양자 우월성 검증을 위한 블록체인 기반 무신뢰 증명 및 서명 전환 메커니즘

초록

이 논문은 이더리움 스마트 계약을 이용해 비밀 없이 생성된 대형 소인수분해 문제(잠금)를 배포하고, 이를 해결한 사용자의 제출을 블록체인 상에서 검증함으로써 양자 컴퓨터가 암호학적 우월성을 달성했음을 신뢰할 수 있게 증명한다. 동시에 해당 증명이 확인되면 자동으로 양자 내성 서명 체계로 전환되는 트리거를 제공해, 기존 RSA·ECDSA 기반 블록체인 자산을 사전 대비 없이도 보호한다.

상세 분석

본 연구는 블록체인과 양자 컴퓨팅의 교차점에서 실용적인 위험 완화 방안을 제시한다. 핵심 아이디어는 ‘잠금(lock)’이라 명명한 4 608비트 크기의 난수 정수를, Sander의 확률적 난수 생성 기법을 변형해 스마트 계약 내에서 비밀 없이 생성하는 것이다. 이 정수는 소인수분해가 현재 고전 컴퓨터로는 실질적으로 불가능한 수준이며, 양자 알고리즘인 Shor가 효율적으로 해결할 수 있다. 계약은 총 119개의 잠금을 생성하도록 설계되었으며, 통계적 분석에 따르면 최소 19개는 고전적으로 풀 수 없을 확률이 10⁻⁹ 수준이다.

잠금에 대한 풀이가 제출되면 계약은 솔루션을 검증하고, 성공 시 해당 잠금을 ‘해제’한다. 모든 잠금이 해제되면 계약은 ‘완료 플래그’를 설정하고, 보상금(최소 19.04 ETH)을 최종 해결자에게 지급한다. 이 과정은 완전 투명하고 검증 가능하므로, 양자 컴퓨터가 실제로 암호학적 우월성을 달성했는지에 대한 무신뢰 증거가 된다.

보안 측면에서 저자는 프론트러닝 공격을 고려해 가스 가격 경쟁을 통한 솔루션 탈취 위험을 최소화하려 한다. 구체적으로, 솔루션 제출 트랜잭션은 고정된 가스 한도와 최소 보상 조건을 갖추어, 공격자가 이익을 얻기 어려운 구조로 설계되었다. 또한, 계약은 싱글톤 패턴을 적용해 중복 배포를 방지하고, 잠금 생성 과정을 여러 트랜잭션에 분산시켜 가스 한도 초과를 회피한다.

양자 우월성 검증이 성공하면, 계약은 사전 정의된 양자 내성 서명 프로토콜(예: Lamport 서명)로 전환되는 트리거를 실행한다. 이는 기존 RSA·ECDSA 기반 서명 검증을 즉시 중단하고, 새로운 검증 로직을 활성화함으로써 자산을 보호한다. 전환 시 발생하는 추가 비용과 복잡성을 최소화하기 위해, 전환은 ‘필요 시점’에만 발생하도록 설계되었다.

한계점으로는 (1) 잠금 생성 자체가 완전 무작위성을 보장하지 못할 경우, 고전적 알고리즘이 일부 잠금을 풀 가능성이 존재한다는 점, (2) 양자 컴퓨터가 실제로 Shor 알고리즘을 실행할 수 있는 규모에 도달하기 전까지는 이 메커니즘이 ‘잠재적 위협’에 머무른다는 점, (3) 이더리움 가스 가격 변동에 따라 보상금이 충분히 유지되지 않을 경우 솔버의 참여 유인이 감소할 수 있다는 점을 들 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 논문은 블록체인 상에서 양자 우월성을 검증하고, 자동으로 보안 전환을 트리거하는 최초의 실용적 프레임워크를 제시한다는 점에서 학술적·산업적 의의가 크다.