KR102260714B1 - Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code - Google Patents

Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code Download PDF

Info

Publication number
KR102260714B1
KR102260714B1 KR1020190009866A KR20190009866A KR102260714B1 KR 102260714 B1 KR102260714 B1 KR 102260714B1 KR 1020190009866 A KR1020190009866 A KR 1020190009866A KR 20190009866 A KR20190009866 A KR 20190009866A KR 102260714 B1 KR102260714 B1 KR 102260714B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
quantum
qubit
states
state
quantum state
Prior art date
Application number
KR1020190009866A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102260714B9 (en
KR20200092674A (en
Inventor
이준구
임경천
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190009866A priority Critical patent/KR102260714B1/en
Publication of KR20200092674A publication Critical patent/KR20200092674A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102260714B1 publication Critical patent/KR102260714B1/en
Publication of KR102260714B9 publication Critical patent/KR102260714B9/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852Quantum cryptography
    • H04L9/0858Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70Photonic quantum communication
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0819Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본발명의 멀티 큐빗의 송수신에서의 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법은, 수신기(Bob)에서 수신 양자 상태로부터 비트정보를 검출해 양자 암호 키를 산출하고 공유하는 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 있어서, 수신기(Bob) 측의 복잡성을 줄이고 암호 키 생성율(Secure key rate)을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것으로서, 다수의 인코더들에 의한 독립적인 다수 인코딩으로 생성될 수 있는 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합(subspace)(예를 들어, 비트 스트링 중 0만 반복 혹은 1만 반복 되는 비트 스트링만 송수신)을 암호 키 정보로 활용 가능하게 한다. The present invention relates to a code-based quantum cryptography key distribution method and apparatus, wherein the code-based quantum cryptography key distribution method in multi-qubit transmission and reception of the present invention detects bit information from a received quantum state in a receiver (Bob) to perform quantum cryptography In a discrete-variable quantum encryption key distribution protocol for calculating and sharing a key, in order to reduce the complexity of the receiver (Bob) side and improve the encryption key generation rate (Secure key rate), independent by a plurality of encoders It makes it possible to utilize a partial subspace of a multi-qubit bit string that can be generated by multiple encoding (for example, transmission/reception of a bit string with only 0 repetitions or 10,000 repetitions among bit strings) as encryption key information.

Figure R1020190009866
Figure R1020190009866

Description

코드 기반 양자 암호 키 분배 방법 및 장치{Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code} Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code}

본 발명은 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에서 다중 상태를 갖는 멀티-큐빗의 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a quantum cryptography key distribution method and apparatus, and more particularly, to a multi-qubit code-based quantum cryptography key distribution method and apparatus having multiple states in a discrete variable quantum cryptography key distribution protocol.

일반적으로 양자 암호 키 분배 프로토콜(QKD, Quantum key distribution)에서, 예를 들어, 송신기(Alice)가 코드화된 키 정보에 대하여 생성한 양자상태(Quantum State)를 양자채널을 통해 송신하고, 수신기(Bob)에서 양자상태 검출에 적용한 기준 정보를 송신기(Alice)에 통보하며, 송신기(Alice)가 수신기(Bob)로부터의 기준 정보에 따라 송신한 양자상태를 검출하고, 검출 데이터를 기초로 에러 정정(error correction) 등 후처리를 적용하여 양자 암호 키를 산출하게 된다. In general, in a quantum cryptography key distribution protocol (QKD, Quantum key distribution), for example, a transmitter (Alice) transmits a quantum state generated for coded key information through a quantum channel, and a receiver (Bob) ) informs the transmitter (Alice) of the reference information applied to the quantum state detection, the transmitter (Alice) detects the quantum state transmitted according to the reference information from the receiver (Bob), and error correction (error) based on the detected data correction) is applied to calculate a quantum encryption key.

한편, 이와 같은 양자상태의 송수신에서는 단일 큐빗 또는 멀티 큐빗을 송신에서의 인코딩 및 수신에서의 디코딩을 연속하여 수행하는 방식으로 이루어진다. 예를 들어, 양자 암호 BB84 프로토콜에서는 순차 단일 큐빗을 송신하기 위한 인코더와 순차 단일 큐빗을 수신하기 위한 디코더, 및 2가지 상태 검출을 위한 2개의 광검출기가 요구된다. 다만, 보안성을 강화하고 데이터 전송율을 확장하기 위한 양자 암호 Multi-qubit QKD 프로토콜에서는 순차 멀티 큐빗을 송신하기 위한 다수의 인코더와 순차 멀티 큐빗을 수신하기 위한 다수의 디코더, 및 멀티 큐빗의 조합 가지수 만큼의 상태 검출을 위한 다수의 광디텍터가 요구된다.On the other hand, in such a quantum state transmission/reception, encoding in transmission and decoding in reception of a single qubit or multi-qubit are successively performed. For example, the quantum cryptography BB84 protocol requires an encoder to transmit sequential single qubits, a decoder to receive sequential single qubits, and two photodetectors for two-state detection. However, in the quantum cryptography Multi-qubit QKD protocol to enhance security and extend data transmission rate, the number of combinations of multiple encoders for transmitting sequential multi-qubits, multiple decoders for receiving sequential multi-qubits, and multi-qubits A number of photodetectors are required to detect as many states.

따라서, 멀티 큐빗의 송수신 방식의 종류를 다양화하여 수신기(Bob) 측의 복잡성을 줄이고 암호 키 생성율(Secure key rate)을 향상시킬 수 있는 멀티-큐빗의 코드 기반 양자 암호 키 분배 방식을 제안하고자 한다. Therefore, we propose a multi-qubit code-based quantum cryptographic key distribution method that can reduce the complexity of the receiver (Bob) side and improve the secure key rate by diversifying the types of multi-qubit transmission/reception methods. .

