KR102384383B1 - 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치 - Google Patents
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Abstract
양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치는 얽힌 광자 쌍의 시그널 모드와 아이들러 모드를 방출하는 광원, 상기 시그널 모드가 피사체와 상호작용한 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제1 광자 측정 모듈, 상기 아이들러 모드가 상기 피사체와 상호작용 없이 입사되는 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제2 광자 측정 모듈, 및 상기 제1 광자 측정 모듈 및 상기 제2 광자 측정 모듈에 의해 측정되는 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함한다.
Description
본 발명은 단 픽셀 이미징 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치에 관한 것이다.
고스트 이미징(ghost imaging) 기법은 빛의 상관관계를 이용한 이미징 기법이다. CCD(charge coupled device)와 같은 다 픽셀 소자를 이용하여 빛의 위치에 따른 세기를 검출하는 기존 이미징 방법과는 달리, 고스트 이미징에서는 단 픽셀 측정기를 이용하여 피사체와 상호작용하는 빛의 세기만 측정하고 해당 빛과 위치 상관관계가 존재하는 빛(피사체와 상호작용하지 않는)에 대해서는 다 픽셀 측정기를 이용하여 위치에 따른 빛의 세기를 측정한 후 두 측정 결과를 종합하여 이미지를 구성하게 된다. 기존 이미징 방법이 다 픽셀 소자의 각 픽셀을 집약시키는데 있어서 양자 역학적 현상인 불확정성 원리 때문에 고해상도 이미지 소자를 소형화하는데 어려움이 있는 반면, 고스트 이미징은 이미지의 특성이 측정 소자가 아닌 광원에 의존하기 때문에 기존보다 저에너지로 고해상도, 고화질의 이미지를 얻기 위한 방법으로 기대되고 있다.
양자 역학적인 상관관계인 얽힘(entanglement)은 고전 물리학 이론으로는 설명되지 않는 강한 상관관계이다. 연속 변수 상태 중 최대 얽힌 상태(entangled state)인 이중 모드 진공 압축(two-mode squeezed vacuum, TMSV) 상태의 광원으로 고스트 이미징 현상이 처음 발견되었다. 이를 양자 고스트 이미징이라고 부른다.
또한, 얽힘은 양자 암호(quantum cryptography)에서도 보안성의 기반으로 사용된다. 기존 암호 체계가 계산 복잡성에 안전성의 기반을 두는 것과 달리, 양자 암호 체계에서는 물리적 현상이 보안성의 기반이 된다. 두 개의 상태가 최대 얽힘 상태인 계가 있다면 다른 상태는 해당 계와 상관관계가 있을 수 없다는 일부일처(monogamy) 이론, 임의의 양자 상태를 완벽하게 복사하는 것은 불가능하다는 복제 불가성 정리(no-cloning theorem) 등이다. 따라서 도청자가 전송 매개체인 양자 상태를 탈취하여 부호화된 정보를 도청하고자 할 때 사용자가 도청자의 존재를 확인할 수 있고, 사용자가 해당 정보를 버리는 것으로 도청자가 얻은 정보를 무력화할 수 있다.
양자 고스트 이미징과 양자 암호는 모두 얽힌 상태를 이용하여 구현할 수 있다. 이를 이용하여 양자 고스트 이미징과 양자 암호를 병렬적으로 구현하여 적성 집단이 이미징을 방해하거나 교란하는 경우 이를 발견할 수 있는 양자 보안 고스트 이미징이 제안되었다. 양자 얽힌 광원에서 생성된 빛을 양자 채널을 통해 진행시킨 후, 빔가르개를 이용하여 해당 광원을 양자 암호 혹은 양자 고스트 이미징 모듈에 입사시켜 둘 중 하나의 프로토콜을 수행하게 한다. 이를 여러 번 반복하면 양자 고스트 이미징이 가능하며, 양자 암호 모듈을 통해서 해당 양자 채널의 보안성을 검증하는 것이다. 하지만 이러한 방식은 단순히 두 프로토콜의 병렬 처리이며, 광원에서 생성된 얽힌 광자 쌍 각각이 모두 같은 모듈에 입사되었을 때만 프로토콜이 구성되므로 전체 광자 쌍의 수 중 1/2만큼은 버려지게 된다. 또한, 적성 집단이 두 프로토콜을 구현하는 양자 채널에 분리를 만들 수 있다면, 양자 보안 채널은 상호작용하지 않고, 양자 이미징 채널에만 상호작용을 하는 방식으로 이미징을 방해 혹은 변조할 가능성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광원에서 생성된 얽힌 광자 쌍을 이용하여 단 픽셀 이미징을 구현하면서 동시에 이미징에 사용되는 광자 쌍을 통해 양자 보안을 확인할 수 있는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치는 얽힌 광자 쌍의 시그널 모드와 아이들러 모드를 방출하는 광원, 상기 시그널 모드가 피사체와 상호작용한 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제1 광자 측정 모듈, 상기 아이들러 모드가 상기 피사체와 상호작용 없이 입사되는 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제2 광자 측정 모듈, 및 상기 제1 광자 측정 모듈 및 상기 제2 광자 측정 모듈에 의해 측정되는 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함한다.
