KR20170125659A - Method of distributing key for multi-party in quantum communication, method of performing quantum communication using the same and quantum communication system performing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법, 상기 다자간 키 분배 방법을 이용하는 양자 통신 방법, 상기 다자간 키 분배 방법 및/또는 상기 양자 통신 방법을 수행하는 양자 통신 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a communication system, and more particularly, to a method of distributing a key in a quantum communication, a quantum communication method using the multi-way key distribution method, a quantum communication method performing the multi- ≪ / RTI >
1984년 C. H. Bennett과 G. Brassard에 의해 고안된 양자 키 분배(quantum key distribution: QKD) 프로토콜은 BB84 프로토콜로 불릴 수 있다. 상기와 같은 BB84 프로토콜이 알려진 이후 양자 암호 분야에 엄청난 발전이 있어 왔다. 양자 키 분배 프로토콜의 핵심은 멀리 떨어져 있는 두 사용자가 공개된 통신 채널을 통해 암호 통신을 위한 비밀 키를 생성 및 공유하며, 동시에 공유된 비밀 키에 대한 무조건적 안전성(unconditional security)을 보장한다는 점이다.The quantum key distribution (QKD) protocol devised by C. H. Bennett and G. Brassard in 1984 can be called the BB84 protocol. There has been tremendous progress in the field of quantum cryptography since the BB84 protocol described above has been known. The key point of the quantum key distribution protocol is that two remote users create and share a secret key for encrypted communication over an open communication channel and at the same time ensure unconditional security of the shared secret key.
일반적으로, 상기와 같은 양자 키 분배 프로토콜은 두 사용자가 키를 공유하는 경우에 기초하여 연구되고 있으나, 복수의 사용자들이 키를 공유하는 경우에 대한 연구도 필요하다.In general, the quantum key distribution protocol as described above is studied based on a case where two users share a key, but research on a case where a plurality of users share a key is also needed.
본 발명의 일 목적은 복수의 사용자 단말기들이 효율적으로 키를 공유할 수 있는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method of distributing a key in a quantum communication in which a plurality of user terminals can efficiently share a key.
본 발명의 다른 목적은 상기 다자간 키 분배 방법을 이용하는 양자 통신 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a quantum communication method using the above multi-party key distribution method.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 다자간 키 분배 방법 및/또는 상기 양자 통신 방법을 수행하는 양자 통신 시스템을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a quantum communication system for performing the above-mentioned multi-party key distribution method and / or the above-mentioned quantum communication method.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법에서, 복수의 사용자 단말기들이, 제1 기저(basis) 및 제2 기저의 조합으로 이루어지는 복수의 기저 그룹들을 발생한다. 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로, 복수의 큐비트(qubit)들을 각각 포함하는 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버에 전송한다. 상기 서버가, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송한다. 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 보안 키를 생성하기 위한 복수의 키(key) 비트들을 획득한다.In order to achieve the above object, in a multi-party key distribution method in quantum communication according to embodiments of the present invention, a plurality of user terminals are divided into a plurality of base groups Lt; / RTI > The plurality of user terminals generates a plurality of groups of qubits each including a plurality of qubits based on the plurality of base groups and transmits them to the server. Wherein the server modifies or maintains each of the plurality of qubits contained in the plurality of qubits groups based on a first gate and a second gate to generate a plurality of return queue bit groups, And transmits the return queue bit groups to the plurality of user terminals. The plurality of user terminals compares the plurality of qubits groups and the plurality of return queue bit groups to obtain a plurality of key bits for generating a secret key.
일 실시예에서, 상기 복수의 사용자 단말기들 중 제1 사용자 단말기는, 상기 제1 기저 및 상기 제2 기저의 조합으로 이루어지는 제1 기저 그룹을 발생하고, 상기 제1 기저 그룹을 기초로 제1 내지 제N(N은 2 이상의 자연수) 큐비트들을 포함하는 제1 큐비트 그룹을 발생하여 상기 서버에 전송하며, 상기 제1 큐비트 그룹과 상기 서버로부터 전송된 제1 리턴 큐비트 그룹을 비교하여, 상기 복수의 키 비트들을 획득할 수 있다.In one embodiment, a first one of the plurality of user terminals generates a first base group comprising a combination of the first base and the second base, and generates a first base group based on the first base group, And generating and transmitting to the server a first group of qubits containing N (N is a natural number of 2 or more) qubits, comparing the first group of qubits with the group of first qubits sent from the server, And obtain the plurality of key bits.
일 실시예에서, 상기 서버는, 상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각에 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 중 하나를 적용하여, 상기 제1 리턴 큐비트 그룹에 포함되는 제1 내지 제N 리턴 큐비트들 각각을 발생하며, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 적용 순서에 기초하여 상기 복수의 키 비트들의 값을 결정할 수 있다.In one embodiment, the server applies one of the first gate and the second gate to each of the first through the N-th queue bits so that the first through Nth queue bits included in the first return queue bit group Return cue bits, and determine the value of the plurality of key bits based on the application order of the first gate and the second gate.
일 실시예에서, 상기 서버는, 상기 복수의 키 비트들 중 제1 키 비트를 제1 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하고, 상기 제1 키 비트를 상기 제1 비트 값과 다른 제2 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생할 수 있다.In one embodiment, the server, when it is desired to set a first key bit of the plurality of key bits to a first bit value, applies the first gate to the first queue bit, Bit to a second bit value that is different from the first bit value, applying the second gate to the first qubit to generate the first return qubit .
일 실시예에서, 상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가질 수 있다.In one embodiment, when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first queue bit They can have different values. Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first qubit have the same value have.
일 실시예에서, 상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가질 수 있다. 상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가질 수 있다.In one embodiment, when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first queue bit Can have the same value. Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit have different values .
일 실시예에서, 상기 제1 기저는 수직 축(vertical axis) 상에서 전자의 스핀 다운(spin down) 또는 스핀 업(spin up)을 나타내기 위한 계산(computational) 기저일 수 있다. 상기 제2 기저는 수평 축(horizontal axis) 상에서 상기 전자의 상기 스핀 다운 또는 상기 스핀 업을 나타내기 위한 하다마드(Hadamard) 기저일 수 있다.In one embodiment, the first basis may be a computational basis to represent spin down or spin up of electrons on a vertical axis. The second basis may be a Hadamard basis for indicating the spin-down or the spin-up of the electron on a horizontal axis.
일 실시예에서, 상기 제1 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 경우에 상기 제1 큐비트의 값을 변경하기 위한 부정 게이트(NOT gate)로서 동작하는 파울리 X 게이트(Pauli X gate)일 수 있다. 상기 제2 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 경우에 상기 제1 큐비트의 값을 변경하기 위한 상기 부정 게이트로서 동작하는 파울리 Z 게이트(Pauli Z gate)일 수 있다.In one embodiment, the first gate comprises a Pauligi X gate (not shown) operating as a negative gate (NOT gate) for changing the value of the first qubit when the first qubit is generated based on the computational basis (Pauli X gate). The second gate may be a Pauli Z gate (Pauli Z gate) operating as the undefined gate for changing the value of the first qubit if the first qubit is generated based on the Hadamard basis have.
일 실시예에서, 상기 제1 비트 값은 1이고, 상기 제2 비트 값은 0일 수 있다.In one embodiment, the first bit value may be one and the second bit value may be zero.
일 실시예에서, 상기 복수의 사용자 단말기들 모두 및 상기 서버는, 동일한 상기 복수의 키 비트들을 공유할 수 있다.In one embodiment, both the plurality of user terminals and the server may share the same plurality of key bits.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 방법에서, 복수의 사용자 단말기들이, 제1 기저(basis) 및 제2 기저의 조합으로 이루어지는 복수의 기저 그룹들을 발생한다. 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로, 복수의 큐비트(qubit)들을 각각 포함하는 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버에 전송한다. 상기 서버가, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송한다. 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 복수의 키(key) 비트들을 획득한다. 상기 서버 및 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하여, 보안 키를 공유한다. 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들이 상기 보안 키를 기초로 데이터를 암호화하여 교환한다.To achieve the other object, in the quantum communication method according to the embodiments of the present invention, a plurality of user terminals generate a plurality of base groups consisting of a combination of a first base and a second base. The plurality of user terminals generates a plurality of groups of qubits each including a plurality of qubits based on the plurality of base groups and transmits them to the server. Wherein the server modifies or maintains each of the plurality of qubits contained in the plurality of qubits groups based on a first gate and a second gate to generate a plurality of return queue bit groups, And transmits the return queue bit groups to the plurality of user terminals. The plurality of user terminals compare the plurality of qubits groups and the plurality of return qubit groups to obtain a plurality of key bits. The server and the plurality of user terminals perform information reconciliation and privacy amplification on the plurality of key bits to share a secret key. The server and the plurality of user terminals encrypt and exchange data based on the security key.