양자 암호 키 분배 관련한 종래 기술의 문헌으로서, Wang, Jin-Dong, et al. "Efficient quantum key distribution via single-photon two-qubit states." Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43.9 (2010) 등이 참조될 수 있다. As a prior art document related to quantum cryptography key distribution, Wang, Jin-Dong, et al. "Efficient quantum key distribution via single-photon two-qubit states." Reference may be made to Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43.9 (2010) and the like.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 수신기(Bob)에서 수신 양자 상태로부터 비트정보를 검출해 양자 암호 키를 산출하고 공유하는 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 있어서, 수신기(Bob) 측의 복잡성을 줄이고 암호 키 생성율(Secure key rate)을 향상시킬 수 있도록 하기 위한, 멀티 큐빗의 송수신에서의 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법 및 장치를 제공하는 데 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to detect bit information from the received quantum state in the receiver (Bob) to calculate a quantum cryptography key and distribute the distributed variable quantum cryptography key In the protocol, to reduce the complexity of the receiver (Bob) side and to improve the encryption key generation rate (Secure key rate), to provide a code-based quantum encryption key distribution method and apparatus in the transmission and reception of multi-qubit.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 양자 암호 키 분배 방법은, 송신기에서 암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나를 선택하고, N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합이 되도록 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하는 방식으로 수행되는, 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태의 송신 단계; 및 수신기에서 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하되, N-1번째 디코더로부터 수신하는 N번째의 디코더를 N개 이용하여 생성한 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하는 단계를 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, the quantum cryptography key distribution method according to an aspect of the present invention for achieving the above object is sequentially coded using N encoders (N is a natural number of 2 or more) for the encryption key in the transmitter The multi-qubit quantum state is transmitted through the quantum channel, but each encoder selects one of M selectable (M is a natural number greater than or equal to 1) mutually unbiased basis, and selects a selectable number from all N encoders (2). MN) one small 2 K than (K is performed in such a manner that each of the encoder selects one of the two states in the selected basis such that the combination of the two conditions of small natural number more MN at 1), wherein the encoded multi- transmitting a qubit quantum state; and a receiver sequentially decodes the coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel using a plurality of decoders to generate a single qubit, using N N-th decoders received from the N-1 th decoder. It generates the generated two-qubit quantum states, with a single-photon detector 2 K corresponding to a combination of the two states from the two-qubit quantum states comprises the step of performing each of the condition is detected.

상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 N개의 디코더에서의 베이시스 선택 정보 및 2K개 중 하나인 상기 상태 검출된 값에 대한 정보를 수신한 상기 송신기에서, 해당 베이시스와 상태 검출된 값이 매칭된, 해당 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 암호키로 사용하기 위한 것을 특징으로 한다.By the transmitter receiving the information on the basis selection information and the 2 K, one of the state of the detected value of one of the one of the N decoders received over the public channel from the receiver, a corresponding basis of the state of the detected value matches , characterized in that the coded multi-qubit quantum state is used as an encryption key.

상기 송신기의 각각의 인코더는, 양자 상태의 편광 또는 위상을 포함하는 양자 상태의 특성에 대한 인코딩을 수행하는 것을 특징으로 한다.Each encoder of the transmitter is characterized in that it performs encoding on the characteristics of the quantum state, including the polarization or phase of the quantum state.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기는, 광자 광원; 및 상기 광자 광원에서 나오는 양자 상태로부터 암호 키에 대하여 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 생성하는 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 포함하고, 상기 N개의 인코더 각각이 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나를 선택하고, N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합이 되도록 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하는 방식으로, 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 송신하기 위한 것으로서, 수신기에서 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하되, N-1번째 디코더로부터 수신하는 N번째의 디코더를 N개 이용하여 생성한 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, a transmitter for distributing a quantum cryptography key according to another aspect of the present invention includes a photon light source; and N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for generating sequentially coded multi-qubit quantum states with respect to a cryptographic key from the quantum state emitted from the photon light source, wherein each of the N encoders includes M selectable (M is 1 selects one of at least a natural number) mutually unbiased basis, and such that the combination of the two states of less than the N number of encoders selected number possible for the entire (2 MN) 2 K pieces (K is a small natural number more MN from 1) For transmitting the coded multi-qubit quantum state in a manner that each encoder selects any one quantum state in the selected basis, the coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel in the receiver A single qubit is generated by sequential decoding using a plurality of decoders, and a 2-qubit quantum state generated using N N-th decoders received from an N-1 th decoder is generated, and from the 2-qubit quantum state, the using the 2 K single-photon detector corresponding to the combination of the two states is characterized in that for performing the respective detection state.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 양자 암호 키를 분배하기 위한 수신기는, 양자채널을 통해 송신기로부터 수신한 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하기 위한, 순차 연결된 복수의 디코더; 및 상기 복수의 디코더 중 N-1번째 디코더로부터 수신하는 N번째의 디코더 N개가 각각 생성한 2-큐빗 양자 상태로부터 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 각각의 상태 검출을 수행하는 2K개의 단일광자검출기를 포함하고, 송신기에서 암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나를 선택하고, N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 상기 양자 상태의 조합이 되도록 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하는 방식으로 생성하여 송신된, 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 수신하기 위한 것을 특징으로 하는 한다.In addition, a receiver for distributing a quantum cryptography key according to another aspect of the present invention sequentially decodes a coded multi-qubit quantum state received from a transmitter through a quantum channel to generate a single qubit, a plurality of sequentially connected decoder; And 2 K single performing the 2 K of each of the states corresponding to a detected combination of the two states from the N-th two-qubit quantum states generated by the decoder N dogs each received from the N-1 second decoder of the plurality of decoder It includes a photon detector, and transmits sequentially coded multi-qubit quantum states through a quantum channel using N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for the encryption key in the transmitter, but each encoder selects M number of selectable (M is 1 selects one of at least a natural number) mutually unbiased basis, and the combination of the two states of less than the N number of encoders selected number possible for the entire (2 MN) 2 K pieces (K is a small natural number more MN from 1) It is characterized in that for receiving the coded multi-qubit quantum state, which is generated and transmitted in such a way that each of the encoders selects any one quantum state on a selected basis.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 양자 암호 키를 분배하기 위한 양자 암호 키 분배 장치는, 암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나를 선택하고, N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합이 되도록 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하는 방식으로 생성한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 송신하는 송신기; 및 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하되, N-1번째 디코더로부터 수신하는 N번째의 디코더를 N개 이용하여 생성한 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하는 수신기를 포함한다.And, the quantum cryptography key distribution device for distributing the quantum cryptography key according to another aspect of the present invention is a quantum channel using N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for the cipher key to sequentially coded multi-qubit quantum states. , where each encoder selects one of M selectable (M is a natural number greater than or equal to 1) mutually unbiased basis, and selects 2 K (2 MN ) smaller than the selectable number (2 MN ) in all N encoders. a transmitter for transmitting the coded multi-qubit quantum state generated by selecting any one quantum state on a basis selected by each encoder so that K is a combination of quantum states from 1 to a natural number smaller than MN; and sequentially decoding the coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel using a plurality of decoders to generate a single qubit, and using N N-th decoders received from the N-1 th decoder. generating a 2-qubit quantum states, with a single-photon detector 2 K corresponding to a combination of the two states from the two-qubit quantum state a receiver that performs each of the condition is detected.

