양자 얽힘 기반 전자투표 프로토콜, 두 연구팀이 독립 실증

기존 전자투표의 신뢰 문제

종이투표든 전자투표든 집계 단계에서 조작되거나 익명성이 침해될 위험은 항상 존재한다. 2007년 몬트리올대학의 Anne Broadbent와 Alain Tapp은 투표를 유권자 수만큼의 라운드로 분할하는 방식을 제안했다. 각 유권자는 특정 라운드에서만 실제 선택(0 또는 1)을 행사하고, 나머지 라운드에서는 시스템이 홀짝성을 유지하는 값을 자동 제출한다. 외부에서는 어느 라운드가 해당 유권자의 실제 선택인지 알 수 없다. 이론적으로는 견고하지만, 값을 배분하는 시스템 자체를 신뢰해야 한다는 근본적 취약점이 남아 있었다.

양자 얽힘으로 신뢰 의존성 제거

2022년 Centrone 연구팀은 큐비트 간 얽힘을 이용해 이 취약점을 원천적으로 해소하는 양자 프로토콜을 제안했다. 핵심은 모든 유권자의 큐비트를 하나의 거대한 다체(多體) 얽힘 상태로 구성하는 것이다. 측정 시 각 큐비트는 무작위로 0 또는 1이 되지만, 얽힘 구조 덕분에 전체 1의 합이 사전에 설정된 홀짝성을 항상 만족한다. 운영 주체를 포함한 어떤 외부 주체도 개별 측정값을 미리 알 수 없으므로, 값 배분에 대한 신뢰 의존성이 사라진다.

두 팀의 실험 구현 방식

두 팀 모두 자발적 매개변수 하향변환(SPDC)으로 얽힘 광자를 생성했다. 레이저를 비선형 결정에 조사하면 단일 광자가 편광 상태에서 서로 얽힌 광자 쌍으로 분리된다. 이 과정을 반복적으로 이어 붙이면 유권자 수에 해당하는 광자들이 하나의 얽힘 상태를 이룬다. 생성된 각 광자는 50 대 50 광분할기를 통과하고, 광섬유로 전송되어 검출기에서 측정된다. 제네바 팀의 경우 편광 얽힘 분산 실험 인프라를 이 프로토콜에 맞게 변형하는 방식으로 접근했다.

성공률과 현재 한계

Centrone 팀은 약 96%, Thew 팀은 87%의 프로토콜 성공률을 기록했다. 두 실험 모두 단일 광자 광원, 검출기, SPDC 얽힘 생성 등 현재 연구 현장에서 활용 가능한 기술만으로 구성됐다는 점에서 접근 가능성을 입증했다. 다만 이번 실증은 소수의 유권자만을 대상으로 한 개념 증명 단계다. 실제 선거에 적용하려면 성공률을 대폭 높이고 시스템 규모를 크게 확장해야 하는 과제가 남아 있다.

투표를 넘어선 응용 가능성

연구팀은 이 프로토콜이 투표에만 국한되지 않는다고 본다. 완전 보안 하에 비트를 익명으로 배분하는 구조이므로, 익명 메시지보드나 익명 분산 연산 등 다양한 보안 응용에 적용할 수 있다. 양자 보안 보장이 내재된 전자투표 시스템이 기존 기술로도 구현 가능하다는 것을 보인 첫 번째 독립 실험이라는 점에서 의미가 있다.