KR102452942B1 - 광자 쌍 생성기 및 이를 채용한 양자 암호 시스템 - Google Patents

광자 쌍 생성기 및 이를 채용한 양자 암호 시스템 Download PDF

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KR102452942B1
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Abstract

광자 쌍 생성기는 광원; 상기 광원에서 조사된 광을 받아들여, 자발 매개 하향 변환(spontaneous parametric down conversion)에 의해 양자 얽힘 상태의 광자 쌍(quantum entangled photon pair)을 생성하는 것으로, 극성 물질층과, 상기 극성 물질층 상에 형성된 비선형 물질층을 구비하는 비선형 광학 소자;를 포함한다.

Description

광자 쌍 생성기 및 이를 채용한 양자 암호 시스템{Photon pair generator and quantum cryptography system}
본 개시는 광자 쌍 생성기 및 이를 채용한 양자 암호 시스템에 대한 것이다.
최근 유무선 통신기술이 급속히 발전하고 다양한 통신서비스가 널리 보급됨에 따라 통신망의 보안문제가 매우 중요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 국가, 기업, 금융과 관련된 비밀보호 및 개인정보 보호 측면에서 통신망의 보안은 그 중요성이 점점 더 증대되고 있다. 이러한 통신상의 보안문제를 해결할 방법으로 최근 크게 주목 받고 있는 양자암호 (Quantum Cryptography) 기술은 그 안전성을 자연의 기본법칙인 양자역학의 원리에 의해서 보장하므로 도청이나 감청이 절대적으로 불가능한 통신보안기술이다. 즉, 양자암호 기술은 송신자와 수신자 사이에 전송데이터를 암호화 및 복호화하는데 사용할 수 있는 비밀 암호 키(secret key)를 '양자 복제 불가능성(Nocloning theorem)' 등과 같은 양자물리학의 법칙에 기초하여 절대적으로 안전하게 분배하는 기술로서 양자 키분배 (Quantum Key Distribution: QKD) 기술로도 알려져 있다.
일반적으로 널리 알려진 양자암호 혹은 양자 키 분배 방법으로는 BB84, B92,
EPR 프로토콜 등이 있다. BB84 프로토콜을 포함한 많은 양자암호 프로토콜들은 단일광자 상태를 사용하는 방식을 이용한다. 이상적인 단일광자 상태는 정해진 하나의 모드에 오직 한 개의 광자만이 존재하는 상태를 의미하지만, 이러한 상태를 구현하는 기술은 현재 완전하지 않다.
최근 양자 정보 기술 분야에서, 단일 광자 상태를 이용하는 방법 외에 많이 사용되는 방법으로, 양자 얽힘 상태(entangled state)를 양자 암호 통신에 사용하는 방법이 있다. 양자 얽힘 상태를 구현하기 위해, 현재는 벌키(bulky)한 3차원 비선형 결정(3D nonlinear crystal)이 주로 사용되고 있어, 소형의 광 집적회로 (integrated photonic chip)에 적용되기에 어려움이 있다.
본 개시는 양자 얽힘 상태의 광자 쌍을 생성하는 광자 쌍 생성기, 이를 이용한 양자 암호 시스템을 제시하고자 한다.
일 유형에 따르는 광자 쌍 생성기는 광원; 상기 광원에서 조사된 광을 받아들여, 자발 매개 하향 변환(spontaneous parametric down conversion)에 의해 양자 얽힘 상태의 광자 쌍(quantum entangled photon pair)을 생성하는 것으로, 극성 물질층과, 상기 극성 물질층 상에 형성된 비선형 물질층을 구비하는 비선형 광학 소자;를 포함한다.
상기 비선형 물질층은 그래핀 시트(grapheme sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)을 포함할 수 있다.
상기 극성 물질층은 절연성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 극성 물질층은 금속층을 포함할 수 있다.
상기 극성 물질층은 도파관(waveguide)를 포함할 수 있다.
상기 도파관은 코어부와, 상기 코어부와 다른 굴절률을 가지며 상기 코어부를 둘러싸는 클래딩부를 포함할 수 있다.
상기 극성 물질층은 기판; 상기 기판 상에 형성된 도파관;을 포함하며, 상기 비선형 물질층은 상기 기판의 상면과 상기 도파관의 외면을 따라 배치될 수 있다.
상기 광원은 수직 공진 표면 발광 레이저(Vertical cavity surface emitting laser)일 수 있다.
상기 광원과 상기 비선형 광학 소자는 일체형으로 집적된 칩을 형성할 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 전자 기기는 상술한 어느 하나의 광자 쌍 생성기;를 포함한다.
