KR102121027B1 - Apparatus and method for measurement immune quantum key distribution - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은, 왕복 경로를 갖는 이중-마하젠더 간섭계에 있어 송신부와 수신부에 위치한 각각의 위상변조기에 기초하여 빛을 광원으로 하여 암호 키를 발생하고 측정하고 분배하되, 측정이 허용된 상황에서도, 마하젠더 간섭경로 법칙에 의거 암호 키 구분이 불가능하여, 양자화된 빛은 물론 일반 레이저 광펄스를 광원으로 하는 고전적 빛에서도 성립되며, 소음이나 진동 혹은 온도변화 일반적 환경의 영향아래서도, 무조건적 보안을 보장할 수 있다.The measurement-independent quantum cryptographic key distribution apparatus and method according to the present invention generates and measures an encryption key using light as a light source based on respective phase modulators located in a transmitting unit and a receiving unit in a dual-Mach-Zehnder interferometer having a reciprocating path. Even though distribution is permitted, the encryption key cannot be distinguished according to the Mach-Zehnder interference path law, so it is established not only in quantized light, but also in classical light using a general laser light pulse as a light source. Under the influence of the environment, unconditional security can be guaranteed.

Description

측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT IMMUNE QUANTUM KEY DISTRIBUTION}Measurement related quantum cryptography key distribution device and method{APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT IMMUNE QUANTUM KEY DISTRIBUTION}

본 발명은 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measurement-related quantum cryptography key distribution.

양자암호는 양자역학의 원리에 따라 무조건적으로 보안이 보장되기에 정보보호를 위한 미래수단으로 1984년 최초 양자암호 키분배에 관한 논문 즉 BB84 양자암호 키분배 프로토콜이 발표된 이후 지금까지 수많은 종류의 다양한 양자암호 키분배에 관한 이론과 방식이 제시되어 왔다. 한편, 양자암호를 제외한 현재 통용되고 있는 모든 암호를 고전암호라 할 때 대부분의 암호체계는 공개키 방식을 따른다. 공개키 방식의 암호 키분배 프로토콜은 정보론의 복잡도에 있어 NP(Nondeterministic Polynomial time) 문제에 기반하고 있는데, NP는 현재 컴퓨터로 수행하기 어려운 문제에 속하는 영역으로써 대표적으로 소인수 분해에 관한 것이다. 즉 공개키 방식은 소인수 두 개를 암호키로 하여 곱한 하나의 수를 암호로 채택하고 이를 두 개의 소인수로 분해하는 것이 암호해독에 관한 것이다. 이 공개키 방식의 암호 해독은 컴퓨터 성능에 좌우되기 때문에 무조건적으로 안전한 암호체계는 아니다. 또한 양자컴퓨터는 소인수분해를 푸는 문제가 NP 복잡도에 속하지 않기 때문에 매우 쉽게 공개키 암호를 해독할 수 있어 1994년 SHOR의 소인수분해 양자컴퓨터 논문이 발표된 이후, 각국은 양자암호를 만들기 위해 경쟁하고 있다. 즉, 양자컴퓨터는 출현은 현재 암호체계를 무력화시킨다.Quantum cryptography is an unprecedented security measure based on the principles of quantum mechanics, and as a future measure for information protection, the first paper on the quantum cryptography key distribution in 1984, that is, the BB84 quantum cryptography key distribution protocol has been published. The theory and method of quantum cryptography key distribution have been proposed. On the other hand, when all cryptocurrencies currently in use except quantum cryptography are called classical cryptography, most cryptosystems follow the public key method. The public key cryptographic key distribution protocol is based on the NP (Nondeterministic Polynomial time) problem in the complexity of information theory, and NP is a domain that is currently difficult to perform with a computer and is representatively related to factor decomposition. That is, in the public key method, it is related to decryption by adopting one number multiplied by two prime factors as an encryption key and decomposing it into two prime factors. This public key cryptography is not an unconditionally secure cryptosystem because it depends on computer performance. In addition, since the problem of solving prime factorization does not belong to the NP complexity, it is very easy to decrypt the public key, and since the publication of the SHOR prime factorization quantum computer paper in 1994, countries have been competing for quantum cryptography. . In other words, the emergence of quantum computers defeats the current cryptosystem.

공개특허: 10-2018-0025621, 공개일: 2018년 3월 9일, 제목: 경로중첩을 이용한 양자보안 직접통신 장치 및 방법.Published Patent: 10-2018-0025621, Published Date: March 9, 2018, Title: Quantum security direct communication device and method using path overlapping. 등록특허: 10-1767067, 등록일: 2017년 8월 11일, 제목: 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템.Patent registration: 10-1767067, registration date: August 11, 2017, title: Quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system.

본 발명의 목적은 측정장치 불완전성 함정이 있음에도 불구하고 양자역학 본연의 무조건적 안전을 보장하는 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a measurement-independent quantum cryptographic key distribution device and method that guarantees the unconditional safety of the quantum mechanics despite the incomplete trap of the measuring device.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 장치의 키분배 방법은: 암호키를 발생하는 단계; 및 2 개의 서로 다른 위상차를 송신부 및 수신부의 각각의 기저로 하여 무조건적 보안을 만족하는 이중(DOUBLE)-마하젠더 간섭계를 이용하여 상기 암호키를 공유하는 단계를 포함할 수 있다.A key distribution method of a measurement-independent quantum encryption device according to an embodiment of the present invention includes: generating an encryption key; And sharing the encryption key using a DOUBLE-MAHAZENDER interferometer that satisfies unconditional security by using two different phase differences as the basis of each of the transmitter and the receiver.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계를 구성하는 왕복 경로 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include configuring a reciprocating path configuring the dual Mach-Zehnder interferometer.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계에 입사하는 결맞는 빛을 광원으로 하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, it is characterized in that the coherent light incident on the dual Mach-Zehnder interferometer is used as a light source.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계에 입사하는 단일광자를 광원으로 하는 것을 포함할 수 있다.In an embodiment, it may include using a single photon incident on the dual Mach-Zehnder interferometer as a light source.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계에 입사하는 비고전적 광자(얽힘 광자)를 광원으로 하는 것을 포함할 수 있다.In an embodiment, it may include using a non-classical photon (entangled photon) incident on the dual Mach-Zehnder interferometer as a light source.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계를 N대 N(N은 자연수)의 암호 키분배로 확장하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the dual-Mahsendeh interferometer is characterized by extending N to N (N is a natural number) cryptographic key distribution.

실시 예에 있어서, 상기 위상차를 키분배에 적용하는 위상 기저 쌍을 포함할 수 있다.In an embodiment, a phase base pair applying the phase difference to key distribution may be included.

실시 예에 있어서, 상기 위상 기저에 의한 키분배가 이루어지는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the key distribution is performed by the phase basis.

실시 예에 있어서, 상기 위상 기저를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of generating the phase basis may be further included.

실시 예에 있어서, 상기 위상 기저를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of measuring the phase basis may be further included.

실시 예에 있어서, 상기 위상 기저 쌍을 측정함으로써 공격자를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, detecting an attacker may be further included by measuring the phase base pair.

실시 예에 있어서, 상기 위상 기저 쌍의 측정에 의한 실시간 2차원 QBER(quantum bit error rate) 지도를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include generating a real-time two-dimensional quantum bit error rate (QBER) map by measuring the phase base pair.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치는: 송신부; 수신부; 및 두 개의 서로 다른 위상차를 상기 송신부 및 상기 수신부의 각각의 기저로 하여 무조건적 보안을 만족하는 이중(DOUBLE)-마하젠더 간섭계를 포함할 수 있다.Measurement independent quantum encryption key distribution device according to an embodiment of the present invention: a transmitter; Receiver; And two different phase differences as the basis of each of the transmitting unit and the receiving unit to satisfy unconditional security.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계는 단일 광자, 얽힘 광자, 및 결맞는 빛 중에서 어느 하나를 광원으로 하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the dual-Mach-Zehnder interferometer is characterized in that any one of single photon, entangled photon, and coherent light is used as a light source.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계의 왕복경로는 거울을 포함할 수 있다.In an embodiment, the reciprocating path of the dual Mach-Zehnder interferometer may include a mirror.

실시 예에 있어서, 상기 이중-마하젠더 간섭계의 왕복경로는 위상 공액(phase conjugate) 거울을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the reciprocating path of the dual-Mahsendeh interferometer may further include a phase conjugate mirror.

실시 예에 있어서, N대 N 암호 키분배가 구성되는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, N-to-N cryptographic key distribution is configured.

실시 예에 있어서, 상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은, 상기 서로 다른 위상 중 어느 하나를 기저로 생성하는 위상 기저 생성 장치를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, each of the transmitting unit and the receiving unit may further include a phase basis generating device that generates any one of the different phases as a basis.

실시 예에 있어서, 상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은, 대응하는 전송 경로를 통하여 전송된 위상 기저를 측정하는 위상 기저 측정 장치를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, each of the transmitting unit and the receiving unit may further include a phase basis measuring device that measures a phase basis transmitted through a corresponding transmission path.

실시 예에 있어서, 상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은, 위상 기저를 분배하는 위상 기저 분배 장치를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, each of the transmitting unit and the receiving unit may further include a phase based distribution device that distributes a phase basis.

실시 예에 있어서, 암호 키분배 알고리즘에 의거하여 상기 위상차를 키분배에 적용하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the phase difference is applied to key distribution based on an encryption key distribution algorithm.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은, 이중-마하젠터 간섭계를 이용하여 암호키를 공유함으로써 무조건적 보안을 보장할 수 있다.The apparatus and method for measurement independent quantum cryptography key distribution according to an embodiment of the present invention can guarantee unconditional security by sharing an encryption key using a dual-Mahagenter interferometer.