본 발명에 따른 멀티 큐빗의 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 따르면, 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 있어서, 수신기(Bob)에서 수신 양자상태로부터 비트정보를 검출하고 에러 정정(error correction), 비밀성 증폭(privacy amplification) 등의 후처리를 통해 양자 암호 키를 산출하고 공유하기 위해, 수신기(Bob) 측의 광검출기의 복잡성을 줄이고 암호 키 생성율(Secure key rate)을 향상시킬 수 있다.According to the multi-qubit code-based quantum cryptography key distribution method and apparatus according to the present invention, in the discrete variable quantum cryptography key distribution protocol, the receiver Bob detects bit information from the received quantum state and performs error correction, In order to calculate and share a quantum encryption key through post-processing such as privacy amplification, it is possible to reduce the complexity of the photodetector on the receiver (Bob) side and improve the encryption key generation rate (Secure key rate).

따라서, 다수의 인코더들에 의한 독립적인 다수 인코딩으로 생성될 수 있는 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합(subspace)(예를 들어, 비트 스트링 중 0만 반복 혹은 1만 반복 되는 비트 스트링만 송수신)을 암호 키 정보로 활용 가능하게 한다. Therefore, some combination (subspace) of bit strings of multi-qubits that can be generated by independent multi-encoding by a plurality of encoders (for example, transmission and reception of bit strings with only 0 repetitions or 10 repetitions among bit strings) Make it available as encryption key information.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 도 1에서 K=1에 대한 양자 암호 키 분배 장치의 구현 예이다.
도 3은 도 1에서 K=1이고 N=2인 2-큐빗에 대한 양자 암호 키 분배 장치의 구현 예이다.
도 4는 도 3의 구조에서 M=2인 경우에서 하나의 고정된 베이시스에 대한 예로써, 2-큐빗에 대한 인코딩과 디코딩 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치의 암호 키 생성율 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
1 is a block diagram of a quantum cryptography key distribution device according to a discrete variable quantum cryptography key distribution protocol according to an embodiment of the present invention.
2 is an implementation example of a quantum encryption key distribution device for K = 1 in FIG.
3 is an implementation example of a quantum cryptography key distribution device for 2-qubits with K = 1 and N = 2 in FIG. 1 .
FIG. 4 is an example of one fixed basis in the case of M=2 in the structure of FIG. 3, and is a diagram for explaining encoding and decoding processes for 2-qubits.
5 is a graph for explaining the cryptographic key generation rate performance of the quantum cryptographic key distribution device according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this case, the same components in each drawing are denoted by the same reference numerals whenever possible. In addition, detailed descriptions of already known functions and/or configurations will be omitted. The content disclosed below will focus on parts necessary for understanding operations according to various embodiments, and descriptions of elements that may obscure the gist of the description will be omitted. Also, some components in the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not fully reflect the actual size, so the contents described herein are not limited by the relative size or spacing of the components drawn in each drawing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)에 대한 블록도이다.1 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution apparatus 100 according to a discrete variable quantum cryptographic key distribution protocol according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)는, 광통신망에서 광섬유를 이용하는 양자채널을 통해 데이터 송수신을 위한 광신호를 주고받는 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a quantum cryptography key distribution apparatus 100 according to a discrete variable quantum cryptography key distribution protocol according to an embodiment of the present invention transmits an optical signal for data transmission and reception through a quantum channel using an optical fiber in an optical communication network. It includes a transmitter (Alice) and a receiver (Bob) that send and receive.

송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 네트워크, 즉, 유무선 인터넷, 이동통신망 등 퍼블릭(public) 채널을 제공하는 네트워크 상의 다양한 광통신 장비에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이더넷 장비, L2/L3 장비, 네트워크 상의 서버 등은 광통신을 통해 서로 필요한 데이터를 송수신하기 위하여, 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키를 제공하거나 제공받기 위한 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 구비할 수 있다. The transmitter (Alice) and the receiver (Bob) may be included in various optical communication equipment on a network, that is, a network that provides a public channel, such as a wired/wireless Internet and a mobile communication network. For example, Ethernet equipment, L2/L3 equipment, and a server on a network provide or receive a quantum encryption key according to a discrete-variable quantum encryption key distribution protocol in order to transmit and receive data necessary for each other through optical communication (Alice) and a receiver Bob.