또한, 일 유형에 따른 양자 암호 시스템은 제1항의 광자 쌍 생성기; 상기 광자 쌍 생성기에서 생성된 광자 쌍을 이루는 제 1 광자와 제 2 광자를 각각 분배받는 제 1 측정 시스템과 제 2 측정 시스템;을 포함한다.
상기 제 1 측정 시스템 및 제 2 측정 시스템은 각각, 입사된 광자들의 경로를 분리하는 광경로 분리모듈; 상기 광경로 분리모듈을 통과한 광자를 검출하는 광검출부; 상기 광검출부로부터 측정된 결과에 따라 상응하는 비트값을 생성하는 신호처리부;를 포함한다.
상기 광검출부는 Avalanche Photodiode를 포함할 수 있다.
상기 광자 쌍 생성기는 상기 광원과 상기 비선형 광학소자 사이에 배치되는 광변조기를 더 포함할 수 있다.
상기 광자 쌍 생성기는 비선형 광학 소자에서 생성된 광자 쌍의 얽힘 상태를 제어하기 위한 간섭계를 더 포함할 수 있다.
상기 광자 쌍 생성기는 편광 얽힘 상태(polarization entangled state)의 광자 쌍들을 생성할 수 있다.
상기 광자 쌍 생성기는 진동수 얽힘 상태(frequency entangled state)의 광자 쌍들을 생성할 수 있다.
상기 광자 쌍 생성기는 시간-에너지 얽힘 상태(time-energy entangled state)의 광자 쌍들을 생성할 수 있다.
상기 제 1 측정 시스템은 로컬 사용자(local user), 상기 제 2 측정 시스템은 리모트 사용자(remote user) 측의 시스템이며, 상기 광자 쌍을 이루는 제 1 광자, 제 2 광자에 대해 상기 제 1 측정 시스템, 제 2 측정 시스템에서 동일한 비트 값이 선택되도록 하는 시간 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 측정 시스템과 상기 광자 쌍 생성기는 제 1 전자 기기에 탑재되고, 상기 제 2 측정 시스템은 상기 제 1 전자 기기와 이격된 제 2 전자 기기에 탑재될 수 있다.
상술한 광자 쌍 생성기는 평면에서 자발 매개 하향 변환이 일어날 수 있는 구조를 채용하여, 소형화에 유리하며, 또한, 자발 매개 하향 변환 효율이 높다.
상술한 광자 쌍 생성기는 소형 광학 칩으로 구현되기 유리하며, 양자 암호 시스템이 필요한 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 광자 쌍 생성기에서 광자 쌍이 생성되는 원리를 설명하는 개념도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기의 개략적인 구성을 보인다.
도 9는 실시예에 따른 양자 암호 시스템의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 10은 도 9의 양자 암호 시스템에 채용되는 광자 쌍 생성기의 예시적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 11은 도 9의 양자 암호 시스템에 채용되는 광경로 분리 모듈의 예시적인 구성을 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 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 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(101)의 개략적인 구성을 보인다. 도 2a 내지 도 2c는 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(101)에서 광자 쌍이 생성되는 원리를 설명하는 개념도이다.
광자 쌍 생성기(101)는 광원(110), 광원(110)에서 조사된 광을 받아들여, 자발 매개 하향 변환(spontaneous parametric down conversion, SPDC)에 의해 양자 얽힘 상태의 광자 쌍(quantum entangled photon pair)을 생성하는 비선형 광학 소자(150)를 포함한다. 비선형 광학 소자(150)는 극성 물질층(153)과, 극성 물질층(153) 상에 형성된 비선형 물질층(151)을 포함한다. 비선형 물질층(151)은 그래핀 시트(grapheme sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)을 포함할 수 있다.
양자 얽힘 상태는 양자역학의 가장 근본적인 특성 중의 하나로서, 둘 이상의 입자들이 서로 특별한 중첩된 상태에 있어서 그 전체 상태가 개별적인 입자들의 파동함수의 곱으로 기술할 수 없는 양자 상태를 말한다. 양자 얽힘 상태를 생성하기 위해, χ(2)의 비선형 계수를 가지는 물질에 의한 자발 매개 하향 변환을 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 광학 소자(150)에 그래핀 시트 또는 유기 결정을 포함하는 비선형 물질층(151)을 채용하고 있다. 즉, 비선형 물질층(151)은 극성 물질층(153)과 함께, 자발 매개 하향 변환을 일으킨다. 도면에서는 그래핀 시트를 가정하여 비선형 물질층(151)을 도시한 것이며, 이에 한정되지 않는다.
광원(110)으로는 연속파(continuous wave) 또는 펄스(pulse) 형태의 레이저 광을 생성하는 다양한 광원이 사용될 수 있으며, 예를 들어, He-Ne 레이저, Ar 레이저, 또는 He-Cd laser 등이 채용될 수 있다. 또한, 소형 나노 레이저로서, 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL)가 사용될 수 있다. 광원(110)에서 조사되는 광의 파장은 암호키로 변환될 광자 상태, 암호키 분배시의 유, 무선등의 전송 방법을 고려하여 적절히 정할 수 있다.
