KR102074890B1 - Apparatus and method for sequential state discrimination of coherent states - Google Patents

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KR102074890B1
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coherence
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권영헌
남궁민
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is a sequential state discrimination apparatus which comprises: a transmission unit transmitting an initial quantum state which is one of two coherent states with a predetermined probability; a first measurement unit measuring a coherence state of the initial quantum state using non-optimal unambiguous discrimination (UD) and transmitting a post-measurement state of the measurement; and a second measurement unit measuring the transmitted post-measurement state using optimal UD.

Description

결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SEQUENTIAL STATE DISCRIMINATION OF COHERENT STATES}Apparatus and method for determining successive states of coherence {APPARATUS AND METHOD FOR SEQUENTIAL STATE DISCRIMINATION OF COHERENT STATES}

본 발명은 임의의 사전 확률을 가지는 2종류의 결맞음 상태(coherent states)에 대하여 연속적인 양자 상태 구분을 수행하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention is directed to an apparatus and method for performing continuous quantum state discrimination for two kinds of coherent states with any prior probability.

양자역학에서 결맞음 상태(coherent states)는 양자 조화 진동자(quantum harmonic oscillator)의 특정한 양자 상태로써, 고전 조화 진동자(classical harmonic oscillator)와 가장 근접한 상태를 나타낸다. In quantum mechanics, coherent states are specific quantum states of a quantum harmonic oscillator and represent the state closest to a classical harmonic oscillator.

그 동안 결맞음 상태는 양자 통신이나 양자 암호에서 가장 요긴하게 사용될 수 있는 양자 상태 중에 하나로 인식되어 왔다. 하지만, 그럼에도 불구하고 결맞음 상태를 이용한 연속적 상태 구분은 제안되고 있지 않았다.The coherence state has been recognized as one of the most quantum states that can be used in quantum communication or quantum cryptography. Nevertheless, no continuous state classification using coherence states has been proposed.

비록, 일부 종래의 기술에서는 전기적 피드백(electric feedback)과 외부 시스템과의 상호작용(interactions with other systems)을 이용하는 최소 오류 구분(minimum error discrimination) 기술을 개시하고 있으나, 그로 인한 복잡성의 증가로 인해 실제 구현 상에 어려움이 있었다.Although some conventional techniques disclose a minimal error discrimination technique that uses electrical feedback and interactions with other systems, due to the increased complexity There was a difficulty in the implementation.

따라서, 상술한 문제점을 해결하면서, 선형 광학 장치에 기반하여 결맞음 상태를 이용하여 연속적인 상태 구분을 수행하는 장치 및 그 방법에 대한 필요성이 대두되고 있다.Accordingly, there is a need for an apparatus and method for performing continuous state classification using coherence states based on linear optical devices while solving the above problems.

관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제 10-1629554 호(발명의 명칭: 네 양자 상태 처리 장치 및 방법)가 있다.Related prior art is Korean Patent Publication No. 10-1629554 (name of the invention: four quantum state processing apparatus and method).

본 발명은 선형 광학 장치를 이용하는 Banaszek 모델 또는 Huttner 모델에 기반하여, 결맞음 상태를 이용한 연속적 양자 상태 구분 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a continuous quantum state discrimination apparatus using a coherent state and a method thereof based on a Banaszek model or a Huttner model using a linear optical device.

또한, 본 발명의 결맞음 상태를 이용한 연속적 양자 상태 구분 장치 및 그 방법을 통해, 새로운 양자 키 분배(quantum key distribution) 방법을 제공하고자 한다.In addition, through the apparatus and method for continuous quantum state classification using the coherence state of the present invention, a new quantum key distribution method is provided.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned task (s), another task (s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분(sequential state discrimination) 장치는 소정의 확률로 2개의 결맞음 상태(coherent states) 중 하나인 초기 양자 상태를 전송하는 전송부; 비최적화(non-optimal)된 UD(unambiguous discrimination)를 이용하여 상기 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정의 측정후 상태(post-measurement state)를 전송하는 제1 측정부; 및 최적화된(optimal) UD를 이용하여 상기 전송된 측정후 상태를 측정하는 제2 측정부를 포함한다.A sequential state discrimination apparatus of coherence states according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a transmission unit for transmitting an initial quantum state of one of two coherent states with a predetermined probability ; A first measurement unit measuring a coherence state of the initial quantum state by using a non-optimal unambiguous discrimination (UD) and transmitting a post-measurement state of the measurement; And a second measuring unit measuring the transmitted post-measurement state using an optimized UD.

바람직하게는, 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부는 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반할 수 있다.Preferably, the first measuring unit and the second measuring unit may be based on a Banaszek model or a Huttner-like model.

바람직하게는, 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 상기 Banaszek model에 기반하고, 상기 Banaszek model이 광분리기(beam splitter), 상기 광분리기에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 상기 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 때, 상기 제1 측정부는 상기 광분리기(BS0)와 상기 2개의 광결합기 각각의 사이에 광분리기(BS1, BS2)를 더 포함하고, 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 상기 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정후 상태를 생성할 수 있다.Preferably, the first measuring unit and the second measuring unit are based on the Banaszek model, the Banaszek model is a beam splitter, two beam combiners connected to the optical splitter, and the two When including a photon detector connected to each of the optical couplers, the first measuring unit further includes optical splitters BS1 and BS2 between the optical splitter BS0 and each of the two optical couplers. The coherence state may be measured using the outputs of the optical separators BS1 and BS2 and the post-measurement state may be generated.

바람직하게는, 상기 제1 측정부는 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 광분리기(BS3)를 더 포함하고, 상기 측정후 상태는 상기 광분리기(BS3)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과일 수 있다.Preferably, the first measuring unit further includes an optical separator BS3 connected to the outputs of the optical separators BS1 and BS2, and the post-measurement state outputs the output of the optical separator BS3 to a phase shifter PS. It may be the result of phase shifting using.

바람직하게는, 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 상기 Huttner-like model에 기반할 때, 상기 전송부는 상기 초기 양자 상태를 2개의 직교하는 편광 결맞음 상태(polarized coherent state) 중 하나로 변환하여, 수평 편광 보조 결맞음 빛(horizontally polarized auxiliary coherent light)과 결합시킬 수 있다.Preferably, when the first measuring unit and the second measuring unit are based on the Huttner-like model, the transmitting unit converts the initial quantum state into one of two orthogonal polarized coherent states, It can be combined with horizontally polarized auxiliary coherent light.

바람직하게는, 상기 Huttner-like model이 편광 광분리기(polarized beam splitter, PBS), 상기 편광 광분리기의 한쪽 출력과 연결된 로테이터(rotator), 상기 편광 광분리기의 다른쪽 출력 및 상기 로테이터의 출력에 연결된 광분리기(beam splitter, BS3), 상기 광분리기(BS3)에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 상기 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 때, 상기 제1 측정부는 상기 편광 광분리기와 상기 광분리기(BS3)의 사이에 광분리기(BS1) 및 상기 편광 광분리기와 상기 로테이터의 사이에 광분리기(BS2)를 더 포함하고, 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 상기 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정후 상태를 생성할 수 있다.Preferably, the Huttner-like model is connected to a polarized beam splitter (PBS), a rotator connected to one output of the polarized light splitter, the other output of the polarized light splitter and the output of the rotator. When the beam splitter BS3 includes two beam combiners connected to the optical splitter BS3 and a photon detector connected to each of the two optical combiners, the first measuring unit includes: And further comprising an optical separator BS1 between the polarizing optical separator and the optical separator BS3 and an optical separator BS2 between the polarizing optical separator and the rotator, and outputting the optical separators BS1 and BS2. Using to measure the coherence state, it is possible to generate a state after the measurement.