이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위상조절 이중-마하젠더 타입의 측정무관 양자암호 키분배 장치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 광통신 네트워크에 적용하기 위한 도 1에 도시된 송신부와 수신부의 상세 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 일반적인 마하젠더 간섭계와 그 계산 결과이다.
도 4는 도 1에 도시된 이중-마하젠더 간섭계의 구성에 대한 펼침도이다.
도 5는 도 4에 도시된 이중-마하젠더 간섭계에 대한 구체도이다.
도 6은 도 5의 계산결과로써 무조건적 보안성과 측정에 의한 전자동 암호키생성을 나타낸다.
도 7은 도 1의 1:1 양자키 분배 구성도에 대한 N:N 확장도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
The accompanying drawings are provided to help understand the present embodiment, and provide embodiments with detailed description. However, the technical features of the present embodiment are not limited to specific drawings, and the features disclosed in each drawing may be combined with each other to form a new embodiment.
1 is a view showing an exemplary measurement independent quantum cryptography key distribution device of a phase-adjusted dual-Maha-Zehnder type according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed configuration diagram of a transmitter and a receiver illustrated in FIG. 1 for application to an optical communication network.
FIG. 3 is a general Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 1 and its calculation results.
FIG. 4 is an exploded view of the configuration of the dual-Maha-Zehnder interferometer shown in FIG. 1.
FIG. 5 is a detailed diagram of the dual Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 4.
FIG. 6 shows the automatic encryption key generation by unconditional security and measurement as the calculation result of FIG. 5.
7 is an N:N extension diagram of a 1:1 quantum key distribution configuration diagram of FIG. 1.
8 is a flowchart exemplarily showing a method of measuring and distributing quantum cryptography keys according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described clearly and in detail so that those skilled in the art of the present invention can easily implement the drawings using the drawings.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 하지만 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.The present invention can be applied to various changes and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood that all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention are included. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은, 왕복 경로를 갖는 이중-마하젠더 간섭계에 있어서 송신부와 수신부에 위치한 각각의 위상 변조기에 기초하여 빛을 광원으로 하여 (양자) 암호 키를 발생/측정/분배하고, 측정이 허용된 상황에서도 마하젠더 간섭경로 법칙에 의거하여 암호 키 구분이 불가능하다. 여기서 마하젠더 간섭경로 법칙은, 양자화된 빛은 물론 일반 레이저 광펄스를 광원으로 하는 고전적 빛에서도 성립될 수 있다. 본 발명의 측정무관 양자암호 키분배 장치 빛 방법은 소음이나 진동 혹은 온도 변화 등 일반적 환경의 영향아래서도, 무조건적 보안을 보장할 수 있다.The measurement independent quantum cryptography key distribution apparatus and method according to an embodiment of the present invention uses a light as a light source (quantum) based on the phase modulators located at a transmitter and a receiver in a dual-Maha-Zehnder interferometer having a reciprocating path. Even if the key is generated/measured/distributed and the measurement is allowed, it is impossible to distinguish the encryption key according to the Mach-Zehnder interference path law. Here, the Mach-Zehnder interference path law can be established not only in quantized light, but also in classical light using a general laser light pulse as a light source. The measurement independent quantum cryptography key distribution device light method of the present invention can guarantee unconditional security even under the influence of a general environment such as noise, vibration, or temperature change.

일반적으로 양자암호 (quantum cryptography)는 양자역학의 불확정원리와 파괴측정 원리에 기초하고 있다. 불확정성 원리는 두 개의 공액변수, 예를 들어 위치와 속도 혹은 시간과 에너지에 있어서 하나의 변수를 오류없이 정확하게 알게 되면, 나머지 하나의 변수는 매우 부정확하게 된다는 것이다. 이는 20세기 초 하이젠베르그가 발견했다. 양자암호는 몇가지로 나누어지는데, 그 중에서 가장 일반적인 것이 BB84이다. BB84 양자암호 키분배 방식은, 단일광자의 편광을 키로써 사용하는데, 수직/수평 편광을 하나의 기저(basis)로 이 기저를 45도 회전한 것을 다른 기저로 사용하여 키를 분배한다. 여기서 첫째 불확정성 원리의 차용은 하나의 편광기저를 사용하여 암호화된 빛의 편광을 알아내려 할 때, 만일 그 빛의 편광이 사용된 기저와 같으면 완벽하게 해독하지만 그렇지 않으면 전혀 알아낼 수 없다는 원리이다. In general, quantum cryptography is based on the indeterminate principle of quantum mechanics and the principle of destructive measurement. The principle of uncertainty is that if one of the two conjugate variables, for example position and velocity or time and energy, is accurately known without error, the other variable becomes very inaccurate. It was discovered by Heisenberg in the early 20th century. Quantum cryptography is divided into several, the most common of which is BB84. The BB84 quantum cryptography key distribution method uses single photon polarization as a key, and uses vertical/horizontal polarization as one basis to rotate the base 45 degrees as another basis to distribute the keys. Here, the borrowing of the first uncertainty principle is that when trying to find out the polarization of an encrypted light using a single polarization base, if the polarization of the light is the same as the base used, it is perfectly decipherable, but otherwise it cannot be found at all.

두번째로 파괴측정이란 단일광자 즉 양자상태의 빛을 측정할 때, 모든 측정행위가 원래 양자상태를 변형시킨다는 것이다. 측정이라 함은 기준좌표에 투영하는 과정이므로, 진폭과 위상을 갖는 양자상태는 자연적으로 본래 위상과 진폭이 측정과정에서 변형되게 된다. 따라서 이를 다시는 회복할 수 없다. 다시 회복할 수 없다는 것은 양자역학의 복제불가원리에 기반한다. 즉 어떠한 양자상태도 똑같이 복제할 수 없다. 따라서, 양자화된 빛을 원래 상태의 변화 없이 측정할 수는 없기에 양자암호에 있어서 도청자의 유무를 알 수 있게 된다. 이것이 양자암호에 있어서, 무조건적으로 안전한 암호 키분배가 이론적으로 가능한 근거이다.Secondly, when measuring a single photon, that is, light in a quantum state, destructive measurement means that all measurement actions transform the original quantum state. Since measurement is a process of projecting to a reference coordinate, a quantum state having amplitude and phase naturally changes its original phase and amplitude in the measurement process. Therefore, it cannot be recovered again. The inability to recover again is based on the irreproducible principle of quantum mechanics. That is, no quantum state can be duplicated equally. Therefore, since quantized light cannot be measured without changing the original state, it is possible to know the presence or absence of an eavesdropper in quantum cryptography. This is the theoretically possible basis for unconditionally secure cryptographic key distribution in quantum cryptography.

하지만 양자암호 시스템을 구현함에 있어 실제적으로 양자역학의 원리가 양자암호 키분배에 있어서 순전히 성취되는 것은 아니다. 예를 들어, 측정장치의 불완전성이나 빛이 지나는 매질의 소음도 등이 무조건적으로 안전한 양자암호 체계를 보장하지 않게 된다. 현재 광통신 주파수를 측정하는 광검출기에 있어서 빛-전자 전환비는 일반적으로 30%에 불과하다. 물론 최근 초전도 나노선을 이용한 빛-전자 전환비 93%가 관측되고 80% 이상의 효율을 갖는 장비도 판매되고 있지만, 완전한 전환효율이 허용되지 않는 한 측정오류가 발생할 수 밖에 없다. 이를 함정(loophole)이라고 부르는데, 이 함정이 존재하는 한 양자공격은 가능하고 무조건적 양자암호는 불가능하다.However, in implementing the quantum cryptography system, practically, the principle of quantum mechanics is not purely achieved in the key distribution of quantum cryptography. For example, the incompleteness of the measuring device or the noise level of the medium through which light passes is not guaranteed to be an unconditionally safe quantum cryptography system. Currently, in the photodetector measuring the optical communication frequency, the light-to-electron conversion ratio is generally only 30%. Of course, 93% of light-to-electron conversion ratios using superconducting nanowires have been observed, and equipment with an efficiency of 80% or more has been sold, but measurement errors are inevitable unless complete conversion efficiency is allowed. This is called a loophole. As long as this trap exists, quantum attacks are possible and unconditional quantum cryptography is impossible.

