KR20170133413A - 양자 키 생성을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

양자 키 생성을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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니콜라이 에이 칼리테브스키
밍-쥔 리
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미할 믈레지??
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Abstract

2개의 광자 검출기 유닛, 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하는 2개의 광자 얽힘 체인, 및 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하는 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템이 개시된다. 각각의 광자 얽힘 체인은 한 쌍의 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 적어도 하나의 양자 중계기 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리가 양자 중계기에 의해 얽힌 광자와 얽히게 되도록 멀티코어 파이버 링크를 사용하여 양자 중계기에 광학적으로 결합된 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함한다. 2개의 광자 얽힘 체인 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 형성하고, 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 각각 수신하도록 구조적으로 구성된다.

Description

양자 키 생성을 위한 시스템 및 방법
본 출원은 2015년 3월 31일 출원된 미국 가출원 제62/140,787호의 35 U.S.C. §119 하에서 우선권의 이익을 청구하는 2015년 4월 7일 출원된 미국 특허 출원 제14/680,522호의 우선권의 이익을 청구하고, 또한 2015년 7월 28일 출원된 미국 가출원 제62/197,920호를 우선권 주장하는데, 이들 미국 출원의 내용은 본 명세서에 그대로 참조로서 의지되어 있고 합체되어 있다.
본 발명은 양자 키(quantum key)를 생성하는 양자 키 생성 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 증가된 양자 키 비트 레이트(bit rate)를 제공하기 위한 양자 키 생성 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 주제에 따르면, 양자 키 생성 시스템은 2개의 광자 검출기 유닛, 2개의 광자 얽힘 체인, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함한다. 각각의 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장한다. 각각의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기(repeater) 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함한다. 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치된다. 각각의 광자 얽힘 체인의 양자 중계기는 한 쌍의 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된다. 복수의 멀티코어 광파이버 링크는, 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 의해 수신된 광자가 양자 중계기에 의해 얽힌 광자와 얽히도록, 각각의 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성된다. 복수의 멀티코어 광파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함한다. 2개의 광자 얽힘 체인 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 크로스-체인 양자 중계기에서 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하기 위해, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 각각 형성한다. 부가적으로, 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자 키 생성 시스템은 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함한다. 각각의 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장한다. 복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성된다. 부가적으로, 2개의 광자 얽힘 체인은 약 1 내지 100 MHz의 비트 레이트에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양자 키 생성 시스템은 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함한다. 각각의 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장한다. 복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성된다. 부가적으로, 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 양자 키 생성 시스템은 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함한다. 각각의 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장한다. 복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성된다. 부가적으로, 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 정보를 생성하도록 구조적으로 구성된다.
본 발명의 개념이 양자 키 생성을 주로 참조하여 본 명세서에 설명되었지만, 개념은 임의의 양자 정보 통신으로의 적용 가능성을 향유할 것이라는 것이 고려된다.
본 발명의 특정 실시예의 이하의 상세한 설명은 유사한 구조체가 유사한 도면 부호로 지시되어 있는 이하의 도면과 함께 숙독될 때 가장 양호하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 적어도 하나의 양자 중계기를 포함하는 양자 키 생성 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 발신 얽힌 광자 생성기(originating entangled photon generator)를 포함하는 양자 키 생성 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 발신 양자 중계기를 포함하는 다른 양자 키 생성 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 4는 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 실시예에 따른 예시적인 멀티코어 광파이버 링크를 개략적으로 도시하고 있다.
도 5는 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 예시적인 얽힌 광자 생성기를 개략적으로 도시하고 있다.
도 6은 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 신호 연결 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 7은 본 명세서에 도시되고 설명되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른 도 6의 신호 연결 시스템의 예시적인 광파이버 링크를 개략적으로 도시하고 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 2개의 광자 검출기 유닛(110, 112), 2개의 광자 얽힘 체인(120a, 120b), 및 복수의 광파이버 링크(160)를 포함하는 양자 키 생성 시스템(100)이 도시되어 있다. 각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)은 2개의 광자 검출기 유닛(110, 112) 사이로 연장하고, 각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)은 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b) 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)를 포함한다.
각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)의 양자 중계기(140a, 140b)는 한 쌍의 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b)는 2개의 양자 메모리(145) 및 얽힘 광학기기(170)를 포함할 수도 있다. 얽힘 광학기기(170)는 2개의 양자 메모리(145)와 2개의 얽힘 검출기(172)에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 2개 이상의 얽힘 경로(171)를 포함할 수도 있다. 얽힘 검출기(172)는 단일-광자 검출기, 예를 들어 초전도 나노와이어 단일-광자 검출기를 포함할 수도 있다. 얽힘 검출기(172)는 저노이즈 포토다이오드를 또한 포함할 수도 있다. 얽힘 광학기기(170)는 각각의 얽힘 경로(171)가 빔스플리터(173)를 횡단하도록 위치된 빔스플리터(173)를 더 포함할 수도 있다. 얽힘 광학기기(170)는 양자 메모리(145)에 의해 출력된 입자가 빔스플리터(173)를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 또한, 얽힘 광학기기(170)는 광학 도파로 내에 수용될 수도 있고, 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b), 얽힘 광학기기(170), 및 얽힘 검출기(172)는 광자 집적 회로를 형성할 수도 있다. 대안 실시예에서, 양자 중계기(140a, 140b)는 양자 메모리(145)가 없는 얽힘 광학기기(170), 예를 들어 양자 중계기(140a, 140b)에 의해 수신된 광자와 같은 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 얽힘 광학기기(170)를 포함할 수도 있다.
도 1을 계속 참조하면, 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)는 광자 얽힘 체인(120a, 120b)의 제1 및 제2 단부(116, 118)에 각각 위치될 수도 있다. 2개의 광자 얽힘 체인(120a, 120b) 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)는 제1 및 제2 광자 검출기 유닛(110, 112)에 광학적으로 결합된 종단 얽힘 광학기기(174)를 포함하는 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(150, 152)를 형성할 수도 있다. 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(150, 152)는 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성될 수도 있고, 제1 및 제2 광자 검출기 유닛(110, 112)은 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 대안 실시예에서, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(150, 152)는 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)가 없는 종단 얽힘 광학기기(174), 예를 들어 크로스-체인 양자 중계기(150, 152)에 의해 수신된 광자와 같은 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 종단 얽힘 광학기기(174)를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 복수의 광파이버 링크(160)는, 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)에 의해 수신된, 또는 대안에서, 제1 및 제2 크로스-체인 중계기(150, 152)의 종단 얽힘 광학기기(174)에 의해 수신된 광자가 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b)에 의해 얽힌 광자와 얽히도록, 각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)의 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b)를 각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b)에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 또한, 광파이버 링크(160)는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 갖는 단일 코어 광파이버 링크(160) 및/또는 멀티코어 광파이버 링크(160)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 적어도 2개의 불균일한 코어는 이하에서 도 4와 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 불균일한 광자 전파 지연을 용이하게 하기 위해 상이한 코어 길이, 상이한 직경, 상이한 굴절률, 또는 임의의 다른 불균일한 특성을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 광자 얽힘 체인(120a, 120b)은 각각의 광자 얽힘 체인(120a, 120b)의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b) 사이에 배치된 멀티코어 광파이버(160) 및 적어도 2개의 양자 중계기를 포함할 수도 있다. 적어도 2개의 양자 중계기는 인접하여 위치되고 멀티코어 광파이버 링크(160)에 의해 광학적으로 결합될 수도 있다. 본 실시예에서, 광자 얽힘 체인(100)은 [Duan et al., Nature, 414, 22 Nov. 2001, pgs 413-418]에 설명되어 있는 바와 같이 그리고 [Sangouard et. al., Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics, Review of Modern Physics, Vol. 83, 2011, pgs 34-73]에 설명되어 있는 바와 같이, 양자 중계기를 위한 DLCZ 프로토콜에 구조적으로 구성될 수도 있다. 동작시에, 광파이버 링크(160)의 코어 길이는 온도와 같은 외부 인자에 의해 변경될 수도 있다. 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크(160)를 제공함으로써, 정합하는 코어 길이를 갖는 코어는 외부 인자가 코어 길이를 변경할 때에도, 적어도 2개의 양자 중계기와 정렬될 수도 있다.
도 1을 계속 참조하면, 양자 키 생성 시스템(100)은, 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b)가 멀티코어 광파이버 링크(160)의 개별 코어와 광학적으로 정렬하여 선택적으로 위치될 수도 있도록, 멀티코어 광파이버 링크(160)의 개별 코어와 적어도 하나의 양자 중계기(140a, 140b)를 광학적으로 정렬하도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 기구(180)를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 정렬 기구(180)는 정렬 스테이지, 광학 스위치, 또는 양자 모두를 포함할 수도 있다.
이제 도 2를 참조하면, 2개의 광자 검출기 유닛(210, 212) 및 2개의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)을 포함하는 양자 키 생성 시스템(200)이 도시되어 있다. 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)은 2개의 광자 검출기 유닛(210, 212) 사이에 연장하고, 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b), 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b), 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b), 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)를 포함한다. 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)는 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 단부(216, 218)에 각각 위치된다. 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)는 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 단부(216, 218) 사이의 각각의 발신 장소(214)에 위치된다.
발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b), 제1 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b), 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(234a, 234b)는 예를 들어, 매개 하향 변환 프로세스(parametric down conversion process)를 사용하여 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성된다. 몇몇 실시예에서, 얽힌 광자 생성기는 비선형 결정에 광학적으로 결합된 레이저 소스를 각각 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 얽힌 광자 생성기는 4 파장 혼합 프로세스, 또는 광자의 얽힌 쌍을 생성하는 임의의 방법 또는 프로세스를 사용하여 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 또한, 각각의 얽힌 광자 생성기는 예를 들어, 약 800 내지 약 1800 nm, 예를 들어 약 1550 nm의 임의의 파장(λ)을 갖는 얽힌 광자를 제공하도록 구조적으로 구성될 수도 있다.
도 2를 계속 참조하면, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는 코어 길이(L)의 광파이버 링크(260)에 의해 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)에 광학적으로 결합되고, 코어 길이(L)의 광파이버 링크(260)에 의해 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)에 광학적으로 결합될 수도 있다. 광파이버 링크(260)는 임의의 광파이버, 예를 들어 단일 코어 광파이버, 멀티코어 광파이버 등을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는 예를 들어, 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)에 의해 출력된 광자의 얽힌 쌍의 개별 광자 및 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b) 중 하나에 의해 출력된 개별 광자를 동시에 각각 수신할 수도 있다. 코어 길이(L)를 갖는 광파이버 링크(260)를 제공함으로써, 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240a, 240b, 242a, 242b)는 지연 없이 동시 도달시에 수신된 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 동작시에, 광파이버 링크(260)의 코어 길이는 온도와 같은 외부 인자에 의해 변경될 수도 있다. 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크(260)를 제공함으로써, 정합하는 코어 길이를 갖는 코어는 외부 인자가 코어 길이를 변경할 때에도, 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240a, 240b, 242a, 242b)와 정렬될 수도 있다.
예를 들어, 도 6 및 도 7과 관련하여 후술되는 몇몇 실시예에서, 양자 키 생성 시스템(200)은, 예를 들어 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b) 및 제1 및 제2, 제1 또는 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)와 동일한 광파이버 링크(260)의 단부에서, 광파이버 링크(260) 중 하나 이상에 광학적으로 결합된 하나 이상의 기존 신호 발생기를 더 포함할 수도 있다. 동작시에, 하나 이상의 기존 신호 발생기는, 예를 들어 얽힌 광자 생성기(230a, 230b, 232a, 232b, 234a, 234b)에 의해 생성된 얽힌 광자와 동시에, 광파이버 링크(260)를 횡단할 수도 있는 기존 광자 신호를 발생할 수도 있다. 또한, 양자 키 생성 시스템(200)은 기존 신호 발생기에 의해 발생된 하나 이상의 기존 광자 신호를 수신하기 위해 하나 이상의 기존 신호 발생기에 대향하여 광파이버 링크(260)에 광학적으로 결합된 하나 이상의 기존 신호 수신기를 포함할 수도 있다.
도 6 및 도 7과 관련하여 또한 후술되는 바와 같이, 양자 키 생성 시스템(200)은, 광파이버 링크(260)의 대향 단부들에 광학적으로 결합되어 그 위에 위치되고 기존 광자 신호 및 얽힌 광자를 다중화(multiplex) 및 역다중화(demultiplex)하도록 구조적으로 구성된 광학 다중화기 및 역다중화기를 포함할 수도 있다. 더욱이, 양자 키 생성 시스템(200)은, 광파이버 링크(260)의 대향 단부들에 광학적으로 결합되어 그 위에 위치되고 기존 광자 신호 및 얽힌 광자를 인코딩 및 디코딩하도록 구조적으로 구성된 광학 인코더 및 광학 디코더를 포함할 수도 있다.
도 2를 계속 참조하면, 양자 키 생성 시스템(200)은, 임의의 구성요소가 멀티코어 광파이버 링크(260)의 개별 코어와 광학적으로 정렬하여 선택적으로 위치될 수도 있도록, 멀티코어 광파이버 링크(260)의 개별 코어와 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 구성요소를 광학적으로 정렬하도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 기구(280)를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 정렬 기구(280)는 정렬 스테이지, 광학 스위치, 또는 양자 모두를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 하나 이상의 양자 중계기는 정렬 기구(280)에 결합된다. 몇몇 실시예에서, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 하나 이상의 얽힌 광자 생성기는 정렬 기구(280)에 결합된다.
도 2를 계속 참조하면, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는, 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b) 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 될 수도 있도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는 2개의 양자 메모리(245) 및 얽힘 광학기기(270)를 각각 포함할 수도 있다.
얽힘 광학기기(270)는 2개의 양자 메모리(245)와 2개의 얽힘 검출기(272)에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 2개의 얽힘 경로(271)를 포함할 수도 있다. 또한, 얽힘 검출기(272)는 초전도 나노와이어 단일-광자 검출기, 저노이즈 포토다이오드 등과 같은 단일-광자 검출기를 포함할 수도 있다. 얽힘 광학기기(270)는 각각의 얽힘 경로(271)가 빔스플리터(273)를 횡단하도록 위치된 빔스플리터(273)를 더 포함할 수도 있다. 얽힘 광학기기(270)는 양자 메모리(245)에 의해 출력된 입자, 예를 들어 양자 메모리(245)에 의해 출력된 한 쌍의 스토크스(Stokes) 광자 또는 한 쌍의 안티-스토크스 광자가 빔스플리터(273)를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 또한, 얽힘 광학기기(270)는 광학 도파로 내에 수용될 수도 있고, 개별 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b), 연계된 얽힘 광학기기(270), 및 연계된 얽힘 검출기(272)는 광자 집적 회로를 형성할 수도 있다. 대안 실시예에서, 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는 양자 메모리(245)가 없는 얽힘 광학기기(270), 예를 들어 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)에 의해 수신된 광자와 같은 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 얽힘 광학기기(270)를 포함할 수도 있다.
동작시에, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)는 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b) 중 하나에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신하고, 광자 얽힘 체인(220a, 220b) 중 하나의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b) 각각에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신하고, 수신된 광자를 얽히게 할 수도 있다. 예를 들어, 제1 중간 양자 중계기(240a, 240b)는 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신할 수도 있고, 제1 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b)에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신할 수도 있다. 제2 중간 양자 중계기(242a, 242b)는 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신할 수도 있고, 제2 중간 얽힌 광자 생성기(234a, 234b)에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신할 수도 있다.