상기 제1 광자 측정 모듈은, 측정 기저 변환을 위하여 상기 시그널 모드를 변조하는 측정 기저 선택부, 상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부, 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제1 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기, 및 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제2 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기를 포함할 수 있다.
상기 제1 광자 수 측정기 및 상기 제2 광자 수 측정기는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
상기 제2 광자 측정 모듈은, 측정 기저 변환을 위하여 상기 아이들러 모드를 변조하는 측정 기저 선택부, 상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부, 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제3 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기, 및 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제4 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기를 포함할 수 있다. 하
상기 제3 광자 수 측정기 및 상기 제4 광자 수 측정기는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 제1 광자 측정 모듈 및 상기 제2 광자 측정 모듈에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구할 수 있다.
상기 측정 기저는 편광을 포함하고, 상기 제1 광자 측정 모듈과 상기 제2 광자 측정 모듈은 편광계를 무작위로 선택할 수 있다.
상기 제1 광자 측정 모듈과 상기 제2 광자 측정 모듈 각각이 선택한 편광계는 통신을 통해 공유되고, 측정 기저가 동일한 시행에 대한 편광 측정 결과를 공개하여 양자 보안이 확인될 수 있다.
상기 제1 광자 측정 모듈은, 상기 시그널 모드를 분리하는 빔가르개, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하는 제1 측정 기저 구현부, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력하는 제2 측정 기저 구현부, 상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제1 편광과 제2 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부, 상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제3 편광과 제4 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부, 상기 제1 편광의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기. 상기 제2 편광의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기, 상기 제3 편광의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기, 및 상기 제4 편광의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기를 포함할 수 있다.
상기 제2 광자 측정 모듈은, 상기 아이들러 모드를 분리하는 빔가르개, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하는 제1 측정 기저 구현부, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력하는 제2 측정 기저 구현부, 상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제5 편광과 제6 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부, 상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제7 편광과 제8 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부, 상기 제5 편광의 광량을 측정하는 제5 광자 수 측정기, 상기 제6 편광의 광량을 측정하는 제6 광자 수 측정기, 상기 제7 편광의 광량을 측정하는 제7 광자 수 측정기, 및 상기 제8 편광의 광량을 측정하는 제8 광자 수 측정기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치는 측정 기저 변환을 위하여 시그널 모드를 변조하는 측정 기저 선택부, 상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부, 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제1 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기, 상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제2 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기, 및 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함한다.
상기 신호 처리부는 상기 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구하여 전체 이미지를 구성할 수 있다.
상기 측정 기저 선택부는 편광계를 무작위로 선택하고, 상기 시그널 모드에 대해 선택된 편광계와 상기 아이들러 모드에 대해 선택된 편광계는 통신을 통해 공유되고, 측정 기저가 동일한 시행에 대한 편광 측정 결과를 공개하여 양자 보안이 확인될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치는 시그널 모드를 분리하는 빔가르개, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광에 측정 기저를 적용하는 제1 측정 기저 구현부, 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광에 측정 기저를 적용하는 제2 측정 기저 구현부, 상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제1 편광과 제2 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부, 상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제3 편광과 제4 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부, 상기 제1 편광의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기, 상기 제2 편광의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기, 상기 제3 편광의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기, 상기 제4 편광의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기, 및 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값, 상기 제2 측정값, 상기 제3 측정값 및 상기 제4 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함한다.
상기 신호 처리부는 상기 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값, 상기 제2 측정값, 상기 제3 측정값 및 상기 제4 측정값에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구하여 전체 이미지를 구성할 수 있다.
상기 제1 측정 기저 구현부는 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하고, 상기 제2 측정 기저 구현부는 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치는 버려지는 광자 쌍 없이 양자 보안이 적용되는 단 픽셀 이미징을 구성할 수 있다. 이는 기존의 양자 보안 고스트 이미징보다 에너지 효율적으로, 더 안전하게 이미지 구성 및 양자 보안 확인이 가능하며, 단 픽셀 이미징을 적용함으로써 질 높은 이미지를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 이용하여 적성 집단의 변조를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 이용하여 적성 집단의 변조를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치(100)는 광원(10), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)(20), 제1 광자 측정 모듈(30), 제2 광자 측정 모듈(40) 및 신호 처리부(50)를 포함할 수 있다.
광원(10)은 얽힌 광자 쌍을 갖는 빛을 방출한다. 얽힌 광자 쌍 중에서 피사체와 상호작용할 광자를 시그널 모드라 하고, 다른 하나를 아이들러 모드라 한다. 광원(10)에서 방출된 시그널 모드는 공간 광 변조기(20)에 입사되고, 공간 광 변조기(20)는 입력된 변조 패턴에 따라 피사체를 비추는 빛의 공간 분포를 변조할 수 있다. 공간 광 변조기(20)에 의해 공간 분포가 변조된 빛은 피사체로 보내지고, 피사체와의 상호작용(반사 또는 투과) 후 제1 광자 측정 모듈(30)로 입사된다. 제1 광자 측정 모듈(30)은 피사체와 상호작용한 빛의 세기를 측정한다. 제1 광자 측정 모듈(30)은 단 픽셀 검출기를 포함할 수 있다. 광원(10)에서 방출된 아이들러 모드는 피사체와의 상호작용 없이 제2 광자 측정 모듈(40)로 입사되고, 제2 광자 측정 모듈(40)은 피사체와 상호작용 없이 입사되는 빛의 세기를 측정한다. 제2 광자 측정 모듈(40)은 단 픽셀 검출기를 포함할 수 있다. 신호 처리부(50)는 제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)에 의해 측정되는 측정값으로부터 이미지를 획득하고, 측정값을 이용하여 양자 보안을 확인할 수 있다. 신호 처리부(50)는 제1 광자 측정 모듈(30)에서 측정된 측정값과 제2 광자 측정 모듈(40)에서 측정된 측정값을 비교하기 위한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.
