IBM Quantum Backend: /dev/urandom으로 개인키 복구 재현

서론

양자 컴퓨팅 시대가 도래하면서 암호학의 패러다임이 shifting되고 있습니다. 특히 Shor의 알고리즘과 같은 양자 알고리즘은 기존의 RSA나 ECC 타원곡선 암호를 무력화할 수 있는 잠재력을 가지고 있어, 보안 전문가들 사이에서는 이에 대한 대비와 검증이 무엇보다 중요한 과제로 떠올랐습니다.

하지만 최근 흥미로운(그리고 다소 충격적인) 논쟁이 되고 있는 이슈가 있습니다. 바로 “IBM Quantum 백엔드를 이용한 개인키 복구 공격"의 실체입니다. 만약 수천 원의 비용을 들여 양자 컴퓨팅 리소스를 할당받아 수행하는 공격이, 사실은 서버의 기본 난수 생성기(/dev/urandom)로 대체해도 동일한 결과를 낸다면 이것은 무엇을 의미할까요?

이 글에서는 IBM Quantum 백엔드를 /dev/urandom으로 대체하여 개인키 복구 시나리오를 재현해 보고, 그 과정에서 드러난 구현상의 허점과 기술적 진실을 분석하고자 합니다. 이는 양자 컴퓨팅의 유효성을 의심하기 위함이 아니라, **“우리가 믿고 있는 보안 메커니즘이 과연 양자 특성에 의존하고 있는지, 아니면 고전적인 논리의 결함인지”**를 검증하는 방어적 관점의 분석입니다.

본론

기술적 배경: 양자 오라클과 Backend

일반적으로 양자 컴퓨터를 이용한 공격(ECC 공략 등)은 다음과 같은 흐름을 따릅니다. 공격자는 타겟이 되는 공개키 시스템에 맞춰 양자 회로(QC)를 구성하고, 이를 오라클(Oracle) 형태로 양자 백엔드에 전송합니다. 양자 백엔드(IBM Quantum 등)는 큐잉(Queueing) 과정을 거쳐 실제 QPU(Quantum Processing Unit)에서 측정을 수행하고 그 결과를 반환합니다.

중요한 점은 **검증기(Validator)**입니다. 복구된 키가 올바른지 확인하는 과정(d·g == q 검증, 여기서 d는 개인키, g는 생성점, q는 공개키)은 고전적인 컴퓨팅 자원에서 이루어집니다.

⚠️ 윤리적 경고: 본 문서에서 다루는 모든 기술적 분석과 코드는 보안 취약점을 이해하고 방어 방안을 마련하기 위한 연구 목적(Ethical Hacking)이며, 악의적인 용도로 사용하는 것은 엄격히 금지됩니다.

공격 흐름도

먼저, 해당 공격 시나리오에서 의도했던 아키텍처와 우리가 수정하여 테스트할 아키텍처의 흐름을 시각화해 보겠습니다.

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graph TD
    A[Attacker / Researcher] --> B[Construct Circuit]
    B --> C[Oracle Function]
    C --> D{Backend Interface}
    D -->|Intended Path| E[IBM Quantum Backend]
    D -->|Replacement Path| F[/dev/urandom Mock]
    E --> G[Measurement Results]
    F --> G
    G --> H[Classical Post-Processing]
    H --> I[Validator d*g == q]
    I -->|Success| J[Private Key Recovered]
    I -->|Failure| K[Retry]

위 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 핵심은 D{Backend Interface} 단계입니다. 원래의 시나리오에서는 E로 향해야 할 트래픽을 F로 우회시켰을 때, 결과물이 I 검증기를 통과하는지 확인하는 것이 이번 실험의 핵심입니다.

취약점 분석: 백엔드 대체 실험

문제가 된 projecteleven.py 코드에서는 IBM Quantum의 SDK를 통해 회로를 실행합니다. 우리는 이 부분을 로컬 의사 난수 생성기(PRNG)로 대체하는 모의(Mock) 코드를 작성해 보겠습니다.

PoC: 백엔드 모의 코드 (Python)

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import os
import numpy as np

# 원래의 IBM Qiskit Runtime 실행 부분을 대체하는 Mock 클래스
class MockQuantumBackend:
    def run(self, circuit):
        """
        실제 양자 회로를 실행하는 대신,
        /dev/urandom(혹은 os.urandom)을 통해 난수 바이트를 생성하여 반환.
        """
        # 회로에 필요한 측정 비트 수에 따라 더미 데이터 생성
        num_qubits = circuit.num_qubits
        # os.urandom은 암호학적으로 안전한 의사 난수 생성기 (CSPRNG)
        random_bytes = os.urandom(num_qubits // 8 + 1)
        
        # 이 난수를 바이너리 결과로 변환 (실제 QPU 결과와 형태 맞춤)
        # 여기서 중요한 것은 '물리적 양자 중첩'이 아니라 '랜덤성'만 제공함
        result_counts = {}
        simulated_hex = random_bytes.hex()
        
        # 공격 스크립트가 기대하는 형식으로 데이터 반환
        return {"data": {"counts": {simulated_hex: 1}}}

# 공격 루프 예시
def attack_simulation(target_public_key):
    mock_backend = MockQuantumBackend()
    
    print(f"[*] Target Public Key: {target_public_key}")
    print("[*] Starting attack loop with Mock Backend (/dev/urandom)...")
    
    # 실제 공격 코드에서는 circuit을 매번 수정하며 실행함
    for i in range(100):
        # 가상의 회로 생성 (실제 로직 대신 간소화)
        # circuit = construct_circuit(...)
        
        # 백엔드 실행 부분을 /dev/urandom mock으로 교체
        result = mock_backend.run(None) 
        raw_measurement = result["data"]["counts"]
        
        # 복구된 후보키 추출 (가정)
        candidate_key = int.from_bytes(os.urandom(32), byteorder='big')
        
        # 검증기: d * g == q ?
        if validate_key(candidate_key, target_public_key):
            print(f"[+] SUCCESS! Key found at iteration {i}: {candidate_key}")
            return candidate_key
            
    return None

def validate_key(private_key, public_key):
    # 실제

출처: https://news.hada.io/topic?id=28894