극성 물질층(153)으로는 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 예를 들어, SiO2 기판 등 대다수의 기판이 이에 해당한다.
비선형 물질층(151)으로는 그래핀 시트(graphene sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)이 사용될 수 있다.
그래핀 시트는 탄소로 이루어진 육방정계(hexagonal) 단층 구조물로서, 그래핀 시트 내에서 전하의 이동도(mobility)는 매우 높아, 전기 전도도가 매우 높은 금속과 같은 거동을 한다. 그래핀 시트의 표면에서는 입사광에 의한 근접장이 발생할 수 있다. 또한, 그래핀 시트는 χ(2)의 비선형 계수를 가지며 이에 입사된 광자의 자발 매개 하향 변환이 일어날 수 있다.
유기 결정은 Π-Π* 궤도(orbital)에서 delocalized 된 전자들에 의해 비선형 광학 특성을 나타낼 수 있음이 보고된 바 있다. 이러한 유기 결정으로, L-Arginine maleate dihydrate (LAMD), 또는 L-methionine L-methioninium hydrogen maleate (LMMM)이 사용될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 비선형 광학 소자(150)에 광자(photon)가 입사되면, 입사하는 광자의 일부가 상대적으로 낮은 진동수의 한 쌍의 광자들로 변환되는 자발 매개 하향 변환이 일어난다. 비선형 광학 소자(150)에 입사하는 광을 펌프광, 상호 작용에 의해 발생하는 두 광자를 signal 광자와 idler 광자라고 한다.
도 2b, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 비선형 광학 소자(150) 내에서, 펌프 광자와 하향 변환된 광자들 사이에는 운동량 보존 법칙(momentum conservation)과 에너지 보존 법칙(energy conservation)이 만족된다.
kPUMP=ks+ki
φPUMP=φs+φi
이러한 관계에 따라 비선형 광학 소자(150)에서 생성된 광자 쌍, 즉, signal 광자와 idler 광자의 운동량과 진동수는 서로 상관되어 있다. 따라서, signal 광자가 임의의 진동수와 파수 벡터를 갖고 발생하면, 이에 대응하는 진동수와 파수 벡터를 가지는 idler 광자가 반드시 발생하게 된다.
비선형 광학 소자(150)에서 발생한 signal 광자와 idler 광자는 편광 얽힘 상태(polarization entangled state)를 이룰 수 있고, 이러한 상태는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112014093755132-pat00001
)
|H>, |V>는 각각 수평 편광 상태 및 수직 편광 상태를 의미한다.
또는, 비선형 광학 소자(150)에서 발생한 signal 광자와 idler 광자는 진동수 얽힘 상태(frequency entangled state)를 이룰 수 있고, 이러한 상태는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112014093755132-pat00002
)
또는, 비선형 광학 소자(150)에서 발생한 signal 광자와 idler 광자 서로 다른 짧은 경로(s)와 상대적으로 긴 경로(l)를 선택할 수 있게 추가적인 간섭계를 구성하면 시간-에너지 얽힘 상태(time-energy entangled state)를 이룰 수 있다. 이러한 상태는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112014093755132-pat00003
)
그래핀 시트나 유기 결정은 극성 물질층(153)과 함께, 평면 상에서 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 물질로 제시된다.
이하에서는 극성 물질층(153)로 사용될 수 있는 다양한 구성요소와 함께, 광자 쌍 생성기의 실시예들을 살펴보기로 한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(102)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(102)는 광원(110), 비선형 광학 소자(250)를 포함하며, 비선형 광학 소자(250)는 기판(220)과 기판(220) 상에 형성된 비선형 물질층(251)을 포함한다.
기판(220)으로는 극성 물질인 다양한 재질이 사용될 수 있다, SiO2와 같은 절연 재질 외에도, 글래스, 석영이나 다양한 투명 플라스틱 재료, 반도체 재료, 폴리머 재료 등으로 형성될 수 있다. 상기 반도체 재료는 예들 들어, Si, Ge, GaAs, GaN 등을 포함할 수 있고, 상기 폴리머 재료는 유기 폴리머와 무기 폴리머를 포함할 수 있다.
비선형 물질층(251)는 기판(220) 상의 일면에 형성될 수 있다. 비선형 물질층(251)은 그래핀 시트 또는 유기 결정일 수 있다. 예를 들어, 그래핀 시트를 기판(220) 상에 형성하기 위해, 전사(transfer) 방법을 사용할 수 있다. 즉, Cu나 Ni 같은 금속 박막 위에 화학기상 증착법으로 성장시키거나, 또는 SiC 기판을 열분해 하는 방법으로 그래핀을 성장 시킨 후, 열박리 테이프 또는 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate: PMMA)를 이용하여 상기 기판(220) 상으로 전사하고, 전사를 위해 사용된 상기 열박리 테이프나 PMMA를 제거한다.