먼저, 송신기(Alice)와 수신기(Bob)의 동작에 대하여 간략히 설명한다. First, the operation of the transmitter (Alice) and the receiver (Bob) will be briefly described.

본 발명에서, 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기(Alice)와 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기(Bob)는, 후처리 방식을 사용하여 암호 키를 분배하고 공유할 수 있다. 본 발명의 이산 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에서는 정방향이든 역방향이든 성능이 동일하다.In the present invention, the transmitter (Alice) for distributing the quantum cryptography key and the receiver (Bob) for receiving the quantum cipher key can distribute and share the cipher key using a post-processing method. In the discrete variable quantum cryptography key distribution protocol of the present invention, the performance is the same whether in the forward or reverse direction.

이를 위하여, 송신기(Alice)는 광자 광원(Photon Source)(111) 및 광자 광원에서 나오는 양자 상태로부터 전송대상 암호 키에 대하여 비트수를 N개까지 증가시키면서 순차 코드화된 멀티 큐빗(N-큐빗) 양자 상태를 생성하는 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)(112)를 포함하고, N개의 인코더(112) 각각은 소정의 암호화 알고리즘 또는 인코딩 알고리즘에 따라 난수발생기(RNG, Random Number Generator)(113)를 이용하여 멀티 큐빗(N-큐빗) 양자 상태를 인코딩할 수 있다.To this end, the transmitter (Alice) sequentially coded multi-qubit (N-qubit) quantum while increasing the number of bits for the encryption key to be transmitted from the photon source 111 and the quantum state emitted from the photon light source to N. N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) 112 for generating a state, and each of the N encoders 112 is a random number generator (RNG, Random Number Generator) 113 according to a predetermined encryption algorithm or encoding algorithm. can be used to encode a multi-qubit (N-qubit) quantum state.

예를 들어, 광자 광원(111)은 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)를 발생시킬 수 있다. N개의 인코더(112) 각각은 양자 상태의 편광, 위상 등의 양자 상태의 특성에 대한 인코딩을 수행할 수 있다.For example, the photon light source 111 may generate an entangled-state quantum with respect to a predetermined coded encryption key corresponding to the encryption key to be transmitted. Each of the N encoders 112 may perform encoding on characteristics of a quantum state, such as polarization and phase of the quantum state.

여기서, N개의 인코더(112) 각각은 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나를 선택하고, N개의 인코더(112) 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합이 되도록 각각의 인코더(112)가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하는 방식으로, 상기 코드화된 멀티 큐빗(N-큐빗)양자 상태를 생성하여 송신할 수 있다. 예를 들어, 스핀상태나 에너지상태 등 얽힌 양자 상태의 특성에 따라 생성되는, 비편향(unbiased) 베이시스들은

Figure 112019009217856-pat00001
,
Figure 112019009217856-pat00002
로 이루어지는 제1베이시스,
Figure 112019009217856-pat00003
,
Figure 112019009217856-pat00004
로 이루어지는 제2베이시스 등 다수의 베이시스들 중 하나의 베이시스가 사용될 수도 있고, 2이상의 베이시스가 사용될 수도 있으며, 각 인코더(112)는 베이시스의 선택 및 베이시스 요소 중 어느 하나의 선택을 통하여, N번째 인코더는 선택 가능한 수(2MN)를 갖는다.Here, each of the N encoders 112 selects one of the M selectable (M is a natural number greater than or equal to 1) mutually unbiased basis, and is smaller than the selectable number (2 MN ) in the entire N encoders 112 . The coded multi-qubit (N-) in a manner that selects any one quantum state in the basis selected by each encoder 112 so as to be a combination of 2 K quantum states (K is a natural number smaller than 1 to MN). qubit) can generate and transmit a quantum state. For example, unbiased basis, generated according to the properties of entangled quantum states, such as spin states or energy states, are
Figure 112019009217856-pat00001
,
Figure 112019009217856-pat00002
A first basis consisting of
Figure 112019009217856-pat00003
,
Figure 112019009217856-pat00004
One basis among a plurality of basis, such as a second basis consisting of , may be used, or two or more basis may be used, and each encoder 112 performs the selection of the basis and the selection of any one of the basis elements through the Nth encoder. has a selectable number (2 MN ).

본 발명에서는, N개의 인코더(112) 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합이 되도록, 각각의 인코더(112)가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택할 수 있다. 예를 들어, K=1이라면 N개의 인코더(112)은 2개의 N-큐빗 양자 상태(제1베이시스에서만 선택한 경우), 예를 들어, |00...0>과 |11...1> 와 같이, N개의 베이시스 요소로 이루어진 코드화된 멀티 큐빗(N-큐빗)양자 상태를 생성한다. 이와 같은 K값은 미리 결정되고, 생성 가능한 수(2MN) 중 해당 2K개의 N-큐빗 양자 상태가 생성되도록 미리 해당 규칙이 설정될 수 있다. In the present invention, so that the combination of the two states of the N encoders 112, one small 2 K than the selection of the overall number of available (2 MN) (K is a small natural number more MN from 1), each encoder 112 is Any one quantum state in the selected basis can be selected. For example, if K=1, the N encoders 112 have two N-qubit quantum states (selected only on the first basis), eg |00...0> and |11...1> As such, a coded multi-qubit (N-qubit) quantum state consisting of N basis elements is generated. Such a K value is predetermined, and a corresponding rule may be set in advance so that the corresponding 2 K N-qubit quantum states are generated from among the number (2 MN) that can be generated.