제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)의 상세한 구성 및 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 방법에 대해서는 도 2 내지 7을 참조하여 후술한다.
이하, 도 2 내지 4를 참조하여 능동형 양자 보안 모듈을 이용한 단 픽셀 이미징 장치(100)에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제1 광자 측정 모듈(30)은 제1 양자 보안 모듈(300), 제1 광자 수 측정기(331) 및 제2 광자 수 측정기(332)를 포함할 수 있다. 제1 양자 보안 모듈(300)은 능동형 양자 보안 모듈로서 측정 기저 선택부(310) 및 측정값 분리부(320)를 포함할 수 있다.
능동형 양자 보안 모듈에서는 2개 이상의 측정 기저를 사용할 수 있으며, 측정 기저 선택부(310)는 측정 기저 변환을 위하여 입사광(시그널 모드)을 변조시킬 수 있다. 측정 기저는 양자 보안 확인을 수행할 수 있는 모든 물리량을 포함할 수 있다. 즉, 측정 기저는 양자 키 분배(quantum key distribution)에서 사용되는 모든 물리량을 포함할 수 있으며, 예를 들어 편광, 시간-빈(time-bin), 주파수-빈(frequency-bin), 광자의 궤도 각 운동량(orbital angular momentum, OAM) 등이 측정 기저로 이용될 수 있다.
측정값 분리부(320)는 측정 기저에 대한 측정값을 분리하여 측정할 수 있도록 측정 기저 선택부(310)에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하여 내보낼 수 있다. 예시한 바와 같이, 측정값 분리부(320)는 측정 기저 선택부(310)로부터 입사되는 빛을 분리하여 제1 광자 수 측정기(331) 및 제2 광자 수 측정기(332)로 보낼 수 있으며, 제1 광자 수 측정기(331)에 입사되는 빛은 제1 측정값을 가지고, 제2 광자 수 측정기(332)에 입사되는 빛은 제2 측정값을 가질 수 있다.
제1 광자 수 측정기(331)는 제1 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제2 광자 수 측정기(332)는 제2 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제1 광자 수 측정기(331)와 제2 광자 수 측정기(332)는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제2 광자 측정 모듈(40)은 제2 양자 보안 모듈(400), 제3 광자 수 측정기(431) 및 제4 광자 수 측정기(432)를 포함할 수 있다. 제2 양자 보안 모듈(400)은 능동형 양자 보안 모듈로서 측정 기저 선택부(410) 및 측정값 분리부(420)를 포함할 수 있다.
측정 기저 선택부(410)는 측정 기저 변환을 위하여 입사광(아이들러 모드)을 변조시킬 수 있다.
측정값 분리부(420)는 측정 기저에 대한 측정값을 분리하여 측정할 수 있도록 측정 기저 선택부(410)에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하여 제3 광자 수 측정기(431) 및 제4 광자 수 측정기(432)로 보낼 수 있다. 제3 광자 수 측정기(431)에 입사되는 빛은 제3 측정값을 가지고, 제4 광자 수 측정기(432)에 입사되는 빛은 제4 측정값을 가질 수 있다.
제3 광자 수 측정기(431)는 제3 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제4 광자 수 측정기(432)는 제2 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제3 광자 수 측정기(431)와 제4 광자 수 측정기(432)는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 4를 참조하면, 신호 처리부(50)는 제1 광자 측정 모듈(30)에 포함된 제1 광자 수 측정기(331)와 제2 광자 수 측정기(332), 그리고 제2 광자 측정 모듈(40)에 포함된 제3 광자 수 측정기(431)와 제4 광자 수 측정기(432)에 대하여 동시 측정(또는 특정 시간차 측정)으로 얻어지는 측정 결과를 기록하여 수학식 1과 같이 종합하여 피사체의 이미지를 획득할 수 있다.
여기서, (i, j)는 공간적 x-y 좌표를 의미하고, P는 패턴, I는 동시(또는 특정 시간차)에 측정된 광자 수를 의미하고, 밑수 k는 k번째 시행을 나타내며, N은 전체 시행 횟수를 의미한다. 각 x-y 좌표에 대하여 결과값 R을 구함으로써 전체 이미지가 구성될 수 있다.
양자 광의 시간에 대한 상관관계는 표준화된 동시 측정 수인 
함수를 이용하여 구할 수 있으며, 이는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
여기서 
은 광자 수 연산자이며, 밑 글자 S는 시그널 모드를 나타내고, 밑 글자 I는 아이들러 모드를 나타낸다. 양자 물리를 배제한 물리학에서 최대 시간 상관관계를 갖고 있는 분할된 열 광원(thermal light)의 경우 
함수에 대해 2의 상한을 갖는 것과 달리 양자 얽힌 광원의 경우 이론적으로 무한대의 값을 가질 수 있다. 따라서 이를 이용하여 동시(또는 특정 시간차)에 들어오는 광자 쌍이 측정될 수 있다.