기판(220)은 굴절률이 1보다 큰 재질로 이루어지며, 따라서, 기판(220) 내부로 입사된 광 중 입사각이 전반사 조건을 만족하는 광은 전반사에 의해 기판(220) 내부를 진행할 수 있다. 전반사 조건을 만족하지 않는 광은 기판 외부로 나올 수 있고, 이 때, 기판(220) 표면에 형성된 비선형 물질층(251)을 지나며 일부 광자가 자발 매개 하향 변환되어 signal 광자와 idler 광자가 생성된다.
광자가 기판(220) 내부를 진행하며 비선형 물질층(251)과의 상호 작용으로 signal 광자, idler 광자를 형성하므로, 비선형 상호 작용 길이(nonlinear interaction length)가 길어져 SPDC 효율이 높아질 수 있다.
비선형 물질층(251)는 기판(220)의 상면에만 형성된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이고, 기판(220)의 측면으로 연장 형성될 수도 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(103)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(103)는 광원(110), 비선형 광학 소자(350)를 포함하며, 비선형 광학 소자(350)는 금속층(320)과 금속층(320) 상에 형성된 비선형 물질층(351)을 포함한다.
금속층(320)은 Cu 또는 Ni 일 수 있으며, 이 외에도, 그래핀 성장에 적합한 금속 촉매 물질로 이루어질 수 있다.
이 경우, 광원(110)에서의 광은 비선형 물질층(351)의 상면에 비스듬하게 입사되도록 배치될 수 있다. 비선형 물질층(351)에 입사된 광은 비선형 물질층(351)에 의해 반사되거나, 또는 비선형 물질층(351)을 투과하고 금속층(320)에서 반사될 수 있다. 이 때, 비선형 물질층(351)을 지나는 광자의 일부가 자발 매개 하향 변환되며 signal 광자, idler 광자가 생성될 수 있다.
비선형 물질층(351)으로는 그래핀 시트(graphene sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)이 사용될 수 있다. 본 실시예의 경우, 비선형 물질층(351)으로 그래핀 시트를 채용할 때, 금속층(320)을 그래핀 성장의 촉매로 하여, 금속층(320) 상에 바로 비선형 물질층(351)인 그래핀 시트가 형성될 수 있다는 점에서 제조방법 상의 이점이 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(104)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(104)는 광원(110), 비선형 광학 소자(450)를 포함하며, 비선형 광학 소자(450)는 도파관(430)과 도파관(430)의 외면에 형성된 비선형 물질층(451)을 포함한다.
도파관(430)은 코어부(434)와, 코어부(434)를 둘러싸는 클래딩부(432)를 포함한다. 코어부(434)와 클래딩부(432)는 굴절률이 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 코어부(434)는 클래딩부(432)보다 굴절률이 클 수 있으며, 코어부(434)로 입사된 광 중, 전반사 조건을 만족하는 광은 코어부(434)와 클래딩부(432)의 경계면에서 전반사되며 도파관(430)의 내부를 진행한다. 전반사 조건을 만족하지 않는 광 중, 일부는 클래딩부(432)와 비선형 물질층(451)의 경계면에서의 전반사 조건을 만족하여 도파관(430)의 내부를 진행할 수 있다. 일부 광은 코어부(434), 클래딩부(432)를 투과하여 비선형 물질층(451)에 입사할 수 있고, 비선형 물질층(451)에 입사된 광자의 일부가 자발 매개 하향 변환되며 signal 광자, idler 광자가 생성될 수 있다.
광자가 도파관(430)을 따라 진행하며 비선형 물질층(451)과의 상호 작용으로 signal 광자, idler 광자를 형성하므로, 비선형 상호 작용 길이(nonlinear interaction length)가 길어져 SPDC 효율이 높아질 수 있다.
도 6는 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(105)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(105)는 광원(110), 비선형 광학 소자(550)를 포함하며, 비선형 광학 소자(550)는 도파관(530)과 도파관(530)의 외면에 형성된 비선형 물질층(551)을 포함한다.
도파관(530)은 내부 캐비티(534)를 형성하는 클래딩부(532)를 포함한다. 내부 캐비티(534)는 빈 공간이거나 공기로 채워진 공간일 수 있다. 또는 클래딩부(532)보다 굴절률이 작은 물질로 채워질 수도 있다.
비선형 물질층(551)으로는 그래핀 시트(graphene sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)이 사용될 수 있다.
