KR102308058B1 - Reference-frame-independent measurement-device-independent quantum-key-distribution communication system using fewer quantum states - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 비해 적은 수의 양자 상태를 이용하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an RFI-MDI-QKD communication system, and more particularly, to an RFI-MDI-QKD communication system using a small number of quantum states compared to a conventional RFI-MDI-QKD communication system.
인수분해 문제를 효과적으로 풀 수 있는 쇼어 알고리즘(Shor’s algorithm)과 데이터베이스에서 검색시간을 줄여주는 그로버 알고리즘(Grover’s algorithm)을 구현할 수 있는 양자 컴퓨터 기술의 폭발적인 발전은 계산 복잡도(Computational complexity)를 기반한 현대암호가 더 이상 안전하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 양자암호(Quantum cryptography)는 양자역학의 기본원리들을 기반하기 때문에 양자 컴퓨팅 환경에서도 안전한 대표적인 기술이다. 통신구성원들 사이에 동일한 비밀키를 안전하게 공유할 수 있는 양자키분배(Quantum Key Distribution, QKD)는 양자암호의 대표적인 프로토콜이다. The explosive development of quantum computer technology that can implement Shor's algorithm, which can effectively solve the factorization problem, and Grover's algorithm, which reduces the search time in the database, is a modern cryptography based on computational complexity. It means that it may no longer be safe. Quantum cryptography is a representative technology that is safe even in a quantum computing environment because it is based on the basic principles of quantum mechanics. Quantum Key Distribution (QKD), which can safely share the same secret key among communication members, is a representative protocol of quantum cryptography.
QKD 프로토콜의 보안성 및 실용성을 향상시키기 위한 노력 중 하나가 바로 측정 장치에 무관한 양자키분배(Measurement-Device-Independent QKD, MDI-QKD)이다. MDI-QKD는 앨리스(Alice)와 밥(Bob)이 전송한 광자의 상관관계를 알 수 있는 벨 상태 측정(Bell State Measurement, BSM)을 통해 비밀키를 나눠가지는 프로토콜이다. 신뢰할 수 없는 제 3자인 찰리(Charlie)나 도청자 이브(Eve)는 BSM결과를 알고 있다 하더라도 앨리스(Alice)와 밥(Bob)의 인코딩 정보가 없다면 나눠가진 비밀키에 대한 정보를 추출할 수 없기 때문에 MDI-QKD는 측정 장치에 무관하게 안전성을 제공할 수 있다. 또한, 통신거리를 늘릴 수 있다는 부가적인 장점도 있다.One of the efforts to improve the security and practicality of the QKD protocol is measurement-device-independent QKD (MDI-QKD). MDI-QKD is a protocol for sharing a secret key through Bell State Measurement (BSM), which can determine the correlation of photons transmitted by Alice and Bob. Even if Charlie, an unreliable third party, or eavesdropper Eve, knows the BSM result, it cannot extract information about the shared secret key without the encoding information of Alice and Bob. Therefore, MDI-QKD can provide safety regardless of the measuring device. In addition, there is an additional advantage that the communication distance can be increased.
한편, 일반적으로 앨리스(Alice)와 밥(Bob)은 QKD 프로토콜을 수행하기 위해서 기준 프레임이 필요하다. 예를 들어, 자유 공간 QKD(free space QKD)의 경우 앨리스(Alice)와 밥(Bob) 사이에 편광축(polarization axes) 또는 간섭계의 상대적 위상 차(relative phase difference of interferometers)를 공유하거나, 광섬유 기반 통신의 경우 타임-빈 큐빗(time-bin qubit)이 공유되어야 한다. 그러나 이런 기준 프레임을 공유하는 것 자체가 어렵고 비용이 많이 들며, 특히, 위성을 이용한 자유 공간 QKD의 경우 편광축을 유지하는 것이 쉽지 않다. 나아가, 다수의 참여하는 QKD 통신에서는 기준 프레임을 공유하는 것 자체가 어려워지고 있다.Meanwhile, in general, Alice and Bob need a reference frame to perform the QKD protocol. For example, in the case of free space QKD (free space QKD), the polarization axes or the relative phase difference of interferometers are shared between Alice and Bob, or fiber-based communication. In the case of , time-bin qubits must be shared. However, sharing such a frame of reference is difficult and expensive in itself, and in particular, in the case of free space QKD using satellite, it is not easy to maintain the polarization axis. Furthermore, it is becoming difficult to share a reference frame in QKD communication with a large number of participants.