상세하게, 단 픽셀 이미징 방법은 다음과 같이 (1) 내지 (8) 과정으로 진행될 수 있다.
(1) 광원(10)에서 얽힌 광자 쌍이 생성된 후 시그널 모드와 아이들러 모드로 분리될 수 있다.
(2) 시그널 모드는 공간 광 변조기(20)에서 의해 공간 분포가 변조되어 부호화될 수 있다.
(3) 부호화된 시그널 모드가 피사체에 보내질 수 있다.
(4) 피사체와 상호작용한 시그널 모드의 광자가 제1 광자 측정 모듈(30)에 의해 측정될 수 있다.
(5) 아이들러 모드는 피사체와 상호작용 없이 제2 광자 측정 모듈(40)에 의해 측정될 수 있다.
(6) 시그널 모드를 피사체에 보내어 측정하고 아이들러 모드를 측정하는 과정((3) 내지 (5) 과정)을 반복하여 동시(또는 특정 시간차)에 측정된 광자 수가 기록될 수 있다.
(7) 공간 광 변조기(20)의 변조 패턴을 바꾸어 (3) 내지 (6) 과정을 반복하여 각 패턴마다 동시(또는 특정 시간차)에 측정된 광자 수가 기록될 수 있다.
(8) 동시(또는 특정 시간차)에 측정된 광자 수와 공간 광 변조기(20)의 패턴을 이용하여 피사체의 이미지가 구성될 수 있다.
다음으로, 양자 보안을 확인하는 방법에 대하여 설명한다. 양자 보안을 확인하는 방법은 다음과 같이 (a) 내지 (f) 과정으로 진행될 수 있다.
설명의 편의를 위해, 광자의 편광을 이용하여 양자 보안을 확인하는 방법을 예로 들어 설명한다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치(100)는 편광뿐만 아니라 측정 기저로서 시간-빈, 주파수-빈, 광자의 궤도 각 운동량 등 양자 키 분배에 사용되는 모든 물리량을 적용할 수 있다.
예시로 사용된 편광 상태는 직교 편광계에서의 수직 편광(V)과 수평 편광(H), 그리고 대각 편광계에서의 오른 대각 편광(D)과 왼 대각 편광(A)이다. 단 광자에서 2개의 측정 기저인 직교 편광계와 대각 편광계를 구성하는 각 편광 사이의 관계는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
즉, 각 편광 상태는 다른 기저의 편광 상태의 1/2 중첩 상태로 표현될 수 있다.
(a) 광원(10)은 편광에 대해 얽힌 관계를 갖는 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있다. 얽힌 광자 쌍은 시그널 모드(S)와 아이들러 모드(I)를 포함하고, 시그널 모드(S)와 아이들러 모드(I)는 같은 편광을 가지거나 또는 서로 다른 편광을 가질 수 있다. 시그널 모드(S)와 아이들러 모드(I)가 같은 편광을 갖는 경우를 예시로 설명하면, 수식적으로는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
즉, 시그널 모드(S)와 아이들러 모드(I)에 대해 같은 기저로 측정하는 경우에는 항상 같은 편광 상태를 가지게 된다.
(b) 제1 양자 보안 모듈(300)과 제2 양자 보안 모듈(400)이 측정 기저(편광계)를 선택할 수 있다. 편광 상태를 이용하는 경우 편광계의 선택은 모터에 의해 제어되는 반파장판(motorized half waveplate)에 의해 구현될 수 있다.
이때, 제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)을 서로 다른 사용자가 가지고 있는 경우, 제1 양자 보안 모듈(300)과 제2 양자 보안 모듈(400) 각각은 무작위로 측정 기저를 선택할 수 있다.
또는, 제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)을 한 사용자가 가지고 있는 경우, 제1 양자 보안 모듈(300)과 제2 양자 보안 모듈(400)은 무작위로 측정 기저를 선택하여 동일하게 적용할 수 있다.
(c) 제1 양자 보안 모듈(300)은 측정값 분리부(320)를 이용하여 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리한 후 제1 광자 수 측정기(331)와 제2 광자 수 측정기(332)로 광자의 편광 상태를 측정할 수 있다. 그리고 제2 양자 보안 모듈(400)은 측정값 분리부(420)를 이용하여 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리한 후 제3 광자 수 측정기(431)와 제4 광자 수 측정기(432)로 광자의 편광 상태를 측정할 수 있다. 이때, 제1 양자 보안 모듈(300)과 제2 양자 보안 모듈(400) 각각의 측정값 분리부(320, 420)는 편광 빔 분리기(polarizing beam splitter, PBS)를 이용할 수 있다.
(d) 얽힌 광자 쌍을 생성하는 과정(a)부터 광자의 편광 상태를 측정하는 과정(c)이 반복 수행될 수 있다. 이러한 반복 수행 과정은 피사체의 이미지를 구성하기 위하여 시그널 모드와 아이들러 모드를 반복하여 동시(또는 특정 시간차)에 측정하는 과정과 함께 수행될 수 있다.