또한, 양자암호에 사용되는 단일광자를 확정적으로 만들어 낼 수 있는 장치는 아직 존재하지 않는다. 따라서 키 분배는 순전히 확률적 방식에 의해 수행된다. 최종적으로 단위거리당 도달하는 암호키 양자 비트율(QBR; QUANTUM BIT RATE)은 매우 낮게 된다. 이를 방지하기 위한 최선의 양자암호 키분배 방식은, 1991년 영국의 EKERT가 발명한 E91인데 이 방식은 단일광자를 사용하는 것은 같으나 광자 사이의 양자얽힘을 이용하여 한 경로에서 측정시도가 다른 경로에 오류로 나타나게 하는 EPR 원리를 양자암호의 무조건적 불완전성에 적용한 것이다. 하지만, 이 방식에 있어서는 얽힘광자쌍(entanglement photon pair)을 반드시 사용해야 한다. 그런데 확정적 얽힘광자쌍 생성은 난제 중 난제이다. 또한, 빛 가르개에 도달하는 두 개의 광자를 확정적으로 측정할 수 없는 것도 한계이다.In addition, there is no device capable of definitively generating a single photon used for quantum cryptography. Therefore, key distribution is performed in a purely stochastic manner. Finally, the quantum bit rate (QBR; QUANTUM BIT RATE) reached per unit distance is very low. The best quantum cryptography key distribution method to prevent this is the E91, which was invented by EKERT of England in 1991, which uses the same single photon, but uses a quantum entanglement between photons to measure the path in different paths. It is the application of the EPR principle, which leads to errors, to the unconditional incompleteness of quantum cryptography. However, an entanglement photon pair must be used in this method. However, definitive entanglement photon pairing is a challenge. It is also a limitation that two photons reaching the light splitter cannot be reliably measured.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은 양자암호 키분배 방식에 있어 측정장치 불완전성 함정이 있음에도 불구하고 양자역학 본연의 무조건적 안전을 보장할 수 있다. The measurement-independent quantum cryptographic key distribution device and method according to an embodiment of the present invention can ensure the unconditional safety of the quantum mechanics in spite of the incomplete trap of the measurement device in the quantum cryptographic key distribution method.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은 기존 양자암호에 있어 측정장치 함정에 기초한 양자공격의 한계를 극복하고 무조건적인 보안을 보장하기 위해 기존의 방법과는 전혀 다른 새로운 양자암호 키분배에 관한 원리로 구현될 수 있다. 또한, 광원은 고전적인 레이저빛을 사용함에도 불구하고, 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은 불확정성 원리에 기초하여, 양자암호 원리를 만족할 수 있다.The measurement independent quantum cryptography key distribution device and method according to an embodiment of the present invention is a new quantum completely different from the existing method to overcome the limitations of the quantum attack based on the trap of the measurement device in the existing quantum cryptography and to ensure unconditional security It can be implemented on the principle of cryptographic key distribution. In addition, despite using a classic laser light, the measurement-independent quantum cryptography key distribution apparatus and method according to an embodiment of the present invention may satisfy the quantum cryptography principle based on the uncertainty principle.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은 구현이 매우 어려운 양자화된 빛이나 양자얽힘된 빛의 사용을 지양하고 고전적 영역에 속하는 레이저 펄스를 암호비트로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은, 불확정성 원리를 충족시키기 위해 마하젠더 간섭계의 중첩원리와 위상차에 의한 확정적 경로선택을 기본 원리로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치 및 방법은, 이중-마하젠더 간섭계를 핵심 장치함으로써, 두 개의 위상기저에 기반한 키분배에서 공격에 의한 신호 변화로 도청여부가 드러나는 양자키분배(QKD; quantum key distribution)를 개시할 수 있다.The measurement independent quantum cryptography key distribution apparatus and method according to an embodiment of the present invention avoids the use of quantized light or quantum entangled light, which is very difficult to implement, and can use laser pulses belonging to the classical region as cryptographic bits. In addition, the measurement independent quantum cryptography key distribution apparatus and method according to an embodiment of the present invention may use definite path selection by a superposition principle and phase difference of a Mach-Zehnder interferometer to satisfy the uncertainty principle. In addition, the measurement-independent quantum cryptography key distribution device and method according to an embodiment of the present invention, by employing a dual-Mach-Zehnder interferometer as a core device, reveals whether or not wiretap is revealed due to an attack signal change in key distribution based on two phase bases A quantum key distribution (QKD) can be initiated.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위상조절 이중-마하젠더 타입의 측정무관 양자암호 키분배 장치를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 측정무관 양자암호 키분배 장치(10)는 송신부(100), 수신부(120), 및 마하젠더 타입의 두 개 전송 경로(109)를 포함할 수 있다.1 is a view showing an exemplary measurement independent quantum cryptography key distribution device of a phase-adjusted dual-Maha-Zehnder type according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the measurement independent quantum cryptography key distribution device 10 may include two transmission paths 109 of a transmitter 100, a receiver 120, and a Mach-Zehnder type.

송신부(100)와 수신부(120)의 각각은 위상 조절기(106, 113)를 포함할 수 있다. 이 위상 조절기(106, 113)는 빛의 위상 설정에 따라 빛의 출구 경로를 결정짓는 역할을 할 수 있다. 한편, 수신자와 송신자의 역할분담은 바뀌어도 무관하다.Each of the transmitter 100 and the receiver 120 may include phase adjusters 106 and 113. The phase adjusters 106 and 113 may serve to determine an exit path of light according to the phase setting of light. On the other hand, the role sharing between the receiver and the sender may be changed.

현재 사용되는 RSA방식의 고전암호와 제안된 모든 양자암호 키분배 방식은 한 개의 경로만을 필요로 한다. 고전암호는 당연히 무조건적 보안이 불가능하므로 논외로 하겠다. 양자암호에 있어서도 원리적으로는 무조건적인 보안을 만족하지만, 현실적으로 광검출기의 불완전성으로 인해 무조건적 보안이 불가능함은 이미 여러 양자공격 실험들에서 증명되었다. 이를 방지하기 위한 유일한 방법은 양자 비트 에러율(QBER)을 낮게 설정하여 상대적 안전성을 확보하는 것뿐이다. 그런데 이는 어디까지나 검출기의 불완전성에 기인하는 것이기 때문에, 더 좋은 공격방법 앞에서는 필연적으로 무력화된다.The current RSA method of classical encryption and all proposed quantum encryption key distribution methods require only one path. Of course, classical passwords cannot be secured because unconditional security is impossible. Although quantum cryptography satisfies unconditional security in principle, it has already been proved in various quantum attack experiments that unconditional security is impossible due to the incompleteness of the photodetector. The only way to prevent this is to set the quantum bit error rate (QBER) low to ensure relative safety. However, since this is only due to the incompleteness of the detector, it is inevitably neutralized in front of a better attack method.

본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배 장치(10)는 두 개의 전송 경로(109)를 사용함으로써, 기존의 모든 현실적 조건하에서도 무조건적 보안을 달성할 수 있다. 이러한 두 개의 전송 경로(109)는 핵심 원리이자 필수장치이다. 이를 위한 물리법칙은 다음과 같다.The measurement independent quantum encryption key distribution device 10 according to an embodiment of the present invention can achieve unconditional security even under all existing realistic conditions by using two transmission paths 109. These two transmission paths 109 are a core principle and an essential device. The physical laws for this are as follows.

잘 알려진 마하젠더 간섭계는, 1801년 Young에 의해 수행되었던 이중 슬릿(double slit) 실험과 동일하다. 이 이중 슬릿 실험에서 간섭무늬는 두 개의 경로차에 의해 발생되고 그 기반은 두 빛의 결맞음성(coherence)이다. 그런데, 이 이중 슬릿 실험은 최근 단일광자나 단일원자 혹은 단일 분자에 의해서도 동일한 간섭무늬가 증명되었는데, 이에 대한 물리학적 해석은 경로의 구분불가능성이다. 즉 하나의 빛 알갱이는 두 개로 나누어 질 수 없으므로 어느 경로를 따라 진행했는지 도무지 알 수가 없다는 것이 양자광학의 핵심이다. 이는 한 개의 빛 알갱이뿐만 아니라 빛 다발에도 동시에 적용된다.The well-known Mach-Zehnder interferometer is identical to the double slit experiment conducted by Young in 1801. In this double slit experiment, the interference fringe is caused by two path differences and the basis is the coherence of the two lights. However, in this double slit experiment, the same interference pattern has been demonstrated by a single photon, a single atom, or a single molecule, and the physical interpretation of this is the inability to distinguish paths. That is, since one light grain cannot be divided into two, it is the essence of quantum optics that it is impossible to know which path it has followed. This applies not only to a single light grain, but also to a light bundle.

도 1에서 두 개의 전송 경로(109) 사이에는 Bob 혹은 Alice에 의해 '0' 과 'π'중 하나의 위상이 위상 조절기 (Ζ나 Ψ)에 인가되면, 이로 인해 두 개의 전송 경로(109)를 지나는 빛은 '0'의 위상차나 'π'의 위상차 중에 반드시 하나를 추가적으로 갖게 된다. 아래에서 상세하게 설명하겠지만, 이 경로차에 의해 마하젠더를 통과한 빛은 두 개의 진행 방향, 즉 도 1에서 E5나 E6, 중 하나를 택하게 되어 수신자는 단지 측정에 의해서 송신자가 어떠한 위상을 설정했는지 알 수 있다.In FIG. 1, when one phase of '0'and'π' is applied to the phase adjuster (Z or Ψ) by Bob or Alice between the two transmission paths 109, this causes the two transmission paths 109 to be The passing light must have one of the phase differences of '0'or'π'. As will be described in detail below, the light passing through the Mach-Zehnder by this path difference selects one of two traveling directions, that is, E 5 or E 6 in FIG. 1, so that the receiver simply determines the phase of the transmitter by measurement. You can see if you have set