일 실시예에서, 상기 복수의 큐비트 그룹들 및 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들은, 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들 사이의 양자 채널을 통해 전송될 수 있다. 상기 정보 조정 및 상기 비밀성 증폭은, 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들 사이의 공개 채널을 통해 수행될 수 있다.In one embodiment, the plurality of qubits groups and the plurality of return queue bit groups may be transmitted on a quantum channel between the server and the plurality of user terminals. The information coordination and the privacy amplification may be performed through a public channel between the server and the plurality of user terminals.
일 실시예에서, 상기 보안 키의 비트 수는 상기 복수의 키 비트들의 수보다 적을 수 있다.In one embodiment, the number of bits of the secret key may be less than the number of the plurality of key bits.
일 실시예에서, 상기 데이터는 상기 보안 키를 이용하는 원타임 패드(one-time pad) 방식에 의해 암호화될 수 있다.In one embodiment, the data may be encrypted by a one-time pad scheme using the security key.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템은 복수의 사용자 단말기들 및 서버를 포함한다. 상기 복수의 사용자 단말기들은 제1 기저(basis) 및 제2 기저의 조합으로 이루어지는 복수의 기저 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로, 복수의 큐비트(qubit)들을 각각 포함하는 복수의 큐비트 그룹들을 발생한다. 상기 서버는 상기 복수의 큐비트 그룹들을 수신하고, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하며, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송한다. 상기 복수의 사용자 단말기들은, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 보안 키를 생성하기 위한 복수의 키(key) 비트들을 획득한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a quantum communication system including a plurality of user terminals and a server. The plurality of user terminals generating a plurality of base groups consisting of a combination of a first basis and a second basis and generating a plurality of base groups each comprising a plurality of qubits based on the plurality of base groups And generates qubits groups. Wherein the server is configured to receive the plurality of queue bits and to change or maintain each of the plurality of queue bits included in the plurality of queue bit groups based on a first gate and a second gate, Bit groups, and transmits the plurality of return queue bit groups to the plurality of user terminals. The plurality of user terminals compares the plurality of qubits groups and the plurality of return queue bit groups to obtain a plurality of key bits for generating a secret key.
일 실시예에서, 상기 복수의 사용자 단말기들 중 제1 사용자 단말기는, 상기 제1 기저 및 상기 제2 기저의 조합으로 이루어지는 제1 기저 그룹을 발생하고, 상기 제1 기저 그룹을 기초로 제1 내지 제N(N은 2 이상의 자연수) 큐비트들을 포함하는 제1 큐비트 그룹을 발생하여 상기 서버에 전송하고, 상기 제1 큐비트 그룹과 상기 서버로부터 전송된 제1 리턴 큐비트 그룹을 비교하여, 상기 복수의 키 비트들을 획득할 수 있다. 상기 서버는, 상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각에 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 중 하나를 적용하여, 상기 제1 리턴 큐비트 그룹에 포함되는 제1 내지 제N 리턴 큐비트들 각각을 발생하고, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 적용 순서에 기초하여 상기 복수의 키 비트들의 값을 결정할 수 있다.In one embodiment, a first one of the plurality of user terminals generates a first base group comprising a combination of the first base and the second base, and generates a first base group based on the first base group, Generating a first group of qubits containing N (N is a natural number equal to or greater than 2) qubits and transmitting the groups to the server, comparing the first group of qubits with the group of first qubits sent from the server, And obtain the plurality of key bits. Wherein the server applies one of the first gate and the second gate to each of the first through the N-th queue bits to generate first through N-th return queue bits included in the first return queue bit group And determine the value of the plurality of key bits based on the application order of the first gate and the second gate.
일 실시예에서, 상기 서버는, 상기 복수의 키 비트들 중 제1 키 비트를 제1 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하고, 상기 제1 키 비트를 상기 제1 비트 값과 다른 제2 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생할 수 있다.In one embodiment, the server, when it is desired to set a first key bit of the plurality of key bits to a first bit value, applies the first gate to the first queue bit, Bit to a second bit value that is different from the first bit value, applying the second gate to the first qubit to generate the first return qubit .
일 실시예에서, 상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가질 수 있다.In one embodiment, when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first queue bit They can have different values. Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first qubit have the same value have.
일 실시예에서, 상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가질 수 있다. 상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가질 수 있다.In one embodiment, when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first queue bit Can have the same value. Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit have different values .
일 실시예에서, 상기 서버 및 상기 복수의 사용자 단말기들은, 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하여, 상기 보안 키를 공유할 수 있다. 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들이 상기 보안 키를 기초로 데이터를 암호화하여 교환할 수 있다.In one embodiment, the server and the plurality of user terminals may share the security key by performing information reconciliation and privacy amplification on the plurality of key bits. The server and the plurality of user terminals may encrypt and exchange data based on the security key.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 교환 방법 및 양자 통신 방법에서는, 사용자 단말기들이 서버와의 통신을 통해 키 비트들을 공유할 수 있다. 이 때, 서버는 큐비트들을 직접 발생하지 않고, 사용자 단말기들에서 발생된 큐비트들에 제1 및 제2 게이트들을 선택적으로 적용한 후에 큐비트들을 사용자 단말기들에 되돌려줌으로써, 상기 키 비트들과 관련된 정보를 사용자 단말기들에 전송할 수 있다. 따라서, 키 비트 전송을 위한 서버의 부하가 감소될 수 있으며, 복수의 사용자 단말기들이 동일한 키 비트들을 효율적으로 공유할 수 있다. 또한, 양자 통신에서의 다자간 키 교환 방법 및/또는 양자 통신 방법을 수행하는 양자 통신 시스템의 성능이 향상될 수 있다.In the multi-party key exchange method and the quantum communication method in the quantum communication according to the above-described embodiments of the present invention, the user terminals can share the key bits through communication with the server. At this time, the server does not directly generate the qubits, but rather selectively applies the first and second gates to the qubits generated at the user terminals and then returns the qubits to the user terminals, Information to the user terminals. Thus, the load of the server for key bit transmission can be reduced, and a plurality of user terminals can efficiently share the same key bits. Further, the performance of the quantum communication system performing the multi-party key exchange method and / or the quantum communication method in the quantum communication can be improved.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 1의 양자 통신 시스템에 포함되는 서버 및 제1 사용자 단말기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4, 5a, 5b, 6 및 7은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법을 설명하기 위한 표들이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a block diagram illustrating a quantum communication system in accordance with embodiments of the present invention.
2 is a flow chart illustrating a method for distributing a multi-party key in quantum communication according to embodiments of the present invention.
3 is a block diagram illustrating an example of a server and a first user terminal included in the quantum communication system of FIG.
