KR101327661B1 - 양자 암호키 분배를 위한 광위상 변조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

양자 암호키 분배를 위한 광위상 변조 방법 및 장치가 개시된다. 광간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치하여 간섭계 구성을 단순화할 수 있고, 광위상 변조기가 유발하는 광경로의 연장, 광간섭계의 불안정성 상승, 삽입 손실 상승 등의 문제를 완화할 수 있다. 또한 광간섭계 외부에 배치된 광위상 변조기의 인가 전압의 세기를 조절하여 간섭계의 출력특성을 향상시킬 수 있다.
광위상 변조 방법, 양자 암호키 분배, 안정화, 단순화, 외부 배치

Description

양자 암호키 분배를 위한 광위상 변조 방법 및 장치{OPTICAL PHASE MODULATION METHOD AND APPARATUS FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION}
위상 변조 기반 양자 암호키 분배 시스템에서 광위상 변조기를 간섭계 외부에 배치하고 위상을 변조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-035-02, 과제명: 상용 양자암호통신시스템을 위한 요소 기술 개발].
양자 암호키 분배 시스템(Quantum Key Distribution System)은 단일 광자의 편광 또는 위상을 조절하는 방식으로 단일 광자에 암호 키 정보를 실어 수신자에게 전송한다. 수신자는 편광 수신기 및 광위상 변조기(Optical Phase Modulator) 등을 적용하여 암호 키 정보를 추출한다. 이러한 단일 광자 전송은 광통신 기술을 기반으로 구현되며, 장거리 전송을 목적으로 하는 양자 암호키 분배 시스템은 양자 채널(quantum channel)로 주로 단일 모드 광섬유(Single Mode Optical Fiber)를 사용한다. 단일 모드 광섬유에 편광 변조된 단일 광자를 전송하면 편광 특성이 불안정하여 전송 특성이 좋지 못하므로 편광 변조보다는 위상 변조 방식으로 암호 키를 분배한다.
위상 변조 기반 양자 암호키 분배 시스템에서는 시분할 광간섭(Time-division Interference) 방식을 주로 이용한다. 시분할 광간섭을 위해서는 비대칭 광간섭계(Asymmetric Optical Interferometer), 광위상 변조기 등이 필요하다. 비대칭 광간섭계는 광간섭에 필요한 두 경로의 길이가 서로 다른 구조를 가지고 있다. 비대칭 광간섭계에 입력된 단일 광자는 그 존재 확률 분포가 시간 영역에서 서로 다른 좌표를 갖는 두 개의 분포로 분할된다. 광위상 변조기는 그 중 한 경로를 통과하는 단일 광자의 위상을 변조한다. 수신부의 비대칭 광간섭계는 상기 존재 확률을 시간 영역에서 네 개의 좌표로 분할한다. 만약 송신부와 수신부 비대칭 광간섭계의 경로차가 서로 같다면 네 개의 단일 광자 존재 확률 중 인접한 두 개는 서로 중첩하여 간섭 현상이 발생한다. 수신부에도 광위상 변조기가 있어 단일 광자의 위상을 변조한다. 송신부와 수신부에서 인가한 위상 변조의 합이 2nπ이면 (n은 정수) 중첩한 두 단일 광자의 존재 확률은 보강 간섭하여 최대의 검출 확률을 보이고, 위상 변조의 합이 (2n+1)π이면 상쇄 간섭하여 최소의 검출 확률을 보인다. 따라서, 광간섭 성능은 양자 암호키 전송 시스템의 전체 성능에 영향을 준다.
우수한 광간섭 성능을 위해서는 광간섭계의 편광 및 위상 특성에 대한 안정성이 확보되어야 한다. 수신부 광간섭계에서 간섭하는 두 단일 광자는 편광이 일치해야 하며, 광위상 변조기에 의해 추가적으로 인가된 위상 변조 값을 제외한 전체 광경로에 의한 위상은 일정한 값을 유지해야 한다. 이를 위해서는 광간섭계의 정교한 구성 필수적이며 보완책으로 위상 보상 제어를 수행하기도 한다.
종래의 위상 변조 기반 양자 암호키 분배 시스템용 광간섭계는 광위상 변조기를 간섭계 경로 내부에 배치한다.
