KR101992957B1 - 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법 - Google Patents

양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101992957B1
KR101992957B1 KR1020170028795A KR20170028795A KR101992957B1 KR 101992957 B1 KR101992957 B1 KR 101992957B1 KR 1020170028795 A KR1020170028795 A KR 1020170028795A KR 20170028795 A KR20170028795 A KR 20170028795A KR 101992957 B1 KR101992957 B1 KR 101992957B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
receiver
transmitter
key distribution
feedback signal
quantum
Prior art date
Application number
KR1020170028795A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180102327A (ko
Inventor
김장면
조정식
Original Assignee
아이디 퀀티크 에스.에이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아이디 퀀티크 에스.에이. filed Critical 아이디 퀀티크 에스.에이.
Priority to KR1020170028795A priority Critical patent/KR101992957B1/ko
Priority to US16/492,232 priority patent/US11240016B2/en
Priority to EP17899245.9A priority patent/EP3595235A4/en
Priority to PCT/KR2017/014864 priority patent/WO2018164356A1/ko
Priority to JP2019548671A priority patent/JP6934528B2/ja
Priority to CN201780088168.4A priority patent/CN110383753B/zh
Publication of KR20180102327A publication Critical patent/KR20180102327A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101992957B1 publication Critical patent/KR101992957B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0819—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/12—Transmitting and receiving encryption devices synchronised or initially set up in a particular manner

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 양자 암호키 분배 시스템에 포함되는 광학계의 온도 변화 및 전송 경로의 편광 변화 등에 의해 발생하는 오차를 신속하면서도 효율적으로 보상할 수 있고, 종래의 양자 암호키 분배 시스템을 그대로 적용할 수 있어 비용을 절감할 수 있도록 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법을 제공한다.

Description

양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법{Apparatus and Method For Stabilizing Quantum Key Distribution}
본 발명의 일 실시예는 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
현재 사용되고 있는 대부분의 암호체계는 대개 수학적 복잡성에 기초하고 있고, 가역적이기 때문에 언젠가는 문제가 풀리게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위한 방안 중 하나가 양자 암호(quantum cryptography), 더욱 정확하게는 양자 암호키 분배(quantum key distribution)이다.
기존에 있던 대부분의 암호체계가 대부분 수학적 복잡성에 기초하는 데에 비해, 양자 암호는 자연현상에 기초하고 있으며, 암호에 사용되는 일회용 암호키를 생성하는 이상적인 방법 중 하나다. 중간에 도청자(Eve)가 난입할 경우 그 존재가 드러나며, 신호가 왜곡되어 도청자도 정확한 정보를 얻을 수 없는 보안성을 갖는다.
이러한 특성을 갖는 양자 암호를 송신부(Alice)와 수신부(Bob)가 공유할 수 있도록 하는 시스템이 양자 암호키 분배 시스템(quantum key distribution system; QKDS)이다.
도 1은 종래의 양자 암호키 분배 시스템의 개념도이다.
양자 암호키 분배 시스템은 양자 암호키 분배 송신부(110), 양자 암호키 분배 수신부(120), 양자 채널(132, quantum channel) 및 공개 채널(134, public or open channel)를 포함한다.
양자 암호키 분배 시스템의 송신부(110)는 단일광자(single photon)의 위상(phase) 또는 편광(polarization)을 제어하는 방식으로 단일광자에 암호키 정보를 실어 양자 채널(132)을 통해 전송한다. 양자 암호키 분배 시스템의 수신부(120)는 위상 변조기(phase modulator)와 간섭계(interferometer) 또는 편광빔 분할기(polarization beam splitter) 등을 이용하여 암호키 정보를 추출한다.
양자 암호키 분배 시스템은 종래의 광통신 및 광학 기술을 이용하여 구현된다. 특히, 위상변조 방식의 양자 암호키 분배 시스템은 통상적으로 수신부에 위치한 위상변조장치와 간섭계를 통해 전송된 신호를 검출한다.
양자 암호키 분배 시스템에 포함되는 간섭계의 간섭 성능은 온도나 진동 등 환경 변화에 매우 민감한 특성을 보이며, 이러한 환경 변화에 따른 유효 광경로 길이(effective optical path length)의 변화는 양자 암호키 분배 시스템의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.
따라서 양자 암호키 분배 시스템의 양자비트오류율 즉, QBER(quantum bit error rate)을 개선하기 위해, 간섭계와 같은 광학계의 온도 변화 등에 의해 발생하는 오차를 신속하고 효율적으로 보상할 수 있는 방안이 필요하다.
또한, 편광변조 방식의 양자 암호키 분배 시스템은 통상적으로 수신부에 위치한 편광빔분할기를 통해 신호를 검출한다. 하지만, 전송 신호의 편광은 전송 매체인 광섬유 내에서 시간에 따라 계속 변화한다. 따라서 편광빔분할기를 입력 신호의 편광에 정렬하는 기능이 필요하다. 이러한 정렬의 정확도는 양자 암호키 분배 시스템의 양자비트오류율에 영향을 준다. 따라서 광섬유에 의해 변화된 신호광의 편광축(polarization axis)과 편광빔분할기의 축 사이의 오차를 신속하고 효율적으로 보상할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명의 실시예들은 양자 암호키 분배 시스템의 성능을 향상시키기 위해, 간섭계의 유효 광경로 길이 변화 및 편광축 변화 등에 의해 발생하는 오차를 신속하고 효율적으로 보상할 수 있는 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법을 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 수신기에서 검출된 광자 검출 관련값들 중, 암호키 생성에 사용되지 않고 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 부궤환 신호 생성부; 상기 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출하는 보정값 산출부; 및 상기 보정값을 송신기에 전송하여 상기 송신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하거나 또는 상기 보정값을 수신기에 전송하여 상기 수신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하는 제어부를 포함하되, 상기 부궤환 신호 생성부는, 상기 수신기의 기저(basis) 정보가 상기 송신기의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 수신기에서 검출된 광자 검출 관련값들 중, 암호키 생성에 사용되지 않고 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 부궤환 신호 생성 과정; 상기 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출하는 보정값 산출 과정; 및 상기 보정값을 송신기에 전송하여 상기 송신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하거나 또는 상기 보정값을 수신기에 전송하여 상기 수신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 제어하는 과정을 포함하되, 상기 부궤환 신호 생성 과정에서는, 상기 수신기의 기저(basis) 정보가 상기 송신기의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 수신기에서 검출된 광자 검출 관련값들 중, 암호키 생성에 사용되지 않고 버려지는 검출 계수값들에 기초하여 부궤환 신호를 생성하는 부궤환 신호 생성부; 상기 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출하는 보정값 산출부; 및 상기 보정값을 송신기 또는 수신기에 전송하여 상기 송신기 및/또는 수신기가 편광 상태를 제어하여 편광을 보정하도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자 암호키 분배 시스템에 포함되는 광학계의 유효 광경로 길이 변화 등에 의해 발생하는 오차를 효율적으로 보상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 측면에 의하면, 양자 암호키 분배 시스템에서 발생하는 오차의 최초 제어 방향을 알 수 있고, 최적점에서 벗어난 정도를 알 수 있어 오차를 신속하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 종래의 양자 암호키 분배 시스템을 그대로 이용할 수 있어, 적용이 간편하고 비용이 적게 든다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 양자 암호키 분배 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 마이컬슨(Michelson) 위상변조 양자 암호키 분배 송수신기의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 마흐젠더(Mach-Zehnder) 위상변조 양자 암호키 분배 송수신기의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 또 다른 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 수신기의 신호처리부에 포함된 경우를 도시하는 일 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 생성하는 온도변화에 따른 부궤환 에러신호와 양자비트오류율(QBER) 값을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 방법을 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 편광변조 기반의 양자 암호키 분배 시스템의 동작을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 편광변조 기반의 양자 암호키 분배 시스템의 동작을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자암호통신 시스템의 안정화 장치 및 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 개념도이다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(200)는 양자 암호키 분배 위한 송신기(110) 및 수신기(120)와 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 이하, 별도의 언급이 없다면, 송신기 및 수신기 각각은 양자 암호키 분배를 위한 송신기 및 수신기를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 수신기에 위치하는 경우를 도시한다.