이제 공격자가 두 개의 경로 모두를 들키지 않고 측정할 수 있다고 가정하자. 아래에서 설명하겠지만, 물리법칙에 의해 들키지 않고 측정할 수는 없지만 그렇더라도 본 발명에서는 큰 의미는 없다. 도 1에서 두 개의 경로(109)를 지나는 빛(E3와 E4)은 본래 하나의 빛(E1)에서 빛가르개(104)에 의해 갈라졌기에 세기는 동일한 반면, 위상은 90도 차이를 갖는다. 따라서, 출력(E5, E6) 과 입력(E1, 0)에 대한 대한 빛가르개(50/50 비편광, lossless)에 대한 행렬식은 다음과 같다 ([출력]=[BS][입력]):Now suppose an attacker can measure both paths unnoticed. As will be described below, it cannot be measured without being noticed by the laws of physics, but even so, it has no significant meaning in the present invention. In FIG. 1, since the light (E 3 and E 4 ) passing through the two paths 109 are originally split by the light shield 104 in one light (E 1 ), the intensity is the same, but the phase is 90 degrees difference. Have Therefore, the determinant for the light shield (50/50 non-polarization, lossless) for the outputs (E 5 , E 6 ) and the inputs (E 1 , 0) is as follows ([Output]=[BS][Input ]):

Figure 112018083578251-pat00001
Figure 112018083578251-pat00001

하지만, 경로상에서 빛(E3, E4)의 절대적 위상을 측정하는 것은 기준 빛(E1)이 없는 한 불가능할 뿐만 아니라, 위상에 따른 측정 세기에 전혀 영향 없기에, 위 공격자에 의해 두 개의 경로에서 몰래 측정된 빛의 세기는 어느 경우에나 항상 동일하다. 즉 공격자는 송신자나 수신자에 의해 설정된 빛의 위상을 전혀 알 수가 없다. 이 원리가 본 발명에서 측정무관이 함축한 마하젠더의 두 개의 전송 경로(109)에서 측정시 나타나는 물리학적 원리이다.However, measuring the absolute phase of the light (E3, E4) on the path is not only possible without the reference light (E1), but also has no effect on the measurement intensity according to the phase, so the two attackers secretly measured The light intensity is always the same in all cases. That is, the attacker cannot know the phase of light set by the sender or receiver at all. This principle is a physical principle that appears when measuring in two transmission paths 109 of Mach-Zehnner implied by the measurement officer in the present invention.

상술된 바와 같이, 두 개의 위상 0과 는 디지털 암호키 0과 1로 대체할 수 있다. 이를 암호키 분배를 위한 위상 기저로 사용한다. 다시 말하면 경로에서 위상을 측정하지 않고서는 설정된 암호키 0과 1을 구분할 수 없으므로, 비록 측정이 완벽하게 가능한 경우를 상정하더라도, 공격자는 설정된 위상을 구분할 수 없다. 따라서, 무조건적 보안이 보장된다.As described above, the two phases 0 and can be replaced with digital encryption keys 0 and 1. This is used as a phase basis for distribution of cryptographic keys. In other words, it is impossible to distinguish between the set encryption keys 0 and 1 without measuring the phase in the path, so even if the measurement is perfectly possible, the attacker cannot distinguish the set phase. Therefore, unconditional security is guaranteed.

마지막으로 물리법칙에 의해 공격자의 존재를 알 수 있다는 것은, 측정대상의 위상을 변경하지 않고서는 측정 자체가 성립하지 않기에, 어떠한 측정시도도 마하젠더 혹은 이중슬릿 간섭무늬에 영향을 주게 되어, 도 1에서 마하젠더 출력단 두 개 빛(E5, E6)의 측정결과에 영향을 미치게 된다. 따라서 공격자 존재여부를 알 수가 있다. 수학식 1을 활용한 마하젠더 출력단에서의 두 개의 빛은 다음과 같이 마하젠더 행렬식(

Figure 112018083578251-pat00002
)에 의해 구해진다. 위상(
Figure 112018083578251-pat00003
)에 따라 두 개의 출력경로 중 반드시 하나가 선택된다 (
Figure 112018083578251-pat00004
).Lastly, being able to know the presence of an attacker by the laws of physics does not constitute the measurement itself without changing the phase of the measurement object, so any measurement attempt will affect the Mach gender or double slit interference pattern. At 1, the Mach-Zehnder output stage affects the measurement results of the two lights (E5, E6). Therefore, it is possible to know whether an attacker exists. The two lights at the Mach-Zehnder output using Equation 1 are as follows:
Figure 112018083578251-pat00002
). Phase(
Figure 112018083578251-pat00003
), one of the two output paths must be selected (
Figure 112018083578251-pat00004
).

Figure 112018083578251-pat00005
Figure 112018083578251-pat00005

Figure 112018083578251-pat00006
Figure 112018083578251-pat00006

본 발명의 실시 예에 따라 양자역학에 의해 원리적으로 보장되는 양자암호 키분배의 무조건적 보안이 현실적인 한계 즉 검출기의 불완전성으로 인한 즉 측정오류로 인해 공격자가 개입할 수 있다. 따라서 무조건적 보안을 보장할 수 없는 기존의 모든 양자암호 키분배 방법들에 있어서 매우 낮은 양자비트율, 한정된 전송거리, 조건적 보안성 등 그 현실적 한계는, 본 발명의 이중 경로(double paths) 마하젠더 사용으로 완전히 극복할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배는 동일한 오류 조건하에서도 무조건적 보안을 달성하는 혁신적 원리와 방법, 및 장치 구성을 제공할 수 있다. 이는 심지어는 무조건적 보안이 원리적으로 불가능한 고전적 암호에 있어서도(예를 들어 공개키 방식에 있어서도) 한계가 되는 즉 소인수 분해를 어렵게 하기 위해 수백 개의 암호비트를 사용해야만 하는 컴퓨터 자원의 낭비와 처리의 어려움을, 단순한 양자광학 법칙과 장치로 극복하게 한다. 소인수 분해에 기초한 현대 암호방식은 양자컴퓨터에 속수무책이나 본 발명은 무관하다. 또한 결맞는 빛을 암호키로 사용함에 따라 기존 광통신선로는 물론 인공위성, 무선통신 등 모든 고전 경로에 적용 가능하기에 고전적 암호는 물론 종래 양자암호 전체를 대체하는 보안에 있어 혁명적 대전환을 초래한다.According to an embodiment of the present invention, an unconditional security of quantum cryptographic key distribution guaranteed in principle by quantum mechanics may allow an attacker to intervene due to realistic limitations, i.e., measurement errors due to incompleteness of the detector. Therefore, in all existing quantum cryptographic key distribution methods that cannot guarantee unconditional security, its practical limitations such as very low quantum bit rate, limited transmission distance, and conditional security, use the double paths Mach-Zehnder of the present invention. Can completely overcome. In addition, the measurement independent quantum cryptographic key distribution according to an embodiment of the present invention can provide an innovative principle, method, and apparatus configuration to achieve unconditional security under the same error condition. This is a limitation even for classical cryptography, where unconditional security is impossible in principle (for example, in the public key method), i.e., waste of computer resources that require hundreds of cryptographic bits to be difficult to decompose and difficult to process. To overcome with simple quantum optical laws and devices. Modern cryptography based on prime factor decomposition is helpless in quantum computers, but the present invention is irrelevant. In addition, since the coherent light is used as an encryption key, it can be applied to all classic paths such as satellites and wireless communication as well as existing optical communication lines, thus causing a revolutionary revolution in security that replaces not only classical cryptography but also conventional quantum cryptography.

도 2는 광통신 네트워크에 적용하기 위한 도 1에 도시된 송신부(100)와 수신부(Alice; 120)의 상세 구성도이다. 송신부(Bob; 100)는 광원(101), 펄스화 장치(102), 빛가르개(104), 광검출기(103, 105, 108), 및 광위상 변조기(106)를 포함할 수 있다.2 is a detailed configuration diagram of a transmitting unit 100 and a receiving unit Alice 120 shown in FIG. 1 for application to an optical communication network. The transmitter (Bob) 100 may include a light source 101, a pulse device 102, a light shield 104, a photodetector 103, 105, 108, and a light phase modulator 106.

도 3은 도 1의 일반적 마하젠더 간섭계와 그 계산 결과이다. 도 3a은 마하젠더 간섭계의 간섭(Interference)과 가시성(visibility)에 대한 계산결과를 예시적으로 보여주는 도면이다. 수신부에 도착한 두 개의 빛은 위상 설정에 따라 경로가 이미 설정된다.

Figure 112018083578251-pat00007
면 E6로
Figure 112018083578251-pat00008
면 E5로 진행하게 된다. 따라서 수신부는 두 경로(A1, A2)에서 빛의 세기를 측정하는 것만으로도 송신부의 위상 설정 상태를 알 수 있다.3 is a general Mach-Zehnder interferometer of FIG. 1 and its calculation results. 3A is a diagram exemplarily showing calculation results of interference and visibility of a Mach-Zehnder interferometer. The two lights arriving at the receiver are already routed according to the phase setting.
Figure 112018083578251-pat00007
With cotton E6
Figure 112018083578251-pat00008
If you go to E5. Therefore, the receiving unit can know the phase setting state of the transmitting unit only by measuring the light intensity in the two paths A1 and A2.

Figure 112018083578251-pat00009
Figure 112018083578251-pat00009

Ei는 빛 i의 진폭(amplitude)을 나타내며 진폭의 절대값의 제곱이 검출기에 의한 측정값이다. 예 I0=|E1|2. Ei represents the amplitude of light i, and the square of the absolute value of the amplitude is the measurement by the detector. Example I0=|E1|2.

