KR102238186B1 - 광호모다인 검출을 위한 광간섭계 위상안정화를 수행하는 연속변수 양자 암호 키분배 시스템 - Google Patents

광호모다인 검출을 위한 광간섭계 위상안정화를 수행하는 연속변수 양자 암호 키분배 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광호모다인 검출을 위한 광간섭계 위상안정화를 수행하는 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 연속변수 양자암호키 분배시스템은, 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 송신기; 및 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차로 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 수신기를 포함하며, 상기 광 펄스는 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 수신기는 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 위상 고정을 수행한다.

Description

광호모다인 검출을 위한 광간섭계 위상안정화를 수행하는 연속변수 양자 암호 키분배 시스템{CV QKD system using optical interferometer phase lock scheme for optical homodyne detection}
본 발명은 연속변수 양자 암호 키 분배(CV QKD, Continuous Variable Quantum Key Distribution) 시스템에 관한 것으로서, 특히, 광호모다인 검출을 위한 광간섭계 위상안정화를 수행하는 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 관한 것이다.
이산변수 양자키전송과 비교하면 연속변수 양자 암호 키분배(CV QKD) 방식을 사용하는 주 목적은 높은키 전송율 얻을 수 있고 전송거리를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 연속변수 양자 암호 키분배(CV QKD) 방식에서는 단거리에서 높은 전송율을 얻기위해 헤테로다인 감지기를 주로 사용한다.
그러나, 종래의 연속변수 양자암호키 분배(CV QKD)에서는, I-Q 헤테로다인 측정을 하는데 있어 2세트의 광간섭계가 필요하고 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 요구되므로 비용이 증가할 뿐만아니라, 퀀텀 레벨의 신호펄스와 강한신호 LO펄스가 공격자(Eve)의 채널 공격에 의한 편광 흔들림으로 비밀성(secrecy)이 크게 감소될 수 있는 문제점이 있다.
최대의 양자 암호키 전송율을 제공하는 연속변수 양자 암호 키분배(CV QKD) 시스템에 있어서, 수신단의 양자정보 검출은 광간섭계를 활용한 광호모다인 검출로 이루어진다. 호모다인 검출 기법 중 송신단에서 호모다인 검출에 필요한 기준 국부진동자 (reference local oscillator) 광펄스와 송신신호 광펄스를 번갈아 가면서 전송하여 수신단 광간섭계로 검출하는 시스템의 경우 광간섭계의 위상 제어 및 안정화가 필요하다. 본 발명에서는 특수한 송신단 광펄스의 위상 변조와 이에 상응하는 수신단 신호 처리를 통해 수신단 광간섭계의 위상을 제어하고 안정화를 얻는 방법을 제시한다.
연속변수 양자 암호 키분배(CV QKD) 시스템은 높은 수준의 암호화를 구현하기 위한 효과적인 방법으로 여겨지고 있다. 왜냐하면 한 펄스당 여려 개의 광자를 전송하고 감지 효율이 높은 광호모다인 검출과 평형광검출기(balanced photodetection)을 사용하기 때문이다. 평형광검출기는 단일광자 검출기에 비해 쉽게 만들 수 있다. 따라서 연속변수 양자 암호 키분배(CV QKD) 기술을 실용화하는데 유리하다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 연속변수 양자암호키 분배시스템을 위한 수신기는, 양자 채널로부터 수신되는 광 펄스를 2개의 경로로 분리하는 제1커플러; 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차로 위상 고정시킨 후의 신호들을 합성하는 제2커플러; 및 상기 합성된 신호들로부터 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 평형광검출기를 포함하며, 상기 광 펄스는 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 생성된 양자 상태 데이터의 광 펄스로서, 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 위상 고정이 수행된다.
상기 광 펄스는 순차적인 m개의 주기에서 θ씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함하되, 상기 펄스들 중 θ씩 위상을 증가 또는 감소하여 180도 및 360도의 정수배가 된 위상에서는 180도 위상 더하기를 한 펄스들을 포함하고, θ는 k*45도(k=0,1,2,..,7 중 하나)인 상기 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 위상차는 θ+90도일 수 있다.