4, 5A, 5B, 6 and 7 are tables for explaining a method of distributing a key in a quantum communication according to embodiments of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a quantum communication method according to embodiments of the present invention.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.On the other hand, if an embodiment is otherwise feasible, the functions or operations specified in a particular block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be performed at substantially the same time, and depending on the associated function or operation, the blocks may be performed backwards.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a quantum communication system in accordance with embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 양자 통신 시스템(10)은 서버(100) 및 복수의 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a
양자 통신 시스템(10)은 양자역학(quantum mechanics)을 이용하여 구현되는 통신 방식이며, 전자(electron)의 회전 상태(spin)에 기초하여 정보를 전달할 수 있다.The
본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템(10)에서, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 서버(100)와의 통신을 통해 동일한 키(key) 비트(bit)들을 공유한다. 서버(100)가 상기 키 비트들을 결정하고, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 상기 결정된 키 비트들을 획득한다. 이 때, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 큐비트(qubit)들을 발생하며, 서버(100)는 큐비트들의 발생 없이 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에서 발생된 상기 큐비트들에 기초하여 상기 키 비트들과 관련된 정보를 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 전송한다.In the
사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 각각과 서버(100)는 두 개의 채널들을 통해 연결될 수 있다. 상기 두 개의 채널들 중 하나는 상기 큐비트들을 전송하기 위한 양자 채널(quantum channel) 또는 보안 채널(secure channel)일 수 있고, 상기 두 개의 채널들 중 다른 하나는 일반 데이터 비트들을 전송하기 위한 공개 채널(public channel) 또는 고전 채널(classical channel)일 수 있다. 도 1에서, 상기 양자 채널을 실선의 양방향 화살표로 도시하였고, 상기 공개 채널을 점선의 양방향 화살표로 도시하였다.Each of the
사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 중 인접한 두 개는 하나의 채널을 통해 연결될 수 있다. 상기 하나의 채널은 상기 공개 채널 또는 상기 고전 채널일 수 있다.Two adjacent ones of the
도 1에서는 양자 통신 시스템(10)이 네 개의 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 양자 통신 시스템(10)은 임의의 M(M은 자연수)개의 사용자 단말기를 포함하여 구현될 수 있다.1, the
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법을 나타내는 순서도이다.2 is a flow chart illustrating a method for distributing a multi-party key in quantum communication according to embodiments of the present invention.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법에서, 복수의 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 복수의 기저(basis) 그룹들을 발생한다(단계 S100). 상기 복수의 기저 그룹들 각각은, 제1 기저(basis) 및 상기 제1 기저와 다른 제2 기저의 조합으로 이루어진다. 도 4를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 제1 및 제2 기저들 각각은 큐비트를 발생 또는 판별하는데 이용될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, in a method of distributing a key in a quantum communication according to embodiments of the present invention, a plurality of
사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버(100)에 전송한다(단계 S200). 상기 복수의 큐비트 그룹들 각각은 복수의 큐비트들을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 큐비트는 양자 통신에서 이용되는 비트를 나타낼 수 있으며, 상기 제1 및 제2 기저들 중 하나에 기초하여 발생되고 "0" 및 "1" 중 하나에 상응하는 값을 가질 수 있다.The
서버(100)는 제1 게이트 및 상기 제1 게이트와 다른 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 전송한다(단계 S300).The
일 실시예에서, 서버(100)는 각 큐비트 그룹에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각에 상기 제1 및 제2 게이트들 중 하나를 적용하여, 각 리턴 큐비트 그룹에 포함되는 복수의 리턴 큐비트들 각각을 발생할 수 있다. 하나의 큐비트 그룹 내의 큐비트들의 개수는 하나의 리턴 큐비트 그룹 내의 리턴 큐비트들의 개수와 실질적으로 동일할 수 있다. 하나의 큐비트 그룹 내의 하나의 큐비트와 이에 상응하는 하나의 리턴 큐비트 그룹 내의 하나의 리턴 큐비트는, 큐비트의 발생 시에 사용된 기저의 종류 및 리턴 큐비트의 발생 시에 적용된 게이트의 종류에 따라, 동일한 값을 가지거나 서로 다른 값을 가질 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 서버(100)는 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서에 기초하여 상기 복수의 키 비트들의 값을 결정할 수 있다. 이에 대해서는 도 6 및 7을 참조하여 후술하도록 한다.In one embodiment, the
사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 상기 복수의 키 비트들을 획득한다(단계 S400). 도 8을 참조하여 후술하는 것처럼, 상기 복수의 키 비트들은 양자 통신 시스템(10)에서 보안 통신을 수행하기 위한 보안 키를 생성하는데 이용될 수 있다.The
사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 발생하는 상기 복수의 큐비트 그룹들은 서로 상이할 수 있지만, 서버(100)가 상기 복수의 큐비트 그룹들 모두에 대해 동일한 순서로 상기 제1 및 제2 게이트들을 적용하여 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생할 수 있다. 따라서, 복수의 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 모두 및 서버(100)는 실질적으로 동일한 상기 복수의 키 비트들을 공유할 수 있다.The plurality of qubit groups from which the
한편, 도 2에서 도시하지는 않았지만, 도 8을 참조하여 후술하는 것처럼 단계 S400 이후에, 서버(100)와 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하여, 상기 보안 키를 공유할 수 있다. 상기와 같은 다자간 키 분배 동작 이후에, 양자 통신 시스템(10) 내에서 상기 보안 키에 기초하여 데이터를 암호화하여 교환할 수 있다.Although not shown in FIG. 2, as described later with reference to FIG. 8, after step S400, the
본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법에서는, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 서버(100)와의 통신을 통해 상기 키 비트들을 공유할 수 있다. 이 때, 서버(100)는 큐비트들을 직접 발생하지 않고, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에서 발생된 큐비트들에 상기 제1 및 제2 게이트들을 선택적으로 적용한 후에 상기 큐비트들을 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 되돌려줌으로써, 상기 키 비트들과 관련된 정보를 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 전송할 수 있다. 따라서, 서버(100)의 부하(load)가 감소될 수 있으며, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 동일한 키 비트들을 효율적으로 공유할 수 있다.In the multi-party key distribution method in the quantum communication according to the embodiments of the present invention, the
이하에서는, 서버(100)와 하나의 사용자 단말기(예를 들어, 제1 사용자 단말기(200))에 기초하여, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템(10)의 동작(예를 들어, 다자간 키 분배 동작)을 보다 상세하게 설명하도록 한다.The operation of the
도 3은 도 1의 양자 통신 시스템에 포함되는 서버 및 제1 사용자 단말기의 일 예를 나타내는 블록도이다. 도 4, 5a, 5b, 6 및 7은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법을 설명하기 위한 표들이다.3 is a block diagram illustrating an example of a server and a first user terminal included in the quantum communication system of FIG. 4, 5A, 5B, 6 and 7 are tables for explaining a method of distributing a key in a quantum communication according to embodiments of the present invention.
도 3 및 6을 참조하면, 서버(100)는 송수신부(110), 랜덤 넘버 발생부(120) 및 리턴 큐비트 발생부(130)를 포함할 수 있다. 제1 사용자 단말기(200)는 랜덤 넘버 발생부(210), 기저 결정부(220), 데이터 제공부(230), 큐비트 발생부(240), 송수신부(250) 및 키 발생부(260)를 포함할 수 있다. 채널들(202, 204)은 서버(100)와 제1 사용자 단말기(200) 사이에 연결되어 정보 전달 경로를 제공할 수 있다.3 and 6, the
랜덤 넘버 발생부(210)는 제1 랜덤 넘버(RN1)를 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 랜덤 넘버(RN1)는 N(N은 자연수)비트의 임의의 이진(binary) 넘버일 수 있다. 랜덤 넘버 발생부(210)는 제1 랜덤 넘버(RN1)를 발생하기 위한 임의의 랜덤 넘버 발생기를 포함할 수도 있고, 사용자 설정 신호에 기초하여 수동으로(manually) 제1 랜덤 넘버(RN1)를 발생할 수도 있다.The
기저 결정부(220)는 제1 기저 그룹(BG1)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 기저 결정부(220)는 제1 랜덤 넘버(RN1)의 각 비트를 상기 제1 및 제2 기저들 중 하나로 변환하여 제1 기저 그룹(BG1)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 랜덤 넘버(RN1)는 K(K는 0 이상 N 이하의 정수)개의 제1 비트 값(예를 들어, "1")과 상기 제1 비트 값과 다른 (N-K)개의 제2 비트 값(예를 들어, "0")의 조합으로 이루어지는 N비트의 이진 넘버일 수 있다. 이 경우, 기저 결정부(220)는 제1 랜덤 넘버(RN1)의 상기 제1 비트 값을 상기 제1 기저로 변환하고 제1 랜덤 넘버(RN1)의 상기 제2 비트 값을 상기 제2 기저로 변환하여, N개의 상기 제1 및 제2 기저들의 조합으로 이루어지는 제1 기저 그룹(BG1)을 발생할 수 있다.The
도 4를 참조하면, 상기 제1 기저는 수직 축(vertical axis) 상에서 전자의 스핀 다운(spin down) 또는 스핀 업(spin up)을 나타내기 위한 계산(computational) 기저일 수 있고, 상기 제2 기저는 수평 축(horizontal axis) 상에서 상기 전자의 상기 스핀 다운 또는 상기 스핀 업을 나타내기 위한 하다마드(Hadamard) 기저일 수 있다. 상기 계산 기저는 "+"로 표기될 수 있고, 상기 하다마드 기저는 "×"로 표기될 수 있다.4, the first base may be a computational basis for representing spin down or spin up of electrons on a vertical axis, May be a Hadamard basis for indicating the spin down or spin up of the electrons on a horizontal axis. The calculation basis may be denoted by "+ ", and the Hadamard basis may be denoted by" X ".
상기 계산 기저에서, 상기 스핀 다운 상태를 가지는 전자는 큐비트(|0〉)로 표기될 수 있고, 상기 스핀 업 상태를 가지는 전자는 큐비트(|1〉)로 표기될 수 있다. 상기 하다마드 기저에서, 상기 스핀 다운 상태를 가지는 전자는 큐비트(|+〉)로 표기될 수 있고, 상기 스핀 업 상태를 가지는 전자는 큐비트(|-〉)로 표기될 수 있다.In the calculation base, an electron having the spin down state can be represented by a qubit (| 0>), and an electron having the spin up state can be represented by a qubit (| 1>). In the Hadamard base, an electron having the spin down state can be represented by a qubit (| +>), and an electron having the spin up state can be represented by a qubit (| ->).