도 3b는 출력단, 즉 도 1에서 수신부 광검출기에서 측정되는 가시성(visibility)에 대한 것이다. 위상 변조기 의 위상 변조값

Figure 112018083578251-pat00010
가 0과 에서 가시성(V5,6)은 각각 1과 -1의 최대/최소값을 각각 나타내어 최대 구분성을 보여준다. 여기서 가시성에 대한 정의는 E6의 측정값에서 E5의 측정값을 뺀 값을 그 두 합으로 나눈 값이다.
Figure 112018083578251-pat00011
. 다시 말하면, 위상이
Figure 112018083578251-pat00012
이면 E6만 살아남고,
Figure 112018083578251-pat00013
면 E5만 살아남게 된다. 마하젠더 간섭계의 첫 번째 핵심원리를 보여준다(수학식 2 참조). 한편, 간섭에 있어서는 구분성이 없다(파선 참조). 측정은 수신부 광검출기 A1과 A2에 의해 수행될 수 있다.FIG. 3B is for visibility measured by an output terminal, that is, a receiver photodetector in FIG. 1. Phase modulator value of phase modulator
Figure 112018083578251-pat00010
The visibility (V5,6) in A and 0 shows the maximum/minimum value of 1 and -1, respectively, to show the maximum distinction. Here, the definition of visibility is the value obtained by subtracting the measured value of E5 from the measured value of E6 divided by the sum of the two.
Figure 112018083578251-pat00011
. In other words, the phase
Figure 112018083578251-pat00012
If only E6 survives,
Figure 112018083578251-pat00013
If only E5 will survive. Shows the first key principle of the Mach-Zehnder interferometer (see Equation 2). On the other hand, there is no distinction in interference (see broken lines). Measurement can be performed by the receiver photodetectors A1 and A2.

도 3c는 마하젠더 간섭계의 두번째 핵심원리를 보여주는 계산 결과이다. 위상에 따른 간섭과 가시성 모두에서 같은 값을 보여줌으로써, 측정 구분 불능이 나타난다. 이는 1801년 실시된 역사적인 Young의 이중슬릿 실험과 동일한 것으로써, 두 개의 경로 차가 간섭무늬를 발생시키는데, 이 때 두 개의 경로를 따라 움직이는 빛은 서로 구분될 수 없다는 것이 핵심원리이다. 이는 이미 단일광자를 이용하여 실험적으로 증명되었다. 또한, 마하젠더(혹은 Young의 이중슬릿)의 어느 쪽 경로 측정만으로도 간섭무늬가 사라지게 되는데, 이 원리가 본 발명의 무조건적 보안을 특징짓는 핵심원리이다.3C is a calculation result showing the second key principle of the Mach-Zehnder interferometer. By showing the same value in both phase-dependent interference and visibility, the inability to discriminate the measurement appears. This is the same as the historic Young's double slit experiment conducted in 1801, and the difference between the two paths creates an interference pattern. The key principle is that the light moving along the two paths cannot be distinguished from each other. This has already been demonstrated experimentally using single photons. In addition, the interference pattern disappears only by measuring either path of Mach-Zehnder (or Young's double slit), which is a key principle that characterizes the unconditional security of the present invention.

도 4는 도 1에 도시된 이중-마하젠더 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 송신부(Bob; 110)는 위상 조절기(106)을 포함하고, 수신부(Alice; 120)는 위상 조절기(108)를 포함할 수 있다.FIG. 4 is a diagram exemplarily showing the dual-Mach-Zehnder configuration shown in FIG. 1. Referring to FIG. 4, the transmitter (Bob) 110 may include a phase adjuster 106, and the receiver (Alice; 120) may include a phase adjuster 108.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배의 구체화시킨 도면이다. 도 5를 참조하면, B1~B4는 송신부의 광검출기이고, A1~A4는 수신부의 광검출기이다. 수신부(Alice)의 M은 거울로써 송신부(Bob)에 의해 전송된 키가 자동으로 반사되어 이중-마하젠더 간섭계를 구성하기 위한 것이다. 이중-마하젠더 구성을 만족하기 위해 수신부에서 반사된 빛에 대한 위상 조절기 Ψ가 공통 마하젠더 경로에 있는데, Alice에서 Bob로 송신되는 빛에 대해서는 Ψ가, 반대로 Bob에 의해 반사되는 빛에 대해서는 Ζ가 적용되지 않도록 조절될 수 있다. 여기서 수신부의 거울 M은 위상공액 거울로 대체될 수 있디. 일반적인 환경에서는 두 개의 경로를 따라 진행하는 빛은 진동이나 공기흐름 혹은 온도 등의 주위환경에 따라 서로 다른 위상이 추가될 수 있는데, 위상공액 거울은 반대로 진행하는 빛에 있어 위상차를 상쇄하도록 작용한다.FIG. 5 is a diagram embodying key distribution of measurement independent quantum cryptography according to an embodiment of the present invention. 5, B 1 ~ B 4 is a photodetector of the transmitter, A 1 ~ A 4 is a photodetector of the receiver. The M of the receiving unit Alice is a mirror, and the key transmitted by the transmitting unit Bob is automatically reflected to construct a dual Mach-Zehnder interferometer. In order to satisfy the dual-Mahzen gender configuration, the phase adjuster Ψ for the light reflected from the receiver is in the common Mach-Zehnder path, Ψ for the light transmitted from Alice to Bob, and Ζ for the light reflected by Bob. It can be adjusted to not apply. Here, the mirror M of the receiver may be replaced with a phase conjugate mirror. In a general environment, light traveling along two paths may have different phases added depending on the surrounding environment such as vibration, air flow, or temperature, and the phase conjugate mirror acts to compensate for the phase difference in light traveling in reverse.

도 3에서 설명했듯이, Bob은 임의로 0과 p중 하나의

Figure 112018083578251-pat00014
를 선택하여 위상 조절기(106)에 인가하면, 마하젠더 간섭계로 들어온 레이저빛 펄스는 위상 조절되어 Alice로 전송될 수 있다. 도 3에서 설명했듯이, 이 위상 설정된 빛은 둘 중 하나의 방향으로만 출력되는데, 어느 쪽 경로든 수신된 빛은 각 경로의 끝에 있는 거울에 반사해 다시 Bob으로 향한다. 이제 Alice는 Bob이 했던 것처럼 반사된 빛에 무작위적으로 0과 π중 하나의 위상
Figure 112018083578251-pat00015
를 선택하여 위상 조절기(108)를 통해 인가할 수 있다. 이렇게 두 개의 조합으로 Alice와 Bob에 의해 위상 설정된 빛은 위상이 동일하면, B3(103)로 서로 반대면 B4(107)에 의해 검출될 수 있다. 이에 대한 이중-마하젠더 행렬식은 다음과 같다.
Figure 112018083578251-pat00016
.As described in FIG. 3, Bob is one of 0 and p arbitrarily
Figure 112018083578251-pat00014
If selected and applied to the phase adjuster 106, the laser light pulse entering the Mach-Zehnder interferometer can be phase-adjusted and transmitted to Alice. As illustrated in FIG. 3, this phased light is output only in one of the two directions, and the received light in either path reflects in the mirror at the end of each path and goes back to Bob. Now Alice phases one of 0 and π randomly on the reflected light as Bob did.
Figure 112018083578251-pat00015
It can be selected and applied through the phase adjuster 108. The light set in phase by Alice and Bob in the two combinations can be detected by B 3 (103) and B 4 (107) if they are opposite phases. The dual-Maha-Zehnder determinant is as follows.
Figure 112018083578251-pat00016
.

Figure 112018083578251-pat00017
Figure 112018083578251-pat00017

수학식 4로부터 각 위상기저 조합에 대한 결과는 아래와 같다. 이에 대한 결과값은 동일행렬(B3)이나 역행렬(B4)로써, 도 6에서 설명될 구분 명료한 가시성에 대한 이론틀을 제공한다.From Equation 4, the results for each phase base combination are as follows. The result of this is the same matrix (B 3 ) or inverse matrix (B 4 ), which provides a theoretical framework for distinct and clear visibility to be described in FIG. 6.

Figure 112018083578251-pat00018
Figure 112018083578251-pat00018

Figure 112018083578251-pat00019
Figure 112018083578251-pat00019

Figure 112018083578251-pat00020
Figure 112018083578251-pat00020

Figure 112018083578251-pat00021
Figure 112018083578251-pat00021

따라서, 위상기저 조합에 따른 가시성을 기반으로 한 측정무관 양자암호 암호키분배는 아래 표로 정리된다.

Figure 112018083578251-pat00022
. 숫자는 Ei에서 i. 여기서 동일행렬은
Figure 112018083578251-pat00023
이고 역행렬은
Figure 112018083578251-pat00024
이다.Accordingly, the distribution of measurement-independent quantum cryptographic cryptographic keys based on visibility according to the phase-base combination is summarized in the table below.
Figure 112018083578251-pat00022
. The numbers are from E i to i. Where the same matrix is
Figure 112018083578251-pat00023
And the inverse matrix is
Figure 112018083578251-pat00024
to be.

Figure 112018083578251-pat00025
Figure 112018083578251-pat00025

결과적으로 Alice와 Bob은 서로 어떠한 위상 설정을 했는지 단순히 자신들의 측정결과로만 알 수 있다. 서로 같은 위상에 대해서만 (

Figure 112018083578251-pat00026
양자키로 설정될 수 있다. 그러므로, 도청자가 없다면 추가적인 경로 차가 발생하지 않기에 Bob과 Alice는 별다른 조치 없이 측정만으로 양자키를 분배할 수 있다. 한편, 기존 양자암호 키분배 방법들에서는 반드시 일반 경로(예를 들어 전화나 인터넷)를 통해 서로 어떠한 기저빛(키를 이루는 편광이나 위상)을 사용했는지 주고 받아야만 하는데, 이를 시프팅(sifting; 혹은 handshake)이라 부른다.As a result, Alice and Bob can only know what phase setting they have made with their own measurement results. Only for the same phase with each other (
Figure 112018083578251-pat00026
Can be set with a quantum key. Therefore, without an eavesdropper, there is no additional path difference, so Bob and Alice can distribute the quantum key by measurement only without any action. On the other hand, in the existing quantum cryptography key distribution methods, it is necessary to send and receive what kind of base light (polarization or phase that forms a key) to each other through a general path (for example, a telephone or the Internet). ).

