KR102079912B1 - 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서, 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 편광 성분에 따라, 상기 양자 신호를 제1 경로 및 제2 경로에 해당하는 서로 다른 경로로 분할하는 편광 빔 분할기; 및 상기 제1 경로에 구비되어, 상기 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하는 광세기 조절기를 포함하되, 상기 광세기 조절기에 의하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호의 광세기가 조절되어 디코이 신호로 생성되는 것을 특징으로 한다.

Description

디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치{METHOD FOR GENERATING DECOY SIGNAL AND COMMUNICATION APPARATUS PERFORMING THE SAME}
본 발명은 양자 암호 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플러그 앤 플레이(Plug & Play) 방식의 키 분배 시스템에서 편광 의존적인 광신호 세기 제어 소자를 사용하여 디코이 신호를 생성하는 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치에 관한 것이다.
대규모 개인정보 유출 등의 사건을 계기로 통신 보안이 문제화되면서, 안전한 암호 시스템에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 일반적으로 이용되는 암호 시스템들은 물리적 현상을 이용하는 시스템이 아닌, 수학적인 난제를 이용할 경우 해킹의 확률이 낮다는 점을 이용하는 시스템이다. 따라서, 외부에서 암호 시스템을 해킹하여 암호화된 정보를 분석할 확률이 여전히 존재하는 문제가 있다. 반면, 양자 암호(quantum cryptography)는 양자역학의 불확실성을 바탕으로, 양자 효과를 보이는 단일 광자는 복제가 불가능하다는 점에 착안하여 개발된 암호 시스템으로서, 통신의 주체들이 동일한 비밀키(secure key)를 양자를 이용하여 안전하게 나눠 가지며, 그 키를 이용하여 정보를 암호화 또는 복호화한다. 이론적으로는, 외부에서 해킹을 시도할 경우 광자의 특성이 변화하기 때문에, 외부에서 본래의 비밀키 또는 정보를 얻을 수 없는, 해킹이 불가능한 암호 시스템을 구현할 수 있다.
구체적으로, 양자 키 분배(Quantum Key Distribution; QKD) 시스템은 두 통신 장치, 즉, 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)가 통신 매체로서 광자를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 시스템이다. 이러한 QKD 시스템에서 도청자(Eve)가 도청(예컨대, 전송 중인 광자를 태핑)을 시도하였는지 여부를 판단하기 위해 디코이 신호를 이용하며, 디코이 신호는 도 1에 도시된 바와 같이 일반 신호와 평균 광자수를 다르게 해서 일반 신호 사이사이에 삽입되는 것이다. 디코이 신호가 포함된 신호가 전송된 후 송신 장치와 수신 장치는 디코이 신호가 몇 번째에 존재하는지 공개하고, 디코이 신호들의 검출 횟수와 일반신호의 검출 횟수의 비율을 계산하여 비율 값이 변하면 전송 채널에 도청자로 인한 영향이 있는 것으로 판단될 수 있다.
이와 같이 도청자의 유무를 판단하는데 이용되는 디코이(Decoy) 신호를 생성하기 위해선 광신호의 세기를 제어해 주어야 하나, 광신호 세기를 제어하는 소자들의 특성이 편광에 의존적이므로 플러그앤플레이 방식의 키 분배 시스템에서는 사용이 어려운 문제가 있다. 예를 들어, 광의 세기를 변화시키는 소자인 VOA(Variable Optical Attenuator)는 변조 속도가 느린 문제가 있고, 광의 세기를 변화시키는 다른 소자인 IM(Intensity modulator)는 편광 의존성으로 인하여 편광이 무작위로 들어오는 송신 장치에 설치할 경우 광의 세기를 원하는 대로 제어하기 어려운 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2016-0070032호 한국공개특허 제10-2016-0050934호
본 발명의 목적은 송신 장치에 광학계를 추가하여 특정 편광만이 전송되는 경로를 만들고, 해당 경로에 편광 의존적인 광신호 세기 제어 소자를 부가하여 디코이 신호를 생성하는 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서, 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 편광 성분에 따라, 상기 양자 신호를 제1 경로 및 제2 경로에 해당하는 서로 다른 경로로 분할하는 편광 빔 분할기; 및 상기 제1 경로에 구비되어, 상기 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하는 광세기 조절기를 포함하되, 상기 광세기 조절기에 의하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호의 광세기가 조절되어 디코이 신호로 생성되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
바람직하게, 상기 편광 빔 분할기는, 상기 양자 신호의 제1 편광 성분은 반사시켜 상기 제1 경로로 전송하고 상기 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 상기 제2 경로로 전송하되, 상기 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 서로 수직관계일 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 패러데이 거울을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 패러데이 거울은, 상기 제1 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제1 편광 성분을 제2 편광 성분으로 변경하되, 상기 패러데이 거울에 의하여 제2 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기를 통과하여 상기 제2 경로로 전송될 수 있다.
