KR20190005868A - 연속 변수 퀀텀 암호화를 위한 위상 참조 공유 방식들 - Google Patents

연속 변수 퀀텀 암호화를 위한 위상 참조 공유 방식들 Download PDF

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Abstract

국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 를 사용하여 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 시스템들 및 관련 방법들이 개시된다. LLO 기반 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 의 예들이 설명된다. 자체-코히어런트 방식들이 사용되며, 상기 방식들은 동일한 광학 펄스로부터 신호 및 위상 참조 펄스들 양자를 도출하고 따라서 참조 위상 코히어런스에 대한 고유의 강한 신호를 보장하는 것에 있다. 다양한 자체-코히어런스 위상 공유 방식들을 구현하는 상이한 CV-QKD 설계들이 비밀 키 레이트 및 하드웨어 요건들의 관점에서 설명 및 비교된다. 강한 위상 노이즈 내성이 저비용 레이저들과 같은 표준 텔레콤 장비로 획득될 수 있다.

Description

연속 변수 퀀텀 암호화를 위한 위상 참조 공유 방식들
본 발명은 일반적으로 퀀텀 암호화의 분야에 관한 것이고, 특히, 연속 변수 퀀텀 암호화에 관한 것이다.
최근, 새로운 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 프로토콜, 자체 참조형 CV-QKD 가 D. B. S. Soh, C. Brif, P. J. Coles,
Figure pct00001
, R. M. Camacho, J. Urayama 및 M. Sarovar 에 의한 "Self-Referenced Continuous-Variable Quantum Key Distribution" 의 명칭의 문서 (arXiv:1503.04763, 2015) 에서 도입되었다. 이 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 프로토콜은 통신 당사자들 사이의 고전력 로컬 오실레이터의 송신에 대한 필요성을 제거한다. 이 프로토콜에 있어서, 각각의 신호 펄스에는 앨리스 (Alice) 의 측정 베이스와 봅 (Bob) 의 측정 베이스를 정렬하기 위해 사용되는 참조 펄스 (또는 트윈 참조 펄스들의 쌍) 가 수반된다. 이 프로토콜은, 변조된 신호로부터 위상 정보를 추출하는 클래시컬 코히어런트 통신에서 사용되는 인트라다인 (intradyne) 검출의 퀀텀 유사물로서 간주될 수 있는 참조 펄스 측정에 기초한 위상 추정 및 보상의 방법을 제공한다. 또한, 프로토콜의 원리-증거 파이버 기반 실험 증명이 개시되고, 예상된 비밀 키 레이트들은 실험 파라미터들의 관점에서 이들을 표현함으로써 정량화된다. 비밀 키 레이트의 분석은, 전해지는 바에 의하면, 참조 펄스(들)의 퀀텀 본성과 연관된 내재하는 불확실성을 고려하고, 이론적인 키 레이트가 로컬 오실레이터 송신을 요구하는 개별 종래의 프로토콜의 키 레이트에 근접하는 한계를 정량화한다. 자체 참조형 프로토콜은, 전해지는 바에 의하면, 성능의 최소의 희생으로, CV-QKD 에 대해, 특히, 송신기들 및 수신기들의 잠재적인 집적된 포토닉 구현들에 대해, 요구되는 하드웨어를 단순화한다. 그에 따라, 이는 스케일러블 집적된 CV-QKD 트랜시버들을 향한 경로, 대규모 QKD 네트워크들을 향한 중요 단계를 제공한다.
코히어런트 검출에 기초한 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 프로토콜들은, 로컬 오실레이터를 생성하는, B. Qi, P. Lougovski, R. Pooser, W. Grice, 및 M. Bobrek 에 의한 "Locally” in Continuous-Variable Quantum Key Distribution Based on Coherent Detection" 의 명칭의 문서 (arXiv:1503.00662, 2015) 에 개시된 바와 같은 이론 및 실험에서 광범위하게 연구되었다. CV-QKD 의 모든 기존의 구현들에 있어서, 퀀텀 신호 및 로컬 오실레이터 (LO) 양자는 동일한 레이저로부터 생성되고, 미보안 퀀텀 채널을 통해 전파한다. 이러한 배열은 보안성 허점들을 개방하고, CV-QKD 의 잠재적인 어플리케이션들을 제한할 수도 있다. 후자의 문서에 있어서, 저자들은, "국부적으로" 생성된 LO 를 사용하여 신뢰성있는 코히어런트 검출을 가능케 하는 파일럿 보조형 피드포워드 데이터 복원 방식을 개시한다. 2개의 독립적인 상업 레이저 소스들 및 25 킬로미터 광섬유의 스풀을 사용하여, 코히어런트 통신 시스템이 개시된다. 제안된 방식에 의해 도입된 위상 노이즈의 분산은 0.04 (rad2) 인 것으로 측정되고, 이는 보안 키 분배를 가능케 하기에 충분히 작다. 이러한 기술은, 전해지는 바에 의하면, 독립적인 광 소스들이 상이한 사용자들에 의해 채용되는 최근 제안된 측정 디바이스 독립형 (MDI) CV-QKD 와 같은 다른 퀀텀 통신 프로토콜들에 대한 도어를 개방한다.