만일 경로상에 도청자가 존재하게 되면, 양자역학 원리에 따라 Alice와 Bob 모두에게 측정오류가 발생하고 이로 인해 측정값이 달라지게 된다. 이에 따라 도청자의 존재유무를 알 수 있게 된다. 비록 도청자는 측정에 의해 키(위상)에 대한 정보를 알 수 있는 방법이 없으므로 무의미하지만, 아직까지 알려지지 않은 혹시 모를 경우를 대비하여, 오류로 인한 비트는 키에서 제외한다.If an eavesdropper exists on the path, a measurement error occurs in both Alice and Bob according to the principle of quantum mechanics, and the measurement value is different. Accordingly, it is possible to know whether the wiretap exists. Although the eavesdropper has no way of knowing information about the key (phase) by measurement, it is meaningless, but in case of unknown information, bits due to errors are excluded from the key.

도 6은 도 5의 계산결과로써 무조건적 보안성과 측정에 의한 전자동 암호키생성을 나타낸다. 먼저 도 6a와 6b는 도 5의 마하젠더 경로(109)에서 측정한 간섭과 가시성에 대한 계산 결과이다. 도 3c에서 이미 언급했듯, 간섭과 가시성 모두에서 위상 기저의 구분 불가성을 보여준다.FIG. 6 shows the automatic encryption key generation by unconditional security and measurement as the calculation result of FIG. 5. First, FIGS. 6A and 6B are calculation results of interference and visibility measured in the Mach-Zehnder path 109 of FIG. 5. As already mentioned in Fig. 3c, it shows the inability to distinguish the phase basis in both interference and visibility.

도 6a는 송신부인 Bob의 위상 조절기(Ζ)와 수신부인 Alice의 위상 조절기(Ψ)에서 변조 가능한 모든 위상 값의 조합에 대한 간섭(I7,8) 결과값인데, 위상기저 (0,π)의 조합 4개의 모든 경우에 대해서 같은 값을 보여준다(점으로 표기됨, 도 6b 참조). 가시성 V7,8에 대해서는 완전히 구분 불가하다(도 6b 참조). 이는 마하젠더 간섭경로에서 측정에 의한 기저 값을 구분할 수 없음을 보여주기에, 검출기 측정오류에 의한 기존 양자암호에서 불가능한 무조건적 보안성이 만족된다. 물론 마하젠더 간섭계는 고전적 광학에서 성립하는 물리이론이므로 광원이 입자성을 갖는 단일광자든 파동성을 갖는 레이저빛이든 모두 적용된다.Figure 6a is the result of the interference (I 7,8 ) for the combination of all phase values that can be modulated in the phase controller (Z) of the transmitter Bob and the phase controller (Ψ) of Alice, the phase basis (0,π) The combination of shows the same values for all four cases (indicated by dots, see Figure 6b). It is completely indistinguishable for visibility V 7,8 (see FIG. 6B ). This shows that it is not possible to distinguish the base value by measurement in the Mach-Zehnder interference path, which satisfies the unconditional security that is impossible in existing quantum codes due to detector measurement error. Of course, the Mach-Zehnder interferometer is a physical theory established in classical optics, so whether the light source is a single photon having a particle or a laser light having a wave nature is applied.

도 6c와 6d는 수신부의 Alice에 의해 변조된 광신호가 다시 송신부인 Bob에게 도달한 후 광검출기 B3(103)와 B4(107) 측정값에 대한 간섭과 가시성을 보여준다. 도 6a와는 달리 광기저

Figure 112018083578251-pat00027
값에 대한
Figure 112018083578251-pat00028
값은 0과 π 모든 조합에 있어
Figure 112018083578251-pat00029
이면 VB=-1을
Figure 112018083578251-pat00030
면 VB=+1을 나타내어 구분이 명료하고, 따라서, 측정만으로도 Alice는 Bob이 어떤 위상기저를 사용했는지, 그의 최초 설정된
Figure 112018083578251-pat00031
위상에 의거 자동적으로 알 수 있다(도 8 참조).6C and 6D show interference and visibility of the measurement values of the photodetectors B 3 (103) and B 4 (107) after the optical signal modulated by Alice of the receiver reaches the transmitter Bob again. Unlike Figure 6a, the base
Figure 112018083578251-pat00027
For value
Figure 112018083578251-pat00028
The value is in any combination of 0 and π
Figure 112018083578251-pat00029
V B =-1
Figure 112018083578251-pat00030
The face V B =+1, so the distinction is clear, so even with the measurement alone, Alice used Bob's initial phase set
Figure 112018083578251-pat00031
It can be determined automatically based on the phase (see Fig. 8).

만일 공격자가 측정을 시도하게 되면, 어떤 경우에든 측정값에 영향을 미치게 된다. 도 6a와 도 6c의 모든 경우의 점은 역설적으로 경로상에 공격자가 있는지 없는지 구분하는 척도가 된다. 그리고 그것의 구분 명료성은 오로지 측정기의 감도에 의존한다. 현재 측정기의 감도는 10-12 W의 측정 한계와 107 V/W 광전 변환효율이 가능할 정도로 충분하기 때문에, 매우 미약한 측정변위차도 충분히 감지될 수 있다. 부연하자면, 도 3이나 도 6의 가시성 측정 계산값에 있어 사용된 기저빛(E1)의 품질(세기, 위상, 선폭 등에 있어 시간적 불안정성)은 전혀 문제가 되지 않는다. 그 이유는 마하젠더 간섭계의 특성인데, 첫째 경로(109)상에서 두 개의 빛(E3, E4)은 레이저 품질에 상관없이 완벽한 결맞음성을 유지하며, 출력단에서 가시성은 상대적 세기 차에만 의존한다. 물론, 이 가정은 마하젠더 두 개의 경로가 모두 독립적으로 환경의 영향을 받지 않는다는 조건이다. 이는 2017년 노벨 물리학상인 LIGO 중력장 검출에서 성공적으로 증명되었다. 무엇보다도 도 2를 구현하기 위한 미래 다중 코어 광섬유에서는 더욱 완벽하게 보장될 수 있다. 참고로 현재 광섬유는 싱글 코어(single core)인데 수년 내 포화상태에 도달하게 되어 다중 코어 광섬유로 전환이 불가피하다. 마지막으로 도 6a와 6c의 위상기저 조합은 송신부나 수신부의 측정오류에 대한 것이 아니라, 경로에 침범한 공격자의 측정시도로 나타나는 측정변위이다.If an attacker attempts to measure, in any case it affects the measure. The point in all cases of FIGS. 6A and 6C is, paradoxically, a measure of whether or not there is an attacker on the path. And its distinct clarity only depends on the sensitivity of the meter. Since the sensitivity of the current measuring instrument is sufficient to enable a measurement limit of 10 -12 W and a 10 7 V/W photoelectric conversion efficiency, even a very small measurement displacement difference can be sufficiently detected. Incidentally, the quality of the base light E 1 (temporal instability in intensity, phase, line width, etc.) used in the calculations of visibility measurement in FIGS. 3 and 6 is not a problem at all. The reason is the characteristics of the Mach-Zehnder interferometer. On the first path 109, the two lights E 3 and E 4 maintain perfect coherence regardless of laser quality, and the visibility at the output stage depends only on the relative intensity difference. Of course, this assumption is a condition that both Mach-Zehnder pathways are independent of the environment. This was successfully demonstrated in the 2017 Nobel Prize in Physics, LIGO gravitational field detection. Above all, it can be more fully guaranteed in the future multi-core fiber for implementing FIG. 2. For reference, the current optical fiber is a single core, but it is inevitable to switch to a multi-core optical fiber since it reaches saturation within several years. Lastly, the combination of the phase bases of Figs. 6A and 6C is not a measurement error of the transmitter or the receiver, but a measurement displacement that appears as an attempt to measure an attacker who has entered the path.

도 7은 도 1의 일반적 1대 1 암호키 분배도를 N대 N으로 확장한 구성도이다. 1대 1에 한정된 모든 양자암호 키분배 방법들과는 달리 본 발명은 레이저와 같은 결맞는 광원을 위상기저로 활용하기에 현재 광통신 네트워크에서 사용되는 파장변환기(MUX/DeMUX)나 광스위치, 광증폭기 등에 제한을 받지 않는다. 그 이유는, 광네트워크 상의 여러 가지 광학부품으로 인해 절대적 위상은 당연히 변하지만, 두 개의 경로를 통과하는 빛에 대한 상대적 위상은 일정하다는 점 때문이다. 특히 광증폭기의 사용은 양자역학의 복제불가 원리에 따라 기존 양자암호 키분배 방법에서는 엄격하게 금지되어 있다. 현재 양자 반복기(quantum repeater)가 없어 기존 양자암호 키분배는 100km 이상의 장거리 전송에 취약하다.FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration in which the general one-to-one encryption key distribution diagram of FIG. 1 is expanded from N to N. Unlike all quantum cryptography key distribution methods limited to one-to-one, the present invention is limited to wavelength converters (MUX/DeMUX), optical switches, optical amplifiers, etc. currently used in optical communication networks to utilize coherent light sources such as lasers as phase bases. Do not receive The reason is that the absolute phase changes naturally due to various optical components on the optical network, but the relative phase of the light passing through the two paths is constant. In particular, the use of optical amplifiers is strictly prohibited in the existing quantum cryptography key distribution method according to the principle of non-reproduction of quantum mechanics. Currently, there is no quantum repeater, so existing quantum cryptographic key distribution is vulnerable to long distance transmission over 100km.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 측정무관 양자암호 키분배를 위한 키분배 알고리즘을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 8를 참조하면, 측정무관 양자암호 키분배 방법을 다음과 같이 진행될 수 있다.8 is a flowchart exemplarily showing a key distribution algorithm for measurement-related quantum cryptography key distribution according to an embodiment of the present invention. 1 to 8, a measurement independent quantum cryptography key distribution method may be performed as follows.