일 실시예에서, 상기 계산 기저의 큐비트(|0〉)는 이진 비트의 "0"에 상응할 수 있고, 상기 계산 기저의 큐비트(|1〉)는 상기 이진 비트의 "1"에 상응할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 하다마드 기저의 큐비트(|+〉)는 상기 이진 비트의 "0"에 상응할 수 있고, 상기 하다마드 기저의 큐비트(|-〉)는 상기 이진 비트의 "1"에 상응할 수 있다. 다른 실시예에서, 큐비트들(|0〉, |1〉, |+〉, |-〉) 각각이 나타내는 상기 이진 비트의 값("0" 또는 "1")은 변경될 수 있다.In one embodiment, a qubit (| 0>) of the calculation base may correspond to a "0" of a binary bit and a qubit (| 1>) of the calculation base corresponds to a "1" can do. Similarly, a quadrature (| + >) of the Hadamard basis may correspond to a "0" of the binary bit, ≪ / RTI > In another embodiment, the value of the binary bit ("0" or "1") represented by each of the qubits (| 0>, | 1>, | +>, |
다시 도 3 및 6을 참조하면, N이 10인 경우에 기초하여 제1 사용자 단말기(200)의 제1 기저 그룹(BG1)의 발생 동작을 설명할 수 있다. 예를 들어, 랜덤 넘버 발생부(210)는 "1101001001"의 10비트의 제1 랜덤 넘버(RN1)를 발생할 수 있다. 기저 결정부(220)는 "1101001001"의 제1 랜덤 넘버(RN1)에 기초하여 "++×+××+××+"의 제1 기저 그룹(BG1)을 발생할 수 있다.3 and 6, the generation operation of the first base group BG1 of the
데이터 제공부(230)는 제1 데이터(DAT1)를 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 랜덤 넘버(RN1)와 유사하게, 제1 데이터(DAT1)는 N비트의 임의의 이진 데이터일 수 있다. 랜덤 넘버 발생부(210)와 유사하게, 데이터 제공부(230)는 임의의 랜덤 넘버 발생기를 포함하거나, 사용자 설정 신호에 기초하여 제1 데이터(DAT1)를 발생할 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 데이터 제공부(230)는 키 분배 동작 이후에, 양자 통신 시스템(10) 내에서 암호화하여 교환하고자 하는 데이터를 발생할 수도 있다.The
큐비트 발생부(240)는 제1 기저 그룹(BG1)에 기초하여 제1 큐비트 그룹(QG1)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 큐비트 발생부(240)는 제1 기저 그룹(BG1)의 각 기저를 기초로 제1 데이터(DAT1)의 각 비트를 부호화하여 제1 큐비트 그룹(QG1)을 발생할 수 있으며, 상기 부호화 동작을 수행하기 위한 부호화부를 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 데이터(DAT1)가 N비트의 이진 데이터이고 제1 기저 그룹(BG1)이 N개의 상기 제1 및 제2 기저들의 조합으로 이루어지는 경우에, 제1 큐비트 그룹(QG1)은 제1 내지 제N 큐비트들을 포함하는 데이터일 수 있다.The
도 6에 도시된 것처럼, N이 10인 경우에 기초하여 제1 사용자 단말기(200)의 제1 큐비트 그룹(QG1)의 발생 동작을 설명할 수 있다. 예를 들어, 데이터 제공부(230)는 "0100101011"의 10비트의 제1 데이터(DAT1)를 발생할 수 있다. 큐비트 발생부(240)는 "++×+××+××+"의 제1 기저 그룹(BG1)을 기초로 "0100101011"의 제1 데이터(DAT1)를 부호화하여 제1 큐비트 그룹(QG1)을 발생할 수 있다. 제1 큐비트 그룹(QG1)은 제1 큐비트(|0〉), 제2 큐비트(|1〉), 제3 큐비트(|+〉), 제4 큐비트(|0〉), 제5 큐비트(|-〉), 제6 큐비트(|+〉), 제7 큐비트(|1〉), 제8 큐비트(|+〉), 제9 큐비트(|-〉) 및 제10 큐비트(|1〉)를 포함할 수 있다.The generation operation of the first qubit group QG1 of the
송수신부(250)는 제1 큐비트 그룹(QG1)을 서버(100)에 전송할 수 있고, 송수신부(110)는 제1 사용자 단말기(200)로부터 제1 큐비트 그룹(QG1)을 수신할 수 있다.The
랜덤 넘버 발생부(120)는 랜덤 넘버(RN)를 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 랜덤 넘버(RN1)와 유사하게, 랜덤 넘버(RN)는 N비트의 임의의 이진 넘버일 수 있다. 랜덤 넘버 발생부(210)와 유사하게, 랜덤 넘버 발생부(120)는 임의의 랜덤 넘버 발생기를 포함하거나, 사용자 설정 신호에 기초하여 랜덤 넘버(RN)를 발생할 수도 있다. 예를 들어, 랜덤 넘버(RN)는 제1 사용자 단말기(200)에 의해 획득되는 복수의 키 비트들(KB1)과 실질적으로 동일할 수 있다.The
리턴 큐비트 발생부(130)는 상기 제1 및 제2 게이트들을 기초로 제1 큐비트 그룹(QG1)에 포함되는 상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여, 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 리턴 큐비트 발생부(130)는 랜덤 넘버(RN)를 기초로 상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각에 상기 제1 및 제2 게이트들 중 하나를 적용하여, 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 큐비트 그룹(QG1)과 유사하게, 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)은 제1 내지 제N 리턴 큐비트들을 포함하는 데이터일 수 있고, 리턴 큐비트 발생부(130)는 랜덤 넘버(RN)의 제1 비트를 기초로 제1 큐비트 그룹(QG1)의 상기 제1 큐비트에 상기 제1 및 제2 게이트들 중 하나를 적용하여, 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)의 상기 제1 리턴 큐비트를 발생할 수 있다. 리턴 큐비트 발생부(130)는 상기 제1 및 제2 게이트들을 포함하여 구현될 수 있다.The return
도 5a를 참조하면, 상기 제1 게이트는 파울리 X 게이트(Pauli X gate)를 나타낼 수 있다. 상기 파울리 X 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 큐비트들(예를 들어, |0〉, |1〉) 중 하나인 경우에, 상기 제1 큐비트를 변경하기 위한 부정 게이트(NOT gate)로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 큐비트(|0〉)에 상기 파울리 X 게이트를 적용하면 큐비트(|1〉)로 변경될 수 있고, 큐비트(|1〉)에 상기 파울리 X 게이트를 적용하면 큐비트(|0〉)로 변경될 수 있다. 상기 파울리 X 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 큐비트들(예를 들어, |+〉, |-〉) 중 하나인 경우에, 상기 제1 큐비트를 변경하지 않고 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 큐비트(|+〉)에 상기 파울리 X 게이트를 적용하면 큐비트(|+〉)가 유지될 수 있고, 큐비트(|-〉)에 상기 파울리 X 게이트를 적용하면 큐비트(|-〉)가 유지될 수 있다. 상기 파울리 X 게이트는 하기의 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.Referring to FIG. 5A, the first gate may represent a Pauli X gate. Wherein the Pauligi X gate is configured to change the first qubit if the first qubit is one of the qubits generated based on the calculation basis (e.g., | 0>, | 1>) Lt; RTI ID = 0.0 > NOT gate < / RTI > For example, applying the Pauligi X gate to the qubits (| 0>) can be changed to a qubit (| 1>) and applying the Pauligi X gate to the qubits (| 1> | 0>). Wherein the Pauligi X gate is configured to change the first qubit if the first qubit is one of the qubits generated based on the Hadamard basis (e.g., | +>, | ->) It can be maintained without. For example, if the Pauligi X gate is applied to a qubit (| +>), a qubit (| +>) can be maintained and if the Pauligi gate is applied to a qubit (| | ->) can be maintained. The Pauligi X gate can be defined as: " (1) "
[수학식 1][Equation 1]
도 5b를 참조하면, 상기 제2 게이트는 파울리 Z 게이트(Pauli Z gate)를 나타낼 수 있다. 상기 파울리 Z 게이트는 상기 파울리 X 게이트와 반대로 동작할 수 있다. 상기 파울리 Z 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트를 변경하기 위한 상기 부정 게이트로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 큐비트(|+〉)에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하면 큐비트(|-〉)로 변경될 수 있고, 큐비트(|-〉)에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하면 큐비트(|+〉)로 변경될 수 있다. 상기 파울리 Z 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트를 변경하지 않고 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 큐비트(|0〉)에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하면 큐비트(|0〉)가 유지될 수 있고, 큐비트(|1〉)에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하면 큐비트(|1〉)가 유지될 수 있다. 상기 파울리 Z 게이트는 하기의 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.Referring to FIG. 5B, the second gate may represent a Pauli Z gate. The Pauli Z gate can operate in opposition to the Pauli X gate. The Pauligi Z gate may operate as the undefined gate for changing the first qubit if the first qubit is generated based on the Hadamard basis. For example, applying the Pauligi Z gate to a qubit (| +>) can be changed to a qubit (| ->), and applying the Pauligi Z gate to a qubit (| | + ≫). The Pauligi Z gate may maintain the first qubit bit unchanged if the first qubit is generated based on the calculation base. For example, applying the Pauligi Z gate to a qubit (| 0>) can maintain a qubit (| 0>) and applying the Pauligi Z gate to a qubit (| 1> | 1 >) can be maintained. The Pauligi gate can be defined as: " (2) "