[Qi15] 및 [Soh15] 에 기술된 2개의 접근법들은 실제적인 제한들을 제시한다.
이에 따라, 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 프레임워크들을 핸들링하는 진보된 방법들 및 시스템들에 대한 필요성이 있다.
이들 및 다른 문제들을 해결하기 위하여, 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 를 사용하여 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. LLO 기반 연속 변수 퀀텀 키 분배 (CV-QKD) 의 예들이 설명된다. 동일한 광학 펄스로부터 신호 및 위상 참조 펄스들 양자를 도출하고 따라서 참조 위상 코히어런스에 대한 고유의 강한 신호를 보장하는 것에 있는 자체-코히어런트 방식들이 사용된다. 다양한 자체-코히어런스 위상 공유 방식들을 구현하는 상이한 CV-QKD 실시형태들이 비밀 키 레이트 및 하드웨어 요건들의 관점에서 추가로 설명 및 비교된다. 강한 위상 노이즈 내성이 저비용 레이저들과 같은 표준 텔레콤 장비로 획득될 수 있다.
유리하게, 본 발명의 구현은 수개의 방식들로 발견될 수 있다.
(설계 "LLO-outb-sc-dsp" 로서 지칭되는) 일 실시형태에 있어서, 2개의 레이저들이 사용될 수 있다: 즉, 앨리스의 측 상의 제 1 레이저 및 봅의 측 상의 제 2 레이저. 앨리스의 측 상에서, 2개의 광학 경로들이 존재한다. 하나는 지연된다. 봅의 측 상에서, 2개의 호모다인 검출기들이 존재한다.
(설계 "LLO-outb-sc-opll" 로서 지칭되는) 일 실시형태에 있어서, 앨리스의 측 상의 일 레이저 및 봅의 측 상의 제 2 레이저를 갖는 2개의 레이저들이 사용될 수 있으며, 앨리스의 측 상에 2개의 광학 경로들이 있고 일 레이저는 지연되는 한편, 봅의 측 상에서, 인입 광학 경로는 2개 부분들로 분할된다. 각각의 부분은 로컬 오실레이터와 간섭한다. 하나는 포토다이오드를 사용하여 측정되고, 다른 하나는 호모다인 검출기를 사용하여 측정된다.
(설계 "LLO-inb" 로서 지칭되는) 일 실시형태에 있어서, 앨리스의 측 상의 일 레이저 및 봅의 측 상의 제 2 레이저를 갖는 2개의 레이저들이 사용될 수 있다. 앨리스의 측 상에, 일 진폭 변조기 및 일 위상 변조기를 갖는 오직 하나의 광학 경로가 존재하는 한편, 봅의 측 상에, 2개의 호모다인 검출기들이 존재한다.
다른 어플리케이션들 중에서, 제안된 기술은 다음의 이용 케이스들 중 하나 이상에 적용될 수 있다: 집적된 포토닉들로의 퀀텀 키 분배의 구현, 표준 광학 네트워크들, WDM 네트워크들, DWDM 네트워크들과 호환가능한 퀀텀 키 분배의 구현, 분산 피드백 레이저들 (DFB) 와 같은 저비용 레이저들 및 국부적 로컬 오실레이터로의 연속 변수 퀀텀 키 분배의 구현.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 다양한 실시형태들을 예시하고, 상기 주어진 본 발명의 일반적인 설명 및 하기에 주어지는 실시형태들의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 실시형태들을 설명하도록 제공한다.