도 1은 종래의 광간섭계 구조의 예를 도시한 도면이다. 송신단(110)과 채널(120)과 수신단(130)이 연결된 양자 암호키 분배 시스템이다. 광간섭계는 마흐젠더(Mach-Zehnder)형 간섭계로, 광원(101)으로부터 광자를 받으며, 빔 스플리터(102)와 빔 스플리터(105) 사이(수신단(130)에서는 빔 스플리터(132)와 빔 스플리터(135)사이)에 비대칭 광간섭계 구성을 위한 지연선(delay line, 103)(수신단(130)에서는 지연선(133)) 및 광위상 변조기(104)(수신단(130)에서는 광위상 변조기(134))가 배치된다. 최종적으로 두 단일 광자 검출기(138, 139)에서 광자 검출이 이루어 진다. 양자암호키 고속 전송을 위해서 고속의 광위상 변조기가 사용된다. 고속의 광위상 변조기는 주로 리튬나이오베이트 (LiNbO3) 기반의 평판형 도파로(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 제작된다. 리튬나이오베이트 기반의 광위상 변조기는 광 입출력을 위해 양단이 광섬유로 피그테일(pigtail)되어 있다. 광간섭계 내부에 피그테일 광섬유를 부착한 광위상 변조기를 삽입하면 광경로가 길어져 광간섭계의 불안정성이 높아지고, 구성이 복잡해지며, 평판형 도파로의 편광 의존 특성을 고려하여 구성해야 하므로 구성의 난이도가 높아진다.
길어진 광경로에 의한 비대칭 광간섭계의 불안정성의 원인은 다음과 같다. 광섬유 기반의 광간섭계는 진동 및 온도 변화에 민감하다. 특히, 광섬유는 주변 온도가 변하면 열광학계수(Thermo-optic Coefficient) 및 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient)에 의해 하기 수학식 1과 같이 유효 길이의 변화가 발생하 며 길이가 길수록 유효 길이 변화량이 크다.
Figure 112009079108479-pat00001
여기서 n 은 유효 굴절률,
Figure 112009079108479-pat00002
은 광경로의 길이,
Figure 112009079108479-pat00003
는 온도이다.
Figure 112009079108479-pat00004
는 열광학계수이고,
Figure 112009079108479-pat00005
×
Figure 112009079108479-pat00006
는 열팽창계수이다. 다른 환경에 놓인 송신부 및 수신부의 두 비대칭 광간섭계에 의한 광경로의 유효 길이 변화량이 서로 다르므로 수신부 광간섭계 출력부에서 두 단일 광자의 상대적 위상이 일정한 값을 유지하지 못하게 된다.
만약 도1과 달리 왕복 경로를 사용하는 마이켈슨(Michelson) 간섭계를 사용하면 광경로 길이가 더 길어져 불안정성은 더욱 높아질 수 있다. 또한 광위상 변조기는 기본적으로 수 dB의 삽입 손실(insertion loss)을 가지고 있으므로, 마이켈슨 간섭계를 적용하면 두 비대칭 경로의 손실 차이가 더 커지게 되어 구성의 어려움이 발생한다.
기존 기술의 문제를 해결하기 위해서 여러 가지 방법을 시도할 수 있다. 우선, 피그테일 광섬유의 길이를 줄여 볼 수 있다. 하지만 광커넥터 및 광섬유 융착 접속 등을 이용하여 광경로를 구성할 때에는 작업을 위해 광섬유의 일정 길이를 확보 해야 하므로 길이를 줄이는 데 한계가 있다. 광위상 변조기에 피그테일을 하지 않는 방법도 있다. 하지만 피그테일이 없는 광위상 변조기를 광섬유 기반의 간섭계에 적용하면 복잡한 광정렬 문제가 발생한다.
본 발명의 실시예에 따른 광위상 변조기를 간섭계 외부에 배치하는 방법 및 장치를 제공하고 이 경우 고려해야 하는 위상 변조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원으로부터 단일 광자를 입력 받아, 상기 입력된 단일 광자의 존재 확률이 시간영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 단일 광자의 경로를 복수 개로 분할하는 광간섭계 및 상기 광간섭계의 외부에 연결되고, 상기 복수 개의 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조기를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치가 제공된다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광섬유기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 송신장치의 광간섭계는 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광학계 기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치로부터 단일 광자를 수신하고, 상기 단일 광자 중 위상이 변조되지 않은 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조기 및 상기 광위상 변조기로부터 수신된 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 광위상 변조기로부터 수신된 광 자의 경로를 분할하는 광간섭계를 포함하고, 상기 광위상 변조기는 상기 광간섭계의 외부에 연결되는 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치가 제공된다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 수신장치의 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광섬유기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 수신장치의 광간섭계는 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광학계 기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 경로가 복수 개로 분할된 단일 광자에 대해, 시간 및 폭이 조절된 변조 신호를 입력하여 상기 복수 개로 분할된 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 광자의 위상을 선택적으로 변조시키는 광위상 변조기를 포함하는 송신단 광위상 변조부 및 상기 송신단 광위상 변조부를 거쳐서 수신된 단일 광자 중에서 송신단 광위상 변조부에 의해 위상이 변조되지 않은 광자의 위상을 선택적으로 변조하는 수신단 광위상 변조부를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템이 제공된다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 수신단 광위상 변조부의 인가 전압의 세기는 상기 송신단 및 상기 수신단에 각각 설치된 두 광간섭계의 위상 차를 고려해서 결정되는 광위상 변조부를 포함할 수 있다. 