상기 광 펄스는 순차적인 n개의 주기 중 하나에서 위상 반전된 펄스를 포함하는 상기 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 위상차는 90도일 수 있다.
상기 광 펄스를 송신하는 송신기는, 파일럿 신호 구간에 상기 파일럿 펄스를 생성하여 전송하는 파일럿 전송부; 상기 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성하는 제1진폭변조기; 및 상기 펄스파에 대한 진폭 변조와 위상 변조를 통해 상기 신호펄스와 상기 LO펄스를 포함하는 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 IQ 데이터 변조기를 포함한다.
상기 IQ 데이터 변조기는 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여 상기 진폭 변조와 상기 위상 변조를 수행한다.
상기 제1커플러는, 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호 및 제2분리신호를 출력하며, 상기 제2커플러는, 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 해당 두 신호를 합성하여 2개의 경로로 제1합성신호 및 제2합성신호를 출력하고, 상기 수신기는, 상기 제1분리신호 또는 상기 제2분리신호에 대해 상기 광 펄스의 한 주기를 지연시키는 딜레이 라인; 위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변시키는 위상 변환기; 및 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 위상제어신호를 생성하는 상기 평형광검출기를 더 포함한다.
상기 평형광검출기는, 파일럿 신호 구간에 상기 위상차가 45도가 되도록 상기 위상제어신호를 생성하고, 데이터 전송 구간에 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 상기 비트 정보를 생성할 수 있다.
상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호 각각은, 상기 제1분리신호 및 상기 제2분리신호의 합의 파워에 대응된 신호 및 상기 제1분리신호 및 상기 제2분리신호의 차이의 파워에 대응된 신호이다.
상기 평형광검출기는, 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 제1합성신호에서 상기 제2합성신호를 차감한 신호 펄스에 대하여, 짝수번째 펄스와 홀수번째 펄스에 대한 각각의 상기 비트 정보를 생성한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 연속변수 양자암호키 분배 장치에서 연속변수 양자암호키 분배 방법은, 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계; 및 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차를 갖도록 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 광 펄스는 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 위상 고정이 수행된다.
현재 사용되고 있는 연속변수 양자 암호 키분배 방식의 헤터로다인 감지기가 수신단에서 2개의 간섭계를 사용하는데 비교해, 본 발명에서는 특수한 송신단 광펄스의 위상 변조와 이에 상응하는 수신단에서의 한 개의 평형광검출기를 사용한 신호 처리를 통해 수신단 광간섭계의 위상을 제어하고 안정화할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 따르면, 고정되는 위상차에 따라 시분할 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 하나의 평형광검출기(balanced detector)를 적용함으로써, 수신측에서 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다
도 2는 본 발명의 송신기(Alice)의 전송 광 펄스 및 수신기(Bob)의 광 펄스 처리 상태의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 평형광검출기로 입력된 두 광 신호의 합에 대한 파워와 차이에 대한 파워, 및 파워들의 전기적 차감을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 평형광검출기의 비트 정보 생성을 설명하기 위한 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
먼저, 일반적으로 종래에 사용되는 연속변수 양자 암호 키분배 방식에 사용되는 헤터로다인 감지기는 수신단에서 2개의 간섭계를 사용하여 서로 독립인 직교 편광으로 전송되어 수신된 국부진동자 광펄스(LO 펄스)와 신호 광펄스를 분리하여 같은 편광으로 다시 조합하는 광간섭계를 이용하여 동일 위상인 I, 직교 위상인 Q 성분을 각각 검출하여 직교 성분의 정보를 수신한다. 이러한 경우 장거리에서 광섬유 등 광전송로(광채널)을 통해 전달된 빛의 편광 방향을 제어하는 것이 어렵고 편광된 빛의 파워를 유지하는 것이 어렵다.