도 1 은 TLO 설계에 있어서 봅의 수신기 (100) 의 일 실시형태를 도시한다.
도 2 는 LLO-순차 (LLO-sequential) 설계에 있어서 봅의 수신기의 일 실시형태를 도시한다.
도 3 은 거리 및 반복율에 관한 송신된 LO 및 국부적 LO 설계들의 이론적인 과잉 노이즈를 비교한다.
도 4 는 "LLO-지연라인-dsp" 설계에 따른 본 발명의 일 실시형태를 예시한다.
도 5 는 "LLO-지연라인-opll" 설계에 따른 본 발명의 일 실시형태를 예시한다.
도 6 은 인밴드 위상 참조 송신을 사용한 본 발명의 일 실시형태를 도시한다.
도 7 은 "LLO-변위" 설계에 따른 봅의 수신기의 일 실시형태를 도시한다.
도 8 은 반복율의 함수로서 LLO-순차 및 LLO-변위 설계들에서의 예상된 키 레이트들의 비교를 도시한다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 단계들의 예들을 도시한다.
부가적으로, 상세한 설명은 제시 1 (Exhibit 1) 로 보충된다. 이러한 제시 1 은 상세한 설명을 명료화할 목적으로 그리고 더 용이한 참조를 가능케 할 목적으로 별도로 배치된다. 그럼에도 불구하고, 이는 본 발명의 설명의 필수 부분을 형성한다. 이는 물론 도면들에도 적용한다.
본 발명의 특정 특징부들을 참조하는 것은 표기법에 있어서 특정 관례들을 수반한다. 예를 들어, 상세한 설명에 있어서, 표현들 (X(i) 또는 Xi) 은 X 는 i 의 함수임을 표시하기 위해 균등하게 사용될 것이다. 추가로, 대문자 "A" 는 앨리스를 지정하기 위해 사용될 것이고, 대문자 "B" 는 봅을 지정하기 위해 사용될 것이며, 대문자 "E" 는 이브 (Eve) 를 지정하기 위해 사용될 것이다.
본 발명의 실시형태들에 따른 실제 CV-QKD 에 있어서 위상 참조를 공유하기 위한 방식들의 예들이 이제 설명되고 논의된다.
특정 실시형태들의 이해를 용이하게 하기 위해, 로컬 오실레이터 (LO) 강도 생성 기법들의 일반적인 분류에 관한 명명법들이 먼저 기술된다.
송신된 LO (TLO) 및 국부적 LO (LLO) 를 포함하여 그 LO 강도 생성 방법에 기초한 CV-QKD 의 상이한 일반적인 종류들이 구별될 수 있다.
송신된 LO (TLO) 에 관하여, LO 의 강도는 앨리스의 레이저에 의해 생성되고, 멀티플렉싱 기법들을 일반적으로 요구하는 브라이트 (bright) 펄스로서의 각각의 신호 펄스와 함께 송신된다. 그 후, 신호와 LO 펄스들 사이의 요구된 코히어런스가 직접 물리적으로 보장된다. LO 가 퀀텀 채널을 통해 직접 전송될 경우, 요구되는 론칭된 강도는, 낮은 velec 을 보장하기 위하여 (손실들 때문에) 거리 및 (더 짧은 펄스들 때문에) 반복율로 증가한다.
광 빔은 연속적 레이저로부터 출력되는 한편, 펄스 성형은 높은 소멸 진폭 변조기들로 생성된다. 출력 빔은 강하게 불균형된 빔 분할기 (beam-splitter) 를 사용하여 분할된다. 강한 빔은 LO 로서 봅으로 전송되는 한편, 약한 빔은 CV-QKD 신호를 얻기 위해 변조된다. i번째 펄스에서, 앨리스는 제로 평균 가우시안 분포된 변수들 (x(i) 및 p(i)) 을 랜덤하게 선택하고, 코히어런트 상태 (
Figure pct00002
) 를 변조한다. 그 후, 앨리스는 LO 펄스 및 대응하는 신호 펄스 양자를, 멀티플렉싱 기법들을 사용하여 봅으로 동시에 전송한다. 펄스들은 동일한 빔의 출력으로서 자동으로 위상-록킹되고 따라서 위상 노이즈는 자체-코히어런스 때문에 고려되지 않음을 유의해야 한다. 수신 시, 봅은 펄스들을 디멀티플렉싱하고, 신호 펄스 (
Figure pct00003
) 의 X 또는 P 쿼드러처 중 하나를 관련 LO 펄스를 사용하여 랜덤하게 측정한다. 이러한 검출은, 신호 및 LO 양자가 동일한 레이저로부터 비롯되기 때문에, 자체-코히어런트 호모다인 검출로 지칭된다. 이러한 TLO 설계는 GMCS (Gaussian Modulated Coherent State) 프로토콜의 가장 일반적으로 구현된 버전에 대응한다.