(e) 신호 처리부(50)는 광자의 편광 상태를 측정하는 과정을 반복 수행하여 획득된 편광 측정 결과를 이용하여 양자 보안을 확인할 수 있다.
이때, 제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)을 서로 다른 사용자가 가지고 있는 경우, (b) 과정에서 제1 양자 보안 모듈(300)과 제2 양자 보안 모듈(400) 각각이 선택한 측정 기저(편광계)는 통신을 통해 공유되며, 측정 기저가 동일한 시행에 대해서 편광 측정 결과 전체(또는 일부)를 공개(비교)하여 양자 보안이 확인될 수 있다.
또는, 제1 광자 측정 모듈(30)과 제2 광자 측정 모듈(40)을 한 사용자가 가지고 있는 경우, 편광 측정 결과를 모두 이용하여 양자 보안이 확인될 수 있다.
양자 보안을 확인하는 방법으로 양자 키 분배에서 사용되는 방법이 사용될 수 있다. 양자 키 분배에서 점근적인(asympotic) 암호키 생성률(r)은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
여기서 
이며, 
은 직교 편광계에서의 양자 비트 오류율(quantum bit error rate, QBER), 
는 대각 편광계에서의 양자 비트 오류율을 나타낸다. 각 양자 비트 오류율은 각 편광계에서 서로 다른 편광이 측정된 비율로 획득될 수 있으며, 암호키 생성률(r)이 1에서 멀어질수록 이미지 변조가 존재할 확률이 커진다고 말할 수 있다. 암호키 생성률(r)이 0이 된다면 변조된 이미지임을 확실시할 수 있다.
(f) 양자 보안을 통과한 경우 획득된 이미지는 신뢰할 수 있는 이미지로서 유효한 이미지로 사용될 수 있고, 양자 보안을 통과하지 못한 경우 획득된 이미지는 신뢰할 수 없는 이미지로서 폐기될 수 있다.
단 픽셀 이미징은 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계를 이용하며, 양자 보안에서는 해당 얽힌 광자 쌍의 편광 상관관계를 이용한다. 시간과 편광 두 물리량은 양립할 수 있는(compatible) 물리량, 즉 각 물리량에 대한 측정이 다른 물리량에 영향을 주지 않는 물리량들이다. 따라서 하나의 광자 쌍에 대해서 시간 상관관계와 편광 상관관계를 동시에 정확히 측정하는 것이 가능하다.
이하, 도 5 내지 7을 참조하여 수동형 양자 보안 모듈을 이용한 단 픽셀 이미징 장치(100)에 대하여 설명한다. 도 2 내지 4에서 상술한 능동형 양자 보안 모듈을 이용한 실시예와 비교하여 차이점 위주로 설명하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 제1 광자 측정 모듈(30)은 제1 양자 보안 모듈(300), 제1 광자 수 측정기(361), 제2 광자 수 측정기(362), 제3 광자 수 측정기(363) 및 제4 광자 수 측정기(364)를 포함할 수 있다. 제1 양자 보안 모듈(300)은 수동형 양자 보안 모듈로서 빔가르개(340), 제1 측정 기저 구현부(341), 제2 측정 기저 구현부(342), 제1 측정값 분리부(351) 및 제2 측정값 분리부(352)를 포함할 수 있다.
빔가르개(340)는 입사광(시그널 모드)을 분리하는 50:50 빔가르개일 수 있다. 입사광(시그널 모드)은 단 광자 수준의 신호이기 때문에 빔가르개(340)에 의해 1/2 확률로 제1 측정 기저 구현부(341) 또는 제2 측정 기저 구현부(342)로 진행하게 된다.
제1 측정 기저 구현부(341)와 제2 측정 기저 구현부(342)는 입사광에 대해 측정 기저를 적용한다. 측정 기저가 편광인 경우, 제1 측정 기저 구현부(341)는 빔가르개(340)를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하고, 제2 측정 기저 구현부(342)는 빔가르개(340)를 통해 입사되는 입사광을 반 파장판(half-wave plate)으로 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력할 수 있다.
제1 측정값 분리부(351)와 제2 측정값 분리부(352)는 측정 기저에 대한 측정값을 분리하여 측정할 수 있도록 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하여 내보낼 수 있다. 측정 기저가 편광인 경우, 제1 측정값 분리부(351)와 제2 측정값 분리부(352)는 편광 빔가르개일 수 있다. 즉, 제1 측정값 분리부(351)는 제1 측정 기저 구현부(341)를 통해 입사되는 입사광을 제1 편광(제1 측정값)과 제2 편광(제2 측정값)으로 분리할 수 있다. 제2 측정값 분리부(352)는 제2 측정 기저 구현부(342)를 통해 입사되는 입사광을 제3 편광(제3 측정값)과 제4 편광(제4 측정값)으로 분리할 수 있다.