바람직하게, 상기 패러데이 거울은, 상기 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제2 편광 성분을 제1 편광 성분으로 변경하되, 상기 패러데이 거울에 의하여 제1 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기에 반사되어 상기 제1 경로로 전송될 수 있다.
바람직하게, 상기 패러데이 거울에 의하여 상기 제2 편광 성분으로부터 제1 편광 성분으로 변경되어 상기 제1 경로로 전송된 양자 신호는 상기 제1 경로에 구비된 광세기 조절기에 의하여 광세기가 조절될 수 있다.
바람직하게, 상기 패러데이 거울에 반사되어 편광 성분에 따라 다시 제1 경로 및 제2 경로 분할된 후, 상기 제1 경로 및 제2 경로로부터 전송되어오는 제1 및 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호가 병합되어 디코이 신호로 생성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면은, 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법에 있어서, (a) 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 편광 성분에 따라, 상기 양자 신호를 제1 경로 및 제2 경로에 해당하는 서로 다른 경로로 분할하는 단계; 및 (b) 상기 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하는 단계를 포함하되, 상기 제1 경로를 통과하는 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호의 광세기가 조절되어 디코이 신호로 생성된다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 상기 양자 신호의 제1 편광 성분은 반사시켜 상기 제1 경로로 전송하고 상기 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 상기 제2 경로로 전송하는 단계를 포함하되, 상기 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 서로 수직관계일 수 있다.
바람직하게, (c) 상기 제1 및 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는, 상기 제1 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제1 편광 성분을 제2 편광 성분으로 변경하는 단계를 포함하되, 상기 제2 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 제2 경로로 전송될 수 있다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는, 상기 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제2 편광 성분을 제1 편광 성분으로 변경하는 단계를 포함하되, 상기 제1 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 제1 경로로 전송될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 편광 성분으로부터 제1 편광 성분으로 변경되어 상기 제1 경로로 전송된 양자 신호의 광세기를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 양자 신호의 편광 성분에 따라 다시 제1 경로 및 제2 경로 분할된 후, 상기 제1 경로 및 제2 경로로부터 전송되어오는 제1 및 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호를 병합하여 디코이 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 이미 존재하는 소자를 활용하여 광학계를 구성하므로 기존 상용 제품을 그대로 사용할 수 있고, 기존 상용 제품의 성능을 그대로 이용할 수 있으므로 시스템의 성능을 고속으로 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 디코이 신호를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 통신 시스템에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 통신 시스템에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 디코이 신호 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
또한, 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)" 및/또는 “포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 통신 시스템은 수신 장치(이른바, Bob)인 제1 통신 장치(100) 및 송신 장치(이른바, Alice)인 제2 통신 장치(200)를 포함하고, 바람직하게, 제1 통신 장치(100)와 제2 통신 장치(200)는 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)을 통하여 연결되며, 양자 채널을 통하여 신호를 송수신할 수 있다. 이하에서 언급되는 통신 시스템은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템에 해당한다.
제1 통신 장치(100)는 광원(110), 광 서큘레이터(120), 광 분할기(130 및 160), 위상 변조기(140), 편광 제어기(150), 및 단일 광자 검출기(180 및 190)를 포함한다.
바람직하게, 광원(110)은 임의의 편광을 갖는 광자 펄스(이하, “양자 신호”라 한다)를 생성하는 것으로서 레이저에 해당할 수 있고, 광원(110)에 의하여 생성된 양자 신호는 광 서큘레이터(120)를 통하여 광 분할기(Beam Splitter: BS)(130)로 전달된다. 광 분할기(130)는 양자 신호를 2개의 양자 신호로 분할하고, 분할된 2개의 양자 신호는 각각 특정 경로를 통과하여 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 가지게 된다. 구체적으로, 2개의 양자 신호 중 하나는 위상 변조기(140)가 구비된 경로를 통과하면서 위상이 변조된 후 광 분할기(160)에 먼저 도달하고, 다른 하나는 딜레이 라인(Delay Line: D.L) 및 편광 제어기(150)가 구비된 경로를 통과하면서 광 분할기(160)에 도달되는 시간이 지연되고 편광이 변경된다. 이와 같이 시간적으로 분할되고 서로 직교하는 편광을 가지게 된 2개의 양자 신호들은 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)을 통해 제2 통신 장치(200)로 전송된다.
