월간 국방과 기술
2차 양자 혁명과 미래 양자전
작성자 : 강지현(210.223.xxx.xxx)
입력 2023-08-14 17:31:16
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2차 양자 혁명과 미래 양자전


강지현 국방대학교 군사전략학과 석사과정



*6회에 걸친 ‘미래전쟁’ 특별연재 중 6편입니다. 미래전쟁에서 AI, 스텔스, 사이버, 양자, 유/무인 등 다양한 기술이 어떤 영향을 제공할 것인지를 분석하고, 국방대학교 <전쟁론> 강의에서 다룬 주제를 중심으로 우리 군의 미래전 수행에 대한 고민을 공유합니다.




2차 양자 혁명 시대와 미래전

2차 양자 혁명이란 양자 중첩과 양자 얽힘이라는 양자의 물리학적 속성을 컴퓨터, 통신, 센서 등 실제 기술에 적용하는 산업 혁명으로, 양자기술의 산업·안보적 파급력으로 인해 미래 전략 기술의 핵심으로 부상하고 있다. 우리 군도 정부의 국정과제인 ‘제2창군 수준의 「국방혁신 4.0」 추진으로 AI 과학기술 강군 육성’을 위하여 국방전략기술 8대 분야 중 미래형 첨단 신기술 분야에서 양자기술을 다루고 있으며, ‘한·미 군사동맹 강화 및 국방과학기술 협력 확대’의 일환으로 워싱턴 D.C.에 한·미 양자기술 협력센터를 개소하여 미국과의 연구개발(R&D) 협력을 추진하고 있다.
우리나라의 양자기술 수준은 해외 주요국과 비교했을 때 아직 많이 부족한 수준이다. 또한 중국이 지금까지 양자기술에 약 19.9조 원을 투자한 것에 비해, 2023년 우리나라의 양자기술 R&D 예산은 953억 원에 불과한 상황이다. 많은 국가가 공동으로 양자 연구를 진행했던 10년 전과는 달리, 최근에는 국가별로 양자기술을 연구하는 ‘퀀텀 내셔널리즘(Quantum Nationalism)’이 등장하고 있다. 이는 점점 더많은 국가들이 양자기술이 갖는 전략적 가치와 파급력을 깨닫고 있다는 것이며, 자연스레 양자기술을 국방 분야에 적용해서 군사력으로 활용하려는 국가들도 많아지고 있다.


미래 양자전의 양상

미래 전쟁에서는 양자기술의 우위를 통해 전쟁에서 사용 되는 모든 무기체계의 전투력을 극대화하고, 어떠한 상황이더라도 적을 압도할 수 있는 최적의 작전 계획을 빠르게 수립하여 전쟁의 승리를 추구하는 ‘양자전(Quantum Warfare)’이 등장할 것이다. 양자기술은 개별 전투에서 활용되는 전술통신체계부터 다양한 영역을 아우르는 지휘통제체계에 이르기까지 전장의 모든 분야에 적용될 것이다.



[그림 1] 양자기술별 기술수준 판단


또한 경쟁 관계에 있는 상대나 적대국과의 경쟁과 분쟁 그리고 전쟁에 이르기까지 미래에 예상되는 위협에 대응하는 과정에서 아군이 전술적·전략적 우위를 점하는 데에 핵심적인 수단으로 활용될 것이다.
미래에 양자기술의 우위를 갖는다는 것은 현 핵을 보유하는 것과 맞먹는 전략적 가치를 지닐 것이다. 핵은 ‘고전 물리 이론’을 기반으로 한 엄청난 파괴력과 그것이 가져올 대규모의 인적·물적 피해로 인해 전략적 가치를 지닌다면, 양자기술은 고전 물리 이론을 뛰어넘는 ‘양자 역학’을 기반으로 한 초신뢰성·초고속 연산·초정밀 측정 능력을 통해 전략적 가치를 지닌다.