이때 상기 위상 차는 최대 확률로 검출된 단일 광자의 수 및 최소 확률로 검출된 단일 광자의 수에 기초하여 계산되는 광위상 변조부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원으로부터 단일 광자를 입력 받는 단계, 상기 입력된 단일 광자의 존재확률이 시간영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 단일 광자의 경로를 복수 개로 분할하는 광간섭 단계; 및 상기 광간섭 단계가 이루어지는 장치 외부에서, 상기 복수 개의 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조단계를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신단을 거쳐 전송된 단일 광자를 수신하고, 상기 수신된 단일 광자 중 위상이 변조되지 않은 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조단계; 및 상기 광위상 변조단계를 거친 단일 광자를 시간영역에서 서로 상이한 복수 개의 확률분포로 분할하는 광간섭 단계를 포함하고, 상기 광위상 변조단계는 상기 분할단계와 분리하여 행해지는 양자 암호키 분배 시스템의 수신방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 경로가 복수 개로 분할된 단일 광자에 대해, 시간 및 폭이 조절된 변조 신호를 입력하여 상기 복수 개로 분할된 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 광자의 위상을 선택적으로 변조시키는 송신단 광위상 변조단계; 및 상기 송신단 광위상 변조단계를 거쳐서 수신된 상기 경로가 복수 개로 분할된 상기 단일 광자 중에서 송신단 광위상 변조부에 의해 위상이 변조되지 않은 광자의 위상을 선택적으로 변조하는 수신단 광위상 변조단계를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 광위상 변조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치함으로써, 광간섭계 구성을 단순화 할 수 있고, 다른 구조의 광간섭계로의 전환이 용이해질 수 있고, 비대칭 광간섭계의 두 경로의 경로차를 설정하는 것이 용이해 질 수 있다. 또한 광위상 변조기가 유발하는 광경로의 연장, 광간섭계 불안정성 상승, 삽입 손실 상승 등의 문제를 완화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광간섭계 외부에 배치된 광위상 변조기의 인가 전압의 세기를 조절하여 송신부 광간섭계와 수신부 광간섭계의 위상차를 보상하는 등 간섭계의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 광간섭계의 외부에 광위상 변조기를 배치한 양자 암호키 분배 시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 광원(210)으로부터 나온 단일 광자는 광간섭계(220)로 입력되어 시간 영역에서 존재확률이 서로 다른 두 좌표에 분포하도록 경로가 분할된다. 광간섭계 외부에 연결된 광위상 변조기(230)는 상기 둘 중 한 좌표에 해당하는 단일 광자에 위상 변조를 가한다. 광섬유 기반의 양자 채널(240)을 통해 전송 된 후, 광위상 변조기(250)에서 위상이 변조되지 않은 다른 하나의 단일 광자에 위상 변조가 가해진다. 두 단일 광자는 광간섭계(260)에서 분할되고 중첩되어 단일 광자 검출기(270)에서 검출된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 시분할 광간섭시 단일 광자의 검출확률분포(보강간섭 및 상쇄간섭)를 보여주는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 두 단일 광자는 광간섭계(260)에서 분할되고 중첩되어 도 3의 분포도와 같은 광간섭에 의한 단일 광자 검출 확률로 단일 광자 검출기(270)에서 검출된다. 두 개의 비대칭 광간섭계에 의해 생성된 네 개의 단일 광자 분포 중, 인접한 두 개는 서로 간섭하고 나머지 두 개는 간섭하지 않는다. 간섭하지 않는 두 확률 분포(310과 330, 340과 360)의 단일 광자들은 항상 일정한 검출 값을 보이므로 어떠한 암호 키도 전송할 수 없어 고려 대상에서 제외된다. 인접한 두 단일 광자는 보강 간섭(320)하여 최대 검출 확률을 보이거나, 상쇄 간섭(350)하여 최소 검출 확률을 보인다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 광위상 변조기(230, 250)를 광간섭계(220, 260) 외부에 배치하므로 광간섭계의 종류에 무관한 구성이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 마이켈슨 간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치한 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 광섬유기반의 마흐젠더 광간섭계(420, 460)를 사용한 경우 광원(410)으로부터 입력된 단일 광자는 마흐젠더 광간섭계(420)를 거친 후 외부의 광위상 변조기(430)를 통해 위상이 변조된다. 그 후 양자채널(440)을 통해 수 신단 광위상 변조기(450)를 거치고 마흐젠더 광간섭계(460)를 지나 단일 광자 검출기((471), (472))에서 검출된다.