제2 통신 장치(200)는 광 분할기(210), 광 검출기(220), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 편광 빔 분할기(Polarization Beam Splitter; PBS)(240 및 260), 광 세기 조절기(Intensity modulator; IM)(250), 위상 변조기(270), 및 패러데이 거울(280)을 포함한다.
바람직하게, 제2 통신 장치(200)는 제1 통신 장치(100)로부터 양자 신호를 수신하고, 광 검출기(220)는 수신된 양자 신호들로부터 양자 신호의 위상을 변조하기 위한 타이밍 정보를 획득할 수 있다. 또한, 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230)는 양자 신호의 광 강도를 단일 광자 수준으로 낮추고, 스토리지 라인(Storage Line: SL)은 제1 통신 장치(100)로부터 수신한 양자 신호로 인해 발생된 노이즈(noise) 광을 제거한다.
바람직하게, 제2 통신 장치(200)는 편광 빔 분할기(240 및 260)를 통하여 양자 신호의 편광 성분에 따라 양자 신호가 통과할 경로를 분할하고, 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만이 광 세기 조절기(250)를 통해 광세기가 원하는 수준으로 조절되도록 할 수 있다. 편광 빔 분할기(240 및 260)를 통과한 양자 신호들은 패러데이 거울(Faraday Mirror: FM)(280)을 통해 반사됨으로써, 양자 신호들의 진행 방향이 반전되고 편광이 90도 회전되며, 위상 변조기(270)를 이용하여 양자 신호들 중 하나의 위상이 변조될 수 있다. 그 다음, 양자 신호들은 다시 편광 빔 분할기(260)를 통하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만이 광세기 조절기(250)가 구비된 경로를 통과하면서 광세기가 조절된 뒤 양자 채널을 통하여 제1 통신 장치(100)에 전송된다.
제2 통신 장치의 구체적인 구성 및 본 발명의 통신 시스템에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법은 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 도 2의 통신 시스템에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
여기에서, 제1 통신 장치(100)는 플러그앤플레이 양자 암호 시스템에서 양자 암호 키를 분배하는 과정을 수행하는 통신 장치로서, 제1 통신 장치(100)의 구성 및 제1 통신 장치(100)에서 수행되는 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에 의하여 용이하게 구현될 수 있고 그 구현 방식은 다양하게 변형될 수 있는바, 이하에서는, 제2 통신 장치(200)의 구성 및 동작, 즉, 제2 통신 장치(200)가 제1 통신 장치(100)로부터 수신한 양자 신호를 처리하여 제1 통신 장치(100)에 다시 전송하기까지의 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3 및 4를 참조하면, 양자 채널(Q.C)을 통하여 제1 통신 장치(100)로부터 제2 통신 장치(200)로 양자 신호가 전송되면, 양자 신호는 광 분할기(210)를 통하여 일부는 광 검출기(220)로 전송되고, 나머지는 광 감쇄기(230)로 전송된다. 광 검출기(220)는 수신된 양자 신호로부터 양자 신호의 위상을 변조하기 위한 타이밍 정보를 획득하고, 광 감쇄기(230)는 양자 신호의 광 강도를 단일 광자 수준을 낮춘다. 광 감쇄기(230)를 통과하여 단일 광자 수준으로 광 강도가 낮춰진 양자 신호는 스토리지 라인(S.L)을 통과하면서 양자 신호로 인해 발생된 노이즈광이 제거된 후, 편광 빔 분할기(240)에 도달하게 된다.
바람직하게, 편광 빔 분할기(240)는 양자 신호의 편광 성분에 따라 양자 신호를 서로 다른 두 경로로 분할할 수 있고, 여기에서, 서로 다른 두 경로 중 하나의 경로에는 해당 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하기 위한 광세기 조절기(250)가 구비되어 있고, 이하에서는 광세기 조절기(250)가 구비된 경로를 제1 경로라고 하고 다른 하나의 경로를 제2 경로라고 한다.