각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)는 코어 길이(L')의 광파이버 링크(260)에 의해 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b) 각각에 광학적으로 결합될 수도 있는데, 여기서 L'>L이다. 코어 길이(L')는 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240a, 240b, 242a, 242b)에서 광자 얽힘이 발생할 수 있게 하고, 반면에 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)에 의해 출력된 얽힌 광자의 쌍의 개별 얽힌 광자는 코어 길이(L')를 갖는 광파이버 링크(260)를 통해 진행한다. 이에 따라, 광자가 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)에 도달할 때, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 종단 양자 메모리(254a, 254b)에 도달하는 광자는 동일한 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제2 종단 양자 메모리(256a, 256b)에 도달하는 광자와 얽히게 될 수도 있다.
도 2를 계속 참조하면, 2개의 광자 얽힘 체인(220a, 220b) 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)는 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성된 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)를 각각 형성한다. 동작시에, 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)는 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)으로부터 광자를 얽히게 한다. 예를 들어, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)는 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)에 의해 각각 생성된 광자를 수신하고, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b)에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 얽히게 되도록 수신된 광자를 얽히게 하고, 광자 검출기 유닛(210, 212)에 의해 측정 가능한 측정 가능한 얽힌 입자를 생성한다.
도 2를 계속 참조하면, 각각의 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)는 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)와 광자 검출기 유닛(210, 212)에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 하나 이상의 얽힘 경로(271)를 포함하는 종단 얽힘 광학기기(274)를 더 포함할 수도 있다. 종단 얽힘 광학기기(274)는 각각의 얽힘 경로(271)가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터(273)를 또한 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 종단 얽힘 광학기기(274)는 얽힘 광학기기(270)와 동일한 구성요소를 포함할 수도 있고, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 단부(216) 및 제2 단부(218)에 위치될 수도 있다. 종단 얽힘 광학기기(274)는 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)에 의해 출력된 입자가 빔스플리터(273)를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 종단 얽힘 광학기기(274)는 광학 도파로 내에 수용될 수도 있다. 부가적으로, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252), 종단 얽힘 광학기기(274), 및 광자 검출기 유닛(210, 212)은 광자 집적 회로를 형성할 수도 있다. 대안 실시예에서, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)는 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)가 없는 종단 얽힘 광학기기(274), 예를 들어 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)에 의해 수신된 광자와 같은 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 종단 얽힘 광학기기(274)를 포함할 수도 있다.
도 2를 계속 참조하면, 제1 및 제2 광자 검출기 유닛(210, 212)은 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성된다. 몇몇 실시예에서, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)은, 개별 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)에 의해 생성된 입자가 개별 광자 검출기에 의해 수용되도록, 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b) 및/또는 종단 얽힘 광학기기(274)와 광학적으로 정렬하여 위치된 한 쌍의 광자 검출기를 포함한다. 부가적으로, 광자 검출기 유닛(210, 212)은 하나 이상의 저노이즈 포토다이오드 및/또는 예를 들어 하나 이상의 초전도 나노와이어 단일-광자 검출기와 같은 하나 이상의 단일-광자 검출기를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 광자 검출기 유닛(210, 212)은 얽힘 검출기(272)와 동일한 검출기를 포함할 수도 있지만, 양자 키 생성 시스템(200) 내에 배치된 검출기의 임의의 조합이 고려된다.
동작시에, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)에 의해 생성된 측정 가능한 얽힌 입자는, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)이 측정 가능한 얽힌 입자의 상관성 얽힌 입자 특성을 측정하도록, 종단 얽힘 광학기기(274)에 의해 얽히게 된다. 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)에 의해 수용된 측정 가능한 얽힌 입자는, 제1 단부(216)에서 상관성 얽힌 입자 특성의 측정이 제2 단부(218)에서의 상관성 얽힌 입자 특성의 측정과 상관되도록 양자 상태를 공유한다. 상관성 얽힘 입자 특성은 측정 가능한 얽힌 입자의 임의의 측정 가능한 양자 특성, 예를 들어 선편광, 원편광, 스핀, 병진 운동량, 궤도 각운동량 등을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 양자 키 생성 시스템(200)은 발신 장소(214)와 제1 단부(216) 사이에 위치되고 발신 장소(214)와 제2 단부(218) 사이에 위치된 부가의 양자 중계기 및 부가의 얽힌 광자 생성기를 포함할 수도 있다. 부가의 양자 중계기 및 부가의 얽힌 광자 생성기가 교대로 배치될 수도 있다. 각각의 부가의 양자 중계기는 광파이버 링크(260)를 사용하여 인접한 얽힌 광자 생성기 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다. 각각의 부가의 얽힌 광자 생성기는 광파이버 링크(260)를 사용하여 부가의 양자 중계기와 다른 부가의 양자 중계기 또는 개별 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b) 중 하나 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다.
광파이버 링크(260)를 사용하여 광학적으로 결합된 임의의 수의 부가의 양자 중계기 및 부가의 얽힌 광자 생성기는, 발신 장소(214)와 제1 및 제2 단부(216, 218) 사이의 신호 감쇠를 최소화하면서, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 길이를 증가시키는 것으로 고려된다. 부가적으로, 임의의 하나의 개별 양자 중계기에 광학적으로 결합된 광파이버 링크(260)의 쌍은, 개별 양자 중계기가 인접한 얽힌 광자 생성기에 의해 출력된 개별 광자를 동시에 수신하도록 실질적으로 등가의 코어 길이를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 발신 장소(214)로부터 점점 더 외향으로 위치되어 있는 각각의 양자 중계기에 광학적으로 결합된 광파이버 링크(260)의 쌍은 점점 더 길어지는 코어 길이(예를 들어, L, L', L", L"' 등)를 포함할 수도 있다.
동작시에, 광자의 얽힌 쌍은 각각의 얽힌 광자 생성기에 의해 동시에 출력되고, 발신 장소(214)로부터 점점 더 외향으로 위치되어 있는 각각의 양자 중계기는, 발신 장소(214)에 더 근접하여 위치되어 있는 양자 중계기가 광자를 수신하여 얽히게 한 후에 인접한 얽힌 광자 생성기에 의해 출력된 광자를 수신한다. 이에 따라, 발신 장소(214)로부터 이격하여 진행하는 광자는 광파이버 링크(260)를 횡단하면서 얽히게 된다. 이는 개별 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제1 단부(216)에서 종단 양자 메모리(254a, 254b)에 의해 수신된 광자가 도달시에, 동일한 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 제2 단부(218)에서 종단 양자 메모리(256a, 256b)에 의해 수신된 광자와 얽히게 되도록 얽힘 스와핑(swapping)의 캐스케이딩(cascading) 체인을 생성한다.
또한, 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)에 광학적으로 결합된 광파이버 링크(260)는 복수의 광파이버 링크(260)의 최장 코어 길이를 가질 수도 있고, 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240a, 240b, 242a, 242b)에 광학적으로 결합된 광파이버 링크(260)는 복수의 광파이버 링크(260)의 최단 코어 길이를 포함할 수도 있다.
도 2를 계속 참조하면, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)에 의해 측정된 상관성 얽힌 입자 특성은 상관성 양자 키 비트로 변환될 수도 있다. 각각의 상관성 양자 키 비트는 2진 비트, 예를 들어 "1" 비트 또는 "0" 비트를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)에 의해 측정된 상관성 얽힌 입자 특성은, 각각의 광자 검출기 유닛에서 생성된 각각의 상관성 양자 키 비트가 정합하는 2진 비트를 포함하도록 배위(coordinate) 얽힌 입자 특성을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광자 검출기 유닛(210)이 "0" 비트를 포함하는 배위 얽힘 특성을 측정할 때, 광자 검출기 유닛(212)은 "0" 비트를 포함하는 배위 얽힘 특성을 또한 측정할 수도 있다. 다른 실시예에서, 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 측정된 상관성 얽힌 입자 특성은, 각각의 광자 검출기 유닛에서 생성된 각각의 상관성 양자 키 비트가 대향하는 2진 비트를 포함하도록 직교 얽힌 입자 특성을 포함한다. 예를 들어, 광자 검출기 유닛(210)이 "0" 비트를 포함하는 직교 얽힘 특성을 측정할 때, 광자 검출기 유닛(212)은 "1" 비트를 포함하는 직교 얽힘 특성을 또한 측정한다.
몇몇 실시예에서, 상관성 얽힌 입자 특성은 예를 들어, 상관성 얽힌 입자 특성을 상관성 양자 키 비트로 변환하거나 변환하지 않고, 임의의 양자 정보를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)은 개별 장소 사이, 예를 들어 발신 장소(214)와 제1 단부(216) 및 제2 단부(218) 중 하나 또는 모두 사이 및 제1 및 제2 단부(216, 218) 사이에 임의의 양자 정보를 통신하도록 구조적으로 구성된다. 또한, 각각의 광자 얽힘 체인[110a, 110b(도 1), 220a, 220b(도 2), 320a, 320b(도 3)]은 얽힌 양자 상태를 포함하는 입자를 생성하고 개별 장소에 그리고 그 사이에 얽힌 양자 상태를 전송함으로써 개별 장소 사이에 임의의 양자 정보를 통신하도록 구조적으로 구성된다. 몇몇 실시예에서, 본 명세서에 설명되어 있는 광자 얽힘 체인[110a, 110b(도 1), 220a, 220b(도 2), 320a, 320b(도 3)]의 각각의 쌍은 양자 정보를 통신하도록 동작하는 1회 키패드로서 구조적으로 구성될 수도 있다. 비한정적인 예에서, 양자 통신은 측정 가능한 얽힌 입자의 임의의 측정 가능한 양자 특성, 예를 들어 선편광, 원편광, 스핀, 병진 운동량, 궤도 각운동량 등을 포함할 수도 있다.
동작시에, 광자 얽힘 체인(220a, 220b)은 약 1 내지 100 MHz, 예를 들어 약 50 내지 100 MHz의 비트 레이트(Γ)에서 상관성 양자 키 비트 또는 다른 양자 정보를 생성하도록 구조적으로 구성된다. 광자 얽힘 체인(220a, 220b)은 ΓMAX≤ΠMAX이도록 각각의 양자 중계기의 처리 속도(Π)에 근접하거나 실질적으로 등가인(예를 들어, 약 1% 이내) 비트 레이트(Γ)에서 상관성 양자 키 비트 또는 다른 양자 정보를 생성하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 비트 레이트(Γ)는 처리 속도(Π)의 약 10% 이내, 처리 속도(Π)의 약 5% 이내, 또는 처리 속도(Π)의 약 1% 이내일 수도 있다. 예를 들어, 비트 레이트(Γ)는 증가된 처리 속도(Π)에서 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 양자 중계기를 제공함으로써 증가될 수도 있다. 광자 얽힘 체인(220a, 220b)의 비트 레이트(Γ)를 증가시킴으로써, 상관성 양자 키 비트가 높은 속도로 생성될 수도 있어 양자 키가 많은 수의 비트를 갖고 신속하게 형성되게 할 수 있어, 양자 키의 복잡성을 증가시킨다.
또한, 동작시에, 복수의 반복적으로 변환된 상관성 양자 키 비트는 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)에서 양자 키를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)은 반복적으로 수신된 상관성 양자 키 비트를 상관성 2진 비트의 세트로 변환할 수도 있어, 각각의 광자 검출기 유닛(210, 212)이 다른 광자 검출기 유닛(210, 212)에 의해 수신된 양자 키와 상관된 양자 키를 수신할 수도 있게 된다. 이는 기존 통신 채널을 통한 제1 단부(216)와 제2 단부(218) 사이의 통신이 양자 키로 암호화될 수도 있도록 하는 암호화키로서 양자 키가 사용될 수 있게 한다. 부가적으로, 몇몇 실시예는 광자 검출기 유닛(210, 212)에 통신적으로 결합되고 상관성 양자 키 비트를 전자식으로 저장하도록 구조적으로 구성된 전자 저장 디바이스를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 광자 검출기 유닛(210, 212)은 양자 키를 전자식으로 저장하도록 구조적으로 구성될 수도 있다.
이제 도 3을 참조하면, 2개의 광자 검출기 유닛(310, 312) 및 2개의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)을 포함하는 다른 양자 키 생성 시스템(300)이 도시되어 있다. 각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)은 2개의 광자 검출기 유닛(310, 312) 사이로 연장한다. 본 실시예에서, 각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)은 발신 양자 중계기(340a, 340b), 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b), 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)를 포함한다. 제1 및 제2 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)는 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부(316, 318)에 각각 위치된다.
발신 양자 중계기(340a, 340b)는 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 제1 및 제2 단부(316, 318) 사이의 각각의 발신 장소(314)에 위치된다. 발신 양자 중계기(340a, 340b)는 코어 길이(L)의 광파이버 링크(360)에 의해 각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b)에 광학적으로 결합된 2개의 양자 메모리(345)를 포함할 수도 있다. 또한, 광파이버 링크(360)는 임의의 광파이버 링크, 예를 들어 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 갖는 단일 코어 광파이버 링크 및/또는 멀티코어 광파이버 링크(360)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 적어도 2개의 불균일한 코어는 불균일한 광자 전파 지연을 용이하게 하기 위해 상이한 코어 길이, 상이한 직경, 상이한 굴절률, 또는 임의의 다른 불균일한 특성을 포함할 수도 있다.
각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b)는 코어 길이(L')의 광파이버 링크(360)에 의해 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b) 각각에 광학적으로 결합될 수도 있는데, 여기서 L'>L이다. 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b)는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고, 양자 키 생성 시스템(200)에 관하여 전술된 임의의 얽힌 광자 생성기를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 도 6 및 도 7과 관련하여 후술되는 몇몇 실시예에서, 양자 키 생성 시스템(300)은, 예를 들어 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b)와 동일한 광파이버 링크(360)의 단부에서, 광파이버 링크(360) 중 하나 이상에 광학적으로 결합된 하나 이상의 기존 신호 발생기를 더 포함할 수도 있다. 동작시에, 하나 이상의 기존 신호 발생기는, 예를 들어 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b, 334a, 334b)에 의해 생성된 얽힌 광자와 동시에, 광파이버 링크(360)를 횡단할 수도 있는 기존 광자 신호를 발생할 수도 있다. 또한, 양자 키 생성 시스템(200)은 기존 신호 발생기에 의해 발생된 하나 이상의 기존 광자 신호를 수신하기 위해 하나 이상의 기존 신호 발생기에 대향하여 광파이버 링크(360)에 광학적으로 결합된 하나 이상의 기존 신호 수신기를 포함할 수도 있다.
도 6 및 도 7과 관련하여 또한 후술되는 바와 같이, 양자 키 생성 시스템(300)은, 광파이버 링크(360)의 대향 단부들에 광학적으로 결합되어 그 위에 위치되고 기존 광자 신호 및 얽힌 광자를 다중화 및 역다중화하도록 구조적으로 구성된 광학 다중화기 및 역다중화기를 포함할 수도 있다. 더욱이, 양자 키 생성 시스템(300)은, 광파이버 링크(360)의 대향 단부들에 광학적으로 결합되어 그 위에 위치되고 기존 광자 신호 및 얽힌 광자를 인코딩 및 디코딩하도록 구조적으로 구성된 광학 인코더 및 광학 디코더를 포함할 수도 있다.