[그림 2] 양자기술을 활용한 양자전 예상도


따라서 미래에는 새로운 전쟁 억제 수단으로 양자기술이 활용될 것이고, 전쟁이 발발할 경우에는 양자기술의 우위를 기반으로 하여 신속한 승리를 추구할 것이다. 또한 양자기술력을 기반으로 하여 새로운 동맹 구도가 형성될 것이고, 양자기술 협력과 전문인력 교류는 중요한 외교 수단으로 활용될 것이다.


⑴ 초고속 연산, 초신뢰성의 특징을 통해 피·아 사이버 영역에 대한 접근 통제 능력 보장

미래에는 하이브리드전에서 사용되는 수단과 방법이 고도화될 것이다. 특히, 정규전과 동시에 수행되는 사이버전을 통해 국가의 전쟁수행능력을 약화시키기 위하여, 허위 정보를 퍼뜨리거나 기밀 정보를 해킹하여 공개하는 등의 사이버 영역을 통한 심리전이 전개될 것이다. 이러한 상황에서 양자기술은 아군의 사이버 영역에 대한 적의 접근 시도를 원천적으로 차단해주고, 동시에 아군이 적의 사이버 영역에 손쉽게 접근할 수 있게 해준다.



[그림 3] 양자암호통신 시범사업


첫째, 양자 컴퓨터의 초고속 연산 능력은 고전 암호체계를 무력화하여 아군의 사이버전 수행 능력을 향상시킨다. 이는 복잡한 암호체계로 보호되는 적의 지휘통제 체계를 마비시킬 수 있고, 암호화된 기밀 정보를 해독하여 적의 전쟁수행능력에 치명적인 피해를 입힐 수 있다.
양자 컴퓨터는 부피가 크고, 유지·보수가 어렵기 때문에 최상급 사령부에서 통합하여 관리하며, 기존 컴퓨터로 해독이 되지 않는 암호체계가 식별되었을 때에만 부분적으로 활용 한다. 다만, 국가 핵심 기간망을 공격하거나 필요에 의해 동시다발적으로 암호 체계의 무력화가 필요할 경우에는 다수의 양자 컴퓨터를 집중적으로 활용하여 작전을 수행한다.
둘째, 양자 암호 통신의 초신뢰성은 각종 데이터를 안전하게 송·수신할 수 있게 해주어 아군의 사이버 영역을 보호해준다. 양자암호키분배(QKD : Quantum Key Distribution) 방식은 아군의 데이터에 접근하려는 적의 시도를 원천적으로 차단하며, 양자내성암호(PQC : Post-Quantum Cryptography)는 양자 컴퓨터로도 해독할 수 없는 알고리즘을 갖추고 있어 적의 해킹 시도를 무력화할 수 있다.
주요 작전 기지 사이에는 광케이블을 통해 유선 양자암호 통신이 이루어지고, 유·무인 무기체계나 위성에서는 양자 광원을 활용하여 무선·위성 양자암호통신이 이루어진다.
양자내성암호 방식은 다양한 디지털 매체에서 호환되기 때문에 대부분의 군 전산망에 적용되고, 양자암호키분배 방식은 추가적인 보안 대책을 필요로 하면서 기반 시설의 이동 소요가 없는 지상 주요 본부 및 기지 사이에서 활용된다.