제1 광자 수 측정기(361)는 제1 측정값 분리부(351)에 의해 분리된 제1 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정하고, 제2 광자 수 측정기(362)는 제1 측정값 분리부(351)에 의해 분리된 제2 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제3 광자 수 측정기(363)는 제2 측정값 분리부(352)에 의해 분리된 제3 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정하고, 제4 광자 수 측정기(364)는 제2 측정값 분리부(352)에 의해 분리된 제4 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제1 광자 수 측정기(361), 제2 광자 수 측정기(362), 제3 광자 수 측정기(363) 및 제4 광자 수 측정기(364)는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 광자 측정 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 제2 광자 측정 모듈(40)은 제2 양자 보안 모듈(400), 제5 광자 수 측정기(461), 제6 광자 수 측정기(462), 제7 광자 수 측정기(463) 및 제8 광자 수 측정기(464)를 포함할 수 있다. 제2 양자 보안 모듈(400)은 수동형 양자 보안 모듈로서 빔가르개(440), 제1 측정 기저 구현부(441), 제2 측정 기저 구현부(442), 제1 측정값 분리부(451) 및 제2 측정값 분리부(452)를 포함할 수 있다.
제2 양자 보안 모듈(400)의 구성은 입사광이 아이들러 모드인 것을 제외하고 도 5에서 상술한 제1 양자 보안 모듈(300)의 구성과 실질적으로 동일하다.
빔가르개(440)는 입사광(아이들러 모드)을 분리하는 50:50 빔가르개일 수 있다. 입사광(아이들러 모드)은 단 광자 수준의 신호이기 때문에 빔가르개(440)에 의해 1/2 확률로 제1 측정 기저 구현부(441) 또는 제2 측정 기저 구현부(442)로 진행하게 된다.
제1 측정 기저 구현부(441)와 제2 측정 기저 구현부(442)는 입사광에 대해 측정 기저를 적용한다. 측정 기저가 편광인 경우, 제1 측정 기저 구현부(441)는 빔가르개(440)를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하고, 제2 측정 기저 구현부(442)는 빔가르개(440)를 통해 입사되는 입사광을 반 파장판(half-wave plate)으로 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력할 수 있다.
제1 측정값 분리부(451)와 제2 측정값 분리부(452)는 측정 기저에 대한 측정값을 분리하여 측정할 수 있도록 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하여 내보낼 수 있다. 측정 기저가 편광인 경우, 제1 측정값 분리부(451)와 제2 측정값 분리부(452)는 편광 빔가르개일 수 있다. 즉, 제1 측정값 분리부(451)는 제1 측정 기저 구현부(441)를 통해 입사되는 입사광을 제5 편광(제5 측정값)과 제6 편광(제6 측정값)으로 분리할 수 있다. 제2 측정값 분리부(452)는 제2 측정 기저 구현부(442)를 통해 입사되는 입사광을 제7 편광(제7 측정값)과 제8 편광(제8 측정값)으로 분리할 수 있다.
제5 광자 수 측정기(461)는 제1 측정값 분리부(451)에 의해 분리된 제5 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정하고, 제6 광자 수 측정기(462)는 제1 측정값 분리부(451)에 의해 분리된 제6 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제7 광자 수 측정기(463)는 제2 측정값 분리부(452)에 의해 분리된 제7 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정하고, 제8 광자 수 측정기(464)는 제2 측정값 분리부(452)에 의해 분리된 제8 측정값을 갖는 광자의 광자 수(광량)를 측정할 수 있다. 제5 광자 수 측정기(461), 제6 광자 수 측정기(462), 제7 광자 수 측정기(463) 및 제8 광자 수 측정기(464)는 단 픽셀 검출기일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동형 양자 보안 모듈을 이용하여 단 픽셀 이미징과 양자 보안 확인을 수행하는 광자 쌍 측정 방법의 개략적인 예시도이다.
도 7을 참조하면, 신호 처리부(50)는 제1 광자 측정 모듈(30)에 포함된 제1 광자 수 측정기(331), 제2 광자 수 측정기(332), 제3 광자 수 측정기(363) 및 제4 광자 수 측정기(364), 그리고 제2 광자 측정 모듈(40)에 포함된 제5 광자 수 측정기(461), 제6 광자 수 측정기(462), 제7 광자 수 측정기(463) 및 제8 광자 수 측정기(464)에 대하여 동시 측정(또는 특정 시간차 측정)으로 얻어지는 측정 결과를 기록하고 종합하여 피사체의 이미지를 획득할 수 있으며, 양자 보안을 확인할 수 있다.
단 픽셀 이미징 방법과 양자 보안을 확인하는 방법은 8개의 측정 결과를 이용하는 점을 제외하고 도 2 내지 4에서 상술한 방법과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치(100)를 이용하여 적성 집단의 변조를 탐지하는 과정에 대하여 설명한다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치를 이용하여 적성 집단의 변조를 탐지하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 내지 10을 참조하면, 적성 집단은 단 픽셀 이미징 시스템에서 얻을 이미지를 변조하려 하는 존재를 나타낸다. 여기서, 적성 집단은 광 송신부에서 보내는 광의 부호화된 패턴을 모두 알고 있다고 가정한다. 적성 집단이 사용할 수 있는 방법은 광 송신부에서 오는 빛을 흡수한 후, 각 패턴에 따라 변조 이미지를 얻는 광량(광자 수)을 계산하여 수신부에 보내는 것이다. 양자 보안에 탐지되지 않기 위해서는 시그널 모드의 편광을 측정하여 측정된 편광 상태를 부호화하여 광 수신부로 보내는 것이 가장 간단한 방법이다.