바람직하게는, 상기 제1 측정부는 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 편광 광분리기(PBS2)를 더 포함하고, 상기 측정후 상태는 상기 광분리기(BS2)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과와 상기 광분리기(BS1)의 출력을 상기 편광 광분리기(PBS2)에 입력한 결과일 수 있다.Preferably, the first measuring unit further comprises a polarizing optical separator PBS2 connected to the outputs of the optical separators BS1 and BS2, and the post-measurement state is performed by converting the output of the optical separator BS2 into a phase shifter. It may be a result of phase shifting using PS) and a result of inputting the output of the optical separator BS1 to the polarization optical separator PBS2.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 방법은 전송부가 소정의 확률로 2개의 결맞음 상태 중 하나인 초기 양자 상태를 전송하는 단계; 제1 측정부가 비최적화된 UD를 이용하여 상기 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정의 측정후 상태를 전송하는 단계; 및 제2 측정부가 최적화된 UD를 이용하여 상기 전송된 측정후 상태를 측정하는 단계를 포함한다.In addition, the continuous state classification method of the coherence state according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: transmitting the initial quantum state of one of the two coherence state with a predetermined probability; Measuring a coherence state of the initial quantum state by using a non-optimized UD, and transmitting a post-measurement state of the measurement; And a second measuring unit measuring the transmitted post-measurement state using the optimized UD.

바람직하게는, 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부는 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반할 수 있다.Preferably, the first measuring unit and the second measuring unit may be based on a Banaszek model or a Huttner-like model.

본 발명은 선형 광학 장치를 이용하는 Banaszek 모델 또는 Huttner 모델에 기반하여, 전기적 피드백(electric feedback)이나 외부 시스템과의 상호작용(interactions with other systems)을 이용하지 않고도, 결맞음 상태를 이용한 연속적 양자 상태 구분을 수행할 수 있는 효과가 있다.The present invention is based on the Banaszek model or Huttner model using linear optics, which allows for continuous quantum state separation using coherent states without the use of electrical feedback or interactions with other systems. There is an effect that can be performed.

또한, 본 발명의 결맞음 상태를 이용한 연속적 양자 상태 구분을 통해, 우수한 보안 성능을 가지는 양자 키 분배(quantum key distribution) 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, through the continuous quantum state classification using the coherence state of the present invention, there is an effect that can provide a quantum key distribution method having excellent security performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Banaszek 모델 및 Huttner-like 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정후 상태를 출력하는 Banaszek 모델 및 Huttner-like 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Banaszek 모델 및 Huttner-like 모델에 기반하는 연속적 상태 구분 장치를 나타내는 도면이다.1 is a block diagram illustrating a continuous state discrimination apparatus of a coherence state according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a continuous state classification method of coherence states according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the Banaszek model and Huttner-like model according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a Banaszek model and a Huttner-like model outputting a state after measurement according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a continuous state classification apparatus based on a Banaszek model and a Huttner-like model according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that another component may be present in the middle. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present disclosure does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a continuous state discrimination apparatus of coherence states according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치(100)는 전송부(110), 제1 측정부(120) 및 제2 측정부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the apparatus 100 for distinguishing continuous states of a coherent state according to an embodiment of the present invention includes a transmitter 110, a first measurer 120, and a second measurer 130.

전송부(110)는 소정의 확률로 2개의 결맞음 상태(coherent states) 중 하나인 초기 양자 상태를 전송한다.The transmitter 110 transmits an initial quantum state, which is one of two coherent states, with a predetermined probability.

이때, 전송부(110)는 전송자 Alice이며, 제1 측정부(110)와 제2 측정부(120) 각각은 수신자인 Bob과 Charlie일 수 있다. 한편, 수신자 Bob과 Charlie가 오류없이 Alice의 양자 상태를 구분할 수 있어야 하므로, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(120)는 UD(unambiguous discrimination)를 수행해야만 한다.In this case, the transmitting unit 110 may be a sender Alice, and each of the first measuring unit 110 and the second measuring unit 120 may be a receiver Bob and Charlie. Meanwhile, since the receiver Bob and Charlie must be able to distinguish Alice's quantum states without errors, the first measurement unit 120 and the second measurement unit 120 must perform unambiguous discrimination (UD).

즉, 전송부(110)는 임의의 사전 확률(prior probability) qi를 가지면서, 비직교하는(non-orthogonal) 2개의 순수한 상태 {

Figure 112019049886470-pat00001
}중에서, 하나의 양자 상태
Figure 112019049886470-pat00002
을 준비하여, 양자 채널을 통해 제1 측정부(120)에게 전송할 수 있다.That is, the transmitter 110 has an arbitrary prior probability q i and has two non-orthogonal pure states {
Figure 112019049886470-pat00001
In which one quantum state
Figure 112019049886470-pat00002
It may be prepared, and transmitted to the first measurement unit 120 through a quantum channel.

제1 측정부(120)는 비최적화(non-optimal)된 UD를 이용하여 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 그 측정의 측정후 상태(post-measurement state)를 전송한다.The first measurement unit 120 measures the coherence state of the initial quantum state by using a non-optimal UD and transmits a post-measurement state of the measurement.

이때, 제1 측정부(120)는 전송부(110)의 양자 상태

Figure 112019049886470-pat00003
에 대하여 비최적화된 UD를 이용해야 한다. 또한, 제1 측정부(120)는 전송부(110)의 초기 양자 상태를 구분가능(conclusive)한 경우에, 측정후 상태
Figure 112019049886470-pat00004
를 또다른 수신자인 제2 측정부(130)에게 전송할 수 있다.At this time, the first measurement unit 120 is a quantum state of the transmission unit 110
Figure 112019049886470-pat00003
You should use a non-optimized UD for. In addition, when the first measurement unit 120 can distinguish the initial quantum state of the transmitter 110, the state after measurement
Figure 112019049886470-pat00004
May be transmitted to the second measurement unit 130 which is another receiver.

마지막으로 제2 측정부(130)는 최적화된(optimal) UD를 이용하여 그 전송된 측정후 상태를 측정한다.Finally, the second measurement unit 130 measures the state after the transmission using the optimized UD.

즉, 제2 측정부(130)는 제1 측정부(120)의 측정후 상태

Figure 112019049886470-pat00005
에 대하여 최적화된 UD를 수행해야 한다. That is, the second measuring unit 130 is a state after the measurement of the first measuring unit 120
Figure 112019049886470-pat00005
UD must be optimized for.

그 결과, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 모두 양자 상태를 구분가능한 경우에, 그들은 전송부(110)의 양자 상태에 인코딩된 정보를 공유할 수 있다.As a result, when both the first measurement unit 120 and the second measurement unit 130 can distinguish the quantum states, they may share information encoded in the quantum states of the transmitter 110.