Bob은 임의의 위상 기저(φ {0, ð})를 선택하고, 선택된 위상 기저에 따른 위상 조절된 빛펄스를 Alice에게 전송할 수 있다(S110). Bob는 선택된 위상 기저를 키로 변환하고, 변환된 키를 {x}에 저장할 수 있다(S120). 예를 들어, x {0, 1}, x = 0, if φ =0; x = 1, if φ = ð.Bob may select an arbitrary phase basis (φ {0, ð}) and transmit a phase-adjusted light pulse according to the selected phase basis to Alice (S110). Bob may convert the selected phase basis into a key and store the converted key in {x} (S120). For example, x {0, 1}, x = 0, if φ = 0; x = 1, if φ = ð.

Alice는 광검출기(A1, A2)로부터 출력된 가시성(VA)를 {y}에 저장할 수 있다(S130). 예를 들어, y = 0 if VA = 1; y = 1, if VA = - 1; y = VA if VA ≠ ±1; {y} = {x}, except for VA ≠ ±1.Alice may store the visibility VA output from the photodetectors A1 and A2 in {y} (S130). For example, y = 0 if VA = 1; y = 1, if VA =-1; y = VA if VA ≠ ±1; {y} = {x}, except for VA ≠ ±1.

Alice는 임의의 위상 기저(φ {0, ð})를 선택하고, 선택된 위상 기저에 따라 반사된 빛에 위상 조절되고, 자동적으로 Bob에게 전송할 수 있다(S140).Alice selects an arbitrary phase basis (φ {0, ð}), is phase adjusted to the reflected light according to the selected phase basis, and can be automatically transmitted to Bob (S140).

Alice는 선택된 위상 기저를 키로 변환하고, 변환된 키를 {z}에 저장할 수 있다(S150). 예를 들어, z {0, 1}, z = 0, if φ =0; z = 1, if φ = ð.Alice may convert the selected phase base into a key and store the converted key in {z} (S150). For example, z {0, 1}, z = 0, if φ = 0; z = 1, if φ = ð.

Alice는 Bob와 동일한 것을 키로 활용하기 위하여 쉬프팅(shifting)을 수행하고, 그 결과를 {a}에 저장할 수 있다(S160). 예를 들어, a = y 0 if y-z = 0; a = D of y - z ≠0. Alice may perform shifting to use the same thing as Bob as a key and store the result in {a} (S160). For example, a = y 0 if y-z = 0; a = D of y-z ≠0.

Bob은 광검출기(B3, B4)로부터 검출된 가시성 VB에 근거로 하여 선택된 키를 {w}에 저장할 수 있다(S170). 예를 들어, w = x if VB = -1; w = D if VB = 1; w = VB if VB ≠ ±1. 이때, {w}는 사실상 {a}와 같다.Bob may store the selected key in {w} based on the visibility VB detected from the photodetectors B3 and B4 (S170). For example, w = x if VB = -1; w = D if VB = 1; w = VB if VB ≠ ±1. At this time, {w} is effectively equal to {a}.

Bob은 오류키를 제거하기 위하여 쉬프팅을 수행하고, 그 결과를 {b}에 저장할 수 있다(S180). 예를 들어, b = w 0 if w - x = 0; b = D of w - y ≠0; {w} = {a}, except for VB ≠ ±1.Bob may perform shifting to remove the error key and store the result in {b} (S180). For example, b = w 0 if w-x = 0; b = D of w-y ≠ 0; {w} = {a}, except for VB ≠ ±1.

상술된 S110 내지 S180이 N번 반복될 수 있다. 이후, Alice와 Bob은 그들의 오류키(가시성이 ±1이 아닌 것)을 공개하고, 상대편 오류기를 그들의 목록 {a} 및 {b}에서 제거할 수 있다. 이로써 최종 암호키는 Alice와 Bob 사이에 공유될 수 있다(S190).S110 to S180 described above may be repeated N times. Thereafter, Alice and Bob disclose their error key (visibility is not ±1), and can remove the opposite error machine from their lists {a} and {b}. Thus, the final encryption key can be shared between Alice and Bob (S190).

본 발명의 실시 예에 따른 위상 기저는 Alice과 Bob 모두에게 동일하다. 그 위상 기저 값은 0과 π이다. 즉 키분배는 이 두 값의 조합 4개 중 두 개에 대해서만 성립하므로(도 6 참조) 양자비트율(QBR: quantum bit rate)은 50%이다. 한편 공격자에 있어서는 각각의 경로에서 추측확률은 50%로, 이중 경로에 대한 추측확률은 25%가 되어, 대표적 양자암호 프로토콜인 BB84와 동일하다. 하지만, 공격자는 어떠한 방법으로 측정에 의해 설정된 위상 기저 값을 알아낼 수 없을 뿐더러, 측정행위 자체가 광검출기에 의해 가시성 변화로 이어지기에, 본 발명의 키분배 방법은 기존 양자암호 키분배 방법에서 가장 취약한 광검출기 불완전성에 의한 함정을 완전히 극복하고, 양자화된 빛에만 한정되었던 양자암호 키분배를 일반 레이저로 확장될 수 있다. 따라서, 본 발명의 양자암호 키분배 방법은 기존 광통신네트워크에 그대로 적용될 수 있기에, 보안에 있어 취약한 고전적 암호체계를 단숨에 교체하는 획기적 전환점을 가져올 수 있다. 마지막으로 아래 표는 도 8을 위한 알고리즘의 예를 설명한다.The phase basis according to an embodiment of the present invention is the same for both Alice and Bob. The phase basis values are 0 and π. That is, since the key distribution is established for only two of the four combinations of these two values (see FIG. 6), the quantum bit rate (QBR) is 50%. On the other hand, for an attacker, the probability of guessing in each path is 50%, and the probability of guessing for the dual path is 25%, which is the same as that of BB84, a representative quantum cryptographic protocol. However, the attacker cannot determine the phase base value set by the measurement in any way, and since the measurement action itself leads to a change in visibility by the photodetector, the key distribution method of the present invention is the best in the existing quantum cryptographic key distribution method. The pitfalls of vulnerable photodetector imperfections can be completely overcome, and the quantum cryptographic key distribution, which was limited to quantized light, can be extended with a general laser. Therefore, since the quantum cryptographic key distribution method of the present invention can be applied to an existing optical communication network as it is, it can bring a revolutionary turning point to replace the classic cryptosystem, which is weak in security, at once. Finally, the table below describes an example of the algorithm for FIG. 8.

PartyParty Order
Sequence
Order
Sequence
1One 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 setset
AliceAlice 33 VAVA 1One -1-One -1-One 1One -1-One 1One 1One -0.5-0.5 ** 1One -1-One Copy x: y Copy x: y 00 1One 1One 00 1One 00 00 -0.5-0.5 00 1One

Figure 112018083578251-pat00032
Figure 112018083578251-pat00032
44
Figure 112018083578251-pat00033
Figure 112018083578251-pat00033
00 00 ππ ππ ππ 00 ππ ππ ππ 00
55
Figure 112018083578251-pat00034
Figure 112018083578251-pat00034
00 00 1One 1One 1One 00 1One 1One 1One 00
Figure 112018083578251-pat00035
Figure 112018083578251-pat00035
66 Sifting y: aSifting y: a 00 DD 1One DD 1One 00 DD DD DD DD
Figure 112018083578251-pat00036
Figure 112018083578251-pat00036
99 Final keyFinal key 00 DD 1One DD 1One DD **** DD DD DD DD
Figure 112018083578251-pat00037
Figure 112018083578251-pat00037
BobBob 1One
Figure 112018083578251-pat00038
Figure 112018083578251-pat00038
00 ππ ππ 00 ππ 00 00 ππ 00 ππ
22 Prepared key:
Figure 112018083578251-pat00039
Prepared key:
Figure 112018083578251-pat00039
00 1One 1One 00 1One 00 00 1One 00 1One
Figure 112018083578251-pat00040
Figure 112018083578251-pat00040
77 VBVB -1-One 1One -1-One 1One -1-One -0.8-0.8 ** 1One -1-One 1One 1One Copy A: wCopy A: w 00 DD 1One DD 1One -0.8-0.8 DD 1One DD DD
Figure 112018083578251-pat00041
Figure 112018083578251-pat00041
88 Sifting w: bSifting w: b 00 DD 1One DD 1One DD DD 1One DD DD
Figure 112018083578251-pat00042
Figure 112018083578251-pat00042
99 Final keyFinal key 00 DD 1One DD 1One DD DD DD **** DD DD
Figure 112018083578251-pat00043
Figure 112018083578251-pat00043

*The red numbers may be caused by network errors or eavesdropping. * The red numbers may be caused by network errors or eavesdropping.