국부적 LO (LLO) 에 관하여, LO 의 강도는 제 2 레이저를 사용하여 봅의 측에서 국부적으로 생성된다. 따라서, 봅은, 더 이상 거리에 의존하지 않는 LO 의 강도를 전적으로 제어한다. 이에 의해, LO 의 강도는 신뢰된 것으로 고려될 수 있다. 하지만, 높은 위상 노이즈가 2개의 레이저들의 상대 위상 드리프트로부터 생기고 보정되어야 한다. 봅이 상관들을 복원할 수 있게 하기 위하여, 앨리스는 그 위상 참조에 관한 정보를 전송해야 한다. LLO 방법들의 2개의 아류형들이 위상 참조 프로세싱의 종류에 의존하여 구별될 수 있다. 아날로그 위상 록킹에 있어서, 2개의 레이저들은 간섭에서의 코히어런스를 보장하기 위하여 봅의 레이저의 위상을 물리적으로 제어하기 위한 피드백 및 위상 록킹 루프 (PLL) 를 사용하여 위상 록킹된다. 2개의 레이저들 사이의 일정한 위상 차이가 유지될 수 있다. 디지털 신호 프로세싱 (DSP) 위상 록킹에 있어서, 위상 참조는 측정 결과들을 사용하여 정규적으로 추정된다. 따라서, 봅은 후험적으로 코히어런스를 복원하기 위하여 측정들을 디지털적으로 보정할 수 있다.
LLO-아웃밴드 설계에 있어서, 앨리스는 TLO 설계에서와 동일한 신호 펄스들을 전송하는 한편, 봅은 그 자신의 레이저를 코히어런트 검출을 위한 LO 로서 사용한다. 이에 의해, 빠른 위상 노이즈가 앨리스의 레이저와 봅의 레이저 사이의 상대 위상 드리프트로부터 생긴다. 앨리스의 위상 참조를 송신하기 위하여, 앨리스는 전용 참조 펄스들을 사용하여 위상 정보를 전송한다. 앨리스는 참조 펄스들을 전송하기 위해 펄스들의 일부분 (r) 를 사용한다. 어느 정도까지, 이는 시간 멀티플렉싱 기법으로서 볼 수 있다. 위상 참조 펄스들은 신호에 비해 상대적으로 브라이트 펄스들이며, 봅이 상대 위상 드리프트를 추정할 수 있도록 공개적으로 공지되고 고정된 위상을 갖는다. 위상 참조에 대해 가능한 한 많은 정보를 전송하기 위해 변조기들에 의해 허용된 최대 진폭 (rmax) 이 사용될 수 있다. 이를 수행함으로써, 봅은 위상 노이즈를 보정할 수 있는 한편, 퀀텀 채널에 대한 강도는 여전히 TLO 설계에서의 LO 펄스들보다 훨씬 더 낮다. 상대 위상을 평가하기 위하여, 봅은 헤테로다인 검출을 사용하여 각각의 참조 펄스들의 X 및 P 쿼드러처들 양자를 측정해야 한다. 그 후, 봅은 (i-1)번째 및 (i+1)번째 위상 추정을 사용하여 i번째 신호 측정을 보정할 수 있다. 신호 및 위상 참조 펄스들이 지연된 방출때문에 차동 위상 노이즈를 경험하기 때문에, 이 설계는 "LLO-아웃밴드-diff 설계" 로서 지칭될 것이다. 이 설계 (양자에서 r = 1/2) 에 기초한 위상 보정의 구현으로의 GMCS (Gaussian Modulated Coherent State) 프로토콜의 원리-증거가 증명될 수 있다.
이제, 기존의 설계들의 제한들이 해석되고 논의된다.
