WO2020256408A1 - 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

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path
polarization
key distribution
transmitter
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신정환
이경운
이민수
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주식회사 케이티
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Definitions

  • the present invention relates to a method, an apparatus, and a system for distributing a quantum encryption device, and more specifically, a polarization dependent element provided in a receiver of a quantum cryptographic key distribution system is controlled with a single continuous control signal to drive polarization independent. It relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system.
  • Quantum key distribution (QKD) technology is a technology that distributes and shares encryption keys among remote users by using the quantum mechanical properties of photons. At this time, when an attacker attempts to obtain encryption key information distributed among users due to quantum mechanical properties, the encryption key information may be altered, and accordingly, users who exchange encryption keys can detect the presence of the attacker. There will be.
  • QKD quantum cryptographic key distribution
  • the quantum encryption key distribution (QKD) system is composed of various optical devices, and in this case, the various optical devices constituting the quantum encryption key distribution (QKD) system generally have polarization-dependent operating characteristics. Accordingly, a change in polarization in photons occurring in a quantum cryptographic key distribution (QKD) system significantly affects the performance of a quantum cryptographic key distribution (QKD) system.
  • a phase modulator is generally used to load cryptographic key information into a photon.
  • the modulator PM has a polarization dependent characteristic in which a phase modulation characteristic is changed according to a polarization state of a photon.
  • the phase modulator PM is an element that controls the phase of photons using voltage or current, and the phase control value is changed by input polarization according to polarization dependent characteristics. Accordingly, when the polarization of the photon input to the phase modulator (PM) is different, accurate phase control becomes difficult, and furthermore, polarization in a quantum encryption key distribution (QKD) system that generates/distributes an encryption key using a phase modulator (PM). It becomes difficult to properly generate/distribute the encryption key due to the phase error caused by.
  • QKD quantum encryption key distribution
  • the intensity modulator (IM) which is used to generate decoy state, which is used to detect the presence of an attacker in a quantum cryptographic key distribution (QKD) system, also typically exhibits polarization-dependent characteristics. Show. Accordingly, when the polarization of the photon incident on the light intensity modulator (IM) changes, the light intensity modulator (IM) is difficult to generate accurate decoy state, which is the stable operation of the quantum encryption key distribution (QKD) system. Becomes a limiting factor.
  • a 1-way quantum cryptographic key distribution (QKD) system i.e., a structure that generates a single photon in a transmitter and detects a single photon in a receiver
  • QKD quantum cryptographic key distribution
  • the system is composed of optical lines and devices that can properly maintain polarization for both the transmitter and the receiver, and further, a separate polarization correction in the receiver to correct polarization distortion occurring in the quantum channel (the optical line through which a single photon is transmitted). Function is provided.
  • QKD quantum encryption key distribution
  • QKD quantum encryption key distribution
  • a receiver uses an element that generates an error in proportion to the degree of polarization of an input optical signal to control the distortion of polarization.
  • a method of correcting an error due to polarization in a polarization dependent element is used by repeatedly performing control on the outgoing optical signal twice.
  • the conventional technology as described above has to generate two control signals that operate at high speed, and it is difficult to perform two control of the polarization dependent element at high speed when the incoming and outgoing optical signals do not overlap. Will follow.
  • the present invention was invented to solve the problems of the prior art as described above, in a quantum encryption key distribution (QKD) system in which optical signals reciprocate the same optical line as in a two-way structure in a quantum encryption key distribution system.
  • QKD quantum encryption key distribution
  • an optical signal is generated in the quantum encryption key distribution system 100 for distributing quantum encryption keys to the transmitter 110 and the receiver 120.
  • the first optical signal and the second optical signal incident through the quantum channel 130 are reflected from the Faraday mirror 124 through the polarization dependent element 123, and then passed through the polarization dependent element 123 again.
  • the transmitter 110 includes a light source 111 that generates an optical signal; And dividing the optical signal into the first optical signal and the second optical signal, outputting the first optical signal to the first path P1, and outputting the second optical signal to the second path P2. It may include; a beam splitter 113 that outputs to.
  • the second path P2 may be provided with a delay line 115 extending the path of the second optical signal.
  • the transmitter 110 is provided with a polarization beam splitter 116 to polarize the first optical signal traveling through the first path P1 into a first polarization, and the second path P2
  • the second optical signal processed through may be polarized into a second polarized light perpendicular to the first polarized light.
  • the first optical signal transmitted from the receiver 120 proceeds to the second path P2, and the second optical signal is transmitted to the first path P1. You can proceed.
  • One continuous control signal may be applied as a control signal for controlling the operation of the polarization dependent element 123.
  • a first phase modulator 123a and a light intensity modulator 123b are included, and the first phase modulator 123a modulates the phase only for the second optical signal. I can.
  • a first phase modulator 123a and a light intensity modulator 123b are included, and the light intensity modulator 123b is applied to the first and second optical signals.
  • the light intensity can be modulated.
  • the transmitter 110 is provided in the quantum encryption key distribution system 100 to distribute the quantum encryption key to the receiver 120 in the transmitter 110, which generates an optical signal.
  • Light source 111 Dividing the optical signal into a first optical signal and a second optical signal, outputting the first optical signal through the first path P1, and outputting the second optical signal through the second path P2 Beam splitter 113; And a delay line 115 provided in the second path P2 to extend a path of the second optical signal, including a length L P1 of the first path P1 and the second path
  • the receiver 120 in the receiver 120 provided in the quantum encryption key distribution system 100 to distribute the quantum encryption key with the transmitter 110, polarization of an optical signal A polarization dependent element 123 whose operating characteristics are changed according to; And a Faraday mirror 124 that rotates and reflects the polarization of the incident optical signal by 90 degrees, wherein the optical signal generated by the transmitter 110 passes through the first path P1 and the first optical signal and the first optical signal.
  • the first optical signal and the second optical signal incident through the quantum channel 130 are polarized.
  • a polarization dependent element is used in a quantum encryption key distribution (QKD) system in which an optical line having the same optical signal is reciprocated, such as a 2-way structure.
  • QKD quantum encryption key distribution
  • the present invention is an optical line in which the optical signal used for generating the encryption key is the same, such as a two-way method (or Plug and Play method) among quantum encryption key distribution techniques for distributing encryption keys using quantum physics.
  • the polarization dependent element can be controlled so that the polarization dependent element used in the quantum encryption key distribution (QKD) system is not affected by polarization distortion occurring in the optical transmission section inside and outside the device.
  • the optical You when configuring a quantum encryption key distribution (QKD) system in which the same optical line is reciprocated two or more times, such as a two-way technique using a polarization dependent element, the optical You will be able to control the signal.
  • QKD quantum encryption key distribution
  • polarization dependent elements such as a phase modulator (PM) and a light intensity modulator (IM) in the receiver 120 of the quantum encryption key distribution (QKD) system
  • polarization dependent elements such as a phase modulator (PM) and a light intensity modulator (IM)
  • QKD quantum encryption key distribution
  • 1 and 2 are configuration diagrams of a quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a specific configuration of a quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • 4A and 4B are graphs illustrating a control signal for controlling a polarization dependent element in the quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a diagram illustrating an arrangement structure of the polarization dependent element 123 of the receiver 120 in the quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are diagrams illustrating the configuration of the transmitter 110 and the receiver 120 of the quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from other components. Is only used.
  • FIG. 1 illustrates a configuration diagram of a quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the quantum encryption key distribution system 100 may be configured to include a transmitter 110, a receiver 120, and a quantum channel 130, the The transmitter 110 and the receiver 120 generate and share a quantum encryption key while exchanging an optical signal through the quantum channel 130.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 may be a server, a client or a terminal device connected to the server, or may be a communication device such as a gateway or a router, or a portable device having mobility. It may be configured using various devices capable of performing communication by generating and sharing quantum cryptographic keys.