도 4를 참고하면, 광섬유기반의 마이켈슨 광간섭계(426, 466)를 사용한 경우 광원(411)으로부터 입력된 단일 광자는 마이켈슨 광간섭계(426)를 거친 후 외부의 광위상 변조기(431)를 통해 위상이 변조된다. 그 후 양자채널(441)을 통해 수신단 광위상 변조기(451)를 거치고 마이켈슨 광간섭계(466)를 지나 단일 광자 검출기(473, 474)에서 검출된다.
일례로 도 4에 도시되지 않았지만, 광섬유 기반의 마흐젠더 광간섭계(420, 460)에서는 편광을 일치시키기 위해 광경로에 편광 조절기를 삽입하거나, 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber)를 사용할 수 있다. 마이켈슨 광간섭계(426,466)는 패러데이 거울(Faraday Mirror)을 이용하여 경로상의 편광 변화를 상쇄하므로 광간섭계의 두 출력 단일 광자의 편광이 일치한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 마이켈슨 간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치한 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 광학계 기반의 마흐젠더 광간섭계(520, 560)를 사용한 경우 광원(510)으로부터 입력된 단일 광자는 마흐젠더 광간섭계(520)를 거친 후 외부의 광위상 변조기(530)를 통해 위상이 변조된다. 그 후 양자채널(540)을 통해 수신단 광위상 변조기(550)를 거치고 마흐젠더 광간섭계(560)를 지나 단일 광자 검출기((571), (572))에서 검출된다.
도 5를 참고하면, 광학계 기반의 마이켈슨 광간섭계((526), (566))를 사용한 경우 광원(511)으로부터 입력된 단일 광자는 마이켈슨 광간섭계(526)를 거친 후 외부의 광위상 변조기(531)를 통해 위상이 변조된다. 그 후 양자채널(541)을 통해 수신단 광위상 변조기(551)를 거치고 마이켈슨 광간섭계(566)를 지나 단일 광자 검출기((573), (574))에서 검출된다.
본 발명에서 예로 든 피그테일된 리튬나이오베이트 기반의 광위상 변조기를 적용하는 경우가 아니더라도 광간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치하는 것은 여러 가지 장점이 있다. 우선, 간섭계의 구성이 단순해질 수 있다. 그리고 다른 구조의 간섭계로 전환하는 것이 용이할 수 있다. 또한, 비대칭 광간섭계의 두 경로의 경로차를 설정하는 데 용이할 수 있다. 일반적으로 광위상 변조기의 굴절률은 광섬유 기반의 광간섭계에서 광경로를 구성하는 실리카 광섬유 및 광학계 기반의 광간섭계에서 광경로를 구성하는 공기와 굴절률이 다르며, 자체 두께 또는 길이에 의한 광경로를 갖는다. 따라서, 광위상 변조기를 경로에서 제거하면 간섭계의 광경로 길이 계산이 간단해질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 광위상 변조기를 광간섭계 외부에 배치하는 경우, 송신부 광위상 변조기 및 수신부의 광위상 변조기는 기존과 다른 방법으로 위상 변조 과정을 수행해야 한다. 종래의 기술에서는 비대칭 광간섭계의 한 쪽 경로에만 광위상 변조기가 배치되므로 두 경로로 경로가 분할된 단일 광자는 서로의 상대적인 위치에 상관없이 변조가 가능했다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서는 두 단일 광자가 인접하여 전송되는 상태에서 위상을 변조해야 하므로 선택적인 위상 변조가 필요하며, 수신부 광간섭계 통과 후 발생하는 간섭 현상을 고려한 위 상 변조가 이뤄져야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 구조의 각 구성 단위에서 발생하는 위상 변화 및 수신부 광간섭계의 두 출력에 따른 위상 변화 경우의 수를 정리하여 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 광원(610)으로부터 입력 받은 단일 광자는 송신단 광간섭계(620)를 통과하고 송신단 광위상 변조기(630), 양자채널(640), 수신단 광위상 변조기(650) 및 수신단 광간섭계(660)을 차례로 통과할 수 있다.
