양자 컴퓨터가 블록체인을 위협하게 될까?

양자 컴퓨터가 현실이 되면 무슨 일이 일어날까요?

지난해 암호화폐 세미나에서 한 참석자가 한 질문이다. 반응은 쥐 죽은 듯이 조용했다. 한참이 흐른 후, 연사는 "그때가 되면 알게 되겠죠."라는 요지로 답했다.

블록체인 기술과 그 위에 구축된 암호화폐, 대체 불가능 토큰(NFT) 및 스마트 계약의 전반적인 전제는 분산 원장이 아주 안전하고 현대 컴퓨터로는 해킹할 수 없다는 것이다.

​좀 지나치게 단순화한 면이 없지 않지만, 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 블록체인을 통해 암호화 자산이 전송(트랜잭션) 되어 새로운 소유권을 인정받기 위해서는 해당 블록체인을 공유하는 네트워크 상의 컴퓨터 중 50% 이상이 동의해야 한다.

그리고 네트워크는 오직 작업 증명(PoW)(본질적으로 몇 개의 아주 큰 숫자의 대량 곱셈이 수반됨)을 거친 경우에만 전송을 인정한다. 다시 말하지만, 너무 단순화한 설명이다.

이런 PoW가 블록체인 네트워크에 제출되고, 컴퓨터의 50% 이상이 이를 수용하게 되면, 체인에 새로운 블록이 추가되고, 더 길어진 블록체인이 진정한 블록체인으로 평가받는다.

​새로운 암호화폐를 위해 PoW가 제출되면, 새로운 토큰이나 코인이 만들어진다. 마찬가지로, PoW가 제출되면, 중앙 집중화된 데이터베이스나 부패할 가능성이 있는 정부 관계자에 의존하지 않고도 특정 자산의 소유권을 증명하는 계약이 생성된다.

이제 블록체인 네트워크에 있는 모든 컴퓨터가 PoW의 진실성을 확인하기도 전에 그보다 더 빠르게 PoW가 생성된다고 상상해 보자. 그러면 나머지 네트워크의 확인도 없이, 검증 프로세스를 지속적으로 실행하고 블록체인에 새로운 블록을 생성할 수 있다.

​그리고 모든 블록체인 기술은 가장 긴 블록체인을 진실한 것으로 가정하기 때문에, 효과적으로 시스템을 '해킹'할 수 있게 된다. 다른 모든 컴퓨터는 단순히 이 블록체인을 새로운 PoW와 비교할 수 있는 것으로만 받아들인다.

현대 컴퓨팅 능력으로는 소위 51% 해킹을 만들어내기가 불가능하다. 하지만 양자 컴퓨터의 속도는 훨씬 더 빨라질 것이고, 어느 시점이 되면 기존의 컴퓨터 네트워크를 쉽게 앞지를 것이다. 물론, 속도가 양자 컴퓨터의 유일한 장점은 아니다.

기존의 컴퓨터는 "비트"라고 불리는 두 개의 이진 상태를 구별하는 트랜지스터에 기반을 둔다. 하지만 양자 컴퓨터는 0과 1을 동시에 받아들일 수 있고, 이러한 "큐비트"를 겹쳐 놓을 수 있다. 만일 이상하게 들린다면, 문자나 숫자를 8비트의 시리즈로 인코딩하는 전형적인 구식 컴퓨터를 생각해 보면 된다.

​이 8비트로 256개의 다른 문자나 숫자를 코딩할 수 있으며, 언제나 표준 컴퓨터의 트랜지스터는 256개의 가능한 상태 중 하나가 된다. 하지만 8 큐비트의 양자 컴퓨터는 256개의 상태를 동시에 취해 동시에 계산에 사용할 수 있다. 따라서 양자 컴퓨터의 장점은 큐비트를 더 많이 포함할수록 기하급수적으로 증가한다.

즉, 이런 연산 능력을 지렛대로 사용하기 위해서는 양자 컴퓨터의 알고리즘이 완전히 재설계되어야 한다는 의미다. 하지만 또한 양자 컴퓨터가 훨씬 더 강력해질 것이라는 것을 의미하기도 한다. 그것들은 기존의 컴퓨터가 우주의 남은 수명까지도 풀지 못할 문제들을 쉽게 해결할 수 있게 된다.

이제 완벽하게 작동하는 양자 컴퓨터를 만든 첫 번째 사람이나 기업이 있다고 가정해 보자. 전 세계의 모든 네트워크는 기존 컴퓨터를 기반으로 하기 때문에, 몇 초 만에 지구상의 모든 블록체인을 장악할 수 있다. 네트워크 내 대다수 컴퓨터가 양자 컴퓨터로 대체되어야 블록체인이 다시 안전해질 수 있다. 하지만 그때는 너무 늦을지도 모른다.

양자 컴퓨터의 이러한 이점은 소위 진정한 양자 우위(quantum advantage)를 실제로 달성하지 못하거나 전통적인 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있을 때까지 지속된다. 표준 컴퓨터의 문제 해결 능력이 양자 컴퓨터보다 충분히 앞서게 되면, 세계의 모든 블록체인은 양자 컴퓨터를 가진 사람이라면 누구나 해킹이 가능해질 것이다.

따라서 양자 컴퓨터가 현실화되면 블록체인 기술은 처음부터 완전히 재창조되거나 탈중앙화와 보안의 이점을 모두 상실해야 할 것이다.

하지만 양자 컴퓨터는 여전히 공상 과학 소설에 불과하지 않을까? 맞다, 아직은 그렇다. 하지만 지금 개발 중에 있다. 그리고 무어의 법칙을 바탕으로 현재의 컴퓨팅 속도 향상을 미래로 추정하면, 약 2045년경이 되면 양자 컴퓨터 한 대가 비트코인 블록체인을 해킹할 수 있을 것이다.

(양자 컴퓨터 vs. 비트코인 해시 레이트)

출처: “Quantum Advantage on Proof of Work,” by Dan A. Bard, Joseph J. Kearney, and Carlos A. Perez-Delgado

이 추정은 두 가지 가정을 기반으로 한다.

첫째, 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨팅이 걸어왔던 것과 같은 속도로 발전한다. 하지만 우리는 신기술이 기존 기술보다 훨씬 더 빨리 진보하는 경향이 있음을 알고 있다.

둘째, 비트코인 블록체인에 2045년이 적용되는데, 이는 단연코 가장 복잡하고 계산 집약적인 것이다. (비트코인이 전 세계 페이팔 및 신용카드 네트워크와 결제 시스템으로 경쟁할 수 없는 이유다).

이더리움 같은 다른 블록체인이나 기반 상용 애플리케이션들은 훨씬 더 작은 네트워크를 사용한다. 그리고 양자 컴퓨팅 장점에 대한 새로운 연구에 따르면, 양자 컴퓨터는 빠르면 2023년에 그러한 블록체인을 해킹할 수 있다고 한다.

개인적으로, 2023년이 현실적이라고 생각하지 않는다. 하지만 양자 컴퓨팅의 발전에 대해 더 많이 읽을수록, 10년 안에 그런 일이 일어날 수 있다고 본다. 그러면 어떤 일이 일어날까?

모든 블록체인 애플리케이션이 사전에 근본적으로 재설계되지 않는 한, 안전하지 못하고 무용지물로 전락할 가능성이 높다.

자료 출처: CFA Institute, "Is Blockchain Just a Transition Technology?"