[수학식 2]&Quot; (2) "
다시 도 3 및 6을 참조하면, 복수의 키 비트들(KB1)에 포함되는 제1 키 비트를 상기 제1 비트 값(예를 들어, "1")으로 설정하고자 하는 경우에, 리턴 큐비트 발생부(130)는 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생할 수 있다. 상기 제1 키 비트를 상기 제2 비트 값(예를 들어, "0")으로 설정하고자 하는 경우에, 리턴 큐비트 발생부(130)는 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생할 수 있다.Referring again to FIGS. 3 and 6, when it is desired to set the first key bit included in the plurality of key bits KB1 to the first bit value (e.g., "1"),
일 실시예에서, 리턴 큐비트 발생부(130)는 랜덤 넘버(RN)에 기초하여 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 랜덤 넘버(RN)는 L(L은 0 이상 N 이하의 정수)개의 상기 제1 비트 값(예를 들어, "1")과 다른 (N-L)개의 상기 제2 비트 값(예를 들어, "0")의 조합으로 이루어지는 N비트의 이진 넘버일 수 있다. 리턴 큐비트 발생부(130)는 랜덤 넘버(RN)의 상기 제1 비트 값을 X(즉, 상기 제1 게이트를 적용하기 위한 값)로 변환하고 랜덤 넘버(RN)의 상기 제2 비트 값을 Z(즉, 상기 제2 게이트를 적용하기 위한 값)로 변환하여, N개의 상기 X 및 Z들의 조합으로 이루어지는 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서(SO)를 발생할 수 있다.In one embodiment, the return
도 6에 도시된 것처럼, N이 10인 경우에 기초하여 서버(100)의 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)의 발생 동작을 설명할 수 있다. 예를 들어, 랜덤 넘버 발생부(120)는 "1011010100"의 10비트의 랜덤 넘버(RN)를 발생할 수 있다. 리턴 큐비트 발생부(130)는 "1011010100"의 랜덤 넘버(RN)에 기초하여 "XZXXZXZXZZ"의 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서(SO)를 발생할 수 있다. 리턴 큐비트 발생부(130)는 "XZXXZXZXZZ"의 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서(SO)를 기초로, 제1 큐비트 그룹(QG1)의 상기 제1, 제3, 제4, 제6 및 제8 큐비트들에 상기 제1 게이트를 적용하여 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)의 상기 제1, 제3, 제4, 제6 및 제8 리턴 큐비트들을 발생할 수 있고, 제1 큐비트 그룹(QG1)의 상기 제2, 제5, 제7, 제9 및 제10 큐비트들에 상기 제2 게이트를 적용하여 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)의 제2, 제5, 제7, 제9 및 제10 리턴 큐비트들을 발생할 수 있다.The generation operation of the first return queue bit group RQG1 of the
일 실시예에서, 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 상기 제1 큐비트(|0〉)와, 상기 제1 큐비트에 상기 파울리 X 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트(|1〉)는, 서로 다른 값을 가질 수 있다. 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 상기 제3 큐비트(|+〉)와, 상기 제3 큐비트에 상기 파울리 X 게이트를 적용하여 발생된 상기 제3 리턴 큐비트(|+〉)는, 동일한 값을 가질 수 있다. 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 상기 제2 큐비트(|1〉)와, 상기 제2 큐비트에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하여 발생된 상기 제2 리턴 큐비트(|1〉)는, 동일한 값을 가질 수 있다. 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 상기 제5 큐비트(|-〉)와, 상기 제5 큐비트에 상기 파울리 Z 게이트를 적용하여 발생된 상기 제5 리턴 큐비트(|+〉)는, 서로 다른 값을 가질 수 있다.In one embodiment, the first qubit (| 0>) generated based on the calculation base and the first return qubit (| 1> generated by applying the Pauligi gate to the first qubit, ) May have different values. The third return qubit (| +>) generated by applying the Pauligi X gate to the third qubit and the third qubit (| +>) generated based on the Hadamard basis are identical Value. ≪ / RTI > Wherein the second qubit (| 1 >) generated based on the calculation base and the second return qubit (| 1 >) generated by applying the Pauligi gate to the second qubit have the same value Lt; / RTI > The fifth return qubit (| +>) generated by applying the Fourier Z gate to the fifth qubit and the fifth qubit (| ->) generated based on the Hadamard basis are mutually different from each other It can have different values.
송수신부(110)는 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)을 제1 사용자 단말기(200)에 전송할 수 있고, 송수신부(250)는 서버(100)로부터 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)을 수신할 수 있다.The transmitting and receiving
키 발생부(260)는 제1 큐비트 그룹(QG1)과 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)을 비교하여 복수의 키 비트들(KB1)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 키 발생부(260)는 제1 큐비트 그룹(QG1)의 상기 제1 큐비트와 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)의 상기 제1 리턴 큐비트가 동일한지 여부, 및 상기 제1 큐비트의 발생 시에 사용된 기저의 종류에 기초하여, 복수의 키 비트들(KB1)의 상기 제1 키 비트를 획득할 수 있다. 예를 들어, 랜덤 넘버(RN)와 동일하게, 복수의 키 비트들(KB1)은 N비트의 이진 넘버일 수 있다.The
도 6에 도시된 것처럼, N이 10인 경우에 기초하여 제1 사용자 단말기(200)의 복수의 키 비트들(KB1)의 발생 동작을 설명할 수 있다. 예를 들어, 키 발생부(260)는 상기 제1 내지 제10 큐비트들과 상기 제1 내지 제10 리턴 큐비트들을 비교하고 제1 기저 그룹(BG1)에 기초하여 복수의 키 비트들(KB1)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 상기 제1 큐비트(|0〉)와 상기 제1 리턴 큐비트(|1〉)가 서로 다른 값을 가지므로, 상기 제1 키 비트는 상기 제1 게이트에 상응하는 상기 제1 비트 값(예를 들어, "1")으로 판단될 수 있다. 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 상기 제2 큐비트(|1〉)와 상기 제2 리턴 큐비트(|1〉)가 동일한 값을 가지므로, 제2 키 비트는 상기 제2 게이트에 상응하는 상기 제2 비트 값(예를 들어, "0")으로 판단될 수 있다. 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 상기 제3 큐비트(|+〉)와 상기 제3 리턴 큐비트(|+〉)가 동일한 값을 가지므로, 제3 키 비트는 상기 제1 게이트에 상응하는 상기 제1 비트 값(예를 들어, "1")으로 판단될 수 있다. 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 상기 제5 큐비트(|-〉)와 상기 제5 리턴 큐비트(|+〉)가 서로 다른 값을 가지므로, 제5 키 비트는 상기 제2 게이트에 상응하는 상기 제2 비트 값(예를 들어, "0")으로 판단될 수 있다.As shown in FIG. 6, the operation of generating the plurality of key bits KB1 of the
채널(202)은 상기 양자 채널 또는 상기 보안 채널일 수 있고, 채널(204)은 상기 고전 채널 또는 상기 공개 채널일 수 있다. 채널(202)을 통해 제1 큐비트 그룹(QG1) 및 제1 리턴 큐비트 그룹(RQG1)이 전송될 수 있다. 예를 들어, 채널(204)은 TCP/IP 프로토콜에 기초하여 동작할 수 있다.The
일 실시예에서, 서버(100) 및 제1 사용자 단말기(200)의 구성요소들의 일부 또는 전부는 프로그램(즉, 소프트웨어) 또는 하드웨어의 형태로 구현될 수 있다.In one embodiment, some or all of the components of
도시하지는 않았지만, 서버(100) 및 제1 사용자 단말기(200)는, 특정 계산들 또는 태스크들과 같은 다양한 컴퓨팅 기능들을 실행하는 프로세서, 상기 프로세서에 의해 처리되는 데이터, 명령어 등을 저장하는 메모리 또는 저장부, 도 8을 참조하여 후술하는 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하기 위한 후처리부, 도 8을 참조하여 후술하는 보안 통신을 수행하기 위한 부호화부 및 복호화부 등을 더 포함하여 구현될 수 있다.Although not shown, the
도 7을 참조하면, 서버(100)와 제2 사용자 단말기(300)의 키 분배 동작은 도 3 내지 6을 참조하여 상술한 서버(100)와 제1 사용자 단말기(200)의 키 분배 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 사용자 단말기(200)와 유사하게, 제2 사용자 단말기(300)는 랜덤 넘버 발생부, 기저 결정부, 데이터 제공부, 큐비트 발생부, 송수신부 및 키 발생부를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the key distribution operation of the
제2 사용자 단말기(300)는 상기 제1 및 제2 기저들의 조합으로 이루어지는 제2 기저 그룹(BG2)을 발생할 수 있고, 제2 기저 그룹(BG2)에 기초하여 제2 큐비트 그룹(QG2)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 것처럼, "0101010010"의 제1 랜덤 넘버(RN1)에 기초하여 "×+×+×+××+×"의 제2 기저 그룹(BG2)이 발생될 수 있고, "×+×+×+××+×"의 제2 기저 그룹(BG2)을 기초로 "1010001001"의 제2 데이터를 부호화하여 제2 큐비트 그룹(QG2)을 발생할 수 있다.The