도 6을 참고하면, 도 2에서 설명한 바와 같이 두 개의 비대칭 광간섭계를 통과한 단일 광자는 최종적으로 세 개의 단일 광자 검출 분포를 나타낸다. 이 중에서 간섭에 기여하지 않는 두 개의 고정 검출 분포는 두 비대칭 광간섭계(620, 660)의 짧은(short) 경로(광지연(optical delay)(622, 662)을 지나지 않는 경로)를 두 번 지나거나, 긴(long) 경로(광지연(optical delay)(622, 662)을 지나는 경로) 를 두 번 지나면 발생한다. 두 개의 비대칭 광간섭계 중 첫 번째 광간섭계(620)에서는 짧은 경로를 지나고 두 번째 광간섭계(660)에서는 긴 경로를 지난 단일 광자와 그 반대 경우의 경로를 지난 단일 광자가 만나면 간섭 현상이 발생한다. 송신부와 달리 수신부의 광간섭계(660)는 빔 스플리터(beam splitter)(663)의 두 출력(출력 1 및 출력 2)을 모두 사용한다. 이 경우 두 출력은 π의 위상차를 갖는데 한 쪽이 보강 간섭 출력을 나타내면 다른 쪽은 상쇄 간섭 출력을 나타내어 두 출력의 대비로 검출 결과를 좀 더 확실히 할 수 있다. 도 6을 참고하면, 빔 스플리터(621, 623, 661, 663)는 통상 2×2 광 커플러(optical coupler)를 이용하여 구현할 수 있 는데, 2×2 광 커플러에서는 평행하는 입출력의 경우 위상 변화가 없지만 교차하는 입출력의 경우 π/2 의 위상 변화를 수반한다. 광학계 기반 광간섭계에 사용되는 빔 스플리터는 공기 쪽에서 공기-매질의 경계면으로 입사할 경우 TM(Transverse Magnetic) 모드 파의 반사 경우에만 π의 위상 변화를 수반하고 나머지의 경우는 위상 변화가 없다. 반대로 매질 쪽에서 입사할 경우 TE(Transverse Electric) 모드 파의 반사 경우에만 π의 위상 변화를 수반하고 나머지의 경우는 위상 변화가 없다. 이러한 성질을 이용하여 광학계 기반의 광간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치한 경우에 대하여 각 구성 단위(광간섭계 내부의 빔 스플리터들(621, 623, 661, 663) 및 광지연(622, 662), 광위상 변조기(630, 650)의 위상 변화를 각 해당 구성 단위 아래에 경로(짧은 경로, 긴 경로)를 나누어 정리하였다. 광학계 기반의 광간섭계를 사용하여도 작동 원리에는 큰 차이가 없다.
표 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 6에서 설명한 두 개의 비대칭 광간섭계의 경로 조합으로 발생할 수 있는 최종 간섭 광의 위상을 정리한 표이다.
Figure 112009079108479-pat00007
표 1을 참조하면, 수신단의 두 출력(671, 672)은 서로 π의 위상차를 가지며, 송신부 광위상 변조기(630) 및 수신부 광위상 변조기(650)의 위상 변조량에 따라 다양한 출력을 가질 수 있다. 만약 송신부 광위상 변조기(630) 및 수신부 광위상 변조기(650)가 동일한 위상 변조를 인가했다면, 출력 1(671)은 보강 간섭으로 최대 단일 광자 검출 확률을 나타내고 출력 2(672)는 상쇄 간섭으로 최소 확률을 나타내게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변조 방법 및 장치의 예를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 수직으로 세워진 화살표의 높이는 단일 광자의 검출 확률을 나타낸다. 화살표에 표기한 숫자는 단일 광자의 상대 위상을 나타낸다. 단일 광자는 광원(710)으로부터 나와서, 광간섭계(720)를 거쳐 송신단 광위상 변조기(730)에 입력된다. 송신단의 광위상 변조기(730)는 두 단일 광자 중 하나 이상의 위상을 ΦA 만큼 변조하고, 채널(740)을 거친 뒤 수신단의 광위상 변조기(750)는 다른 광자의 위상을 ΦB 만큼 변조(751)할 수 있다. 이를 위해서 두 단일 광자를 선택적으로 변조할 수 있도록 시간과 폭이 조절된 변조 신호를 광위상 변조기(730, 750)에 입력할 수 있다. 도 7에 송신단 광위상 변조기(730)와 수신단 광위상 변조기(750)에 입력될 변조 신호 그래프를 각각 위상이 변조될 단일 광자의 시간축 상의 상대적 위치(731, 751)에 맞게 그 아래에 표시하였다.
상기 실시예에서는 송신부 광위상 변조기(730)는 전행하는 단일 광자의 위상을 ΦA 만큼 변조했지만, 후행하는 단일 광자의 위상을 변조하는 것도 가능하다. 이 경우 수신부 광위상 변조기(750)는 송신부 광위상 변조기(730)에서 변조하지 않은 단일 광자의 위상을 변조하면 된다.
도 7과 같이 수신부 광간섭계(760)의 출력 1(771)에는 1/16 의 확률을 갖고 간섭과 무관하며 각각 ΦA 및 ΦB 로 위상 변조된 두 단일 광자 검출 분포와 1/8 의 확률을 갖고 ΦA - ΦB 의 위상차로 간섭하는 단일 광자 검출 분포가 출력될 수 있다. 출력2(772)에는 중심부에 ΦA - ΦB - π 의 위상차로 간섭하는 단일 광자 검출 분포가 출력될 수 있다.
표 2는 위상 변조 기반의 양자암호키 분배 방법에 대한 한 예로서, BB84(Bennett Brassard 84)로 명명된 양자암호키 분배 프로토콜을 적용한 경우에 본 발명의 일 실시예에 따라 송신부 및 수신부 각각의 광위상 변조기에서 인가하는 위상 변조량을 정리한 표이다.