[그림 4] IBM Osprey


⑵ 상대보다 빠르고 정확한 의사결정을 통해 전장의 우세를 확보

미래에는 광범위한 지역을 대상으로 하는 비선형전이 이루어질 것이다. 미래 비선형전에서는 교전 행위가 모든 전장에서 동시·통합적으로 이루어지기 때문에 변화하는 상황에 따라 최적의 의사결정을 내려야 전장의 우세를 달성할 수 있다. Q-AOODA(Quantum-Advanced OODA)는 실시간으로 수집되는 정보를 빠른 속도로 처리하고, 전투가 벌어지는 영역을 포함하여 전 영역에 걸친 전반적인 전장의 상황까지 고려하여 최적의 작전방안을 제시해준다.
첫째, ‘관찰(Observe)’ 단계에서 양자 컴퓨터는 다양한 정보·감시·정찰(ISR) 수단을 통해 수집된 수많은 신호 및 이미지들을 빠른 속도로 분류하고 처리한다. 주로 이전에 수집된 다양한 첩보들과 비교하여 새로 수집된 첩보를 비교하여 신뢰할 수 있는 정보들을 분류하고, 전장 상황을 고려했을 때 결심에 필요한 정보만을 선정함으로써 정확 하고 빠르게 방향설정을 할 수 있는 여건을 제공해준다.
둘째, ‘방향설정(Orient)’ 단계에서 양자 컴퓨터는 관찰 단계에서 수집된 정보와 그 외에 다양한 요소들을 동시다발적으로 분석하여 선택 가능한 방안과 방안별 위험성 및 성공률, 예상되는 변수 등과 함께 최적의 방안을 제시한다.
양자 컴퓨터의 연산 능력은 다른 영역을 포함하는 전반적인 전장 상황에 대한 정보까지 분석에 반영할 수 있기 때문에 상대방의 의도와 아군이 얻을 수 있는 전략적·작전적 이익까지 심층적으로 판단한다.
셋째, ‘결심(Decide)’ 단계에서 지휘관은 양자 컴퓨터를 통한 기계학습(ML)으로 강화된 인공지능(AI) 참모의 도움을 받아서 신속하고 정확한 결심을 내린다. 아군은 이러한 의사결정 과정을 통해 ‘행동(Act)’ 단계에서 적의 기만에 넘어가지 않고, ‘킬웹(Kill Web)’을 기반으로 한 신속한 결심 중심전을 통해 아군의 생존성을 보장하면서 적을 압도하여 전장의 우세를 달성한다.



[그림 5] 존 보이드(John R. Boyd)가 스케치한 OODA Loop


Q-AOODA Loop는 기존의 OODA Loop와 달리 양자기술로 능력이 극대화된 인공지능을 기반으로 하기 때문에, 적국이 인공지능을 OODA Loop에 적용하더라도 양자기술로 인한 능력의 격차를 따라잡을 수 없다. 따라서 합참과 각군 작전본부는 Q-AOODA 체계를 구축하기 위해 양자 컴퓨터와 기반 시설들을 우선적으로 설치하고, 예하 부대는 소형화된 양자 컴퓨터를 휴대하거나 양자 클라우드 시스템에 접속하여 각 지휘소에서도 Q-AOODA를 활용할 수 있는 체계를 갖춰야 한다.


⑶ 기존 무기체계의 한계를 극복하여 승리 달성에 기여

미래 비선형전은 개전과 동시에 전방지역에서는 적의 GPS 교란 행위와 핵심 전력에 의한 공격과 방어가 진행될 것이고, 후방지역에서는 아군의 주요 시설에 대한 폭격, 핵·미사일 사용 위협을 통한 심리전 등의 양상이 나타날 것이다.
첫째, 양자 관성항법장치는 잠수함이나 전투기, 미사일 등과 같은 무기체계에 장착되어 GPS 신호를 사용할 수 없는 환경에서도 정확하고 안정적인 정밀항법을 제공해준다. 이는 기존에 사용하던 범지구위성항법시스템(GNSS : Global Navigation Satellite System)에 대한 의존도를 낮추기 때문에, 우주전에서 아군의 위성이 파괴되더라도 미사일과 같은 무기체계들의 정상적인 기능 발휘를 보장한다. 또한 양자 관성항법장치가 장착된 단말기는 전방지역에서 전투를 수행하는 아군에게 GPS가 작동되지 않더라도, 정확한 위치 정보를 제공해주어 정확하게 목표 지점으로 기동하고, 원활하게 전투를 수행할 수 있도록 해준다.
둘째, 양자 레이다는 스텔스 기술(Stealth Technique)을 무력화할 수 있고, 양자 자력계는 수중의 잠수함과 기뢰, 양자 중력계는 지하의 미사일 기지, 벙커 등을 높은 정확도로 탐지할 수 있다. 이는 기존 레이다가 갖던 탐지 능력의 한계를 뛰어넘는 것으로써, 스텔스기와 잠수함, 핵·미사일 등에 의한 위협을 억제함과 동시에, 아군의 표적화 능력을 향상시켜 장거리 정밀 타격에 의한 효과를 극대화한다.
또한 인공위성에 양자 레이다를 장착하면 소형위성이나 우주 쓰레기 등과 같이 작은 물체를 탐지할 수 있는 월등한 관측·탐지 능력을 갖출 수 있기 때문에, 우주 영역에서 상대국과의 경쟁에서 우위를 확보하기 위해 중요한 수단으로 활용될 것이다.
셋째, 양자 네트워크는 양자 얽힘 현상을 통해 데이터 송·수신을 하기 때문에, 기존 전파통신과 달리 통신 거리의 제한이 없다. 따라서 아군은 전방과 후방, 지상과 우주 등 전 영역에서 원활한 지휘통제 및 의사소통이 가능해져 영역간 시너지 효과를 극대화할 것이다.