TLO 설계에 관하여, 강도 (Imax) 는 TLO 설계에서의 높은 반복율들을 방지한다. 이 설계에 있어서, 샷 노이즈 (shot noise) 가 LO 포톤 수에 비례하기 때문에, 분산 (velec) 은 거리 및 반복율 양자에 의존함이 강조된다. 예를 들어, 20 dB 손실 채널 상에서 1 GHz 에서 봅의 측에서의 LO 펄스에 10^8 포톤들을 제공하기 위하여, 입력에서의 요구된 LO 전력은 1550 nm 에서 약 1.2 W 이고, 이는 실험적 Imax 값들보다 훨씬 더 크다. 역으로, 앨리스의 측에서의 주어진 론칭 레이저 강도에 대해, 봅의 측에서의 각각의 LO 펄스들에서의 포톤 수는 거리 및 반복율로 감소하고, 따라서, 전자 노이즈 대 샷 노이즈 비율이 증가한다.
LLO-순차 설계에 관하여, 높은 반복율들은 국부적 LO 의 사용을 허용한다. 실제로, 국부적 LO 는, 봅이 그 자신의 레이저를 사용하여 앨리스의 신호와 봅의 LO 사이의 위상 노이즈가 레이저 라인폭들에 의존하여 신속하게 변하는 프로세스임을 암시한다. 국부적 LO 의 특정 난제는 2개의 당사자들 사이의 신뢰성있는 위상 참조를 생성하는 것이다. 일 실시형태에 있어서, 위상 노이즈는 유도된 과잉 노이즈를 최소화하기 위하여 충분히 보정될 수 있다. 예를 들어, 이는 위상 노이즈를 반복율로 샘플링함으로써 달성될 수 있고, 그 후, 가능한 솔루션은 높은 반복율들로 작동하는 것이다. 그 후, LLO-아웃밴드 기반 CV-QKD 의 반복율은 특정 파라미터이다. 그러한 설계에 있어서, 2개의 레이저들 사이의 위상 드리프트는, 2개의 연속적인 펄스들 사이의 상대 위상의 역상관을 발생시키고 비밀 키 생성을 방지할 수 있기 때문에, 유리하게 보정된다. 신호 위상 보정 알고리즘은 인접 펄스들 위상 측정들에 기초한다. 이는, 심지어 높은 rmax 가 식 9 의 위상 추정 분산을 감소시키더라도, 위상 추정과 위상 보정 사이의 시간 지연에 기인한 잔차 위상 노이즈가 존재함을 의미한다. 이러한 잔존 노이즈는 식 8 의 분산 (Vdrift) 이다. 조건 Vdrift << 1 은 낮은 반복율들 또는 큰 라인폭 레이저들의 경우에 보장될 수 없음을 유의해야 한다. 높은 반복율은 위상 노이즈 드리프트보다 더 빠르게 위상 노이즈를 샘플링하는 것을 허용하고, 따라서, 더 효율적으로 보정하는 것을 허용한다. 이는, 실제로, 주어진 레이저들에 대해 최소의 반복율을 부과한다. 위상 추정 방식은, 위상 노이즈를 정확하게 측정하기 위하여 위상 참조 펄스들을 가능한 한 강력히 요구할 수 있다. 하지만, 진폭 변조기의 유한한 다이내믹들은 허용된 최대 진폭을 제한한다. 이러한 제한은, 제로 평균 변조의 트렁케이션에 기인한 변조기 과잉 노이즈 기여도 (ξout) 를 고려함으로써 모델링될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 신호 및 참조 펄스들 양자는 동일한 변조기를 사용하여 변조된다. 이는, 최대 진폭 (rmax) 및 위상 추정 방식으로 효율적으로 증가하는 (식 6 으로부터의) 변조된 진폭에 대한 에러들 사이의 rmax 의 관점에서 트레이드오프가 존재함을 의미한다.
일 실시형태에 있어서, 광학 채널 (예를 들어, 광섬유들) 에 의해 연결되는 방출기 (또는 전송기) (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법이 개시되며, 여기서, 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함하며, 상기 방법은, A 에서, 사이클 i 에서 레이저 (LA) 에 의해 생성된 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계; A 에서, 코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩 메커니즘을 사용함으로써 그들 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 (뿐 아니라) 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계; - 멀티플렉싱된 Q(i) 및 T(i) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계; B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터들로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 펄스들로의 멀티플렉싱된 코히어런트 측정으로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Q(i) 의 Qm(i) 및 R(i) 의 Rm(i)) 을 획득 또는 결정하는 단계; B 에서, R(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Q(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phi(i)) 을 결정하는 단계; 및 B 에서, 상대 위상 (Phi(i)) 추정을 사용하여 Qm(i) 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하는 단계를 포함한다.