  • the quantum channel 130 is provided between the transmitter 110 and the receiver 120 to transmit an optical signal.
  • the quantum channel 130 may be configured using an optical fiber, but the present invention is not necessarily limited thereto, and any medium capable of transmitting an optical signal may be used to configure the quantum channel 130. have.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 exchange information necessary to generate a quantum encryption key using the phase and polarization of the optical signal using various protocols such as the BB84 protocol, and generate a quantum encryption key. It is shared, and it is possible to effectively prevent the attacker 140 from attempting to steal the quantum encryption key and hack it.
  • the security of the communication system can be enhanced by performing communication while performing encryption and decryption using the quantum cryptographic key generated by the quantum cryptographic key distribution system 100.
  • Figure 2 illustrates a block diagram of a quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention, a quantum encryption key distribution system for distributing quantum encryption keys to the transmitter 110 and the receiver 120 ( As 100), a transmitter that divides the optical signal into a first optical signal passing through a first path P1 and a second optical signal passing through a second path P2 longer than the first path P1 and sequentially transmits the optical signal.
  • the first optical signal and the second optical signal incident through 110 and the quantum channel 130 are reflected by the Faraday mirror 124 through the polarization dependent element 123, and the polarization dependent element 123 again After passing through, it may be configured to include a receiver 120 that transmits to the transmitter 110 through the quantum channel 130.
  • polarization dependent in the quantum encryption key distribution system 100 in which optical signals reciprocate the same optical line as in a 2-way structure.
  • quantum encryption key distribution system 100 is examined in more detail with reference to FIG. 3.
  • the transmitter 110 divides the light source 111 for generating an optical signal and the optical signal into the first optical signal and the second optical signal, It may include a beam splitter (BS) 113 that outputs a signal to the first path P1 and outputs the second optical signal to the second path P2.
  • BS beam splitter
  • a delay line (DL) 115 for extending a path of the second optical signal may be provided in the second path P2.
  • the transmitter 110 is provided with a polarized beam splitter (PBS) 116, the first optical signal traveling through the first path (P1) Is polarized with a first polarized light, and the second optical signal traveling through the second path P2 may be polarized with a second polarized light perpendicular to the first polarized light.
  • PBS polarized beam splitter
  • the first optical signal transmitted from the receiver 120 proceeds to the second path P2, and the second optical signal is transmitted to the first path P1. You can proceed.
  • the first optical signal or the second optical signal is a polarization dependent element 123 such as a first phase modulator 123a and a light intensity modulator 123b.
  • a control signal for controlling the operation of the polarization dependent element 123 A control signal can be applied.
  • a plurality of polarization dependent elements 123 may be provided in the receiver 120, and in this case, the length L P1 of the first path P1 and the second path
  • the receiver 120 may include a first phase modulator 123a and a light intensity modulator 123b as the plurality of polarization dependent elements 123, wherein the first phase modulator 123a 2 Phase can be modulated only for optical signals.
  • the first phase modulator 123a in the receiver 120 is the first optical signal You can only modulate the phase for.
  • the receiver 120 may include a first phase modulator 123a and a light intensity modulator 123b as the plurality of polarization dependent elements 123, wherein the light intensity modulator 123b comprises the first Light intensity may be modulated for the optical signal and the second optical signal.
  • the quantum encryption key distribution method, apparatus, and system 100 are divided into respective components, and the operation thereof is examined in more detail.
  • an optical signal generated by a light source 111 such as a laser generating device is a circulator (CIR). It may be input to the beam splitter (BS) 113 via 112.
  • CIR circulator
  • the beam splitter 113 divides the input optical signal into a first optical signal and a second optical signal, and transmits the first optical signal through a first path P1 having a short path (Fig. 3). 3), the second optical signal is transmitted through a second path P2 having a delay line DL (2 in FIG. 3).
  • the first optical signal and the second optical signal are input to the quantum channel 130 through a polarization beam splitter (PBS) 116 again.
  • PBS polarization beam splitter
  • the output of the first optical signal passing through the first path P1 by the polarization beam splitter (PBS) 116 may have vertical (V) polarization
  • the second path P2 The output of the second optical signal passing through may have horizontal (H) polarization perpendicular to the polarization of the first optical signal.
  • the first optical signal and the second optical signal that reach the receiver 120 through the quantum channel 130 are twisted into arbitrary polarizations V'and H', respectively, while passing through the quantum channel 130.
  • the first optical signal and the second optical signal input to the receiver 120 are a storage line (SL), a first phase modulator (PM A ) 123a, and a light intensity modulator (IM) 123b.
  • SL storage line
  • PM A first phase modulator
  • IM light intensity modulator
  • FM Faraday Mirror
  • the Faraday mirror (FM) 124 rotates and reflects the polarized light of the incident first optical signal and the second optical signal by 90 degrees, the polarization V′ of the first incident optical signal becomes H′. Then, the polarization of the second optical signal that is subsequently incident is changed from H'to V'and reflected.
  • the first optical signal and the second optical signal reflected from the Faraday mirror (FM) 124 are input to the optical intensity modulator (IM) 123b and the first phase modulator (PM A ) 123a. Accordingly, the optical intensity modulator (IM) 123b adjusts the size of the optical signal to generate decoy state.
  • the light intensity modulator (IM) 123b may modulate the light intensity of both the first optical signal and the second optical signal in order to generate decoy state.
  • the first phase modulator (PM A ) 123a may change the phase of only the second optical signal among the optical signals incident to generate the encryption key. Accordingly, the phase of the second optical signal that has passed through the first phase modulator (PM A ) 123a is changed from V'to V'a.
  • the first optical signal and the second optical signal are converted into single photons (or pseudo single photons) through a variable attenuator (VA) 121, and the transmitter 110 is again transmitted through the quantum channel 130. Is sent to.
  • VA variable attenuator
  • the transmitter 110 When transmitted from) to the receiver 120, polarization misalignment equal to the degree of misalignment occurs, and as a result, the misalignment of polarization occurring in the quantum channel 130 is canceled and disappears.
  • the polarized light H'of the first optical signal is corrected to H
  • the polarized light V'a of the second optical signal is corrected to the polarized light of Va to reach the transmitter 110 again.
  • the second optical signal transmitted through the second path P2 including the delay line DL of the transmitter 110 is rotated by 90 degrees by the Faraday mirror (FM) 124.
  • the first optical signal and the second optical signal simultaneously reach the beam splitter (BS) 113 while moving the same distance based on the beam splitter (BS) 113 of the transmitter 110, Interference is caused according to a phase change by the first phase modulator (PM A ) 123a, the second phase modulator (PM B ) 114, and the like.
  • the receiver 120 is also the storage line (SL) 122, a first phase modulator (PM A ) (123a), a light intensity modulator (IM) (123b), a Faraday mirror (FM) as can be seen in FIG. )
  • the circuit can be configured in the order of 124.
  • the arrangement order of the polarization dependent element 123 is irrelevant, that is, when the polarization dependent element 123 and the Faraday mirror (FM) 124 are continuously configured after the storage line (SL) 122 (Fig. 3 1), in the above configuration, the distance including the first phase modulator (PM A ) 123a, the light intensity modulator (IM) 123b, and the Faraday mirror (FM) 124 of the receiver 120 is'D'.
  • the D is configured to be shorter than dL by 1/2 or more, the first optical signal is reflected by the Faraday mirror (FM) 124 through the first phase modulator (PM A ) 123a, and then the first phase and the time of passing through the modulator (PM a) (123a) and the second optical signal is not reached in the first phase modulator (PM a) (123a).