⑷ 자율무기체계의 능력과 활용성을 극대화하여 무인 무기체계에서의 우위 달성

미래 유무인 복합전은 생존성을 보장하면서 작전의 효율성을 높이기 위해 자율무기체계(AWS : Autonomous Weapon System)를 중심으로 한 무인 전투체계와 개인 전투원이 같이 싸우는 유·무인 복합전투체계가 나타날 것이다.
첫째, 양자 머신러닝을 통해 강화된 양자 인공지능은 무인 전투체계의 표적 인식·식별 능력과 상황판단 능력을 획기적으로 향상시킨다. 양자 인공지능을 갖춘 무인 전투체계들이 Q-AOODA와 결합하면, 인간 전투원의 개입 없이도 자율적으로 전장 상황을 판단하고 임무를 수행하는 전투 양상이 보편화될 것이다.
둘째, 무선 양자암호통신은 지상기지-무인체계, 무인체계-무인체계 사이에 안전한 데이터 송·수신을 보장해준다. 이는 적의 전자전 공격이나 사이버 공격에도 유·무인 복합 전투체계 사이에 원활한 제어와 통제, 전투 수행을 가능하게 해준다.
셋째, 무인 전투 로봇을 운용할 때에 양자 컴퓨터는 최적화된 이동 경로와 방식을 계산하여 연료를 절약하고 효율적으로 기동할 수 있게 해준다. 또한 무인 로봇에 장착된 양자 센서는 화생방 물질들이나 누출된 가스 등을 정밀하게 탐지할 수 있기 때문에, 이를 사전에 전파하여 유인 전투원이 입을 수 있는 피해를 방지할 수 있다.