이때, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 전송부(110)가 전송한 양자 상태를 구분가능할 확률은 아래의 수학식 1로부터 산출될 수 있다.In this case, the probability that the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 can distinguish the quantum states transmitted by the transmitting unit 110 may be calculated from Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019049886470-pat00006
Figure 112019049886470-pat00006

여기서,

Figure 112019049886470-pat00007
은 제1 측정부(120)(제2 측정부(130))의 POVM이고,
Figure 112019049886470-pat00008
은 제1 측정부(120)(제2 측정부(130))가 양자 상태를 구분불가한 결과에 대응되는 POVM 엘리먼트이고,
Figure 112019049886470-pat00009
일 때,
Figure 112019049886470-pat00010
은 제1 측정부(120)(제2 측정부(130))가 양자 상태를 구분가능한 결과에 대응되는 POVM 엘리먼트이다.here,
Figure 112019049886470-pat00007
Is the POVM of the first measurement unit 120 (second measurement unit 130),
Figure 112019049886470-pat00008
Is a POVM element corresponding to a result of the first measurement unit 120 (the second measurement unit 130) not distinguishing between quantum states,
Figure 112019049886470-pat00009
when,
Figure 112019049886470-pat00010
Is a POVM element corresponding to a result in which the first measurement unit 120 (the second measurement unit 130) can distinguish the quantum states.

이때, 연속적 상태 구분의 목적은 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 전송부(110)가 전송한 양자 상태를 구분가능할 확률인 수학식 1을 성공 확률을 최대화하는 것이며, 그 방법에 관하여는 다른 연구를 통해 밝혀진 바 있다.In this case, the purpose of the continuous state classification is to maximize the probability of success of Equation 1, which is a probability that the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 can distinguish the quantum states transmitted by the transmitting unit 110, The method has been found in other studies.

한편, 본 발명에서 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)는 양자 채널을 통해 연결될 수 있으며, 고전적인 통신 방법을 사용할 수는 없다. 이는, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 고전적인 통신 방법을 이용하는 경우에 양자 상태 구분 확률을 높이는 효과는 있을 수 있지만, 도청(eavesdropping)이 가능해질 수 있어 보안상의 문제를 야기할 수 있기 때문이다.Meanwhile, in the present invention, the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 may be connected through a quantum channel, and a classic communication method cannot be used. This may have the effect of increasing the probability of distinguishing quantum states when the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 use the classical communication method, but may be capable of eavesdropping, thereby causing a security problem. Because it can cause.

다른 실시예에서는, 제1 측정부(120) 및 제2 측정부(130)는 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반할 수 있다.In another embodiment, the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 may be based on a Banaszek model or a Huttner-like model.

즉, 제1 측정부(120) 및 제2 측정부(130)는 바이너리 결맞음 상태의 연속적 상태 구분을 위하여 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반하는 광학 컴포넌트로 구성될 수 있다. 이를 통해, 제1 측정부(120) 및 제2 측정부(130)는 UD를 수행할 수 있게 된다.That is, the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 may be configured as an optical component based on a Banaszek model or a Huttner-like model for continuous classification of binary coherency states. Through this, the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 may perform the UD.

예컨대, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 모두 Banaszek model에 기반하거나, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 모두 Huttner-like model에 기반할 수 있다.For example, both the first measurement unit 120 and the second measurement unit 130 may be based on a Banaszek model, or both the first measurement unit 120 and the second measurement unit 130 may be based on a Huttner-like model. have.

이때, Banaszek model은 K. Banaszek의 연구 결과를 수정한 광학적 모델이며, Huttner-like model은 Huttner에 의해 제안된 수신기를 수정한 광학적 모델이다. 한편, Banaszek model과 Huttner-like model은 공통적으로 광 분리기(beam splitter), 광 결합기(beam combiner) 및 광양자 검출기(photon detector)를 이용하여 임의의 확률을 갖는 2개의 결맞음 상태에 대하여 최적의 UD를 수행할 수 있다.In this case, the Banaszek model is an optical model that modified the results of K. Banaszek's research, and the Huttner-like model is an optical model that modified the receiver proposed by Huttner. Meanwhile, the Banaszek model and the Huttner-like model commonly use an optical splitter, a beam combiner, and a photon detector to provide an optimal UD for two coherent states of arbitrary probability. Can be done.

또한, 결맞음 상태는 노이즈가 많은 환경에서도 견고하기 때문에, 2개의 결맞음 상태의 연속적 상태 구분을 위한 광학적 디자인은 견고한 다자간 QKD(quantum key distribution)를 구축하기 위하여 이용될 수 있다. 특히, Huttner-like model이 이용되면, 다자간 QKD의 보안성은 보다 향상될 수 있다. 이는, Huttner-like model 에서 결맞음 신호와 보조 결맞음 빛과의 혼합물(mixture)을 이용하므로, QKD의 보안성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.In addition, because coherence states are robust even in noisy environments, an optical design for continuous state separation of two coherence states can be used to build a robust multilateral quantum key distribution (QKD). In particular, when the Huttner-like model is used, the security of the multilateral QKD can be further improved. This is because the security of QKD can be further improved by using a mixture of coherent signals and auxiliary coherent light in the Huttner-like model.

여기서, QKD는 양자 통신을 위한 비밀키 분배 및 관리 기술로써, 보안이 필요한 시스템에 양자 키 분배 시스템을 설치 및 운용함으로써, 그 시스템은 암호 알고리즘 동작에 필요한 비밀 키를 안전하게 공유할 수 있게 된다.Here, QKD is a secret key distribution and management technology for quantum communication. By installing and operating a quantum key distribution system in a system requiring security, the system can safely share a secret key required for cryptographic algorithm operation.

또 다른 실시예에서는, Banaszek model 또는 Huttner-like model은 선형 광학 컴포넌트로 구성될 수 있다.In yet another embodiment, the Banaszek model or the Huttner-like model may consist of linear optical components.

예컨대, 도 3(a)를 참조하면, Banaszek model이 나타나 있다. Banaszek model은 광분리기(beam splitter), 그 광분리기에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 그 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 수 있다.For example, referring to FIG. 3 (a), a Banaszek model is shown. The Banaszek model may include a beam splitter, two beam combiners connected to the optical splitter, and a photon detector connected to each of the two optical combiners.

