KR101883448B1 - 신호 전송 방법 및 이를 수행하는 통신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 통신 장치와 제2 통신 장치를 구비하는 플러그앤플레이 양자 암호 시스템에서 수행되는 신호 전송 방법에 있어서, (a) 상기 제1 통신 장치에서 발생된 양자 신호가 서로 경로가 다른 제1 경로와 제2 경로로 분할되어 상기 제2 통신 장치에 전송되되, 경로가 긴 제1 경로를 통하여 제 1 양자 신호, 경로가 짧은 제 2경로를 통하여 제2 양자 신호를 전송하는 단계; 및 (b) 상기 제2 통신 장치로부터 전송되어 오는 제1 양자 신호와 제2 양자 신호를 수신하고 상기 제1 경로와 상기 제2 경로로 분할하여, 각 제 1-1, 제 1-2 양자 신호와 제 2-1, 제 2-2 양자 신호의 도달시간을 변경하는 단계를 포함하되, 상기 양자 신호들 중 최단경로를 통과한 제 2-2 양자 신호를 최장경로를 통과한 제 1-1 양자 신호와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시킨다.

Description

신호 전송 방법 및 이를 수행하는 통신 장치{METHOD FOR SENDING SIGNAL AND COMMUNICATION APPARATUS PERFORMING THE SAME}

본 발명은 양자암호 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플러그앤 플레이(Plug & Play) 방식의 키 분배 시스템에서 신호의 손실을 줄이기 위하여 신호의 도달 시간을 정렬하는 신호 전송 방법 및 이를 수행하는 통신 장치에 관한 것이다.

최근, 대규모 개인정보 유출 등의 사건을 계기로 통신 보안이 문제화되면서, 안전한 암호 시스템에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 일반적으로 이용되는 암호 시스템들은 물리적 현상을 이용하는 시스템이 아닌, 수학적인 난제를 이용할 경우 해킹의 확률이 낮다는 점을 이용하는 시스템이다. 따라서, 외부에서 암호 시스템을 해킹하여 암호화된 정보를 분석할 확률이 여전히 존재하는 문제가 있다.

반면, 양자암호(quantum cryptography)는 양자역학의 불확실성을 바탕으로, 양자효과를 보이는 단일 광자는 복제가 불가능하다는 점에 착안하여 개발된 암호 시스템으로서, 통신의 주체들이 동일한 비밀키(secure key)를 양자를 이용하여 안전하게 나눠 가지며, 그 키를 이용하여 정보를 암호화 또는 복호화한다. 이론적으로는, 외부에서 해킹을 시도할 경우 광자의 특성이 변화하기 때문에, 외부에서 본래의 비밀키 또는 정보를 얻을 수 없는, 해킹이 불가능한 암호 시스템을 구현할 수 있다.

구체적으로, 양자 키 분배(Quantum Key Distribution; QKD) 시스템은 두 통신 장치, 즉, 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)가 통신 매체로서 광자를 이용하여 양자암호 키를 분배하는 시스템이다. 이러한 QKD 시스템에서는, 도청자(Eve)가 도청(예컨대, 전송 중인 광자를 태핑)을 시도하는 경우, 하이젠버그(Heisenberg)의 불확정성 원리에 의해 관측된 광자를 관측되기 이전의 양자 상태로 되돌리는 것이 불가능하므로, 수신 장치가 검출하는 수신 데이터의 통계 값에 변화가 생기게 된다. 따라서, 수신 장치는 이 변화를 검출함으로써 도청의 유무를 검출할 수 있다.

그러나, 이와 같은 양자 암호 시스템에서도, 실제로는 양자 암호 시스템에 이용되는 측정 장치의 결함 또는 불완전성에 의해 해킹이 가능할 수 있다. 따라서, 측정 장치에 무관하게 비밀키를 분배할 수 있는 측정 장치에 무관한 양자키 분배 시스템(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution; MDI QKD)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, MDI QKD는 키 생성 속도가 매우 적은 단점을 가지고 있다.