양자기술 적용의 주요 쟁점

방위사업청에서 발간한 『’22-’36 국방기술기획서 일반본』에 따르면 군사적 요구 능력과 국가과학기술의 국방 분야 중점과학기술을 기초로 국방전략기술 8대 분야 및 140개 국방전략기술을 제시하고 있다. 여기서 선정된 국방전략기술들은 모두 국방을 위해 중요한 기술들이다. 하지만 현재의 기술 성숙도(TRL)와 경쟁자가 존재하는 상황에서 가용한 시간, 제한된 예산 등을 고려했을 때, 양자기술의 적용을 추진하는 과정에서 예상되는 주요 쟁점은 다음과 같다.
첫째, 위협 인식의 문제이다. 양자기술의 우위를 점하는 국가는 사회 전 분야에 걸쳐서 상당한 전략적 우위를 갖게 될 것이고, 이는 우리에게 심각한 위협이 될 것이다. 양자 암호통신 하드웨어의 특허건수는 일본 기업인 도시바가 104건으로 세계 1위 수준이고, 양자 암호통신 소프트웨어 부문에서는 1위에서 5위까지 중국 기업이 차지하고 있다.
따라서 미래에 예상되는 주변국의 위협에 대응하기 위해서는 양자기술에 대한 더 많은 투자와 관심이 필요하지만, 아직 우리나라는 그 위협과 심각성을 제대로 인식하지 못하고 있다.
둘째, 기술 개발의 우선순위 문제이다. 전 세계 국가들의 개발 경쟁이 심화되는 상황에서 위협에 효과적으로 대응하기 위해서는 현재 기술 성숙도와 시간, 군사적 효용성 등을 고려하여 기술 개발의 우선순위를 정해야 한다.
『’22-’36 국방기술기획서 일반본』에서는 ‘양자 탐지 추적 기술 기반 스텔스 감지 기술’과 ‘고신뢰성 양자 위성통신 기술’을 핵심 국방전략기술로 선정하여 이 2가지 기술에 개발의 우선순위를 두고 있다. 하지만 미래에도 가장 큰 위협이 될 것으로 예상되는 북한의 낮은 기술 수준을 고려했을 때, 스텔스기를 탐지하기 위한 양자 레이다 기술이 우선적으로 개발되어야 하는지에 대해서는 다시 한 번 고려해 보아야 한다.
셋째, 양자기술을 어느 수준까지 적용할 것인가에 대한 문제이다. 모든 무기체계에 양자기술을 적용하기에는 많은 예산과 노력이 필요하기 때문에, 양자기술을 어느 수준까지 적용하는 것이 가장 효율적인지를 판단하여 예산과 노력의 낭비를 방지해야 한다. 양자 관성항법장치를 개발할 때 잠수함과 같은 전략 자산에서 활용하기 위한 목적으로 개발하는 것은 타당하지만, 개인 전투원이 사용할 수 있도록 양자 관성항법장치의 소형화를 무리하게 추구하는 것은 적절하지 않다고 할 수 있다.


국방혁신4.0에 대한 제언

첫째, 각각의 양자기술이 갖는 군사전략적 가치를 분석하고, 어떤 기술을 우선적으로 개발할지 판단해야 한다. 이를 위해 군사전략의 3가지 구비조건을 활용하여 각각의 양자 기술이 갖는 전략적 활용 가능성을 제시한다.



[표 1] 양자기술별 군사전략 구비요건에 따른 분석 결과


양자통신 분야에서는 양자 위성암호통신, 양자센서 분야에서는 양자 관성항법장치, 양자컴퓨터 분야에서는 암호 해독 능력과 최적화 계산을 우선적으로 개발해야 한다. 이를 위해 위 기술들을 내년 국방과학기술기획서에 핵심기술로 반영하고, 관련 과제를 선정하여 예산을 편성해야 한다.
둘째, 양자기술의 효율적인 연구개발을 위해 국방부가 주도하여 산·학·연의 긴밀한 협력을 기반으로 하는 양자기술 연구개발 공동체를 형성해야 한다. 이를 위해 군이 필요로 하는 능력을 민간 기업이나 연구 기관에 요구할 수 있는 군 전문가와 민간 전문가가 같이 포함되어 있는 협의체를 만들어야 한다. 또한 군 자체개발을 고집하지 않고 군사적 효율성을 최우선으로 하여 국방부의 예산을 민간 기관에 대하여 융통성 있게 활용하고, 이러한 과정에서 기술이 유출되지 않도록 기술 보안 유지를 위한 제도 구축과 인력 배치가 필요하다.
셋째, 국방부와 합참의 감독 하에 각 군은 양자기술 로드맵을 작성해야 한다. 호주 육군은 2021년에 작성한 양자기술 로드맵에서 육군이 판단하는 주요 양자기술과 그 기술을 구현하기 위해 어떻게 연구개발을 추진해야 하는지, 그리고 정부나 기업, 양자기술 커뮤니티와 어떻게 협력해 나갈지를 구체적으로 제시하고 있다. 따라서 우리 군도 호주 육군의 로드맵을 벤치마킹하여 양자기술이 제공하는 기회를 활용하면서 군사적 이점을 최대한 확보할 수 있는 로드맵을 작성해야 한다.

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