**Only error bits are announced publically to discard the corresponding bit from the final key set

Figure 112018083578251-pat00044
. Here D represents an error bit. D can be set to any different number, e.g., D=9 for a computing algorithm. ** Only error bits are announced publically to discard the corresponding bit from the final key set
Figure 112018083578251-pat00044
. Here D represents an error bit. D can be set to any different number, eg, D=9 for a computing algorithm.

위 표는 도 8에서 반복 n=10인 경우이고, 굵은색 숫자는 도청자로 인한 측정 오류(도 6c)이고, 굵은색 D는 알고리즘 마지막 단계에서 오류가 추출되어 제거됨을 나타낸다. 최종 Alice와 Bob사이에 분배된 양자키 길이는 10개중 3개로 동일하다. 도청자가 개입하지 않을 시 최대길이는 N의 50%이다(

Figure 112018083578251-pat00045
참조).The above table is a case where n=10 is repeated in FIG. 8, a bold number is a measurement error due to an eavesdropper (FIG. 6C), and a bold D indicates that an error is extracted and removed in the last step of the algorithm. The length of the quantum key distributed between the final Alice and Bob is equal to 3 out of 10. If the eavesdropper is not involved, the maximum length is 50% of N (
Figure 112018083578251-pat00045
Reference).

본 발명의 실시 예에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.Steps and/or operations according to an embodiment of the present invention may be understood by one of ordinary skill in the art, in other order, or in parallel, or other embodiments for other epochs, etc. Can happen at the same time.

실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.Depending on the embodiment, some or all of the steps and/or actions drive instructions, programs, interactive data structures, clients and/or servers stored in one or more non-transitory computer-readable media. At least some may be implemented or performed using one or more processors. The one or more non-transitory computer-readable media may illustratively be software, firmware, hardware, and/or any combination thereof. Also, the functionality of the "module" discussed herein may be implemented in software, firmware, hardware, and/or any combination thereof.

본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다. One or more non-transitory computer-readable media and/or means for implementing/performing one or more operations/steps/modules of embodiments of the present invention include application-specific integrated circuits (ASICs), standard integrated circuits, Controllers that perform appropriate instructions, including microcontrollers, and/or embedded controllers, field-programmable gate arrays (FPGAs), complex programmable logic devices (CPLDs), and the like. Does not.

한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.Meanwhile, the above-described contents of the present invention are only specific embodiments for carrying out the invention. The present invention will include technical ideas that are abstract and conceptual ideas that can be utilized as future technologies, as well as the concrete and practical means available.

100: 송신부(Bob)
120: 수신부(Alice)
101: 광원(cw)
102: 광변조기
103: 광검출기(B3)
104: 빛가르개(비편광 50/50)
105: 광검출기(B1)
106: 위상 변조기(Ζ)
107: 광검출기(B4)
108: 위상 변조기(Ψ)
109: 마하젠더 경로(광섬유, 자유공간 등)
110: 광검출기(A4)
111: 광검출기(A2)
112: 광검출기(A1)
113: 광검출기(A3)
M: Mirror
BS: 빛가르개(비편광 50/50)
I0: Intensity of E1
100: transmitting unit (Bob)
120: receiving unit (Alice)
101: light source (cw)
102: optical modulator
103: photodetector (B 3 )
104: Light shield (non-polarized 50/50)
105: photodetector (B 1 )
106: phase modulator (Ζ)
107: photodetector (B 4 )
108: phase modulator (Ψ)
109: Mach gender path (optical fiber, free space, etc.)
110: photodetector (A 4 )
111: photodetector (A 2 )
112: photodetector (A 1 )
113: photodetector (A 3 )
M: Mirror
BS: Light shield (non-polarized 50/50)
I 0 : Intensity of E 1

Claims (18)

측정무관 양자암호 장치의 키분배 방법에 있어서:
암호키를 발생하는 단계; 및
두 개의 서로 다른 위상차를 송신부 및 수신부의 각각의 기저로 하여 무조건적 보안을 만족하는 이중(DOUBLE)-마하젠더 간섭계를 이용하여 상기 암호키를 공유하는 단계를 포함하고,
상기 이중-마하젠더 간섭계를 구성하는 왕복 경로 구성하는 단계를 더 포함하고,
상기 이중-마하젠더 간섭계는 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 마하젠더 간섭계로 구성되는 이중 경로를 나타내고,
상기 왕복 경로는 상기 암호키 발생에 따른 광이 왕복하는 상기 이중 경로를 나타내는 방법.
In the key distribution method of the measurement independent quantum cryptography device:
Generating an encryption key; And
And sharing the encryption key using a DOUBLE-Maha-Zehnder interferometer that satisfies unconditional security by using two different phase differences as the basis of each of the transmitter and receiver.
Further comprising the step of configuring the reciprocating path constituting the dual- Mach-Zehnder interferometer,
The dual Mach-Zehnder interferometer represents a dual path consisting of a Mach-Zehnder interferometer between the transmitter and the receiver,
The reciprocating path represents the dual path through which light comes and goes according to the encryption key generation.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 이중-마하젠더 간섭계에 입사하는 단일 광자, 얽힘 광자, 및 결맞는 빛 중에서 어느 하나를 광원으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein any one of a single photon, entangled photon, and coherent light incident on the dual Mach-Zehnder interferometer is used as a light source.
제 1 항에 있어서,
상기 이중-마하젠더 간섭계를 N대 N(N은 자연수)의 암호 키분배로 확장하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
The method of claim 2, wherein the dual-Mach-Zehnder interferometer is extended with an encryption key distribution of N to N (N is a natural number).
제 1 항에 있어서,
상기 위상차를 키분배에 적용하는 위상 기저 쌍을 포함하는 방법.
According to claim 1,
And a phase base pair applying the phase difference to key distribution.
제 5 항에 있어서,
상기 위상 기저에 의한 키분배가 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 5,
Method characterized in that the key distribution is made by the phase basis.
제 5 항에 있어서,
상기 위상 기저를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 5,
And generating the phase basis.
제 5 항에 있어서,
상기 위상 기저를 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 5,
And measuring the phase basis.
제 8 항에 있어서,
상기 위상 기저 쌍을 측정함으로써 공격자를 검출하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 8,
And detecting an attacker by measuring the phase base pair.
제 8 항에 있어서,
상기 위상 기저 쌍의 측정에 의한 실시간 2차원 QBER(quantum bit error rate) 지도를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
The method of claim 8,
And generating a real-time two-dimensional quantum bit error rate (QBER) map by measuring the phase base pair.
측정무관 양자암호 키분배 장치에 있어서:
송신부;
수신부; 및
두 개의 서로 다른 위상차를 상기 송신부 및 상기 수신부의 각각의 기저로 하여 무조건적 보안을 만족하는 이중(DOUBLE)-마하젠더 간섭계를 포함하고,
상기 이중-마하젠더 간섭계를 구성하는 왕복 경로를 더 포함하고,
상기 이중-마하젠더 간섭계는 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 마하젠더 간섭계로 구성되는 이중 경로를 나타내고,
상기 왕복 경로는 상기 암호키 발생에 따른 광이 왕복하는 상기 이중 경로를 나타내는 장치.
For measurement independent quantum cryptography key distribution devices:
Transmitter;
Receiver; And
A two-phase difference between the transmitter and the receiver includes a dual (DOUBLE) Mach-Zehnder interferometer that satisfies unconditional security.
Further comprising a reciprocating path constituting the dual- Mach-Zehnder interferometer,
The dual Mach-Zehnder interferometer represents a dual path consisting of a Mach-Zehnder interferometer between the transmitter and the receiver,
The reciprocating path is a device representing the dual path through which light is reciprocated according to the encryption key generation.
제 11 항에 있어서,
상기 이중-마하젠더 간섭계는 단일 광자, 얽힘 광자, 및 결맞는 빛 중에서 어느 하나를 광원으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 11,
The dual-Mach-Zehnder interferometer is a device characterized in that any one of a single photon, entangled photons, and coherent light as a light source.
제 11 항에 있어서,
상기 이중-마하젠더 간섭계는 위상공액 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 11,
The dual-Mach-Zehnder interferometer further comprises a phase conjugate mirror.
제 11 항에 있어서,
N대 N 암호 키분배가 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 11,
Device characterized in that N to N cryptographic key distribution is configured.
제 11 항에 있어서,
상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은,
상기 서로 다른 위상 중 어느 하나를 기저로 생성하는 위상 기저 생성 장치를 더 포함하는 장치.
The method of claim 11,
Each of the transmitter and the receiver,
And a phase basis generator for generating any one of the different phases as a basis.
제 15 항에 있어서,
상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은,
대응하는 전송 경로를 통하여 전송된 위상 기저를 측정하는 위상 기저 측정 장치를 더 포함하는 장치.
The method of claim 15,
Each of the transmitter and the receiver,
And a phase basis measurement device for measuring the phase basis transmitted through the corresponding transmission path.
제 16 항에 있어서,
상기 송신부 및 상기 수신부의 각각은,
위상 기저를 분배하는 위상 기저 분배 장치를 더 포함하는 장치.
The method of claim 16,
Each of the transmitter and the receiver,
And further comprising a phase basis distribution device for distributing the phase basis.
제 17항에 있어서,
암호 키분배 알고리즘에 의거하여 상기 위상차를 키분배에 적용하는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 17,
Apparatus characterized in that the phase difference is applied to key distribution based on an encryption key distribution algorithm.
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