내부 캐비티(534)로 입사된 광 중 클래딩부(532)와 외부와의 경계면에서의 전반사 조건을 만족하는 광은 전반사되며 도파관(530) 내부를 진행한다. 전반사 조건을 만족하지 않는 광은 클래딩부(532)를 투과하여 비선형 물질층(551)에 입사한다. 비선형 물질층(551)에 입사된 광자의 일부가 자발 매개 하향 변환되며 signal 광자, idler 광자가 생성될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(106)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(106)는 광원(110), 비선형 광학 소자(650)를 포함하며, 비선형 광학 소자(650)는 기판(620), 기판(620) 상에 형성된 도파관(630), 기판(620) 상면과 도파관(630)의 외면을 따라 배치된 비선형 물질층(651)을 포함한다. 즉, 비선형 물질층(651)은 기판(620) 상면으로부터, 도파관(630)의 외측면, 도파관(630)의 상면, 도파관(630)의 상기 외측면과 마주하는 쪽의 외측면, 기판(620)의 상면을 연결하는 형태로 배치되어 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 상기 면들에서 비선형 물질층(651)이 모두 연결되지는 않을 수도 있다. 또한, 상술한 면들 중 일부 면 상에는 비선형 물질층(651)이 없을 수도 있다. 또는 비선형 물질층(651)은 기판(620)의 측면까지 연결될 수도 있다. 비선형 물질층(651)으로는 그래핀 시트(graphene sheet) 또는 유기 결정(organic crystal)이 사용될 수 있다.
기판(620)은 다양한 재질로 이루어질 수 있고, 도 3의 광자 쌍 생성기(102)의 기판(220) 재질로 이루어질 수 있다.
도파관(630)은 코어부(634)와 클래딩부(632)를 포함할 수 있고, 코어부(634)와 클래딩부(632)는 굴절률이 다른 유전체물질로 이루어질 수 있다. 코어부(634)의 굴절률이 클래딩부(632)의 굴절률보다 클 수 있다. 도파관(630)으로는 도 5의 광자 쌍 생성기(105)에 채용된 도파관(430) 구성이 채용될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광자 쌍 생성기(107)의 개략적인 구성을 보인다.
광자 쌍 생성기(107)는 광원(110), 비선형 광학 소자(750)를 포함하며, 비선형 광학 소자(750)는 기판(720), 기판(720) 상에 형성된 도파관(730), 기판(720) 상면과 도파관(730)의 외면을 따라 배치된 비선형 물질층(751)을 포함한다.
본 실시예의 광자 쌍 생성기(107)는 도파관(730)이 내부 캐비티(734)를 형성하는 클래딩부(732)로 이루어진 점에서 도 7의 광자 쌍 생성기(106)와 차이가 있다. 내부 캐비티(732)는 빈 공간이거나, 공기로 채워지거나, 또는 클래딩부(734)보다 굴절률이 작은 물질로 채워질 수 있다.
상술한 광자 쌍 생성기(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107) 들은 일체형으로 집적된 칩을 형성할 수 있고, 광 집적 회로에 적용되기에 용이한 구조를 갖는다. 비선형 광학 소자(150)(250)(350)(450)(550)(650)(750)는 2차원 평면에서 자발 매개 하향 변환 과정이 일어날 수 있는 비선형 물질층(151)(251)(351)(451)(551)(651)(751)을 채용하기 때문에, 공간적 부피가 최소화될 수 있다. 예를 들어, 약 5cm X 5cm X 1mm 이하의 소형 칩으로 양자 암호 소자를 구성할 수 있다.
상술한 광자 쌍 생성기(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107)들은 SPDC 현상을 활용할 수 있는 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 예를 들어, SPDC 과정에 의해 입사광의 파장이 변환되어 출사되므로, 레이저 광원과 함께 파장 가변 레이저(tunable laser)로 활용될 수 있다.
또한, 상술한 광자 쌍 생성기(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107)들은 암호 코드의 생성, 분배가 필요한 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 이러한 전자 기기는 예를 들어, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), 미디어 플레이어, PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
도 9는 실시예에 따른 양자 암호 시스템(9000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. 도 10은 도 9의 양자 암호 시스템(9000)에 채용되는 광자 쌍 생성기(1000)의 예시적인 구성을 보이는 블록도이며, 도 11은 도 도 9의 양자 암호 시스템(9000)에 채용되는 광경로 분리 모듈(5000)의 예시적인 구성을 보인다.
도 9를 참조하면, 양자 암호 시스템(9000)은 광자 쌍 생성기(1000)와, 광자 쌍 생성기에서 생성된 광자 쌍을 이루는 signal 광자와 idler 광자를 각각 분배받는 제 1 측정 시스템(2000)과 제 2 측정 시스템(3000)을 포함한다. signal 광자와 idler 광자는 각각 제 1 전송선로(2500), 제 2 전송선로(3500)를 통해 제 1 측정 시스템(2000), 제 2 측정 시스템(3000)으로 전송될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 무선 전송도 가능하다.