송신기(110)는 송신 광학계(210, optical system)와 송신 신호처리부(220)를 포함한다. 송신 광학계(210)는 단일광자(single photon)를 생성하고, 생성된 단일광자에 정보를 싣기 위해 변조(modulation)를 수행한다.
송신 신호처리부(220)는 수신기(120)와 공개 채널(260)을 통해 연결되어 데이터 통신을 수행하고 수신 신호처리부(240)에 연결된 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)의 구동을 위한 정보를 전달한다. 송신 신호처리부(220)는 양자 암호키 분배를 위한 정보를 생성하고, 생성된 정보를 저장한다. 양자 암호키 분배를 위한 정보는 비트 정보 및 기저 정보를 포함한다. 송신 신호처리부(220)는 양자 암호키 분배를 위한 정보를 송신 광학계(210)로 전송하며, 양자 암호키 분배 안정화 장치(200) 및 수신기(120)와 양자 암호키 분배를 위한 정보를 공유한다.
송신 신호처리부(220)가 수신기(120)로 송수신하는 정보는 도청될 수 있으므로, 송신 신호처리부(220)는 공개 채널(260)을 통해 암호키 정보를 교환하지는 않는다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)는 송신 신호처리부(220)로부터 수신한 데이터에 기초하여 송신 광학계(210)에 포함된 구성요소를 일시적으로 제어하여 양자비트오류율(QBER)을 신속하고 효율적으로 개선할 수 있도록 한다.
수신기(120)는 수신 광학계(230), 수신 신호처리부(240) 및 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)를 포함한다. 수신기(120)는 송신기(110)에서 전송한 단일광자를 수신하여 암호키를 추출한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)는 수신 신호처리부(240)로부터 수신한 데이터에 기초하여 수신 광학계(230)에 포함된 구성요소를 일시적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송신기(110) 및 수신기(120)는 BB84(Bennet Brassard 84) 프로토콜을 따를 수 있다. BB84 프로토콜은 두 가지 기저(basis) 정보와 비트(bit) 정보를 조합함으로써 구현된다. 이 때 비트 정보는 서로 직교하는 두 상태를 이용하여 표현된다. 이에 따라, 송신 광학계(210)는 비트 정보와 기저 정보를 제어하기 위해 두 개의 변조기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송신 광학계(210)의 제 1 변조기(미도시)는 비트 정보를 변조하고, 제 2 변조기(미도시)는 기저 정보를 변조할 수 있다. 또는 반대로도 구성될 수 있다.
송신 광학계(210)에서 변조된 단일광자는 변조된 비트 정보와 기저 정보를 포함할 수 있다. 송신 광학계(210)에서 변조된 단일광자는 양자 채널(250)을 통해 수신기(120)로 전송된다.
수신기(120)는 송신기(110)에서 전송한 단일광자를 수신하여 암호키를 추출한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)는 수신 신호처리부(240)로부터 수신한 데이터에 기초하여 수신 광학계(230)에 포함된 구성요소를 일시적으로 제어할 수 있다.
도 2의 양자 암호키 분배 안정화 장치(200)는 수신기(120)에 위치하고 있지만, 송신기(110)에 배치될 수 있으며, 그와 별도의 독립적인 장치로도 구현이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 마이컬슨(Michelson) 위상변조 양자 암호키 분배 송수신기의 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(300)는 송신기(310) 및 수신기(350)와 직간접적으로 연결되어 데이터 통신을 수행한다.
송신기(310)는 송신 광학계(320)와 송신 신호처리부(330)를 포함한다. 송신 광학계(320)는 단일광자를 생성하고, 생성된 단일광자에 정보를 싣기 위해 위상 변조(phase modulation)를 수행한다.
송신 광학계(320)는 광원(322), 송신 간섭계(324) 및 송신 위상 변조부(326)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 광학계(320)는 송신 간섭계(324)와 송신 위상 변조부(326)가 분리된 구조를 갖지만, 송신 간섭계(324)와 송신 위상 변조부(326)가 통합된 구조를 가질 수 있다.
방출되는 빛이 단일모드(single mode)이고, 좁은 선폭(narrow linewidth) 및 안정된 편광(polarization) 특성을 가지는 레이저(laser)가 광원(322)으로서 적합하다.
광원(322)은 DFB(distributed feedback), VCSEL(vertical-surface emitting laser), DBR(distributed Bragg reflector) 레이저 등과 같은 반도체 레이저(semiconductor laser)나 고체 레이저, 가스 레이저 등과 같은 레이저를 포함할 수 있다.
광원(322)은 단일광자를 발생시키기 위해, 전술한 레이저에 광감쇠기(optical attenuator, 미도시) 또는 광변조기(optical modulator, 미도시) 등을 더 추가함으로써 형성될 수 있다. 또한, 광감쇠기는 광원(322)과 분리되어 송신기(310)의 광경로 상 어느 곳이라도 위치하여 양자 채널(342)로 전송되는 광신호를 감쇠할 수 있다.
송신 간섭계(324)는 광원(322)으로부터 수신한 광자를 적어도 두 개의 광경로(optical path)로 분할한다. 여기서, 적어도 두 개의 광경로는 서로 다른 유효 광경로 길이(effective optical path length)를 갖도록 설계된다. 따라서, 송신 간섭계(324)를 거친 광자들은 시간적으로 분리된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 두 개의 광경로는 서로 다른 두 개의 광경로인 장경로(tn) 및 단경로(tn-1)를 포함한다. 광원(322)에서 생성된 광펄스가 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 따른다고 가정하면, 송신 간섭계(324)를 통과한 광펄스는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00001
여기서, E0는 광펄스의 진폭(amplitude), σ는 펄스폭, ω는 각주파수(angular frequency), t는 시간을 나타내며, tn 및 tn-1은 각각 장경로 및 단경로를 통과하면서 발생하는 시간지연을 나타낸다.
송신 위상 변조부(326)는 송신 위상 변조부(326)을 경유하는 광펄스의 위상을 φA만큼 변조시킨다. 이 때, 송신 위상 변조부(326)는 장경로 및 단경로를 통과하는 두 광펄스의 위상을 동시에 변조시킬 수도 있으며, 두 광펄스 중 선택된 하나의 광펄스를 변조시킬 수 있다.
두 광펄스 중 선택된 하나의 광펄스를 변조시키는 경우, 단경로 또는 장경로를 통과하는 하나의 광펄스의 위상만 φA만큼 변조시킨다.
두 광펄스의 위상을 동시에 변조시키는 경우, 송신 위상 변조부(326)를 통과한 직후의 광펄스 E2는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00002
여기서, φA는 송신 위상 변조부(326)에서 변조되는 위상의 크기이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 위상 변조부(326)는 시간적으로 분리된 두 광펄스의 위상을 각각 -φA/2 및 φA/2씩 변조시켜 시간적으로 분리된 두 광펄스의 전체 위상차가 φA가 되도록 변조하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송신기(310) 및 수신기(350)는 BB84 프로토콜을 따를 수 있다. 따라서, 송신 위상 변조부(326)는 비트 정보와 기저 정보를 제어하기 위해 두 개의 변조기를 포함할 수 있다. 송신 위상 변조부(326)의 제 1 변조기(미도시)는 비트 정보를 변조하고, 제 2 변조기(미도시)는 기저 정보를 변조한다.
송신 위상 변조부(326)에서 변조된 광펄스는 변조된 비트 정보와 기저 정보를 포함할 수 있다. 그 후, 송신 위상 변조부(326)에서 변조된 광펄스는 양자 채널(342)을 통해 수신기(350)로 전송된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수신기(350)는 수신 위상 변조부(362), 수신 간섭계(364) 및 검출부(366)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 광학계(360)는 수신 위상 변조부(362)와 수신 간섭계(364)가 분리된 구조를 갖지만, 수신 위상 변조부(362)와 수신 간섭계(364)가 통합된 구조를 가질 수 있다.
수신 위상 변조부(362)는 양자 채널(342)를 거쳐 수신된 광펄스의 위상을 변조시킨다. 수신 위상 변조부(362)에서 추가되는 위상은 φB이다. 수신 위상 변조부(362)를 통과한 직후의 광펄스 E3는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00003
여기서, φB는 수신 위상 변조부(362)에서 변조되는 위상의 크기이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 위상 변조부(362)는 시간적으로 분리된 두 광펄스의 위상을 각각 -φB/2 및 φB/2씩 변조시켜 시간적으로 분리된 두 광펄스의 전체 위상차가 φB가 되도록 변조하였다.