그 방법은 "컴퓨터 구현"될 수 있으며: 즉, 그 방법의 일부 단계들이 컴퓨터를 요구하지 않는 동안 (즉, 오직 광학 신호들만이 사용됨), 그 방법의 일부 단계들은 하나 이상의 컴퓨터들 (CPU, 메모리, I/O) 또는 프로세서들 또는 프로세싱 수단을 사용할 수 있다. 프로세서들 또는 프로세싱 수단은 국부적일 수 있고 (국부적으로 액세스될 수 있음) 및/또는 원거리에 있을 수 있다 (원격으로 액세스될 수 있음). 프로세서들은, 예를 들어, ASIC들 또는 FPGA들 또는 다른 타입들의 회로들을 포함할 수 있다.
방출기 (A) 의 개관으로부터, 광학 채널에 의해 A 에 연결되는 원거리의 수신기 (B) 와 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법이 개시되며, 여기서, 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함한다. 그 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- A 에서, 사이클 i 에서 레이저 (LA) 에 의해 생성된 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계로서, 그 펄스들은 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계;
- A 에서, 코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩 메커니즘을 사용함으로써 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계;
- 멀티플렉싱된 Qi 및 Ri 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계.
수신기 (B) 의 개관으로부터, 광학 채널에 의해 연결되는 원거리의 방출기 (A) 와 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법이 추가로 개시되며, 여기서, 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함한다. 그 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터로서 사용되는 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 펄스들로의 멀티플렉싱된 코히어런트 측정으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Qi 의 Qmi 및 Ri 의 Rmi) 을 획득하는 단계;
- B 에서, Ri 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Qi 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phii) 을 결정하는 단계, 및
- B 에서, 상대 위상 (Phii) 추정을 사용하여 Qmi 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하는 단계.
본 발명의 실시형태들은 A 로부터 B 로의 정보의 통신을 설명한다. 당사자 (A) (본 명세서에서는 위상 참조/방출기로서 기술됨) 및 당사자 (B) (본 명세서에서는 슬레이브/수신기로서 기술됨) 의 역할들은 "반전"될 수 없다 (A 는 검출기들을 갖지 않음).
실제로, 양방향 통신을 하기 위해, 설명된 방법들 및 시스템들은, 각각 양방향 통신을 위해 2회 구현될 수 있다 (첫번째는 A 로부터 B 로 그리고 두번째는 B 로부터 A 로, 이에 의해, 종단점들에서 하드웨어 사양들을 누적함).
현저히, B 에서의 레이저 (LB) 는 B 에서의 LLO 로서 그리고 또한, 예를 들어, 다른 슬레이브/수신기 (C) (또는 심지어 A 자체에 대해, A 에 필요한 하드웨어가 장비되면 특히 코히어런트 검출기) 와 통신하기 위해 위상 참조/방출기의 역할을 하도록 양자 모두 사용될 수 있다.
2개의 광학 펄스들을 수반하는 광학 프로세스는, 펄스들 사이의 위상 관계가 시간에 걸쳐 안정적 (즉, 완전히 또는 부분적으로 대부분의 시간에서 현저하게 안정적) 일 경우 <<코히어런트>>한 것으로 일컬어진다. 2개의 광학 펄스들은, 이들 사이의 상대 위상이 공지되고 안정적인 그러한 방식으로 생성되면, "코히어런트" 로 일컬어진다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 표현 "시간 Ti 에서 레이저 (LA) 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 것" 은 1개 또는 2개의 펄스들로부터의 광이 시간 Ti 에서 LA 에 의해 방출된 광학 파면으로부터 기인함을 그리고 시간 Ti 에서 LA 의 위상 사이 및 상기 펄스들 사이에 고정 위상(들)이 존재함을 의미한다. 따라서, 2개의 펄스들이 도출되는 경우, (정의에 의해) 이들은 위상 코히어런트이다.