이러한 문제점을 해결하는 것이 기준 프레임에 무관한 양자키분배(Reference-Frame-Independent QKD, RFI-QKD) 통신 프로토콜이다. RFI-QKD 통신 프로토콜은 QKD 통신의 실용성을 향상시킨 통신 프로토콜이다. RFI-QKD에서 비밀키는 기준 프레임 회전 및 변동에 영향을 받지 않는 기저를 통해 공유되며, 보안성은 다른 두 개의 비 교환 기저(non-commuting bases)에 의해 확인된다.To solve this problem is a quantum key distribution (Reference-Frame-Independent QKD, RFI-QKD) communication protocol that is independent of the reference frame. The RFI-QKD communication protocol is a communication protocol that improves the practicality of QKD communication. In RFI-QKD, the secret key is shared through a base that is not affected by rotation and fluctuation of the reference frame, and security is confirmed by the other two non-commuting bases.
RFI의 개념은 MDI-QKD에 적용될 수 있으며, RFI-MDI-QKD로 구현되어 QKD 통신에 높은 실용성과 높은 보안성을 제공할 수 있다.The concept of RFI can be applied to MDI-QKD and implemented as RFI-MDI-QKD to provide high practicality and high security for QKD communication.
본 명세서는 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 비해 적은 수의 양자 상태를 이용하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present specification is to provide an RFI-MDI-QKD communication system using a smaller number of quantum states compared to the conventional RFI-MDI-QKD communication system.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present specification is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템은, 양자 상태를 양자채널로 전송하고, 벨 측정 상태 정보를 수신하는 퍼블릭채널을 가진 제1 통신 장치; 양자 상태를 양자채널로 전송하고, 벨 측정 상태 정보를 수신하는 퍼블릭채널을 가진 제2 통신 장치; 및 상기 제1 통신 장치의 양자채널 및 상기 제2 통신 장치의 양자채널을 통해 전송된 양자의 벨 상태 측정 결과를 퍼블릭채널을 통해 상기 제1 통신 장치 및 상기 제2 통신 장치에게 전송하는 제3 통신 장치;를 포함한다. 이 때 상기 제1 통신 장치는, 광원에서 나온 양자 상태의 X축과 Y축 사이에서 임의의 위상 차이를 발생시키는 간섭계; 및 광원에서 나온 양자 상태의 z축을 변조시키는 제1 변조기;를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제2 통신 장치는, 광원에서 나온 양자 상태의 X축과 Y축 사이에서 임의의 위상 차이를 발생시키는 간섭계; 상기 간섭계 내 어느 한 광 경로 상에 위치한 제2 변조기; 및 광원에서 나온 양자 상태의 z축을 변조시키는 제3 변조기;를 포함할 수 있다. RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification for solving the above-mentioned problems, a first communication device having a public channel for transmitting a quantum state to a quantum channel and receiving the bell measurement state information; a second communication device having a public channel for transmitting a quantum state through a quantum channel and receiving bell measurement state information; and a third communication for transmitting the measurement result of the bell state of both the quantum channel of the first communication device and the quantum channel of the second communication device to the first communication device and the second communication device through a public channel. device; includes. In this case, the first communication device includes an interferometer for generating an arbitrary phase difference between the X-axis and the Y-axis of the quantum state emitted from the light source; and a first modulator for modulating the z-axis of the quantum state emitted from the light source. And the second communication device, the interferometer for generating an arbitrary phase difference between the X-axis and the Y-axis of the quantum state emitted from the light source; a second modulator located on either optical path in the interferometer; and a third modulator for modulating the z-axis of the quantum state emitted from the light source.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 통신 장치 및 제2 통신 장치에 포함된 각각의 간섭계는 2개의 빔 스플리터를 이용하여 길이가 서로 다른 2개의 광 경로를 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present specification, each interferometer included in the first communication device and the second communication device may form two optical paths having different lengths by using two beam splitters.
이 경우, 상기 제2 통신 장치에 포함된 제2 변조기는, 상기 간섭계 내 서로 다른 2개의 광 경로 중 상대적으로 더 긴 광 경로 상에 배치될 수 있다.In this case, the second modulator included in the second communication device may be disposed on a relatively longer optical path among two different optical paths in the interferometer.
그리고, 상기 제2 통신 장치에 포함된 제2 변조기는 위상 변조기(Phase modulator)일 수 있다.In addition, the second modulator included in the second communication device may be a phase modulator.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 통신 장치에 포함된 제1 변조기 및 상기 제2 통신 장치에 포함된 제3 변조기는 강도 변조기(Intensity modulator)일 수 있다.According to an embodiment of the present specification, the first modulator included in the first communication device and the third modulator included in the second communication device may be intensity modulators.
이 경우, 상기 제1 통신 장치에 포함된 간섭계는 광원과 제1 변조기 사이에 배치되고, 상기 제2 통신 장치에 포함된 간섭계는 광원과 제3 변조기 사이에 배치될 수 있다.In this case, the interferometer included in the first communication device may be disposed between the light source and the first modulator, and the interferometer included in the second communication device may be disposed between the light source and the third modulator.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 광원은 레이저일 수 있다.According to an embodiment of the present specification, the light source may be a laser.