이때, 제1 측정부(120)가 Banaszek model에 기반하는 경우를 가정하면, 전송부(110)가 사전 확률이 qi이면서, 결맞음 상태

Figure 112019049886470-pat00011
인 양자 상태를 전송한다. 전송부(110)의 양자 상태
Figure 112019049886470-pat00012
가 광분리기를 통과한 이후, 결맞음 상태는
Figure 112019049886470-pat00013
이 된다. 광분리기에 의해 반사된 부분적 결맞음 상태(partial coherent state)는 변위연산자(displacement operator)
Figure 112019049886470-pat00014
를 통과하게 된다. 그 동안에 그 부분적 결맞음 상태는 광분리기를 통해 전송되고, 변위연산자
Figure 112019049886470-pat00015
를 통과한다. i=1일 때, 2개의 광양자 검출기는
Figure 112019049886470-pat00016
을 측정하게 된다. Banaszek model에서 이용되는 광양자 검출기는 광양자의 개수가 0인지 아닌지를 결정한다. 즉, i(∈{1,2})번째 광양자 검출기는 투영 측정(projective measurement)
Figure 112019049886470-pat00017
에 의해 설명된다. 여기서, 측정 엘리먼트(measurement element)는
Figure 112019049886470-pat00018
이다. 만일, 2개의 광양자 검출기의 측정 결과가 (off, on)이면, 제1 측정부(120)는 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 상태가
Figure 112019049886470-pat00019
라는 것을 검출할 수 있다. 또한, i=2일 때, 2개의 광양자 검출기는
Figure 112019049886470-pat00020
를 측정한다. 만일 측정 결과가 (on, off)이면, 제1 측정부(120)는 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 상태가
Figure 112019049886470-pat00021
라는 것을 검출할 수 있다. 임의의 i에 대하여, 2개의 광양자 검출기의 측정 결과가 (off, off)이면, 제1 측정부(120)는 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 상태에 관한 정보를 획득할 수 없다. 다시 말하면, 측정 결과 (off, off)는 구분 불가한 결과(inconclusive result)에 대응된다. In this case, assuming that the first measurement unit 120 is based on the Banaszek model, the transmitter 110 has a prior probability q i and a coherence state.
Figure 112019049886470-pat00011
Transmit a quantum state. Quantum State of Transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00012
After the light passes through the splitter, the coherence state
Figure 112019049886470-pat00013
Becomes The partial coherent state reflected by the optical splitter is the displacement operator.
Figure 112019049886470-pat00014
Will pass through. Meanwhile, the partial coherence state is transmitted through the optical splitter, and the displacement operator
Figure 112019049886470-pat00015
Pass through. When i = 1, the two photon detectors
Figure 112019049886470-pat00016
Will be measured. The photon detector used in the Banaszek model determines whether the number of photons is zero or not. That is, the i (∈ {1,2}) th photon detector is projected measurement
Figure 112019049886470-pat00017
Is explained by. Here, the measurement element is
Figure 112019049886470-pat00018
to be. If the measurement result of the two photon detectors is (off, on), the first measurement unit 120 is the coherence state prepared by the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00019
Can be detected. Also, when i = 2, the two photon detectors
Figure 112019049886470-pat00020
Measure If the measurement result is (on, off), the first measurement unit 120 is the coherence state prepared by the transmission unit 110
Figure 112019049886470-pat00021
Can be detected. For any i, if the measurement result of the two photon detectors is (off, off), the first measuring unit 120 cannot obtain the information about the coherence state prepared by the transmitting unit 110. In other words, the measurement results (off and off) correspond to inconclusive results.

이상적인 Banaszek model인 경우, 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 상태가

Figure 112019049886470-pat00022
(
Figure 112019049886470-pat00023
)이면, 제1 측정부(120)의 측정 결과는 (on, off)((off, on))이 될 수 없다. 따라서, Banaszek model은 오류없이 2개의 결맞음 상태를 구분할 수 있으며, 2개의 광양자 검출기의 검출 결과가 결맞음 상태와 무관하게 (on, on)이 될 수 없다. 이때, 광양자 검출기의 측정 결과는 도 2(c)에 정리되어 있다.In the case of an ideal Banaszek model, the coherence state prepared by the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00022
(
Figure 112019049886470-pat00023
), The measurement result of the first measurement unit 120 may not be (on, off) ((off, on)). Therefore, the Banaszek model can distinguish two coherence states without errors, and the detection results of the two photon detectors cannot be turned on or on regardless of the coherence states. At this time, the measurement result of the photon detector is summarized in Fig. 2C.

여기서, 제1 측정부(120)(Bob)의 평균 실패 확률은 아래의 수학식 2와 같다.Here, the average probability of failure of the first measurement unit 120 (Bob) is as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019049886470-pat00024
Figure 112019049886470-pat00024

또한, 수학식 2가 최대가 되도록 하는 조건은

Figure 112019049886470-pat00025
로부터 아래의 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.In addition, the condition that Equation 2 is maximized is
Figure 112019049886470-pat00025
It can be determined from Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019049886470-pat00026
Figure 112019049886470-pat00026

즉, 0<R*<1일 때, 제1 측정부(120)(Bob)는 전송부(110)에 의한 2개의 결맞음 상태를 구분할 수 있다. 또한, 이 경우에 제1 측정부(120)(Bob)의 최소 실패 확률은 아래의 수학식 4와 같다.That is, when 0 <R * <1, the first measurement unit 120 (Bob) may distinguish two coherence states by the transmission unit 110. In this case, the minimum probability of failure of the first measurement unit 120 (Bob) is expressed by Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019049886470-pat00027
Figure 112019049886470-pat00027

또한, 도 3(b)를 참조하면, Huttner-like model이 나타나 있다. Huttner-like model은 편광 광분리기(polarized beam splitter, PBS), 그 편광 광분리기의 한쪽 출력과 연결된 로테이터(rotator), 그 편광 광분리기의 다른쪽 출력 및 그 로테이터의 출력에 연결된 광분리기(beam splitter, BS3), 그 광분리기(BS3)에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 그 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 수 있다.Also, referring to FIG. 3 (b), a Huttner-like model is shown. The Huttner-like model is a polarized beam splitter (PBS), a rotator connected to one output of the polarized light splitter, a beam splitter connected to the other output of the polarized light splitter and the output of the rotator. BS3), two beam combiners connected to the optical splitter BS3, and a photon detector connected to each of the two optical combiners.

이때, 제1 측정부(120)가 Huttner-like model에 기반하는 경우를 가정하면, 전송부(110)는 초기 양자 상태를 2개의 직교 편광 결맞음 상태(orthogonally polarized coherent state인

Figure 112019049886470-pat00028
중 하나로 인코딩하고, 수평방향의 편광 보조 결맞음 빛(horizontally polarized auxiliary coherent light)
Figure 112019049886470-pat00029
과 결합하여, 제1 측정부(120)에게 전송할 수 있다.In this case, assuming that the first measuring unit 120 is based on the Huttner-like model, the transmitting unit 110 may set the initial quantum state as two orthogonally polarized coherent states.
Figure 112019049886470-pat00028
Horizontally polarized auxiliary coherent light
Figure 112019049886470-pat00029
In combination with, it may be transmitted to the first measurement unit 120.

이때, 결맞음 신호(coherent signal)은 편광 광분리기에서 반사된다. 그 동안에 보조 결맞음 빛은 편광 광분리기를 통과하게 된다. 그 결과, 편광 광분리기를 통과한 보조 결맞음 빛의 편광은 로테이터를 지나면서 수직방향의 편광으로 변경된다.At this time, the coherent signal is reflected by the polarized light splitter. In the meantime, the secondary coherent light passes through the polarized light splitter. As a result, the polarization of the secondary coherent light passing through the polarizing light splitter is changed into the vertical polarization passing through the rotator.