수신기(Bob)는, 양자채널을 통해 송신기(Alice)로부터 수신한 코드화된 멀티 큐빗(N-큐빗) 양자 상태에 대하여 비트수를 하나씩 줄여가면서 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하기 위한, 순차 연결된 디코더들(121, 125)을 포함하되, N-1번째 디코더로부터 수신하는 N번째의 디코더(125)는 N개로 이루어진다. 수신기(Bob)는, N번째의 디코더(125) N개가 각각 생성한 2-큐빗 양자 상태로부터 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 각각의 상태 검출을 수행하는 2K개의 단일광자검출기(SPD, Single Photon Detector)(129)를 포함한다. 디코더들(121, 125) 각각은 소정의 암호화 알고리즘 또는 인코딩 알고리즘에 따라 난수발생기(RNG)(122, 126)를 이용하여 멀티 큐빗(N-큐빗) 양자 상태를 디코딩할 수 있다. The receiver (Bob) sequentially decodes the coded multi-qubit (N-qubit) quantum state received from the transmitter (Alice) through the quantum channel while decreasing the number of bits by one to generate a single qubit, sequentially connected decoders Including (121, 125), the number of N-th decoders 125 received from the N-1 th decoder is N. A receiver (Bob) is, N of the second decoder (125) N 2 K dog of the single photon detector for performing the 2 K of each of the states corresponding to a detected combination of the two states from the two-qubit quantum states generated respectively (SPD, Single Photon Detector) (129). Each of the decoders 121 and 125 may decode a multi-qubit (N-qubit) quantum state using a random number generator (RNG) 122 and 126 according to a predetermined encryption algorithm or encoding algorithm.

단일광자검출기(129)가 N번째의 디코더(125) N개로부터의 출력에 대하여 상태 검출을 수행하면, 수신기(Bob)의 소정의 처리부는 해당 검출된 상태에 대한 처리를 수행하여 2K개 중 하나인 해당 상태 검출된 값에 대응된 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성한다.If the single-photon detector (129) performs the state detection on the output from the N decoders 125 of the second N, a predetermined processing unit in the receiver (Bob) it is to perform processing for the corresponding detection state 2 of the K An electrical signal corresponding to one corresponding state detected value, that is, bit information (digital code) is generated.

이후 수신기(Bob)는 퍼블릭 채널을 통해 N개의 디코더(125)에서의 베이시스 선택 정보 및 2K개 중 하나인 상기 상태 검출된 값에 대한 정보(비트정보)를 송신기(Alice)로 송신한다. Since the receiver (Bob) transmits the information (bit information) for the basis selection information and the 2 K pieces of the state of the detected value from one of N decoders 125 through a public channel to the sender (Alice).

송신기(Alice)는 수신기(Bob)로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 N개의 디코더(125)에서의 베이시스 선택 정보 및 2K개 중 하나인 상기 상태 검출된 값에 대한 정보와 매칭된, 해당 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 암호키로 공유하여 사용할 수 있게 된다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 수신기(Bob)로 전송했던 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자 메모리 등에 유지할 수 있으며 이에 대해, 자체적으로 수신기(Bob)로부터의 베이시스 선택 정보를 이용해 디코딩하고 광검출을 통한 양자 상태를 추출해 해당 비트 정보를 생성하여 수신기(Bob)로부터의 상태 검출된 값에 대한 정보와 매칭 여부를 판단할 수 있다. Transmitter (Alice) is a, the coded multi-match the information on the basis selection information and the 2 K, one of the state of the detected value of one of the N number of decoder 125 received through the public channel from a receiver (Bob) The qubit quantum state can be shared and used as an encryption key. For example, the transmitter (Alice) can maintain the coded multi-qubit quantum state transmitted to the receiver (Bob) in a quantum memory, etc. For this, it decodes itself using basis selection information from the receiver (Bob) and performs photodetection. By extracting the quantum state through the generated bit information, it is possible to determine whether the information matches the state detected value from the receiver Bob.

송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 위와 같이 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 위와 같이 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 퍼블릭 채널 등을 통하여 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 수신기(Bob)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수 있다. 반대로, 수신기(Bob) 측에서 송신기(Alice)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 송신기(Alice)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수도 있다.The transmitter (Alice) and the receiver (Bob) post-process the corresponding bit information generated by performing the state detection as described above in order to match the detected bit information as described above, that is, an error correction technique and confidentiality amplification. (privacy amplification) technique, etc. is applied to calculate and share a corrected quantum cryptography key. For example, the transmitter Alice receives the bit information detected by the receiver Bob through a public channel, etc., and performs error correction based on it, so that the bit information of the receiver Bob and its own bit information can be matched. have. Conversely, by receiving the bit information detected by the transmitter Alice from the receiver Bob and performing error correction based on the received bit information, the bit information of the transmitter Alice and its own bit information may be matched.

도 2는 도 1에서 K=1에 대한 양자 암호 키 분배 장치(100)의 구현 예이다.Figure 2 is an implementation example of the quantum encryption key distribution device 100 for K = 1 in Figure 1.

도 2를 참조하면, 도 1에서 K=1인 경우, 각각의 인코더(112)가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하되, 이때 제1베이시스에서만 선택한 경우라면, N개의 인코더(112) 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)에서 양자 상태의 조합이 2개만(예, |00...0>, |11...1>) 선택되어, 2개의 코드화된 멀티 큐빗(N-큐빗)양자 상태(예, |00...0>, |11...1>)를 생성한다. Referring to FIG. 2, when K = 1 in FIG. 1, each encoder 112 selects any one quantum state on the selected basis, but in this case, if it is selected only on the first basis, N encoders 112 Only two combinations of quantum states (e.g., |00...0>, |11...1>) are selected from the selectable number (2 MN) in the whole, resulting in two coded multi-qubits (N-qubits). ) to create a quantum state (eg, |00...0>, |11...1>).

도 3은 도 1에서 K=1이고 N=2인 2-큐빗에 대한 양자 암호 키 분배 장치의 구현 예이다.3 is an implementation example of a quantum cryptography key distribution device for 2-qubits with K = 1 and N = 2 in FIG. 1 .