서버(100)는 제2 큐비트 그룹(QG2)에 포함되는 각 큐비트에 상기 제1 및 제2 게이트들 중 하나를 적용하여, 제2 리턴 큐비트 그룹(RQG2)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 것처럼, "XZXXZXZXZZ"의 상기 제1 및 제2 게이트들의 적용 순서(SO)를 기초로, 제2 큐비트 그룹(QG2)의 제1, 제3, 제4, 제6 및 제8 큐비트들에 상기 제1 게이트를 적용하고 제2 큐비트 그룹(QG2)의 제2, 제5, 제7, 제9 및 제10 큐비트들에 상기 제2 게이트를 적용하여, 제2 리턴 큐비트 그룹(RQG2)을 발생할 수 있다.The
제2 사용자 단말기(300)는 제2 큐비트 그룹(QG2)과 제2 리턴 큐비트 그룹(RQG2)을 비교하여 복수의 키 비트들(KB2)을 획득할 수 있다.The
상술한 것처럼, 제1 사용자 단말기(200)에 의해 생성된 제1 큐비트 그룹(QG1)과 제2 사용자 단말기(300)에 의해 생성된 제2 큐비트 그룹(QG2)은 서로 상이할 수 있으나, 서버(100)가 큐비트 그룹들(QG1, QG2)에 동일한 순서(SO)로 상기 제1 및 제2 게이트들을 적용하기 때문에, 사용자 단말기들(200, 300)에 전송되는 리턴 큐비트 그룹들(RQG1, RQG2)은 상기 키 비트들과 관련된 동일한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 사용자 단말기(200)에 의해 획득되는 복수의 키 비트들(KB1)과 제2 사용자 단말기(300)에 의해 획득되는 복수의 키 비트들(KB2)은 실질적으로 동일할 수 있다.As described above, the first qubit group QG1 generated by the
도시하지는 않았으나, 서버(100)와 나머지 사용자 단말기들(400, 500)의 키 분배 동작 역시 도 3 내지 6을 참조하여 상술한 서버(100)와 제1 사용자 단말기(200)의 키 분배 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.Although not shown, the key distribution operation of the
일 실시예에서, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 각각에 대해 키 분배 동작이 순차적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 단말기(200)에 대해 도 3의 단계 S100~S400이 수행될 수 있고, 이후에 제2 사용자 단말기(300)에 대해 도 3의 단계 S100~S400이 수행될 수 있으며, 이후에 제3 사용자 단말기(400)에 대해 도 3의 단계 S100~S400이 수행될 수 있으며, 이후에 제4 사용자 단말기(500)에 대해 도 3의 단계 S100~S400이 수행될 수 있다.In one embodiment, a key distribution operation may be performed sequentially for each of the
다른 실시예에서, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 모두에 대해 키 분배 동작이 실질적으로 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 대해 도 3의 단계 S100이 수행될 수 있고, 이후에 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 대해 도 3의 단계 S200이 수행될 수 있고, 이후에 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 대해 도 3의 단계 S300이 수행될 수 있으며, 이후에 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 대해 도 3의 단계 S400이 수행될 수 있다.In another embodiment, the key distribution operation for both
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 방법을 나타내는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a quantum communication method according to embodiments of the present invention.
도 1 및 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 방법에서, 복수의 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 복수의 기저 그룹들을 발생하고(단계 S1100), 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버(100)에 전송하고(단계 S1200), 서버(100)는 제1 및 제2 게이트들을 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 전송하며(단계 S1300), 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 복수의 키 비트들을 획득한다(단계 S1400). 도 8의 단계 S1100 내지 S1400은 도 3의 단계 S100 내지 S400과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 8, in a quantum communication method according to embodiments of the present invention, a plurality of
서버(100) 및 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정 및 비밀성 증폭을 수행하여, 보안 키를 공유한다(단계 S1500). 서버(100) 및 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)은 상기 보안 키를 기초로 데이터를 암호화하여 교환한다(단계 S1600).The
상기 정보 조정은 상기 보안 키의 동일성을 확보하기 위한 동작일 수 있다. 구체적으로, 노이즈 및/또는 간섭 등에 의해 서버(100)에서 전송된 상기 복수의 키 비트들과, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에서 수신된 상기 복수의 키 비트들 사이에 발생하는 불일치(예를 들어, 채널 오류 또는 제3자의 도청에 의한 오류)가, 상기 정보 조정에 의해 해소될 수 있다. 예를 들어, 상기 불일치를 조정하기 위해 오류 정정 코드가 사용될 수 있으며, 따라서 상기 정보 조정을 오류 정정(error correction)이라 부를 수도 있다.The information coordination may be an operation for ensuring the identity of the security key. Specifically, the plurality of key bits transmitted from the
상기 비밀성 증폭은 상기 복수의 키 비트들에서 제3자(third party)에게 누설된 정보를 제거하기 위한 동작일 수 있다. 구체적으로, 상기 비밀성 증폭은 서버(100)와 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 공통된 상기 보안 키를 획득하는 과정에서 제3자에게 누설된 정보를 제거하는 동작을 나타낼 수 있다. 상기 비밀성 증폭에 의해 상기 보안 키의 길이가 상기 복수의 키 비트들의 길이보다 감소될 수 있지만, 상기 보안 키의 랜덤성, 보안성, 안전성 및/또는 기밀성이 확보될 수 있다.The confidentiality amplification may be an operation for removing information leaked to a third party in the plurality of key bits. Specifically, the confidentiality amplification may indicate an operation of removing information leaked to a third party in the course of acquiring the common security key of the
상기와 같은 정보 조정 및 비밀성 증폭은 양자 후처리(post-process) 기술일 수 있으며, 서버(100) 및 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 내부의 별도의 후처리부(미도시)에 의해 수행될 수 있다. 상기 정보 조정 및 상기 비밀성 증폭에 의해, 서버(100)와 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 실질적으로 동일한 상기 보안 키를 안전하게 공유할 수 있다.The above information coordination and confidentiality amplification may be a post-process technique and may be performed by a separate post-processing unit (not shown) within the
일 실시예에서, 상기 복수의 큐비트 그룹들 및 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들은, 서버(100)와 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 사이의 양자 채널(예를 들어, 도 1의 실선 화살표)을 통해 전송될 수 있다. 상기 정보 조정 및 상기 비밀성 증폭은, 서버(100)와 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500) 사이의 공개 채널(예를 들어, 도 1의 점선 화살표)을 통해 수행될 수 있다.In one embodiment, the plurality of qubits groups and the plurality of return queue bit groups may be used to control quantum channels (e.g., FIG. 1) between
상기 복수의 키 비트들은 로우 키(raw key) 또는 선별 키(sifted key)라고 불릴 수 있고, 상기 보안 키는 최종 키(final key)로 불릴 수 있다. 키 분배 동작 이후에 실제 데이터 교환 동작은 최종 키인 상기 보안 키에 기초하여 수행될 수 있다.The plurality of key bits may be referred to as a raw key or a sifted key, and the secret key may be referred to as a final key. After the key distribution operation, the actual data exchange operation may be performed based on the security key which is the final key.
일 실시예에서, 상기 보안 키의 비트 수는 상기 복수의 키 비트들의 수보다 적을 수 있다. 예를 들어, 상기 비밀성 증폭에 의해 상기 보안 키가 상대적으로 적은 비트 수를 가질 수 있다. 다만, 상기 보안 키의 비트 수가 증가할수록 유리하며, 예를 들어 상기 보안 키의 비트 수가 증가할수록 보안 통신의 성능 및 정확도가 향상될 수 있다.In one embodiment, the number of bits of the secret key may be less than the number of the plurality of key bits. For example, the secret key may have a relatively small number of bits. However, as the number of bits of the security key increases, it is advantageous. For example, as the number of bits of the security key increases, the performance and accuracy of secure communication can be improved.
