bob은 같은 비밀 키를 가지고 있습니다.

이제는 PyQuil을 사용하여 암호화 및 복호화를 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.

from pyquil import Program
from pyquil.gates import *
from pyquil.api import get_qc

# Quantum computer with 2 qubits
qc = get_qc('2q-qvm')

# Generate a random bit string of length 2
key = ''.join([str(random.randint(0, 1)) for _ in range(2)])
print(f"Key to be exchanged: {key}")

# Alice prepares her qubits
alice = Program()
if key[0] == '1':
    alice += X(0) # apply NOT gate
if key[1] == '1':
    alice += X(1) # apply NOT gate
alice += H(0) # apply Hadamard gate
alice += CNOT(0, 1) # apply CNOT gate
alice += H(0) # apply Hadamard gate

# Alice sends the qubits to Bob
bob = Program()
bob += I(0)
bob += I(1)

# Bob receives the qubits from Alice and applies gates
if key[0] == '1':
    bob += X(0) # apply NOT gate
if key[1] == '1':
    bob += X(1) # apply NOT gate
bob += H(0) # apply Hadamard gate
bob += CNOT(0, 1) # apply CNOT gate
bob += H(0) # apply Hadamard gate

# Bob measures the qubits
bob.measure_all()

# Run the program on the quantum computer
result = qc.run(alice + bob)

# Extract the bits received by Bob
received_key = result[0].tolist()
print(f"Received key: {received_key}")

이 코드는 2개의 양자비트를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화합니다. Alice는 키를 생성하기 위해 랜덤 비트열을 만든 다음 Hadamard 게이트와 CNOT 게이트를 사용하여 데이터를 암호화합니다. 그런 다음 암호화된 데이터를 Bob에게 보냅니다. Bob은 암호화된 데이터를 받은 후, 동일한 작업을 수행하여 데이터를 복호화합니다. 마지막으로, Bob은 측정 결과를 받아들이고, 데이터를 해독하여 원래의 데이터를 얻습니다.

위 코드에서 Alice는 랜덤 비트열을 생성하여 비밀키를 만들었습니다. 그런 다음 Hadamard 게이트와 CNOT 게이트를 사용하여 2개의 양자비트를 암호화합니다. Alice는 암호화된 데이터를 Bob에게 보냅니다. Bob은 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 복호화합니다. 마지막으로, Bob은 측정 결과를 받아들이고 데이터를 해독하여 원래의 데이터를 얻습니다.

Qiskit을 사용한 양자 암호화

위 방법은 PyQuil 라이브러리를 사용하여 양자암호기술을 구현한 것입니다. 비슷한 방법으로 Qiskit 라이브러리를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이 라이브러리는 IBM에서 개발되었으며, IBM의 양자 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 설계되었습니다.

다음은 Qiskit을 사용하여 양자 암호화 및 복호화를 수행하는 방법입니다.

from qiskit import QuantumCircuit, ClassicalRegister, QuantumRegister, execute, Aer
import random

# Quantum computer with 2 qubits
q = QuantumRegister(2)
c = ClassicalRegister(2)
qc = QuantumCircuit(q, c)

# Generate a random bit string of length 2
key = ''.join([str(random.randint(0, 1)) for _ in range(2)])
print(f"Key to be exchanged: {key}")

# Alice prepares her qubits
if key[0] == '1':
    qc.x(q[0]) # apply NOT gate
if key[1] == '1':
    qc.x(q[1]) # apply NOT gate
qc.h(q[0]) # apply Hadamard gate
qc.cx(q[0], q[1]) # apply CNOT gate
qc.h(q[0]) # apply Hadamard gate

# Alice sends the qubits to Bob
qc.barrier(q)

# Bob receives the qubits from Alice and applies gates
if key[0] == '1':
    qc.x(q[0]) # apply NOT gate
if key[1] == '1':
    qc.x(q[1]) # apply NOT gate
qc.h(q[0]) # apply Hadamard gate
qc.cx(q[0], q[1]) # apply CNOT gate
qc.h(q[0]) # apply Hadamard gate

# Bob measures the qubits
qc.measure(q, c)

# Execute the circuit on the qasm simulator
backend = Aer.get_backend('qasm_simulator')
job = execute(qc, backend=backend, shots=1)

# Extract the bits received by Bob
result = job.result()
received_key = result.get_counts()[''.join(key)]
print(f"Received key: {received_key}")

이 코드는 PyQuil을 사용하여 구현한 코드와 매우 유사합니다. 비밀키를 생성하는 방법과 Hadamard 게이트 및 CNOT 게이트를 사용하여 데이터를 암호화하는 방법은 동일합니다. 단지, Qiskit은 Hadamard 게이트를 h() 함수로, CNOT 게이트를 cx() 함수로 사용합니다. 마지막으로, Bob은 결과를 측정하여 암호화된 데이터를 복호화합니다.

위 코드에서 Alice는 랜덤 비트열을 생성하여 비밀키를 만들었습니다. 그런 다음 Hadamard 게이트와 CNOT 게이트를 사용하여 2개의 양자 비트를 암호화합니다. Alice는 암호화된 데이터를 Bob에게 보냅니다. Bob은 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 복호화합니다. 마지막으로, Bob은 측정 결과를 받아들이고, 데이터를 해독하여 원래의 데이터를 얻습니다.

양자 암호화는 양자 컴퓨터를 사용하여 보안 통신을 제공하는 방법 중 하나입니다. 양자비트는 상태가 변경될 때마다 특별한 특성을 가지며, 이러한 특성을 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화합니다. 이 방법은 클래식한 암호화 방법보다 훨씬 안전하며, 빠른 속도로 암호화 및 복호화를 수행할 수 있습니다.