Figure 112009079108479-pat00008
표 2를 참조하면, 송신단 광위상 변조기(230)의 경우에는 양자암호키에 해당하는 비트(bit) 정보와 및 비밀 통신을 가능하게 하는 기저(basis) 정보를 조합하여 4단계로 위상 변조할 수 있다. 즉 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식이다. 각 비트마다 서로 직교하는 두 개의 기저 정보를 가질 수 있다. 기저 정보는 무작위로 생성된다. 따라서, 0π, π/2, π 및 3π/2 등의 위상 값을 가지는 단일 광자가 생성될 수 있다. 수신단에서는 직교하는 두 기저 정보를 무작위로 생성하여 비트 정보와의 조합 없이 적용할 수 있다. 이 경우 수신단 광위상 변조기(250)는 0π 또는 π/2의 위상 변화를 가하거나 π 또는 3π/2의 위상 변화를 가할 수 있다. 통상적으로 수신단 광위상 변조기(250) 구동의 편리함을 위해 0π 또는 π/2로 위상 변조를 가하여 서로 직교하는 기저 정보를 인가한다.
이 경우, 표 2와 같은 위상 변조에 따르는 광간섭이 발생한다. 표 2에서 의문 부호('?')는 무작위로 생성된 송신단과 수신단의 기저 정보가 일치하지 않아 두 단일 광자 검출기(270)에서 최소도 최대도 아닌 확률로 단일 광자가 검출되는 경우를 의미한다. 이 결과는 양자 암호키 분배 시스템의 기저 교환 절차에서 무효한 데이터로 취급되어 삭제되므로 광간섭계의 작동에서 고려할 사항은 아니다.
도 8은 송신단 광위상 변조부(830)를 광위상 변조기를 연속으로 배치하여 구성한 예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 송신단의 QPSK 위상 변조를 두 개의 광위상 변조기를 연속으로 사용하는 구성으로 수행할 수 있다. 즉, 하나는 비트 정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고(831) 다른 하나(832)는 기저 정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하도록 광위상 변조기를 연속으로 구성할 수 있다. 비트정보에 해당하는 단일 광자의 위상을 변조하는 광위상 변조기와 기저정보에 해당하는 위상을 변조하는 광위상 변조기의 배치순서를 바꿔서 구성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서 제공하는 광위상변조 방법을 응용하여 광간섭계의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 광간섭계 구조는 광위상 변조기를 외부에 배치하여 간섭계 구성을 용이하게 하고 광간섭계의 불안정성을 억제한다. 나아가 외부에 배치한 광위상 변조기를 이용하여 광간섭계를 안정화시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 광간섭계에서 일어나는 위상차를 보정하여 광간섭계를 안정화시키는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 송신단 및 수신단의 두 비대칭 광간섭계의 경로차는 서로 다른 외부 온도 및 진동 등의 환경에 놓이면 달라질 수 있다. 이 경우, 광간섭계의 두 출력은 최대 및 최소의 검출 확률에서 벗어난 값을 나타낼 수 있다. 본 발명에 일 실시예에 의한 광간섭계 안정화 방법에서는 단일 광자 검출기(971, 972)에서 검출하는 단일 광자의 수를 신호 처리 단위(980)에서 지속적으로 감시한다. 검출된 단일 광자의 수를 이용하여 하기 수학식 2와 같이 광간섭계 선명도(V, Visibility)를 계산할 수 있다.
Figure 112009079108479-pat00009
Cmax는 최대 확률로 검출된 단일 광자의 수이고, Cmin은 최소 확률로 검출된 단일 광자의 수를 나타낸다. 광간섭계의 선명도 변화는 송신단 광간섭계 및 수신단 광간섭계(960)의 위상차(ΔΦ)에 의해 발생하며 하기 수학식 3의 관계를 갖는다.
Figure 112009079108479-pat00010
그리고 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 검출된 단일 광자 수의 변화에서 위상차의 변화를 계산할 수 있다. 이 값을 이용하여 수신단 광위상 변조기(950)를 작동할 때 인가 전압 제어장치(990)를 통해 인가 전압의 세기를 조절할 수 있다. 광위상 변조기가 반파장(π)의 위상 변화를 유도하는데 필요한 인가 전압은 Vπ이다. 따라서 수신부 광위상 변조기를 작동할 때 Vα의 전압을 추가로 인가하여 α(= π/Vπ×Vα= ΔΦ)만큼의 위상 변화가 추가적으로 가해지도록 할 수 있다. 이러한 방법으로 간섭계 외부에 배치된 광위상 변조기를 이용하여 송신부 광간섭계와 수신부 광간섭계(960)의 위상차를 보상할 수 있다.