보다 구체적으로, 편광 빔 분할기(240)는 양자 신호의 제1 편광 성분을 반사시켜 제1 경로로 전송하고, 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 제2 경로로 전송하며, 여기에서, 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 서로 수직 관계에 해당할 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 성분이 수직 편광이고 제2 편광 성분이 수평 편광인 경우, 양자 신호의 수직 편광 성분은 편광 빔 분할기(240)에 반사되어 제1 경로로 전송되고(도 3의 ①), 양자 신호의 수평 편광 성분은 편광 빔 분할기(240)를 통과하여 제2 경로로 전송(도 4의 ①)될 수 있다.
편광 빔 분할기(240)에 반사되어 제1 경로를 통과하는, 제1 편광 성분을 가지는 양자 신호는 광세기 조절기(250)를 통하여 광세기가 조절(도 3의 ②)될 수 있고, 광세기의 조절 정도는 사용자에 의하여 미리 설정될 수 있다.
제1 경로 및 제2 경로를 통과한 양자 신호들은 편광 빔 분할기(260)를 통하여 위상 변조기(270)로 전송되고, 위상 변조기(270)를 통과하여 패러데이 거울(280)에 도달한다(도 3의 ③ 및 도 4의 ②). 바람직하게, 패러데이 거울(280)은 양자 신호의 진행 방향을 되돌리면서 양자 신호의 편광 성분을 변경한다. 제1 경로로부터 전송되어온 제1 편광 성분을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 제2 편광 성분을 가지도록 변경되고, 제2 경로로부터 전송되어온 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 제1 편광 성분을 가지도록 변경된다. 예를 들어, 제1 경로를 통과한 수직 편광을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수평 편광을 가지도록 변경되고(도 3의 ③ 및 ④), 제2 경로를 통과한 수평 편광을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수직 편광을 가지도록 변경(도 4의 ② 및 ③)될 수 있다.
패러데이 거울(280)에 의하여 진행방향 및 편광이 변경된 양자 신호들은 위상 변조기(270)를 통과하면서 위상이 변조되고, 위상 변조기(270)를 통과한 후 편광 빔 분할기(260)에 도달한 양자 신호는 양자 신호의 편광 성분에 따라 다시 제1 경로와 제2 경로로 분할된다. 바람직하게, 편광 빔 분할기(260)가 반사 및 통과시키는 편광 성분은 편광 빔 분할기(240)와 동일하다. 즉, 편광 빔 분할기(260)는 양자 신호의 제1 편광 성분은 반사시켜 제1 경로로 전송하고, 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 제2 경로로 전송한다. 예를 들어, 제1 편광 성분은 수직 편광이고 제2 편광 성분은 수평 편광일 때, 제1 경로로부터 전송되어온 수직 편광의 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수평 편광으로 변경되고, 수평 편광으로 변경된 양자 신호는 편광 빔 분할기(260)를 통과하여 제2 경로로 전송되고(도 3의 ⑤), 제2 경로로부터 전송되어온 수평 편광의 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수직 편광으로 변경되고, 수직 편광으로 변경된 양자 신호는 편광 빔 분할기(260)에 반사되어 제1 경로로 전송(도 4의 ④)될 수 있다. 여기에서, 제1 경로로 전송되는 양자 신호는 상기에서 설명한 바와 같이 제1 경로에 구비된 광세기 조절기(250)에 의하여 광 세기가 조절될 수 있다(도 4의 ⑤).
패러데이 거울(280)에 반사된 후 편광 성분에 따라 다시 제1 경로 및 제2 경로로 분할된 후, 제1 경로 및 제2 경로로부터 전송되어오는 양자 신호들은 편광 빔 분할기(240)에서 병합되고, 병합된 양자 신호는 제1 경로에 구비된 광세기 조절기에 의하여 광세기가 원하는 수준으로 조절 되었으므로 디코이 신호에 해당하게 된다. 이와 같이 생성된 디코이 신호는 다시 양자 채널(Q.C)을 통하여 제1 통신 장치(100)로 전송되고, 제1 통신 장치(100)에서 수행되는 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에게 자명한 사항인 바 상세한 설명은 생략한다.