도 3을 재차 참조하면, 양자 키 생성 시스템(300)은, 임의의 구성요소가 멀티코어 광파이버 링크(360)의 개별 코어와 광학적으로 정렬하여 선택적으로 위치될 수도 있도록, 멀티코어 광파이버 링크(360)의 개별 코어와 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 구성요소를 광학적으로 정렬하도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 기구(380)를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 정렬 기구(380)는 정렬 스테이지, 광학 스위치, 또는 양자 모두를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 발신 양자 중계기(340a, 340b)는 정렬 기구(380)에 결합된다. 몇몇 실시예에서, 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 하나 이상의 얽힌 광자 생성기는 정렬 기구(380)에 결합된다.
각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 발신 양자 중계기(340a, 340b)는, 제1 중간 얽힌 광자 생성기(332a, 332b)에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 제2 중간 얽힌 광자 생성기(334a, 334b) 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 각각의 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 발신 양자 중계기(340a, 340b)는 2개의 양자 메모리(345) 및 2개의 얽힘 경로(371)를 포함하는 얽힘 광학기기(370)를 포함할 수도 있다. 얽힘 경로(371)는 2개의 양자 메모리(345) 중 하나와 2개의 얽힘 검출기(372) 중 하나에 각각 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장한다. 얽힘 광학기기(370)는 각각의 얽힘 경로(371)가 빔스플리터(373)를 횡단하도록 위치된 빔스플리터(373)를 또한 포함할 수도 있다. 또한, 얽힘 광학기기(370)는 양자 키 생성 시스템(200)에 관하여 전술된 바와 같이, 입자의 쌍이 빔스플리터를 동시에 횡단할 때, 양자 메모리(345)에 의해 출력된 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된다. 대안 실시예에서, 발신 양자 중계기(340a, 340b)는 양자 메모리(345)가 없는 얽힘 광학기기(370), 예를 들어 발신 양자 중계기(340a, 340b)에 의해 수신된 광자와 같은 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 얽힘 광학기기(370)를 포함할 수도 있다.
2개의 광자 얽힘 체인(320a, 320b) 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)는 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성된 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(350, 352)를 각각 형성할 수도 있다. 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(350, 352)는 양자 키 생성 시스템(200)에 관하여 전술된 바와 같이, 종단 얽힘 광학기기(374)를 포함할 수도 있고 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(250, 252)일 수도 있다.
도 3을 계속 참조하면, 제1 및 제2 광자 검출기 유닛(310, 312)은 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(350, 352)에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 광자 검출기 유닛(310, 312)은 양자 키 생성 시스템(100, 200)에 관하여 전술된 임의의 광자 검출기를 포함할 수도 있다. 또한, 각각의 광자 검출기 유닛(310, 312)은, 개별 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)에 의해 생성된 입자가 개별 광자 검출기(310, 312)에 의해 수용되도록, 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)와 광학적으로 정렬하여 위치된 한 쌍의 광자 검출기를 포함할 수도 있다.
동작시에, 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기(350, 352)에 의해 생성된 측정 가능한 얽힌 입자는, 각각의 광자 검출기 유닛(310, 312)이 측정 가능한 얽힌 입자의 상관성 얽힌 입자 특성일 수도 있도록, 상관성 얽힌 입자 특성을 상관성 양자 키 비트로 변환하도록, 양자 키 생성 시스템(200)에 관하여 전술된 바와 같이 양자 키를 생성하도록 종단 얽힘 광학기기(374)에 의해 얽히게 된다.
또한, 몇몇 실시예에서, 양자 키 생성 시스템(300)은, 양자 키 생성 시스템(200)에 관하여 전술된 바와 같이, 발신 장소(314)와 제1 단부(316) 사이에 위치되고 발신 장소(314)와 제2 단부(318) 사이에 위치된 부가의 양자 중계기 및 부가의 얽힌 광자 생성기를 포함할 수도 있다.
동작시에, 광자 얽힘 체인(320a, 320b)은 약 1 내지 100 MHz, 예를 들어 약 50 내지 100 MHz의 비트 레이트(Γ)에서 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성된다. 광자 얽힘 체인(320a, 320b)은 ΓMAX≤ΠMAX이도록 각각의 양자 중계기의 처리 속도(Π)에 근접하거나 실질적으로 등가인(예를 들어, 약 1% 이내) 비트 레이트(Γ)에서 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 비트 레이트(Γ)는 처리 속도(Π)의 약 10% 이내, 처리 속도(Π)의 약 5% 이내, 또는 처리 속도(Π)의 약 1% 이내일 수도 있다. 예를 들어, 비트 레이트(Γ)는 증가된 처리 속도(Π)에서 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된 양자 중계기를 제공함으로써 증가될 수도 있다. 광자 얽힘 체인(320a, 320b)의 비트 레이트(Γ)를 증가시킴으로써, 상관성 양자 키 비트가 높은 속도로 생성될 수도 있어 양자 키가 많은 수의 비트를 갖고 신속하게 형성되게 할 수 있어, 양자 키의 복잡성을 증가시킨다.
도 1 내지 도 3을 재차 참조하면, 광파이버 링크(160, 260, 360)가 멀티코어 광파이버 링크를 포함할 때, 멀티코어 광파이버 링크(160, 260, 360)의 개별 코어는 광자 얽힘 체인(120a, 220a, 320a) 중 하나를 위한 광자 전파 경로를 제공할 수도 있고, 동일한 멀티코어 광파이버 링크(160, 260, 360)의 다른 개별 코어는 광자 얽힘 체인(120b, 220b, 320b)의 다른 하나를 위한 광자 전파 경로를 제공할 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 계속 참조하면, 광파이버 링크(160, 260, 360)는 광파이버 링크(160, 260, 360)의 코어 길이의 측정을 위해 광학 시간-도메인 반사계로부터 캘리브레이션 신호를 수신하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 이는 외부 인자(예를 들어, 온도 등)가 개별 코어의 코어 길이를 변경할 때에도, 원하는 코어 길이(L, L', L", L"', 등)를 갖는 코어가 광자 얽힘 체인의 구성요소에 광학적으로 결합될 수도 있도록 하는 광파이버 링크(160, 260, 360)의 실제 코어 길이가 결정될 수 있게 한다. 원하는 코어 길이(L, L', L", L"' 등)를 갖는 광파이버 링크(260)를 제공함으로써, 광자 얽힘 체인(110a, 110b, 220a, 220b, 320a, 320b)의 비트 레이트(Γ)는 오정렬된 코어에 의해 감속되지 않을 수도 있다. 이 정렬은 전술된 바와 같이 비트 레이트(Γmax)가 Πmax에 실질적으로 등가이게 한다(예를 들어, 약 1% 이내).
이제, 도 4를 참조하면, 코어(162, 164) 및 클래딩(166)을 포함하는 광파이버 링크(160)의 비한정적인 멀티코어 실시예가 도시되어 있다. 멀티코어 광파이버 링크(160)는 약 2개 내지 약 20개의 코어를 포함하는 단일 모드 멀티코어 광파이버를 포함할 수도 있다. 또한, 멀티코어 광파이버 링크(160)는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 포함할 수도 있다. 도 4에 도시되어 있는 멀티코어 파이버 링크(160)의 멀티코어 실시예는 전술된 임의의 양자 키 생성 시스템(100, 200, 300) 내에 배치될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 개별 멀티코어 광파이버 링크(160)의 적어도 2개의 코어(162, 164)는 적어도 2개의 코어(162, 164) 사이의 광자 전파 지연이 상이하도록 상이한 굴절률 프로파일을 포함한다. 예를 들어, 멀티코어 광파이버 링크(160)의 적어도 하나의 코어는 단차형 굴절률 프로파일, 단계형 굴절률 프로파일, 포물선형 굴절률 프로파일, 삼각형 굴절률 프로파일 등을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 멀티코어 광파이버 링크의 적어도 하나의 코어는
Figure pct00001
의 굴절률 프로파일을 포함할 수도 있는데, 여기서 r은 코어 내의 반경방향 위치를 포함하고, n1은 r=0에서의 굴절률을 포함하고,
Figure pct00002
는 굴절률 상수를 포함하고,
Figure pct00003
는 클래딩(166)의 반경을 포함하고, Δ=(n1-n2)/n1이고, 여기서 n2는 클래딩(166)의 굴절률을 포함한다. 또한, 굴절률 상수(
Figure pct00004
)를 갖는 광학 코어를 위한 전파 지연은 [Keck, Donald, Fundamentals of Optical Fiber Communications, Academic Press, 1981]에 설명되어 있다. 예를 들어, 페이지 59의 식 1.131은 굴절률 상수(
Figure pct00005
)를 갖는 광학 코어를 위한 전파 지연의 예를 제공하고 있고,
Figure pct00006
이라 기술하고 있는데, 여기서, m=1, M=
Figure pct00007
,
Figure pct00008
는 개별 코어의 반경을 포함하고, Δ=(n1-n2)/n1이고, n1은 r=0에서의 굴절률을 포함하고, n2는 클래딩(166)의 굴절률을 포함하고, k=2π/λ이고, λ는 양자 키 얽힘 시스템(100, 200, 300)의 얽힌 광자 생성기 또는 양자 중계기에 의해 생성된 광자의 파장을 포함하고, 굴절률이 포물선 굴절률일 때
Figure pct00009
=2이고, 굴절률이 삼각형 굴절률을 포함할 때
Figure pct00010
=1이고, 굴절률이 단차형 굴절률을 포함할 때
Figure pct00011
=∞이다. 이에 따라, 멀티코어 광파이버(160)는 상이한 굴절류, 예를 들어 상이한
Figure pct00012
값을 갖는 코어를 포함할 수도 있어, 적어도 2개의 코어가 등가의 코어 길이를 포함하는 실시예에서도 각각의 적어도 2개의 코어가 불균일한 광자 전파 지연을 제공하게 된다.
몇몇 실시예에서, 멀티코어 광파이버 링크(160)는 중앙 코어(162) 및 하나 이상의 반경방향 오프셋 코어(164)를 포함하는 스핀된 멀티코어 광파이버 링크(160)를 포함할 수도 있다. 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는 단방향성 스핀 구성, 양방향성 스핀 구성 등과 같은 임의의 스핀 구성을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 스핀된 멀티코어 광파이버 링크(160)는
Figure pct00013
(z)=
Figure pct00014
0의 스핀 프로파일을 갖는 단방향성 스핀 구성을 포함할 수도 있고, 여기서
Figure pct00015
(z)는 파이버 링크 길이를 따른 좌표(z)에서 단방향성 스핀 프로파일을 포함하고,
Figure pct00016
0은 turn/단위 길이의 스핀 진폭을 포함한다. 본 실시예에서, 스핀 진폭(
Figure pct00017
0)은 약 1 내지 10 turn/meter, 예를 들어 약 3 내지 5 turn/meter일 수도 있다. 비한정적인 예시적인 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는 미국 특허 출원 공개 제2013/0308913호 및 미국 특허 출원 공개 제2011/0129190호에서 발견될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 스핀된 멀티코어 광파이버 링크(160)는
Figure pct00018
의 스핀 프로파일을 갖는 양방향성 스핀 구성을 포함할 수도 있고, 여기서
Figure pct00019
는 양방향성 스핀 프로파일을 포함하고,
Figure pct00020
0는 turn/단위 길이의 스핀 진폭을 포함하고, Λ는 스핀 주기 길이를 포함하고, z는 파이버 링크 길이를 포함한다. 본 실시예에서, 스핀 진폭(
Figure pct00021
0)은 약 1 내지 10 turn/meter, 예를 들어 약 3 내지 5 turn/meter일 수도 있고, 스핀 주기 길이(Λ)는 약 0.1 내지 50 미터, 예를 들어 약 3 내지 25 미터일 수도 있다. 다른 실시예에서, 스핀된 멀티코어 광파이버 링크(160)는 정사각형 또는 삼각형 양방향성 스핀 프로파일을 포함할 수도 있다.
도 4를 계속 참조하면, 중앙 코어(162)는 하나 이상의 반경방향 오프셋 코어(164)와는 상이한 코어 길이를 가질 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 중앙 코어(162)와 개별 반경방향 오프셋 코어(164) 사이의 코어 광학 경로 길이차는
Figure pct00022
이고, 여기서 Λ는 광파이버 스핀 길이를 포함하고,
Figure pct00023
는 중앙 코어(162)와 개별 반경방향 오프셋 코어(164) 사이의 반경방향 거리를 포함하고, N은 광파이버 링크의 길이(L)에 걸친 총 스핀수를 포함한다. 이에 따라, 스핀된 멀티코어 광파이버(160)는 각각의 적어도 2개의 코어가 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 상이한 코어 길이를 갖는 코어를 포함할 수도 있다. 불균일한 광자 전파 지연을 제공하는 적어도 2개의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버는 굴절률 프로파일, 스핀 구성, 및/또는 스핀 프로파일의 임의의 조합을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
이제 도 5를 참조하면, 얽힌 광자 생성기(430)의 비한정적인 실시예가 도시되어 있다. 얽힌 광자 생성기(430)는 4개 이상의 얽힌 광자, 예를 들어 광자의 2개 이상의 얽힌 쌍을 생성하도록 구조적으로 구성된다. 얽힌 광자 생성기(430)는 전술된 양자 키 생성 시스템(200, 300)의 임의의 광자 얽힘 체인(220a, 220b, 320a, 320b) 내에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 얽힌 광자 생성기(430)는 발신 얽힌 광자 생성기, 예를 들어 임의의 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)(도 2)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 얽힌 광자 생성기(430)는 중간 얽힌 광자 생성기, 예를 들어 임의의 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b, 332a, 332b, 334a, 334b)(도 2 및 도 3)를 또한 포함할 수도 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 광파이버 링크(460)는 얽힌 광자 생성기(430)에 광학적으로 결합되고, 임의의 광파이버 링크(160, 260, 360)(도 1 내지 도 3)를 포함할 수도 있다. 광파이버 링크(460)는 인접한 양자 중계기, 예를 들어 발신 양자 중계기(340a, 340b)(도 3), 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b)(도 2) 및 크로스-체인 양자 중계기(150, 152, 250, 252, 350, 352)(도 1 내지 도 3)와 얽힌 광자 생성기(430)를 광학적으로 결합할 수도 있다.
동작시에, 임의의 광자 얽힘 체인(220a, 220b, 320a, 320b) 내에 하나 이상의 얽힌 광자 생성기(430)를 위치설정함으로써, 각각의 얽힌 광자 생성기(430)는 각각의 광파이버 링크(460) 내로 2개 이상의 얽힌 광자를 출력할 수도 있다. 2개 이상의 얽힌 광자가 각각의 광파이버 링크(460) 내로 출력될 때, 2개 이상의 얽힌 광자가 광파이버 링크(460)를 횡단함에 따라 2개 이상의 얽힌 광자 중 하나의 얽힌 광자가 감쇠되면, 2개 이상의 얽힌 광자의 하나 이상의 잔류 얽힌 광자는 인접한 양자 중계기(예를 들어, 발신, 중간, 또는 크로스-체인 양자 중계기)에 의해 수신될 수도 있다. 얽힌 광자 생성기(430)로 부가의 얽힌 광자를 생성함으로써, 각각의 광파이버 링크(460)의 코어 길이는 양자 키 생성 시스템(100, 200, 300)의 성공률을 감소시키는 광자 감쇠 없이 길어질 수도 있어, 각각의 크로스-체인 양자 중계기(150, 152, 250, 252, 350, 352)가 적어도 하나의 얽힌 광자를 수신하게 되고 각각의 광자 검출기 유닛(110, 112, 210, 212, 310, 312)이 적어도 하나의 측정 가능한 얽힌 입자를 수신하게 된다. 예를 들어, 얽힌 광자 생성기(430)가 4개의 얽힌 광자를 출력하도록 구조적으로 구성될 때, 각각의 광파이버 링크(460)의 코어 길이는 배가될 수도 있다(예를 들어, 2L, 2L', 2L" 등). 예를 들어, 각각의 광파이버 링크(460)는 약 5 km, 10 km, 20 km, 40 km 등을 포함할 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 얽힌 광자 생성기(430)는 2개의 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)(광자의 얽힌 쌍을 출력하도록 각각 구성됨), 얽힘 광학기기(470), 경로 스플리터(475), 및 얽힘 검출기(472)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 얽힘 광학기기(470)는 제1 매개 하향 변환 생성기(490a)와 얽힘 검출기(472)에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제1 얽힘 경로(471a) 및 제2 매개 하향 변환 생성기(490b)와 경로 스플리터(475)에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제2 얽힘 경로(471b)를 포함한다. 부가의 얽힘 경로(471)가 부가의 매개 하향 변환 생성기(490)를 포함하는 실시예에서 고려된다. 몇몇 실시예에서, 얽힘 광학기기(470)는 각각의 얽힘 경로(471a, 471b)가 빔스플리터(473)를 횡단하도록 위치된 빔스플리터(473)를 더 포함한다. 동작시에, 얽힘 광학기기(470)는 다수의 광자가 빔스플리터(473)를 동시에 횡단할 때 다수의 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)에 의해 출력된 광자의 각각의 얽힌 쌍이 빔스플리터(473)를 동시에 횡단할 때, 모든 4개의 광자는 서로 얽히게 된다.