도 8은 적성 집단의 가장 간단한 전략인 광자 탈취 후 재전송(intercept-and-resend) 공격을 예시한 것으로, 송신부에서 전송된 편광 상태가 수평 편광인 경우 변조가 성공하는 경우와 발각되는 경우를 나타내고 있다. 사용자와 마찬가지로 적성 집단 또한 두 개의 기저 중 하나를 선택하여 광자를 측정해야 한다. 사용자와 같은 기저를 선택한 경우에는 변조가 발견되지 않지만, 사용자와 다른 기저를 이용한 경우에는 송신부와 수신부에서의 편광이 다른 경우의 수가 존재하게 된다. 이 경우 사용자는 적성 집단의 변조 공격을 알아챌 수 있다. 사용자는 기저를 무작위로 선택하므로 적성 집단이 무작위로 기저를 선택하는 경우 다른 기저를 선택할 확률은 50%이고, 편광 상태를 수신부에서 측정할 때 초기 편광 상태와 다른 편광 상태로 측정될 확률이 50%이므로 해당 공격을 행하는 경우 오류율은 25%이다. 이와 같이, 적성 집단이 변조를 시도할 경우, 양자 보안 확인을 통해 오류율을 계산함으로써 적성 집단의 공격이 탐지될 수 있다.
도 9는 적성 집단이 변조를 시도하는 경우와 그렇지 않는 경우에 얻을 수 있는 이미지를 예시한 것으로, 해당 이미지에 대한 양자 보안 확인에서의 오류율을 나타낸다. 이때, 적성 집단의 전략은 탈취 후 재전송 전략을 가정한다. 송수신 간에 편광이 틀어질 수 있으므로 실제 구현에서 오류율이 0이 되기는 어려우나, 이러한 오류율은 배경 오류율로 작용한다. 적성 집단에 의한 변조가 일어나는 경우 25% 이상의 오류가 발견되어 해당 이미지가 신뢰할 수 없는 변조된 이미지임이 확인될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치(100)는 단 픽셀 이미징을 통해 얻을 수 있는 배경 잡음에 대한 내성과 이미지의 질 향상을 확보하면서도 이미지 변조에 대한 보안성을 향상시킬 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 광원 20: 공간 광 변조기
30: 제1 광자 측정 모듈 40: 제2 광자 측정 모듈
50: 신호 처리부 100: 단 픽셀 이미징 장치
300: 제1 양자 보안 모듈 310, 410: 측정 기저 선택부
320, 420: 측정값 분리부 331: 제1 광자 수 측정기
332: 제2 광자 수 측정기 340: 빔가르개
341: 제1 측정 기저 구현부 342: 제2 측정 기저 구현부
351: 제1 측정값 분리부 352: 제2 측정값 분리부
361: 제1 광자 수 측정기 362: 제2 광자 수 측정기
363: 제3 광자 수 측정기 364: 제4 광자 수 측정기
400: 제2 양자 보안 모듈 431: 제3 광자 수 측정기
432: 제4 광자 수 측정기 440: 빔가르개
441: 제1 측정 기저 구현부 442: 제2 측정 기저 구현부
451: 제1 측정값 분리부 452: 제2 측정값 분리부
461: 제5 광자 수 측정기 462: 제6 광자 수 측정기
463: 제7 광자 수 측정기 464: 제8 광자 수 측정기
30: 제1 광자 측정 모듈 40: 제2 광자 측정 모듈
50: 신호 처리부 100: 단 픽셀 이미징 장치
300: 제1 양자 보안 모듈 310, 410: 측정 기저 선택부
320, 420: 측정값 분리부 331: 제1 광자 수 측정기
332: 제2 광자 수 측정기 340: 빔가르개
341: 제1 측정 기저 구현부 342: 제2 측정 기저 구현부
351: 제1 측정값 분리부 352: 제2 측정값 분리부
361: 제1 광자 수 측정기 362: 제2 광자 수 측정기
363: 제3 광자 수 측정기 364: 제4 광자 수 측정기
400: 제2 양자 보안 모듈 431: 제3 광자 수 측정기
432: 제4 광자 수 측정기 440: 빔가르개
441: 제1 측정 기저 구현부 442: 제2 측정 기저 구현부
451: 제1 측정값 분리부 452: 제2 측정값 분리부
461: 제5 광자 수 측정기 462: 제6 광자 수 측정기
463: 제7 광자 수 측정기 464: 제8 광자 수 측정기
Claims (16)
- 얽힌 광자 쌍의 시그널 모드와 아이들러 모드를 방출하는 광원;
상기 시그널 모드가 피사체와 상호작용한 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제1 광자 측정 모듈;
상기 아이들러 모드가 상기 피사체와 상호작용 없이 입사되는 빛의 광량 및 측정 기저를 측정하는 제2 광자 측정 모듈; 및
상기 제1 광자 측정 모듈 및 상기 제2 광자 측정 모듈에 의해 측정되는 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 신호 처리부는 상기 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계와 편광 상관관계를 동시에 측정하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계를 이용하여 상기 이미지를 획득하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 편광 상관관계를 이용하여 상기 양자 보안을 확인하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 광자 측정 모듈은,
측정 기저 변환을 위하여 상기 시그널 모드를 변조하는 측정 기저 선택부;
상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부;
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제1 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기; 및
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제2 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기를 포함하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 광자 수 측정기 및 상기 제2 광자 수 측정기는 단 픽셀 검출기인 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 광자 측정 모듈은,
측정 기저 변환을 위하여 상기 아이들러 모드를 변조하는 측정 기저 선택부;
상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부;
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제3 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기; 및
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제4 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기를 포함하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제4 항에 있어서,
상기 제3 광자 수 측정기 및 상기 제4 광자 수 측정기는 단 픽셀 검출기인 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 제1 광자 측정 모듈 및 상기 제2 광자 측정 모듈에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구하여 전체 이미지를 구성하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 측정 기저는 편광을 포함하고,
상기 제1 광자 측정 모듈과 상기 제2 광자 측정 모듈은 편광계를 무작위로 선택하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 제1 광자 측정 모듈과 상기 제2 광자 측정 모듈 각각이 선택한 편광계는 통신을 통해 공유되고, 측정 기저가 동일한 시행에 대한 편광 측정 결과를 공개하여 양자 보안이 확인되는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 광자 측정 모듈은,
상기 시그널 모드를 분리하는 빔가르개;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하는 제1 측정 기저 구현부;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력하는 제2 측정 기저 구현부;