전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 신호가

Figure 112019049886470-pat00030
일 때, 광양자는 첫번째 광양자 검출기에서 검출되지 않는다. 그 동안, 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 신호가
Figure 112019049886470-pat00031
일 때, 광양자는 두번째 광양자 검출기에서 검출되지 않는다. 그 결과, Huttner-like model은 Banaszek model과 유사하게, 2개의 광양자 검출기의 측정 결과(즉, (off, on) 또는 (on, off))에 따라서 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 신호를 오류없이 구분할 수 있다. The coherence signal prepared by the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00030
When, photons are not detected at the first photon detector. In the meantime, the coherence signal prepared by the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00031
When, photons are not detected at the second photon detector. As a result, the Huttner-like model, like the Banaszek model, fails the coherence signal prepared by the transmission unit 110 according to the measurement result of the two photon detectors (ie, (off, on) or (on, off)). Can be distinguished without.

또한, 도청자(미도시)가 전송부(110)에 의해 준비된 결맞음 신호를 도청하려 한다면, 그 시나리오는 다음과 같다. 첫째로, 도청자가 전송부(110)의 결맞음 신호와 보조 결맞음 빛을 편광 광분리기를 이용하여 디커플링한다. 그 다음, 결맞음 신호의 부분에 광분리기를 설치하여, 도청자는 전송부(110)의 결맞음 신호를 획득할 수 있을지 모른다. 만일 도청자가 전송부(110)의 결맞음 신호를 획득할 수 있다면, 결맞음 신호와 보조 결맞음 빛의 크기(amplitude)가 동일할 수 없기 때문에, 전송부(110)와 제1 측정부(120)는 도청자의 존재를 감지할 수 있다.In addition, if the eavesdropper (not shown) attempts to tap the coherence signal prepared by the transmitter 110, the scenario is as follows. First, the eavesdropper decouples the coherence signal and the auxiliary coherence light of the transmitter 110 using a polarized light splitter. Then, by installing an optical splitter in the portion of the coherence signal, the eavesdropper may be able to obtain the coherence signal of the transmitter 110. If the eavesdropper can obtain the coherence signal of the transmitter 110, since the coherence signal and the auxiliary coherence light amplitude cannot be the same, the transmitter 110 and the first measurement unit 120 are intercepted. You can detect the presence of a child.

그러나, 2개의 결맞음 신호의 사전 확률이 임의의 값인 경우에, 제1 측정부(120)는 UD를 수행하기 위하여 그 2개의 광양자 검출기의 앞단에서 적절한 광결합기를 이용해야 한다. 이는 도 3(b)에 나타나 있으며, Huttner-like model로 불린다. However, if the prior probability of the two coherence signals is any value, the first measurement unit 120 must use an appropriate optical coupler in front of the two photon detectors to perform the UD. This is shown in FIG. 3 (b) and is called Huttner-like model.

도 3(b)에서, 전송부(110)는 비직교하는 2개의 편광 결맞음 상태인

Figure 112019049886470-pat00032
중의 하나와 수평 편광 결맞음 상태인
Figure 112019049886470-pat00033
을 결합하여, 제1 측정부(120)에게 전송한다. 여기서, qi는 결맞음 상태
Figure 112019049886470-pat00034
의 사전 확률이다. 여기서, 결맞음 신호는 편광 광분리기에서 반사된다. 그 동안 보조 결맞음 빛은 편광 광분리기를 통과한다. 그리고, 편광 광분리기를 통과한 보조 결맞음 빛의 편광은 로테이터에 의해 수직 편광으로 변경된다. 그런 까닭에, 결맞음 신호와 보조 결맞음 빛은 광분리기에서 상호 작용을 할 수 있다. 제1 측정부(120)의 광 분리기는 2개의 출력단(output port)에서 결맞음 상태
Figure 112019049886470-pat00035
을 생성한다. 결맞음 상태는 제1 측정부(120)의 변위 연산자
Figure 112019049886470-pat00036
과
Figure 112019049886470-pat00037
을 통과하게 된다. 결국, 제1 측정부(120)의 on/off 검출기는 지역적으로 결맞음 상태
Figure 112019049886470-pat00038
를 검출한다.In FIG. 3 (b), the transmitter 110 has two polarization coherence states that are non-orthogonal.
Figure 112019049886470-pat00032
One of the horizontal polarization coherence states
Figure 112019049886470-pat00033
Combined and transmitted to the first measuring unit 120. Where q i is the coherence state
Figure 112019049886470-pat00034
Is the prior probability. Here, the coherence signal is reflected in the polarized light splitter. Meanwhile, the secondary coherence light passes through the polarized light splitter. Then, the polarization of the auxiliary coherent light passing through the polarized light splitter is changed to vertical polarization by the rotator. Therefore, the coherence signal and the auxiliary coherence light can interact in the optical splitter. The optical separator of the first measuring unit 120 is coherent at two output ports.
Figure 112019049886470-pat00035
Create Coherence state is the displacement operator of the first measurement unit 120
Figure 112019049886470-pat00036
and
Figure 112019049886470-pat00037
Will pass through. As a result, the on / off detector of the first measuring unit 120 is locally coherent
Figure 112019049886470-pat00038
Detect.

전송부(110)의 결맞음 신호가

Figure 112019049886470-pat00039
일 때, 광양자는 첫번째 광양자 검출기에서 검출되지 않는다. 그리고, 전송부(110)의 결맞음 신호가
Figure 112019049886470-pat00040
일 때, 광양자는 두번째 광양자 검출기에서 검출되지 않는다. 그런 까닭에, 제1 측정부(120)는 검출기의 (off, on) 또는 (on, off)에 기초하는 측정 결과에 의해 오류없이 전송부(110)의 결맞음 신호를 구분할 수 있다. Huttner-like model에서, 평균 실패 확률은 수학식 2와 동일하다. Banaszek model과 유사하게, 최소 실패 확률은 분석적 한계와 일치한다.Coherence signal of the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00039
When, photons are not detected at the first photon detector. And, the coherence signal of the transmitter 110
Figure 112019049886470-pat00040
When, photons are not detected at the second photon detector. Therefore, the first measurement unit 120 may distinguish the coherence signal of the transmission unit 110 without error by the measurement result based on (off, on) or (on, off) of the detector. In the Huttner-like model, the mean failure probability is the same as Equation 2. Similar to the Banaszek model, the minimum probability of failure matches the analytical limit.

또 다른 실시예에서는, 제1 측정부(120)는 측정후 상태(post-measurement state)를 전송하기 위하여 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 추가적인 광학 컴포넌트를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the first measurement unit 120 may further include an additional optical component in the Banaszek model or the Huttner-like model to transmit a post-measurement state.

예컨대, 도 4(a)를 참조하면, Banaszek model에 기반하는 제1 측정부(120)는 측정후 상태를 생성하기 위한 추가적인 광학 컴포넌트를 포함하고 있다. 보다 구체적으로, 제1 측정부(120)는 광분리기(BS0)와 2개의 광결합기 각각의 사이에 광분리기(BS1, BS2)를 더 포함하고, 그 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 결맞음 상태를 측정한 후, 측정후 상태를 생성할 수 있다.For example, referring to FIG. 4A, the first measurement unit 120 based on the Banaszek model includes an additional optical component for generating a post-measurement state. More specifically, the first measuring unit 120 further includes optical splitters BS1 and BS2 between the optical splitter BS0 and each of the two optical couplers, and uses the outputs of the optical splitters BS1 and BS2. After measuring the coherence state, the post-measurement state can be generated.