도 9를 참조할 때, 도 9 상단의 그래프는 전압 Vα가 추가로 인가된 수신단 광위상 변조기의 위상 변조 신호의 예를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 광간섭계에서 일어나는 위상차를 보정하여 광간섭계를 안정화시키는 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(S1010)에서 광원으로부터 단일 광자를 수신한다.
그 후 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 경로를 복수 개로 분할한다(S1020, 광간섭 단계). 이때 간섭방법은 마흐젠더 광간섭 또는 마이켈슨 광간섭 방법일 수 있고, 광섬유기반 또는 광학계기반으로 수행할 수 있다. 또한 편광유지섬유를 사용하거나, 편광조절기를 사용할 수도 있다.
그리고 시간 및 폭이 조절된 변조 신호를 입력하여 상기 복수 개로 분할된 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 선택적으로 변조시킬 수 있다(S1030). 이를 위해서 시간과 폭이 조절된 변조 신호가 입력될 수 있다.
또한 상기 광위상 변조단계를 연속으로 수행할 수 있다. 이때 하나의 위상변조 단계에서는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고 또 다른 하나의 위상변조 단계에서는 기저정보에 해당하는 만큼 단일광자의 위상을 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 양자채널을 통과할 수 있다(S1040). 양자채널은 광섬유기반일 수 있다.
그 후 양자 채널을 거쳐 수신된 단일 광자 중에서 단계(S1030)에서 위상이 변조되지 않은 광자의 위상을 선택적으로 변조할 수 있다(S1050). 이때 시간 폭이 조절된 변조신호가 입력될 수 있다.
그런 후 다시 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 단일 광자의 경로를 복수 개로 분할한다(S1060, 광간섭 단계). 이때 간섭방법은 마흐젠더 광간섭 또는 마이켈슨 광간섭 방법일 수 있고, 광섬유기반 또는 광학계기반으로 수행할 수 있다. 또한 편광유지섬유를 사용하거나, 편광조절기를 사용할 수도 있다.
그리고 단일 광자 검출기를 통하여 출력되는 단일 광자를 검출한다(S1070).
이때 검출된 단일 광자의 수를 이용하여 광간섭계의 선명도(V, Visibility)를 계산할 수 있고, 이를 통해 두 광간섭 단계(S1030, S1060)의 위상차(ΔΦ)를 계산할 수 있다(S1080). 계산에는 상기 수학식 2와 수학식 3이 이용될 수 있으며 Cmax는 최대 확률로 검출된 단일 광자의 수이고, Cmin은 최소 확률로 검출된 단일 광자의 수를 나타낸다. 위상차가 발생하지 않으면 검출단계는 종료된다.
위상차가 발생되었을 경우, 위상차(ΔΦ) 값을 통해 광위상 변조단계(S1050)의 인가 전압의 세기를 조절할 수 있다. 광위상변조시 반파장(π)의 위상 변화를 유도하는데 필요한 인가 전압은 Vπ이다. 따라서 광위상변조단계(S1050) 수행 시 Vα의 전압을 추가로 인가하여 α(= π/Vπ×Vα= ΔΦ)만큼의 위상 변화가 추가적으로 가해지도록 할 수 있다.(S1090)
이러한 방법으로 간섭단계(S1020, S1060)와 별도로 행해지는 광위상 변조단계(S1030, S1050)를 이용하여 광간섭 단계들의 위상차를 보상할 수 있다.
물론 (S1080, S1090)단계를 포함하지 않고 실시하는 것도 가능하다.
지금까지 본 발명에 따른 광위상 변조 방법에 대해 설명하였다. 본 광위상 변조 방법에는 앞서 도 2내지 도 9와 관련하여 다양한 실시예를 통하여 상술한 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한 이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 광간섭계 구조의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 광간섭계의 외부에 광위상 변조기를 배치한 양자 암호키 분배 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 시분할 광간섭시 단일 광자의 검출확률분포(보강간섭 및 상쇄간섭)를 보여주는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 마이켈슨 간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치한 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 마이켈슨 간섭계 외부에 광위상 변조기를 배치한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 구조의 각 구성 단위에서 발생하는 위상 및 수신부 광간섭계의 두 출력에 따른 위상 변화 경우의 수를 정리하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변조 방법 및 장치의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 송신단 광위상 변조부(830)를 광위상 변조기를 연속으로 배치하여 구성한 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 광간섭계에서 일어나는 위상차를 보정하여 광간섭계를 안정화시키는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 광간섭계에서 일어나는 위상차를 보정 하여 광간섭계를 안정화시키는 방법을 도시한 플로우차트이다.