다만, 두 광펄스 중 선택된 하나의 광펄스를 변조시키는 경우, 단경로 또는 장경로를 통과하는 하나의 광펄스의 위상만 φB만큼 변조시킬 수 있다.
수신 위상 변조부(362)에서 변조된 광펄스는 수신 간섭계(364)에 입사된다. 수신 간섭계(364)를 경유한 광펄스는 검출부(366)로 입사된다. 수신 간섭계(364)에서 출력된 광펄스가 입력부로 향하지 않고, 검출부(366) 쪽으로 향하도록 하기 위해 수신 간섭계(364)는 광순환기(optical circulator, 미도시)를 포함할 수 있다. 검출부(366)에 포함된 제 1 단일광자 검출기(369)와 제 2 단일광자 검출기(367)로 입사되는 광펄스, ED1 및 ED2는 각각 수학식 4와 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00004
Figure 112017022663832-pat00005
여기서, tl, ts, φC는 각각 수신부 장경로, 수신부 장경로 및 수신 간섭계(364)에서 추가되는 결합 위상이다. 수학식 4와 수학식 5의 항들 가운데, 가운데 두 항들은 시간적으로 겹치지 않기 때문에 간섭과는 무관하며, 첫 항과 네 번째 항만이 간섭에 기여한다. 따라서 ED1 및 ED2는 각각 수학식 6과 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00006
Figure 112017022663832-pat00007
단일광자 검출기는 광펄스의 세기를 검출하기 때문에, 전기장의 제곱에 비례하는 신호를 검출한다. 따라서 제 1 단일광자 검출기(369) 및 제 2 단일광자 검출기(367)에서 검출되는 신호는 각각 수학식 8과 수학식 9로 나타낼 수 있다. 여기서, 2φC = π이다.
Figure 112017022663832-pat00008
Figure 112017022663832-pat00009
여기서, A는 수학식 10과 같다.
Figure 112017022663832-pat00010
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 마흐젠더(Mach-Zehnder) 위상변조 양자 암호키 분배 송수신기의 예시도이다.
도 4에 도시된 송신기(410) 및 수신기(450) 각각은 도 3에 도시된 송신기(310) 및 수신기(350) 각각과 동일한 기능을 수행한다. 다만, 도 4의 송신 광학계(420)는 송신 간섭계(424)와 송신 변조부(426)가 통합된 구조를 가지며, 수신 광학계(460)는 수신 간섭계(462)와 수신 변조부(463)가 통합된 구조를 갖는다. 도 4의 송신 광학계(420) 및 수신 광학계(460) 각각은 도 3에 도시한 송신 광학계(320)에서와 같이 간섭계와 변조부가 분리된 구조를 가질 수도 있다. 송신 변조부(426) 및 수신 변조부(463) 각각은 광펄스의 변조를 위해 마흐젠더 간섭계를 포함한다.
송신 간섭계(424)는 송신 광분할기(OST), 송신 광지연기(DLT), 송신 위상 변조부(426) 및 송신 광결합기(OCT)를 포함하며, 수신 간섭계(462)는 수신 광분할기(OSR), 수신 광지연기(DLR), 수신 위상 변조부(463) 및 수신 광결합기(OCR)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(400)는 수신 광학계(460) 및 수신 신호처리부(470)와 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 본 실시예에서는 양자 암호키 분배 안정화 장치(400)가 수신기(450)에 포함되었지만, 송신기(410)에 포함될 수 있다. 또한, 양자 암호키 분배 안정화 장치(400)는 수신 신호처리부(470) 또는 송신기(410)의 송신 신호처리부(430)에 포함될 수도 있다.
수신기(450)는 송신기(410)로부터 전송받은 광펄스를 수신하여 단일광자를 검출한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(400)는 검출한 결과를 수신한다. 수신기(450)가 양자 채널(442)을 통해 송신기(410)로부터 광펄스를 수신하여 단일광자를 검출하기까지의 과정은 전술한 과정과 동일하다.
수신기(450)의 수신 간섭계(462)에 입력되는 시간적으로 분리된 두 개의 광펄스 중 하나는 송신기(410)의 송신 위상 변조부(426)에 의해 φA만큼 위상 변조되고, 나머지 하나는 수신 위상 변조부(463)를 경유하는 과정에서 φB만큼 위상 변조된다.
수신 간섭계(462)는 서로 다른 광경로를 갖는 비대칭 간섭계이다. 수신 간섭계(462)는 수신 간섭계(462)에 입력되는 시간적으로 분리된 두 개의 광펄스에 기초하여 한 쌍의 간섭 결과를 출력한다. 시간적으로 분리된 두 개의 광펄스가 길이가 서로 다른 광경로를 통과하면서 그 광경로의 길이 차이만큼에 해당하는 전송 지연을 일으키게 된다. 즉, 수신 간섭계(462)에 입력된 시간적으로 분리된 두 개의 광펄스는 시간적으로 분리된 네 개의 광펄스로 분할된다. 시간적으로 분리된 네 개의 광펄스 중, 시간적으로 인접하거나(adjacent) 겹쳐진(overlapped) 두 개의 광펄스는 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)을 일으켜 그 크기가 커지거나 작아진다. 이렇게 시간적으로 분리된 광펄스에 의한 간섭이 검출부(464)에서의 검출률을 좌우한다. 검출부(464)는 보강 간섭이 최대로 일어난 경우, 최대 검출률을 나타낼 수 있고, 상쇄 간섭이 최대로 일어난 경우, 최소 검출률을 나타낸다.
그러나 수신 간섭계(462)에 포함된 광경로의 유효 광경로 길이가 미리 설정한 값과 달라진 경우, 즉, 수신 간섭계(462)의 온도가 미리 설정한 온도보다 높거나 낮아 송신 간섭계(424)에 포함된 광경로의 유효 광경로 길이와 달라진 경우, 또는, 진동이나 기타 환경 변화에 의해 물리적인 길이가 변하여 유효 광경로가 달라진 경우, 수신 간섭계(462)에서 출력된 네 개의 광펄스 중 시간적으로 겹쳐진 두 펄스의 상대적인 위상 변화가 간섭에 변화를 일으킨다. 즉, 수신 간섭계(462)의 두 출력에 보강 간섭이나 상쇄 간섭이 완벽히 일어나지 못하게 되어, 두 출력은 최대 검출률 또는 최소 검출률에서 벗어난 값을 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 5에서는 양자 암호키 분배 안정화 장치(500)의 동작을 더욱 구체적으로 설명하기 위해 송신기의 도시는 생략하였으며, 도 10을 함께 참조하여, 양자 암호키 분배 안정화 방법에 대해서도 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(500)는 검출부(566) 및 수신 신호처리부(560)과 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(500)는 공개 채널(544)을 통해 송신 신호처리부(미도시) 및 수신 신호처리부(560)와 연결되어 양자 암호키 분배를 안정화시키기 위한 다양한 정보를 송수신한다. 여기서, 양자 암호키 분배를 안정화시키기 위한 정보는 송신기 또는 수신기에 포함된 적어도 하나의 유효 광경로 길이 변환대상(580)의 유효 광경로 길이를 변경시킬 수 있는 정보를 포함한다. 여기서, 유효 광경로 길이 변환대상(580)은 위상 변조부가 포함되거나 분리된 형태의 간섭계가 될 수 있다.
송신기 및 수신기 사이에 형성된 단일광자의 여러 전송 경로 중, 중첩되는 두 경로의 광경로차가 최초에 설정한 값에서 어긋나 있는 경우를 살펴보자. 이 경우, 수신기에 포함된 유효 광경로 길이를 변경시킴으로써, 송신기로부터의 출력과 수신기로부터의 출력 사이의 위상 등의 설정 값에 영향을 받는 검출률을 최초에 설정한 상태에서의 값이 되도록 안정화할 수 있다. 수신기에 포함된 유효 광경로의 길이를 변경시켜 위상을 보정함으로써, 송신기 및 수신기의 기저 정보가 일치하는 경우에 검출부(566)에서의 검출 결과가 최대 검출률 및 최소 검출률을 나타낼 수 있다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(500)는 부궤환 신호 생성부(572), 보정값 산출부(574) 및 광경로 제어부(576)을 포함할 수 있다.