나아가, 제1 측정부(120)는 그 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 광분리기(BS3)를 더 포함하고, 측정후 상태는 그 광분리기(BS3)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과일 수 있다. 바람직하게는, 위상이동기(PS)가 그 광분리기(BS3)의 출력을 π만큼 위상이동할 수 있다.Furthermore, the first measuring unit 120 further includes an optical separator BS3 connected to the outputs of the optical separators BS1 and BS2, and the post-measurement state outputs the output of the optical separator BS3 to the phase shifter PS. It may be the result of phase shifting using. Preferably, the phase shifter PS may phase shift the output of the optical separator BS3 by [pi].

다시 말하면, 제1 측정부(120)는 3개의 광분리기(BS1, BS2, BS3)를 추가함으로써 2종류의 측정 후 상태를 생성할 수 있다. 도 4(a)를 참조하면, 부분적 결맞음 상태의 일부가 BS1과 BS2에서 반사된다. 이렇게 반사된 컴포넌트는 BS3에서 만나서, 측정후 상태(post-measurement state)를 나타내게 된다. 빛이 BS3의 2개 출력단 중 하나의 출력단으로 한정되도록 하기 위하여, 반사율 R3는 아래의 수학식 5와 같이 결정될 수 있다.In other words, the first measurement unit 120 may generate two types of post-measurement states by adding three optical separators BS1, BS2, and BS3. Referring to Figure 4 (a), part of the partial coherence state is reflected at BS1 and BS2. These reflected components meet at BS3 and represent a post-measurement state. In order for the light to be confined to one of the two output terminals of BS3, the reflectance R 3 may be determined as shown in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019049886470-pat00041
Figure 112019049886470-pat00041

BS3에서 나온 빛은 π 위상이동기를 통과한다. 만일 전송부(110)가 결맞음 상태

Figure 112019049886470-pat00042
를 전송하는 경우, 제1 측정부(120)는 측정후 상태
Figure 112019049886470-pat00043
를 생성하여, 제2 측정부(130)에게 전송한다. 여기서,
Figure 112019049886470-pat00044
이다.
Figure 112019049886470-pat00045
일 때, f는 부등식
Figure 112019049886470-pat00046
를 만족한다. 또한,
Figure 112019049886470-pat00047
일 때,
Figure 112019049886470-pat00048
의 부등식이 성립한다. 이 2개의 부등식을 결합하여, 수학식 6과 같은 부등식을 얻을 수 있다.Light from BS3 passes through a π phase shifter. If the transmitter 110 is coherent
Figure 112019049886470-pat00042
When transmitting, the first measuring unit 120 is a state after the measurement
Figure 112019049886470-pat00043
Generates and transmits to the second measurement unit 130. here,
Figure 112019049886470-pat00044
to be.
Figure 112019049886470-pat00045
F is an inequality
Figure 112019049886470-pat00046
Satisfies. Also,
Figure 112019049886470-pat00047
when,
Figure 112019049886470-pat00048
Inequality holds. By combining these two inequalities, an inequality like the equation (6) can be obtained.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019049886470-pat00049
Figure 112019049886470-pat00049

만일

Figure 112019049886470-pat00050
이면, 수학식 6은 f에 관한 방정식을 얻을 수 있다.
Figure 112019049886470-pat00051
이면
Figure 112019049886470-pat00052
이므로, 2개의 측정후 상태
Figure 112019049886470-pat00053
과
Figure 112019049886470-pat00054
의 겹침(overlap)은 1이 된다. 이는 제1 측정부(120)의 측정후 상태가 구분될 수 없다는 것을 의미한다. 왜냐하면 제1 측정부(120)가 전송부(110)의 2개의 결맞음 상태를 최적화하여 구분하기 때문이다. 또한,
Figure 112019049886470-pat00055
이면
Figure 112019049886470-pat00056
이므로, 제1 측정부(120)가 전송부(110)의 결맞음 상태에 관한 정보를 획득하지 못하게 되어, 2개의 측정후 상태의 겹침이 전송부(110)의 2개의 결맞음 상태와 동일(identical)하게 된다. 즉, 수학식 6을 이용하여, Banaszek model의 BS1, BS2 및 BS3가 측정후 상태의 겹침을 제어할 수 있다. 그리고, 그것은
Figure 112019049886470-pat00057
의 범위이다.if
Figure 112019049886470-pat00050
In Equation 6, the equation for f can be obtained.
Figure 112019049886470-pat00051
Back side
Figure 112019049886470-pat00052
2 post-measurement states
Figure 112019049886470-pat00053
and
Figure 112019049886470-pat00054
Overlap is 1. This means that the state after the measurement of the first measurement unit 120 cannot be distinguished. This is because the first measurement unit 120 optimizes and distinguishes two coherence states of the transmitter 110. Also,
Figure 112019049886470-pat00055
Back side
Figure 112019049886470-pat00056
Therefore, the first measuring unit 120 cannot obtain information about the coherence state of the transmitter 110, so that the overlapping state of two post-measurement states is identical to the two coherence states of the transmitter 110. Done. That is, by using Equation 6, BS1, BS2 and BS3 of the Banaszek model can control the overlap of the post-measurement state. which
Figure 112019049886470-pat00057
Range.

또한, 도 4(b)를 참조하면, Huttner-like model에 기반하는 제1 측정부(120)는 측정후 상태를 생성하기 위한 추가적인 광학 컴포넌트를 포함하고 있다. 보다 구체적으로, 제1 측정부(120)는 편광 광분리기와 광분리기(BS3)의 사이에 광분리기(BS1) 및 편광 광분리기와 로테이터의 사이에 광분리기(BS2)를 더 포함하고, 그 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 결맞음 상태를 측정하고, 측정후 상태를 생성할 수 있다.In addition, referring to FIG. 4 (b), the first measurement unit 120 based on the Huttner-like model includes an additional optical component for generating a post-measurement state. More specifically, the first measuring unit 120 further includes an optical separator BS1 between the polarized light separator and the optical separator BS3 and an optical separator BS2 between the polarized light separator and the polarizer. The output of the separators BS1 and BS2 can be used to measure the coherence state and generate the post-measurement state.

나아가, 제1 측정부(120)는 그 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 편광 광분리기(PBS2)를 더 포함하고, 측정후 상태는 그 광분리기(BS2)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과와 그 광분리기(BS1)의 출력을 편광 광분리기(PBS2)에 입력한 결과일 수 있다. 바람직하게는, 위상이동기(PS)가 그 광분리기(BS2)의 출력을 π만큼 위상이동할 수 있다.Furthermore, the first measuring unit 120 further includes a polarized light splitter PBS2 connected to the outputs of the optical splitters BS1 and BS2, and the post-measurement state uses a phase shifter to output the optical splitter BS2. It may be a result of phase shifting using PS) and a result of inputting the output of the optical separator BS1 to the polarized optical separator PBS2. Preferably, the phase shifter PS may phase shift the output of the optical separator BS2 by [pi].