또한, 얽힘 광학기기(470)는 각각의 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)에 의해 출력된 얽힌 광자의 일부 또는 모두가 얽힘 검출기(472) 및/또는 경로 스플리터(475)에 의해 수신되도록 구성된다. 예를 들어, 광자의 제1 얽힌 쌍이 제1 매개 하향 변환 생성기(490a)에 의해 출력되고 광자의 제2 얽힌 쌍이 제2 매개 하향 변환 생성기(490a)에 의해 출력되고 이들 광자의 2개의 얽힌 쌍이 빔스플리터(473)에서 서로 얽히게 될 때, 파동 함수
Figure pct00024
에 의해 수학적으로 기술되는 적어도 3개의 결과 중 하나가 발생할 확률이 존재한다. 제1 결과에서, 얽힘 검출기(472) 및 경로 스플리터(475)의 모두는 상기 파동 함수에서 ket ｜2,2>에 의해 수학적으로 기술된 4개의 얽힌 광자 중 2개를 수신한다. 제2 결과에서, 얽힘 검출기(472)는 상기 파동 함수에서 ket ｜4,0> 또는 ｜4,0> 중 하나에 의해 수학적으로 기술된 4개의 얽힌 광자를 수신한다. 제3 결과에서, 경로 스플리터(475)는 상기 파동 함수에서 ket ｜4,0> 또는 ｜4,0> 중 하나에 의해 수학적으로 기술된 4개의 얽힌 광자를 수신한다. 몇몇 실시예에서, 경로 스플리터(475)가 4개의 얽힌 광자를 수신할 확률은 약 3/8이다. 또한, 광자의 부가의 얽힌 쌍(예를 들어, N개의 얽힌 광자)이 얽힘 광학기기(470)에 의해 얽히게 될 수도 있도록 부가의 매개 하향 변환 생성기를 포함하는 실시예가 고려된다. N개의 얽힌 광자를 포함하는 실시예에서, N개의 얽힌 광자가 얽힘 검출기(472), 경로 스플리터(475), 또는 양자 모두의 조합에 의해 수신될 확률은 일반화된
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에 의해 수학적으로 기술된다.
또한, 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 얽힘 경로(471a, 471b)의 모두의 적어도 일부는 멀티코어 광파이버를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 빔스플리터(473)와 경로 스플리터(475) 사이로 연장하는 제1 얽힘 경로(471a)의 부분 및 빔스플리터(473)와 경로 스플리터(475) 사이로 연장하는 제2 얽힘 경로(471b)의 부분은 멀티코어 광파이버를 각각 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 얽힘 경로(471a, 471b)의 모두의 적어도 일부는 하나 이상의 광학 도파로를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 경로 스플리터(475)는 광자의 얽힌 쌍을 경로 스플리터(475)에 광학적으로 결합된 광파이버 링크(460) 내로 유도하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 경로 스플리터(475)가 4개의 얽힌 광자를 수신할 때, 경로 스플리터(475)는 4개의 얽힌 광자 중 2개를 하나의 광파이버 링크(460) 내로 유도할 수도 있고, 경로 스플리터(475)는 4개의 얽힌 광자 중 2개를 다른 광파이버 링크(460) 내로 유도할 수도 있다. 또한, 실시예에서 얽힌 광자 생성기(430)가 4개 초과의 얽힌 광자를 생성하도록 구성될 때, 경로 스플리터(475)는 얽힌 광자의 제1 서브세트(예를 들어, 대략 절반)를 하나의 광파이버 링크(460) 내로 유도할 수도 있고, 경로 스플리터(475)는 또한 얽힌 광자의 제2 서브세트(예를 들어, 대략 절반)를 다른 광파이버 링크(460) 내로 유도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 경로 스플리터(475)는 융합된 쌍원추형 테이퍼 스플리터, 평면형 광파 회로 스플리터 등을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 얽힘 검출기(472)는, 경로 스플리터(475)에 의해 수신된 광자의 수에 관한 정보를 또한 제공하는 얽힘 검출기(472)에 의해 수신된 광자의 수를 측정하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 2개의 얽힌 광자가 제1 및 제2 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)의 각각에 의해 출력되고 제로 얽힌 광자가 얽힘 검출기(472)에 의해 수신되면, 모든 4개의 얽힌 광자는 경로 스플리터(475)에 의해 수신된다. 몇몇 실시예에서, 얽힘 검출기(472)는 멀티-광자 검출기를 포함할 수도 있다. 대안 실시예에서, 얽힘 검출기(472)는 예를 들어 초전도 나노와이어 단일-광자 검출기, 저노이즈 포토다이오드 등과 같은 단일-광자 검출기를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 얽힌 광자 생성기(430)의 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)는 하나 이상의 비선형 결정에 광학적으로 결합된 레이저 소스를 각각 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)가 단일 비선형 결정에 광학적으로 결합된 단일 레이저 소스를 각각 포함할 때, 각각의 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)는 얽힌 광자 생성기(430)가 4개의 얽힌 광자를 출력하도록 2개의 얽힌 광자를 출력할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 소스는 약 600 nm 내지 약 1000 nm(예를 들어, 750 nm, 800 nm, 850 nm 등)의 파장(λ)을 포함하는 광자를 비선형 결정 내로 출력하도록 구성될 수도 있는데, 이는 약 1200 nm 내지 약 2000 nm(예를 들어, 1400 nm, 1550 nm, 1700 nm 등)의 파장(λ)을 각각 포함하는 2개의 얽힌 광자를 생성한다.
다른 실시예에서, 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)가 2개의 비선형 결정에 광학적으로 결합된 단일 레이저 소스를 포함할 때, 각각의 매개 하향 변환 생성기(490a, 490b)는 얽힌 광자 생성기(430)가 8개의 얽힌 광자를 출력하도록 4개의 얽힌 광자를 출력할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 소스는 약 300 nm 내지 약 500 nm(예를 들어, 350 nm, 400 nm, 450 nm 등)의 파장(λ)을 포함하는 광자를 제1 비선형 결정 내로 출력하도록 구성될 수도 있는데, 이는 약 600 nm 내지 약 1000 nm(예를 들어, 750 nm, 800 nm, 850 nm 등)의 파장(λ)을 각각 포함하는 2개의 얽힌 광자를 생성한다. 이들 2개의 얽힌 광자는 이어서 제2 비선형 결정에 진입하는데, 이는 약 1200 nm 내지 약 2000 nm(예를 들어, 1400 nm, 1550 nm, 1700 nm 등)의 파장(λ)을 각각 포함하는 4개의 얽힌 광자를 생성한다. 대안 실시예에서, 얽힌 광자 생성기(430)는 4 파장 혼합 프로세스, 또는 광자의 얽힌 쌍을 생성하는 임의의 방법 또는 프로세스를 사용하여 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 구조적으로 구성될 수도 있다.
이제 도 6을 참조하면, 신호 연결 시스템(501)의 비한정적인 실시예가 도시되어 있다. 후술되는 바와 같이, 신호 연결 시스템(501)은 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호의 모두를 위한 광학 경로를 제공하도록 구조적으로 구성된다. 신호 연결 시스템(501)은 전술된 양자 키 생성 시스템(100, 200, 300)의 임의의 광자 얽힘 체인(120a, 120b, 220a, 220b, 320a, 320b) 내에 위치될 수도 있다. 또한, 신호 연결 시스템(501)은 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호를 위한 광학 경로를 갖는 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 양자 시스템 내에 위치될 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 신호 연결 시스템(501)은 광파이버 링크(560), 하나 이상의 양자 신호 발생기(530), 하나 이상의 기존 신호 발생기(531), 하나 이상의 양자 신호 수신기(540), 및 하나 이상의 기존 신호 수신기(541)를 포함한다. 또한, 신호 연결 시스템(501)은 하나 이상의 광학 다중화기(502), 하나 이상의 광학 역다중화기(504), 하나 이상의 광학 인코더(506), 및 하나 이상의 광학 디코더(508)를 포함할 수도 있다. 광파이버 링크(560)는 출력 단부(563)에 대향하는 입력 단부(561)와, 입력 단부(561)와 입력 단부(561)에 대향할 수도 있는 출력 단부(563) 사이로 연장하는 하나 이상의 코어(562)(도 7)를 포함한다. 광파이버 링크(560)는 단일 코어 광파이버 링크 또는 멀티코어 광파이버 링크를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광파이버 링크(560)는 광파이버 링크(160, 260, 360 또는 460)와 같은 전술된 임의의 광파이버 링크를 포함할 수도 있다.
도 6을 계속 참조하면, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 얽힌 또는 비얽힌 광자를 포함할 수도 있는 양자 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성된다. 하나의 양자 신호 발생기(530)가 도 6에 도시되어 있지만, 다수의 양자 광자 신호가 예를 들어 동시에 광파이버 링크(560)를 횡단할 수도 있도록 하는 임의의 수의 양자 신호 발생기(530)가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 다수의 양자 광자 신호가 단일의 양자 신호 발생기(530)에 의해 발생될 수도 있도록 양자 광자 신호를 발생하도록 각각 구성될 수도 있다. 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 비선형 결정에 광학적으로 결합될 수도 있는 레이저 소스를 포함한다. 양자 신호 발생기(530)가 얽힌 광자를 생성하는 실시예에서, 양자 신호 발생기(530)는 매개 하향 변환 프로세스, 4 파장 혼합 프로세스, 또는 얽힌 광자를 생성하는 임의의 다른 방법 또는 프로세스를 사용하여 얽힌 광자를 생성할 수도 있다. 더욱이, 양자 신호 발생기(530)는 임의의 파장(λq), 예를 들어 약 800 nm 내지 약 1800 nm, 예로서 약 1495 nm, 약 1550 nm 등과 같은 파장(λq)을 갖는 양자 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성될 수도 있다.
또한, 신호 연결 시스템(501)이 양자 키 생성 시스템(100, 200, 300)의 임의의 광자 얽힘 체인(120a, 120b, 220a, 220b, 320a, 320b) 내에 위치되어 있는 실시예에서, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 도 1 내지 도 5와 관하여 전술된 임의의 얽힌 광자 생성기 또는 양자 중계기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 광자 얽힘 체인(120a, 120b)(도 1)의 양자 중계기(140a, 140b) 또는 하나 이상의 광자를 출력하도록 구조적으로 구성된 임의의 양자 중계기와 같은 양자 중계기를 포함할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 발신 얽힌 광자 생성기, 예를 들어 임의의 발신 얽힌 광자 생성기(230a, 230b)(도 2)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 중간 얽힌 광자 생성기, 예를 들어 임의의 중간 얽힌 광자 생성기(232a, 232b, 234a, 234b, 332a, 332b, 334a, 334b)(도 2 및 도 3)를 또한 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)는 얽힌 광자 생성기(430)(도 5)를 또한 포함할 수도 있다.
하나 이상의 양자 신호 수신기(540)는 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)에 의해 발생된 양자 광자 신호를 수신하도록 구조적으로 구성된 임의의 광자 수신기를 포함할 수도 있다. 하나의 양자 신호 수신기(540)가 도 6에 도시되어 있지만, 임의의 수의 양자 신호 수신기(540)가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 일 비한정적인 예로서, 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)는 도 1 내지 도 5와 관련하여 전술된 양자 중계기, 양자 메모리, 및 광자 검출기 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 일 비한정적인 예로서, 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)는 양자 중계기(140a, 140b), 제1 및 제2 종단 양자 메모리(154a, 154b, 156a, 156b), 및 광자 검출기 유닛(110, 112)(도 1) 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 다른 비한정적인 예로서, 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)는 광자 검출기 유닛(210, 212), 제1 및 제2 중간 양자 중계기(240a, 240b, 242a, 242b), 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리(254a, 254b, 256a, 256b)(도 2) 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 또한, 다른 비한정적인 예로서, 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)는 광자 검출기 유닛(310, 312), 발신 양자 중계기(340a, 340b), 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리(354a, 354b, 356a, 356b)(도 3)를 포함할 수도 있다.
도 6을 계속 참조하면, 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는 양자 광자 신호보다 더 높은 광학 파워를 갖는 광자 신호인 기존 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성된다. 동작시에, 양자 효과는 기존 광자 신호의 전파 및 검출을 실행하기에 너무 작을 수도 있지만, 양자 광자 신호의 전파 및 검출을 실행할 수도 있다. 하나의 기존 신호 발생기(531)가 도 6에 도시되어 있지만, 다수의 기존 광자 신호가 예를 들어 동시에 광파이버 링크(560)를 횡단할 수도 있도록 하는 임의의 수의 기존 신호 발생기(531)가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는 다수의 기존 광자 신호가 단일의 기존 신호 발생기(531)에 의해 발생될 수도 있도록 다수의 기존 광자 신호를 발생하도록 각각 구성될 수도 있다.
하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 레이저 소스 또는 다른 광자 생성 디바이스를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는, 예를 들어 약 800 nm 내지 약 1800 nm, 예로서 약 1495 nm, 약 1550 nm 등과 같은 임의의 파장(λc)을 갖는 기존 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 동작시에, 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)에 의해 발생된 파장(λq)보다 높은 파장(λc)을 갖는 기존 광자 신호를 발생할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 기존 신호 수신기(541)는 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)에 의해 발생된 기존 광자 신호를 수신하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 하나 이상의 기존 신호 수신기(541)는 광학 신호를 수신하도록 구조적으로 구성된 임의의 전자 디바이스, 예를 들어 광자 검출기 또는 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 광학 신호 수신기를 포함할 수도 있다.