이에 본 발명에서는, 다른 구현 방법으로 송신기에서 파일럿 신호 구간에 동일 편광으로 국부진동자와 신호 펄스를 일정한 시간 간격으로 반복해서 전송하고, 수신기에서 하나의 간섭계를 이용하여 평형광검출기(balanced detector)가 I 성분과 Q 성분을 번갈아가며 검출하는 방법을 사용한다. 이러한 광간섭계에 있어 송신기에서 특정한 광펄스 패턴을 보내고 수신기에서 그에 해당하는 검출 및 신호처리를 통하여 광간섭계 위상을 제어하고 안정화함으로써, 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공할 수 있도록 하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(장치)(100)은, 양자채널(광전송로) 상에서 광 통신하는 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 포함한다.
송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 네트워크, 즉, 유무선 인터넷, 이동통신망 등 퍼블릭(public) 채널을 제공하는 네트워크 상의 다양한 광통신 장비에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이더넷 장비, L2/L3 장비, 네트워크 상의 서버 등은 광통신을 통해 서로 필요한 데이터를 송수신하기 위하여, 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키를 제공하거나 제공받기 위한 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 구비할 수 있다.
송신기(Alice)는 데이터 전송 구간에 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 레이저 등의 연속광(CW)(예, 파장 1550nm)을 이용하여 양자 상태 데이터의 광 펄스(신호펄스와 LO펄스)를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다. 하기하는 바와 같이 송신기(Alice)에서 전송하는 광펄스는 파일럿 신호 구간에 도 2와 같이 소정의 주기(T) 반복되는 펄스가 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하며, 수신기(Bob)는 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 광 펄스의 위상 고정을 수행한다. 수신기(Bob)는 양자채널(광전송로)을 통해 수신하는 양자 상태 데이터의 광 펄스(신호펄스와 LO펄스)를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차(예, ±45도, ±90도 등)으로 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 호모다인 방식 등으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다. 수신기(Bob)는 상기 파일럿 펄스를 이용하여 상기 소정의 위상차(예, ±45도, ±90도 등)값으로 광 펄스(신호펄스와 LO펄스)의 위상 고정이 이루어지도록 한다.
도 1과 같이, 송신기(Alice)는 제1진폭변조기(Amplitude Modulator)(110), IQ 데이터 변조기(120), 및 후처리부(150)를 포함하고, 이들의 동작을 위하여 제1DAC(Digital to Analog Converter)(111), 제2DAC(121), 제3DAC(122)를 더 포함한다.
수신기(Bob)는 제1커플러(210), 딜레이라인(221), 위상 변환기(phase shifter)(222), 제2커플러(230), 평형광검출기(balanced detector)(240), 및 후처리부(250)을 포함한다.
송신기(Alice)는 소정의 파일럿 전송부(미도시)를 통해 파일럿 신호 구간에 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 생성하여 전송하며, 데이터 전송 구간에 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 레이저 등의 연속광(CW)을 이용하여 양자 상태 데이터의 광 펄스(신호펄스와 LO펄스)를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다.
데이터 전송 구간에 암호키 전송을 위하여, 제1진폭변조기(110)는 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광(CW)에 대해 진폭 변조를 통해 소정의 진폭을 갖는 신호펄스와 LO(Local Oscillator)펄스를 포함하는 펄스파를 주기적으로 반복 생성하는 카빙 변조기(Carving Modulator)에 해당한다. 제1진폭변조기(110)는 전송대상암호키의 데이터에 따른 제1DAC(111)의 출력을 이용하여 해당 신호펄스와 LO펄스 구간의 교번 신호의 크기에 따른 연속광(CW)의 변조로, 해당 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성한다.
IQ 데이터 변조기(120)는 제1진폭변조기(110)로부터의 펄스파에 대한, 제2진폭변조기(AM2)의 진폭 변조에 의한 진폭 조정과 위상 변조기(PM)의 위상 변조에 의한 위상 조정을 통해, 소정의 진폭과 해당 위상을 갖는 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다.
IQ 데이터 변조기(120)는 후처리부(150)의 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)로부터의 소정의 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여, 제2진폭변조기(AM2)에 의한 진폭 변조와 위상 변조기(PM)에 의한 위상 변조를 수행한다. 후처리부(150)의 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)가 생성하는 소정의 랜덤한 가우시안 분포값(I, Q)은, 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)(MD Reconcil)로 제공된다.