즉, 광세기 조절기(250)는 편광에 의존적이어서 임의의 편광을 가지는 양자 신호를 전달받을 경우 광세기가 원하는 대로 조절되기 어려웠으나, 본 발명에 의하면 편광 빔 분할기(240 및 260)를 통하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만이 광세기 조절기(250)로 전달되므로 광세기 조절기(250)가 양자 신호의 광 세기를 원하는 대로 조절하기 용이하고, 따라서 디코이 신호를 효율적으로 생성할 수 있게 된다.
도 5는 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 통신 시스템은 수신 장치(이른바, Bob)인 제1 통신 장치(100) 및 송신 장치(이른바, Alice)인 제2 통신 장치(200)를 포함하고, 바람직하게, 제1 통신 장치(100)와 제2 통신 장치(200)는 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)를 통하여 연결되며, 양자 채널을 통하여 신호를 송수신할 수 있다. 제1 통신 장치(100)는 도 2 내지 4를 참조하여 설명된 구성과 동일하고, 이하에서는 제2 통신 장치(200)의 구성을 중심으로 설명한다. 또한, 제2 통신 장치(200)의 구성 중 도 2 내지 4를 참조하여 설명된 구성에 대하여는 여기에서 상세하게 설명하지 않는다.
제2 통신 장치(200)는 광 분할기(210), 광 검출기(220), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 편광 빔 분할기(Polarization Beam Splitter; PBS)(510), 광 세기 조절기(Intensity modulator; IM)(250), 위상 변조기(270), 및 패러데이 거울(280)을 포함한다.
바람직하게, 편광 빔 분할기(510)는 4개의 포트(port)가 있는 편광 빔 분할기로서, 제2 통신 장치(200)는 하나의 편광 빔 분할기(510)만을 구비할 수 있다. 또한, 편광 빔 분할기(510)는 양자 신호의 편광 성분에 따라 제1 통신 장치(100)로부터 전송되어온 양자 신호를 서로 다른 두 경로로 분할하고, 패러데이 거울(280)로부터 반사되어온 양자 신호를 해당 양자 신호의 편광 성분에 따라 특정 편광 성분에 해당하는 양자 신호만을 광세기 조절기(250)가 구비된 경로로 분할할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 5의 통신 시스템에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
여기에서, 제1 통신 장치(100)는 플러그앤플레이 양자 암호 시스템에서 양자 암호 키를 분배하는 과정을 수행하는 통신 장치로서, 제1 통신 장치(100)의 구성 및 제1 통신 장치(100)에서 수행되는 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에 의하여 용이하게 구현될 수 있고 그 구현 방식은 다양하게 변형될 수 있는바, 이하에서는, 제2 통신 장치(200)의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 내용은 상세하게 설명하지 않는다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 양자 채널(Q.C)을 통하여 제1 통신 장치(100)로부터 제2 통신 장치(200)로 양자 신호가 전송된 후, 양자 신호가 편광 빔 분할기(510)에 도달하면, 편광 빔 분할기(510)는 양자 신호의 편광 성분에 따라 양자 신호를 서로 다른 두 경로로 분할한다. 여기에서, 두 경로 중 하나의 경로에는 광세기 조절기(250)가 구비되어 있고 이를 제1 경로라고 하며, 다른 하나의 경로에는 광세기 조절기(250)가 구비되어 있지 않고 이를 제2 경로라고 한다.
보다 구체적으로, 편광 빔 분할기(510)는 양자 신호의 제1 편광 성분을 반사시켜 제1 경로로 전송하고, 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 제2 경로로 전송한다. 예를 들어, 제1 편광 성분이 수직 편광이고 제2 편광 성분이 수평 편광인 경우, 양자 신호의 수직 편광 성분은 편광 빔 분할기(510)에 반사되어 제1 경로로 전송되고(도 6의 ①), 양자 신호의 수평 편광 성분은 편광 빔 분할기(510)를 통과하여 제2 경로로 전송(도 7의 ①)될 수 있다. 편광 빔 분할기(510)에 반사되어 제1 경로를 통과하는 제1 편광 성분을 가지는 양자 신호는 광세기 조절기(250)를 통하여 광세기가 조절(도 6의 ②)된다.