이제 도 6 및 도 7을 참조하면, 광파이버 링크(560)는 유리, 파이버글래스, 플라스틱, 폴리머, 또는 임의의 다른 도파 재료를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광파이버 링크(560)는 실리카 글래스, 도핑된 실리카 글래스, 예를 들어 Ge 도핑된 실리카 글래스 등을 포함할 수도 있다. 비한정적인 예로서, 광파이버 링크(560)는 Corning® Vascade® EX2000 광파이버, Corning® Vascade® EX3000 광파이버, Corning® Vascade® LEAF® 광파이버, Corning® SMF-28® 울트라 광파이버, Corning® SMF-28® ULL 광파이버를 포함할 수도 있다. 또한, 광파이버 링크(560)는 약 1 dB/km 이하, 예를 들어 0.5 dB/km, 0.25 dB/km, 0.2 dB/km, 0.17 dB/km, 0.165 dB/km, 0.16 dB/km, 0.15 dB/km, 0.1 dB/km, 0.05 dB/km, 0.01 dB/km 이하의 광학 감쇠 속도에서 광파이버 링크(560)를 횡단하는 광학 신호가 감쇠하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 광학 감쇠를 저하시킴으로써, 광파이버 링크(560)의 길이가 증가될 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 광파이버 링크(560)는 하나 이상의 코어(562), 예를 들어 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)를 포함한다. 광파이버 링크(560)는 도 7에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 코어(562)를 둘러싸는, 예를 들어 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)의 모두를 둘러싸는 클래딩(525)을 또한 포함한다. 2개의 코어(562a, 562b)가 도시되어 있지만, 예를 들어 단일의 코어(562) 또는 2개 초과의 코어(562), 예로서 4개의 코어(562), 7개의 코어(562), 8개의 코어(562), 12개의 코어(562), 19개의 코어(562) 등과 같은 임의의 수의 코어(562)가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 광파이버 링크(560)는 도 4와 관하여 전술된 바와 같이 스핀된 멀티코어 광파이버를 포함할 수도 있다.
일 비한정적인 예로서, 광파이버 링크(560)의 제1 코어(562a)는 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)에서 하나 이상의 양자 신호 발생기(530) 중 적어도 하나에 광학적으로 결합되고 광파이버 링크(560)의 출력 단부(563)에서 하나 이상의 양자 신호 수신기(540) 중 적어도 하나에 광학적으로 결합될 수도 있다. 또한, 광파이버 링크(560)의 제2 코어(562b)는 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)에서 하나 이상의 기존 신호 발생기(531) 중 적어도 하나에 광학적으로 결합되고 광파이버 링크(560)의 출력 단부(563)에서 하나 이상의 기존 신호 수신기(541) 중 적어도 하나에 광학적으로 결합될 수도 있다. 동작시에, 제1 코어(562a)는 입력 단부(561)와 출력 단부(563) 사이의 광파이버 링크(560)를 횡단하는 하나 이상의 양자 광자 신호를 위한 광학 경로를 제공할 수도 있고, 제2 코어(562b)는 입력 단부(561)와 출력 단부(563) 사이의 광파이버 링크(560)를 횡단하는 하나 이상의 기존 광자 신호를 위한 광학 경로를 제공할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 광파이버 링크(560)가 2개 이상의 코어(562)를 포함할 때, 양자 채널로서 사용된 코어(562)[예를 들어, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)에 광학적으로 결합된 코어]와 기존 채널로서 사용된 코어(562)[예를 들어, 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)에 광학적으로 결합된 코어]의 수의 비는 1:1, 1:2, 1:4, 1:6, 1:8 등일 수도 있다. 임의의 수의 코어(562)가 양자 채널로서 사용될 수도 있고, 임의의 수의 코어(562)가 기존 채널로서 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 대안적으로, 하나 이상의 양자 신호 발생기(530) 및 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)는 동일한 코어, 예를 들어 제1 코어(562a) 또는 제2 코어(562b)에 광학적으로 결합될 수도 있어, 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호가 동일한 코어(562)를 횡단하게 된다.
동작시에, 광파이버 링크(560)를 횡단하는 기존 광자 신호와 양자 광자 신호 사이의 자발적 라만 산란(spontaneous Raman scattering: SpRS) 및 누화(예를 들어, 선형 공간 누화)는 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 광자 신호의 광학적 감쇠를 감소시킬 수도 있다. SpRS 및 누화를 감소시키는 것은 또한 SpRS 및 누화 노이즈에 의해 유발되는 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)에서 잘못된 양자 광자 신호 검출을 감소시킬 수도 있다. 또한, 양자 광자 신호보다 더 높은 광학 파워를 갖는 기존 광자 신호에 의해 발생된 SpRS 노이즈는 양자 광자 신호에 의해 캡처될 수도 있어, 양자 광자 신호의 노이즈를 증가시킨다. SpRS 및 누화를 감소시키고 이에 의해 광학 감쇠 및 노이즈를 감소시킴으로써, 광파이버 링크(560)의 길이가 증가될 수도 있다. 예를 들어, 광파이버 링크(560)의 길이는 약 10 km 내지 약 1000 km, 예를 들어 50 km, 70 km, 80 km, 90 km, 100 km, 200 km, 300 km, 400 km, 500 km, 600 km, 700 km, 800 km, 900 km 등일 수도 있다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 실시예는 하나 이상의 양자 광자 신호 및 텔레콤 파장(예를 들어, 약 1550 nm)을 포함하는 하나 이상의 기존 광자 신호가 100 km와 같은 70 km 초과의 파이버 길이에 걸쳐 약 100 Gb/s 이상의 비트 레이트에서 광파이버 링크(560)를 동시에 횡단할 수 있게 한다.
상기 비한정적인 예에서 언급된 바와 같이, 제1 코어(562a)는 양자 광자 신호를 위한 광학 경로를 제공할 수도 있고 제2 코어(562b)는 기존 광자 신호를 위한 광학 경로를 제공할 수도 있다. 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)는 제1 코어(562a)를 횡단하는 양자 광자 신호와 제2 코어(562b)를 횡단하는 기존 광자 신호 사이의 SpRS 및 누화를 감소시키기 위한 이종(dissimilar) 코어 디자인을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)는 상이한 코어 델타 및/또는 상이한 코어 반경을 포함할 수도 있는데, 그 각각은 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 모드 결합 효과를 감소시켜, 이에 의해 누화를 감소시키기 위해 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 위상 정합 조건을 감소시키거나 제거할 수도 있다. 예를 들어, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 코어 델타는 약 0.0001 및 약 0.001, 예를 들어 약 0.0003, 0.0005, 0.0007, 0.0009 등일 수도 있다. 또한, 제1 코어(562a)는 제1 코어 반경을 포함할 수도 있고, 제2 코어는 제2 코어 반경을 포함할 수도 있고, 제1 코어 반경은 제2 코어 반경과는 상이할 수도 있다.
또한, 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)의 굴절률 프로파일 디자인은 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 및 기존 광자 신호 사이의 SpRS 및 누화를 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 중 하나 또는 모두는 트렌치 굴절률 프로파일[예를 들어, 후술되는 하나 이상의 트렌치 링(567)을 사용하여], 단차형 굴절률 프로파일, 단계형 굴절률 프로파일, 포물선형 굴절률 프로파일, 삼각형 굴절률 프로파일 등을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)는 그 사이의 누화를 또한 감소시킬 수도 있는 상이한 유효 굴절률을 포함할 수도 있다. 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)의 유효 굴절률은 약 0.0001 내지 약 0.001, 예로서 약 0.0003, 0.0005, 0.0007, 0.0009 등만큼 상이할 수도 있다. 예를 들어, 제1 코어(562a)는 제1 유효 굴절률을 포함할 수도 있고, 제2 코어(562b)는 제2 유효 굴절률을 포함할 수도 있고, 제1 유효 굴절률은 제2 유효 굴절률과는 상이할 수도 있다. 더욱이, 광파이버 링크(560)의 재료는 광파이버 링크(560)를 횡단하는 기존 및 양자 광자 신호의 SpRS 및 누화를 변경할 수도 있다. 순 실리카를 포함하는 예시적인 광파이버 링크(560)는 Ge 도핑된 실리카를 포함하는 다른 예시적인 광파이버 링크(560)보다 약 10% 적은 SpRS를 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 및 기존 광자 신호 사이에 유발할 수도 있다.
동작시에, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 누화는 각각의 코어(562a, 562b)의 굴절률 프로파일 디자인, 코어 간격[예를 들어, 각각의 코어(562a, 562b) 사이의 거리], 상관 길이, 및 전파 거리[예를 들어, 광파이버 링크(560)의 길이]에 의존할 수도 있다. 예를 들어, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 누화는 이하의 식: X=2κ2LLc에 의해 수학적으로 표현될 수도 있고, 여기서 X는 누화이고, κ는 결합 계수이고, Lc는 상관 길이이고, L은 광파이버 링크(560)의 길이이다. 몇몇 실시예에서, 광파이버 링크(560)는 약 -20 dB 미만, 예를 들어 약 -30 dB 미만인 누화(X)를 포함할 수도 있다. 누화를 감소시킴으로써, 추가적인 기존 양자 신호는 양자 광자 신호를 감쇠시키지 않고 광파이버 링크(560)를 횡단할 수도 있다. 광파이버 링크(560)의 일 비한정적인 예로서, 상관 길이가 10 mm일 때, 파이버 길이는 100 km이고, 코어 간격은 45 ㎛ 초과이고, 유효 면적은 80 ㎛2이고, 광파이버 링크(560)는 단차형 굴절률 프로파일 디자인을 갖고, 누화는 100 km 신호 전파 후에 약 -30 dB 미만일 수도 있다. 이 예시적인 광파이버 링크(560)의 코어 간격은, 예시적인 광파이버 링크(560)가 트렌치 프로파일 디자인을 포함하면 누화를 증가시키지 않고 약 37 ㎛으로 감소될 수도 있다. 더욱이, 코어 간격은 광파이버 링크(560)의 유효 면적이 증가되면 또한 감소될 수도 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 광파이버 링크(560)는 클래딩(565)의 굴절률과는 상이한 굴절률을 포함하는 하나 이상의 트렌치 링(567)을 또한 포함할 수도 있다. 트렌치 링(567)은 클래딩(565) 내에 위치될 수도 있고, 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)와 출력 단부(563) 사이로 연장할 수도 있다. 또한, 각각의 개별 트렌치 링(567)은 개별 코어(562)를 에워쌀 수도 있는데, 예를 들어 제1 트렌치 링(567a)은 제1 코어(562a)를 에워쌀 수도 있고 제2 트렌치 링(567b)은 제2 코어(562b)를 에워쌀 수도 있다. 동작시에, 하나 이상의 트렌치 링(567)은 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 광자 신호와 기존 광자 신호 사이의 누화를 감소시킬 수도 있다. 더욱이, 트렌치 링(567)은 제1 코어(562a)를 횡단하는 양자 광자 신호와 제2 코어(562b)를 횡단하는 기존 광자 신호에 의해 발생된 전기장 사이의 중첩을 감소시킴으로써 클래딩(565) 내의 파워를 감소시킬 수도 있어, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b)가 누화를 증가시키지 않고 함께 더 근접하여 위치될 수 있게 한다. 예를 들어, 제1 코어(562a), 제2 코어(562b), 또는 양자 모두를 하나 이상의 트렌치 링(567)으로 에워쌈으로써, 제1 코어(562a)와 제2 코어(562b) 사이의 코어 간격은 누화를 증가시키지 않고 감소될 수도 있다.
도 6을 재차 참조하면, 하나 이상의 광학 다중화기(502) 및 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 신호 연결 시스템(501) 내에 위치될 수도 있고, 광파이버 링크(560)를 횡단하는 기존 및 양자 광자 신호 사이의 SpRS를 감소시키기 위해 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호를 다중화하는데 사용될 수도 있다. 또한, 하나 이상의 광학 인코더(506) 및 하나 이상의 광학 디코더(508)가 또한 신호 연결 시스템(501) 내에 위치될 수도 있고, 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호를 인코딩하고 디코딩하는데 사용될 수도 있는데, 이는 또한 기존 광자 신호와 양자 광자 신호 사이의 SpRS를 감소시킬 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)에서 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)와 하나 이상의 양자 신호 발생기(530) 및 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다. 하나의 광학 다중화기(502)가 도 6에 도시되어 있지만, 임의의 수의 광학 다중화기(502)가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 광학 신호, 예를 들어 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 다중화하도록 구성된 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 다중화기를 각각 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 파장 분할 다중화기, 편광 분할 다중화기, 시분할 다중화기, 주파수 분할 다중화기 등의 하나 이상을 포함할 수도 있다.
더욱이, 하나 이상의 광학 다중화기(502)의 각각은 다수의 다중화 동작, 예를 들어 파장 분할 다중화, 편광 분할 다중화, 시분할 다중화, 주파수 분할 다중화, 또는 이들의 조합을 수행하도록 구성될 수도 있다. 동작시에, 양자 및 기존 광자 신호를 다중화하는 것은, 이들 신호가 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)를 횡단함에 따라 양자 및 기존 광자 신호 사이의 누화 및 SpRS를 감소시키고 양자 및 기존 광자 신호가 광파이버 링크(560)의 동일한 코어(562)를 동시에 횡단하게 할 수도 있다.
일 비한정적인 예로서, 파장 분할 다중화는 단일 코어(562) 상에 다수의 양자 및/또는 기존 광자 신호를 예를 들어 동시에 수용하는데 사용될 수 있다. 각각의 양자 광자 신호는, 광파이버 링크를 횡단하는 양자 및/또는 기존 광자 신호 사이의 파장 간격이 약 1 nm 내지 약 10 nm, 예를 들어 2 nm, 4 nm, 5 nm, 8 nm 등이도록 파장 분할 다중화될 수도 있다. 양자 및/또는 기존 광자 신호의 파장 간격은 양자 및 기존 광자 신호 사이, 개별 양자 광자 신호 사이, 그리고/또는 개별 기존 광자 신호 사이의 누화를 감소시킬 수도 있다. 다른 예로서, 주파수 분할 다중화는 단일 코어(562) 상의 다수의 양자 및/또는 기존 광자 신호를 예를 들어 동시에 수용하여, 각각의 양자 및/또는 기존 광자 신호가 상이한 주파수 대역을 포함하게 하는데 사용될 수도 있다. 또한, 시분할 다중화는, 각각의 양자 및/또는 기존 광자 신호가 시간 엇갈린 패턴으로 광파이버 링크(560)를 횡단하도록 단일 코어(562) 상에 다수의 양자 및/또는 기존 광자 신호를 수용하는데 사용될 수도 있다. 시분할 다중화는 SpRS 및 누화의 증가 없이 증가된 수의 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호가 광파이버 링크(560)를 횡단하게 할 수도 있다.
더욱이, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 또한 단일 코어(562) 상에 다수의 양자 및/또는 기존 광자 신호를 예를 들어 동시에 편광 분할 다중화하여, 각각의 양자 및/또는 기존 광자 신호가 상이한 편광 상태를 포함하게 할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 동기 변조 포맷(coherent modulation format), 예를 들어 변조 프로세스에서 광자 신호(예를 들어, 기존 광자 신호)의 위상 정보를 사용하는 변조 포맷을 사용하여 기존 광자 신호를 편광 다중화할 수도 있다. 예시적인 동기 변조 포맷은 16개의 신호점에 기초하는 편광 다중화된 직교 진폭 변조(polarization-multiplexed quadrature amplitude modulation based on sixteen signal points: PM-16QAM) 동기 변조 포맷, 8개의 신호점에 기초하는 편광 다중화된 직교 진폭 변조(polarization-multiplexed quadrature amplitude modulation based on eight signal points: PM-8QAM) 동기 변조 포맷, 4개의 신호점에 기초하는 편광 다중화된 위상 편이 변조(polarization-multiplexed phase shift-keying based on four signal points: PM-QPSK) 동기 변조 포맷, 2개의 신호점에 기초하는 편광 다중화된 위상 편이 변조(polarization-multiplexed phase shift-keying based on two signal points: PM-BPSK) 동기 변조 포맷, 편광 스위칭된 위상 편이 변조(polarization-switched phase shift-keying: PS-QPSK) 동기 변조 포맷, 또는 편광 다중화를 위한 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 동기 변조 포맷 또는 다른 변조 포맷을 포함한다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 기존 광자 신호는 하나 이상의 다중화기(502)에 광학적으로 결합된 변조기를 사용하여 변조될 수도 있고, 또는 전술된 바와 같이, 하나 이상의 다중화기는 기존 광자 신호를 변조하고 다중화할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 파장 분할 다중화, 시분할 다중화, 주파수 분할 다중화, 또는 이들의 조합을 사용하여 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 다중화할 수도 있고, 예를 들어 상기 동기 변조 포맷을 사용하여 기존 광자 신호를 편광 분할 다중화할 수도 있다.