도 3을 참조하면, 도 1에서 K=1, N=2인 경우, 각각의 인코더(112)가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하되, 2개의 인코더(112) 전체에서의 선택 가능한 수(22M)에서 양자 상태의 조합이 2개만 선택되어, 2개의 코드화된 멀티 큐빗(2-큐빗)양자 상태를 생성한다. Referring to FIG. 3 , when K = 1 and N = 2 in FIG. 1 , each encoder 112 selects any one quantum state in the selected basis, but selectable from all of the two encoders 112 . In the number (2 2M ), only two combinations of quantum states are selected, producing two coded multi-qubit (2-qubit) quantum states.

도 4는 도 3의 구조에서 M=1인 2-큐빗에 대한 인코딩과 디코딩 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a diagram for explaining encoding and decoding processes for 2-qubits in which M=1 in the structure of FIG. 3 .

도 4와 같이, 도 3의 구조에서 M=1이라면 하나의 베이시스에서 각각의 인코더(112)가 어느 하나의 양자 상태를 선택하고, 2개의 인코더(112) 전체에서의 선택 가능한 수(22)에서 양자 상태의 조합이 2개만(예, |00>, |11>) 선택되어, 2개의 코드화된 멀티 큐빗(2-큐빗)양자 상태(예, |00>, |11>)를 생성한다. As shown in FIG. 4 , if M = 1 in the structure of FIG. 3 , each encoder 112 selects any one quantum state on one basis, and the selectable number of all two encoders 112 ( 2 2 ) In , only two combinations of quantum states (eg, |00>, |11>) are selected to generate two coded multi-qubit (2-qubit) quantum states (eg, |00>, |11>).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)의 암호 키 생성율 성능을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5는 아래표와 같은 평균 광자수들의 조건에서 실험한 결과이다.5 is a graph for explaining the cryptographic key generation rate performance of the quantum cryptographic key distribution apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. 5 is a result of an experiment under the conditions of the average number of photons as shown in the table below.

Figure 112019009217856-pat00005
Figure 112019009217856-pat00005

도 5와 같이, 이산변수 양자 암호 키 분배 프로토콜(QKD)에서, 도 1과 같은 본 제안된 발명의 N=2인 경우와 BB84 프로토콜의 경우에 대한 암호 키 생성율(Secure key rate)의 실험 결과를 비교하여 나타내었다. 도 5와 같이, 본 발명의 경우가, BB84 프로토콜의 경우 보다 거리에 의한 노이즈가 커져도 암호 키 생성율(Secure key rate)이 우수하게 나타남을 확인하였다. As shown in Figure 5, in the discrete variable quantum cryptographic key distribution protocol (QKD), the experimental results of the encryption key generation rate (Secure key rate) for the case of N = 2 and the BB84 protocol of the present invention as shown in Figure 1 It is shown by comparison. As shown in FIG. 5 , it was confirmed that the secure key rate was excellent in the case of the present invention, even if the noise due to the distance was greater than in the case of the BB84 protocol.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티 큐빗의 코드 기반 양자 암호 키 분배 장치(100)에 따르면, 양자 암호 키 분배 프로토콜에 있어서, 수신기(Bob)에서 수신 양자상태로부터 비트정보를 검출하고 에러 정정(error correction), 비밀성 증폭(privacy amplification) 등의 후처리를 통해 양자 암호 키를 산출하고 공유하기 위해, 수신기(Bob) 측의 광검출기의 복잡성을 줄이고 암호 키 생성율(Secure key rate)을 향상시킬 수 있다. 따라서, 다수의 인코더들에 의한 독립적인 다수 인코딩으로 생성될 수 있는 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합(subspace)(예를 들어, 비트 스트링 중 0만 반복 혹은 1만 반복 되는 비트 스트링만 송수신)을 암호 키 정보로 활용 가능하게 한다. As described above, according to the multi-qubit code-based quantum encryption key distribution apparatus 100 according to the present invention, in the quantum encryption key distribution protocol, the receiver Bob detects bit information from the received quantum state and corrects the error ( To calculate and share a quantum encryption key through post-processing such as error correction and privacy amplification, it is possible to reduce the complexity of the photodetector on the receiver (Bob) side and improve the secure key rate. can Therefore, some combination (subspace) of bit strings of multi-qubits that can be generated by independent multi-encoding by a plurality of encoders (for example, transmission and reception of bit strings with only 0 repetitions or 10 repetitions among bit strings) Make it available as encryption key information.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but these are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all technical ideas with equivalent or equivalent modifications to the claims as well as the claims to be described later are included in the scope of the present invention. should be interpreted as

송신기(Alice)
수신기(Bob)
광자 광원(111)
N개의 인코더(112)
N개의 디코더(121)
N번째의 디코더(125)
단일광자검출기(129)
Transmitter (Alice)
Receiver (Bob)
Photon Light Source (111)
N encoders (112)
N decoders (121)
Nth decoder (125)
Single Photon Detector (129)

Claims (6)