상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제1 편광과 제2 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부;
상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제3 편광과 제4 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부;
상기 제1 편광의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기;
상기 제2 편광의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기;
상기 제3 편광의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기; 및
상기 제4 편광의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기를 포함하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 광자 측정 모듈은,
상기 아이들러 모드를 분리하는 빔가르개;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하는 제1 측정 기저 구현부;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력하는 제2 측정 기저 구현부;
상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제5 편광과 제6 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부;
상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제7 편광과 제8 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부;
상기 제5 편광의 광량을 측정하는 제5 광자 수 측정기;
상기 제6 편광의 광량을 측정하는 제6 광자 수 측정기;
상기 제7 편광의 광량을 측정하는 제7 광자 수 측정기; 및
상기 제8 편광의 광량을 측정하는 제8 광자 수 측정기를 포함하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 측정 기저 변환을 위하여 시그널 모드를 변조하는 측정 기저 선택부;
상기 측정 기저 선택부에 의해 측정값을 갖는 빛을 공간적으로 분리하는 측정값 분리부;
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제1 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기;
상기 측정값 분리부에 의해 분리되어 제2 측정값을 갖는 광자의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기; 및
아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 신호 처리부는 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계와 편광 상관관계를 동시에 측정하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계를 이용하여 상기 이미지를 획득하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 편광 상관관계를 이용하여 상기 양자 보안을 확인하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제11 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값 및 상기 제2 측정값에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구하여 전체 이미지를 구성하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제11 항에 있어서,
상기 측정 기저 선택부는 편광계를 무작위로 선택하고,
상기 시그널 모드에 대해 선택된 편광계와 상기 아이들러 모드에 대해 선택된 편광계는 통신을 통해 공유되고, 측정 기저가 동일한 시행에 대한 편광 측정 결과를 공개하여 양자 보안이 확인되는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 시그널 모드를 분리하는 빔가르개;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광에 측정 기저를 적용하는 제1 측정 기저 구현부;
상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광에 측정 기저를 적용하는 제2 측정 기저 구현부;
상기 제1 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제1 측정값을 갖는 제1 편광과 제2 측정값을 갖는 제2 편광으로 분리하는 제1 측정값 분리부;
상기 제2 측정 기저 구현부를 통해 입사되는 입사광을 제3 측정값을 갖는 제3 편광과 제4 측정값을 갖는 제4 편광으로 분리하는 제2 측정값 분리부;
상기 제1 편광의 광량을 측정하는 제1 광자 수 측정기;
상기 제2 편광의 광량을 측정하는 제2 광자 수 측정기;
상기 제3 편광의 광량을 측정하는 제3 광자 수 측정기;
상기 제4 편광의 광량을 측정하는 제4 광자 수 측정기; 및
아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값, 상기 제2 측정값, 상기 제3 측정값 및 상기 제4 측정값으로부터 이미지를 획득하고 양자 보안을 확인하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 신호 처리부는 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계와 편광 상관관계를 동시에 측정하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 시간 상관관계를 이용하여 상기 이미지를 획득하고, 상기 얽힌 광자 쌍의 편광 상관관계를 이용하여 상기 양자 보안을 확인하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제14 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 아이들러 모드에 대한 측정값과 상기 제1 측정값, 상기 제2 측정값, 상기 제3 측정값 및 상기 제4 측정값에 대하여 동시 측정 또는 특정 시간차 측정으로 얻어지는 측정 결과의 x-y 좌표에 대한 결과값을 구하여 전체 이미지를 구성하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치. - 제14 항에 있어서,
상기 제1 측정 기저 구현부는 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광을 그대로 출력하고,
상기 제2 측정 기저 구현부는 상기 빔가르개를 통해 입사되는 입사광의 편광을 45도 변조하여 출력하는 양자 보안을 적용한 단 픽셀 이미징 장치.
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| KR20200042331A (ko) * | 2018-10-15 | 2020-04-23 | 한국과학기술연구원 | 양자얽힘 제어 장치 및 방법 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Shengmei Zhao et al "The influence of atmospheric turbulence on holographic ghost imaging using orbital angular momentum entanglement: simulation and experimental studies." Optics Communications 294 (2013.) 1부.* * |
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