부궤환 신호 생성부(572)는 검출부(566)에서 검출된 단일광자 검출 계수값들에 기초하여 부궤환 신호를 생성한다(S1010). 부궤환 신호는 송신기의 기저 정보, 비트 정보 및 수신기의 기저 정보에 기초한 검출 계수값들을 포함할 수 있다.
부궤환 신호 생성부(572)는 생성한 부궤환 신호를 보정값 산출부(574)로 전송한다.
보정값 산출부(574)는 부궤환 신호 생성부(572)가 생성한 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출한다(S1020). 여기서, 보상되어야 할 오차는 송신기에 포함된 유효 광경로 길이 변환대상(미도시) 또는 수신기에 포함된 유효 광경로 길이 변환대상(580)의 유효 광경로 길이의 편차가 될 수 있다.
유효 광경로 길이를 변경할 수 있는 요소인 유효 광경로 길이 변환대상은 광섬유 또는 평판형 광도파로나 복수의 거울과 빔분할기(beam splitter)를 포함하는 자유공간 광학계 등으로 구성된 간섭계와 간섭계의 유효 광경로 길이를 변화시킬 수 있는 온도 제어기(temperature controller), 압전 소자(piezoelectric device), 기계 장치(mechanical device) 등이 될 수 있다.
광경로 제어부(576)는 보정값 산출부(574)에서 생성한 보정값에 기초하여 송신기 및 수신기 중 적어도 하나에 포함된 적어도 하나의 유효 광경로 길이 변환대상을 제어한다(S1030). 유효 광경로 길이 변환대상은 양자 암호키 분배 안정화 장치(500)에 의해 직접적으로 제어된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 6에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)는 도 5에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(500)와 동일한 기능을 수행한다. 다만, 검출부(666)의 서로 다른 두 개의 단일광자 검출기(669, 667) 각각과 연결되어 데이터 통신을 수행한다는 것만 다르다.
제 1 단일광자 검출기(669) 및 제 2 단일광자 검출기(667)는 게이티드 가이거 모드로 동작하여 간섭에 의해 보강되거나, 상쇄되거나, 보강되지도 상쇄되지도 않은 단일광자를 검출한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)는 제 1 단일광자 검출기(669) 및 제 2 단일광자 검출기(667) 각각으로부터의 검출된 신호와 관련된 정보를 송신 신호처리부(미도시) 및 수신부 신호처리부(660)가 신호처리 과정에서 제공하는 정보와 함께 해석함으로써, 양자 암호키 분배 시스템을 안정화한다.
수신 신호처리부(660) 또한 제 1 단일광자 검출기(669) 및 제 2 단일광자 검출기(667) 각각으로부터의 검출 신호를 수신하여, 검출 신호를 저장하고 암호키 추출을 위해 검출과 관련된 일부 정보를 송신기로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)는 검출부(666) 및 수신 신호처리부(660)과 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)가 검출부(666) 및 수신 신호처리부(660)와 주고 받는 정보는 검출부(666)에서 검출된 검출값들과 송신 간섭계 및 수신 간섭계 사이의 위상차를 안정화하기 위한 정보를 포함할 수 있다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(600)는 검출부(666)에 포함된 제 1 단일광자 검출기(669) 및 제 2 단일광자 검출기(667)의 검출 계수값과 관련된 정보를 수신하여, 양자 암호키 분배를 위한 부궤환 신호를 생성한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)는 생성된 부궤환 신호에 기초하여 보정값을 산출하며, 산출된 보정값으로 유효 광경로 길이 변환대상을 제어함으로써, 송신기와 수신기 사이의 위상차를 최소화함으로써 양자 암호키 분배 송수신 시스템을 안정화시킨다.
송신기 및 수신기 사이의 광경로차가 최초에 설정한 값에서 어긋나 있는 경우를 살펴보자. 이 경우, 송신기 또는 수신기에 포함된 유효 광경로 길이 변환대상(680)의 유효 광경로 길이를 변경시킴으로써, 송신기로부터의 출력과 수신기로부터의 출력 사이의 위상차를 최초에 설정한 위상차와 같은 상황으로 변경시킬 수 있다. 송신기 또는 수신기에 포함된 유효 광경로 길이 변환대상(680)의 유효 광경로의 길이를 변경시켜 송신기 또는 수신기 내에서의 위상을 보정함으로써, 검출부(566)에서 측정되는 검출률이 최대 검출률 및 최소 검출률을 나타낼 수 있다.
송신기 및 수신기 중 어느 한 쪽에 포함된 광경로를 경유하는 광펄스의 위상을 보정하는 방법을 이용하는 경우, 변경된 유효 광경로 길이를 최초에 설정한 유효 광경로 길이와 같도록 보정할 필요는 없다. 검출부(566)에서의 검출률을 안정화시키는 핵심 요소는 송신기 및 수신기의 절대적인 유효 광경로 길이가 아니라, 송신기 및 수신기에 포함된 경로를 포함하여 송신기에서 수신기까지에 이르는 전체 광경로의 가능한 경우 중 분할된 단일광자 펄스가 중첩되어 간섭을 일으키는 두 광경로에 의해 발생하는 상대적인 위상차이기 때문이다.
BB84 프로토콜을 따르는 송신기 및 수신기의 위상 변조량 및 위상 변조량의 변화에 따른 수신기에서의 검출을 정리하면 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00011
표 1의 설명의 편의를 위해, 도 3과 도 6을 함께 참고하여 설명한다. 검출부(366, 666)에 사용되는 단일광자 검출기가 두 개이며, 송신기(310)와 수신기(350)가 BB84 프로토콜을 따르는 경우, 단일광자 검출은 표 1에 나타낸 바와 같이, 8가지 경우의 수를 가질 수 있다.
첫 번째 열(column) 및 두 번째 열은 각각 송신기(310)에 포함된 송신 변조부(326)에 의한 비트 정보 변조량 및 기저 정보 변조량을 나타낸다. 세 번째 열은 수신기(350)에 포함된 수신 변조부(362)에 의한 기저 정보 변조량을 나타낸다. 여기서, 변조량은 각 변조부에 포함된 간섭계(324, 364)에서 시간적으로 분리된 두 광펄스 중 장경로를 거쳐 상대적으로 늦게 출력되는 광펄스와 단경로를 거쳐 상대적으로 빨리 출력되는 광펄스 사이의 위상차이다.
네 번째 열 및 다섯 번째 열은 각각 제 1 단일광자 검출기(369, 669) 및 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 단일광자 검출률을 나타낸다. 여섯 번째 열은 제 1 단일광자 검출기(369, 669)와 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서 검출된 검출 계수값을 비트 정보와 기저 정보를 이용하여 나타낸 값이며, 가장 마지막 열인 일곱 번째 열은 검출 계수값(number of detected counts)의 증감을 나타낸다. 여기서, 검출 계수값은 송신기(310)의 위상에 비해 수신기(350)의 위상이 상대적으로 커졌을 때, 증가하는 것으로 정의하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(300, 600)는 수신기(350)에서 검출된 단일광자 검출 관련값들 중, 수신기(350)의 기저 정보가 송신기의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들에 기초하여 송신기(310) 및 수신기(350) 사이의 양자 암호키 분배를 안정화시킨다. 송신기(310)의 기저 정보와 수신기(350)의 기저 정보가 일치하는 값들은 암호키의 추출에 사용될 것이며, 표 1에는 나타내지 않았다.
각 검출기에서의 검출 계수값을 Dxnm으로 표현하였으며, x는 검출기의 번호, m 및 n은 각각 송신기(310)의 비트 정보와 기저 정보를 나타낸다. 즉, x가 1, m이 0, n이 1이면, 송신기(310)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1일 때, 제 1 단일광자 검출기에서 검출된 검출 계수값을 나타낸다. 수신기(350)의 기저 정보의 표시는 생략하였지만, 송신기(350)의 기저 정보와 일치하지 않기 때문에, n 값을 확인하여 유추할 수 있다. 예컨대, D101으로 표시된 검출 계수값의 경우, 송신기(310)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1이기 때문에, 수신기(350)의 기저 정보는 0이다.
표 1에서 비트 정보가 0인 경우를 살펴보면, 제 1 단일광자 검출기(369, 669)에서의 검출 계수값에 해당하는 D100와 D101이 온도 변화에 대해 서로 반대 방향으로 움직이는 것을 알 수 있다. 즉, D100은 검출 계수값이 감소하는 방향으로, D101은 검출 계수값이 증가하는 방향으로 움직인다.