Hoi-Kwong Lo, Marcos Curty, and Bing Qi, "Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution", Physical Review Letters 108, 130503 (2012) Liang, Wen-Ye, et al. "Simple implementation of quantum key distribution based on single-photon Bell-state measurement."　Physical Review A　92.1 (2015): 012319

본 발명의 목적은 플러그앤플레이 양자 키 분배 방식을 이용하여 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 신호의 손실 줄이는 신호 전송 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 양자 신호의 편광의 특성을 이용하여 경로차를 발생시켜 신호의 도달 시간을 변경시키는 신호 전송 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 제1 통신 장치와 제2 통신 장치를 구비하는 플러그앤플레이 양자 암호 시스템에서 수행되는 신호 전송 방법에 있어서, (a) 상기 제1 통신 장치에서 발생된 양자 신호가 서로 경로가 다른 제1 경로와 제2 경로로 분할되어 상기 제2 통신 장치에 전송되되, 경로가 긴 제1 경로를 통하여 제 1 양자 신호, 경로가 짧은 제 2경로를 통하여 제2 양자 신호를 전송하는 단계; 및 (b) 상기 제2 통신 장치로부터 전송되어 오는 제1 양자 신호와 제2 양자 신호를 수신하고 상기 제1 경로와 상기 제2 경로로 분할하여, 각 제 1-1, 제 1-2 양자 신호와 제 2-1, 제 2-2 양자 신호의 도달시간을 변경하는 단계를 포함하되, 상기 양자 신호들 중 최단경로를 통과한 제 2-2 양자 신호를 최장경로를 통과한 제 1-1 양자 신호와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시킨다.

바람직하게, 상기 제1 통신 장치에서 발생된 양자 신호는 제1 편광을 가지고, 상기 (a) 단계는, 상기 제1 경로를 통하는 상기 제1 양자 신호의 편광을 상기 제1 편광에 수직인 제2 편광으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는 상기 제2 통신 장치로부터 편광이 변경된 제1 양자 신호 및 제2 양자 신호를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 제2 통신 장치로부터 수신된 제1 양자 신호는 제1 편광을 가지고, 제2 양자 신호는 제2 편광을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는 상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 양자 신호 중 제2 경로로 분할된 제2-2 양자 신호는, 상기 제2 편광에 의하여 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 및 제2-2 경로 중 경로가 긴 제2-1 경로를 통과하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면은, 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서, 양자 신호를 생성하는 광원; 및 상기 광원으로부터 생성된 양자 신호가 분할되어 각각 통과하는, 서로 다른 경로에 해당하는 제1 경로 및 제2 경로; 및 상기 양자 신호가 통과하는 제1 경로 및 제2 경로 중 경로가 짧은 제2 경로에 구비되고, 상기 통신 장치와 연결된 타통신 장치로부터 전송되어 오는 양자 신호들의 도달시간을 변경하기 위하여 양자 신호의 경로를 설정하는 경로 선택기를 포함하되, 상기 경로 선택기에 의하여 상기 최단 경로를 통과한 양자 신호의 경로를 설정하여 상기 최단 경로를 통과한 양자 신호가 상기 최장경로를 통과한 양자 신호와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시키는 통신 장치.

바람직하게, 상기 경로 선택기는 상기 광원으로부터 생성된 양자 신호의 제1 편광에 수직인 제2 편광을 통과시키는 편광 빔 분할기에 해당할 수 있다.

바람직하게, 상기 양자 신호가 상기 제1 경로 및 제2 경로로 분할되어 통과하도록 상기 양자 신호를 분할하고, 상기 제1 경로 및 제2 경로로 통과한 양자 신호를 결합하여 타통신 장치로 전송하는 복수의 광 분할기를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 경로를 통과하는 제1 양자 신호의 편광을 변환시키는, 상기 제1 경로에 구비되는 편광 제어기를 더 포함하되, 상기 제1 경로를 통과한 제1 양자 신호는 제2 편광을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 제2 경로를 통과하는 제1 편광을 가지는 제2 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기에 반사되어 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 경로 및 제2-2 경로 중 경로의 길이가 짧은 상기 제2-2 경로를 통과할 수 있다.

바람직하게, 상기 타통신 장치의 패러데이미러에 반사되어 편광이 변환된, 제2 편광을 가지는 제2 양자 신호 및 제1 편광을 가지는 제1 양자 신호를 순차적으로 수신할 수 있다.

바람직하게, 상기 수신된 제1 및 제2 양자 신호는 광 분할기를 통하여 제1-1 및 제1-2 양자 신호와 제2-1 및 제2-2 양자 신호로 분할될 수 있다.

바람직하게, 상기 수신된 제2 편광을 가지는 제2 양자 신호 중 제2 경로를 통과하는 제2-2 양자 신호는 상기 경로 선택기를 통과하여 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 경로 및 제2-2 경로 중 경로의 길이가 긴 제2-1 경로를 통과하여 도달시간이 지연될 수 있다.

바람직하게, 상기 분할되어 제1 경로 및 제2 경로를 통과한 각 제1-1 및 제1-2 양자 신호와 제2-1 및 제2-2 양자 신호는 상기 광 분할기에 도달하는 시간에 따라 서로 간섭되고, 상기 간섭된 신호를 검출하는 검출기를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 광학계의 안정성을 높일 수 있고 신호의 손실률을 낮출 수 있어 키 분배 속도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2a 내지 2c는 도 1의 통신 시스템에서 수행되는 신호의 전송 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 광 분할기에 도달하는 신호의 도달 순서 및 편광 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 경로 선택기를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 통신 시스템에서 수행되는 신호 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

또한, 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)" 및/또는 “포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 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.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템은 수신 장치(이른바, Bob)인 제1 통신 장치(100) 및 송신 장치(이른바, Alice)인 제2 통신 장치(200)를 포함하고, 바람직하게, 제1 통신 장치(100)와 제2 통신 장치(200)는 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)를 통하여 연결되며, 양자 채널을 통하여 신호를 송수신할 수 있다. 이하에서 언급되는 통신 시스템은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템에 해당한다.

제1 통신 장치(100)는 광원(110), 광 서큘레이터(120), 광 분할기(130), 위상 변조기(140), 편광 제어기(150), 경로 선택기(161 및 162), 광 분할기(170), 및 단일 광자 검출기(180 및 190)를 포함한다.

바람직하게, 광원(110)은 임의의 편광을 갖는 광자 펄스(이하, “양자 신호”라 한다)를 생성하는 것으로서 레이저에 해당할 수 있고, 광원(110)에 의하여 생성된 양자 신호는 광 서큘레이터(120)를 통하여 광 분할기(Beam Splitter: BS)(130)로 전달된다. 광 분할기(130)는 양자 신호를 제1 양자 신호 및 제2 양자 신호에 해당하는 2개의 양자 신호로 분할하고, 분할된 2개의 양자 신호는 각각 특정 경로를 통과하여 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 가지게 되며, 해당 양자 신호들은 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)를 통해 제2 통신 장치(200)로 전송된다.

제2 통신 장치(200)는 광 분할기(210), 광 검출기(220), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 위상 변조기(240), 및 패러데이 거울(250)을 포함한다.

바람직하게, 제2 통신 장치(200)는 제1 통신 장치(100)로부터 양자 신호를 수신하고, 광 검출기(200)는 수신된 양자 신호들로부터 양자 신호의 위상을 변조하기 위한 타이밍 정보를 획득할 수 있다. 또한, 스토리지 라인(Storage Line: SL)은 제1 통신 장치(100)로부터 수신한 양자 신호로 인해 발생된 노이즈(noise) 광을 제거하고, 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230)는 양자 신호의 광 강도를 단일 광자 수준으로 낮출 수 있다.

제2 통신 장치(200)는 수신된 양자 신호들을 패러데이 거울(Faraday Mirror: FM)(250)을 통해 반사시킴으로써, 양자 신호들의 진행 방향을 반전시키고 편광을 90도 회전시키며, 위상 변조기(24)를 이용하여 양자 신호들 중 하나를 위상 변조한 뒤 양자 채널을 통하여 제1 통신 장치(100)에 전송한다.

제1 통신 장치의 구체적인 구성 및 본 발명의 통신 시스템에서 수행되는 신호의 전송 방법은 이하에서 보다 상세하게 설명한다.

도 2a 내지 2c는 도 1의 통신 시스템에서 수행되는 신호의 전송 과정을 나타내는 도면이고, 도 3은 제1 통신 장치의 각 광 분할기에 도달하는 신호의 도달 순서 및 편광 상태를 나타내는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 제1 통신 장치(100)는 제1 광원(110)을 이용하여 임의의 편광을 갖는 양자 신호를 생성한다. 여기에서, 제1 광원(100)에 의하여 생성된 양자 신호는 제1 편광을 갖는 것으로 가정한다. 제1 편광을 갖는 양자 신호는 광 서큘레이터(120)를 통하여 광 분할기(130)에 도달하고, 광 분할기(130)에 도달한 양자 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 편광(수직)을 갖는 하나의 양자 신호(300)에 해당한다.

광 분할기(130)에 의하여 양자 신호는 50:50으로 분할되고, 즉 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)에 해당하는 2개의 양자 신호로 분할된다. 여기에서 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)는 모두 제1 편광(수직)을 가지고 있다. 분할된 양자 신호 중 제1 양자 신호(310)는 경로가 긴 제1 경로(l)를 통과하며, 제2 양자 신호(320)는 경로가 짧은 제2 경로(s)를 통과한다.

제1 경로(l)를 통과하는 제1 양자 신호(310)는 위상 변조기(140)를 통과하고 딜레이 라인을 지나 편광 제어기(150)를 통과한다. 구체적으로, 제1 양자 신호(310)는 위상 변조기(140)에 의하여 위상이 변조되고, 편광 제어기(150)에 의하여 제1 편광(수직)에 수직인 제2 편광(수평)을 가지게 된다. 편광 제어기(150)를 통과하여 편광이 바뀐 제1 양자 신호(310)는 광 분할기(170)에 도달한다.

제2 경로(s)를 통과하는 제2 양자 신호(320)는 경로 선택기(161)에 도달한다. 여기에서, 경로 선택기(161)는 양자 신호가 제2 경로(s)의 제2-1(s-1) 경로 및 제2-2(s-2) 경로 중 하나의 경로를 통과하도록 제어하기 위한 것으로서, 수동 소자(passive element)에 해당하고, 예를 들어, 편광 빔 분할기 또는 스위치에 해당할 수 있다.

일 실시예에서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 경로 선택기(161 및 162)가 편광 빔 분할기에 해당하는 경우에는, 양자 신호의 편광 특성을 이용하여 특정 방향의 편광을 갖는 양자 신호만이 통과될 수 있도록 할 수 있다. 이 때, 편광 빔 분할기를 통과한 양자 신호는 제2 경로 중 길이가 긴 제2-1(s-1) 경로를 통과하게 된다.

다른 실시예에서, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 경로 선택기(161 및 162)가 스위치에 해당하는 경우에는 양자 신호의 전송 과정을 모니터링 하면서 양자 신호가 통과할 경로를 스위치를 통하여 선택할 수 있다. 즉, 양자 신호를 제2 경로 중 길이가 긴 제2-1(s-1) 경로로 통과시키기 위하여 스위치는 제2-1(s-1) 경로와 연결될 수 있고, 양자 신호를 길이가 짧은 제2-2(s-2) 경로로 통과시키기 위하여 스위치는 제2-2(s-2) 경로와 연결될 수 있다. 스위치의 제어는 제어부(도면에 도시되지 않음)를 통하여 제어될 수 있다. 여기에서, 제어부는 제2 통신 장치(200)의 각 구성의 동작을 제어하는 제2 통신 장치(200)의 메인 프로세서이거나, 또는 제1 통신 장치(100) 및 제2 통신 장치(200)에 연결되어, 제1 통신 장치(100) 및 제2 통신 장치(200)의 동작을 제어하며 암호 키 분배의 프로토콜을 수행하는 메인 서버(또는 컴퓨터)의 프로세서일 수 있다.

이하에서는, 경로 선택기(161 및 162)가 편광 빔 분할기에 해당하는 경우에 대하여 설명하겠으며, 아래의 설명을 기초로 경로 선택기(161 및 162)를 스위치로 구현하는 것은 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 기술자에 의하여 어려움 없이 구현될 수 있다.

바람직하게, 경로 선택기(161 및 162)는 제1 광원(110)에 의하여 생성된 양자 신호가 갖는 편광과 수직인 편광을 가지는 신호만을 통과시키도록 구성될 수 있다. 즉, 앞에서 제1 광원(110)에 의하여 제1 편광(수직)을 가지는 양자 신호가 생성되는 것으로 가정하였으므로, 경로 선택기(161 및 162)는 제2 편광(수평)을 가지는 양자 신호만이 통과될 수 있다.

제2 경로(s)를 통과하는 제2 양자 신호(320)가 경로 선택기(161)에 도달하는 경우, 제2 양자 신호(320)는 제1 광원(110)에서 생성되어 편광이 변경되지 않았으므로 제1 편광(수직)을 가지고 있다. 따라서, 제2 양자 신호(320)는 제2 편광을 통과시키는 경로 선택기(161)를 통과하지 못하여 제2 경로(s) 중 길이가 짧은 제2-2(s-2) 경로를 통과한 후 광 분할기(170)에 도달한다.

광 분할기(170)에 도달한 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3을 참조하면, 제1 양자 신호(310)는 경로가 긴 제1 경로(l)를 통과하고 제2 양자 신호(320)는 경로가 짧은 제2 경로(s)를 통과하였으므로, 제2 양자 신호(320)가 제1 양자 신호(310)보다 광 분할기(170)에 먼저 도달하고, 제1 양자 신호(310)는 제1 경로(l)에 있는 편광 제어기(150)에 의하여 편광이 변경되었으므로 제2 편광(수평)을 가지고 있다. 즉, 광 분할기(170)에는 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 갖는 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)가 도달하게 된다.

광 분할기(170)에 도달한 제2 양자 신호(320) 및 제1 양자 신호(310)는 순차적으로 양자 채널을 통하여 제2 통신 장치(200)로 전송된다.

다음으로, 도 2b를 참조하면, 제2 통신 장치(200)는 스토리지 라인(SL)을 통해 노이즈와 양자 신호를 시간적으로 분리함으로써, 높은 광도의 양자 신호로 인해 생긴 노이즈 광을 제거하고, 제2 양자 신호(320) 및 제1 양자 신호(310)를 패러데이 거울(Faraday Mirror: FM)(250)을 통해 반사시킴으로써, 각 양자 신호들의 진행 방향을 반전시키고 편광을 90도 회전시킨다. 즉, 패러데이 거울에 의하여 제2 양자 신호(320)의 편광은 제1 편광(수직)에서 제2 편광(수평)으로 변경되고, 제1 양자 신호(310)의 편광은 제2 편광(수평)에서 제1 편광(수직)으로 변경된다.

이후, 제2 통신 장치(200)는 광 감쇄기(230)를 이용하여 양자 신호들의 광 강도를 단일 광자 수준으로 감쇄시키고, 위상 변조기(240)를 이용하여 양자 신호들 중 하나의 위상을 변조한 뒤, 양자 신호들을 양자 채널을 통해 제1 통신 장치(100)로 반송한다. 이 때, 제2 통신 장치(200)의 광 검출기(220)는 광 분할기(210)를 통해 분할된 광자 펄스를 검출하고, 검출 결과를 타이밍 신호로서 위상 변조기(240)에 제공하고, 위상 변조기(240)는 수신된 타이밍 신호에 기초하여, 양자 신호들 중 하나의 양자 신호가 통과하는 타이밍에 양자 신호의 위상을 변조하여 위상 변조된 양자 신호를 생성한다.

제2 통신 장치(200)로부터 전송된 양자 신호들은 제1 통신 장치(100)의 광 분할기(170)에 도달하게 되고, 광 분할기(170)에 도달한 제1 및 제2 양자 신호들의 상태는 도 3에 도시된 바와 같다. 먼저, 제1 통신 장치(100)에서 제2 통신 장치(200)로 전송될 때, 제2 양자 신호(320)가 전송된 다음 제1 양자 신호(310)가 순차적으로 전송되었고, 제2 통신 장치(200)에서는 두개의 양자 신호들이 모두 동일한 경로를 통과하였으므로, 제1 통신 장치(100)에 도달하는 순서 또한 제2 양자 신호(320)가 먼저 도달한 다음 제1 양자 신호(310)가 도달한다. 또한, 제1 및 제2 양자 신호들은 제2 통신 장치(200)의 패러데이 거울(250)을 통하여 편광이 변경되었으므로, 제2 통신 장치(200)로 전송될 때와 반대되는 편광을 가지고 있다. 즉, 제2 양자 신호(320)는 제2 편광(수평)을 가지고 제1 양자 신호(310)는 제1 편광(수직)을 가진다.

다음으로, 도 2c를 참조하면, 광 분할기(170)에 먼저 도달한 제2 양자 신호(320)는 광 분할기(170)에 의하여 50:50으로 분할되고, 즉 제2 양자 신호(320)는 제2-1 양자 신호(321) 및 제2-2 양자 신호(322)에 해당하는 2개의 양자 신호로 다시 분할된다. 여기에서, 제2-1 양자 신호(321) 및 제2-2 양자 신호(322)는 모두 제2 편광(수평)을 가지고 있다. 분할된 양자 신호 중 제2-1 양자 신호(321)는 경로가 긴 제1 경로(L)를 통과하며, 제2-2 양자 신호(322)는 경로가 짧은 제2 경로(S)를 통과한다.

제1 경로(L)를 통과하는 제2-1 양자 신호(321)는 편광 제어기(150), 딜레이 라인, 및 위상 변조기(140)를 통과하여 편광이 변경되고 위상이 변조된다. 제1 경로(L)를 통과하여 광 분할기(130)에 도달한 제2-1 양자 신호(321)는 제1 편광(수직)을 가지고 있다.

제2 경로(S)를 통과하는 제2-2 양자 신호(322)는 경로 선택기(162)에 도달한다. 경로 선택기(162)는 제2 편광(수평)을 가지는 신호만을 통과시키므로, 제2 편광(수평)을 가지는 제2-2 양자 신호(322)는 경로 선택기(162)를 통과하여 제2 경로(S) 중 길이가 긴 제2-1 경로(S-1)를 통과하게 된다. 바람직하게, 제2-1 경로(S-1)에 있는 딜레이 라인은 제1 경로(L)에 있는 딜레이 라인보다 그 길이가 4배 정도 더 긴 것으로서, 제2-1 경로(S-1)를 통과한 제2-2 양자 신호(322)는 제2-1 양자 신호(321)보다 광 분할기(130)에 도달하는 시간이 지연될 수 있다.

다음으로, 광 분할기(170)에 제2 양자 신호(320)보다 늦게 도달한 제1 양자 신호(310)는 광 분할기(170)에 의하여 50:50으로 분할되고, 즉, 제1 양자 신호(310)는 다시 제1-1 양자 신호(311) 및 제1-2 양자 신호(312)로 분할된다. 여기에서, 제1-1 양자 신호(311) 및 제1-2 양자 신호(312)는 모두 제1 편광(수직)을 가지고 있다. 분할된 양자 신호 중 제1-1 양자 신호(310)는 경로가 긴 제1 경로(L)를 통과하고, 제1-2 양자 신호(320)는 경로가 짧은 제2 경로(S)를 통과한다.

제1 경로(L)를 통과하는 제1-1 양자 신호(311)는 편광 제어기(150), 딜레이 라인, 및 위상 변조기(140)를 통과하여 편광이 변경되고 위상이 변조된다. 제1 경로(L)를 통과하여 광 분할기(130)에 도달한 제1-1 양자 신호(311)는 제2 편광(수평)을 가지고 있다.

제2 경로(S)를 통과하는 제1-2 양자 신호(312)는 경로 선택기(162)에 도달한다. 경로 선택기(162)는 제2 편광(수평)을 가지는 신호만을 통과시키므로, 제1 편광(수직)을 가지는 제1-2 양자 신호(312)는 경로 선택기(162)를 통과하지 못하여 제2 경로(S) 중 길이가 짧은 제2-2 경로(S-2)를 통과하게 된다. 따라서, 제2-2 경로(S-2)를 통과한 제1-2 양자 신호(312)가 광 분할기(130)에 먼저 도달하게 되고 제1 경로(L)를 통과한 제1-1 양자 신호(311)가 그 뒤에 도달하게 된다.

광 분할기(170)에 도달한 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)가 각각 제1-1 양자 신호(311), 제1-2 양자 신호(312), 제2-1 양자 신호(321), 및 제2-2 양자 신호(322)로 분할된 후 제1 경로(L) 또는 제2 경로(S)를 통과하여 광 분할기(130)에 도달했을 때의 각 양자 신호의 상태는 도 3에 도시된 바와 같다. 제1 경로(L)를 통과한 제2-1 양자 신호(321)와 제2-2 경로(S-2)를 통과한 제1-2 양자 신호(312)는 제1 편광을 가지고 광 분할기(130)에 먼저 도달하고, 그 후 제1 경로(L)를 통과한 제1-1 양자 신호(311)와 제2-1(S-1) 경로를 통과한 제2-2 양자 신호(322)가 제2 편광을 가지고 광 분할기(130)에 도달하게 된다. 특히, 제2-2 양자 신호(322)의 경우, 경로 선택기(161)에 의하여 제2-1 경로(S-1)를 통과하게 됨으로써 광 분할기(130)에 도달하는 시간이 변경될 수 있고, 바람직하게 제1-1 양자 신호(311)와 간섭이 발생할 수 있도록 제1-1 양자 신호(311)의 도달시간에 맞게 지연될 수 있다.

이후, 광 분할기(130)에 도달한 제1-1, 제1-2, 제2-1, 및 제2-2 양자 신호는 서로 간섭하고, 간섭 결과가 보강 간섭인지 또는 상쇄 간섭인지에 따라서 복수의 단일 광자 검출기(180 및 190)에 의해 검출된다. 통신 시스템은 단일 광자 검출기(180 및 190)의 검출 결과에 기초하여, 미리 정의된 암호 키 분배 프로토콜(예컨대, BB84: Bennett Brassard 84)을 수행함으로써, 제1 통신 장치(100) 및 제2 통신 장치(200) 사이에 양자암호 키가 공유될 수 있게 한다.

도 5는 도 1의 통신 시스템에서 수행되는 신호 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 5에서는 도 1 내지 4에서 상술한 설명과 동일하거나 유사한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 통신 시스템의 제1 통신 장치(100)에서 발생된 양자 신호가 서로 경로가 다른 제1 경로(l)와 제2 경로(s)로 분할되어 제2 통신 장치(200)에 전송되되, 경로가 긴 제1 경로(l)를 통하여 제1 양자 신호(310), 경로가 짧은 제2 경로(s)를 통하여 제2 양자 신호(320)를 전송한다(단계 S510).

바람직하게, 제1 통신 장치(100)에서 발생된 양자 신호는 제1 편광을 가지고, 제1 경로(l)를 통과하는 제1 양자 신호(310)의 편광은 제1 편광에 수직인 제2 편광으로 변경될 수 있다. 그 다음, 제1 편광을 가지고 제2 경로(s)를 통과한 제2 양자 신호(320)와 제2 편광을 가지고 제1 경로(l)를 통과한 제1 양자 신호(310)는 순차적으로 제2 통신 장치(200)에 전송되고, 제2 통신 장치(200)의 패러데이 거울(250)을 통하여 편광이 변경된 뒤 다시 순차적으로 제1 통신 장치(100)로 전송된다.

제1 통신 장치(100)는 제2 통신 장치(200)로부터 전송되어 오는 제1 양자 신호(310)와 제2 양자 신호(320)를 수신하고 제1 경로(l)와 제2 경로(s)로 분할하여, 각 제1-1, 1-2 양자 신호(311 및 312), 제2-1, 2-2 양자 신호(321 및 322)의 도달시간을 변경하되, 양자 신호들 중 최단경로를 통과한 제2-2 양자 신호(322)를 최장경로를 통과한 제1-1 양자 신호(311)와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시킨다(단계 S520).

바람직하게, 제1 통신 장치(100)는 제2 통신 장치(200)로부터 편광이 변경된 제1 양자 신호(310) 및 제2 양자 신호(320)를 수신할 수 있고, 제2 통신 장치(200)로부터 수신된 제1 양자 신호(310)는 제1 편광을 가지고, 제2 양자 신호(320)는 제2 편광을 가질 수 있다.

바람직하게, 제2 편광을 가지는 제2 양자 신호(320) 중 제2 경로(S)로 분할된 제2-2 양자 신호(322)는 제2 편광에 의하여 제2 경로(S)에 포함된 제2-1 및 제2-2 경로(S-1 및 S-2) 중 경로가 긴 제2-1 경로(S-1)를 통과할 수 있다. 즉, 이를 통하여 제2-2 양자 신호(322)는 제2-1 경로(S-1)에 있는 딜레이 라인을 통하여 광 분할기(130)에 도달하는 시간이 지연될 수 있다.

즉, 최단경로를 통과하여 가장 먼저 도달하는 양자 신호는 간섭이 발생할 수 없으므로, 본 발명은 최단경로를 통과하는 양자 신호가 경로 선택기(162)에 의하여 딜레이 라인이 있는 경로로 통과하도록 함으로써, 도달시간을 지연시키고, 이를 통해 최장경로를 통과하여 도달하는 양자 신호와 그 도달시간을 정렬시켜 두 양자 신호가 간섭이 일어날 수 있도록 한다.

이와 같은, 신호 전송 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위 에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

또한, 본 명세서에서는 물건 발명과 방법 발명이 모두 설명되고 있으며, 필요에 따라 양 발명의 설명은 보충적으로 적용될 수 있다.

100: 제1 통신 장치
110: 광원 120: 광 서큘레이터
130: 광 분할기 140: 위상 변조기
150: 편광 제어기 161, 162: 경로 선택기
170: 광 분할기 180, 190: 단일 광자 검출기

Claims (13)

1. 제1 통신 장치와 제2 통신 장치를 구비하는 플러그앤플레이 양자 암호 시스템에서 수행되는 신호 전송 방법에 있어서,
   (a) 상기 제1 통신 장치에서 발생된 양자 신호가 서로 경로가 다른 제1 경로와 제2 경로로 분할되어 상기 제2 통신 장치에 전송되되, 경로가 긴 제1 경로를 통하여 제 1 양자 신호, 경로가 짧은 제 2경로를 통하여 제2 양자 신호를 전송하는 단계; 및
   (b) 상기 제2 통신 장치로부터 전송되어 오는 제1 양자 신호와 제2 양자 신호를 수신하고 상기 제1 경로와 상기 제2 경로로 분할하여, 각 제 1-1, 제 1-2 양자 신호와 제 2-1, 제 2-2 양자 신호의 도달시간을 변경하는 단계를 포함하되,
   상기 양자 신호들 중 상기 제2-2 양자 신호는 편광에 따라 상기 제2 경로 중 경로가 긴 경로를 통과하여, 최단경로를 통과한 제 2-2 양자 신호를 최장경로를 통과한 제 1-1 양자 신호와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시키는 신호 전송 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 통신 장치에서 발생된 양자 신호는 제1 편광을 가지고,
   상기 (a) 단계는, 상기 제1 경로를 통과하는 상기 제1 양자 신호의 편광을 상기 제1 편광에 수직인 제2 편광으로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는
   상기 제2 통신 장치로부터 편광이 변경된 제1 양자 신호 및 제2 양자 신호를 수신하는 단계를 포함하되,
   상기 제2 통신 장치로부터 수신된 제1 양자 신호는 제1 편광을 가지고, 제2 양자 신호는 제2 편광을 가지는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계는
   상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 양자 신호 중 제2 경로로 분할된 제2-2 양자 신호는, 상기 제2 편광에 의하여 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 및 제2-2 경로 중 경로가 긴 제2-1 경로를 통과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
   
5. 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서,
   양자 신호를 생성하는 광원;
   상기 광원으로부터 생성된 양자 신호가 분할되어 각각 통과하는, 서로 다른 경로에 해당하는 제1 경로 및 제2 경로; 및
   상기 양자 신호가 통과하는 제1 경로 및 제2 경로 중 경로가 짧은 제2 경로에 구비되고, 상기 통신 장치와 연결된 타통신 장치로부터 전송되어 오는 양자 신호들의 도달시간을 변경하기 위하여 양자 신호의 경로를 설정하는 경로 선택기를 포함하되,
   상기 경로 선택기에 의하여 상기 양자 신호들 중 최단 경로를 통과할 양자 신호는 편광에 따라 상기 제2 경로에 포함된 두 개의 경로 중 경로가 긴 경로를 통과하여, 상기 최단 경로를 통과한 양자 신호가 최장 경로를 통과한 양자 신호와 간섭이 발생하도록 도달시간을 지연시키는 통신 장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 경로 선택기는
   상기 광원으로부터 생성된 양자 신호의 제1 편광에 수직인 제2 편광을 통과시키는 편광 빔 분할기에 해당하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 양자 신호가 상기 제1 경로 및 제2 경로로 분할되어 통과하도록 상기 양자 신호를 분할하고, 상기 제1 경로 및 제2 경로로 통과한 양자 신호를 결합하여 타통신 장치로 전송하는 복수의 광 분할기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 경로를 통과하는 제1 양자 신호의 편광을 변환시키는, 상기 제1 경로에 구비되는 편광 제어기를 더 포함하되, 상기 제1 경로를 통과한 제1 양자 신호는 제2 편광을 가지는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2 경로를 통과하는 제1 편광을 가지는 제2 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기에 반사되어 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 경로 및 제2-2 경로 중 경로의 길이가 짧은 상기 제2-2 경로를 통과하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 타통신 장치의 패러데이미러에 반사되어 편광이 변환된, 제2 편광을 가지는 제2 양자 신호 및 제1 편광을 가지는 제1 양자 신호를 순차적으로 수신하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 수신된 제1 및 제2 양자 신호는 광 분할기를 통하여 제1-1 및 제1-2 양자 신호와 제2-1 및 제2-2 양자 신호로 분할되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 수신된 제2 편광을 가지는 제2 양자 신호 중 제2 경로를 통과하는 제2-2 양자 신호는 상기 경로 선택기를 통과하여 상기 제2 경로에 포함된 제2-1 경로 및 제2-2 경로 중 경로의 길이가 긴 제2-1 경로를 통과하여 도달시간이 지연되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 분할되어 제1 경로 및 제2 경로를 통과한 각 제1-1 및 제1-2 양자 신호와 제2-1 및 제2-2 양자 신호는 상기 광 분할기에 도달하는 시간에 따라 서로 간섭되고, 상기 간섭된 신호를 검출하는 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 장치.

Images