  • FM Faraday mirror
  • the order of positions of the first phase modulator (PM A ) 123a and the light intensity modulator (IM) 123b may be changed. Accordingly, when the light intensity modulator (IM) 123b is positioned first, the first optical signal is reflected by the Faraday mirror (FM) 124 through the light intensity modulator (IM) 123b, and then the light intensity The second optical signal does not reach the optical intensity modulator (IM) 123b until it passes through the modulator (IM) 123b.
  • FM Faraday mirror
  • the first phase modulator (PM A ) 123a may operate only on a second optical signal. Accordingly, when the D is configured to be shorter than dL by 1/2 or more, the second optical signal is reflected back to the Faraday mirror (FM) 124 through the first phase modulator (PM A ) 123a During the time of entering the phase modulator (PM A ) 123a, the first optical signal is not located between the first phase modulator (PM A ) 123a and the Faraday mirror (FM) 124.
  • the first optical signal exits the first phase modulator (PM A ) 123a, in order to control the phase of the second optical signal with one continuous control signal and compensate for an error in polarization shift,
  • a control signal is applied to the first phase modulator (PM A ) 123a for an amount of time'T'
  • the second optical signal enters the first phase modulator (PM A ) 123a during the'T' time.
  • FM Faraday mirror
  • the'T' may be calculated as in Equation 1 below.
  • the optical intensity modulator (IM) 123b must be performed on both the first optical signal and the second optical signal, and accordingly, the The first optical signal and the second optical signal are reflected from the Faraday mirror (FM) 124 through the light intensity modulator (IM) 123b, and continue until the moment they pass through the light intensity modulator (IM) 123b again.
  • FM Faraday mirror
  • IM light intensity modulator
  • the first optical signal and the second optical signal are controlled twice, so that a phase error due to polarization can be canceled.
  • FIGS. 4A and 4B a control signal for controlling an optical signal and a polarization dependent element in a quantum encryption key distribution method, apparatus, and system according to an embodiment of the present invention is described.
  • the second optical signal is input to the receiver 120 and passes through the polarization dependent element 123 (S21), and the Faraday mirror 124 reflects the polarization again. Since the first optical signal passes through the polarization dependent element 123 between the time point S22 passing through the dependent element 123 (S12), the high-speed control signal C11 and the high-speed control signal C11, respectively, by dividing the S21 and S22 Difficulty to control with C12) followed.
  • a second optical signal is input to the receiver 120 and passes through the polarization dependent element 123, as shown in FIG. 4B.
  • the first optical signal is not located between the time point S21 and the time point S22 reflected from the Faraday mirror 124 and passes through the polarization dependent element 123 again, so that the S21 and S22 are integrated. It becomes possible to control with one low speed control signal C11.
  • phase modulator (PM A ) 123a is provided as the polarization dependent element 123 in the receiver 120 , but the present invention is not limited thereto.
  • the second phase modulator (PM B ) 114 is located in the second path P2 as shown in FIG. 3, the first optical signal is incident to the receiver 120 as shown in FIG. 4A.
  • the phase of the second optical signal was modulated by applying a first control signal at a time when the second optical signal passes through the first phase modulator (PM) 123a (S21 in FIG. 4A). )).
  • the first optical signal passes through the first phase modulator (PM A ) 123a and is reflected by the Faraday mirror (FM) 124 to return to the first phase modulator ( Before reaching the PM) 123a, the second optical signal may reach the first phase modulator PM A 123a ((S21) in FIG. 4A).
  • the first control signal for the second optical signal is applied to the first phase modulator (PM A ) 123a at the time point (S21) and then removed, and at the time point (S22), the It is necessary to apply a second control signal to the second optical signal.
  • the first phase modulator (PM A ) 123a performs a high-speed control signal. It is difficult to accurately control the first optical signal and the second optical signal while converting to.
  • the first optical signal incident to the receiver 120 passes through the first phase modulator (PM A ) 123a (S11 in FIG. 4B). Until the point of reflection from the mirror (FM) 124 and passing through the first phase modulator (PM) 123a again (S12 in Fig. 4B), the second optical signal reaches the phase modulator (PM) 123a can not do.
  • the first optical signal has already passed through the first phase modulator (PM) 123a.
  • the first phase modulator (PM A ) 123a is controlled to be effectively corrected for errors due to polarization dependent characteristics (FIG. 4B (C11)). )).
  • the light intensity modulator (IM) 123b is provided as the polarization dependent element 123 in the receiver 120 is described as an example, but the present invention is not limited thereto.
  • the first optical signal is reflected from the Faraday mirror (FM) 124 and passes through the optical intensity modulator (IM) 123b again, a first control signal is applied again to increase the optical intensity of the first optical signal.
  • the first optical signal was subjected to two phase control while passing through the light intensity modulator (IM) 123b, thereby correcting the phase error due to polarization.
  • the first optical signal passes through the light intensity modulator (IM) 123b and is reflected by the Faraday mirror (FM) 124 to be reflected again by the light intensity modulator (IM) ( Before reaching 123b), the second optical signal may reach the optical intensity modulator (IM) 123b (S21 of FIG. 4A).
  • a second control signal for the second optical signal should be applied.
  • the light intensity modulator (IM) 123b controls There is a difficulty in performing accurate control of the first optical signal and the second optical signal while converting a signal at high speed.
  • the length of the delay line (DL) 115 of the interferometer located in the transmitter 110 and the receiver 120 The first optical signal transmitted from the transmitter 110 and the first optical signal transmitted from the transmitter 110 are adjusted by adjusting the distance between the located Faraday mirror (FM) 124, the first phase modulator (PM A ) 123a, and the optical intensity modulator (IM) 124.
  • FM Faraday mirror
  • PM A first phase modulator
  • IM optical intensity modulator
  • the second optical signal affects the first phase modulator (PM A ) 123a and the light intensity modulator (IM) 124
  • the receiver 120 and the transmitter 110 are designed so that the first optical signal is not affected while receiving the signal.
  • the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the plurality of polarization dependent elements 123 of the receiver 120 may be continuously arranged as shown in FIG. 3 (
  • a beam splitter BS for separating or changing the direction of an optical line (FIG. 5A) , Circulator (Fig. 5(b)), etc. may be configured in various forms, such as being spaced apart from each other, and each polarization dependent element 123 is
  • the signal and the second optical signal may be individually modulated, or both the first and second optical signals may be modulated.
  • FIG. 6 illustrates a configuration diagram of the transmitter 110 of the quantum encryption key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a quantum encryption key distribution system according to an embodiment of the present invention.
  • the configuration diagram of the receiver 120 of (100) is illustrated.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 have been described in detail.
  • a quantum cryptography according to an embodiment of the present invention The configuration and operation of the transmitter 110 and the receiver 120 of the key distribution system 100 will be described centering on the key points.
  • the transmitter 110 of the quantum encryption key distribution system 100 is provided in the quantum encryption key distribution system 100 and the receiver 120
  • a light source 111 for generating an optical signal the optical signal is divided into a first optical signal and a second optical signal, and the first optical signal is divided into the first path.
  • a beam splitter 113 outputting to (P1) and outputting the second optical signal to the second path P2 and provided in the second path P2 to extend the path of the second optical signal. It may be configured to include a delay line 115.
  • the receiver 120 of the quantum encryption key distribution system 100 is provided in the quantum encryption key distribution system 100 and the transmitter 110
  • a polarization dependent element 123 whose operation characteristics are changed according to polarization of an optical signal and a Faraday mirror 124 that rotates and reflects the polarization of the incident optical signal by 90 degrees are provided.
  • the optical signal generated by the transmitter 110 passes through a first path P1 and a second path P2 that is longer than the first path P1.
