KR101631493B1 - 양자암호통신 시스템의 단일광자 광원 생성 장치 - Google Patents

양자암호통신 시스템의 단일광자 광원 생성 장치 Download PDF

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Abstract

양자암호통신 시스템의 단일광자 광원 생성 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 양자암호통신에 써멀 라이트를 이용함으로써, 양자암호통신 시스템의 활용도를 높인다.

Description

양자암호통신 시스템의 단일광자 광원 생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING SINGLE-PHOTON SOURCE IN QUANTUM CRYPTOGRAPHY COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 광신호 처리기술에 대한 것으로, 보다 상세하게는 양자암호통신 시스템에서 단일광자 광원의 생성확률을 증가시키는, 단일광자 광원 생성 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 양자암호통신에서는 단일광자(single photon)의 양자역학적 특성이 이용된다. 그러나, 현재의 기술로는 순수 단일광자를 송신하는 광원을 생성하기 어려우므로, 다중광자(multiple photon)가 일정 확률로 방사되는데, 이는 보안성에 심각한 위협을 초래하게 된다. 양자 상태는 복제불가능하다는(non-cloning theorem) 이론적 근거를 통해 무조건적인 보안성을 보장받는다. 그러나, 둘 이상의 다중광자가 광원으로부터 생성되는 경우, 그 중 하나를 도청자가 취득한 후 이를 통해 정보를 빼낼 수 있기 때문이다.
따라서, 양자암호통신에 쓰이는 광원은 다중광자 발생 확률이 낮아야 한다.
양자암호 통신용 단일광자 광원은, 보통 레이저를 단일광자 파워레벨까지 감쇄하여 사용하는 방식이 채용된다.
도 1은 종래 단일광자 광원 생성장치를 설명하기 위한 예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 생성부(100)로부터 출력되는 펄스 레이저를, 감쇄기(200)가 소정 파워레벨까지 감쇄하는 방식으로 출력하여 이를 광원으로 사용한다.
이때, 빛을 펄스로 만들어 사용하기 때문에, '펄스당 평균 광자수(μ)'라는 파라미터를 사용하게 되며, μ=1은 '평균적으로' 하나의 펄스에 하나의 광자가 존재한다는 것을 의미한다.
레이저와 같은 코히어런트 라이트(coherent light)를 사용하게 되면, 광자의 개수 분포가 푸아송(Poisson) 분포를 따른다는 것이 알려져 있다. 즉, μ=1로 설정하여도 펄스에는 광자가 2개 이상 존재할 확률이 존재한다. 따라서, 이를 줄이기 위해 보통 μ=0.1로 설정하고 통신하는데, 이는 10개의 펄스가 출력되는 경우 '평균적으로' 9개의 펄스는 비어 있고 1개의 펄스에 단일광자가 존재한다는 것을 의미한다.
이러한 코히어런트 라이트는 광자의 개수가 푸아송 분포를 따르지만, 써멀 라이트(thermal light)는 주파수 스펙트럼 상에서 단일모드이고 단일편광인 경우 보스-아인스타인(Bose Einstein) 분포를 따르는 것으로 알려져 있다.
도 2는 푸아송 분포 및 보스-아인스타인 분포를 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 써멀 라이트의 경우, 코히어런트 라이트에 비해 다중광자 생성확률이 훨씬 높으며, 단일광자 생성확률이 낮음을 알 수 있다. 이러한 이유로 양자암호통신에서 써멀 라이트가 잘 이용되지 않고 있다.