또한, 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 검출 계수값에 해당하는 D200와 D201이 서로 반대의 방향으로 움직인다. 즉, D200은 검출 계수값이 감소하는 방향으로, D201은 검출 계수값이 증가하는 방향으로 움직인다.
제 1 단일광자 검출기(369, 669)에서의 검출 계수값과 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 검출 계수값은 서로 다른 방향으로 움직인다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제 1 단일광자 검출기(369, 669)에서의 검출 계수값과 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 검출 계수값의 차이를 계산하면, 송신 간섭계(324)와 수신 간섭계(364)의 변화에 따른 영향이 일관성있게 표현된다. 제 1 단일광자 검출기(369, 669)에서의 검출 계수값과 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 검출 계수값 사이의 관계를 수학식으로 표현하면, 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00012
여기서, X는 비트 정보가 0인 값에 대한 제 1 부궤환 신호이다. 비트 정보가 1인 값에 대해서도 동일하게 적용된다. 다만, 비트 정보가 1인 제 2 부궤환 신호는 비트 정보가 0인 값에 대한 제 1 부궤환 신호와 방향이 다르다. 따라서 제 2 부궤환 신호 Y는 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00013
제 1 단일광자 검출기(369, 669)에서의 검출 계수값과 제 2 단일광자 검출기(367, 667)에서의 검출 계수값은 양자 채널(342)에서의 광손실, 검출기에서의 검출 효율 등의 차이에 의해 그 값이 다를 수 있다. 따라서 이를 보상하기 위해, 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 정규화(normalization)할 수 있다. 정규화한 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 나타내면 각각 수학식 13 및 수학식 14와 같다.
Figure 112017022663832-pat00014
Figure 112017022663832-pat00015
부궤환 신호는 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 더하여 구할 수 있으며, 이는 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00016
여기서, Z는 부궤환 신호를 나타내며, X 및 Y는 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 나타낸다.
전술한 부궤환 신호는 송신기(310) 및 수신기(350) 사이의 위상차 등이 반영되어 나타나는 검출 계수값들을 수치화함으로써 계산되며, 이 계산은 양자 암호키 분배 안정화 장치(300, 600)의 부궤환 신호 생성부(672)에 의해서 수행된다.
부궤환 신호 생성부(672)는 제 1 단일광자 검출기(369, 669) 및 제 2 단일광자 검출기(367, 667)로부터의 검출 결과에서 발생한 검출 계수값들을 이용하여 제 1 부궤환 신호 및 제 2 부궤환 신호를 생성하며, 이 두 값을 더하여 부궤환 신호를 생성한다.
보정값 산출부(674)는 부궤환 신호 생성부(672)로부터 수신한 부궤환 신호에 기초하여 양자 암호키 분배를 안정시키기 위해 실질적으로 제어되어야 할 보정값을 산출한다. 여기서, 보상되어야 할 오차는 송신기(310) 또는 수신기(350)에 포함된 유효 광경로 길이의 변화량이 될 수 있다.
유효 광경로 길이를 변경할 수 있는 요소인 유효 광경로 길이 변환대상(680)은 광섬유 또는 평판형 광도파로나 복수의 거울과 빔 분할기를 포함하는 자유공간 광학계 등으로 구성된 간섭계와 간섭계의 유효 광경로 길이를 변화시킬 수 있는 온도 제어기, 압전 소자, 기계 장치 등이 될 수 있다.
광경로 제어부(676)는 보정값 산출부(674)에서 생성한 보정값에 기초하여 수신기(350)에 포함된 적어도 하나의 유효 광경로 길이 변환대상(680)을 제어한다(S1030). 광경로 제어부(676)가 송신기(미도시)에 포함된 경우에는 송신기에 포함된 유효 광경로 길이 변환대상을 제어한다. 유효 광경로 길이 변환대상(680)은 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)에 의해 제어된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치의 동작을 설명하기 위한 또 다른 예시도이다.
도 7의 양자 암호키 분배 안정화 장치(700)는 도 6에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)와 동일한 기능을 수행한다. 다만, 유효 광경로 길이 변환대상(780)이 수신기에 포함되어 있지 않고, 송신기에 포함되어 있다는 점이 다르다.
따라서 양자 암호키 분배 안정화 장치(700)는 양자 암호키 분배를 안정화하기 위한 정보를 송신기의 송신 신호처리부(730)로 전송하여, 송신 신호처리부(730)로 하여금 유효 광경로 길이 변환대상(780)을 제어하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 수신기의 신호처리부에 포함된 경우를 도시하는 일 예시도이다.
도 8의 양자 암호키 분배 안정화 장치(800)는 도 6에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)와 동일한 기능을 수행한다. 다만, 양자 암호키 분배 안정화 장치(800)가 수신기의 수신 신호처리부(860) 외부에 존재하지 않고, 수신기의 수신 신호처리부(860)에 포함되어 있다는 점이 도 6에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)와 다르다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(800)는 수신기에 포함되어 있는 유효 광경로 길이 변환대상(미도시)을 제어할 수도 있고, 도 7에 도시한 실시예에서와 같이, 송신기에 배치되어 송신기에 포함되어 있는 유효 광경로 길이 변환대상(880)을 제어할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 생성하는 온도변화에 따른 부궤환 에러신호와 양자비트오류율(QBER) 값을 도시한 그래프이다.
양자 암호키 분배 안정화 장치가 생성하는 부궤환 신호와 양자비트오류율 값이 간섭계의 온도에 따라 민감하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 온도가 최초 설정값으로부터 벗어나면, 부궤환 신호인 Z값이 0에서 벗어난다. 부궤환 신호인 Z값이 0에서 벗어남에 따라, 양자비트오류율이 증가한다.
이 실시예에서는 송신기와 수신기에 포함된 간섭계의 온도를 안정화하기 위해 사용하고 있는 온도 제어기의 설정값을 수정하는 방식으로 적용할 수 있다. 이 경우, 광경로 제어부가 온도 제어기가 되며, 유효 광경로 길이 변환대상이 송신기 또는 수신기에 포함된 간섭계가 된다.
간섭계의 온도 변화나 진동 등에 의한 길이 변화는 양자비트오류율을 변화시키는데 간섭계의 온도를 제어하여 안정화시킬 수도 있고, 압전소자나 기계장치를 이용하여 광경로를 구성하는 광학 소자의 물리적인 길이를 변화시켜 안정화를 이룰 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 방법은 도 5에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치와 함께 설명한 바와 같으므로, 설명을 생략한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 편광변조 기반의 양자 암호키 분배 시스템의 동작을 설명하기 위한 일 예시도이다.
도 11에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 도 6에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)와 동일한 기능을 수행한다. 다만, 송신기(1110) 및 수신기(1150)가 위상 변조를 수행하지 않고, 편광 변조를 수행하기 때문에, 안정화를 위해 수신하는 정보와 제어하는 대상이 다르다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 수신 신호처리부(1170)와 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)가 수신 신호처리부(1170)와 주고 받는 정보는 검출부(1168)에서 검출된 검출 계수값들과 송신기(1110) 및 수신기(1150)의 편광을 안정화하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 여기서, 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 송신기(1110) 또는 수신기(1150)에 배치될 수 있으며, 그와 별도의 독립적인 장치로도 구현이 가능하다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 검출부(1168)로부터 생성된 검출 관련값과 수신 신호처리부(1170)를 통하여 수신한 수신기(1150)에서 생성한 기저 정보와 일치하지 않는 경우에 해당하는 송신기(1110)에서 생성한 비트 정보 및 기저정보를 이용하여, 양자 암호키 분배를 위한 부궤환 신호를 생성한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 생성된 부궤환 신호에 기초하여 보정값을 산출하며, 편광 제어기를 이용하여 수신기(1150)의 편광 상태 등을 안정화시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송신기(1110)는 송신 광학계(1120) 및 송신 신호처리부(1130)를 포함한다.
송신 광학계(1120)는 광원(1122), 편광 비트 정보 변조부(1124) 및 편광 기저 정보 변조부(1126)을 포함한다. 편광 비트 정보 변조부(1124)와 편광 기저 정보 변조부(1126)는 하나로 통합되어 구현될 수 있다.