이 경우, 상기 제1 통신 장치 및 상기 제2 통신 장치는 각각 감쇄기;를 더 포함할 수 있다.In this case, each of the first communication device and the second communication device may include an attenuator.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 통신 장치는, 상기 제1 통신 장치와 상기 제2 통신 장치에서 전송된 양자 상태가 함께 통과하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터를 통과한 양자 상태의 편광 진행 방향에 따라 편광 방향을 검출하는 2개의 편광 빔 스플리터; 및 각 편광 빔 스플리터에서 검출된 양자를 검출하는 검출기;를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present specification, the third communication device includes: a beam splitter through which quantum states transmitted from the first communication device and the second communication device pass together; two polarization beam splitters for detecting a polarization direction according to a polarization direction of a quantum state that has passed through the beam splitter; and a detector that detects the quantum detected by each polarization beam splitter.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 통신 장치는, 상기 간섭계 내 모든 광 경로 상에 위상을 변조시키는 변조기가 배치되지 않은 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present specification, in the first communication device, a modulator for modulating a phase is not disposed on all optical paths in the interferometer.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 비해 적은 수의 양자 상태를 이용하여 양자 비밀키를 분배할 수 있다. 따라서, 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템과 유사한 안정성을 가지면서도 장치가 보다 간소화될 수 있다.According to one aspect of the present specification, the quantum secret key can be distributed using a smaller number of quantum states compared to the conventional RFI-MDI-QKD communication system. Accordingly, the device can be more simplified while having stability similar to that of the conventional RFI-MDI-QKD communication system.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 MDI-QKD의 개념도이다.
도 2는 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 실험 구성도이다.
도 5는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 실험 결과이다.1 is a conceptual diagram of MDI-QKD.
2 is a schematic configuration diagram of a conventional RFI-MDI-QKD communication system.
3 is a schematic configuration diagram of an RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification.
4 is an experimental configuration diagram of an RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification.
5 is an experimental result of the RFI-MDI-QKD communication system.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the invention disclosed herein, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present specification is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present specification to be complete, and those of ordinary skill in the art to which this specification belongs. It is provided to fully inform those skilled in the art (hereinafter 'those skilled in the art') the scope of the present specification, and the scope of the present specification is only defined by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 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 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the scope of the present specification. As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other components in addition to the stated components.
명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Like reference numerals refer to like elements throughout, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited elements. Although "first", "second", etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may have the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this specification belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템은 종래 RFI-MDI-QKD 통신 장치에 비해 적은 수의 양자 상태를 이용하여도 종래 RFI-MDI-QKD 통신 장치와 동일한 안정성과 보안성을 가질 수 있는 것이 특징이다. 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 대해서 보다 잘 이해하기 위해서 먼저 MDI-QKD 통신 장치에 대해서 간략하게 설명하도록 하겠다.The RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification can have the same stability and security as the conventional RFI-MDI-QKD communication device even using a small number of quantum states compared to the conventional RFI-MDI-QKD communication device. characteristic. In order to better understand the RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification, the MDI-QKD communication device will be briefly described first.
도 1은 MDI-QKD의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of MDI-QKD.
도 1을 참조하면, 앨리스와 밥은 X, Y, Z 축에서 임으로 비트 값(+ 또는 -)을 설정하고 제3자인 찰리에게 전송한다. 3개의 축과 2개의 비트 값에 의해 6개의 양자 상태가 가능하다.Referring to FIG. 1 , Alice and Bob arbitrarily set bit values (+ or -) on the X, Y, and Z axes and transmit them to a third person, Charlie. Six quantum states are possible with three axes and two bit values.
찰리는 벨 상태 측정(Bell state measurement, BSM)을 수행하고 그 결과를 각각 앨리스와 밥에게 알려준다. 그리고 앨리스와 밥은 BMS 결과를 이용하여 같은 방향으로 광자를 보냈을 때의 정보를 이용하여 양자키를 생성할 수 있다. 이 때, 일반적인 MDI-QKD는 앨리스, 밥, 찰리 사이에 기준 프레임을 공유하고 있다는 것이 중요하다.Charlie performs a Bell state measurement (BSM) and reports the result to Alice and Bob, respectively. And Alice and Bob can generate a quantum key using the information when photons are sent in the same direction using the BMS result. At this time, it is important that the general MDI-QKD shares a reference frame among Alice, Bob, and Charlie.