그러나, 써멀 라이트가 가지고 있는 비용 효율성 특성이나 광대역(broadband) 특성을 이용하고자 하는 요구가 제기되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다중광자 생성확률이 높은 써멀 라이트의 단일광자 생성확률을 높여 양자통신에 이용하기 위한 단일광자 생성장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 광원 생성장치는, 소정 주기의 펄스를 생성하는 생성부; 상기 펄스를 소정 파워레벨까지 감쇄하는 감쇄부; 감쇄된 펄스를 제1경로의 제1펄스와 제2경로의 제2펄스로 분할하는 제1분할부; 상기 제2경로에 배치되어, 상기 제2펄스를 소정 시간만큼 지연하는 지연부; 및 상기 제1펄스와 소정 시간만큼 지연된 제2펄스를 결합하고, 제3 및 제4펄스로 분할하는 제2분할부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지연부는, 상기 제2펄스를 상기 소정 주기만큼 지연할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제3 및 제4펄스 중 어느 하나가 광원으로서 출력될 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 실시예의 광원 생성장치는, 소정 주기의 펄스를 생성하는 생성부; 상기 펄스를 소정 파워레벨까지 감쇄하는 감쇄부; 감쇄된 펄스를 제1 및 제2펄스로 분할하고, 상기 제2펄스를 제1시간만큼 지연한 후, 제1펄스와 지연된 제2펄스를 결합하고, 다시 제3 및 제4펄스로 분할하는 제1간섭계; 및 제4펄스를 제1시간의 2배인 제2시간만큼 지연한 후, 제3펄스와 지연된 제4펄스를 결합하고, 다시 제5 및 제6펄스로 분할하는 제2간섭계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1시간은 상기 소정 주기일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1간섭계는, 감쇄된 펄스를 상기 제1 및 제2펄스로 분할하는 제1분할부; 상기 제2펄스를 상기 제1시간만큼 지연하는 제1지연부; 및 상기 제1펄스와 지연된 제2펄스를 결합하고, 이를 상기 제3 및 제4펄스로 분할하는 제2분할부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2간섭계는, 상기 제4펄스를 제1시간의 2배인 제2시간만큼 지연하는 제2지연부; 및 상기 제3펄스와 지연된 제4펄스를 결합하고, 이를 상기 제5 및 제6펄스로 분할하는 제3분할부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 양자암호통신에 써멀 라이트를 이용함으로써, 양자암호통신 시스템의 활용도를 높이게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 단일광자 광원 생성장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 푸아송 분포 및 보스-아인스타인 분포를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 3은 본 발명의 단일광자 광원 생성장치를 개념적으로 설명하기 위한 일실시예 구성도이다.
도 4는 본 발명의 입력펄스와 출력펄스의 다중광자 생성확률 및 개선정도를 나타낸 일예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 생성장치를 개념적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 6a는 도 5의 광원 생성장치에서 간섭계의 개수에 따른 다중광자 생성확률을 나타낸 것이고, 도 6b는 단일광자 생성확률을 나타낸 것이다.
도 7은 간섭계의 개수에 따른 단일광자 생성확률의 분포를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8은 펄스당 평균 광자의 수(μ)의 변화에 따른 단일광자 생성확률의 변화를 나타내는 일예시도이다.
도 9는 μ의 변화에 따른 다중광자 생성확률의 변화를 나타내는 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 단일광자 광원 생성장치를 개념적으로 설명하기 위한 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 생성장치는, 펄스 생성부(10), 감쇄부(20), 제1분할부(beam splitter)(30), 제2분할부(40) 및 지연부(50)를 포함할 수 있다.
펄스 생성부(10)는 써멀 라이트(thermal light)를 이용하여 주기 T의 펄스(3A)를 생성할 수 있다. 도 2를 참고로 설명한 바와 같이, 써멀 라이트의 경우 광자의 개수가 보스-아인스타인 분포를 따른다. 본 발명의 생성장치의 최종 출력은, 보스-아인스타인 분포를 따르는 써멀 라이트의 펄스를, 푸아송 분포를 따르게 할 수 있다.
감쇄부(20)는 펄스 생성부(10)로부터 출력되는 펄스(3A)를 수신하여, 소정 파워레벨까지 감쇄된 펄스(3B)를 출력할 수 있다. 이때, 감쇄부(20)의 출력펄스(3B) 역시 주기가 T인 신호이며, 도면에 도시된 바와 같이, 써멀 라이트로부터 생성된 펄스(3A)가 감쇄된 것이므로, 하나의 펄스에 다중광자가 포함되어 있을 수 있다.