동작시에, 다수의 기존 광자 신호에 의해서보다 적은 SpRS가 단일의 기존 광자 신호에 의해 발생되지만, PM-16QAM에 의해 유발된 광학 신호 대 노이즈비(optical signal-to-noise ratio: OSNR) 페널티(예를 들어, 노이즈의 증가)가 SpRS를 저하하는 이익을 능가할 수도 있다. 따라서, PM-16QAM 동기 변조 포맷은 단일의 기존 광자 신호가 하나 이상의 광학 다중화기(502)를 횡단할 때 바람직할 수도 있고, PM-QPSK 동기 변조 포맷은 2개 이상의 기존 광자 신호가 하나 이상의 광학 다중화기(502)를 횡단할 때 바람직할 수도 있다. 더욱이, PM-QPSK 동기 변조 포맷 및 PM-BPSK 동기 변조 포맷은 동일한 신호 용량 및 동일한 노이즈 발생(예를 들어, OSNR 및 SpRS 모두에 의해 발생된 노이즈)을 가질 수도 있고, PM-BPSK 동기 변조 포맷은 PM-QPSK 동기 변조 포맷의 광자 신호의 수의 2배를 용이하게 할 수도 있다. 따라서, PM-QPSK 동기 변조 포맷은 약 1개 내지 약 2개의 기존 광자 신호가 광학 다중화기(502)를 횡단할 때 바람직할 수도 있고, PM-BPSK 동기 변조 포맷은 더 많은 수의 기존 광자 신호, 예를 들어 약 2개 내지 약 4개의 기존 광자 신호, 또는 그 초과가 광학 다중화기(502)를 횡단할 때 바람직할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 광파이버 링크(560)의 출력 단부(563)에서 광파이버 링크(560)의 적어도 하나의 코어(562)와 하나 이상의 양자 신호 수신기(540) 및 하나 이상의 기존 신호 수신기(541)의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다. 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 광학 신호를 역다중화하도록 구성된 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 역다중화기를 포함할 수도 있다. 광학 역다중화기(504)는 파장 분할 역다중화기, 편광 분할 역다중화기, 시분할 역다중화기, 주파수 분할 역다중화기 등일 수도 있다. 또한, 광학 역다중화기(504)는 양자 및 기존 광자 신호를 편광 역다중화하고 복조하도록, 예를 들어 PM-16QAM 동기 변조 포맷, PM-8QAM 동기 변조 포맷, PM-QPSK 동기 변조 포맷, PM-BPSK 동기 변조 포맷, PS-QPSK 동기 변조 포맷, 또는 편광 역다중화를 위한 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 동기 복조 포맷을 복조하도록 구조적으로 구성될 수도 있다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 기존 광자 신호는 하나 이상의 역다중화기(504)에 광학적으로 결합된 복조기를 사용하여 복조될 수도 있고, 또는 전술된 바와 같이, 하나 이상의 역다중화기(504)는 기존 광자 신호를 복조하고 역다중화할 수도 있다.
동작시에, 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)로부터의 다중화된 양자 및 기존 광자 신호의 수신시에, 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 다중화된 양자 및 기존 광자 신호를 역다중화하고 양자 및 기존 광자 신호의 모두를 출력할 수도 있다. 양자 및 기존 광자 신호를 복조한 후에, 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 양자 신호 수신기(540)를 향해 양자 광자 신호를 출력할 수도 있고, 예를 들어 하나 이상의 광파이버, 광학 도파로 등을 따라, 기존 신호 수신기(541)를 향해 기존 광자 신호를 출력할 수도 있다.
도 6을 재차 참조하면, 하나 이상의 광학 인코더(506)는 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)에서 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)와 하나 이상의 양자 신호 발생기(530) 및 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다. 또한, 하나 이상의 광학 인코더(506)는 또한 하나 이상의 광학 다중화기(502)에 광학적으로 결합되어, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 다중화기(502)와 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)와 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)의 각각 사이에 위치되거나, 또는 대안적으로 하나 이상의 광학 다중화기(502)와 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561) 사이에 위치될 수도 있다.
하나 이상의 광학 인코더(506)는, 예를 들어 경판정(hard decision) 순방향 오류 정정(forward error correction: FEC), 연판정(soft decision) FEC, 편광 인코딩(polarization encoding), 위상 판별(phase discrimination), 시간 비닝(time-binning) 등을 사용하여, 양자 및 기존 광자 신호를 인코딩하도록 구조적으로 구성된 집적 회로, 간섭계 등과 같은 하나 이상의 전자 디바이스를 포함할 수도 있다. 특히, 양자 광자 신호는 편광 인코딩, 위상 판별, 시간 비닝, 또는 예를 들어, [Sangouard et. al., Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics, Review of Modern Physics, Vol. 83, 2011, pgs 34-73]에 설명된 바와 같은 임의의 다른 공지된 또는 아직 개발되지 않은 양자 인코딩 방법을 사용하여 인코딩될 수도 있다. 또한, 기존 광자 신호는 경판정 FEC 및/또는 연판정 FEC를 사용하여 인코딩될 수도 있다. FEC를 사용하여 기존 광자 신호를 인코딩하는 것은 기존 광자 신호의 신호 파워가 감소되는 것을 가능하게 하는데, 이는 기존 및 양자 광자 신호 사이의 SpRS 및 누화를 감소시켜, 광파이버 링크(560)의 길이의 증가를 허용한다. 더욱이, 광학 다중화기(502)가 양자 및 기존 광자 채널을 편광 다중화하도록 구조적으로 구성되는 실시예에서, 하나 이상의 광학 인코더(506)는 양자 광자 채널을 시간 비닝함으로써 양자 광자 신호를 인코딩할 수도 있다. 양자 광자 신호를 시간 비닝하는 것은 양자 광자 신호의 편광 상태를 변경하지 않아, 양자 광자 신호가 편광 다중화될 수 있게 한다.
도 6에 또한 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 디코더(508)는 광파이버 링크(560)의 출력 단부(563)에서 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)와 양자 신호 수신기(540) 및 기존 신호 수신기(541)의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합될 수도 있다. 또한, 하나 이상의 광학 디코더(508)는 또한 하나 이상의 광학 역다중화기(504)에 광학적으로 결합되어, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광학 역다중화기(504)와 하나 이상의 양자 신호 수신기(540)와 하나 이상의 기존 신호 수신기(541)의 각각 사이에 위치되거나, 또는 대안적으로 광파이버 링크(560)의 출력 단부(563)에서 하나 이상의 광학 역다중화기(504) 사이에 위치될 수도 있다. 광학 디코더(508)는 예를 들어, 경판정 FEC, 연판정 FEC, 편광 디코딩, 위상 판별, 시간 비닝 등을 사용하여, 광학 인코더(506)에 의해 인코딩된 양자 및 기존 광자 신호를 디코딩하도록 구조적으로 구성된 임의의 전자 디바이스를 포함할 수도 있다.
동작시에, 전술된 하나 이상의 광학 다중화기(502) 및 하나 이상의 광학 역다중화기(504)의 편광 다중화 및 역다중화 동기 변조 포맷은, 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 및 기존 광자 신호 사이의 SpRS를 감소시키기 위해 하나 이상의 광학 인코더(506) 및 하나 이상의 광학 디코더(508)의 광학 인코딩 및 디코딩 프로세스와 조합하여 또는 단독으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기존 광자 신호에 대해, 하나 이상의 광학 다중화기(502) 및 하나 이상의 광학 역다중화기(504)의 PM-16QAM 동기 변조 포맷, PM-8QAM 동기 변조 포맷, PM-QPSK 동기 변조 포맷, PM-BPSK 동기 변조 포맷, 또는 PS-QPSK 동기 변조 포맷은 경판정 또는 연판정 FEC와 조합하여 사용될 수도 있는데, 이는 약 -40 dB 초과, 예를 들어 약 -40 dB 내지 약 -80 dB, 예를 들어 -45 dB, -50 dB, -55 dB, -60 dB, -64 dB, -70 dB, -75 dB 등의 광파이버 링크(560)를 횡단하는 양자 및 기존 광자 신호 사이의 격리를 제공할 수도 있다. 이 증가된 격리는 양자 및 기존 광자 신호 사이의 SpRS 및 누화를 감소시킬 수도 있어, 더 긴 광파이버 링크(560)가 신호 연결 시스템(501)에 사용될 수 있게 한다.
또한, 편광 다중화가 FEC 프로세스와 조합하여 설명되었지만, FEC 프로세스는 광파이버 링크(560)를 횡단하는 기존 및 양자 광자 신호 사이의 SpRS를 감소시키기 위해 전술된 임의의 다중화 방법과 함께 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 파장 분할 다중화, 주파수 분할 다중화, 및 시분할 다중화가 광학 인코더(506) 및 광학 디코더(508)의 FEC 프로세스와 조합하여 사용될 수도 있다.
도 7을 재차 참조하면, 하나 이상의 광학 다중화기(502) 및 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 단일 코어(562)에 광학적으로 결합된 것으로서 전술되었지만, 다른 실시예에서, 하나 이상의 광학 다중화기(502) 및 하나 이상의 광학 역다중화기(504)는 다수의 코어, 예를 들어 제1 코어(562a) 및 제2 코어(562b)의 모두에 광학적으로 결합된다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 역다중화기(502) 중 적어도 하나는, 양자 신호 발생기(530)에 의해 발생되고 하나 이상의 광학 다중화기(502)를 사용하여 기존 광자 신호와 다중화된 양자 신호가 제1 코어(562a)를 횡단하도록 제1 코어(562a)에 광학적으로 결합될 수도 있다. 또한, 광학 다중화기(502) 중 적어도 하나는, 기존 신호 발생기(531)에 의해 발생되고, 예를 들어 하나 이상의 광학 다중화기(502) 중 적어도 하나를 사용하여 양자 광자 신호와 다중화된 기존 광자 신호가 제2 코어(562b)를 횡단하도록 제2 코어(562b)와 광학적으로 결합될 수도 있다.
도 6 및 도 7을 재차 참조하면, 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 다중화하고 역다중화하는 방법이 고려된다. 특정 순서로 후술되지만, 다른 순서가 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 방법은 하나 이상의 양자 신호 발생기(530)로부터 양자 광자 신호를 방출하고 하나 이상의 기존 신호 발생기(531)로부터 양자 광자 신호보다 높은 광학 파워를 갖는 기존 광자 신호를 방출하여 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호가 광학 다중화기(502)를 조사하게 하는 것을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 광학 다중화기(502)를 조사하기 전에, 양자 광자 신호는 예를 들어, 편광 인코딩, 위상 판별, 시간 비닝 등을 사용하여, 하나 이상의 광학 인코더(506)에 의해 인코딩될 수도 있고, 기존 광자 신호는 예를 들어, 경판정 FEC, 연판정 FEC 등을 사용하여 하나 이상의 광학 인코더(506)에 의해 인코딩될 수도 있다. 하나 이상의 광학 다중화기(502)에 의한 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호의 수신시에, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 예를 들어, 파장 분할 다중화, 시분할 다중화, 주파수 다중화, 또는 이들의 조합을 사용하여, 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호를 다중화한다. 또한, 기존 광자 신호의 수신시에, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는 예를 들어, PM-16QAM 동기 변조 포맷, PM-8QAM 동기 변조 포맷, 동기 PM-QPSK 변조 포맷, PM-BPSK 동기 변조 포맷, 또는 PS-QPSK 동기 변조 포맷을 사용하여, 기존 광자 신호를 편광 다중화한다.
다음에, 하나 이상의 광학 다중화기(502)는, 다중화된 기존 및 양자 광자 신호가 입력 단부(561)로부터 출력 단부(563)로 광파이버 링크(560)의 코어(562)를 횡단하고 광학 역다중화기(504)를 조사하도록, 광파이버 링크(560)의 입력 단부(561)에서 광파이버 링크(560)의 하나 이상의 코어(562)에 각각 진입하는 다중화된 기존 광자 신호 및 다중화된 양자 광자 신호를 출력한다. 다중화된 기존 및 양자 광자 신호의 수신시에, 하나 이상의 광학 역다중화기(508)는 다중화된 양자 광자 신호 및 다중화된 기존 광자 신호를 역다중화하고, 양자 신호 수신기(540)를 향해 양자 광자 신호를 출력하고, 기존 신호 수신기(541)를 향해 기존 광자 신호를 출력한다. 몇몇 실시예에서, 양자 신호 수신기(540) 및 기존 신호 수신기(541)에 도달하기 전에, 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호는 하나 이상의 광학 디코더(508)에 의해 디코딩될 수도 있다.
본 발명의 기술을 설명하고 정의하기 위해, 파라미터 또는 다른 변수의 "함수"인 변수의 본 명세서에서의 참조는 변수가 오직 열거된 파라미터 또는 변수의 함수인 것을 나타내도록 의도된 것은 아니라는 것이 주목된다. 오히려, 열거된 파라미터의 "함수"인 변수의 본 명세서에서의 참조는 변수가 단일의 파라미터 또는 복수의 파라미터의 함수일 수도 있도록 하는 개방형인 것으로 의도된다.
"적어도 하나의" 구성요소, 요소 등의 본 명세서에서의 상술은 단수 표현의 대안적인 사용이 단일의 구성요소, 요소 등에 한정되어야 한다는 추론을 생성하는데 사용되어서는 안된다는 것이 또한 주목된다.
특정 특성을 구체화하거나, 또는 특정 방식으로 기능하도록 특정 방식으로 "구성되는" 본 발명의 구성요소의 본 명세서에서의 상술은 의도된 용도의 상술에 대조적으로, 구조적 상술이라는 것이 주목된다. 더 구체적으로, 구성요소가 "구성되어 있는" 방식의 본 명세서에서의 참조는 구성요소의 현존의 물리적 조건을 나타내고, 이와 같이 구성요소의 구조적 특성의 명확한 상술로서 취해져야 한다.
본 발명의 기술을 설명하고 정의하기 위해, 용어 "실질적으로" 및 "약"은 임의의 정량적 비교, 값, 측정치, 또는 다른 표현에 기인할 수도 있는 고유 정도의 불확실성을 표현하도록 본 명세서에 이용된다는 것이 주목된다. 용어 "실질적으로" 및 "약"은 또한 정량적 표현이 논쟁중에 본 발명의 주제의 기본 기능의 변화를 야기하지 않고 언급된 참조로부터 변화할 수도 있는 정도를 표현하기 위해 본 명세서에 이용된다.
본 발명의 주제를 상세히 그 특정 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 명세서에 개시된 다양한 상세는 특정 요소가 본 명세서에 첨부된 각각의 도면에 도시되어 있는 경우에도, 이들 상세가 본 명세서에 설명된 다양한 실시예의 본질적인 구성요소인 요소에 관한 것이라는 것을 암시하도록 취해져서는 안된다는 것이 주목된다. 또한, 수정 및 변형이 첨부된 청구범위에 정의된 실시예를 비한정적으로 포함하여, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 가능하다는 것이 명백할 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 몇몇 태양이 바람직한 것으로서 또는 특히 유리한 것으로서 본 명세서에 식별되어 있지만, 본 발명은 이들 태양에 반드시 한정되는 것은 아니라는 것이 고려된다.