코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩은, 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상의 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 위상 참조 정보 (R(i)) 와 같은 2개 타입들의 정보의 공동 인코딩을 야기한다. 멀티플렉싱된 인코딩은, 안정적 위상 관계가 Q(i) 및 R(i) 를 인코딩하는 광학 캐리어들 사이에 존재할 때 코히어런트로 일컬어지며, 이들 광학 캐리어는, 더욱이, 양자 모두가 시간 Ti 에서 레이저 (LA) 와 코히어런트이다. 퀀텀 정보 및 위상 참조 정보의 물리 캐리어들 사이의 상대 위상이 공지되고 일정하면, 그 상대 위상은, 코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩 이후에도 양자 모두가 공지되고 일정하게 남겨진다.
코히어런트 멀티플렉싱된 검출 메커니즘은, Q(i) 및 R(i) 를 전달하는 단일 (또는 2개의) 광학 펄스(들) 상의 Q(i) 및 R(i) 의 공동 위상 감지 측정을 야기한다. LB 는, 예를 들어, 호모다인 또는 헤테로다인 검출을 수행하기 위해, 이들 위상 감지 측정에 있어서 국부적 위상 참조 (LLO) 로서 사용된다.
검출 메커니즘은, 시간 T(i) 에서의 LA 와 검출(들) 시간에서의 LB 의 위상 사이의 상대 위상이 일 사이클 i 로부터 다른 사이클 i' 까지 안정적이면, 코히어런트인 것으로 일컬어진다.
본 발명에 따라 수행된 정보 프로세싱의 목적은 시간 Ti 에서의 LA 와 검출(들) 시간에서의 LB 사이의 위상 드리프트를 결정 또는 추정하는 것이다. 이러한 위상 드리프트 추정치 (DeltaPhi(i)) 에 기초하여, 측정된 값 (Qm(i)) 에 보정이 적용될 수 있다. 예를 들어, 코히어런트 상태 (Q(i)) 의 쿼드러처를 측정하기 위해 B 에서 사용되는 헤테로다인 검출의 경우, 값 (Qm (i)) 은 2개의 실수 값들, 2개의 쿼드러처 값들 (Xm(i) 및 Pm(i)) 에 있다. 그 후, Q(i) 의 위상 보정된 추정치를 취출하기 위해 Qm(i)=(Xm(i), Pm(i)) 에 적용될 보정은 Qm(i) 의 각도 (-DeltaPhi(i)) 만큼의 회전에 있을 것이다.
상대 위상 (Phi(i)) 추정을 사용하여 방출된 퀀텀 정보 (Q(i)) 의 정확한 추정을 얻기 위한 Qm(i) 측정의 보정은 위상 보정으로 지칭된다. 이는, 실제로, 디지털 신호 프로세싱 방식으로서, 상기 방법은 알고리즘 기법들을 사용하여 측정 값들을 디지털적으로 보정하는 것에 있는, 상기 디지털 신호 프로세싱 방식, 또는 물리적 방식으로서, 상기 방법은 상대 위상을 위상-록킹하기 위해 LO 의 위상을 물리적으로 보정하는 것에 있는, 상기 물리적 방식 중 어느 하나의 방식으로 수행될 수 있다.
실제로, 봅의 수신기는 호모다인 (하나의 상태 쿼드러처의 측정) 또는 헤테로다인 (양자의 쿼드러처들의 측정) 검출 중 어느 하나일 수 있다. 강한 위상 노이즈 영역의 경우, 헤테로다인 측정이 상대 위상 노이즈를 더 정확하게 얻기 위해 필요하다. 낮은 위상 노이즈 영역들에 있어서, 호모다인 검출이 충분할 수 있다.
이러한 타입의 설계의 난제는 2개의 관련된 레이저들의 발생된 위상 드리프트를 보정하는 것이다. 실제로, 상대 위상이, 방출과 수신 사이의 코히어런스를 보장하기 위하여 평가되어야 한다. 이러한 위상 평가는 특정 물리 위상 정보에 대해 수행되어야 한다. 이러한 정보는 위상 참조로 지칭될 수 있다. 위상 드리프트에 기인하여, 순차적 신호 및 위상 참조 펄스들 생성은, 임의의 비밀 키 생성을 방지하기에 충분히 클 수 있는 최소 위상 드리프트를 발생시킬 것이다. 본 발명의 일부 실시형태들은 신호와 위상 코히어런트하게 위상 평가를 수행하도록 허용하고, 그에 따라, 어떠한 위상 노이즈도 그 위상 평가로부터 기인하지 않는다.
이제, "LLO-변위" 실시형태 또는 설계가 설명된다.