  • the first optical signal and the second optical signal incident through the quantum channel 130 are reflected by the Faraday mirror 124 through the polarization dependent element 123, After passing through the polarization dependent element 123 again, it is transmitted to the transmitter 110 through the quantum channel 130.
  • polarization dependent in the quantum encryption key distribution system 100 in which optical signals reciprocate the same optical line as in a 2-way structure.
  • the polarization dependent element 123 is controlled with one continuous control signal to compensate for errors caused by the polarization dependent characteristic.

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Abstract

본 발명은 양자 암호기 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양자 암호키 분배 시스템의 수신기에 구비되는 편광 종속 소자를 연속하는 1회의 제어 신호로 제어하여 편광 비종속적으로 구동시킬 수 있는 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서는, 송신기(110)와 수신기(120)에 대하여 양자 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배 시스템(100)에 있어서, 광신호를 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할하여 순차 전송하는 송신기(110); 및 상기 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호가 편광 종속 소자(123)를 거쳐 패러데이 미러(124)에서 반사되고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하는 수신기(120);를 포함하며, 상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템(100)을 개시한다.

Description

양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템
본 발명은 양자 암호기 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양자 암호키 분배 시스템의 수신기에 구비되는 편광 종속 소자를 연속하는 1회의 제어 신호로 제어하여 편광 비종속적으로 구동시킬 수 있는 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
최근 개인 또는 국가간 도,감청으로 인한 피해 사례가 속출하면서 보안에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 그러나, 종래 기술에 따른 보안 통신은 외부 공격에 의해 통신 내용이 노출될 수 있는 상당한 위험성을 가지고 있으며, 이를 보완하기 위한 차세대 보안 기술로써 이론적으로 매우 높은 보안성을 보장할 수 있는 양자 암호 통신이 각광 받고 있다.
이와 관련하여, 양자 암호 통신 기술 중 양자 암호키 분배에 관한 연구도 활발히 진행 되고 있다. 양자 암호키 분배(Quantum key distribution, QKD) 기술은 광자의 양자 역학적 성질을 이용하여 원격지의 사용자 간에 암호키를 분배하고 공유하는 기술이다. 이때, 양자 역학적 성질에 의해 공격자가 사용자 간에 분배되고 있는 암호키 정보를 획득하고자 시도할 경우, 상기 암호키 정보가 변질될 수 있으며, 이에 따라 암호키를 주고 받는 사용자들이 공격자의 존재를 감지할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 양자 암호키 분배(QKD) 기술에서는 양자 상태를 이용하여 암호키를 분배하기 위해 양자 특성을 가지고 있는 단일 광자(또는, 단일 광자와 유사한 수준의 유사 단일 광자(quasi-single photon))를 이용하여 정보를 전달하고, 광자가 가지고 있는 다양한 양자 특성 중 편광, 위상 등을 이용하여 도청으로부터 안전하게 암호키를 공유하게 된다.
이에 따라, 양자 암호키 분배(QKD) 시스템은 다양한 광소자로 구성되어 있으며, 이때 상기 양자 암호키 분배(QKD) 시스템을 구성하는 여러 광소자는 일반적으로 편광에 종속적인 동작 특성을 가진다. 따라서, 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 발생하는 광자에서의 편광의 변화는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템의 성능에 상당한 영향을 미치게 된다.
예를 들어, 위상을 이용하여 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서는 일반적으로 광자에 암호키 정보를 싣기 위해 위상 변조기(Phase Modulator, PM)를 사용하는 경우가 많으며, 통상적으로 위상 변조기(PM)는 광자의 편광 상태에 따라 위상 변조 특성이 달라지는 편광 종속 특성을 가진다.
즉, 상기 위상 변조기(PM)는 광자의 위상을 전압 또는 전류를 이용하여 제어하는 소자로서, 편광 종속 특성에 따라 입력되는 편광에 의하여 위상 제어 값이 달라지게 된다. 이에 따라, 위상 변조기(PM)에 입력되는 광자의 편광이 달라지는 경우 정확한 위상 제어가 어려워지고, 나아가 위상 변조기(PM)를 이용하여 암호키를 생성/분배하는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 편광에 의한 위상 오차로 인하여 암호키를 적절하게 생성/분배하기 어려워 진다.
또한, 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 공격자의 존재를 감지하기 위해 사용되는 미끼 데이터(Decoy state)를 생성하기 위해 사용되는 광강도 변조기(Intensity modulator, IM)도 통상적으로 편광에 종속적인 특성을 보여준다. 이에 따라, 광강도 변조기(IM)에 입사하는 광자의 편광이 변화할 경우 광강도 변조기(IM)는 정확한 미끼 데이터(Decoy state)를 생성하기 어려우며, 이는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템의 안정적인 동작을 제한하는 요소가 된다.
이에 따라, 단방향(1-way) 양자 암호키 분배(QKD) 시스템 (즉, 송신기에서 단일 광자를 생성하고, 수신기에서 단일 광자를 검출하는 구조)에서는 통상적으로 편광 종속적인 소자의 특성을 제어하기 위해 송신기 및 수신기 모두에 대하여 편광을 적절하게 유지할 수 있는 광 회선 및 소자로 시스템을 구성하며, 나아가 양자 채널 (단일 광자가 전송되는 광 회선)에서 발생하는 편광 비틀림을 보정하기 위해 수신기에는 별도의 편광 보정 기능이 구비된다.
반면, 양방향(2-way) 방식의 양자 암호키 분배(QKD) 시스템 (송신기에서 단일 광자 생성하여 송출한 후 수신기에서 반사된 광자를 상기 송신기에서 검출하는 구조)에서는 통상적으로 양자 채널에서 발생하는 편광 비틀림을 보정하기 위해 송신기에서 생성한 광신호가 수신기로 전달된 후 동일한 회선을 통해 다시 송신기로 전달되는 형태로 구성되어 있다. 이에 따라, 송신기에서 수신기로 전달되는 과정에서 발생한 편광 비틀림은 동일한 회선을 통해 수신기에 송신기로 전달되는 과정을 거치면서 처음 송신기에서 발생한 편광과 동일한 편광으로 보정된다.
이에 따라, 양방향(2-way) 방식의 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서는 동일 광 회선 사용에 의한 편광 보정으로 송신기에 위치한 간섭계의 안정적인 작동을 보장할 수 있지만, 반면 수신기에서는 송신기로부터 받은 광신호를 이용하여 암호키 정보를 광신호의 위상에 부호화한 단일 광자를 생성하기 위해 각각 위상 변조기(PM)와 광강도 변조기(IM)를 사용함에 있어 상기 편광에 따른 오차를 보정해 주어야 하는 문제가 남는다.
이에 대하여, 일반적으로 양방향(2-way) 방식에서 수신기는 편광의 비틀림을 제어하기 위해 입력되는 광신호의 편광이 틀어지는 정도에 비례하여 오차가 발생하는 소자를 사용함에 있어, 수신기로 들어오는 광신호와 나가는 광신호에 대해 2번 반복하여 제어를 수행함으로써 편광 종속 소자에서의 편광에 의한 오차를 보정하는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술은 고속으로 동작하는 2번의 제어 신호를 생성하여야 하며, 들어오는 광신호와 나가는 광신호가 중첩되지 않는 시점에 고속으로 편광 종속 소자에 대한 2번의 제어를 수행해야 하는 어려움이 따르게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 양자 암호키 분배 시스템에서 양방향(2-way) 구조와 같이 광신호가 동일한 광 회선을 왕복하는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 편광 종속 소자를 사용하여 장치를 구성하는 경우 연속된 1회의 제어 신호로 편광 종속 소자에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있는 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 아래에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에서는, 송신기(110)와 수신기(120)에 대하여 양자 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배 시스템(100)에 있어서, 광신호를 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할하여 순차 전송하는 송신기(110); 및 상기 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호가 편광 종속 소자(123)를 거쳐 패러데이 미러(124)에서 반사되고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하는 수신기(120);를 포함하며, 상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 송신기(110)는, 광신호를 생성하는 광원(111); 및 상기 광신호를 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호로 분할하여, 상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(113);를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 경로(P2)에는, 상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(115)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 송신기(110)에는, 편광 빔 스플리터(116)가 구비되어, 상기 제1 경로(P1)를 통해 진행한 상기 제1 광신호를 제1 편광으로 편광시키고, 상기 제2 경로(P2)를 통해 진행한 상기 제2 광신호를 상기 제1 편광과 수직하는 제2 편광으로 편광시킬 수 있다.