일 실시예에서, 단계 S1600에서 교환되는 상기 데이터는 상기 보안 키를 이용하는 원타임 패드(one-time pad) 방식에 의해 암호화될 수 있다. 다만, 상기 데이터의 암호화 방식은 실시예에 따라서 다양하게 변경될 수 있다.In one embodiment, the data exchanged in step S1600 may be encrypted by a one-time pad scheme using the security key. However, the encryption method of the data can be variously changed according to the embodiment.
본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 방법에서는, 서버(100)가 큐비트들을 직접 발생하지 않고, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에서 발생된 큐비트들에 상기 제1 및 제2 게이트들을 선택적으로 적용한 후에 상기 큐비트들을 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 되돌려줌으로써, 상기 키 비트들과 관련된 정보를 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)에 전송할 수 있다. 따라서, 서버(100)의 부하(load)가 감소될 수 있으며, 사용자 단말기들(200, 300, 400, 500)이 동일한 키 비트들을 효율적으로 공유할 수 있다. 또한, 상기 정보 조정 및 상기 비밀성 증폭이 수행되는 경우에만 공개 채널이 사용되므로, 상기 보안 키 생성을 위한 공개 채널의 사용이 감소될 수 있으며, 얽힘(entanglement) 및 양자 메모리(quantum memory)의 사용이 불필요할 수 있다.In the quantum communication method according to the embodiments of the present invention, the
본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 교환 방법 및/또는 양자 통신 방법은 임의의 모바일 기기 또는 임의의 컴퓨팅 시스템에 적용될 수 있으며, 본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신 시스템에 포함되는 서버 및 사용자 단말기들은 임의의 모바일 기기 또는 임의의 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 예를 들어, 상기 모바일 기기는 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 태블릿(Tablet) PC(Personal Computer), 노트북(Laptop Computer), 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등을 포함할 수 있으며, 웨어러블(wearable) 기기, 사물 인터넷(Internet of Things: IoT) 기기, 만물 인터넷(Internet of Everything: IoE) 기기, e-북(e-book) 등을 더 포함할 수 있다. 상기 컴퓨팅 시스템은 PC(Personal Computer), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box) 등을 포함할 수 있다.The multi-party key exchange method and / or the quantum communication method in the quantum communication according to the embodiments of the present invention can be applied to any mobile device or any computing system and is included in the quantum communication system according to the embodiments of the present invention The server and user terminals may be any mobile device or any computing system. For example, the mobile device may be a mobile phone, a smart phone, a tablet PC, a laptop computer, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia And may include a portable multimedia player (PMP), a digital camera, a music player, a portable game console, a navigation system, and the like, and may be a wearable device, An Internet of Things (IoT) device, an Internet of Everything (IoE) device, an e-book, and the like. The computing system may include a personal computer (PC), a server computer, a workstation, a digital television, a set-top box, and the like.
본 발명의 실시예들에 따른 양자 통신에서의 다자간 키 교환 방법, 양자 통신 방법 및/또는 양자 통신 시스템은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드를 포함하는 제품 등의 형태로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드는 판독 장치를 통해 다양한 컴퓨터 또는 다른 데이터 처리 장치의 프로세서로 제공될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 컴퓨터로 판독 가능한 신호 매체 또는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체일 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는 명령어 실행 시스템, 장비 또는 장치 내에 또는 이들과 접속되어 프로그램을 저장하거나 포함할 수 있는 임의의 유형적인 매체일 수 있다.The multi-party key exchange method, the quantum communication method and / or the quantum communication system in the quantum communication according to embodiments of the present invention may be embodied in the form of a product including computer readable program code stored in a computer- . The computer readable program code may be provided to the processor of the various computers or other data processing apparatus via a reading device. The computer-readable medium may be a computer-readable signal medium or a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any type of medium that can store or contain programs in or on the instruction execution system, equipment or apparatus.
이상, 전자의 회전 상태를 이용하여 신호를 전송하는 양자 통신 방식에 기초하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 실시예들은 광자(photon)의 편광 상태(polarization)를 이용하거나 위상차를 이용하여 신호를 전송하는 양자 통신 방식에 대해서도 적용될 수 있다.Although embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to a quantum communication system that transmits signals using the rotation state of electrons, embodiments of the present invention may use a polarization of a photon, The present invention can also be applied to a quantum communication system in which a signal is transmitted using a wireless communication system.
본 발명은 다양한 통신 장치 및 통신 시스템에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, PDA, PMP, 디지털 카메라, 캠코더, PC, 서버 컴퓨터, 워크스테이션, 노트북, 디지털 TV, 셋-탑 박스, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 시스템, 스마트 카드, 프린터 등과 같은 다양한 전자 기기에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention can be applied to various communication apparatuses and communication systems. Therefore, the present invention can be applied to a mobile phone, a smart phone, a PDA, a PMP, a digital camera, a camcorder, a PC, a server computer, a workstation, a notebook, a digital TV, a set- And the like can be usefully used in various electronic devices.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It will be understood.
Claims (20)
상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로, 복수의 큐비트(qubit)들을 각각 포함하는 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버에 전송하는 단계;
상기 서버가, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송하는 단계; 및
상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 보안 키를 생성하기 위한 복수의 키(key) 비트들을 획득하는 단계를 포함하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.A method comprising: generating a plurality of base groups, wherein a plurality of user terminals comprise a combination of a first basis and a second basis;
The plurality of user terminals generating and transmitting to the server a plurality of groups of qubits each including a plurality of qubits based on the plurality of base groups;
Wherein the server modifies or maintains each of the plurality of qubits contained in the plurality of qubits groups based on a first gate and a second gate to generate a plurality of return queue bit groups, Sending return queue bit groups to the plurality of user terminals; And
The plurality of user terminals comparing the plurality of qubits groups with the plurality of return queue bit groups to obtain a plurality of key bits for generating a secret key, Multi - way key distribution method.
상기 제1 기저 및 상기 제2 기저의 조합으로 이루어지는 제1 기저 그룹을 발생하고,
상기 제1 기저 그룹을 기초로 제1 내지 제N(N은 2 이상의 자연수) 큐비트들을 포함하는 제1 큐비트 그룹을 발생하여 상기 서버에 전송하며,
상기 제1 큐비트 그룹과 상기 서버로부터 전송된 제1 리턴 큐비트 그룹을 비교하여, 상기 복수의 키 비트들을 획득하는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.2. The method of claim 1, wherein the first user terminal of the plurality of user terminals comprises:
Generating a first base group including a combination of the first base and the second base,
Generates a first qubit group including first to Nth (N is a natural number equal to or greater than 2) qubits based on the first base group, and transmits the generated first qubit group to the server,
And comparing the first queue bit group with a first return queue bit group transmitted from the server to obtain the plurality of key bits.
상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각에 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 중 하나를 적용하여, 상기 제1 리턴 큐비트 그룹에 포함되는 제1 내지 제N 리턴 큐비트들 각각을 발생하며,
상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 적용 순서에 기초하여 상기 복수의 키 비트들의 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.3. The server according to claim 2,
Applying one of the first gate and the second gate to each of the first through N th queue bits to generate each of first through N th return queue bits included in the first return queue bit group,
Wherein the value of the plurality of key bits is determined based on an application sequence of the first gate and the second gate.
상기 복수의 키 비트들 중 제1 키 비트를 제1 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하고,
상기 제1 키 비트를 상기 제1 비트 값과 다른 제2 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.4. The server according to claim 3,
Generating the first return qubit by applying the first gate to the first qubit if the first key bit of the plurality of key bits is to be set to a first bit value,
And generates the first return qubit by applying the second gate to the first qubit when it is desired to set the first key bit to a second bit value different from the first bit value Multiparty key distribution method in quantum communication.
상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가지고,
상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가지는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.5. The method of claim 4,
Wherein when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first queue have different values ,
Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first qubit have the same value A multi-party key distribution method in quantum communication.
상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가지고,
상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.6. The method of claim 5,
Wherein when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit have the same value,
Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit generated by applying the second gate to the first qubit, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > multi-party key distribution in a quantum communication.
상기 제1 기저는 수직 축(vertical axis) 상에서 전자의 스핀 다운(spin down) 또는 스핀 업(spin up)을 나타내기 위한 계산(computational) 기저이고,
상기 제2 기저는 수평 축(horizontal axis) 상에서 상기 전자의 상기 스핀 다운 또는 상기 스핀 업을 나타내기 위한 하다마드(Hadamard) 기저인 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.5. The method of claim 4,
The first basis is a computational basis for representing the spin down or spin up of electrons on a vertical axis,
Wherein the second basis is a Hadamard basis for representing the spin-down or the spin-up of the electrons on a horizontal axis.