송신기에서 암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나씩을 선택하고, 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하여, 상기 N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합을 포함하는 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태의 송신 단계; 및
수신기에서 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하되, N-1번째 디코더에 연결된 N번째의 디코더 N개를 이용하여 각각의 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 각각의 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하는 단계를 포함하고,
미리 설정된 규칙에 따라, 상기 N개의 인코더 전체에서의 상기 선택 가능한 수(2MN) 중 2K개의 상기 양자 상태의 조합에 해당하는 멀티 큐빗 양자 상태를 송신함으로써,
상기 미리 설정된 규칙에 따라, 상기 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합을 암호 키 정보로 사용하도록 구현된, 양자 암호 키 분배 방법.
The transmitter transmits sequentially coded multi-qubit quantum states using N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for the encryption key through the quantum channel, but each encoder selects M (M is a natural number greater than or equal to 1) mutual ratio select one of the deflection basis, and to have each of the encoder selects one of the two states of the selected basis, the N encoders small 2 K than the selection of the overall number of available (2 MN) one (K 1 Transmitting the coded multi-qubit quantum state including a combination of quantum states (a natural number smaller than MN); and
The receiver sequentially decodes the coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel using a plurality of decoders, and uses N N-th decoders connected to the N-1 th decoder to each 2-qubit quantum state. generate, and includes the step of performing each of the state detected from each of the 2-qubit quantum state with the 2 K single-photon detector corresponding to a combination of the two states,
According to a predetermined rule, by transmitting a multi-qubit quantum state corresponding to a combination of the N number of possible encoder the selection of the overall (2 MN) of 2 K of the quantum state,
A quantum encryption key distribution method implemented to use some combination of bit strings of the multi-qubit as encryption key information according to the preset rule.
제1항에 있어서,
상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 N개의 디코더에서의 베이시스 선택 정보 및 2K개 중 하나인 상기 상태 검출된 값에 대한 정보를 수신한 상기 송신기에서, 해당 베이시스와 상태 검출된 값이 매칭된, 해당 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 암호키로 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
According to claim 1,
By the transmitter receiving the information on the basis selection information and the 2 K, one of the state of the detected value of one of the one of the N decoders received over the public channel from the receiver, a corresponding basis of the state of the detected value matches , Quantum encryption key distribution method, characterized in that for using the coded multi-qubit quantum state as an encryption key.
제1항에 있어서,
상기 송신기의 각각의 인코더는, 양자 상태의 편광 또는 위상을 포함하는 양자 상태의 특성에 대한 인코딩을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
According to claim 1,
Each encoder of the transmitter, quantum cryptography key distribution method, characterized in that to perform encoding for the characteristics of the quantum state, including the polarization or phase of the quantum state.
광자 광원; 및 상기 광자 광원에서 나오는 양자 상태로부터 암호 키에 대하여 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 생성하는 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 포함하고,
상기 N개의 인코더 각각이 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나씩을 선택하고, 상기 N개의 인코더 각각이 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하여, 상기 N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합을 포함하는 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 송신하기 위한 것으로서,
수신기에서 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하되, N-1번째 디코더에 연결된 N번째의 디코더 N개를 이용하여 각각의 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 각각의 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하며,
미리 설정된 규칙에 따라, 상기 N개의 인코더 전체에서의 상기 선택 가능한 수(2MN) 중 2K개의 상기 양자 상태의 조합에 해당하는 멀티 큐빗 양자 상태를 송신함으로써,
상기 미리 설정된 규칙에 따라, 상기 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합을 암호 키 정보로 사용하도록 구현된, 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기.
photon light source; and N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for generating sequentially coded multi-qubit quantum states with respect to a cryptographic key from the quantum states emitted from the photon light source,
Each of the N encoders selects one of the selectable M mutually unbiased basis (M is a natural number greater than or equal to 1), and selects any one quantum state in the basis selected by each of the N encoders. It serves to transmit a selected one smaller than the number of available 2 K (2 MN) of the coding including a combination of the two conditions of (K is a natural number smaller than MN from 1) a multi-qubit quantum state of the overall encoder,
The receiver sequentially decodes the coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel using a plurality of decoders, and each 2-qubit quantum state is obtained using N N-th decoders connected to the N-1 th decoder. and performing the detection of each state from each of the 2-qubit quantum states using 2 K single photon detectors corresponding to the combination of the quantum states,
According to a predetermined rule, by transmitting a multi-qubit quantum state corresponding to a combination of the N number of possible encoder the selection of the overall (2 MN) of 2 K of the quantum state,
A transmitter for distributing a quantum cryptographic key, implemented to use some combination of the bit string of the multi-qubit as cryptographic key information according to the preset rule.
양자채널을 통해 송신기로부터 수신한 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 순차 디코딩하여 단일 큐빗을 생성하기 위한, 순차 연결된 복수의 디코더; 및
상기 복수의 디코더 중 N-1번째 디코더에 연결된 N번째의 디코더 N개가 각각 생성한 2-큐빗 양자 상태로부터 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 각각의 상태 검출을 수행하는 2K개의 단일광자검출기를 포함하고,
송신기에서 암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나씩을 선택하고, 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하여, 상기 N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 상기 양자 상태의 조합을 포함하는 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 수신하기 위한 것으로서,
미리 설정된 규칙에 따라, 상기 N개의 인코더 전체에서의 상기 선택 가능한 수(2MN) 중 2K개의 상기 양자 상태의 조합에 해당하는 멀티 큐빗 양자 상태를 송신함으로써,
상기 미리 설정된 규칙에 따라, 상기 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합을 암호 키 정보로 사용하도록 구현된, 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기.
a plurality of sequentially connected decoders for sequentially decoding a coded multi-qubit quantum state received from a transmitter through a quantum channel to generate a single qubit; and
Of the plurality of N-1-th decoder decoder N th decoder Dog N 2 K single-photon detector for performing the 2 K of each of the states corresponding to a detected combination of the two states from the two-qubit quantum states generated respectively connected to the including,
The transmitter transmits sequentially coded multi-qubit quantum states using N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) for the encryption key through the quantum channel, but each encoder selects M (M is a natural number greater than or equal to 1) mutual ratio select one of the deflection basis, and to have each of the encoder selects one of the two states of the selected basis, the N encoders small 2 K than the selection of the overall number of available (2 MN) one (K 1 To receive the coded multi-qubit quantum state including a combination of the quantum states of a natural number smaller than MN,
According to a predetermined rule, by transmitting a multi-qubit quantum state corresponding to a combination of the N number of possible encoder the selection of the overall (2 MN) of 2 K of the quantum state,
A receiver for receiving a quantum cryptographic key, implemented to use some combination of the bit string of the multi-qubit as cryptographic key information according to the preset rule.
암호 키에 대하여 N개의 인코더(N은 2이상의 자연수)를 이용해 순차 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하되, 각각의 인코더가 선택 가능한 M개의(M은 1이상의 자연수) 상호 비편향 베이시스들 중 하나씩을 선택하고, 상기 각각의 인코더가 선택한 베이시스에서의 어느 하나의 양자 상태를 선택하여, 상기 N개의 인코더 전체에서의 선택 가능한 수(2MN)보다 작은 2K개(K는 1부터 MN보다 작은 자연수)의 양자 상태의 조합을 포함하는 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태를 송신하는 송신기; 및
상기 양자채널을 통해 수신한 상기 코드화된 멀티 큐빗 양자 상태에 대하여 복수의 디코더를 이용해 순차 디코딩하되, N-1번째 디코더에 연결된 N번째의 디코더 N개를 이용하여 각각의 2-큐빗 양자 상태를 생성하고, 상기 각각의 2-큐빗 양자 상태로부터 상기 양자 상태의 조합에 대응된 2K개의 단일광자검출기를 이용해 각각의 상태 검출을 수행하는 수신기를 포함하고,
미리 설정된 규칙에 따라, 상기 N개의 인코더 전체에서의 상기 선택 가능한 수(2MN) 중 2K개의 상기 양자 상태의 조합에 해당하는 멀티 큐빗 양자 상태를 송신함으로써,
상기 미리 설정된 규칙에 따라, 상기 멀티 큐빗의 비트 스트링의 일부 조합을 암호 키 정보로 사용하도록 구현된, 양자 암호 키 분배 장치.
For the encryption key, sequentially coded multi-qubit quantum states are transmitted using N encoders (N is a natural number greater than or equal to 2) through a quantum channel, but each encoder selects M (M is a natural number greater than or equal to 1) mutually unbiased basis. select one of the, and to which the respective encoder select the quantum state of one of the selected basis, the N encoders small 2 K than the selection of the overall number of available (2 MN) pieces (K is from 1 MN a transmitter that transmits the coded multi-qubit quantum state comprising a combination of quantum states (smaller natural numbers); and
The coded multi-qubit quantum state received through the quantum channel is sequentially decoded using a plurality of decoders, and each 2-qubit quantum state is generated using N N-th decoders connected to the N-1 th decoder. and, and a receiver for performing each of the state detected from each of the 2-qubit quantum state with the 2 K single-photon detector corresponding to a combination of the two states,
According to a predetermined rule, by transmitting a multi-qubit quantum state corresponding to a combination of the N number of possible encoder the selection of the overall (2 MN) of 2 K of the quantum state,
A quantum cryptographic key distribution device implemented to use some combination of the bit string of the multi-qubit as cryptographic key information according to the preset rule.
KR1020190009866A 2019-01-25 2019-01-25 Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code KR102260714B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190009866A KR102260714B1 (en) 2019-01-25 2019-01-25 Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190009866A KR102260714B1 (en) 2019-01-25 2019-01-25 Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20200092674A KR20200092674A (en) 2020-08-04
KR102260714B1 true KR102260714B1 (en) 2021-06-07
KR102260714B9 KR102260714B9 (en) 2021-08-23