이하의 청구항 중 하나 이상은 연결구로서 용어 "여기서"를 이용한다는 것이 주목된다. 본 발명의 기술을 정의하기 위해, 이 용어는 구조체의 일련의 특성의 상술을 소개하는데 사용된 개방형 연결구로서 청구범위에 소개되어 있고, 더 통상적으로 사용되는 개방형 전제 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 해석되어야 한다는 것이 주목된다.

Claims (99)

  1. 2개의 광자 검출기 유닛, 2개의 광자 얽힘 체인, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기는 한 쌍의 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성되고,
    복수의 멀티코어 광파이버 링크는, 상기 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 의해 수신된 광자가 상기 양자 중계기에 의해 얽힌 광자와 얽히도록, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 복수의 멀티코어 광파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 크로스-체인 양자 중계기에서 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하기 위해, 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 각각 형성하고,
    상기 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 광자 얽힘 체인은 약 1 내지 100 MHz의 비트 레이트에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크는 약 2개 내지 약 20개의 코어를 포함하는 단일 모드 멀티코어 광파이버를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크는 단일 모드 멀티코어 광파이버를 포함하고, 멀티코어 광파이버 링크의 적어도 2개의 코어는 상이한 직경을 갖는 양자 키 생성 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 개별 멀티코어 광파이버 링크의 적어도 2개의 코어는 상기 적어도 2개의 코어 사이의 광자 전파 지연이 상이하도록 상이한 굴절률 프로파일을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크의 적어도 하나의 코어는
    Figure pct00026
    의 굴절률 프로파일을 포함하고, 여기서
    r은 상기 코어 내의 반경방향 위치를 포함하고,
    n1은 r=0에서의 굴절률을 포함하고,
    Figure pct00027
    는 굴절률 상수를 포함하고,
    Figure pct00028
    는 클래딩의 반경을 포함하고,
    Δ는 (n1-n2)/n1을 포함하고,
    n2는 클래딩의 굴절률을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크는 중앙 코어 및 하나 이상의 반경방향 오프셋 코어를 포함하는 스핀된 멀티코어 광파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는
    Figure pct00029
    (z)=
    Figure pct00030
    0의 스핀 프로파일을 갖는 단방향성 스핀 구성을 포함하고, 여기서
    Figure pct00031
    (z)는 파이버 링크 길이를 따른 좌표(z)에서의 단방향성 스핀 프로파일을 포함하고,
    Figure pct00032
    0은 turn/단위 길이의 스핀 진폭을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크의 스핀 진폭(
    Figure pct00033
    0)은 약 1 내지 약 10 turn/meter인 양자 키 생성 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는
    Figure pct00034
    의 스핀 프로파일을 갖는 단방향성 스핀 구성을 포함하고, 여기서
    Figure pct00035
    는 양방향성 스핀 프로파일을 포함하고,
    Figure pct00036
    0은 turn/단위 길이의 스핀 진폭을 포함하고,
    Λ는 스핀 주기 길이를 포함하고,
    z는 파이버 링크 길이를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스핀 주기 길이(Λ)는 약 0.1 내지 약 50 미터인 양자 키 생성 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는 정사각형 또는 삼각형 양방향성 스핀 프로파일을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크는 스핀된 멀티코어 광파이버 링크를 포함하고, 상기 중앙 코어와 개별 반경방향 오프셋 코어 사이의 코어 길이차는
    Figure pct00037
    이고, 여기서
    Λ는 광파이버 스핀 길이를 포함하고,
    Figure pct00038
    는 상기 중앙 코어와 개별 반경방향 오프셋 코어 사이의 반경방향 거리를 포함하고,
    N은 상기 파이버 링크의 길이(L)에 걸친 총 스핀수를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크의 적어도 하나의 코어는
    Figure pct00039
    의 굴절률 프로파일을 포함하고, 여기서
    r은 상기 코어 내의 반경방향 위치를 포함하고,
    n1은 r=0에서의 굴절률을 포함하고,
    Figure pct00040
    는 굴절률 상수를 포함하고,
    Figure pct00041
    는 클래딩의 반경을 포함하고,
    Δ는 (n1-n2)/n1을 포함하고,
    n2는 클래딩의 굴절률을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스핀된 멀티코어 광파이버 링크는 단방향성 스핀 프로파일 또는 양방향성 스핀 프로파일을 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 양자 중계기가 상기 멀티코어 광파이버 링크의 개별 코어와 광학적으로 정렬하여 선택적으로 위치되도록, 상기 멀티코어 광파이버 링크의 개별 코어와 상기 양자 중계기를 광학적으로 정렬하도록 구조적으로 구성된 하나 이상의 정렬 기구를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 멀티코어 광파이버 링크는, 상기 멀티코어 광파이버 링크의 개별 코어가 상기 광자 얽힘 체인 중 하나를 위한 광자 전파 경로를 제공하고 동일한 멀티코어 광파이버 링크의 다른 개별 코어가 상기 광자 얽힘 체인의 다른 하나를 위한 광자 전파 경로를 제공하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광자 얽힘 체인 내에 위치된 상기 광파이버 링크는 상기 광파이버 링크의 코어 길이의 측정을 위한 광학 시간-도메인 반사계로부터 캘리브레이션 신호를 수신하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인은 발신 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 및 적어도 2개의 양자 중계기를 더 포함하고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기의 적어도 2개는 코어 길이(L)의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 얽힌 광자 생성기에 광학적으로 결합된 제1 및 제2 중간 양자 중계기를 포함하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L)의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기, 및 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는, 상기 발신 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 적어도 하나의 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치된 발신 양자 중계기를 더 포함하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 코어 길이(L)의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기에 광학적으로 결합된 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기를 포함하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 코어를 포함하는 멀티코어 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리 사이에 배치된 적어도 2개의 양자 중계기를 더 포함하고,
    상기 적어도 2개의 양자 중계기는 인접하여 위치되고 상기 멀티코어 파이버 링크에 의해 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 양자 중계기는 한 쌍의 광자를 얽히게 하고 개별 얽힌 광자를 멀티코어 파이버 링크 내로 출력하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 각각의 양자 중계기는 인접하게 위치된 양자 중계기에 의해 출력된 개별 얽힌 광자를 수신하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 적어도 2개의 양자 중계기는 2개의 양자 메모리 및 얽힘 광학기기를 각각 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 2개의 양자 메모리와 상기 2개의 얽힘 검출기에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 2개 이상의 얽힘 경로를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 양자 메모리에 의해 출력된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  25. 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 약 1 내지 100 MHz의 비트 레이트에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 복수의 멀티코어 파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  27. 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 복수의 멀티코어 파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 양자 중계기에 광학적으로 결합되고 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 구조적으로 구성된 얽힌 광자 생성기를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  30. 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛, 및 복수의 멀티코어 파이버 링크를 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    복수의 멀티코어 광파이버 링크는 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 양자 중계기를 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 정보를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  31. 2개의 광자 검출기 유닛 및 2개의 광자 얽힘 체인을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 발신 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 양자 중계기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치되고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 얽힌 광자 생성기에 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기, 및 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는, 상기 발신 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 크로스-체인 양자 중계기에서 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하기 위해, 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 각각 형성하고,
    상기 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 발신 얽힌 광자 생성기 및 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 2개의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 발신 얽힌 광자 생성기 및 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 2개의 매개 하향 변환 생성기, 얽힘 광학기기, 경로 스플리터, 및 얽힘 검출기를 각각 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 제1 매개 하향 변환 생성기와 상기 얽힘 검출기에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제1 얽힘 경로 및 제2 매개 하향 변환 생성기와 상기 경로 스플리터에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제2 얽힘 경로를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 매개 하향 변환 생성기에 의해 출력된 각각의 광자의 얽힌 쌍이 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 각각의 광자의 얽힌 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 상기 경로 스플리터는 2개의 얽힌 광자를 상기 광파이버 링크 중 하나 내로 유도하고 상기 2개의 얽힌 광자를 상기 광파이버 링크 중 다른 하나 내로 유도하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  36. 제33항에 있어서, 상기 제1 및 제2 얽힘 경로의 적어도 일부는 멀티코어 광파이버를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  37. 제31항에 있어서, 상기 광자 검출기 유닛은 하나 이상의 단일 광자 검출기를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  38. 제31항에 있어서, 각각의 상기 광자 검출기 유닛은, 개별 종단 양자 메모리에 의해 생성된 입자가 개별 광자 검출기에 의해 수용되도록, 상기 종단 양자 메모리와 광학적으로 정렬하여 위치된 한 쌍의 광자 검출기를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  39. 제31항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는 (i) 상기 발신 얽힌 광자 생성기 중 하나에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신하고, (ii) 상기 광자 얽힘 체인 중 하나의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 수신하고, (iii) 수신된 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  40. 제31항에 있어서,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는 2개의 양자 메모리 및 얽힘 광학기기를 각각 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 2개의 양자 메모리와 상기 2개의 얽힘 검출기에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 2개의 얽힘 경로를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 양자 메모리에 의해 출력된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  42. 제31항에 있어서,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는 2개의 얽힘 검출기에 광학적으로 결합된 2개의 얽힘 경로를 포함하는 얽힘 광학기기를 각각 포함하고,
    빔스플리터가, 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치되는 양자 키 생성 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 얽힘 광학기기는 상기 제1 및 제2 중간 양자 중계기에 의해 수용된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 얽힌 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  44. 제31항에 있어서, 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 (i) 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자를 각각 수신하고, (ii) 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 얽히게 되도록 수신된 광자를 얽히게 하고, (iii) 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  45. 제31항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 상기 종단 양자 메모리와 상기 광자 검출기 유닛에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 하나 이상의 얽힘 경로를 포함하는 종단 얽힘 광학기기를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 종단 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 종단 얽힘 광학기기는 상기 종단 양자 메모리에 의해 출력된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  47. 제31항에 있어서,
    상기 광파이버 링크는 멀티코어 광파이버 링크를 포함하고,
    상기 멀티코어 광파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  48. 제31항에 있어서, 발신 장소와 제1 단부 사이에 위치되고 상기 발신 장소와 제2 단부 사이에 위치된 부가의 양자 중계기 및 부가의 얽힌 광자 생성기를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  49. 제48항에 있어서, 상기 부가의 양자 중계기 및 상기 부가의 얽힌 광자 생성기는 교대로 배치되어,
    각각의 상기 부가의 양자 중계기는 상기 광파이버 링크를 사용하여 인접한 얽힌 광자 생성기 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합되게 되고,
    각각의 상기 부가의 얽힌 광자 생성기는 상기 광파이버 링크를 사용하여 상기 부가의 양자 중계기와, 다른 부가의 양자 중계기 또는 개별 종단 양자 메모리 중 하나 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합되게 되는 양자 키 생성 시스템.
  50. 제49항에 있어서, 상기 발신 장소로부터 점점 더 외향으로 위치되어 있는 부가의 양자 중계기에 광학적으로 결합된 광파이버 링크는 점점 더 길어지는 코어 길이를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  51. 제50항에 있어서, 상기 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합되어 있는 광파이버 링크는 복수의 광파이버 링크의 최장 코어 길이를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중간 양자 중계기에 광학적으로 결합되어 있는 광파이버 링크는 복수의 광파이버 링크의 최단 코어 길이를 갖는 양자 키 생성 시스템.
  53. 2개의 광자 얽힘 체인 및 2개의 광자 검출기 유닛을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이에 연장하고, 발신 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 양자 중계기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 약 1 내지 100 MHz의 비트 레이트에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  54. 2개의 광자 얽힘 체인 및 2개의 광자 검출기 유닛을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이에 연장하고, 발신 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 양자 중계기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  55. 2개의 광자 검출기 유닛 및 2개의 광자 얽힘 체인을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 발신 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 제1 및 제2 중간 양자 중계기, 및 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치되고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 얽힌 광자 생성기에 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 발신 얽힌 광자 생성기, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기, 및 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 양자 중계기는, 상기 발신 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 각각의 상기 광자 얽힘 체인으로부터 광자를 수신하고 얽히게 하고 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  56. 2개의 광자 검출기 유닛 및 2개의 광자 얽힘 체인을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 발신 양자 중계기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치되고,
    상기 발신 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 종단 양자 메모리에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인 각각의 제1 및 제2 종단 양자 메모리는 크로스-체인 양자 중계기에서 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하기 위해, 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 각각 형성하고,
    상기 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 2개의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 2개의 매개 하향 변환 생성기, 얽힘 광학기기, 경로 스플리터, 및 얽힘 검출기를 각각 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 제1 매개 하향 변환 생성기와 상기 얽힘 검출기에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제1 얽힘 경로 및 제2 매개 하향 변환 생성기와 상기 경로 스플리터에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 제2 얽힘 경로를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  59. 제58항에 있어서, 상기 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 매개 하향 변환 생성기에 의해 출력된 각각의 광자의 얽힌 쌍이 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 각각의 광자의 얽힌 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  60. 제58항에 있어서, 상기 경로 스플리터는 2개의 얽힌 광자를 상기 광파이버 링크 중 하나 내로 유도하고 상기 2개의 얽힌 광자를 상기 광파이버 링크 중 다른 하나 내로 유도하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  61. 제58항에 있어서, 상기 제1 및 제2 얽힘 경로의 적어도 일부는 멀티코어 광파이버를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  62. 제56항에 있어서, 상기 광자 검출기 유닛은 하나 이상의 단일 광자 검출기를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  63. 제56항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는 (i) 상기 광자 얽힘 체인 중 하나의 제1 중간 얽힌 광자 생성기 중 하나에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 각각 수신하고, (ii) 상기 광자 얽힘 체인 중 하나의 제2 중간 얽힌 광자 생성기 중 하나에 의해 생성된 개별 얽힌 광자를 각각 수신하고, (iii) 수신된 광자를 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  64. 제56항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는 2개의 양자 메모리 및 얽힘 광학기기를 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 2개의 양자 메모리 중 하나와 상기 2개의 얽힘 검출기 중 하나 사이에 각각 광학적으로 결합되어 연장하는 2개의 얽힘 경로를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  65. 제64항에 있어서,
    상기 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 얽힘 광학기기는 상기 양자 메모리에 의해 출력된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  66. 제56항에 있어서,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는 2개의 얽힘 검출기에 광학적으로 결합된 2개의 얽힘 경로를 포함하는 얽힘 광학기기 및 각각의 상기 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  67. 제66항에 있어서, 상기 얽힘 광학기기는 상기 발신 양자 중계기에 의해 수용된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 얽힌 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  68. 제56항에 있어서, 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 (i) 각각의 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자를 각각 수신하고, (ii) 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 얽히게 되도록 수신된 광자를 얽히게 하고, (iii) 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  69. 제56항에 있어서, 각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 상기 종단 양자 메모리와 상기 광자 검출기 유닛에 광학적으로 결합되어 이들 사이로 연장하는 하나 이상의 얽힘 경로를 포함하는 종단 얽힘 광학기기를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  70. 제69항에 있어서, 상기 종단 얽힘 광학기기는 각각의 얽힘 경로가 빔스플리터를 횡단하도록 위치된 빔스플리터를 더 포함하고,
    상기 종단 얽힘 광학기기는 상기 종단 양자 메모리에 의해 출력된 입자가 상기 빔스플리터를 동시에 횡단할 때 입자의 쌍을 얽히게 하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  71. 제70항에 있어서,
    상기 광파이버 링크는 멀티코어 광파이버 링크를 포함하고,
    상기 멀티코어 광파이버 링크는 불균일한 광자 전파 지연을 제공하도록 구조적으로 구성된 적어도 2개의 불균일한 코어를 각각 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  72. 제56항에 있어서, 발신 장소와 제1 단부 사이에 위치되고 상기 발신 장소와 제2 단부 사이에 위치된 부가의 얽힌 광자 생성기 및 부가의 양자 중계기를 더 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  73. 제72항에 있어서, 상기 부가의 양자 중계기 및 상기 부가의 얽힌 광자 생성기는, 각각의 부가의 양자 중계기가 광파이버 링크를 사용하여 인접한 얽힌 광자 생성기 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합되고 각각의 부가의 얽힌 광자 생성기가 광파이버 링크를 사용하여 부가의 양자 중계기와, 다른 부가의 양자 중계기 또는 개별 종단 양자 메모리 중 하나 사이에 배치되어 이들에 광학적으로 결합되도록 교대로 배치되는 양자 키 생성 시스템.