예를 들어, 전송되는 양자 상태 데이터의 광 펄스가 되도록 하기 위한, 상기 랜덤한 가우시안 분포값에 따라 제2DAC(121)와 제3DAC(122)가 그에 대응되는 신호를 출력한다. 이에 따라, IQ 데이터 변조기(120)는 제1진폭변조기(110)로부터의 펄스파에 대하여, 제2진폭변조기(AM2)에 의한 진폭 변조와 위상 변조기(PM)에 의한 위상 변조를 통해, 소정의 진폭과 해당 위상을 갖는 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 양자 상태 데이터의 해당 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송할 수 있다.
IQ 데이터 변조기(120)는 주기적인(주기 T) 광 펄스들을 생성하여 출력하며, 위의 [표1], [표2]와 같이 주기(T)에 따라 변동되는 위상 θ1을 갖는 양자 상태 데이터의 광 펄스(E1)를 양자채널(광전송로)로 전송할 수 있다. 위에서 위상 θ2을 갖는 광펄스(E2)는, 후술하는 바와 같이 수신기(Bob)에서 위상 θ1을 갖는 광펄스가 한 주기(T)기 지연된 신호이다.
송신기(Alice)의 파일럿 전송부(미도시)는 파일럿 신호 구간에 예를 들어, [표1], [표2]와 같이, 주기적으로(아래 예에서 mT, nT) 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 생성하여 전송한다.
도 2는 본 발명의 송신기(Alice)의 전송 광 펄스 및 수신기(Bob)의 광 펄스 처리 상태의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에는 파일럿 신호 구간에 파일럿 펄스인 광펄스(신호펄스와 LO펄스의 구분이 없고 진폭이 동일한 펄스)를 예로들어 도시하였다. 데이터 전송 구간에는 광 펄스가 한주기(T) 단위로 교대로 신호펄스와 LO펄스로 구분되어 전송되는 것을 제외하면 도 2와 유사하다. 데이터 전송 구간에는 도 2와 같이 신호펄스와 LO펄스의 진폭이 동일한 것은 아니고 하기하는 바와 같이 전송 알고리즘에 따라 정해진 진폭과 위상으로 신호펄스와 LO펄스가 전송된다.
[표1]
Figure 112019134877273-pat00001
[표2]
Figure 112019134877273-pat00002
[표1]에서는, 상기 광 펄스가 순차적인 m개(m은 2이상의 정수로서, 표1에서 8)의 주기(mT)에서 θ씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함하되, 상기 펄스들 중 θ씩 위상을 증가 또는 감소하여 180도 및 360도의 정수배가 된 위상에서는 180도 위상 더하기를 한 펄스들을 포함하고, θ는 k*45도(k=0,1,2,..,7 중 하나)인 파일럿 펄스가 포함된 것을 나타내었다. [표1]에서 m=8, k=1인 경우이며 8T의 주기로 반복하여 임의의 시간(x)으로부터 펄스 주기(T) 마다 θ=45도씩 위상이 증가하는 경우(t3, t7에서 180도 위상 더하기 됨)를 예로 들어 나타내었다. 여기서 m, θ 값은 적절한 값으로 미리 정해질 수 있으며, 이와 같은 파일럿 펄스는 파일럿 신호 구간에서 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다.
[표2]에서는, 상기 광 펄스가 순차적인 n개(n은 2이상의 정수로서 표2에서 4)의 주기(nT) 중 하나에서 위상 반전(0에서 180도로 반전)된 펄스를 포함하는 파일럿 펄스가 포함된 것을 나타내었다. [표2]에서 n=4인 경우를 예로 들어 나타내었다. 여기서 n 값은 적절한 값으로 미리 정해질 수 있으며, 이와 같은 파일럿 펄스는 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다. [표2]의 예는 [표1]에서 k=0인 경우와 유사하다.