상기 제1 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 계산 기저에 기초하여 발생된 경우에 상기 제1 큐비트의 값을 변경하기 위한 부정 게이트(NOT gate)로서 동작하는 파울리 X 게이트(Pauli X gate)이고,
상기 제2 게이트는, 상기 제1 큐비트가 상기 하다마드 기저에 기초하여 발생된 경우에 상기 제1 큐비트의 값을 변경하기 위한 상기 부정 게이트로서 동작하는 파울리 Z 게이트(Pauli Z gate)인 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the first gate comprises a Pauli X gate operating as a NOT gate for changing the value of the first qubit when the first qubit is generated on the basis of the calculation, ego,
The second gate is a Pauli Z gate (Pauli Z gate) operating as the undefined gate for changing the value of the first qubit when the first qubit is generated based on the Hadamard basis A multi-party key distribution method in quantum communication.
상기 제1 비트 값은 1이고, 상기 제2 비트 값은 0인 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the first bit value is one and the second bit value is zero.
상기 복수의 사용자 단말기들 모두 및 상기 서버는, 동일한 상기 복수의 키 비트들을 공유하는 것을 특징으로 하는 양자 통신에서의 다자간 키 분배 방법.The method according to claim 1,
Wherein all of the plurality of user terminals and the server share the same plurality of key bits.
상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 기저 그룹들을 기초로, 복수의 큐비트(qubit)들을 각각 포함하는 복수의 큐비트 그룹들을 발생하여 서버에 전송하는 단계;
상기 서버가, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하고, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송하는 단계;
상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 복수의 키(key) 비트들을 획득하는 단계;
상기 서버 및 상기 복수의 사용자 단말기들이, 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하여, 보안 키를 공유하는 단계; 및
상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들이 상기 보안 키를 기초로 데이터를 암호화하여 교환하는 단계를 포함하는 양자 통신 방법.A method comprising: generating a plurality of base groups, wherein a plurality of user terminals comprise a combination of a first basis and a second basis;
The plurality of user terminals generating and transmitting to the server a plurality of groups of qubits each including a plurality of qubits based on the plurality of base groups;
Wherein the server modifies or maintains each of the plurality of qubits contained in the plurality of qubits groups based on a first gate and a second gate to generate a plurality of return queue bit groups, Sending return queue bit groups to the plurality of user terminals;
The plurality of user terminals comparing the plurality of the qubit groups and the plurality of return qubit groups to obtain a plurality of key bits;
The server and the plurality of user terminals performing information reconciliation and privacy amplification on the plurality of key bits to share a secret key; And
And the server and the plurality of user terminals encrypt and exchange data based on the security key.
상기 복수의 큐비트 그룹들 및 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들은, 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들 사이의 양자 채널을 통해 전송되며,
상기 정보 조정 및 상기 비밀성 증폭은, 상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들 사이의 공개 채널을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 양자 통신 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the plurality of qubit groups and the plurality of return queue bit groups are transmitted on a quantum channel between the server and the plurality of user terminals,
Wherein the information coordination and the privacy amplification are performed through a public channel between the server and the plurality of user terminals.
상기 보안 키의 비트 수는 상기 복수의 키 비트들의 수보다 적은 것을 특징으로 하는 양자 통신 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the number of bits of the security key is less than the number of the plurality of key bits.
상기 데이터는 상기 보안 키를 이용하는 원타임 패드(one-time pad) 방식에 의해 암호화되는 것을 특징으로 하는 양자 통신 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the data is encrypted by a one-time pad method using the secret key.
상기 복수의 큐비트 그룹들을 수신하고, 제1 게이트 및 제2 게이트를 기초로, 상기 복수의 큐비트 그룹들에 포함되는 상기 복수의 큐비트들 각각을 변경 또는 유지하여 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 발생하며, 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 상기 복수의 사용자 단말기들에 전송하는 서버를 포함하고,
상기 복수의 사용자 단말기들은, 상기 복수의 큐비트 그룹들과 상기 복수의 리턴 큐비트 그룹들을 비교하여, 보안 키를 생성하기 위한 복수의 키(key) 비트들을 획득하는 양자 통신 시스템.Generating a plurality of base groups consisting of a combination of a first basis and a second basis and generating a plurality of groups of qubits each including a plurality of qubits based on the plurality of base groups A plurality of user terminals; And
Receiving the plurality of qubits groups and modifying or maintaining each of the plurality of qubits contained in the plurality of qubits groups based on a first gate and a second gate to generate a plurality of return qubit groups And a server for transmitting the plurality of return queue groups to the plurality of user terminals,
Wherein the plurality of user terminals compares the plurality of qubits groups with the plurality of return queue bit groups to obtain a plurality of key bits for generating a security key.
상기 복수의 사용자 단말기들 중 제1 사용자 단말기는, 상기 제1 기저 및 상기 제2 기저의 조합으로 이루어지는 제1 기저 그룹을 발생하고, 상기 제1 기저 그룹을 기초로 제1 내지 제N(N은 2 이상의 자연수) 큐비트들을 포함하는 제1 큐비트 그룹을 발생하여 상기 서버에 전송하고, 상기 제1 큐비트 그룹과 상기 서버로부터 전송된 제1 리턴 큐비트 그룹을 비교하여, 상기 복수의 키 비트들을 획득하며,
상기 서버는, 상기 제1 내지 제N 큐비트들 각각에 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 중 하나를 적용하여, 상기 제1 리턴 큐비트 그룹에 포함되는 제1 내지 제N 리턴 큐비트들 각각을 발생하고, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 적용 순서에 기초하여 상기 복수의 키 비트들의 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 양자 통신 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein a first user terminal of the plurality of user terminals generates a first base group consisting of a combination of the first base and the second base, A second queue bit group including at least two natural numbers of two or more qubits, and transmits the first queue bit group to the server, compares the first queue bit group with a first return queue bit group transmitted from the server, ≪ / RTI >
Wherein the server applies one of the first gate and the second gate to each of the first through the N-th queue bits to generate first through N-th return queue bits included in the first return queue bit group And determines the value of the plurality of key bits based on the application order of the first gate and the second gate.
상기 복수의 키 비트들 중 제1 키 비트를 제1 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하고,
상기 제1 키 비트를 상기 제1 비트 값과 다른 제2 비트 값으로 설정하고자 하는 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 상기 제1 리턴 큐비트를 발생하는 것을 특징으로 하는 양자 통신 시스템.17. The server of claim 16,
Generating the first return qubit by applying the first gate to the first qubit if the first key bit of the plurality of key bits is to be set to a first bit value,
And generates the first return qubit by applying the second gate to the first qubit when it is desired to set the first key bit to a second bit value different from the first bit value Quantum communication system.
상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가지고,
상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제1 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가지는 것을 특징으로 하는 양자 통신 시스템.18. The method of claim 17,
Wherein when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first queue have different values ,
Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the first gate to the first qubit and the first qubit have the same value Wherein the quantum communication system comprises:
상기 제1 큐비트가 상기 제1 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 동일한 값을 가지고,
상기 제1 큐비트가 상기 제2 기저에 기초하여 발생된 경우에, 상기 제1 큐비트에 상기 제2 게이트를 적용하여 발생된 상기 제1 리턴 큐비트와 상기 제1 큐비트는 서로 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 양자 통신 시스템.19. The method of claim 18,
Wherein when the first qubit is generated based on the first basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit have the same value,
Wherein when the first qubit is generated based on the second basis, the first return qubit generated by applying the second gate to the first qubit and the first qubit generated by applying the second gate to the first qubit, And a quantum communication system.
상기 서버 및 상기 복수의 사용자 단말기들은, 상기 복수의 키 비트들에 대한 정보 조정(information reconciliation) 및 비밀성 증폭(privacy amplification)을 수행하여, 상기 보안 키를 공유하며,
상기 서버와 상기 복수의 사용자 단말기들이 상기 보안 키를 기초로 데이터를 암호화하여 교환하는 것을 특징으로 하는 양자 통신 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the server and the plurality of user terminals perform information reconciliation and privacy amplification on the plurality of key bits to share the secret key,
Wherein the server and the plurality of user terminals encrypt and exchange data based on the security key.
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KR102011042B1 (en) * | 2018-06-11 | 2019-08-14 | 한국과학기술연구원 | Certificated quantum cryptosystem amd method |
WO2021054693A1 (en) * | 2019-09-16 | 2021-03-25 | 주식회사 케이티 | Quantum key distribution method, device, and system |
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WO2021054693A1 (en) * | 2019-09-16 | 2021-03-25 | 주식회사 케이티 | Quantum key distribution method, device, and system |
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