만약, 앨리스, 밥, 찰리가 기준 프레임을 공유하고 있지 않고, 도 1에 도시된 것과 같이, 3축이 연관된 경우를 고려해 본다. 이 경우, 3 축은 아래와 수식 1과 같다.If Alice, Bob, and Charlie do not share a reference frame, as shown in FIG. 1 , consider a case in which three axes are related. In this case, the 3-axis is as shown in Equation 1 below.
<수식 1><Formula 1>
는 찰리를 기준으로 하는 상대적 기준 프레임 회전이고, S는 A(앨리스) 또는 B(밥)이다. 통신 시스템을 구성하는 모든 구성원 즉, 앨리스, 밥 및 찰리에게 Z축은 기준 프레임 회전에서 변화하지 않기 때문에 앨리스와 밥은 Z축을 사용하여 임의의 비트 스트링을 분배할 수 있다. 반면, X축과 Y축에서 BSM는 제어할 수 없는 과 관련 있기 때문에, 일반적인 MDI-QKD의 성능을 제한하는 양자 비트 오류율(QBER, Quantum Bit Error Rate)은 증가하게 된다. is the relative frame of reference rotation with respect to Charlie, and S is either A (Alice) or B (Bob). For all members of the communication system, namely Alice, Bob, and Charlie, since the Z axis does not change in the rotation of the frame of reference, Alice and Bob can use the Z axis to distribute any string of bits. On the other hand, in the X and Y axes, the BSM cannot be controlled. , the quantum bit error rate (QBER), which limits the performance of general MDI-QKD, increases.
RFI-MDI-QKD 통신 장치는 MDI-QKD의 이러한 문제점을 해결하기 위한 통신 프로토콜이다. RFI-MDI-QKD 통신 장치는 RFI-QKD와 MDI-QKD의 장점을 결합하여 양자 키분배의 안전성과 실용성을 확보할 수 있는 양자키분배 프로토콜이다. 안전성 측면에서 광자큐비트 측정부에 대한 모든 종류의 양자해킹 시도에 대해 안전성을 보장하고, 실용성 측면에서 기준프레임 정렬을 하지 않고도 QKD 통신이 가능하다. 이를 위해, RFI-MDI-QKD 통신 프로토콜은 새로운 프레임 회전 불변 파라미터 'C'를 도입하고, C-파라미터(C-parameter)를 양자 통신 채널의 보안성을 확인하는데 사용한다. C-파라미터는 아래 수식 2와 같이 주어진다.The RFI-MDI-QKD communication device is a communication protocol for solving this problem of MDI-QKD. The RFI-MDI-QKD communication device is a quantum key distribution protocol that can secure the safety and practicality of quantum key distribution by combining the advantages of RFI-QKD and MDI-QKD. In terms of safety, it guarantees safety against all kinds of quantum hacking attempts on the photon qubit measurement unit, and in terms of practicality, QKD communication is possible without reference frame alignment. To this end, the RFI-MDI-QKD communication protocol introduces a new frame rotation invariant parameter 'C' and uses the C-parameter to confirm the security of the quantum communication channel. The C-parameter is given as in
<수식 2><
수식 2에서 아래 첨자 '44'는 C-파라미터를 측정하기 위해 앨리스와 밥이 전송해야 하는 4가지 양자 상태를 의미한다. 상태는 앨리스와 밥이 비밀키를 생성하기 위해 전송되므로, 앨리스와 밥은 모두 6개의 임의의 상태 중 하나의 양자 상태를 전송해야 한다. 이때, BMS 결과값은 아래 수식 3과 같이 정의될 수 있다.In
<수식 3><Equation 3>
M과 N은 X와 Y, A는 앨리스, B는 밥, i와 j는 +와 -, 는 와 의 입력에 따른 의 BMS 결과를 의미한다. 따라서, 수식 3의 분모는 모든 입력 상태에 대한 BMS 결과의 합을 의미한다.M and N are X and Y, A is Alice, B is Bob, i and j are + and -, Is Wow according to the input of of BMS results. Therefore, the denominator of Equation 3 means the sum of the BMS results for all input states.
C-파라미터 및 X축과 Z축에서의 QBER인 QX, QZ과 함께 비밀키 비율을 측정할 수 있다. 일반적인 MDI-QKD에서, 비밀키 비율은 아래 수식 4와 같이 주어진다.The secret key ratio can be measured together with the C-parameter and QBER on the X and Z axes, Q X , Q Z . In general MDI-QKD, the secret key ratio is given as in Equation 4 below.
<수식 4><Formula 4>
H[X]는 X의 샤논 엔트로피(Shannon entropy)이다. 따라서, RFI-MDI-QKD에서, 비밀키 비율은 아래 수식 5 및 수식 6과 같이 주어진다.H[X] is the Shannon entropy of X. Therefore, in RFI-MDI-QKD, the secret key ratio is given as in Equations 5 and 6 below.
<수식 5><Formula 5>
<수식 6><Formula 6>
여기까지 내용을 정리하면, 실용성 측면에서 RFI-MDI-QKD 통신 장치는 단일광자 광원이 아니라 약하게 감쇄된 레이저 펄스와 디코이(decoy) 상태를 구현할 수 있어 실용적 구현이 가능하다는 것이 큰 장점이다. 다만, RFI-MDI-QKD 안전성 분석을 위해 양자 비트 오류율(QBER, Quantum Bit Error Rate)과 C-파라미터(C-parameter)값을 실험을 통해 추출해야 한다. 이를 위해서, 두 통신 장치 앨리스(Alice)와 밥(Bob)은 모두 6개의 임의의 상태 중 하나의 양자 상태를 전송해야 한다. Summarizing the contents up to this point, in terms of practicality, the RFI-MDI-QKD communication device is not a single photon light source, but a weakly attenuated laser pulse and a decoy state. However, for RFI-MDI-QKD safety analysis, quantum bit error rate (QBER) and C-parameter values must be extracted through experiments. To this end, both communication devices Alice and Bob must transmit one quantum state out of six random states.
앞서 언급하였듯이, 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템은 종래 RFI-MDI-QKD 통신 장치에 비해 적은 수의 양자 상태를 이용하여도 종래 RFI-MDI-QKD 통신 장치와 동일한 안정성과 보안성을 가질 수 있는 것이 특징이다. 이하에서 어떻게 양자수를 줄일 수 있는 설명하겠다.As mentioned above, the RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification provides the same stability and security as the conventional RFI-MDI-QKD communication device even using a small number of quantum states compared to the conventional RFI-MDI-QKD communication device. It's a feature you can have. Hereinafter, how to reduce the quantum number will be explained.
를 얻기 위한 BMS 결과 확률은 의 측정이다. 와 는 앨리스와 밥의 입력 상태이다. 따라서 이를 종합하면 아래 표 1과 같다. The BMS result probability to obtain is is the measurement of Wow is the input state of Alice and Bob. Therefore, it is summarized in Table 1 below.
<표 1><Table 1>
표 1에서 이다. 상기 수식 2에 사용된 값 사이에서 아래 수식 7과 같은 관계를 유도할 수 있다.in table 1 am. A relationship as shown in Equation 7 below can be derived between the values used in
<수식 7><Formula 7>
수식 7에 따르면, 앨리스는 C-파라미터를 획득하기 위한 Y축 양자 상태를 생략할 수 있다. 앨리스가 Y축 양자 상태를 생략할 경우, C-파라미터에 관한 수식 2는 아래 수식 8과 같다.According to Equation 7, Alice can omit the Y-axis quantum state for obtaining the C-parameter. If Alice omits the Y-axis quantum state,
<수식 8><Equation 8>
수식 8에서 아래 첨자 '24'는 C-파라미터를 측정하기 위해 앨리스가 전송해야 하는 2가지 양자 상태와 밥이 전송해야 하는 4가지 양자 상태를 의미한다.In Equation 8, the subscript '24' is the two quantum states that Alice must transmit to measure the C-parameter. and 4 quantum states that Bob must transmit means
더 나아가, 표 1에서 아래 수식 9와 같은 관계를 찾아 낼 수 있다.Furthermore, in Table 1, a relationship such as
<수식 9><
이를 통해서, 앨리스는 양자 상태를 1개 더 줄일 수 있다. 따라서, C-파라미터에 관한 수식 8는 아래 수식 10과 같다.Through this, Alice can reduce the quantum state by one more. Therefore, Equation 8 regarding the C-parameter is the same as Equation 10 below.
<수식 10><Equation 10>
수식 10에 따르면, RFI-MDI-QKD 프로토콜을 수행하기 위해서 앨리스는 와 의 3가지 양자 상태만 전송하면 충분하다.According to Equation 10, in order to perform the RFI-MDI-QKD protocol, Alice Wow It is sufficient to transmit only three quantum states of
도 2는 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 개략적인 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of a conventional RFI-MDI-QKD communication system.
도 2를 참조하면, 타임-빈 인코딩(time-bin encoding) RFI-MDI-QKD 통신 시스템을 확인할 수 있다. 광원은 레이저이며, BS는 빔 스플리터(Beam splitter), IM은 강도 변조기(Intensity modulator), PM은 위상 변조기(Phase modulator)이다. 타임-빈 인코딩(Time-bin encoding)에서 은 빠른 타임-빈(fast time-bin ), 은 느린 타임-빈(slow time-bin )에 해당한다. 와 는 광펄스가 간섭계의 어떤 경로를 통과하느냐에 의해 결정되므로, IM을 이용해 하나의 경로를 막아서 생성될 수 있다. , , , 는 광자의 확률진폭이 와 모두에 있을 때, 와 사이의 위상에 따라 결정될 수 있다. 따라서 간섭계 내부의 PM을 이용하여 임의의 위상을 인코딩(encoding)해야한다.Referring to FIG. 2 , a time-bin encoding RFI-MDI-QKD communication system may be identified. The light source is a laser, BS is a beam splitter, IM is an intensity modulator, and PM is a phase modulator. In Time-bin encoding is the fast time-bin ), is the slow time-bin ) corresponds to Wow Since is determined by which path of the interferometer the light pulse passes, it can be generated by blocking one path using IM. , , , is the probability amplitude of the photon Wow when in everyone, Wow It can be determined according to the phase between them. Therefore, it is necessary to encode an arbitrary phase using the PM inside the interferometer.
도 3은 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of an RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification.
도 3을 참조하면, 밥측은 동일하지만, 앨리스 측은 종래 앨리스 측에 비해 PM이 생략된 것을 확인할 수 있다. 앨리스는 , 중 하나의 양자상태를 전송할 수 있다. 상태는 간섭계를 구성하기만 하면 생성되며, PM이 불필요하다. PM이 없으면 값이 임의의 한 값으로 고정되며, 어떤 값으로 고정되더라도 RFI-MDI-QKD를 구현할 수 있음은 앞서 수식 1 내지 수식 10을 통해 충분히 설명하였으므로 반복적인 설명은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the Bob side is the same, but the Alice side has the PM omitted compared to the conventional Alice side. Alice is , One of the quantum states can be transmitted. The state is created by simply configuring the interferometer, no PM required. Without PM The value is fixed to any one value, and the fact that RFI-MDI-QKD can be implemented no matter what value is fixed has been sufficiently described through Equations 1 to 10 above, so a repetitive description will be omitted.
한편, 도 3에서는 앨리스 측의 PM이 생략된 예시를 도시하였지만, 밥 측의 PM이 생략된 실시예도 가능하다. 밥 측의 PM이 생략된 경우, 앨리스 측은 종래 RFI-MDI-QKD 통신 시스템과 동일하다.Meanwhile, although FIG. 3 shows an example in which the PM on Alice's side is omitted, an embodiment in which the PM on Bob's side is omitted is also possible. When the PM of Bob's side is omitted, the Alice side is the same as the conventional RFI-MDI-QKD communication system.
<실험예><Experimental example>
도 4는 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 실험 구성도이다.4 is an experimental configuration diagram of an RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification.
Alice와 Bob이 사용하는 1556nm의 동일한 단일 광자는 펨토초 레이저 펄스에 의해 펌핑되는 10mm 주기적 폴링된 KTP 결정을 사용하여 II형 자발적 파라 메트릭 다운 변환에 의해 준비된다(도면 미 도시). 펌프의 펌프 전력 및 반복 속도는 각각 10mW 및 125MHz이다. 단일 광자 검출 효율의 80 %를 갖는 초전도 나노 와이어 단일 광자 검출기(superconducting nanowire single photon detectors, SNSPDs)를 사용하여, 약 200kHz 일치한다. 단일 광자의 구별은 V~0.99의 Hong-Ou-Mandel(HOM) 간섭 가시성에 의해 확인된다. 높은 HOM 가시성을 통해다중 광자 발생 이벤트도 무시할 수 있다.The same single photon at 1556 nm used by Alice and Bob is prepared by type II spontaneous parametric down-conversion using a 10 mm periodic polled KTP crystal pumped by a femtosecond laser pulse (not shown). The pump power and repetition rate of the pump are 10mW and 125MHz, respectively. Using superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs) with 80% of the single photon detection efficiency, approximately 200 kHz match. The distinction of single photons is confirmed by the Hong-Ou-Mandel (HOM) interference visibility of V~0.99. With high HOM visibility, even multi-photon-generated events can be ignored.
반파장 및 1/4파장 판(half- and quarter-wave plates / H, Q)의 세트에 의해 과 의 랜던 편광 상태가 인코딩된다. 단일 광자는 빔 스플리터(BS) 및 편광 빔 스플리터(PBS)를 사용하여 BSM을 수행하는 찰리에게 전송된다. 회전 양자 채널(와)을 정확하게 구현하기 위해, 양자 채널의 자유 공간에 파장판(waveplate)를 배치시켰다. 두 개의 1/4파장판 사이에 위치한 반파장판을 45도 회전시켜서, 수식 1의 기준 프레임 회전을 구현할 수 있다. 기준 프레임 회전 양자 채널의 효과를 조사하기 위해, 고정된 에 대한 에 대하여 MDI-QKD 및 RFI-MDI-QKD를 모두 수행하였다.by a set of half- and quarter-wave plates (H, Q) class The random polarization state of is encoded. A single photon is sent to Charlie performing BSM using a beam splitter (BS) and a polarizing beam splitter (PBS). rotating quantum channel ( Wow ), a waveplate was placed in the free space of the quantum channel. By rotating the half-wave plate positioned between the two quarter-wave plates by 45 degrees, rotation of the reference frame of Equation 1 can be implemented. To investigate the effect of a frame-rotated quantum channel of reference, a fixed for For both MDI-QKD and RFI-MDI-QKD were performed.
도 5는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 실험 결과이다.5 is an experimental result of the RFI-MDI-QKD communication system.
도 5를 참조하면, 왼쪽 열은 =0이고, 오른쪽 열은 =π/2인 데이터이다.Referring to FIG. 5 , the left column is = 0, the right column is = π/2 data.
도 5의 (a) 및 (e)는 의 다양한 기대값을 나타낸다. 가변하는 하에서 로 변하지 않는 동안, 모든 기대값은 V=0.945±0.002의 가시성을 가진 정현파 진동을 보여준다. 정현파 진동은 BSM를 위한 찰리의 BS에서 이상적이지 않는 위상 계수로 인해 표 1의 이론적 값에서 위상 변이가 있다. 이 역시, 수식 7을 증명한다.5 (a) and (e) are represents the various expected values of . variable under while not changing, all expected values show sinusoidal oscillations with visibility of V = 0.945 ± 0.002. The sinusoidal oscillations have a phase shift from the theoretical values in Table 1 due to the non-ideal phase coefficients in Charlie's BS for BSM. This also proves Equation 7.
도 5의 (b) 및 (f)를 참조하면, 기대값으로 다양한 축에서 QBER을 추정할 수 있다. X축과 Y축으 QBER은 정현파 진동을 나타내지만, Z축은 변화하지 않는다. 실험적으로 얻어진 Z축 QBER은 QZ=0.7-0.1%이다.Referring to (b) and (f) of FIG. 5 , it is possible to estimate QBER in various axes with expected values. On the X and Y axes, QBER shows sinusoidal oscillations, but the Z axis does not change. The experimentally obtained Z-axis QBER is Q Z =0.7-0.1%.
도 5의 (c) 및 (g)를 참조하면, C-파라미터를 확인할 수 있다. 가변하는 하에서 C-파라미터가 불변함을 명백하게 확인할 수 있다. 더 중요한 것은, C44, C24 및 C14의 C-파라미터가 서로 아주 유사하다는 것이다. 구체적으로 C44=1.77±0.03, C24=1.77±0.02 및 C14=1.77±0.003이다.Referring to (c) and (g) of Figure 5, it can be confirmed the C-parameter. variable It can be clearly seen that the C-parameter is unchanged under More importantly, C 44 , C 24 and The C -parameters of C 14 are very similar to each other. Specifically, C 44 =1.77±0.03, C 24 =1.77±0.02 and C 14 =1.77±0.003.
마지막으로, 도 5의 (d) 및 (h)는 비밀키 비율(r)을 나타낸다. 일반적인 MDI-QKD의 비밀 키 생성 속도는 에 따라 다르며 일부 영역에서는 positive 비밀 키를 생성하지 못한다. 반면에 RFIMDI-QKD는 임의이 에서도 항상 비밀 키를 생성할 수 있다. 또한 비밀키 생성 비율 r44, r24 및 r14가 매우 유사하다는 것은 적은 양자 상태를 사용하는 본 명세서에 따른 RFI-MDI-QKD 통신 시스템의 성능이 비슷하다는 것을 나타낸다.Finally, (d) and (h) of Figure 5 shows the secret key ratio (r). The general MDI-QKD secret key generation speed is , and it is not possible to generate a positive secret key in some areas. On the other hand, RFIMDI-QKD is arbitrary. can always generate a secret key. In addition, the fact that the secret key generation ratios r 44 , r 24 and r 14 are very similar indicates that the performance of the RFI-MDI-QKD communication system according to the present specification using a small quantum state is similar.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. In the above, the embodiments of the present specification have been described with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which this specification belongs can realize that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (10)
양자 상태를 양자채널로 전송하고, 벨 측정 상태 정보를 수신하는 퍼블릭채널을 가진 제2 통신 장치; 및
상기 제1 통신 장치의 양자채널 및 상기 제2 통신 장치의 양자채널을 통해 전송된 양자의 벨 상태 측정 결과를 퍼블릭채널을 통해 상기 제1 통신 장치 및 상기 제2 통신 장치에게 전송하는 제3 통신 장치;를 포함하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템에 있어서,
상기 제1 통신 장치는, 광원에서 나온 양자 상태의 X축과 Y축 사이에서 임의의 위상 차이를 발생시키는 간섭계; 및 광원에서 나온 양자 상태의 z축을 변조시키는 제1 변조기;를 포함하고,
상기 제2 통신 장치는, 광원에서 나온 양자 상태의 X축과 Y축 사이에서 임의의 위상 차이를 발생시키는 간섭계; 상기 간섭계 내 어느 한 광 경로 상에 위치한 제2 변조기; 및 광원에서 나온 양자 상태의 z축을 변조시키는 제3 변조기;를 포함하되,
상기 제1 통신 장치는, 상기 간섭계 내 모든 광 경로 상에 위상을 변조시키는 변조기가 배치되지 않고, 아래 수식에 따른 양자 상태를 전송하는 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.
,
: 빠른 타임-빈(fast time-bin)
: 느린 타임-빈(slow time-bin)
θ : 임의의 위상(θ)a first communication device having a public channel for transmitting a quantum state to a quantum channel and receiving bell measurement state information;
a second communication device having a public channel for transmitting a quantum state to a quantum channel and receiving bell measurement state information; and
A third communication device for transmitting the measurement result of the bell state of both the quantum channel of the first communication device and the quantum channel of the second communication device to the first communication device and the second communication device through a public channel In the RFI-MDI-QKD communication system comprising;
The first communication device includes: an interferometer for generating an arbitrary phase difference between the X-axis and the Y-axis of the quantum state emitted from the light source; and a first modulator for modulating the z-axis of the quantum state emitted from the light source;
The second communication device includes: an interferometer for generating an arbitrary phase difference between the X-axis and the Y-axis of the quantum state emitted from the light source; a second modulator positioned on either optical path in the interferometer; and a third modulator for modulating the z-axis of the quantum state emitted from the light source;
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the first communication device transmits a quantum state according to the following equation without a modulator for modulating a phase on all optical paths in the interferometer.
,
: fast time-bin
: slow time-bin
θ: any phase (θ) )
상기 제1 통신 장치 및 제2 통신 장치에 포함된 각각의 간섭계는,
2개의 빔 스플리터를 이용하여 길이가 서로 다른 2개의 광 경로를 형성하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.The method according to claim 1,
Each interferometer included in the first communication device and the second communication device,
An RFI-MDI-QKD communication system that uses two beam splitters to form two optical paths of different lengths.
상기 제2 통신 장치에 포함된 제2 변조기는, 상기 간섭계 내 서로 다른 2개의 광 경로 중 상대적으로 더 긴 광 경로 상에 배치된 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.3. The method according to claim 2,
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the second modulator included in the second communication device is disposed on a longer optical path among two different optical paths in the interferometer.
상기 제2 통신 장치에 포함된 제2 변조기는 위상 변조기(Phase modulator)인 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템. 3. The method according to claim 2,
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the second modulator included in the second communication device is a phase modulator.
상기 제1 통신 장치에 포함된 제1 변조기 및 상기 제2 통신 장치에 포함된 제3 변조기는 강도 변조기(Intensity modulator)인 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.The method according to claim 1,
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the first modulator included in the first communication device and the third modulator included in the second communication device are intensity modulators.
상기 제1 통신 장치에 포함된 간섭계는 광원과 제1 변조기 사이에 배치되고,
상기 제2 통신 장치에 포함된 간섭계는 광원과 제3 변조기 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.6. The method of claim 5,
The interferometer included in the first communication device is disposed between the light source and the first modulator,
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the interferometer included in the second communication device is disposed between the light source and the third modulator.
상기 광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.The method according to claim 1,
The RFI-MDI-QKD communication system, characterized in that the light source is a laser.
상기 제1 통신 장치 및 상기 제2 통신 장치는 각각 감쇄기;를 더 포함하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.8. The method of claim 7,
The RFI-MDI-QKD communication system further comprising a; each of the first communication device and the second communication device is an attenuator.
상기 제3 통신 장치는,
상기 제1 통신 장치와 상기 제2 통신 장치에서 전송된 양자 상태가 함께 통과하는 빔 스플리터;
상기 빔 스플리터를 통과한 양자 상태의 편광 진행 방향에 따라 편광 방향을 검출하는 2개의 편광 빔 스플리터; 및
각 편광 빔 스플리터에서 검출된 양자를 검출하는 검출기;를 포함하는 RFI-MDI-QKD 통신 시스템.The method according to claim 1,
The third communication device,
a beam splitter through which quantum states transmitted from the first communication device and the second communication device pass together;
two polarization beam splitters for detecting a polarization direction according to a polarization direction of a quantum state that has passed through the beam splitter; and
RFI-MDI-QKD communication system comprising a; detector for detecting the quantum detected in each polarizing beam splitter.
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