광원(1122)은 도 2에 도시한 광원(222)과 동일한 목적을 위해 동일한 기능을 수행한다.
편광 비트 정보 변조부(1124)는 광원(1122)으로부터 광펄스를 수신하여 비트 정보 변조를 수행한다. 편광 비트 정보 변조부(1124)는 광펄스가 갖는 편광의 방향 즉, 각도를 제어함으로써 비트 정보를 변조한다. 여기서, 변조 각도는 수신기(1150)에 포함된 편광빔분할기(poliarization beam splitter; PBS)의 통과축(transmission axis)에 대한 값이다.
편광 기저 정보 변조부(1126)는 광원(1122)로부터 광펄스를 수신하여 기저 정보 변조를 수행한다. 편광 기저 정보 변조부(1126) 또한 광펄스가 갖는 편광의 각도를 제어함으로써 기저 정보를 변조한다. 편광 기저 정보 변조부(1126)는 편광 기저 정보 변조부(1126)에 입력된 광펄스 중 편광 비트 정보 변조부(1124)에 의해 변조되지 않은 부분을 변조할 수 있다.
편광 비트 정보 변조부(1124)와 편광 기저 정보 변조부(1126)를 거친 광펄스는 양자 채널(1142)를 통해 수신기(1150)로 전송된다.
송신 신호처리부(1130)는 수신기(1150) 및 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)와 공개 채널(1144)을 통해 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 송신 신호처리부(1130)는 양자 암호키 분배를 위한 정보를 생성하고, 생성된 정보를 저장한다. 양자 암호키 분배를 위한 정보는 비트 정보 및 기저 정보를 포함한다. 송신 신호처리부(1130)는 양자 암호키 분배를 위한 정보를 송신 광학계(1120)로 전송하며, 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100) 및 수신기(1150)와 양자 암호키 분배를 위한 정보를 공유한다.
수신기(1150)는 수신 광학계(1160) 및 수신 신호처리부(1170)를 포함한다.
수신 광학계(1160)는 편광축 추적부(1162), 편광 기저 정보 변조부(1164), 편광빔분할기(1166) 및 검출부(1168)를 포함한다. 검출부(1168)는 적어도 두 개의 단일광자 검출기를 포함할 수 있다.
편광축 추적부(1162)는 양자 채널(1142)를 통해 송신기(1110)로부터 전송되는 광펄스의 편광 상태를 추적한다. 수신기(1150)의 편광빔분할기(1166)의 편광축과 일치하지 않는 광펄스는 편광축과 일치하는 성분과 편광축과 직교하는 성분으로 나누어져 편광빔분할기(1166)를 통과한다. 또한, 양자 채널(1142)을 경유하는 과정에서 발생하는 다양한 외부 요인에 의해 광펄스의 편광 상태가 변경될 수 있다. 이렇게 광펄스의 편광 상태가 변경되어 편광빔분할기(1166)의 편광축과 완벽히 일치하지 않게 되면, 검출부(1168)에서 검출되는 검출률이 최대인 100%, 최소인 0% 및 50:50 등의 값에서 벗어나게 된다.
편광 기저 정보 변조부(1164)는 편광축 추적부(1162)를 통과한 광펄스에 대하여 편광 변조를 수행한다. 편광 기저 정보 변조부(1164)가 수신 광학계(1160)를 통과하는 광펄스에 편광 변조를 수행함에 따라, 검출부(1168)에서의 검출값이 달라지게 된다.
편광빔분할기(1166)는 편광빔분할기(1166)에 입사되는 광펄스를 편광에 따라 서로 다른 두 개의 광경로로 분할한다. 서로 다른 두 개의 광경로로 분할된 광펄스 중 하나는 제 1 단일광자 검출기(미도시)에 입사되고, 나머지 하나는 제 2 단일광자 검출기(미도시)에 입사된다. 제 1 단일광자 검출기 및 제 2 단일광자 검출기에 입사된 광펄스에 의한 검출 계수값들은 도 6과 표 1을 참조하여 설명한 내용과 유사하다.
BB84 프로토콜을 따르는 송신기(1110) 및 수신기(1150)의 편광 변조량 및 편광 변조량의 변화에 따른 수신기(1150)에서의 검출은 표 2에 나타낸 바와 같이, 8가지 경우로 정리할 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00017
첫 번째 열 및 두 번째 열은 각각 송신기(1110)에 포함된 편광 비트 정보 변조부(1124)와 편광 기저 정보 변조부(1126) 각각에 의한 비트 정보 변조량 및 기저 정보 변조량을 나타낸다. 세 번째 열은 수신기(1150)에 포함된 편광 기저 정보 변조부(1164)에 의한 기저 정보 변조량을 나타낸다. 여기서, 변조량은 해당 광펄스의 편광이 돌아간 각도이다.
네 번째 열 및 다섯 번째 열은 각각 검출부(1168)에 포함된 제 1 단일광자 검출기 및 제 2 단일광자 검출기에서의 단일광자 검출률을 나타낸다. 여섯 번째 열은 제 1 단일광자 검출기와 제 2 단일광자 검출기에서 검출된 검출 계수값을 비트 정보와 기저 정보를 이용하여 나타낸 값이며, 가장 마지막 열인 일곱 번째 열은 검출 계수값의 증감을 나타낸다. 여기서, 검출 계수값은 송신기(1110)의 기준축(수직 방향)에 대해 +방향으로 편광이 돌아간 단일광자가 수신되면 증가하는 것으로 정의하였다. 즉, -방향으로 편광이 돌아간 단일광자가 수신되면, 검출 계수값은 감소한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)는 수신기(1150)에서 검출된 단일광자 검출 계수값들 중, 수신기(1150)의 기저 정보가 송신기(1110)의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출값들에 기초하여 송신기(1110) 및 수신기(1150) 사이의 양자 암호키 분배를 안정화시킨다. 송신기(1110)의 기저 정보와 수신기(1150)의 기저 정보가 일치하는 값들은 암호키의 추출에 사용될 것이며, 표 2에는 기재하지 않았다.
각 검출기에서의 검출 계수값을 Dykl으로 표현하였으며, y는 검출기의 번호, k 및 l은 각각 송신기(1110)의 비트 정보와 기저 정보를 나타낸다. 즉, y가 1, k가 0, l이 1이면 송신기(1110)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1일 때, 제 1 단일광자 검출기에서 검출된 검출 계수값을 나타낸다. 수신기(1150)의 기저 정보의 표시는 생략하였지만, 송신기(1150)의 기저 정보와 일치하지 않기 때문에, l 값을 확인하여 유추할 수 있다. 예컨대, D101으로 표시된 검출 계수값의 경우, 송신기(1110)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1이기 때문에, 수신기(1150)의 기저 정보는 0이 된다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)가 양자 암호키 분배를 안정화하기 위해 생성하는 부궤환 신호는 수학식 11에서 수학식 15까지의 내용을 검출부(1168)에 포함된 제 1 단일광자 검출기 및 제 2 단일광자 검출기에 대해 그대로 적용하여 구할 수 있다.
도 11에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)에서 생성되는 제 1 부궤환 신호, 제 2 부궤환 신호 및 이 두 값을 합한 부궤환 신호는 각각 수학식 13, 수학식 14 및 수학식 15로 표현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치가 적용된 편광변조 기반의 양자 암호키 분배 시스템의 동작을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 12에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)는 도 11에 도시한 양자 암호키 분배 안정화 장치(1100)와 동일한 기능을 수행한다. 다만, 수신기(1250)의 제 1 검출부(1264) 및 제 2 검출부(1267)에 각각 두 개씩, 서로 다른 네 개의 단일광자 검출기가 포함된다는 것이 다르다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)는 수신 신호처리부(1270)와 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)가 수신 신호처리부(1270)와 주고받는 정보는 제 1 검출부(1264) 및 제 2 검출부(1267)에서 검출된 검출 계수값들과 송신기(1210) 및 수신기(1250) 사이의 편광을 안정화하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 송신기(1210)는 도 11에 도시한 송신기(1110)와 동일하다.
수신기(1250)는 수신 광학계(1260) 및 수신 신호처리부(1270)를 포함한다. 수신 광학계(1260)는 편광축 추적부(1261), 빔분할기(1262), 제 1 편광빔분할기(1263), 제 1 검출부(1264), 편광 조절기(1265), 제 2 편광빔분할기(1266) 및 제 2 검출부(1267)를 포함한다. 제 1 검출부(1264) 및 제 2 검출부(1267) 각각은 적어도 두 개의 단일광자 검출기를 포함할 수 있다.