여기서, 상기 편광 빔 스플리터(116)에서는, 상기 수신기(120)에서 전송된 상기 제1 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 진행시키고, 상기 제2 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 진행시킬 수 있다.
또한, 상기 수신기(120)에서, 상기 제1 광신호 또는 상기 제2 광신호가 상기 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(124)에서 반사되고 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거치는 동안, 상기 편광 종속 소자(123)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호로서 1회의 연속된 제어 신호가 인가될 수 있다.
또한, 상기 수신기(120)에는, 상기 편광 종속 소자(123)가 복수개 구비되며, 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 복수의 편광 종속 소자(123) 중 상기 패러데이 미러(124)로부터 멀리 위치하는 것과 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가질수 있다(dL ≥ 2D).
여기서, 상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함되며, 상기 제1 위상 변조기(123a)는 상기 제2 광신호에 대해서만 위상을 변조할 수 있다.
또한, 상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함되며, 상기 광강도 변조기(123b)는 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호에 대해서 광강도를 변조할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신기(110)는, 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 수신기(120)와 양자 암호키를 분배하는 송신기(110)에 있어서, 광신호를 생성하는 광원(111); 상기 광신호를 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여, 상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(113); 및 상기 제2 경로(P2)에 구비되어 상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(115);을 포함하며, 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 수신기(120)에 구비되는 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수신기(120)는, 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 송신기(110)와 양자 암호키를 분배하는 수신기(120)에 있어서, 광신호의 편광에 따라 동작 특성이 달라지는 편광 종속 소자(123); 및 입사된 광신호의 편광을 90도 회전시켜 반사시키는 패러데이 미러(124);를 구비하고, 상기 송신기(110)에서 생성된 광신호가 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할되어 순차 전송되면, 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호를 상기 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(124)에서 반사시키고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하며, 상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 양방향(2-way) 구조와 같이 광신호가 동일한 광 회선을 왕복하는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 편광 종속 소자를 사용하여 장치를 구성하는 경우 연속된 1회의 제어 신호로 편광 종속 소자에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 양자 물리의 현상을 이용하여 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배 기법 중 양방향(2-way) 방식 (또는 Plug and Play 방식)과 같이 암호키 생성에 사용되는 광신호가 동일한 광 회선을 2회 이상 왕복하는 경우 양자 암호키 분배(QKD) 시스템에서 사용되는 편광 종속 소자에 대하여 장치 내부 및 외부 광 전송 구간에서 발생하는 편광 비틀림에 영향을 받지 않도록 편광 종속 소자를 제어할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 편광 종속 소자를 이용하여 양방향(2-way) 기법과 같이 동일 광 회선을 2회 이상 왕복하는 양자 암호키 분배(QKD) 시스템을 구성할 때, 편광의 틀어짐에 상관없이 광신호를 제어할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 양자 암호키 분배(QKD) 시스템 중 수신기(120)에서 위상 변조기(PM) 및 광강도 변조기(IM)와 같은 편광 종속 소자를 제어할 때, 연속된 1회의 제어 신호로 편광 비종속적으로 제어할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 구체적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 편광 종속 소자를 제어하는 제어 신호를 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 수신기(120)의 편광 종속 소자(123)의 배치 구조를 예시하는 도면이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 송신기(110)와 수신기(120)의 구성도를 예시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 구성도가 예시되어 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)은 송신기(110), 수신기(120) 및 양자 채널(130)을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 송신기(110)와 상기 수신기(120)는 상기 양자 채널(130)을 통해 광신호를 주고 받으면서 양자 암호키를 생성하고 공유하게 된다.
이때, 상기 송신기(110) 및 상기 수신기(120)는 서버이거나, 상기 서버와 연결되는 클라이언트나 단말 장치일 수 있으며, 또는 게이트웨이, 라우터 등의 통신용 장비이거나 나아가 이동성을 가지는 휴대형 장치일 수도 있으며, 이외에도 양자 암호키를 생성하고 공유하여 통신을 수행할 수 있는 다양한 장치들을 사용하여 구성될 수도 있다.
또한, 상기 양자 채널(130)은 상기 송신기(110)와 상기 수신기(120) 간에 구비되어 광신호를 전달하게 된다. 상기 양자 채널(130)은 광섬유(optical fiber)를 이용하여 구성될 수 있겠으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 광신호를 전달할 수 있는 매체라면 상기 양자 채널(130)을 구성하는데 사용될 수 있다.
이에 따라, 상기 송신기(110)와 상기 수신기(120)는 BB84 프로토콜 등 다양한 프로토콜을 사용하여 상기 광신호의 위상, 편광 등을 이용해 양자 암호키를 생성하는데 필요한 정보를 교환하고 양자 암호키를 생성하여 공유하게 되며, 공격자(140)의 양자 암호키 탈취 및 해킹 시도를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
나아가, 양자 암호 통신 시스템에서는 상기 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 생성된 양자 암호키를 사용하여 암호화 및 복호화를 수행하면서 통신을 수행함으로써 통신 시스템의 보안성을 강화할 수 있게 된다.
또한, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 블록도를 예시하고 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)은, 송신기(110)와 수신기(120)에 대하여 양자 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배 시스템(100)으로서, 광신호를 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할하여 순차 전송하는 송신기(110) 및 상기 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호가 편광 종속 소자(123)를 거쳐 패러데이 미러(124)에서 반사되고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하는 수신기(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에서는, 상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 양방향(2-way) 구조와 같이 광신호가 동일한 광 회선을 왕복하는 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 편광 종속 소자(123)를 사용하여 수신기(120) 등의 장치를 구성하는 경우 불연속하는 제어 신호를 2회 이상 수행할 필요 없이, 연속된 1회의 제어 신호로 편광 종속 소자(123)에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)을 보다 자세하게 살핀다.
먼저, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 송신기(110)는, 광신호를 생성하는 광원(111) 및 상기 광신호를 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호로 분할하여 상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(Beam Splitter, BS)(113)를 포함하여 구성될 수 있다.
나아가, 상기 제2 경로(P2)에는, 상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(Delay Line, DL)(115)이 구비될 수 있다.
또한, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 송신기(110)에는 편광 빔 스플리터(Polarized Beam Splitter, PBS)(116)가 구비되어, 상기 제1 경로(P1)를 통해 진행한 상기 제1 광신호를 제1 편광으로 편광시키고, 상기 제2 경로(P2)를 통해 진행한 상기 제2 광신호를 상기 제1 편광과 수직하는 제2 편광으로 편광시킬 수 있다.
이때, 상기 편광 빔 스플리터(116)에서는, 상기 수신기(120)에서 전송된 상기 제1 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 진행시키고, 상기 제2 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 진행시킬 수 있다.
또한, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 수신기(120)에서는, 상기 제1 광신호 또는 상기 제2 광신호가 제1 위상 변조기(123a), 광강도 변조기(123b) 등의 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(Faraday Mirror, FM)(124)에서 반사되고 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거치는 동안, 상기 편광 종속 소자(123)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호로서 1회의 연속된 제어 신호가 인가될 수 있다.