Claims (20)

  1. 광원으로부터 단일 광자를 입력 받아, 상기 입력된 단일 광자의 존재 확률이 시간영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 단일 광자의 경로를 복수 개로 분할하는 광간섭계; 및
    상기 광간섭계의 외부에 연결되고, 상기 복수 개의 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조기를 포함하고
    상기 광위상 변조기는 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기를 연속으로 연결하여 구성되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광섬유기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계이고,
    상기 광간섭계는 편광 조절기
    를 더 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계이고,
    상기 광간섭계는 편광유지광섬유(Polarization Maintaining Fiber)로 구성된 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광학계 기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 양자 암호키 분배 시스템의 송신장치로부터 단일 광자를 수신하고, 상기 단일 광자 중 위상이 변조되지 않은 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조기; 및
    상기 광위상 변조기로부터 수신된 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 광위상 변조기로부터 수신된 단일 광자의 경로를 분할하는 광간섭계
    를 포함하고,
    상기 광위상 변조기는 상기 광간섭계의 외부에 연결되고
    상기 광위상 변조기는 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기를 연속으로 연결하여 구성되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광섬유기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계이고,
    상기 광간섭계는 편광 조절기
    를 더 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광섬유기반의 마흐젠더 간섭계이고,
    상기 광간섭계는 편광유지광섬유(Polarization Maintaining Fiber)로 구성된 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 광간섭계는 광학계 기반의 마흐젠더 간섭계 또는 광학계 기반의 마이켈슨 간섭계 중에서 어느 하나를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템의 수신장치.
  13. 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 경로가 복수 개로 분할된 단일 광자에 대해, 시간 및 폭이 조절된 변조 신호를 입력하여 상기 복수 개로 분할된 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 광자의 위상을 선택적으로 변조시키는 광위상 변조기를 포함하는 송신단 광위상 변조부; 및
    상기 송신단 광위상 변조부를 거쳐서 수신된 단일 광자 중에서 송신단 광위상 변조부에 의해 위상이 변조되지 않은 단일 광자의 위상을 선택적으로 변조하는 수신단 광위상 변조부 를 포함하고
    상기 광위상 변조기는 연속으로 연결된 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기로 구성되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 송신단 광위상변조부는 서로 연속으로 연결된 복수 개의 상기 광위상 변조기를 포함하는 양자 암호키 분배 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 송신단 광위상 변조부의 상기 복수 개의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 복수 개의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 수신단 광위상 변조부의 인가 전압의 세기는 상기 송신단 및 상기 수신단에 각각 설치된 두 광간섭계의 위상차를 고려해서 결정되는 양자 암호키 분배 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 위상차는 최대 확률로 검출된 단일 광자의 수 및 최소 확률로 검출된 단일 광자의 수에 기초하여 계산되는 양자 암호키 분배 시스템.
  18. 광원으로부터 단일 광자를 입력 받는 단계;
    상기 입력된 단일 광자의 존재확률이 시간영역에서 복수 개의 좌표에 분포하도록 상기 단일 광자의 경로를 복수 개로 분할하는 광간섭 단계; 및
    상기 광간섭 단계가 수행되는 장치 외부에서, 상기 복수 개의 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조단계를 포함하고
    상기 광위상 변조단계는 연속으로 연결된 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기에 의해 수행되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템의 송신방법.
  19. 송신단를 거쳐 전송된 단일 광자를 수신하고, 상기 수신된 단일 광자 중 위상이 변조되지 않은 단일 광자의 위상을 변조시키는 광위상 변조단계; 및
    상기 광위상 변조단계가 수행된 단일 광자를 시간영역에서 서로 상이한 복수 개의 확률분포로 분할하는 광간섭 단계
    를 포함하고,
    상기 광위상 변조단계는 상기 광간섭 단계와 분리하여 행해지고
    상기 광위상 변조단계는 연속으로 연결된 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기에 의해 수행되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템의 수신방법.
  20. 단일 광자의 존재 확률이 시간 영역에서 서로 상이한 복수 개의 좌표에 분포하도록 경로가 복수 개로 분할된 단일 광자에 대해, 시간 및 폭이 조절된 변조 신호를 입력하여 상기 복수 개로 분할된 경로 중에서 적어도 어느 하나의 경로에 해당하는 단일 광자의 위상을 선택적으로 변조시키는 송신단 광위상 변조단계; 및
    상기 송신단 광위상 변조단계를 거쳐서 수신된 상기 경로가 복수 개로 분할된 상기 단일 광자 중에서 송신단 광위상 변조부에 의해 위상이 변조되지 않은 광자의 위상을 선택적으로 변조하는 수신단 광위상 변조단계
    를 포함하고
    상기 송신단 광위상 변조단계는 연속으로 연결된 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기에 의해 수행되고 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 어느 하나는 비트정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하고, 상기 적어도 두 개 이상의 광위상 변조기 중 다른 어느 하나는 기저정보에 해당하는 만큼 단일 광자의 위상을 변조하는 양자 암호키 분배 시스템의 광위상 변조방법.
KR1020090128456A 2009-12-21 2009-12-21 양자 암호키 분배를 위한 광위상 변조 방법 및 장치 KR101327661B1 (ko)

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