수신기(Bob)는 양자채널(광전송로)을 통해 수신하는 이와 같은 파일럿 신호 구간의 파일럿 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 두 신호(위상 θ1인 광펄스 E1과 위상 θ2인 광펄스 E2)에 대해 소정의 위상차(예, ±45도, ±90도 등)으로 고정시킨다. 데이터 전송 구간에서는 이와 같은 위상차 고정을 이용하여, 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 두 신호(위상 θ1인 광펄스 E1과 위상 θ2인 광펄스 E2)에 대해 다시 합성한 신호들로부터 호모다인 방식 등으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
예를 들어, [표1]과 같이 상기 광 펄스가 순차적인 m개의 주기에서 소정의 각도(예, θ=45도)씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함할 때, 평형광검출기(240)는, 광펄스 E1과 E2의 위상차가 θ+90도(표1의 예에서 135도)로 위상 고정되도록 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)로 피드백한다. 또한, [표2]와 같이 상기 광 펄스가 순차적인 n개의 주기 중 하나에서 위상 반전된 펄스를 포함할 때, 수신기(Bob)의 평형광검출기(240)는 광펄스 E1과 E2의 위상차가 90도로 위상 고정되도록 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)로 피드백한다.
이하 수신기(Bob)에서 이와 같은 파일럿 신호 구간에서의 위상 고정 및 데이터 전송 구간에서의 호모다인 방식 등으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하기 위한 광펄스의 처리 과정을 자세히 설명한다.
먼저, 제1커플러(210)는, 양자채널(광전송로)로부터 수신되는 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호(211)(E1) 및 제2분리신호(212)(E2)를 출력한다. 제1커플러(210)는 빔스플리터 등의 광간섭계이다.
딜레이라인(221)은 제1분리신호(211) 또는 제2분리신호(212) 중 하나에 대해 상기 광 펄스의 한 주기(T)를 지연시킨다. 도면에서 딜레이라인(221)은 제2분리신호(212)의 경로 상에 구비된 것을 도시하였으나, 경우에 따라 제1분리신호(211)의 경로 상에 구비될 수도 있다.
위상 변환기(222)는 평형광검출기(240)로부터의 위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 상기 두 신호(E1, E2) 중 하나의 광위상을 가변시켜서 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록, 즉, 상기 두 신호가 소정의 위상 차이(예, ±45도, ±90도 등)를 갖도록 조절한다. 일례로, 위상 변환기(222)는 피에조 필름 타입의 액츄에이터에 광섬유를 감아 놓은 모듈 형태일 수 있다. 상기 액츄에이터는 전기적 신호에 따라 광섬유 경로 길이를 조절하여 광위상을 가변시킬 수 있다. 도면에서 위상 변환기(222)는 제2분리신호(212)의 경로 상에 구비된 것을 도시하였으나, 경우에 따라 제1분리신호(211)의 경로 상에 구비될 수도 있다.
제2커플러(230)는 딜레이라인(221)에 기초한, 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 상기 두 신호(211, 212) (E1, E2)를 입력받되, 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 시간 차이가 있는 해당 두 신호(211, 212)(E1, E2) 를 입력받는다. 즉, 입력되는 상기 두 신호 중 하나는 위상 변환기(222)에 기초한 광위상이 변경된 신호로 입력된다. 이와 같이 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 상기 두 신호(211, 212)를 입력받되 하나의 신호는 위상 변경된 상태로 입력 받는 제2커플러(230)는, 해당 두 신호(E1, E2)를 합성하여 2개의 경로 각각으로 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)를 출력한다. 제2커플러(230)는 빔스플리터 등의 광간섭계이다.
도 3에는 은 본 발명의 평형광검출기(240)로 입력된 두 광 신호의 합에 대한 파워와 차이에 대한 파워, 및 파워들의 전기적 차감을 설명하기 위한 도면이다. 여기서는 딜레이라인(221), 위상 변환기(222)는 생략되어 있다. 도 3과 같이, 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id) 각각은, 제2커플러(230)에 의한 광 신호인 두 신호(211, 212)(E1, E2)에 대한 합성된 전기적 신호로서, 상기 두 신호(211, 212)의 합에 대해 포토 다이오드를 통해 해당 파워에 대응하도록 변환된 전기적 신호 및 상기 두 신호(211, 212)의 차이에 대해 포토 다이오드를 통해 해당 파워에 대응하도록 변환된 전기적 신호일 수 있다.