제1 경로 및 제2 경로를 통과한 양자 신호들은 위상 변조기(270)를 통과하여 패러데이 거울(280)에 도달한다(도 6의 ③ 내지 ⑤, 및 도 7의 ①). 바람직하게, 제1 경로로부터 전송되어온 제1 편광 성분을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 제2 편광 성분을 가지도록 변경되고, 제2 경로로부터 전송되어온 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 제1 편광 성분을 가지도록 변경된다. 예를 들어, 제1 경로를 통과한 수직 편광을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수평 편광을 가지도록 변경되고(도 6의 ⑥), 제2 경로를 통과한 수평 편광을 가지는 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수직 편광을 가지도록 변경(도 7의 ②)될 수 있다.
패러데이 거울(280)에 의하여 진행방향 및 편광이 변경된 양자 신호들은 위상 변조기(270)를 통과한 후 편광 빔 분할기(510)에 도달하고, 편광 빔 분할기(510)는 양자 신호의 편광 성분에 따라 제1 편광 성분을 가지는 양자 신호만을 제1 경로로 분할한다. 예를 들어, 제1 경로로부터 전송되어온 수직 편광의 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수평 편광으로 변경되고, 수평 편광으로 변경된 양자 신호는 편광 빔 분할기(510)를 통과하고(도 6의 ⑥), 제2 경로로부터 전송되어온 수평 편광의 양자 신호는 패러데이 거울(280)에 의하여 수직 편광으로 변경되고, 수직 편광으로 변경된 양자 신호는 편광 빔 분할기(510)에 반사되어 제1 경로로 전송(도 7의 ③)될 수 있다. 여기에서, 제1 경로로 전송되는 양자 신호는 상기에서 설명한 바와 같이 제1 경로에 구비된 광세기 조절기(250)에 의하여 광 세기가 조절될 수 있다(도 7의 ④ 내지 ⑥).
패러데이 거울(280)에 반사된 후 편광 빔 분할기(510)에 반사되어 제1 경로를 통과한 후 다시 편광 빔 분할기(510)에 도달한 양자 신호와 편광 빔 분할기(510)에서 반사되지 않은 양자 신호는 편광 빔 분할기(510)에서 병합되고, 병합된 양자 신호는 제1 경로에 구비된 광세기 조절기(250)에 의하여 광세기가 조절 되었으므로 디코이 신호에 해당하게 된다. 이와 같이 생성된 디코이 신호는 다시 양자 채널(Q.C)을 통하여 제1 통신 장치(100)로 전송되고, 제1 통신 장치(100)에서 수행되는 동작은 본 발명이 속하는 통상의 기술자에게 자명한 사항인 바 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 일 실시예에 따른 디코이 신호 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8에서는 도 1 내지 도 7에서 상술한 설명과 동일하거나 유사한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 제2 통신 장치(200)는 타통신 장치(즉, 제1 통신 장치(100))로부터 수신한 양자 신호의 편광 성분에 따라 양자 신호를 제1 경로 및 제2 경로에 해당하는 서로 다른 경로로 분할한다(단계 S810). 바람직하게, 제1 통신 장치(100)로부터 양자 신호를 수신하면, 양자 신호는 광 분할기(210), 광 감쇄기(230), 및 스토리지 라인을 통과하여 편광 빔 분할기(240 및 510)에 도달하고, 편광 빔 분할기(240 및 510)는 양자 신호의 제1 편광 성분은 제1 경로로 전송시키고 제2 편광 성분은 제2 경로로 전송시킨다.
제2 통신 장치(200)는 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절한다(단계 S820). 바람직하게, 제2 통신 장치(200)의 제1 경로에는 광세기 조절기(250)가 구비되어 있고, 제1 경로를 통과하는 양자 신호는 광세기 조절기(250)에 의하여 광세기가 조절될 수 있다. 즉, 디코이 신호를 생성하기 위하여, 광 세기 조절기(250)에 의하여 양자 신호의 광세기를 원하는 수준으로 조절하는 것이다.
바람직하게, 제1 경로 및 제2 경로를 통과한 후 패러데이 거울(280)에 의하여 반사되어오는 양자 신호 또한 편광 빔 분할기(260 및 510)에 의하여 제1 경로 및 제2 경로로 분할되고, 여기에서도 제1 경로로 분할된 양자 신호는 광 세기 조절기(250)에 의하여 광세기가 조절될 수 있다. 그 다음, 편광 빔 분할기(240 및 510)에 도달한 양자 신호들은 병합되어 광세기가 원하는 수준으로 조절된 디코이 신호가 된다.