양자 암호 시스템(9000)은 대칭적인 암호를 생성하여, 이격된 두 사용자(user A, user B)에게 분배하는 시스템이다. 광자 쌍 생성기(1000)에 의해 발생한 양자 얽힘 상태의 광자가 user A측의 제 1 측정 시스템(2000), user B 측의 제 2 측정 시스템(3000)에서 정확하게 측정됨으로써 암호키가 두 시스템간에 안전하게 분배된다.
광자 쌍 생성기(1000)는 그래핀 시트를 구비하는 비선형 광학소자를 포함하는 구성으로, 전술한 다양한 실시예의 광자 쌍 생성기(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107) 중 어느 하나일 수 있다.
또는, 도 10에 도시된 바와 같이, 광자 쌍 생성기(1000)는 광변조기(1200), 간섭계(1400)와 같은 추가적인 광학 요소를 더 구비할 수 있다. 즉, 광자 쌍 생성기(1000)는 광원(1100), 광원(1100)에서 조사된 광을 변조하는 광변조기(1200), 입사된 광으로부터 자발 매개 하향 변환에 의해 광자 쌍을 생성하는 비선형 광학 소자(1300), 비선형 광학 소자(1300)에서 생성된 광자 쌍의 양자 얽힘 상태를 조절하는 간섭계(1400)를 포함할 수 있다.
광변조기(1200)는 광원(110)에서 조사되는 광을 펄스 형태로 변환하기 위해 주기적으로 광을 차단하는 수단일 수 있다. 예를 들어, 전기적 또는 기계적 초퍼(chopper)일 수 있다. 광원(110)에서 펄스 형태의 광이 조사되는 경우, 광변조기(1200)는 생략될 수도 있다.
비선형 광학 소자(1300)는 그래핀 시트를 구비하는 구조로서, 전술한 실시예들에서의 비선형 광학 소자(150)(250)(350)(450)(550)(650)(750) 중 어느 하나일 수 있다.
간섭계(1400)는 비선형 광학 소자(1300)에서 생성된 광자 쌍의 양자 얽힘 상태를 제어하는 광학계이다. 예를 들어, 광자 쌍 중 어느 하나는 긴 경로를 선택하고, 다른 하나는 짧은 경로를 선택하도록 구성될 수 있다. 간섭계(1400)는 빔 스플리터, 레퍼런스 미러 등의 구성을 포함할 수 있으며, 또한, 이에 한정되지 않는다.
광자 쌍 생성기(1000)는 상기한 구성에 따라, 편광 얽힘 상태(polarization entangled state), 진동수 얽힘 상태(frequency entangled state), 또는 시간-에너지 얽힘 상태(time-energy entangled state)의 광자 쌍들을 생성할 수 있다.
다시, 도 9를 참조하면, 제 1 측정 시스템(2000) 및 제 2 측정 시스템(3000)은 각각 입사된 광자들의 경로를 분리하는 광경로 분리모듈(5000), 광경로 분리모듈(5000)을 통과한 광자를 검출하는 광검출부(6000), 광검출부(6000)로부터 측정된 결과에 따라 상응하는 비트값을 선택하는 신호처리부(7000)를 포함한다.
도 11은 광경로 분리 모듈(5000)의 예시적인 구성이다. 광경로 분리 모듈(5000)은 입사된 광자(P)의 상태에 따라 광 채널을 분리하여 광검출부(6000)의 다른 영역에서 광자가 센싱되도록 한다. 도 11을 참조하면, 광경로 분리 모듈(5000)은 빔 스플리터(510), 제 1 편광 빔 스플리터(520), 제 2 편광 빔 스플리터(540), 반파장판(530)을 포함한다.
빔 스플리터(510)는 입사된 광을 두 갈래로 분기하며, 예를 들어, 입사광의 반을 투과시키고 반은 반사시키는 하프 미러(half mirror)일 수 있다. 빔 스플리터(510)는 입사광의 편광에 상관없이 광을 분기시키는 구성으로, 빔 스플리터(510)에서 두 갈래로 분기된 광은 동일한 편광 상태를 갖는다. 빔 스플리터(510)에서 경로가 굴절된 광은 예를 들어, 수직 편광(90°의 편광), 수평 편광(0°의 편광)의 광이 혼합된 광일 수 있다. 제 1 편광 빔 스플리터(520)는 수직 편광의 광과 수평 편광의 광을 분기하도록 편광축이 구성되어, 제 1 편광 빔 스플리터(520)를 지나는 광은 수직 편광의 광과 수평 편광의 광이 각기 다른 경로로 분기된다. 즉, 수직 편광의 광은 제 3 광자 채널(CH2)로, 수평 편광의 광은 제 4 광자 채널(CH4)을 향한다.