평형광검출기(240)는 파일럿 신호 구간에 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)로부터 상기 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)으로 피드백하여 제1분리신호(211)와 제2분리신호(212)의 위상이 소정의 위상 차이(예, ±45도, ±90도 등)로 고정되도록 제어하고, 데이터 전송 구간에 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)로부터 호모다인 방식 등으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
예를 들어, 파일럿 신호 구간에 [표1]과 같이 수신되는 광 펄스가 순차적인 m개의 주기에서 소정의 각도(예, θ=45도)씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함할 때, 평형광검출기(240)는, 광펄스 E1과 E2의 위상차가 θ+90도(표1의 예에서 135도)로 위상 고정되도록 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)로 피드백한다. 즉, 광펄스의 반복 주파수가 f라면 f/m의 주파수로 위상제어신호를 생성하여 위상 고정이 이루어지도록 하여 안정된 위상제어가 가능하다.
또는, 파일럿 신호 구간에 [표2]와 같이 상기 광 펄스가 순차적인 n개의 주기 중 하나에서 위상 반전된 펄스를 포함할 때, 수신기(Bob)의 평형광검출기(240)는 광펄스 E1과 E2의 위상차가 90도로 위상 고정되도록 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)로 피드백한다. 즉, 이와 같이 최대한의 상쇄간섭(또는 고정 위상 각도에 따라 보강간섭도 가능)이 일어나도록 위상제어신호를 생성하여 위상 고정이 이루어지도록 하여 안정된 위상제어가 가능하다.
제1합성신호(Iu)는 두 신호(211, 212) (E1, E2)의 합의 파워에 대응된 신호로서, 각 신호의 위상을 함께 나타내면, 제1합성신호(Iu)는 [수학식1]과 같다. 또한 제2합성신호(Id)는 두 신호(211, 212) (E1, E2)의 차의 파워에 대응된 신호로서, 각 신호의 위상을 함께 나타내면, 제2합성신호(Iu)는 [수학식2]와 같다. [수학식1], [수학식2]를 계산하여 실수부를 취하면 [수학식3], [수학식4]와 같이 된다.
[수학식1]
Figure 112019134877273-pat00003
[수학식2]
Figure 112019134877273-pat00004
[수학식3]
Figure 112019134877273-pat00005
[수학식4]
Figure 112019134877273-pat00006
[수학식5]
Figure 112019134877273-pat00007
따라서, 평형광검출기(240)는 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)에 대한 [수학식5]와 같이, 제1합성신호(Iu)에서 제2합성신호(Id)를 차감(도 3 참조)한 신호 펄스에 대하여, 그 값이 0이 되도록, 즉, cos(θ1-θ2-Φ)가 0이 되도록 위상(Φ)을 고정(phase lock)(위의 예에서 135도, 90도 등으로 고정)하기 위한 위상제어신호(예, 위상보정값)를 생성하여 위상 변환기(222)로 피드백한다.
이와 같이 파일럿 신호 구간에서 평형광검출기(240)가 위상 변환기(222)의 위상 조절을 설정한 후, 데이터 전송 구간에서 평형광검출기(240)는 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)로부터 호모다인 방식 등으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
도 4는 본 발명의 평형광검출기(240)의 비트 정보 생성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 평형광검출기(240)는, 제1합성신호(Iu)에서 제2합성신호(Id)를 차감한 신호 펄스를 발생하는 차감신호생성부(241), 상기 차감신호 대역을 통과시키는 대역선택필터(242), 기준클럭신호를 발생시키는 기준클력부(243), 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 광펄스의 2주기마다 상기 차감 신호 펄스의 짝수번째 신호를 선택하여 출력하는 짝수신호선택부(244), 상기 광펄스의 2주기마다 상기 차감 신호 펄스의 홀수번째 신호를 선택하여 출력하는 홀수신호선택부(245), 해당 선택된 짝수번째 신호 또는 홀수번째 신호에 대한 호모다인 방식(또는 헤테로다인) 등을 이용한 검출 방식으로 비트 정보를 출력하는 출력부(226)를 포함한다. 예를 들어, 평형광검출기(240)는 코드화된 암호 키에 대응하는 수신된 양자 상태 데이터(짝수번째 신호 또는 홀수번째 신호)에 대한 호모다인(homodyne) 방식에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성할 수 있다.