한편, Huttner-like model의 측정후 상태는 Banaszek model의 경우보다 더 복잡하다. 이는 Banaszek model과 다르게, Hutnner-like model이 2개의 상이한 편광 결맞음 빛을 이용하기 때문이다. 도 4(b)를 참조하면, 광분리기 BS1과 BS2가 결맞음 신호와 보조 결맞음 빛을 위해 설치된다. BS2를 통과한 결맞음 신호는 로테이터로 들어간다. 그런 까닭에 BS1과 BS2를 지난 빛들은 BS3에서 만난다. 그 동안에 BS1과 BS2에서 반사된 빛은 편광 광분리기(PBS2)에서 만난다. 그 과정에서, BS2에서 반사된 빛은 위상이동기(PS)를 지난다. 그리고, PBS2에서 만나는 2개의 광학 컴포넌트가 제1 측정기(120)의 측정후 상태를 생성한다.On the other hand, the post-measurement state of the Huttner-like model is more complicated than that of the Banaszek model. This is because, unlike the Banaszek model, the Hutnner-like model uses two different polarization coherent light. Referring to FIG. 4 (b), optical splitters BS1 and BS2 are installed for coherence signals and auxiliary coherence light. The coherence signal passing through BS2 enters the rotator. Therefore, the lights past BS1 and BS2 meet at BS3. Meanwhile, the light reflected from BS1 and BS2 meets in polarized light splitter PBS2. In the process, the light reflected by BS2 passes through the phase shifter PS. Then, two optical components that meet at PBS2 create a post-measurement state of the first meter 120.

Figure 112019049886470-pat00058
일 때, 제1 측정기(120)의 측정후 상태는 진공 상태(vacuum state)가 된다. 그러나,
Figure 112019049886470-pat00059
일 때, 제1 측정기(120)는 UD를 수행하지 않게 된다. 그런 까닭에 BS1과 BS2의 반사율(reflection ratio)은 제1 측정기(120)가 UD를 수행하는 능력과 측정후 상태의 겹침에 관한 트레이드오프(trade-off)를 결정한다.
Figure 112019049886470-pat00058
In this case, the post-measurement state of the first measuring unit 120 becomes a vacuum state. But,
Figure 112019049886470-pat00059
In this case, the first measuring unit 120 does not perform the UD. Therefore, the reflection ratio of BS1 and BS2 determines the trade-off regarding the overlap of the post-measurement state and the ability of the first meter 120 to perform the UD.

이상에서, Banaszek model 또는 Huttner-like model을 이용하여 2개의 결맞음 상태를 구분하는 방법에 관하여 설명하였으며, 추가적으로 비직교하는 결맞음 상태의 측정후 상태가 그 2개의 model로부터 생성될수 있음을 설명하였다.In the above, a method of distinguishing two coherence states by using a Banaszek model or a Huttner-like model has been described. In addition, it has been described that a state after measurement of non-orthogonal coherence states can be generated from the two models.

이하에서는, 그 2개의 model을 이용하여 임의의 사전 확률을 가지는 2개의 결맞음 상태의 최적화된 연속적 상태 구분에 관하여 설명한다.In the following, the optimized continuous state division of two coherent states having arbitrary prior probabilities using the two models will be described.

우선, 도 5(a)를 참조하면, 제1 측정부(120)는 비최적화된 UD를 수행하기 위하여 Banaszek model을 이용하고 있으며, 측정후 상태

Figure 112019049886470-pat00060
를 제2 측정부(130)에게 전송한다. 이때, 제2 측정부(130)는 제1 측정부(120)의 측정후 상태에 대한 최적화된 UD를 수행하기 위하여 Banaszek model을 이용하고 있다. 이때, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)가 연속적 상태 구분을 수행할 성공 확률은 광분리기 BS0, BS1, BS2 및 BS4의 반사율 R0, R1, R2 및 R4 각각에 종속적이다. 그러나, 성공 확률
Figure 112019049886470-pat00061
은 4개 변수 R0, R1, R2 및 R4의 함수이므로, 분석적으로 획득하기 어렵다. 본 발명에서는, 제한적인 최적화를 이용한다. 여기서, 제한은 모든 반사율이 [0,1]의 범위에 존재한다는 부등식이다.First, referring to FIG. 5 (a), the first measurement unit 120 uses a Banaszek model to perform an unoptimized UD, and a state after measurement
Figure 112019049886470-pat00060
Transmits to the second measurement unit 130. In this case, the second measurement unit 130 uses a Banaszek model to perform an optimized UD for the post-measurement state of the first measurement unit 120. In this case, the probability of success of the first measurement unit 120 and the second measurement unit 130 performing continuous state classification is the reflectances R 0 , R 1 , R 2, and R 4 of the optical separators BS0, BS1, BS2, and BS4, respectively. Is dependent on However, the probability of success
Figure 112019049886470-pat00061
Since is a function of four variables R 0 , R 1 , R 2 and R 4 , it is difficult to obtain analytically. In the present invention, limited optimization is used. Here, the limitation is the inequality that all reflectances are in the range of [0,1].

한편, 성공 확률은 아래 수학식 7로 산출될 수 있다.Meanwhile, the success probability may be calculated by Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019049886470-pat00062
Figure 112019049886470-pat00062

또한, 도 5(b)를 참조하면, 제1 측정부(120)와 제2 측정부(130)는 Huttner-like model을 이용하고 있으며, 제1 측정부(120)의 Huttner-like model은 비최적화되어 전송부(110)의 2개의 결맞음 상태를 오류없이 구분한다. 그러나, 제2 측정부(130)의 Huttner-like model은 최적화되어 제1 측정부(120)의 측정후 상태를 오류없이 구분한다. Huttner-like model의 최적 성공 확률은 BS1, BS3 및 BS4에서 R1, R3 및 R4의 반사율에 종속되며, 아래 수학식 8로 산출될 수 있다. In addition, referring to FIG. 5 (b), the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 use a Huttner-like model, and the Huttner-like model of the first measuring unit 120 has a ratio. Optimized to distinguish two coherence states of the transmitter 110 without error. However, the Huttner-like model of the second measurement unit 130 is optimized to distinguish the state after the measurement of the first measurement unit 120 without error. The optimal success probability of the Huttner-like model depends on the reflectivity of R 1 , R 3, and R 4 in BS1, BS3, and BS4, and can be calculated by Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019049886470-pat00063
Figure 112019049886470-pat00063

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치(100)는 선형 광학 장치를 이용하는 Banaszek 모델 또는 Huttner 모델에 기반하여, 전기적 피드백(electric feedback)이나 외부 시스템과의 상호작용(interactions with other systems)을 이용하지 않고도, 결맞음 상태를 이용한 연속적 양자 상태 구분을 수행할 수 있는 효과가 있다.As described above, the continuous state discrimination apparatus 100 of the coherent state according to an embodiment of the present invention is based on a Banaszek model or a Huttner model using a linear optical device, and may be used to perform electrical feedback or interaction with an external system. Without the use of interactions with other systems, it is possible to perform continuous quantum state discrimination using coherence states.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a continuous state classification method of coherence states according to an embodiment of the present invention.

