RNA 접힘 복잡성을 활용한 포스트양자 암호 원시기

초록

본 논문은 비코딩 RNA의 2차 구조 예측에 내재된 열역학적 복잡성을 일종의 일방향 함수로 이용해, 수학적 가정에 의존하지 않는 포스트양자 암호 원시기를 제안한다. RNA 서열을 디지털 비트와 매핑하고, 이를 QUBO 형태로 변환해 양자 근사 최적화(QAOA) 및 Grover 검색에 대한 저항성을 실험적으로 평가한다. 암호키는 고엔트로피 스트림 암호에 입력되어 NIST SP 800‑22 통계 테스트를 모두 통과했으며, AES‑256 대비 실용적인 처리량을 보인다.

상세 분석

Crypto‑ncRNA는 기존 포스트양자 암호가 의존하는 격자·코드 기반의 구조적 수학 문제와는 근본적으로 다른 보안 기반을 제공한다. 핵심 아이디어는 비코딩 RNA 서열이 최소 자유 에너지(MFE) 2차 구조로 접히는 과정이 고차원 에너지 지형을 형성한다는 점이다. 이 지형은 수천 개의 국소 최소값과 깊은 에너지 함정을 포함해, 전통적인 최적화 알고리즘이 전역 최소를 찾기 어렵게 만든다. 논문은 이를 이진 변수로 표현한 Quadratic Unconstrained Binary Optimization(QUBO) 모델로 변환하고, QUBO 행렬이 대역폭이 넓은 밀집 구조를 갖는다는 점을 강조한다. 이러한 ‘유리‑스핀 글라스’와 유사한 특성은 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA)이 에너지 최소점에 수렴하기 어렵게 만든다. 6‑qubit 포토닉 양자 회로를 이용한 시뮬레이션에서는 성공 확률이 2.1 × 10⁻¹³ 수준으로, 실질적인 양자 공격이 불가능함을 보여준다. 또한 Grover 검색을 적용할 경우, 각 오라클 호출마다 O(N³) 복잡도의 RNA 접힘 시뮬레이션을 수행해야 하므로, 양자 이론상 기대되는 제곱근 속도 향상이 실질적으로 소멸한다.

키 생성 과정은 (1) 사전 공유된 시드 → 무작위 RNA 서열 생성, (2) 서열을 코돈 단위로 2진화, (3) LinearFold와 같은 O(N³) 알고리즘으로 MFE 구조 예측, (4) 구조 정보를 해시·키 스트림으로 변환하는 단계로 구성된다. 구조 예측에 작은 오차가 발생하면 전체 비트 순서가 크게 뒤바뀌는 ‘구조적 눈사태’ 효과가 나타나, 근사키만으로는 복호화가 불가능하도록 설계되었다.

성능 측면에서는 100 KB 블록을 암호화할 때 0.19 s의 처리 시간을 기록했으며, 이는 RSA‑2048(0.56 s)보다 3배 빠르고, AES‑256과 비교해도 경쟁 가능한 수준이다. 암호문은 Shannon 엔트로피 7.98 bit/byte에 근접하고, NIST SP 800‑22의 15개 테스트를 모두 통과해 통계적 무작위성을 입증한다.

이와 같이 Crypto‑ncRNA는 물리적 복잡성을 보안 자원으로 전환함으로써, 기존 수학적 가정에 대한 의존도를 크게 낮추고, 양자 컴퓨팅 시대에도 실용적인 대안이 될 수 있음을 실증한다. 향후 실제 ncRNA‑PUF 구현을 위한 나노포어 시퀀싱·오차 보정 기술과, 하드웨어 가속을 통한 실시간 적용 가능성도 논의된다.