또한, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 수신기(120)에는 상기 편광 종속 소자(123)가 복수개 구비될 수 있으며, 이때 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는 상기 복수의 편광 종속 소자(123) 중 상기 패러데이 미러(124)로부터 멀리 위치하는 것(예를 들어, 도 3에서 제1 위상 변조기(123a))과 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가질 수 있다(dL ≥ 2D).
나아가, 상기 수신기(120)에는, 상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함될 수 있으며, 이때 상기 제1 위상 변조기(123a)는 상기 제2 광신호에 대해서만 위상을 변조할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하여, 제2 위상 변조기(PMB)(114)가 제1 경로(P1)에 위치하는 경우에는 상기 수신기(120)에서 제1 위상 변조기 (123a)는 상기 제1 광신호에 대해서만 위상을 변조할 수 있다.
또한, 상기 수신기(120)에는, 상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함될 수 있으며, 이때 상기 광강도 변조기(123b)는 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호에 대해서 광강도를 변조할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템(100)을 각 구성 요소 별로 나누어 그 동작을 보다 자세하게 살핀다.
먼저, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기(110)에서, 레이저(Laser) 생성 장치 등의 광원(111)에서 생성된 광신호는 써큘레이터(Circulator, CIR)(112)를 거쳐 빔 스플리터(BS)(113)로 입력될 수 있다.
이어서, 상기 빔 스플리터(113)는 입력된 광신호를 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여, 상기 제1 광신호는 짧은 경로를 가지는 제1 경로(P1)로 전송하고(도 3의 ③), 상기 제2 광신호는 지연 라인(DL)을 구비하는 제2 경로(P2)로 전송한다(도 3의 ②).
이어서, 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호는 다시 편광 빔 스플리터(PBS)(116)를 거쳐 양자 채널(130)로 입력된다.
이때, 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 지연 라인(115)을 구비하는 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이로 인하여, 상기 제2 경로(P2)를 거친 제2 광신호는 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)와 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1) 차이(dL = LP2 - LP1) 만큼의 간격을 가지고 양자 채널(130)로 출력된다.
또한, 이때 상기 편광 빔 스플리터(PBS)(116)에 의해 상기 제1 경로(P1)를 거친 제1 광신호의 출력은 수직(Vertical, V) 편광을 가질 수 있으며, 상기 제2 경로(P2)를 거친 제2 광신호의 출력은 상기 제1 광신호의 편광과 수직한 수평(Horizontal, H) 편광을 가질 수 있다.
이어서, 상기 양자 채널(130)을 통해 수신기(120)에 도달한 제1 광신호와 제2 광신호는 상기 양자 채널(130)를 거치면서 각각 임의의 편광 V'와 H'로 뒤틀리게 된다. 또한, 상기 수신기(120)로 입력된 제1 광신호와 제2 광신호는 스토리지 라인(Storage line, SL)과 제1 위상 변조기(PMA)(123a), 광강도 변조기(IM)(123b)를 거쳐 패러데이 미러(Faraday Mirror, FM)(124)에 도달하게 된다.
이에 따라, 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서는 입사되는 제1 광신호와 제2 광신호의 편광을 각각 90도 회전하여 반사하기 때문에 먼저 입사된 제1 광신호의 편광 V'는 H'로, 후속하여 입시되는 제2 광신호의 편광은 H'에서 V'로 변경되어 반사된다.
이어서, 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사된 제1 광신호와 제2 광신호는 상기 광강도 변조기(IM)(123b)와 제1 위상 변조기(PMA)(123a)로 입력된다. 이에 따라, 상기 광강도 변조기(IM)(123b)는 미끼 데이터(Decoy state)를 생성하기 위해 광신호의 크기를 조절한다.
이때, 상기 광강도 변조기(IM)(123b)는 미끼 데이터(Decoy state)를 생성하기 위하여 상기 제1 광신호와 제2 광신호 모두에 대하여 광강도를 변조할 수 있다.
또한, 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)는 암호키 생성을 위해 입사된 광신호 중 제2 광신호에 대해서만 위상을 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거친 제2 광신호는 V'에서 V'a로 위상이 변경된다.
이어서, 상기 제1 광신호와 제2 광신호는 가변 감쇄기(Variable Attenuator, VA)(121)를 거쳐 단일 광자(또는, 유사 단일 광자)로 변환되어 양자 채널(130)을 통해 다시 송신기(110)로 전송된다.
이에 따라, 상기 송신기(110)로 전달된 단일 광자 수준의 제1 광신호 및 제2 광신호는 처음 수신기(120)로 전송될 때 이동했던 광 채널과 동일한 경로를 통해 다시 전송되므로, 송신기(110)에서 수신기(120)로 전송될 때 틀어진 편광의 정도와 같은 편광 틀어짐이 발생하면서, 결과적으로 양자 채널(130)에서 발생했던 편광의 틀어짐은 상쇄되어 사라지게 된다.
그 결과 상기 제1 광신호의 편광 H'는 H로, 상기 제2광신호의 편광 V'a는 Va의 편광으로 보정되어 다시 상기 송신기(110)에 도달하게 된다.
이어서, 처음 송신기(110)의 지연 라인(DL)을 구비하는 제2 경로(P2)를 거쳐 전송되었던 제2 광신호는 패러데이 미러(FM)(124)에 의해 편광이 90도 회전하기 때문에 상기 편광 빔 스플리터(PBS)(116)에 의해 제1 경로(P1)를 통해 이동하고, 반대로 상기 제1 경로(P1)를 통해 전송되었던 제1 광신호는 상기 편광 빔 스플리터(PBS)(116)에 의해 제2 경로(P2)를 통해 지연 라인(DL)(115)을 거쳐 이동하게 된다. 결과적으로 상기 제1 광신호와 제2 광신호는 송신기(110)의 빔 스플리터(BS)(113)를 기준으로 동일한 거리를 이동하게 되면서 상기 빔 스플리터(BS)(113)에 동시에 도달하게 되고, 제1 위상 변조기(PMA)(123a), 제2 위상 변조기(PMB)(114) 등에 의한 위상 변화에 따라 간섭을 일으키게 된다.
이때, 양자 암호키 분배 시스템(100)의 수신기(120)에서 편광 종속적인 제1 위상 변조기(PMA)(123a)와 광강도 변조기(IM)(123b)는 편광 종속 특성을 보상하기 위해서 들어올 때와 나갈 때 각각 2번의 위상 제어를 수행하게 된다. 이에 따라, 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)와 상기 광강도 변조기(IM)(123b)로 들어오는 광신호와 나가는 광신호의 경우 패러데이 미러(FM)(124)에 의해 90도의 편광 차이를 가지고 있기 때문에 두 번의 위상 제어를 통해 편광에 의한 위상 제어 오차를 보상할 수 있게 된다.
그런데, 상기 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 송신기(110)에서 전송되는 제1 광신호와 제2 광신호는 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 제2 경로(P2)의 길이(LP2) 차이(dL = LP2 - LP1) 만큼의 간격을 가지고 수신기(120)로 입사된다.
또한, 수신기(120)도 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 스토리지 라인(SL)(122), 제1 위상 변조기(PMA)(123a), 광강도 변조기(IM)(123b), 패러데이 미러(FM)(124)의 순서로 회로를 구성할 수 있다.