한편, 빔 스플리터(510)에서 분기되어 반파장판(530)으로 입사하는 광도 제 1 편광 빔 스플리터(520)에 입사하는 광과 동일하게, 수직 편광, 수평 편광의 광이 혼합된 광이다. 이러한 광이 반파장판(530)을 투과한 후에는 45° 편광, -45° 편광의 광으로 변환된다. 제 2 편광 빔 스플리터(540)는 45°의 편광과 -45°의 편광의 광을 분기하도록 편광축이 구성된다. 따라서, 제 2 편광 빔 스플리터(540)를 지나는 광은 45° 편광의 광과 -45° 편광의 광이 각기 다른 경로로 분기된다. 즉, 45° 편광의 광은 제 1 광자 채널(CH1)을 향하고, -45° 편광의 광은 제 2 광자 채널(CH2)을 향한다.
광경로 분리 모듈(5000)의 상기한 구성에 따라, 네 개의 광자 채널(CH1)(CH2)(CH3)(CH4)은 각각 45° 편광, -45° 편광, 수평 편광(h), 수직 편광(v) 상태의 광자만이 지날 수 있다.
광경로 분리 모듈(5000)은 광자 상태 측정을 위한, 복수의 광자 채널을 형성하는 예시적인 구조로 설명된 것이며 상술한 구조외에 다양하게 변형될 수 있다.
제 1 측정 시스템(2000)으로 들어간 idler 광자가 제 1 내지 제4 광자 채널(CH1)(CH2)(CH3)(CH4) 중, 어느 하나를 경유하여 광검출부(6000)에서 검출되고, 측정 결과에 따라 하나의 비트 값이 신호처리부(7000)에서 선택된다.
광경로 분리 모듈(5000)은 제 1 측정 시스템(2000), 제 2 측정 시스템(3000)에서 동일하게 구성되며, 제 1 측정 시스템(2000)과 제 2 측정 시스템(3000)는 양자 얽힘 상태로 서로 상응하는 관계인 signal 광자와 idler 광자가 입사되므로, 제 1 측정 시스템(2000)에서 비트 열이 생성될 때, 상응하는 비트열(corresponding sequence)이 제 2 측정 시스템(3000)에서도 생성된다.
광검출부(6000)는 광을 센싱하여 전기 신호를 발생시키는 다양한 종류의 광센서를 채용할 수 있다. 광검출부(6000)는 단일 광자 수준의 광을 검출할 수 있는 감도를 구비하는 것이 바람직하며, 예를 들어, Avalanche Photodiode를 포함할 수 있다. 예를 들어, gated InGaAs APD가 광검출부(6000)에 사용될 수 있다.
신호처리부(7000)는 상술한 바와 같이, 광검출부(6000)에서의 측정 결과에 따라 암호키로 사용될 비트값을 선택하여 비트열을 구성하며, 이 과정에서, 오류 수정(error correction), 비밀성 증폭(privacy amplification)과 같은 후처리 과정을 더 수행할 수 있다.
또한, 제 1 측정 시스템(2000)의 신호처리부(7000)와 제 2 측정 시스템(3000)의 신호처리부(7000) 간에 시간 제어부(8000)가 더 구비될 수 있다. 제 1 측정 시스템(2000)은 로컬 사용자(local user), 제 2 측정 시스템(3000)은 리모트 사용자(remote user) 측의 시스템일 수 있으며, 이 경우, 제 1 측정 시스템(2000)으로 전송되는 signal 광자와 제 2 측정 시스템(3000)으로 전송되는 idler 광자 사이에 시간 지연이 발생할 수 있다. 따라서, signal 광자와 idler 광자가 제 1 측정 시스템(2000), 제 2 측정 시스템(3000)에서 측정되어 동일한 비트값으로 선택될 수 있도록 타이밍 제어가 필요하다. 시간 제어부(8000)는 예를 들어, 제 1 측정 시스템(2000)에서 광자가 검출되는 순간, 트리거 펄스(trigger pulse)를 제 2 측정 시스템(3000)측으로 전달하는 구성일 수 있다.
상술한 양자 암호 시스템(9000)은 두 사용자 간의 암호 분배를 위한 시스템으로, 제 1 측정 시스템(2000)과 제 2 측정 시스템(3000)은 각각 제 1 전자 기기, 제 2 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 제 1 측정 시스템(2000)과 광자 쌍 생성기(1000)는 제 1 전자 기기에 탑재되고, 제 2 측정 시스템(3000)은 상기 제 1 전자 기기와 이격된 제 2 전자 기기에 탑재될 수 있다.
제 1 전자 기기, 제 2 전자 기기는 암호 코드의 생성, 분배가 필요한 다양한 전자 기기일 수 있다. 이러한 전자 기기는 예를 들어, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), 미디어 플레이어, PC 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
이러한 본원 발명인 광자 쌍 생성기 및 양자 암호 시스템은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 1000 - 광자 쌍 생성기
110, 1100 - 광원
150, 250, 350, 450, 550, 650, 750 - 비선형 광학 소자
151, 251, 351, 451, 551, 651, 751 - 비선형 물질층
220, 620, 720 - 기판,
320 - 금속층
430, 530, 630, 730 - 도파관
432, 532, 632, 732 - 클래딩부
434, 634 - 코어부
534, 734 - 내부 캐비티
2000 - 제 1 측정 시스템
3000 - 제 2 측정 시스템
9000 - 양자 암호 시스템

Claims (20)

  1. 광원과,
    상기 광원에서 조사된 광으로부터 광자 쌍(quantum entangled photon pair)을 생성하는 것으로,
    극성 물질층과, 상기 극성 물질층 상에 형성된 비선형 물질층을 구비하는 비선형 광학 소자를 포함하며,
    상기 극성물질층은,
    코어부와, 상기 코어부와 다른 굴절률을 가지며 상기 코어부를 둘러싸는 클래딩부를 포함하는 도파관을 포함하며,
    상기 비선형 물질층은 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함하며, 상기 그래핀 시트가 상기 클래딩부의 일면에 배치되며,
    상기 도파관 내부로 입사된 광의 일부가 상기 그래핀 시트를 통해 출사될 때, 상기 그래핀 시트 상의 이차원 면에서 일어나는 자발 매개 하향 변환(spontaneous parametric down conversion)에 의해 상기 광자 쌍을 이루는 제1광자와 제2광자가 생성되는, 광자 쌍 생성기; 및
    상기 광자 쌍 생성기에서 생성된 상기 제 1 광자와 상기 제 2 광자를 각각 분배받는 제 1 측정 시스템과 제 2 측정 시스템;을 포함하는 양자 암호 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 극성 물질층은
    기판;을 더 포함하고,
    상기 기판 상에 상기 도파관이 배치되며,
    상기 비선형 물질층은 상기 기판의 상면과 상기 도파관의 외면을 따라 배치된, 양자 암호 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 수직 공진 표면 발광 레이저(Vertical cavity surface emitting laser)인, 양자 암호 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 비선형 광학 소자는 일체형으로 집적된 칩을 형성하는, 양자 암호 시스템.
  10. 제1항의 양자 암호 시스템;을 포함하는 전자 기기.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 측정 시스템 및 제 2 측정 시스템은 각각,
    입사된 광자들의 경로를 분리하는 광경로 분리모듈;
    상기 광경로 분리모듈을 통과한 광자를 검출하는 광검출부;
    상기 광검출부로부터 측정된 결과에 따라 상응하는 비트값을 생성하는 신호처리부;를 포함하는 양자 암호 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광검출부는 Avalanche Photodiode를 포함하는 양자 암호 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광자 쌍 생성기는 상기 광원과 상기 비선형 광학 소자 사이에 배치되는 광변조부를 더 포함하는 양자 암호 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광자 쌍 생성기는 비선형 광학 소자에서 생성된 광자 쌍의 얽힘 상태를 제어하기 위한 간섭계를 더 포함하는 양자 암호 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 광자 쌍 생성기는 편광 얽힘 상태(polarization entangled state)의 광자 쌍들을 생성하는 양자 암호 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 광자 쌍 생성기는 진동수 얽힘 상태(frequency entangled state)의 광자 쌍들을 생성하는 양자 암호 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 광자 쌍 생성기는 시간-에너지 얽힘 상태(time-energy entangled state)의 광자 쌍들을 생성하는 양자 암호 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 측정 시스템은 로컬 사용자(local user), 상기 제 2 측정 시스템은 리모트 사용자(remote user) 측의 시스템이며,
    상기 광자 쌍을 이루는 제 1 광자, 제 2 광자에 대해 상기 제 1 측정 시스템, 제 2 측정 시스템에서 동일한 비트 값이 선택되도록 하는 시간 제어부;를 더 포함하는 양자 암호 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 측정 시스템과 상기 광자 쌍 생성기는 제 1 전자 기기에 탑재되고,
    상기 제 2 측정 시스템은 상기 제 1 전자 기기와 이격된 제 2 전자 기기에 탑재되는 양자 암호 시스템.
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KR101028803B1 (ko) * 2009-12-30 2011-04-12 한국과학기술연구원 그래핀을 포함하는 모드 로커 및 이를 포함하는 레이저 펄스 장치

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