즉, 본 발명에 따른 통신 시스템의 제2 통신 장치(200)는 그 내부에 구비된 편광 빔 분할기(240, 260, 및 510)를 통하여 제1 통신 장치(100)로부터 전송되어온 양자 신호 및 패러데이 거울(280)로부터 반사되어오는 양자 신호 중 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호만을 분할하고, 분할된 특정 편광 성분만이 광세기 조절기(250)를 통과하도록 하므로, 편광에 의존적인 광세기 조절기(250)를 통해 양자 신호의 광세기가 원하는 수준으로 조절되어 디코이 신호로 생성될 수 있도록 하는 것이다.
전술한 본 발명에 따른 디코이 신호 생성 방법 및 이를 수행하는 통신 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100: 제1 통신 장치
110: 광원 120: 광 서큘레이터
130: 광 분할기 140: 위상 변조기
150: 편광 제어기 160: 광 분할기
170, 180: 단일 광자 검출기
200: 제2 통신 장치
210: 광 분할기 220: 광 검출기
230: 광 감쇄기 240, 260: 편광 빔 분할기
250: 광 세기 조절기 270: 위상 변조기
280: 패러데이 거울
510: 편광 빔 분할기

Claims (14)

  1. 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에 있어서,
    타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 제1 편광 성분은 반사시켜 제1 경로로 전송하고, 상기 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 제2 경로로 전송하는 편광 빔 분할기;
    상기 제1 경로에 구비되어, 상기 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하는 광세기 조절기; 및
    상기 제1 및 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 패러데이 거울;을 포함하되,
    상기 광세기 조절기에 의하여 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호의 광세기가 조절되어 디코이 신호로 생성되고,
    상기 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 서로 수직관계이고,
    상기 패러데이 거울은,
    상기 제1 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제1 편광 성분을 제2 편광 성분으로 변경하고, 상기 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제2 편광 성분을 제1 편광 성분으로 변경하되,
    상기 패러데이 거울에 의하여 제2 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기를 통과하여 상기 제2 경로로 전송되고, 제1 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 편광 빔 분할기에 반사되어 상기 제1 경로로 전송되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패러데이 거울에 의하여 상기 제2 편광 성분으로부터 제1 편광 성분으로 변경되어 상기 제1 경로로 전송된 양자 신호는 상기 제1 경로에 구비된 광세기 조절기에 의하여 광세기가 조절되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패러데이 거울에 반사되어 편광 성분에 따라 다시 제1 경로 및 제2 경로 분할된 후, 상기 제1 경로 및 제2 경로로부터 전송되어오는 제1 및 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호가 병합되어 디코이 신호로 생성되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  8. 플러그앤플레이 시스템에 이용되는 통신 장치에서 수행되는 디코이 신호 생성 방법에 있어서,
    (a) 타통신 장치로부터 수신한 양자 신호의 제1 편광 성분은 반사시켜 제1 경로로 전송하고 상기 양자 신호의 제2 편광 성분은 통과시켜 제2 경로로 전송하는 단계;
    (b) 상기 제1 경로를 통과하는 양자 신호의 광 세기를 조절하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 및 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 진행방향을 되돌리면서 상기 양자 신호의 편광 성분을 변경하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 경로를 통과하는 특정 편광 성분을 가지는 양자 신호의 광세기가 조절되어 디코이 신호로 생성되고,
    상기 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 서로 수직관계이고,
    상기 (c) 단계는,
    상기 제1 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제1 편광 성분을 제2 편광 성분으로 변경하고, 상기 제2 경로로부터 전송되어온 양자 신호의 제2 편광 성분을 제1 편광 성분으로 변경하는 단계를 포함하되, 상기 제2 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 제2 경로로 전송되고, 상기 제1 편광 성분으로 변경된 양자 신호는 상기 제1 경로로 전송되는 것을 특징으로 하는 디코이 신호 생성 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 편광 성분으로부터 제1 편광 성분으로 변경되어 상기 제1 경로로 전송된 양자 신호의 광세기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디코이 신호 생성 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 양자 신호의 편광 성분에 따라 다시 제1 경로 및 제2 경로 분할된 후, 상기 제1 경로 및 제2 경로로부터 전송되어오는 제1 및 제2 편광 성분을 가지는 양자 신호를 병합하여 디코이 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디코이 신호 생성 방법.
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