Family

ID=72049023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190009866A KR102260714B1 (en) 2019-01-25 2019-01-25 Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102260714B1 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017204440A1 (en) * 2016-05-25 2017-11-30 한국과학기술원 Code-based quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Lim, Kyongchun, et al. "The error tolerance bound for secure multi-qubit QKD against incoherent attack." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 21(3)(2015.) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR102260714B9 (en) 2021-08-23
KR20200092674A (en) 2020-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Djordjevic Physical-layer security and quantum key distribution
Chou et al. Polar coding for the broadcast channel with confidential messages: A random binning analogy
US9954645B2 (en) Method and device for providing secure transmission based on polar code
Bacco et al. Experimental quantum key distribution with finite-key security analysis for noisy channels
Leverrier et al. Multidimensional reconciliation for a continuous-variable quantum key distribution
US7570767B2 (en) Decoupling error correction from privacy amplification in quantum key distribution
JP6199385B2 (en) High security communication system and transmitter and receiver used therefor
Renes et al. Efficient one-way secret-key agreement and private channel coding via polarization
Qi Simultaneous classical communication and quantum key distribution using continuous variables
Yan et al. Semi-quantum protocol for deterministic secure quantum communication using Bell states
CN113141252A (en) Quantum key distribution method, quantum communication method, device and system
Matsumoto Multiparty quantum-key-distribution protocol without use of entanglement
CN106789027B (en) Method and system for confirming consistency of secret key by using unconditional secure transmission
Cao et al. Controlled quantum secure direct communication protocol based on huffman compression coding
CN110768794A (en) Quantum key distribution method based on label pairing coherent state and quantum storage
US7415114B2 (en) Quantum key system and method
KR102260714B1 (en) Method and Apparatus for Distributing Quantum Secure Key Based on Code
Rana et al. Design of short blocklength wiretap channel codes: Deep learning and cryptography working hand in hand
Harun et al. Hybrid M-Ary in Braided Single Stage Approach for Multiphoton Quantum Secure Direct Communication Protocol
Asfaw et al. Performance analysis of raptor code for reconciliation in continuous variable quantum key distribution
Khisti et al. On modulo-sum computation over an erasure multiple-access channel
Zhang et al. Generalized PPM-based BB84 QKD protocol
Sutter et al. Efficient quantum channel coding scheme requiring no preshared entanglement
Si et al. Achieving secrecy without any instantaneous CSI: polar coding for fading wiretap channels
Qian et al. Reconciliation of continuous variable QKD using Gaussian post-selection and systematic polar code

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Publication of correction