편광축 추적부(1261)는 양자 채널(1242)를 통해 송신기(1210)로부터 전송되는 광펄스의 편광 상태를 추적한다. 수신기(1250)의 제 1 편광빔분할기(1263) 및 제 2 편광빔분할기(1266)의 편광축과 일치하지 않는 광펄스는 편광축과 일치하는 성분과 편광축과 직교하는 성분으로 나누어져 각각의 편광빔분할기(1263, 1266)를 통과한다. 또한, 양자 채널(1242)을 경유하는 과정에서 발생하는 다양한 외부 요인에 의해 광펄스의 편광 상태가 변경될 수 있다. 이렇게 광펄스의 편광 상태가 변경되어 제 1 편광빔분할기(1263) 및 제 2 편광빔분할기(1266)의 편광축과 완벽히 일치하지 않게 되면, 제 1 검출부(1264) 및 제 2 검출부(1267)에서 검출되는 검출 계수값 즉, 검출률이 최대인 100%, 최소인 0% 및 50:50 등의 값에서 벗어나게 된다.
빔분할기(1262)는 빔분할기(1262)로 입사되는 광펄스가 전달될 출력을 선택한다. 즉, 빔분할기(1262)로 입사된 광펄스는 빔분할기(1262)를 거친 후, 제 1 편광빔분할기(1263) 및 편광 조절기(1265) 중 하나로 입사된다.
제 1 편광빔분할기(1263) 및 제 2 편광빔분할기(1266)의 역할은 도 11에 도시한 편광빔분할기의 역할과 동일하다. 제 1 편광빔분할기(1263)는 제 1 편광빔분할기(1263)에서 입사되는 광펄스를 편광에 따라 서로 다른 두 개의 광경로로 분할한다. 서로 다른 두 개의 광경로로 분할된 광펄스 중 하나는 제 1 단일광자 검출기(미도시)에 입사되고, 나머지 하나는 제 2 단일광자 검출기(미도시)에 입사된다.
편광 조절기(1265)는 빔분할기(1262)에서 출력되어 편광 조절기(1265)로 입사되는 광펄스의 편광 상태를 45˚ 회전되도록 고정한다.
제 2 편광빔분할기(1266)는 편광 조절기(1265)로부터 출력되어 제 2 편광빔분할기(1266)에 입사되는 광펄스를 편광에 따라 서로 다른 두 개의 광경로로 분할한다. 서로 다른 두 개의 광경로로 분할된 광펄스 중 하나는 제 3 단일광자 검출기(미도시)에 입사되고, 나머지 하나는 제 4 단일광자 검출기(미도시)에 입사된다.
BB84 프로토콜을 따르는 송신기(1210) 및 수신기(1250)의 편광 변조량 및 편광 변조량의 변화에 따른 수신기(1250)에서의 검출은 표 3에 나타낸 바와 같이 8가지 경우로 정리할 수 있다.
Figure 112017079355977-pat00036
첫 번째 열 및 두 번째 열은 각각 송신기(1210)에 포함된 편광 비트 정보 변조부(1224)와 편광 기저 정보 변조부(1226) 각각에 의한 비트 정보 변조량 및 기저 정보 변조량을 나타낸다. 세 번째 열은 수신기(1250)에 포함된 빔분할기(1262)에 의해 선택되는 값으로서, 1이 선택되면 빔분할기(1262)로 입사된 광펄스를 제 1 편광빔분할기(1263)로 보내고, 2가 선택되면 빔분할기(1262)로 입사된 광펄스를 편광 조절기(1265)로 보낸다.
네 번째 열, 다섯 번째 열, 여섯 번째 열 및 일곱 번째 열은 각각 제 1 단일광자 검출기, 제 2 단일광자 검출기, 제 3 단일광자 검출기 및 제 4 단일광자 검출기에서의 단일광자 검출률을 나타낸다.
여덟 번째 열은 제 1 단일광자 검출기, 제 2 단일광자 검출기, 제 3 단일광자 검출기 및 제 4 단일광자 검출기에서 검출된 검출 계수값을 비트 정보와 기저 정보를 이용하여 나타낸 값이며, 가장 마지막 열인 아홉 번째 열은 검출 계수값의 증감을 나타낸다. 여기서, 검출 계수값은 수신기(1250)의 제 1 편광빔분할기(1263)의 기준축(수직 방향)에 대해 +방향으로 편광이 돌아간 단일광자가 수신되면 증가하는 것으로 정의하였다. 즉, -방향으로 편광이 돌아간 단일광자가 수신되면, 검출 계수값은 감소한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)는 수신기(1250)에서 검출된 단일광자 검출 관련값들 중, 수신기(1250)의 기저 정보가 송신기(1210)의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들에 기초하여 송신기(1210) 및 수신기(1250) 사이의 양자 암호키 분배를 안정화시킨다. 송신기(1210)의 기저 정보와 수신기(1250)의 기저 정보가 일치하는 값들은 암호키의 추출에 사용될 것이다.
각 검출기에서의 검출 계수값을 Dzuv으로 표현하였으며, z는 검출기의 번호, u 및 v는 각각 송신기(1210)의 비트 정보와 기저 정보를 나타낸다. 즉, z가 1, u가 0, v가 1이면 송신기(1210)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1일 때, 제 1 단일광자 검출기에서 검출된 검출 계수값을 나타낸다. 수신기(1250)의 기저 정보의 표시는 생략하였지만, 송신기(1250)의 기저 정보와 일치하지 않기 때문에, v 값을 확인하여 유추할 수 있다. 예컨대, D101으로 표시된 검출 계수값의 경우, 송신기(1210)의 비트 정보와 기저 정보가 각각 0 및 1이기 때문에, 수신기(1250)의 기저 정보는 0이 된다.
양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)가 양자 암호키 분배를 안정화하기 위해 생성하는 부궤환 신호는 아래의 과정을 통해 구할 수 있다.
표 3에서 비트 정보가 0인 경우에 대해 살펴보면, 제 1 검출부(1264)에 포함된 제 1 단일광자 검출기와 제 2 검출부(1267)에 포함된 제 3 단일광자 검출기에서의 검출 계수값에 해당하는 D101와 D300이 서로 반대의 방향으로 움직인다는 것을 확인할 수 있다. 즉, D300은 검출 계수값이 증가하는 방향으로, D101은 검출 계수값이 감소하는 방향으로 움직인다.
또한, 제 1 검출부(1264)에 포함된 제 2 단일광자 검출기와 제 2 검출부(1267)에 포함된 제 4 단일광자 검출기에서의 검출 계수값에 해당하는 D201와 D400이 서로 반대의 방향으로 움직인다. 즉, D201은 검출 계수값이 증가하는 방향으로, D400은 검출 계수값이 감소하는 방향으로 움직인다.
이와 유사하게, 비트 정보가 1인 경우에 대해서 동일한 방향으로 움직이는 검출 계수값들끼리 정리하면, 아래의 수학식 16 및 수학식 17과 같은 관계를 얻을 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00019
Figure 112017022663832-pat00020
여기서, X는 비트 정보가 0인 값에 대한 제 1 부궤환 신호이며, Y는 비트 정보가 1인 값에 대한 제 2 부궤환 신호이다.
제 1 단일광자 검출기, 제 2 단일광자 검출기, 제 3 단일광자 검출기 및 제 4 단일광자 검출기에서의 검출 계수값은 양자 채널(1242)에서의 광손실, 검출기에서의 검출 효율 등의 차이에 의해 그 값이 다를 수 있다. 따라서 이를 보상하기 위해, 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 정규화할 수 있다. 정규화한 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 나타내면 각각 수학식 18 및 수학식 19와 같다.
Figure 112017022663832-pat00021
Figure 112017022663832-pat00022
부궤환 신호는 제 1 부궤환 신호와 제 2 부궤환 신호를 더하여 구할 수 있으며, 이는 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017022663832-pat00023
전술한 부궤환 신호는 송신기(1210) 및 수신기(1250)의 편광 값 차등이 반영되어 나타나는 검출 계수값들을 수치화함으로써 계산되며, 이 계산은 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)의 부궤환 신호 생성부에 의해서 수행된다. 이외, 나머지 구성요소들에 의한 양자 암호키 분배 안정화 장치(1200)의 동작은 도 6을 참조하여 설명한 양자 암호키 분배 안정화 장치(600)의 동작과 동일하다.