분할부(30, 40)는, 입력되는 펄스(3B)를 분할하여 각각 출력할 수 있다. 또한 지연부(50)는 제1분할부(30)로부터 출력되는 소정 시간만큼 지연하여 제2분할부(40)로 입력한다. 이때 지연부(50)가 지연하는 시간은, 예를 들어 펄스의 주기 T일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 주기의 두 배, 네 배 등등 다양한 방식으로 적용이 가능함을 의미한다. 또한, 지연부(50)는 소정 시간만큼 지연할 수 있는 다양한 소자로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1분할부(30)는, 입력되는 펄스(3B)를 제1경로(P1)와 제2경로(P2)로 각각 분배하여 출력(3C, 3D)할 수 있다. 제1경로(P1)로 분배된 펄스(3C)는 제2분할부(40)로 입력되어 다시 분배되고, 제2경로(P2)로 분배된 펄스(3D)는 주기 T만큼 지연부(50)에 의해 지연되어 제2분할부(40)로 입력될 수 있다.
제2분할부(40)는, 제1경로(P1)를 통해 수신된 펄스(3C)와 제2경로(P2)를 통해 수신되는 펄스(3D)를 합한 후 다시 분할하여, 두개의 경로(P3, P4)로 분할하여 출력(3E, 3F)할 수 있다. 써멀 라이트의 경우, 펄스간 코히어런스(coherence)가 없으므로, 제2분할부(40)에서 두 광자가 동시에 만나도 간섭을 일으키지 않는다.
본 발명의 생성장치는, 제2분할부(40)의 출력(3E, 3F)을 양자암호통신의 광원으로 제공하는 것이다.
이와 같은 구성에 의하면, '확률적으로' 펄스 안에 존재하던 다수의 광자 중 일부가 다른 펄스로 옮겨지며, 이에 의해 단일광자 펄스의 수는 증가하고, 다중광자 펄스의 수는 감소하게 된다.
즉, 광자간의 간격(interval)을 균등하게 함으로써 다중광자 펄스를 줄일 수 있다.
이하에서는, 위와 같이 제1 및 제2분할부(30, 40)와 지연부(50)가 펄스를 간섭하게 되므로, '간섭계(interferometer)'라고 하기로 한다. 도 3의 일실시예에서는, 하나의 간섭계가 사용된 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 입력펄스와 출력펄스의 다중광자 생성확률 및 개선정도를 나타낸 일예시도로서, 4A는 제1분할부(30)의 입력펄스에 대한 확률이고, 4B는 제2분할부(40)의 출력펄스에 대한 확률을 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 단일광자 생성확률(P(1))은 약 15% 증가하고, 다중광자 생성확률(P(n≥2))은 약 6% 감소한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광원 생성장치는, 양자암호통신에 사용될 수 있도록 광원의 보안성을 더 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 생성장치를 개념적으로 설명하기 위한 구성도이다. 도 5의 생성장치는 간섭계를 직렬로 연결하여 효과를 증대시키기 위한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 생성장치는, 펄스 생성부(10), 감쇄기(20), 제1 내지 제5 분할부(31-35) 및 제1 내지 제4지연부(51-54)를 포함할 수 있다. 기본적인 기능은 도 3의 실시예와 동일하다.
도 5의 광원 생성장치는, 도 3의 간섭계의 구성을 직렬로 연결한 것으로서, 제2분할부(32)로부터 분배된 두개의 펄스 중 제4경로(P4)의 펄스를 2주기(2T) 지연하고, 제3분할부(33)로부터 분배된 두개의 펄스 중 제6경로(P6)의 펄스를 4주기(4T) 지연하고, 제4분할부(34)로부터 분배된 두개의 펄스 중 제8경로(P8)의 펄스를 8주기(8T) 지연하여, 최종 제5분할부(35)로부터 분배된 펄스 중 하나를 사용하는 것이다.
즉, 도 5의 광원 생성장치는, 제1 및 제2분할부(31, 32)와 제1지연부(51)가 제1간섭계를 구성하고, 제2지연부(52)와 제3분할부(33)가 제2간섭계를 구성하고, 제3지연부(53)와 제4분할부(34)가 제3간섭계를 구성하고, 제4지연부(54)와 제5분할부(35)가 제4간섭계를 구성하는 것이다.
이와 같이 구성되는 생성장치에 의하면 하나의 펄스(5A)가 24개로 출력(5B)됨을 알 수 있으며, 다중광자 펄스(5A)를 여러 펄스 시간으로 나누어 단일광자 펄스(5B)로 출력할 수 있다.