예를 들어, 위에서 제1분리신호(211)와 제2분리신호(212)가 상기 광 펄스의 한 주기(T)로 시간 차이를 가질 때 두 신호의 광위상 차이가 소정의 위상 차이(예, ±45도, ±90도 등)를 갖도록 위상을 고정시킨 후, 데이터전송구간에 평형광검출기(240)는 예를 들어, 홀수번째 t1=T, 3T,.., 또는 짝수번째 t2=2T, 4T,..에 다른 데이터를 실어 전송가능 하므로 각 홀수 주기 및 짝수 주기의 데이터를 구분하여 각 구분된 데이터들을 호모다인 방식 등으로 검출이 가능하고 이를 통해 최대의 키 전송률을 얻을 수 있다. 특히, 이는 파일럿 신호 구간에 제1분리신호(211)와 제2분리신호(212)가 위상차가 45도가 되도록 고정된 경우에, 두 신호들의 상쇄간섭(또는 보강간섭) 뚜렷하므로, 이와 같이 데이터 전송 구간에 시분할(time division) 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 상기 비트 정보를 생성하는 것이 바람직하다. 이외에도 본 발명에서는 기존 검출 방식에서 발생하는 LO 펄스 누설(leakage)에 의한 과잉 잡음(excess noise)을 고려하지 않아도 되기 때문에 Excess noise를 줄이는 측면에서 매우 효과적이다.
또한, 평형광검출기(240)에서의 차이 신호(IHOM)는 후처리부(250)의 ADC(Analog to Digital Converter)로 제공된다. 송신기(Alice)에서 전송한 전송 대상 암호 키와 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 평형광검출기(240)에서 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 수신기(Bob)의 후처리부(250)와 송신기(Alice)의 후처리부(150)는, 이와 같은 후처리 과정을 수행한다.
예를 들어, 수신기(Bob)의 후처리부(250)에서는 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)가, 랜덤 비트 시퀀스 생성부(RND Bit Seq)를 이용하여 생성한 다중 에지 타입 저밀도 패리티 체크 코드(Multi-edge-type Low Density Parity Check code)와, 평형광검출기(240)의 출력, 즉, 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)의 차이 신호(IHOM)에 대하여 ADC(Analog to Digital Converter)에서 출력하는 값들(I, Q)을 이용해, 에러정정을 수행한다. 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)는 에러정정한 결과에 따른 정보를 퍼블릭 채널 등을 통해 송신기(Alice)로 전송하여 송신기(Alice)가 에러정정에 이용하도록 할 수 있다.