단계 S210에서는, 전송부(110)가 소정의 확률로 N개(단, N>2)의 결맞음 상태(coherent states) 중 하나인 초기 양자 상태를 전송한다.In step S210, the transmitter 110 transmits an initial quantum state, which is one of N coherent states (N> 2) with a predetermined probability.

단계 S220에서는, 제1 측정부(120)가 비최적화된 UD를 이용하여 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 그 측정의 측정후 상태를 전송한다.In operation S220, the first measurement unit 120 measures the coherence state of the initial quantum state by using the non-optimized UD, and transmits the post-measurement state of the measurement.

마지막으로 단계 S230에서는, 제2 측정부(130)가 최적화된 UD를 이용하여 그 전송된 측정후 상태를 측정한다.Finally, in step S230, the second measurement unit 130 measures the state after the transmission using the optimized UD.

다른 실시예에서는, 제1 측정부(120) 및 제2 측정부(130)는 Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반할 수 있다.In another embodiment, the first measuring unit 120 and the second measuring unit 130 may be based on a Banaszek model or a Huttner-like model.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (9)

소정의 확률로 2개의 결맞음 상태(coherent states) 중 하나인 초기 양자 상태를 전송하는 전송부;
비최적화(non-optimal)된 UD(unambiguous discrimination)를 이용하여 상기 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정의 측정후 상태(post-measurement state)를 전송하는 제1 측정부; 및
최적화된(optimal) UD를 이용하여 상기 전송된 측정후 상태를 측정하는 제2 측정부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분(sequential state discrimination) 장치.A transmitter for transmitting an initial quantum state, which is one of two coherent states, with a predetermined probability;
A first measurement unit measuring a coherence state of the initial quantum state by using a non-optimal unambiguous discrimination (UD) and transmitting a post-measurement state of the measurement; And
A second measuring unit measuring the transmitted post-measurement state using an optimized UD
And a sequential state discrimination apparatus of coherence state. 제1항에 있어서,
상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부는
Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 1,
The first measuring unit and the second measuring unit
Continuous state discrimination device of coherence state based on Banaszek model or Huttner-like model. 제2항에 있어서,
상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 상기 Banaszek model에 기반하고,
상기 Banaszek model이 광분리기(beam splitter), 상기 광분리기에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 상기 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 때,
상기 제1 측정부는
상기 광분리기(BS0)와 상기 2개의 광결합기 각각의 사이에 광분리기(BS1, BS2)를 더 포함하고, 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 상기 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정후 상태를 생성하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 2,
The first measuring unit and the second measuring unit is based on the Banaszek model,
When the Banaszek model includes a beam splitter, two beam combiners connected to the optical splitter, and a photon detector connected to each of the two optical combiners,
The first measuring unit
Further comprising optical splitters BS1 and BS2 between the optical splitter BS0 and each of the two optical couplers, and measuring the coherence state by using the outputs of the optical splitters BS1 and BS2. A continuous state discriminating device of coherence states, characterized in that it generates a post state. 제3항에 있어서,
상기 제1 측정부는 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 광분리기(BS3)를 더 포함하고,
상기 측정후 상태는
상기 광분리기(BS3)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과인 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 3,
The first measuring unit further includes an optical separator BS3 connected to the outputs of the optical separators BS1 and BS2,
The state after the measurement
And the output of the optical separator (BS3) is a result of phase shifting using a phase shifter (PS). 제2항에 있어서,
상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 상기 Huttner-like model에 기반할 때,
상기 전송부는 상기 초기 양자 상태를 2개의 직교하는 편광 결맞음 상태(polarized coherent state) 중 하나로 변환하여, 수평 편광 보조 결맞음 빛(horizontally polarized auxiliary coherent light)과 결합시키는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 2,
When the first measuring unit and the second measuring unit is based on the Huttner-like model,
The transmitter converts the initial quantum state into one of two orthogonal polarized coherent states and combines it with a horizontally polarized auxiliary coherent light. Device. 제5항에 있어서,
상기 Huttner-like model이 편광 광분리기(polarized beam splitter, PBS), 상기 편광 광분리기의 한쪽 출력과 연결된 로테이터(rotator), 상기 편광 광분리기의 다른쪽 출력 및 상기 로테이터의 출력에 연결된 광분리기(beam splitter, BS3), 상기 광분리기(BS3)에 연결된 2개의 광결합기(beam combiner), 상기 2개의 광결합기 각각에 연결된 광양자 검출기(photon detector)를 포함할 때,
상기 제1 측정부는
상기 편광 광분리기와 상기 광분리기(BS3)의 사이에 광분리기(BS1) 및 상기 편광 광분리기와 상기 로테이터의 사이에 광분리기(BS2)를 더 포함하고, 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력을 이용하여 상기 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정후 상태를 생성하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 5,
The Huttner-like model is a polarized beam splitter (PBS), a rotator connected to one output of the polarized light splitter, a light splitter connected to the other output of the polarized light splitter and the output of the rotator. a splitter (BS3), two beam combiners connected to the optical splitter BS3, and a photon detector connected to each of the two optical combiners,
The first measuring unit
And further comprising an optical separator BS1 between the polarizing optical separator and the optical separator BS3 and an optical separator BS2 between the polarizing optical separator and the rotator, and outputting the optical separators BS1 and BS2. Measuring the coherence state by using, and generating a state after the measurement of the coherence state of the coherence state. 제6항에 있어서,
상기 제1 측정부는 상기 광분리기(BS1, BS2)의 출력에 연결되는 편광 광분리기(PBS2)를 더 포함하고,
상기 측정후 상태는
상기 광분리기(BS2)의 출력을 위상이동기(PS)를 이용해 위상이동한 결과와 상기 광분리기(BS1)의 출력을 상기 편광 광분리기(PBS2)에 입력한 결과인 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 장치.The method of claim 6,
The first measuring unit further includes a polarization optical splitter PBS2 connected to the outputs of the optical splitters BS1 and BS2,
The state after the measurement
The result of phase shifting the output of the optical splitter BS2 using the phase shifter PS and the output of the optical splitter BS1 into the polarized optical splitter PBS2. Status separator. 전송부가 소정의 확률로 2개의 결맞음 상태 중 하나인 초기 양자 상태를 전송하는 단계;
제1 측정부가 비최적화된 UD를 이용하여 상기 초기 양자 상태의 결맞음 상태를 측정하고, 상기 측정의 측정후 상태를 전송하는 단계; 및
제2 측정부가 최적화된 UD를 이용하여 상기 전송된 측정후 상태를 측정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 방법.Transmitting, by the transmitter, an initial quantum state of one of two coherence states with a predetermined probability;
Measuring a coherence state of the initial quantum state by using a non-optimized UD, and transmitting a post-measurement state of the measurement; And
A second measuring unit measuring the transmitted post-measurement state using the optimized UD
Continuous state classification method of coherence state comprising a. 제8항에 있어서,
상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부는
Banaszek model 또는 Huttner-like model에 기반하는 것을 특징으로 하는 결맞음 상태의 연속적 상태 구분 방법.

The method of claim 8,
The first measuring unit and the second measuring unit
Continuous state discrimination method of coherence state based on Banaszek model or Huttner-like model.

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