이때, 상기 편광 종속 소자(123)의 배열 순서는 무관하며, 다시 말해 스토리지 라인(SL)(122) 이후 편광 종속 소자(123)와 패러데이 미러(FM)(124)를 연속적으로 구성할 경우(도 3의 ①), 상기 구성에서 수신기(120)의 제1 위상 변조기(PMA)(123a), 광강도 변조기(IM)(123b), 패러데이 미러(FM)(124)를 포함한 거리를 'D'라고 하면 상기 D를 상기 dL보다 1/2 이상 짧게 구성할 경우 상기 제1 광신호가 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거쳐 패러데이 미러(FM)(124)에 반사되고 다시 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 통과하는 시점까지 상기 제2 광신호는 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 도달하지 않게 된다.
이때, 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)와 광강도 변조기(IM)(123b)의 위치 순서는 변경되어도 무관하다. 이에 따라, 상기 광강도 변조기(IM)(123b)가 먼저 위치할 경우 상기 제1 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 거쳐 패러데이 미러(FM)(124)에 반사되고 다시 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 통과하는 시점까지 상기 제2 광신호는 상기 광강도 변조기(IM)(123b)에 도달하지 않게 된다.
또한, 상기 수신기(120)에서 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)는 제2 광신호에 대해서만 작동할 수 있다. 이에 따라, 상기 D가 dL 보다 1/2 이상 짧게 구성될 경우 상기 제2 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거쳐 패러데이 미러(FM)(124)에 반사되어 다시 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 들어오는 시간 동안 상기 제1 광신호는 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)와 패러데이 미러(FM)(124) 사이에 위치하지 않게 된다.
이에 따라, 연속하는 1회의 제어 신호로 상기 제2 광신호의 위상을 제어하고 편광 틀어짐에 오차를 보상하기 위하여, 상기 제1 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 나간 이후, 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 'T' 시간만큼 제어 신호를 인가하면, 상기 제2 광신호는 상기 'T' 시간동안 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 들어오고 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사 후 다시 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거쳐 나가는 동안 두 번의 위상 제어를 받게 되어 편광에 의한 위상 오차를 상쇄할 수 있게 된다.
이 때, 상기 'T'는 다음의 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
T = 2N/c + E (c: 광 회선에서 빛의 속도)
또한, 상기 수신기(110)에서 미끼 데이터(Decoy state)의 생성을 위해 상기 광강도 변조기(IM)(123b)는 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호 모두에 대하여 수행되어야 하며, 이에 따라 상기 제1 광신호와 제2 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 거쳐 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되고 다시 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 통과하는 순간까지 연속하는 1회의 제어 신호를 걸어주면 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호는 두 번의 제어를 받게 되어 편광에 의한 위상 오차를 상쇄할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 도 4a와 도 4b에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서의 광신호 및 편광 종속 소자를 제어하는 제어 신호를 설명하고 있다.
먼저, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이 종래 기술에서 제2 광신호가 수신기(120)에 입력되어 편광 종속 소자(123)를 통과하는 시점(S21)과, 패러데이 미러(124)에서 반사되어 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 통과하는 시점(S22)의 사이에 제1 광신호가 상기 편광 종속 소자(123)를 통과하게 되므로(S12), 상기 S21과 상기 S22를 나누어 개별적으로 고속의 제어 신호(C11, C12)로 제어해야 하는 어려움이 따랐다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 광신호가 수신기(120)에 입력되어 편광 종속 소자(123)를 통과하는 시점(S21)과, 패러데이 미러(124)에서 반사되어 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 통과하는 시점(S22) 사이에 상기 제1 광신호가 위치하지 않게 되어, 상기 S21과 상기 S22를 통합하여 하나의 저속 제어 신호(C11)으로 제어하는 것이 가능해 진다.
이하, 도 3 내지 도 4a, 4b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템을 보다 자세하게 설명한다.
또한, 아래에서는 상기 수신기(120)에 편광 종속 소자(123)로서 위상 변조기(PMA)(123a)가 구비되는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 종래에는, 도 3과 같이 제2 위상 변조기(PMB)(114)가 제2 경로(P2)에 위치한 경우, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이 제1 광신호가 수신기(120)로 입사된 후(도 4a의 S1), 제2 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PM)(123a)를 통과하는 시점에 제1 제어 신호를 인가하여 상기 제2 광신호의 위상를 변조하였다(도 4a의 (S21)).
또한, 상기 제2 광신호가 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되어 다시 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 통과하는 시점에 다시 제1 제어 신호를 인가하여 상기 제2 광신호의 위상를 변조함으로써(도 4a의 (S22)), 상기 제2 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거치는 동안 두 번의 위상 제어를 받게 되면서 편광에 의한 위상 오차를 보정하였다.
그런데, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 통과하고 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되어 다시 상기 제1 위상 변조기(PM)(123a)에 도달하기 이전에, 상기 제2 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 도달할 수 있다(도 4a의 (S21)).
이에 따라, 종래에는 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 대하여 상기 (S21) 시점에 상기 제2 광신호에 대한 제1 제어 신호를 인가한 후 제거하고, 상기 (S22) 시점에 상기 제2 광신호에 대한 제2 제어 신호를 인가하여야 하는 바, 상기 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 적절한 제어를 위해서는 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)이 대한 제어 신호를 고속으로 변환하면서 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호에 대한 정확한 제어를 수행하여야 하는 어려움이 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 송신기(110)에서 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)가 수신기(120)에서의 편광 종속 소자(123)와 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지도록 함으로써(dL ≥ 2D), 연속된 1회의 제어 신호로 상기 편광 종속 소자(123)에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있게 한다.
보다 구체적으로, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 상기 수신기(120)로 입사된 제1 광신호가 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 거쳐(도 4b의 S11) 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되어 다시 상기 제1 위상 변조기(PM)(123a)를 통과하는 시점까지(도 4b의 S12), 상기 제2 광신호가 상기 위상 변조기(PM)(123a)에 도달하지 못한다.
이에 따라, 상기 제2 광신호가 상기 수신기(120)로 입사되는 시점에, 제 1 광신호가 이미 상기 제1 위상 변조기(PM)(123a)를 통과하게 되므로, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2 광신호에 대하여 연속하는 1회의 제어 신호로서 상기 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 효과적으로 보정할 수 있게 된다 (도 4b의 (C11)).
또한, 아래에서는 상기 수신기(120)에 편광 종속 소자(123)로서 광강도 변조기(IM)(123b)가 구비되는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 종래에는, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 광신호가 수신기(120)로 입사되면(도 4a의 S1) 상기 제1 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 통과하는 시점에 제1 제어 신호를 인가하여 상기 제1 광신호의 광강도를 변조하였다(도 4a의 (S11)).
또한, 상기 제1 광신호가 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되어 다시 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 통과하는 시점에 다시 제1 제어 신호를 인가하여 상기 제1 광신호의 광강도를 변조함으로써(도 4a의 (S12)), 상기 제1 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 거치는 동안 두 번의 위상 제어를 받게 되어 편광에 의한 위상 오차를 보정하였다.
그런데, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)를 통과하고 상기 패러데이 미러(FM)(124)에서 반사되어 다시 상기 광강도 변조기(IM)(123b)에 도달하기 이전에, 상기 제2 광신호가 상기 광강도 변조기(IM)(123b)에 도달할 수 있다(도 4a의 (S21)).
이에 따라, 종래에는, 상기 광강도 변조기(IM)(123b)에 대하여 상기 (도 4a의 S11) 시점에 상기 제1 광신호에 대한 제1 제어 신호를 인가한 후 제거하고, 상기 (도 4a의 S21) 시점에 상기 제2 광신호에 대한 제2 제어 신호를 인가하여야 하는 바, 상기 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 적절한 제어를 위해서는 상기 광강도 변조기(IM)(123b)이 대한 제어 신호를 고속으로 변환하면서 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호에 대한 정확한 제어를 수행하여야 하는 어려움이 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 송신기(110)에서 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)가 수신기(120)에서의 편광 종속 소자(123)와 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지도록 함으로써(dL ≥ 2D), 연속된 1회의 제어 신호로 상기 편광 종속 소자(123)에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있게 한다.