  74. 제73항에 있어서, 상기 발신 장소로부터 점점 더 외향으로 위치되어 있는 광파이버 링크는 점점 더 길어지는 코어 길이를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  75. 제74항에 있어서, 상기 종단 양자 메모리에 광학적으로 결합되어 있는 광파이버 링크는 복수의 광파이버 링크의 최장 코어 길이를 포함하는 양자 키 생성 시스템.
  76. 제74항에 있어서, 상기 발신 양자 중계기에 광학적으로 결합되어 있는 광파이버 링크는 복수의 광파이버 링크의 최단 코어 길이를 갖는 양자 키 생성 시스템.
  77. 2개의 광자 얽힘 체인 및 2개의 광자 검출기 유닛을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고, 발신 양자 중계기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 발신 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 약 1 내지 100 MHz의 비트 레이트에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  78. 2개의 광자 얽힘 체인, 2개의 광자 검출기 유닛 및 적어도 하나의 양자 중계기를 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고, 발신 양자 중계기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 및 제1 및 제2 종단 양자 메모리를 포함하고,
    상기 발신 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    상기 2개의 광자 얽힘 체인은 적어도 하나의 양자 중계기의 처리 속도(Π)의 약 10% 이내인 비트 레이트(Γ)에서 각각의 광자 검출기 유닛에 의해 수신 가능한 상관성 양자 키 비트를 생성하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  79. 2개의 광자 검출기 유닛 및 2개의 광자 얽힘 체인을 포함하는 양자 키 생성 시스템이며,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 상기 2개의 광자 검출기 유닛 사이로 연장하고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인은 발신 양자 중계기, 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기, 및 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부에 각각 위치되고,
    상기 발신 양자 중계기는 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 단부 사이의 각각의 발신 장소에 위치되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L)의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 코어 길이(L')의 광파이버 링크에 의해 상기 광자 얽힘 체인의 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 각각 광학적으로 결합되고, 여기서 L'>L이고,
    상기 제1 및 제2 중간 얽힌 광자 생성기는 광자의 얽힌 쌍을 생성하도록 각각 구조적으로 구성되고,
    각각의 상기 광자 얽힘 체인의 발신 양자 중계기는, 상기 제1 중간 얽힌 광자 생성기에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍이 상기 제2 중간 얽힌 광자 생성기 각각에 의해 생성된 광자의 얽힌 쌍과 얽히게 되도록 구조적으로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기는 각각의 상기 광자 얽힘 체인으로부터 광자를 수신하고 얽히게 하고 상기 크로스-체인 양자 중계기에서 측정 가능한 얽힌 입자를 생성하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 광자 검출기 유닛은 상기 제1 및 제2 크로스-체인 양자 중계기에 의해 각각 생성된 측정 가능한 얽힌 입자를 수용하도록 구조적으로 구성되는 양자 키 생성 시스템.
  80. 광파이버 링크, 양자 신호 발생기, 기존 신호 발생기, 양자 신호 수신기, 기존 신호 수신기, 하나 이상의 광학 다중화기, 및 하나 이상의 광학 역다중화기를 포함하는 신호 연결 시스템이며,
    상기 광파이버 링크는 출력 단부에 대향하는 입력 단부와, 상기 입력 단부와 상기 출력 단부 사이로 연장하는 코어를 포함하고,
    상기 하나 이상의 광학 다중화기는 상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 발생기 및 상기 기존 신호 발생기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    상기 양자 신호 발생기는 양자 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 기존 신호 발생기는 상기 양자 광자 신호보다 더 높은 광학 파워를 갖는 기존 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 하나 이상의 광학 다중화기는 (i) 상기 양자 신호 발생기로부터 양자 광자 신호 및 상기 기존 신호 발생기로부터 기존 광자 신호의 수신시에, 파장 분할 다중화, 시분할 다중화 또는 양자 모두를 사용하여 상기 양자 광자 신호와 상기 기존 광자 신호를 다중화하고, (ii) 상기 기존 신호 발생기로부터 기존 광자 신호의 수신시에, 상기 기존 광자 신호를 편광 다중화하고, (iii) 상기 다중화된 양자 및 기존 광자 신호를 상기 광파이버 링크의 코어 내로 출력하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 하나 이상의 광학 역다중화기는 상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 수신기 및 상기 기존 신호 수신기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    상기 하나 이상의 광학 역다중화기는 (i) 상기 광파이버 링크의 코어로부터 다중화된 양자 및 기존 광자 신호의 수신시에, 파장 분할 역다중화, 시분할 역다중화 또는 양자 모두를 사용하여 상기 기존 광자 신호로부터 다중화된 양자 광자 신호를 역다중화하고, (ii) 상기 광파이버 링크의 코어로부터 편광 다중화된 기존 광자 신호의 수신시에, 상기 편광 다중화된 기존 광자 신호를 편광 역다중화하고, (iii) 상기 양자 신호 수신기를 향해 양자 광자 신호를 출력하고, (iii) 상기 기존 신호 수신기를 향해 기존 광자 신호를 출력하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  81. 제80항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 다중화기 중 적어도 하나는 동기 변조 포맷을 사용하여 기존 광자 신호를 편광 다중화하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  82. 제80항에 있어서, 상기 동기 변조 포맷은 PM-16QAM 동기 변조 포맷, PM-8QAM 동기 변조 포맷, PM-QPSK 동기 변조 포맷, PM-BPSK 동기 변조 포맷, 또는 PS-QPSK 동기 변조 포맷을 포함하는 신호 연결 시스템.
  83. 제80항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 다중화기 중 적어도 하나는, 상기 양자 신호 발생기로부터 양자 광자 신호 및 상기 기존 신호 발생기로부터 기존 광자 신호의 수신시에, 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 주파수 분할 다중화하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  84. 제80항에 있어서, 상기 양자 광자 신호는 적어도 하나의 얽힌 양자 광자를 포함하는 신호 연결 시스템.
  85. 제80항에 있어서,
    상기 코어는 제1 코어를 포함하고,
    상기 광파이버 링크는 제2 코어를 포함하고,
    상기 제1 코어는, 상기 양자 신호 발생기에 의해 발생되고 상기 기존 광자 신호와 다중화된 양자 광자 신호가 상기 제1 코어를 횡단하도록 상기 하나 이상의 광학 다중화기와 광학적으로 정렬되고,
    상기 제2 코어는, 상기 기존 신호 발생기에 의해 발생되고 상기 양자 광자 신호와 다중화된 기존 광자 신호가 상기 제2 코어를 횡단하도록 상기 하나 이상의 광학 다중화기와 광학적으로 정렬되는 신호 연결 시스템.
  86. 제80항에 있어서, 상기 광파이버 링크는 약 70 km 초과의 길이를 포함하는 신호 연결 시스템.
  87. 제80항에 있어서,
    상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 발생기 및 상기 기존 신호 발생기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합된 하나 이상의 광학 인코더, 및
    상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 수신기 및 상기 기존 신호 수신기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합된 하나 이상의 광학 디코더를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 광학 인코더는, 상기 양자 신호 발생기로부터 양자 광자 신호 및 상기 기존 신호 발생기로부터 기존 광자 신호의 수신시에, 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 인코딩하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 하나 이상의 광학 디코더는, 상기 광파이버 링크의 코어로부터 인코딩된 양자 광자 신호 및 인코딩된 기존 광자 신호의 수신시에, 인코딩된 양자 광자 신호 및 인코딩된 기존 광자 신호를 디코딩하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  88. 제87항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 인코더 중 적어도 하나는 순방향 오류 정정 프로세스를 사용하여 상기 기존 광자 신호를 인코딩하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  89. 제87항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 인코더 중 적어도 하나는 시간 비닝, 편광 인코딩, 또는 위상 판별을 사용하여 상기 양자 광자 신호를 인코딩하도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
  90. 광파이버 링크, 양자 신호 발생기, 기존 신호 발생기, 양자 신호 수신기, 및 기존 신호 수신기를 포함하는 신호 연결 시스템이며,
    상기 광파이버 링크는 상기 광파이버 링크의 입력 단부와 출력 단부 사이로 각각 연장하는 제1 코어 및 제2 코어를 포함하고,
    상기 광파이버 링크의 제1 코어는 상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 양자 신호 발생기에 광학적으로 결합되고 상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 양자 신호 수신기에 광학적으로 결합되고,
    상기 광파이버 링크의 제2 코어는 상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 기존 신호 발생기에 광학적으로 결합되고 상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 기존 신호 수신기에 광학적으로 결합되는 신호 연결 시스템.
  91. 제90항에 있어서,
    상기 광파이버 링크는 상기 제1 코어와 상기 제2 코어를 둘러싸는 클래딩 및 상기 제1 코어를 둘러싸는 제1 트렌치 링 및 상기 제2 코어를 둘러싸는 제2 트렌치 링을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 트렌치 링은 상기 클래딩의 굴절률과는 상이한 굴절률을 각각 포함하는 신호 연결 시스템.
  92. 제90항에 있어서,
    상기 제1 코어는 제1 코어 반경을 포함하고,
    상기 제2 코어는 제2 코어 반경을 포함하고,
    상기 제1 코어 반경은 상기 제2 코어 반경과는 상이한 신호 연결 시스템.
  93. 제90항에 있어서,
    상기 제1 코어는 제1 유효 굴절률을 포함하고,
    상기 제2 코어는 제2 유효 굴절률을 포함하고,
    상기 제1 유효 굴절률은 상기 제2 유효 굴절률과는 상이한 신호 연결 시스템.
  94. 제90항에 있어서, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 단차형 굴절률 프로파일, 트렌치 굴절률 프로파일, 단계형 굴절률 프로파일, 포물선형 굴절률 프로파일, 및 삼각형 굴절률 프로파일 중 하나를 각각 포함하는 신호 연결 시스템.
  95. 제90항에 있어서, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 순 실리카를 각각 포함하는 신호 연결 시스템.
  96. 제90항에 있어서, 상기 광파이버 링크는 약 70 km 초과의 길이를 포함하는 신호 연결 시스템.
  97. 양자 광자 신호 및 기존 광자 신호를 다중화 및 역다중화하는 방법이며,
    하나 이상의 광학 다중화기에 광학적으로 결합된 양자 신호 발생기로부터 양자 광자 신호를 방출하는 단계, 및
    하나 이상의 광학 다중화기에 광학적으로 결합된 기존 신호 발생기로부터 양자 광자 신호보다 더 높은 광학 파워를 갖는 기존 광자 신호를 방출하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 광학 다중화기는 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 발생기 및 상기 기존 신호 발생기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    하나 이상의 광학 역다중화기는 상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 양자 신호 수신기 및 기존 신호 수신기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    상기 하나 이상의 다중화기에 의한 기존 광자 신호 및 양자 광자 신호의 수신시에, 상기 하나 이상의 광학 다중화기는
    (i) 파장 분할 다중화, 시분할 다중화 또는 양자 모두를 사용하여 상기 양자 광자 신호와 상기 기존 광자 신호를 다중화하고,
    (ii) 상기 기존 광자 신호를 편광 다중화하고,
    (iii) 상기 다중화된 기존 및 양자 광자 신호가 상기 입력 단부로부터 상기 출력 단부로 상기 광파이버 링크의 코어를 횡단하고 상기 하나 이상의 광학 역다중화기를 조사하도록, 상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어 내로 상기 다중화된 기존 및 양자 광자 신호를 출력하고,
    상기 하나 이상의 역다중화기에 의한 다중화된 기존 및 양자 광자 신호의 수신시에, 상기 하나 이상의 광학 역다중화기는
    (i) 파장 분할 다중화, 시분할 다중화 또는 양자 모두를 사용하여 상기 양자 광자 신호로부터 상기 기존 광자 신호를 역다중화하고,
    (ii) 상기 기존 광자 신호를 편광 역다중화하고,
    (iii) 상기 양자 신호 수신기를 향해 양자 광자 신호를 출력하고,
    (iv) 상기 기존 신호 수신기를 향해 기존 광자 신호를 출력하는 방법.
  98. 제97항에 있어서, 상기 하나 이상의 광학 다중화기 중 적어도 하나는 PM-16QAM 동기 변조 포맷, PM-8QAM 동기 변조 포맷, PM-QPSK 동기 변조 포맷, PM-BPSK 동기 변조 포맷, 또는 PS-QPSK 동기 변조 포맷을 사용하여 기존 광자 신호를 편광 다중화하는 방법.
  99. 광파이버 링크, 양자 신호 발생기, 기존 신호 발생기, 양자 신호 수신기, 기존 신호 수신기, 광학 다중화기, 및 광학 역다중화기를 포함하는 신호 연결 시스템이며,
    상기 광파이버 링크는 출력 단부에 대향하는 입력 단부와, 상기 입력 단부와 상기 출력 단부 사이로 연장하는 코어, 및 약 70 km 초과의 길이를 포함하고,
    상기 광학 다중화기는 상기 광파이버 링크의 입력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 발생기 및 상기 기존 신호 발생기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    상기 양자 신호 발생기는 양자 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 기존 신호 발생기는 상기 양자 광자 신호보다 더 높은 광학 파워를 갖는 기존 광자 신호를 발생하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 광학 다중화기는 (i) 상기 양자 신호 발생기로부터 양자 광자 신호 및 상기 기존 신호 발생기로부터 기존 광자 신호의 수신시에, 상기 양자 광자 신호와 상기 기존 광자 신호를 다중화하고, (ii) 상기 다중화된 양자 광자 신호 및 상기 다중화된 기존 광자 신호를 상기 광파이버 링크의 코어 내로 출력하도록 구조적으로 구성되고,
    상기 광학 역다중화기는 상기 광파이버 링크의 출력 단부에서 상기 광파이버 링크의 코어와 상기 양자 신호 수신기 및 상기 기존 신호 수신기의 각각 사이에 위치되어 이들에 광학적으로 결합되고,
    상기 광학 역다중화기는 (i) 상기 광파이버 링크의 코어로부터 상기 다중화된 기존 및 양자 광자 신호의 수신시에, 상기 양자 광자 신호로부터 다중화된 기존 광자 신호를 역다중화하고, (ii) 상기 양자 신호 수신기를 향해 양자 광자 신호를 출력하고, (iii) 상기 기존 신호 수신기를 향해 기존 광자 신호를 출력하고,
    상기 광파이버 링크는, 상기 광파이버 링크를 횡단하는 상기 다중화된 기존 및 양자 광자 신호의 광학 감쇠 속도가 약 0.17 dB/km 미만이도록 구조적으로 구성되는 신호 연결 시스템.
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