송신기(Alice)의 후처리부(150)에서는, 예를 들어, 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)를 이용하여 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)가 에러정정을 수행하여 다중 에지 타입 저밀도 패리티 체크 코드(Multi-edge-type Low Density Parity Check code)를 생성할 수 있다. 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)는, 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)가 생성하는 다차원 소정의 랜덤한 가우시안 분포값들(I, Q)을 이용하고, 수신기(Bob)의 후처리부(250)로부터 에러정정한 결과에 따른 정보를 수신하여 에러정정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD) 시스템(100)은, 특수한 송신기(Alice) 광펄스의 위상 변조와 이에 상응하는 수신기(Bob)에서의 한 개의 평형광검출기(240)를 사용한 신호 처리를 통해 수신기(Bob) 광간섭계의 위상을 제어하고 안정화할 수 있다. 이에 따라 고정되는 위상차에 따라 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 하나의 평형광검출기(240)를 적용함으로써, 수신기(Bob)에서 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
송신기(Alice)
수신기(Bob)
제1진폭변조기(110)
IQ 데이터 변조기(120)
제1커플러(210)
위상 변환기(222)
제2커플러(230)
평형광검출기(240)

Claims (10)

  1. 연속변수 양자암호키 분배시스템을 위한 수신기에 있어서,
    양자 채널로부터 수신되는 광 펄스를 2개의 경로로 분리하는 제1커플러;
    상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차로 위상 고정시킨 후의 신호들을 합성하는 제2커플러; 및
    상기 합성된 신호들로부터 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 평형광검출기를 포함하며,
    상기 광 펄스는 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 생성된 양자 상태 데이터의 광 펄스로서, 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 위상 고정이 수행되고,
    상기 광 펄스는 순차적인 n개의 주기 중 하나에서 위상 반전된 펄스를 포함하는 상기 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 위상차는 90도인, 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 펄스는 순차적인 m개의 주기에서 θ씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함하되, 상기 펄스들 중 θ씩 위상을 증가 또는 감소하여 180도 및 360도의 정수배가 된 위상에서는 180도 위상 더하기를 한 펄스들을 포함하고, θ는 k*45도(k=0,1,2,..,7 중 하나)인 상기 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 위상차는 θ+90도인 수신기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 펄스를 송신하기 위한 송신기는,
    파일럿 신호 구간에 상기 파일럿 펄스를 생성하여 전송하는 파일럿 전송부;
    상기 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성하는 제1진폭변조기; 및
    상기 펄스파에 대한 진폭 변조와 위상 변조를 통해 상기 신호펄스와 상기 LO펄스를 포함하는 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 IQ 데이터 변조기
    를 이용하는 수신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 IQ 데이터 변조기는 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여 상기 진폭 변조와 상기 위상 변조를 수행하는 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1커플러는, 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호 및 제2분리신호를 출력하며,
    상기 제2커플러는, 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 해당 두 신호를 합성하여 2개의 경로로 제1합성신호 및 제2합성신호를 출력하고,
    상기 수신기는,
    상기 제1분리신호 또는 상기 제2분리신호에 대해 상기 광 펄스의 한 주기를 지연시키는 딜레이 라인;
    위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변시키는 위상 변환기; 및
    상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 위상제어신호를 생성하는 상기 평형광검출기
    를 더 포함하는 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 평형광검출기는, 파일럿 신호 구간에 상기 위상차가 45도가 되도록 상기 위상제어신호를 생성하고, 데이터 전송 구간에 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 상기 비트 정보를 생성하는 수신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호 각각은, 상기 제1분리신호 및 상기 제2분리신호의 합의 파워에 대응된 신호 및 상기 제1분리신호 및 상기 제2분리신호의 차이의 파워에 대응된 신호인 수신기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 평형광검출기는, 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 제1합성신호에서 상기 제2합성신호를 차감한 신호 펄스에 대하여, 짝수번째 펄스와 홀수번째 펄스에 대한 각각의 상기 비트 정보를 생성하는 수신기.
  10. 연속변수 양자암호키 분배 장치에서 연속변수 양자암호키 분배 방법에 있어서,
    전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계; 및
    양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차를 갖도록 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 광 펄스는 주기적으로 위상이 변하는 동일 진폭의 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 파일럿 펄스를 이용해 상기 위상 고정을 수행하고,
    상기 광 펄스는 순차적인 m개의 주기에서 θ씩 위상이 증가 또는 감소하는 펄스들을 포함하되, 상기 펄스들 중 θ씩 위상을 증가 또는 감소하여 180도 및 360도의 정수배가 된 위상에서는 180도 위상 더하기를 한 펄스들을 포함하고, θ는 k*45도(k=0,1,2,..,7 중 하나)인 상기 파일럿 펄스를 포함하고, 상기 위상차는 θ+90도인, 변수 양자암호키 분배 방법.
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