이에 따라, 본 발명에서는 양방향(2-way) 양자 암호키 분배 시스템(100)에서, 예를 들어 송신기(110)에 위치하는 간섭계의 지연 라인(DL)(115)의 길이와 수신기(120)에 위치하는 패러데이 미러(FM)(124)와 제1 위상 변조기(PMA)(123a), 광강도 변조기(IM)(124) 사이의 간격을 조절하여 송신기(110)에서 전송한 제1 광신호와 제2 광신호 중 제1 광신호가 수신기(120)의 패러데이 미러(FM)(124)에 의해 반사된 후 제2 광신호가 수신기(120) 제1 위상 변조기(PMA)(123a)에 도착하기 전에 수신기(120)의 제1 위상 변조기(PMA)(123a)를 빠져 나갈 수 있도록 하여, 제2 광신호가 제1 위상 변조기(PMA)(123a) 및 광강도 변조기(IM)(124)에 영향을 받는 동안 상기 제1 광신호가 영향을 받지 않도록 수신기(120)와 송신기(110)를 설계하게 된다.
위에서는, 제1 위상 변조기(123a)와 광강도 변조기(123b)의 예를 들어 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 제어를 수행하는 경우를 설명하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 편광 종속 소자(123)에 대하여 적용하는 것이 가능하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 상기 수신기(120)의 상기 복수의 편광 종속 소자(123)는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 연속하여 배치될 수도 있으나(도 3의 제1 위상 변조기(123a), 광강도 변조기(123b)), 이외에도 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 광회선을 분리하거나 방향을 변경하는 빔 스프리터(BS) (도 5의 (a)), 서큘레이터(Circulator) (도 5의 (b)) 등의 광소자를 이용하여 이격되어 배치되는 등 다양한 형태로 구성될 수도 있으며, 이때 각 편광 종속 소자(123)는 사용되는 용도에 맞추어 제 1 광신호와 제2 광신호를 개별적으로 변조하거나, 또는 제1 광신호와 제 2 광신호 모두를 변조할 수 있다.
또한, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 송신기(110)의 구성도를 예시하고 있으며, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 수신기(120)의 구성도를 예시하고 있다.
앞서 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)에 대한 설명에서 상기 송신기(110)와 수신기(120)에 대하여 상세하게 설명한 바, 아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 송신기(110) 및 수신기(120)의 구성 및 동작을 핵심적인 요지를 중심으로 설명한다.
먼저, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 송신기(110)는, 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 수신기(120)와 양자 암호키를 분배하는 송신기(110)에 있어서, 광신호를 생성하는 광원(111), 상기 광신호를 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여, 상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(113) 및 상기 제2 경로(P2)에 구비되어 상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(115)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 수신기(120)에 구비되는 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지게 된다(dL ≥ 2D).
또한, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 시스템(100)의 수신기(120)는, 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 송신기(110)와 양자 암호키를 분배하는 수신기(120)에 있어서, 광신호의 편광에 따라 동작 특성이 달라지는 편광 종속 소자(123) 및 입사된 광신호의 편광을 90도 회전시켜 반사시키는 패러데이 미러(124)를 구비하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 송신기(110)에서 생성된 광신호가 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할되어 순차 전송되면, 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호를 상기 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(124)에서 반사시키고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하게 된다.
이때, 상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는, 상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지게 된다(dL ≥ 2D).
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 방법, 장치 및 시스템에서는, 양방향(2-way) 구조와 같이 광신호가 동일한 광 회선을 왕복하는 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 편광 종속 소자(123)를 사용하여 수신기(120) 등의 장치를 구성하는 경우 연속된 1회의 제어 신호로 상기 편광 종속 소자(123)에 대한 제어를 수행하여 편광 종속 특성에 의한 오류를 보정할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 송신기(110)와 수신기(120)에 대하여 양자 암호키를 분배하는 양자 암호키 분배 시스템(100)에 있어서,
    광신호를 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할하여 순차 전송하는 송신기(110); 및
    상기 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호가 편광 종속 소자(123)를 거쳐 패러데이 미러(124)에서 반사되고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하는 수신기(120);를 포함하며,
    상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는,
    상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신기(110)는,
    광신호를 생성하는 광원(111); 및
    상기 광신호를 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호로 분할하여,
    상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(113);를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 경로(P2)에는,
    상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(115)이 구비되는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신기(110)에는,
    편광 빔 스플리터(116)가 구비되어,
    상기 제1 경로(P1)를 통해 진행한 상기 제1 광신호를 제1 편광으로 편광시키고,
    상기 제2 경로(P2)를 통해 진행한 상기 제2 광신호를 상기 제1 편광과 수직하는 제2 편광으로 편광시키는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터(116)에서는,
    상기 수신기(120)에서 전송된 상기 제1 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 진행시키고, 상기 제2 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 진행시키는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신기(120)에서,
    상기 제1 광신호 또는 상기 제2 광신호가 상기 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(124)에서 반사되고 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거치는 동안,
    상기 편광 종속 소자(123)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호로서 1회의 연속된 제어 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신기(120)에는,
    상기 편광 종속 소자(123)가 복수개 구비되며,
    상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는,
    상기 복수의 편광 종속 소자(123) 중 상기 패러데이 미러(124)로부터 멀리 위치하는 것과 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함되며,
    상기 제1 위상 변조기(123a)는 상기 제2 광신호에 대해서만 위상을 변조하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 편광 종속 소자(123)로서 제1 위상 변조기(123a) 및 광강도 변조기(123b)가 포함되며,
    상기 광강도 변조기(123b)는 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호에 대해서 광강도를 변조하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 시스템.
  10. 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 수신기(120)와 양자 암호키를 분배하는 송신기(110)에 있어서,
    광신호를 생성하는 광원(111);
    상기 광신호를 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여, 상기 제1 광신호를 상기 제1 경로(P1)로 출력하고, 상기 제2 광신호를 상기 제2 경로(P2)로 출력하는 빔 스플리터(113); 및
    상기 제2 경로(P2)에 구비되어 상기 제2 광신호의 진행 경로를 연장시키는 지연 라인(115);을 포함하며,
    상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는,
    상기 수신기(120)에 구비되는 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 하는 송신기(110).
  11. 양자 암호키 분배 시스템(100)에 구비되어 송신기(110)와 양자 암호키를 분배하는 수신기(120)에 있어서,
    광신호의 편광에 따라 동작 특성이 달라지는 편광 종속 소자(123); 및
    입사된 광신호의 편광을 90도 회전시켜 반사시키는 패러데이 미러(124);를 구비하고,
    상기 송신기(110)에서 생성된 광신호가 제1 경로(P1)를 통과하는 제1 광신호와 상기 제1 경로(P1)보다 긴 제2 경로(P2)를 통과하는 제2 광신호로 분할되어 순차 전송되면, 양자 채널(130)을 통해 입사된 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호를 상기 편광 종속 소자(123)를 거쳐 상기 패러데이 미러(124)에서 반사시키고, 다시 상기 편광 종속 소자(123)를 거친 후, 상기 양자 채널(130)을 통해 상기 송신기(110)로 전송하며,
    상기 송신기(110)에서 상기 제1 경로(P1)의 길이(LP1)와 상기 제2 경로(P2)의 길이(LP2)의 차이(dL = LP2 - LP1)는,
    상기 편광 종속 소자(123)와 상기 패러데이 미러(124) 간의 거리(= D)의 두배 보다 크거나 같은 값을 가지는(dL ≥ 2D) 것을 특징으로 하는 수신기(120).
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