도 10에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 10에 기재된 과정을 변경하여 실행하거나 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 10에 도시된 흐름도의 각 단계는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(computer-readable recording medium)에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 일 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 일 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예는 양자 암호키 분배 시스템을 안정화하는 기술분야에 적용되어 종래의 시스템을 그대로 이용하면서도 신속하고 효율적으로 오차를 보상할 수 있도록 함으로써, 시스템 구축 비용을 절감할 수 있는 유용한 발명이다.
110, 310, 410, 1110, 1210: 송신기
120, 350, 450, 1150, 1250: 수신기
132, 250, 342, 442, 1142, 1242: 양자 채널
134, 260, 344, 444, 544, 644, 744, 844, 1144, 1244: 공개 채널
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100, 1200: 양자 암호키 분배 안정화 장치
212, 322, 422, 1122, 1222: 광원
220, 330, 430, 730, 830, 1130, 1230: 송신 신호처리부
240, 370, 470, 560, 660, 760, 860, 1170, 1270: 수신 신호처리부
572, 672, 772: 부궤환 신호 생성부
574, 674, 774: 보정값 산출부
576, 676, 776: 광경로 제어부
580, 680, 780, 880: 유효 광경로 길이 변환대상

Claims (9)

  1. 수신기에서 검출된 광자 검출 관련값들 중, 암호키 생성에 사용되지 않고 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 부궤환 신호 생성부;
    상기 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출하는 보정값 산출부; 및
    상기 보정값을 송신기에 전송하여 상기 송신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하거나 또는 상기 보정값을 수신기에 전송하여 상기 수신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하는 제어부를 포함하되,
    상기 부궤환 신호 생성부는,
    상기 수신기의 기저(basis) 정보가 상기 송신기의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부궤환 신호 생성부는,
    상기 수신기의 적어도 두 개의 광자 검출기 각각으로부터 검출된 검출 계수값들을 이용하여 상기 부궤환 신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부궤환 신호 생성부는,
    계산된 부궤환 신호의 부호가 상기 송신기 및 상기 수신기 중 어느 쪽에서의 위상의 편차가 양(positive)의 값을 갖는지 음(negative)의 값을 갖는지를 나타낼 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정값 산출부는,
    설정값과 상기 부궤환 신호의 차이인 오차의 현재 값, 과거 값 및 예측 값을 기 설정된 시간 간격마다 연속적으로 계산하여 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보정값 산출부는,
    상기 오차의 현재 값을 구하기 위해 비례 상수를 곱하고, 상기 오차의 과거 값을 구하기 위해 상기 기 설정된 시간 간격에 대해 오차를 적분(integral)하며, 상기 오차의 예측 값을 구하기 위해 상기 오차의 현재 값의 변화율을 계산하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기 및/또는 상기 수신기 각각은,
    상기 송신기 및/또는 수신기 각각의 위상에 영향을 주는 전기광학적 특성, 자기광학적 특성, 온도 특성 및 물리적 길이를 제어하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 장치.
  8. 수신기에서 검출된 광자 검출 관련값들 중, 암호키 생성에 사용되지 않고 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 부궤환 신호 생성 과정;
    상기 부궤환 신호를 수신하여 보상되어야 할 오차에 대한 보정값을 산출하는 보정값 산출 과정; 및
    상기 보정값을 송신기에 전송하여 상기 송신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 하거나 또는 상기 보정값을 수신기에 전송하여 상기 수신기가 위상에 영향을 주는 변환 인자를 제어하여 위상을 보정하도록 제어하는 과정을 포함하되,
    상기 부궤환 신호 생성 과정에서는,
    상기 수신기의 기저(basis) 정보가 상기 송신기의 기저 정보와 일치하지 않아 버려지는 검출 계수값들을 이용하여 부궤환 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호키 분배 안정화 방법.
  9. 삭제
KR1020170028795A 2017-03-07 2017-03-07 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법 KR101992957B1 (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170028795A KR101992957B1 (ko) 2017-03-07 2017-03-07 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법
US16/492,232 US11240016B2 (en) 2017-03-07 2017-12-15 Method and apparatus for stabilizing quantum cryptographic key distribution
EP17899245.9A EP3595235A4 (en) 2017-03-07 2017-12-15 DEVICE AND METHOD FOR STABILIZING A QUANTUM KEY DISTRIBUTION
PCT/KR2017/014864 WO2018164356A1 (ko) 2017-03-07 2017-12-15 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법
JP2019548671A JP6934528B2 (ja) 2017-03-07 2017-12-15 量子暗号キー分配安定化装置
CN201780088168.4A CN110383753B (zh) 2017-03-07 2017-12-15 使量子加密密钥分配稳定的方法和设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170028795A KR101992957B1 (ko) 2017-03-07 2017-03-07 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170104173A Division KR101992962B1 (ko) 2017-03-07 2017-08-17 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180102327A KR20180102327A (ko) 2018-09-17
KR101992957B1 true KR101992957B1 (ko) 2019-06-25

Family

ID=63721823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170028795A KR101992957B1 (ko) 2017-03-07 2017-03-07 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101992957B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101672497B1 (ko) 2015-06-10 2016-11-03 에스케이텔레콤 주식회사 양자 암호키 분배시스템, 이에 적용되는 송신장치 및 송신장치의 동작 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100983008B1 (ko) * 2008-05-30 2010-09-20 한국전자통신연구원 양자 암호 시스템 및 양자 암호 키의 분배 방법
KR101327661B1 (ko) * 2009-12-21 2013-11-14 한국전자통신연구원 양자 암호키 분배를 위한 광위상 변조 방법 및 장치
KR20160050934A (ko) * 2014-10-31 2016-05-11 에스케이텔레콤 주식회사 양자 암호키 분배 시스템에서 편광 정렬 방법 및 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101672497B1 (ko) 2015-06-10 2016-11-03 에스케이텔레콤 주식회사 양자 암호키 분배시스템, 이에 적용되는 송신장치 및 송신장치의 동작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180102327A (ko) 2018-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6934528B2 (ja) 量子暗号キー分配安定化装置
US10951324B2 (en) Transmitter for a quantum communication system, a quantum communication system and a method of generating intensity modulated photon pulses
CN110620652B (zh) 一种量子密钥分发系统及其通信方法
US8477939B2 (en) Polarization-insensitive one-way quantum key distribution receiver, transmitter/receiver system
KR20210135219A (ko) 실시간 추적 보상의 oam 측정 장비 무관 양자키 분배 시스템 및 방법
ES2717708T3 (es) Sistema de comunicaciones cuánticas con dispositivos fotónicos integrados
US9401766B2 (en) Quantum communication network
US8374350B2 (en) Quantum communication system
JP4709826B2 (ja) Ｑｋｄシステムのレーザオート・キャリブレーション
US9722785B2 (en) Method and apparatus for quantum cryptographic communication
CN103546280A (zh) 用于量子密码通信的编码器和解码器
BR112014016819B1 (pt) Comunicação óptica sem fio ponto-a-ponto e ponto-a-multiponto usando fontes de laser de pulso ultracurto
KR101992962B1 (ko) 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법
CN108540283A (zh) 一种改进的hd-qkd系统
BR112021015591A2 (pt) Método e instrumento para comunicação por laser de pulso ultracurto por um meio com perdas
CN110649977A (zh) 一种量子通信时间相位编码装置、方法及密钥分发系统
JP4936157B2 (ja) 量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置
EP4049387B1 (en) Polarization modulation method of photonic pulses for generating quantum cryptographic keys, and related polarization modulator
Scalcon et al. Cross‐Encoded Quantum Key Distribution Exploiting Time‐Bin and Polarization States with Qubit‐Based Synchronization
KR101992957B1 (ko) 양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법
KR20200059718A (ko) 양자 암호키 분배 시스템 및 장치
Ma et al. Simple quantum key distribution scheme with excellent long-term stability
KR102038829B1 (ko) 광자 펄스 검출 장치
Życzkowski et al. Phase coding of information in the sensing optical fibre path
Koch et al. Low-Loss Arbitrary Polarization State Synthesizer for Quantum Key Distribution Purposes

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant