KR20160087362A - 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기 - Google Patents

광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는, 광원의 기능을 수행하는 광원소스, 상기 광원소스로부터 출력되는 광자 펄스를 적어도 2개 이상의 경로로 분배하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 어느 하나의 광자 펄스에 포함된 광자의 개수를 검출하는 광자개수검출기, 상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 다른 하나의 광자 펄스를 감쇠하여 출력되는 광자 펄스가 단일광자를 포함하도록 하는 전압 제어형 광감쇠기, 및 상기 광자개수검출기에서 검출된 광자의 개수에 기반하여, 상기 전압 제어형 광감쇠기의 감쇠값을 산출하고, 산출된 감쇠값을 바탕으로 전압 제어형 광감쇠를 제어하는 처리부를 포함할 수 있다.

Description

광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기{DYNAMIC SINGLE PHOTON GENERATOR BASED ON PHOTON NUMBER COUNTER}
본 발명은 광자개수검출기(photon number counter)에 기반한 동적 단일광자발생기에 관한 것이다.
일반적으로, 양자암호통신에서는 단일광자(single photon)의 양자역학적 특성이 이용된다. 그러나, 현재의 기술로는 순수 단일광자를 송신하는 광원을 생성하기 어려우므로, 다중광자(multiple photon)가 일정 확률로 방사되는데, 이는 보안성에 심각한 위협을 초래하게 된다.
양자 상태는 복제불가능하다는(non-cloning theorem) 이론적 근거를 통해 무조건적인 보안성을 보장받는다. 그러나, 둘 이상의 다중광자가 광원으로부터 생성되는 경우, 그 중 하나를 도청자가 취득한 후 이를 통해 정보를 빼낼 수 있기 때문이다.
따라서, 양자암호통신에 쓰이는 광원은 다중광자 발생확률이 낮아야 한다.
본 발명의 목적은 일반적인 광자소스의 다중광자 펄스 발생확률을 감소시키고, 단일광자 펄스 발생확률을 증가시키는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상대적으로 저렴한 LED 광원을 이용하여, 상대적으로 높은 가격의 레이저(laser)의 단일광자 펄스 발생확률과 유사한 확률을 구현할 수 있는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는, 광원의 기능을 수행하는 광원소스, 상기 광원소스로부터 출력되는 광자 펄스를 적어도 2개 이상의 경로로 분배하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 어느 하나의 광자 펄스에 포함된 광자의 개수를 검출하는 광자개수검출기, 상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 다른 하나의 광자 펄스를 감쇠하여 출력되는 광자 펄스가 단일광자를 포함하도록 하는 전압 제어형 광감쇠기, 및 상기 광자개수검출기에서 검출된 광자의 개수에 기반하여, 상기 전압 제어형 광감쇠기의 감쇠값을 산출하고, 산출된 감쇠값을 바탕으로 전압 제어형 광감쇠를 제어하는 처리부를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원소스는 광자의 분포가 뭉쳐있는(bunched) 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원소스는 상기 광자개수검출기의 광자 개수 검출의 한계 및 상기 전압 제어형 광감쇠기의 단일광자 펄스의 생성확률에 기반하여, 단일광자 펄스에 근접한 수준의 미약한 신호를 출력할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광분배기는 상기 광자소스에서 출력된 광자 펄스에 포함된 광자의 분포, 상기 광자개수검출기의 광자 개수 검출의 한계 및 상기 전압 제어형 광감쇠기의 감쇠 성능에 기반하여, 상기 광원소스로부터 출력되는 광자 펄스를 적어도 2개 이상의 경로로 분배하는 비율을 변경할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 처리부는 상기 광자개수검출기에서 검출된 광자의 개수에 기반하여, 상기 전압 제어형 광감쇠기에서 출력되는 광자 펄스가 단일광자를 포함하도록 하는 감쇠값을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 일반적인 광자소스의 다중광자 펄스 발생확률을 줄이고, 단일광자 펄스 발생확률을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 상대적으로 저렴한 발광 다이오드(LED, light emitting diode)를 이용하여, 상대적으로 높은 가격의 레이저(laser)의 단일광자 펄스 발생확률과 유사한 확률을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 레이저 광원의 출력과 비교한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 레이저 광원의 출력과 비교한 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
한편, 도면에서 도시된 구성의 크기 및 배치 등은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 즉, 각 구성요소의 크기 및 배치 등은 실제크기 및 실제배치를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
양자 컴퓨터(Quantum Computer) 및 양자 키 분배(Quantum Key Distribution) 등의 양자역학을 기반으로 하는 새로운 기술들이 주목받고 있는데, 이는 양자기술은 물리학적으로 제시된 한계에 준하는 고성능을 자랑하는 차세대 기술이기 때문이다.
그리고, 단일광자발생기는 이러한 양자기술에 빈번하게 적용되는 기본적인 구성이다. 단일광자는 양자 기술의 기본 단위인 양자상태(quantum state)로써 사용되며, 단일광자발생기는 이러한 단일광자를 안정적으로 발생시키는 장치이므로 중요성이 상당하다.
이와 관련하여, 본 발명은 일반적인 광 소스의 다중광자 펄스 발생 확률을 감소시킴과 동시에, 단일광자 발생 확률을 증가시키는 기술을 제안한다
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는 광자소스(101), 광분배기(102, beam splitter), 광자개수검출기(103, photon number counter), 처리부(104), 전압 제어형 광감쇠기(105, fast voltage controlled optical attenuator) 및 출력부(106)를 포함할 수 있다.
먼저, 광자소스(101)는 본 발명에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기의 광원의 기능을 수행하는 구성으로 발광 다이오드(LED, light emitting diode)인 것이 바람직하지만, 광자분포가 상당부분 뭉쳐있는(bunched) 발광 다이오드(LED) 등과 같은 열적(thermal) 광원을 포함할 수 있다.
일반적인 광자소스는 크게 레이저(laser)와 발광 다이오드(LED)로 구분할 수 있으나, 이러한 일반적인 광자소스는 다중광자 펄스를 발생시키며, 발생된 다중광자 펄스는 양자 시스템에서 에러 또는 결점으로 작용하게 된다.
한편, 이상적인 단일광자발생기는 다중광자 펄스가 전혀 없으며, 오직 단일광자 펄스만이 균일한 시간간격으로 방출하는 장치를 의미하는데, 본 발명에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는 일반적인 광자소스인 발광 다이오드(LED) 등을 이용하더라도, 다중광자 펄스의 발생 확률을 감소시키고, 단일광자 펄스의 발생확률을 증가시킬 수 있다.
그리고, 광자소스(101)의 출력 파워에 관하여 설명하면, 본 발명에 포함되는 광자소스(101)는 광자개수검출기(103)의 광자 개수 검출의 한계치 및 전압 제어형 광감쇠기(105)의 단일광자 펄스의 생성확률을 고려하여, 단일광자 펄스에 근접한 수준의 미약한 신호를 방출하는 것이 바람직하다.
광분배기(102)는 광자소스(101)에서 출력되는 광자 펄스를 두 개의 경로로 분배한다. 구체적으로, 광분배기(102)에서 분배된 어느 하나의 펄스는 제어형 광감쇠기(105)에 전달되고, 다른 하나의 펄스는 광자개수검출기(103)에 전달된다.
광분배기(102)가 광자 펄스를 분배하는 비율은 광자소스(101)에서 출력된 광자 펄스의 광자분포의 뭉쳐진 정도, 광자개수검출기(103)의 광자 개수 검출의 한계치 및 전압 제어형 광감쇠기(105)의 감쇠 성능 등을 고려하여 최적화된 값으로 제어될 수 있다.
광자개수검출기(103)는 광분배기(102)에서 분배되어 전달되는 광자 펄스에 포함된 광자의 개수를 검출할 수 있다. 그리고, 검출된 광자의 개수를 처리부(104)에 전달할 수 있다.
처리부(104)는 광자개수검출기(103)로부터 광분배기(102)에서 분배되어 전달되는 광자 펄스에 포함된 광자의 개수를 입력받고, 전압 제어형 광감쇠기(105)의 감쇠값이 광자의 개수에 따라 적절히 조절되도록 산출하고, 산출된 감쇠값을 바탕으로, 전압 제어형 광감쇠기(105)를 제어할 수 있다.
전압 제어형 광감쇠기(105)는 처리부(104)로부터 전달되는 제어신호를 수신하고, 수신된 제어신호에 응답하여, 광분배기(102)로부터 전달되는 광자 펄스를 적절하게 감쇠하여, 출력되는 광자 펄스가 단일광자 펄스에 해당하도록 하고, 이를 출력부(106)를 통해 출력한다.
즉, 위와 같은 구성을 바탕으로, 본 발명에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는 광원소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 출력되는 광자 펄스가 단일광자 펄스가 되는 단일광자 펄스의 발생확률을 증가시킬 수 있다.
본 발명이 적용되어 출력되는 광자 펄스가 단일광자 펄스가 되는 결과는 이하의 도면을 통하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 발광 다이오드의 광자 펄스(201), 발광 다이오드를 광원소스로 이용한 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기에서 출력되는 광자 펄스(202) 및 레이저의 광자 펄스(203)를 확인할 수 있다.
참고로, x-축은 광자의 개수를 나타내고, y-축은 단일광자 펄스가 발생되는 확률을 나타낸다.
먼저, 발광 다이오드의 광자 펄스(201)가 단일광자를 포함하는 확률(211)을 살펴보면, 약 15.6%의 확률을 가짐을 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따라 발광 다이오드를 광원소스로 이용한 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기에서 출력되는 광자 펄스(202)가 단일 광자를 포함하는 확률(212)을 살펴보면, 약 16.8%의 확률을 가짐을 확인할 수 있다.
한편, 레이저의 광자 펄스(203)가 단일광자를 포함하는 확률(203)을 살펴보면, 약 18.9%의 확률을 가짐을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따라 발광 다이오드를 광원소스로 이용한 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는 발광 다이오드 그 자체에서 단일광자 펄스가 발생되는 확률(약 15.6%, 211)보다 약 7.7% 증가된 확률(약 16.8%, 212)로 단일광자 펄스를 발생시킬 수 있게 된다.
한편, 발광 다이오드 그 자체에서 다중광자 펄스가 발생되는 확률(220)은 약 3.73%인데 반해서, 본 발명에 따라 발광 다이오드를 광원소스로 이용한 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기에서 다중광자 펄스가 발생되는 확률은 3.73%보다 약 10% 감소된 약 3.35%가 됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 광원소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 단일광자 펄스를 발생시킬 확률을 증가시킬 수 있고, 동시에 다중광자 펄스를 발생시킬 확률을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 광원소스가 발광 다이오드이지만, 레이저에서 단일광자 펄스가 발생되는 확률과 유사한 확률로 단일광자 펄스가 발생될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 레이저 광원의 출력과 비교한 예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 모드가 1이고, 뮤(u)값이 0.24인 상황에서, 단일광자 발생확률 및 다중광자 발생확률에 따른 발광 다이오드의 출력(301a, 301b) 본 발명에 따른 단일광자발생기의 출력(302a, 302b) 및 레이저의 출력(303a, 303b)에 관한 그래프를 확인할 수 있다.
앞서 도 2를 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명이 적용된 단일광자발생기는 광원 소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 발광 다이오드 그 자체(15.6%)보다 약 7.7% 증가된 확률(16.8%)로 단일광자 펄스를 발생시킬 수 있다.
그리고, 이러한 확률(16.8%)은 레이저에서 단일광자 펄스가 발생될 확률(18.9%)보다는 약 2% 부족하지만, 이와 유사한 확률에 해당함을 확인할 수 있다.
또한, 다중광자가 발생될 확률을 살펴보면, 본 발명이 적용된 단일광자발생기가 광원 소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 발광 다이오드 그 자체(3.7%)보다 약 10% 감소된 확률(3.4%)로 다중광자 펄스가 발생될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기가 적용된 LED광원의 출력을 레이저 광원의 출력과 비교한 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 모드가 3이고, 뮤(u)값이 0.31인 상황에서, 단일광자 발생확률 및 다중광자 발생확률에 따른 발광 다이오드의 출력(401a, 401b) 본 발명에 따른 단일광자발생기의 출력(402a, 402b) 및 레이저의 출력(403a, 403b)에 관한 그래프를 확인할 수 있다.
본 발명이 적용된 단일광자발생기는 광원 소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 발광 다이오드 그 자체(21%)보다 약 3% 증가된 확률(21.7%)로 단일광자 펄스를 발생시킬 수 있다.
그리고, 이러한 확률(21.7%)은 레이저에서 단일광자 펄스가 발생될 확률(22.9%)보다는 약 1.2% 부족하지만, 이와 유사한 확률에 해당함을 확인할 수 있다.
또한, 다중광자가 발생될 확률을 살펴보면, 본 발명이 적용된 단일광자발생기는 광원 소스로 발광 다이오드를 이용하더라도, 발광 다이오드 그 자체(4.7%)보다 약 4.3% 감소된 확률(4.5%)로 단일광자 펄스를 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기는 일반적인 광자소스의 다중광자 펄스 발생확률을 줄이고, 단일광자 펄스 발생확률을 증가시킬 수 있고, 특히, 상대적으로 저렴한 발광 다이오드(LED, light emitting diode)를 이용하여, 상대적으로 높은 가격의 레이저(laser)의 단일광자 펄스 발생확률과 유사한 확률을 구현할 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (5)

  1. 광원의 기능을 수행하는 광원소스;
    상기 광원소스로부터 출력되는 광자 펄스를 적어도 2개 이상의 경로로 분배하는 광분배기;
    상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 어느 하나의 광자 펄스에 포함된 광자의 개수를 검출하는 광자개수검출기;
    상기 광분배기로부터 분배되어 전달되는 다른 하나의 광자 펄스를 감쇠하여 출력되는 광자 펄스가 단일광자를 포함하도록 하는 전압 제어형 광감쇠기; 및
    상기 광자개수검출기에서 검출된 광자의 개수에 기반하여, 상기 전압 제어형 광감쇠기의 감쇠값을 산출하고, 산출된 감쇠값을 바탕으로 전압 제어형 광감쇠를 제어하는 처리부를 포함하는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원소스는,
    광자의 분포가 뭉쳐있는(bunched) 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원소스는,
    상기 광자개수검출기의 광자 개수 검출의 한계 및 상기 전압 제어형 광감쇠기의 단일광자 펄스의 생성확률에 기반하여, 단일광자 펄스에 근접한 수준의 미약한 신호를 출력하는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광분배기는,
    상기 광자소스에서 출력된 광자 펄스에 포함된 광자의 분포, 상기 광자개수검출기의 광자 개수 검출의 한계 및 상기 전압 제어형 광감쇠기의 감쇠 성능에 기반하여, 상기 광원소스로부터 출력되는 광자 펄스를 적어도 2개 이상의 경로로 분배하는 비율을 변경하는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 광자개수검출기에서 검출된 광자의 개수에 기반하여, 상기 전압 제어형 광감쇠기에서 출력되는 광자 펄스가 단일광자를 포함하도록 하는 감쇠값을 산출하는 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기.
KR1020160004402A 2015-01-13 2016-01-13 광자개수검출기에 기반한 동적 단일광자발생기 Active KR101833117B1 (ko)

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