도 5는 4개의 간섭계가 사용된 예를 나타낸 것으로서, 제1 내지 제4지연부의 주기를 T, 2T, 4T, .., 2(n-1)T(n=1, 2, 3, ...)로 설정하여, 하나의 펄스가 입력되었을 때 분리되는 펄스시간이 겹치지 않게 하며, 하나의 펄스는 2(n)개 출력되게 하는 것이다.
한편, 도 5에서는 간섭계의 개수가 4개인 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 더 적거나 더 많은 개수의 간섭계가 포함될 수 있을 것이다.
도 6a는 도 5의 광원 생성장치에서 간섭계의 개수에 따른 다중광자 생성확률을 나타낸 것이고, 도 6b는 단일광자 생성확률을 나타낸 것으로서, 써멀 라이트를 펄스 생성부(10)의 광원으로 사용하고, 이때 펄스 생성부(10)가 한 주기당 천만개의 펄스를 생성하며, μ=0.5인 경우에서 실험한 결과이다.
도면에 도시된 바와 같이, 8개의 간섭계가 연결되는 경우 거의 푸아송 분포에 근접하는 수준으로 다중광자 생성확률은 감소하고(도 6a), 단일광자 생성확률은 증가(도 6b)하고 있음을 알 수 있다.
즉, 다중광자 생성확률은 8개의 간섭계가 연결되는 경우 약 18% 감소하고, 단일광자 생성확률은 약 36% 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 7은 간섭계의 개수에 따른 단일광자 생성확률의 분포를 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 원래 보스-아인스타인 분포를 따르는 빛이 간섭계의 개수가 증가함에 따라 점점 푸아송 분포로 접근하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 펄스당 평균 광자의 수(μ)의 변화에 따른 단일광자 생성확률의 변화를 나타내는 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, μ가 1일 때까지 간섭계의 개수가 증가함에 따라 단일광자 생성확률이 증가하고 있음을 알 수 있다. 양자암호통신에서는 μ가 1을 넘지 않으므로, 간섭계를 사용하는 것이 성능을 향상시키고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 8에서, 간섭계가 1개 및 2개인 경우에 단일광자 생성확률은, 써멀 라이트의 특성을 나타내지만, 간섭계가 3개 이상인 경우에 단일광자 생성확률은 코히어런트 라이트의 특성을 나타내게 됨을 알 수 있다.
도 9는 μ의 변화에 따른 다중광자 생성확률의 변화를 나타내는 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, μ가 0.5일 때까지 성능의 향상 정도가 증가하고 그 이후에는 감소하다가, μ가 0.87 이후로는 간섭계를 통과하면 더 성능이 열화되는 것을 알 수 있는데, 이는 0.87 이후에는 푸아송 분포가 보스-아인스타인 분포보다 다중광자 생성확률이 높기 때문이다.
양자암호통신은 단일광자의 양자역학적 특성을 이용하여 보안성이 높은 통신을 보장한다. 그러나 현재 기술로는 단일광자만을 방사하는 광원은 존재하지 않으며, 상당한 확률로 다중광자를 방사한다.
그러나, 다중광자는 시스템 전체의 보안성을 위협할 수 있으므로, 그 확률을 줄일 필요가 있다.
이에 따라, 코히어런트 라이트의 푸아송 광자분포보다 다중광자 확률이 높은 보스-아인스타인 광자분포를 가지는 써멀 라이트는, 양자암호통신용 단일광자 광원으로는 사용되지 못하였다.
본 발명에 의하면, 적어도 하나 이상의 간섭계를 사용하며, 다중광자 펄스를 분리하고 시간 지연한 후 다시 결합하는 것에 의해, 써멀 라이트의 보스-아인스타인 분포가 푸아송 분포 수준으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 다중광자 확률이 높아 양자암호통신에서 불리한 광자분포를 가지는 써멀 라이트를, 양자암호통신에 유리한 푸아송 분포를 가지도록 변화시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 양자암호통신에 써멀 라이트를 이용함으로써, 양자암호통신 시스템의 활용도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예의 지연 간섭계는 단일광자 수준뿐만 아니라 고전력(high power)에서도 잡음 억제의 효과가 있을 것으로 기대할 수 있다. 지연 간섭계를 통과한 빛은 각 펄스에 존재하는 강도잡음(Intensity noise)을 분산시켜 광 세기의 변동을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 펄스 생성부 20: 감쇄부
30, 31, 32, 33, 34, 35, 40: 분할부 50, 51, 52, 53, 54: 지연부

Claims (7)

  1. 소정 주기의 펄스를 생성하는 생성부;
    상기 펄스를 소정 파워레벨까지 감쇄하는 감쇄부;
    감쇄된 펄스를 제1경로의 제1펄스와 제2경로의 제2펄스로 분할하는 제1분할부;
    상기 제2경로에 배치되어, 상기 제2펄스를 소정 시간만큼 지연하는 지연부; 및
    상기 제1펄스와 소정 시간만큼 지연된 제2펄스를 결합하고, 제3 및 제4펄스로 분할하는 제2분할부를 포함하고,
    상기 생성부는,
    광자의 개수 분포가 보스-아인스타인(Bose Einstein) 분포를 따르는 써멀 라이트(thermal light)를 포함하고,
    상기 지연부는,
    상기 제2펄스를 T, 2T, 4T, .., 2(n-1)T(n=1, 2, 3, ...)(여기서, T는 펄스의 주기) 중 어느 하나의 시간만큼 지연시키고,
    상기 제2분할부는,
    확률적으로 상기 소정 주기의 펄스 안에 존재하던 다수의 광자 중 일부가 다른 펄스로 이동하여 결합되도록 하고,
    상기 제3 및 제4펄스는,
    광자의 개수 분포가 푸아송(Poisson) 분포를 따르는 광원 생성장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3 및 제4펄스 중 어느 하나가 광원으로서 출력되는 광원 생성장치.
  4. 소정 주기의 펄스를 생성하는 생성부;
    상기 펄스를 소정 파워레벨까지 감쇄하는 감쇄부;
    감쇄된 펄스를 제1 및 제2펄스로 분할하고, 상기 제2펄스를 제1시간만큼 지연한 후, 제1펄스와 지연된 제2펄스를 결합하고, 다시 제3 및 제4펄스로 분할하는 제1간섭계; 및
    제4펄스를 제1시간의 2배인 제2시간만큼 지연한 후, 제3펄스와 지연된 제4펄스를 결합하고, 다시 제5 및 제6펄스로 분할하는 제2간섭계를 포함하고,
    상기 생성부는,
    광자의 개수 분포가 보스-아인스타인(Bose Einstein) 분포를 따르는 써멀 라이트(thermal light)를 포함하고,
    상기 제1간섭계는,
    상기 제2펄스를 T, 2T, 4T, .., 2(n-1)T(n=1, 2, 3, ...)(여기서, T는 펄스의 주기) 중 어느 하나의 시간만큼에 해당하는 상기 제1시간만큼 지연시키고,
    상기 제1간섭계 및 상기 제2간섭계는,
    확률적으로 상기 소정 주기의 펄스 안에 존재하던 다수의 광자 중 일부가 다른 펄스로 이동하여 결합되도록 하고,
    상기 제5 및 제6펄스는,
    광자의 개수 분포가 푸아송(Poisson) 분포를 따르는 광원 생성장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1간섭계는,
    감쇄된 펄스를 상기 제1 및 제2펄스로 분할하는 제1분할부;
    상기 제2펄스를 상기 제1시간만큼 지연하는 제1지연부; 및
    상기 제1펄스와 지연된 제2펄스를 결합하고, 이를 상기 제3 및 제4펄스로 분할하는 제2분할부를 포함하는 광원 생성장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제2간섭계는,
    상기 제4펄스를 제1시간의 2배인 제2시간만큼 지연하는 제2지연부; 및
    상기 제3펄스와 지연된 제4펄스를 결합하고, 이를 상기 제5 및 제6펄스로 분할하는 제3분할부를 포함하는 광원 생성장치.
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KR20180117858A (ko) 2017-04-20 2018-10-30 김영주 양자 암호 기반의 암호화 통신 시스템 및 그에 의한 인증 방법

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KR20080025151A (ko) * 2005-06-16 2008-03-19 더 차이니즈 유니버시티 오브 홍콩 양자 난수 발생기
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