일 전개예에 있어서, 그 방법은 다음의 단계들을 더 포함한다:
- A 에서, 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 단일의 광학 코히어런트 상태 펄스 (Alpha(i)) 를 도출하는 단계;
- A 에서, 펄스 (Alpha(i)) 의 쿼드러처들 상으로 위상 참조 정보 (R(i)) 및 퀀텀 정보 (Q(i)) 양자를 인코딩하는 단계로서, 이러한 인코딩은 위상 참조 정보 (R(i)) 를 Q(i) 의 평균 값의 변위로서 인코딩하기 위해 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 코히어런트하게 변위시킴으로써 획득되는, 상기 위상 참조 정보 (R(i)) 및 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 인코딩하는 단계;
- 코히어런트 상태 (Alpha(i)) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
- B 에서, 수신된 펄스 (Alpha'(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 사이클 i 의 수신 시간에 측정하는 단계로서, 레이저 (LB) 는 수신된 펄스와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는, 상기 수신된 펄스 (Alpha'(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
- B 에서, 2개의 쿼드러처들로 LA 와 LB 사이의 상대 위상 (Phi(i)) 을 결정하는 단계,
- B 에서, 상대 위상 추정 (Phi(i)) 및 2개의 쿼드러처 측정 결과들을 사용하여 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하는 단계.
이제, 일 실시형태가 헤테로다인 검출을 사용하여 설명된다. Qi 및 Ri 정보가 인코딩되는 LA 로부터 도출된 단일의 광학 펄스의 퀀텀 상태 설명은 단일 모드 보손 (bosonic) 코히어런트 상태로서, 또는 거의 동일한 쿼드러처 값을 갖고 따라서 하나의 단일 모드 보손 코히어런트 상태로서 처리되는 단일 모드 코히어런트 상태들의 적은 수의 집합으로서 설명될 수 있다.
퀀텀 정보는 코히어런트 상태의 쿼드러처들 상에서 인코딩된 클래시컬 변수들을 지정한다. 변위는, 코히어런트 상태의 평균 값에서의 시프트를 발생시키는, 그 클래시컬 변수들의 평균 쿼드러처들 값들에서의 시프트이다.
앨리스를 떠나는 코히어런트 상태 상에서 인코딩된 2개의 쿼드러처들은 (Xi + Delta, Pi) 로 표기될 수 있고, 여기서, Xi 및 Pi 는 시간 Ti 에서 LA 의 위상 참조 프레임에서 표현되는 퀀텀 정보 쿼드러처들이고, Delta 는 시간 T 에서 레이저 (LA) 와 동위상의 변위이다.
표현 <<큰 Delta>> 는 T*|Delta| >> max{Sqrt(Var(Xi)), N0} 및 T*|Delta| >> max{Sqrt(Var(Pi)), N0} 임을 의미하고, 여기서, N0 는 샷 노이즈 분산을 나타낸다. 이러한 조건은, 샷 노이즈 (N0) 에 의해 너무 많이 영향받지 않고 Qi 변조에 기인한 노이즈에 의해서도 영향받지 않으면서, 시간 Ti 에서의 LA 와 이중 호모다인 측정의 시간 Ti' 에서의 LB 사이의 위상 드리프트를 평가하기 위해 쿼드러처들 측정 결과들을 사용하는 것을 허용한다.
헤테로다인 측정 동안, LLO 펄스 및 신호 펄스 양자는 50/50 빔 분할기로 2개의 아암들로 분할된다. 이러한 분할은 신호에 대한 3 dB 손실을 안내한다. 하나의 아암에 있어서, 신호 및 LLO 는 호모다인 검출을 통해 신호의 하나의 쿼드러처를 측정하기 위하여 균형된 빔 분할기에 대해 간섭한다. 다른 아암에 있어서, LLO 는 90° 만큼 위상-시프트되고, 신호의 다른 쿼드러처는 호모다인 검출을 통해 측정된다.
위상 드리프트의 추정에 응답하여, 보정 절차는 후속적으로 퀀텀 정보 (Qi) 를 추정하는 것을 허용한다. Qi 에 대한 추정 절차는 |Delta|, 즉, 변위 진폭의 값 및 T, 즉, 강도에서의 채널 전송의 값이 B 에 의해 알려진다는 사실을 이용한다.
헤테로다인 검출기는 위상-다이버시티 호모다인 검출기이다. 검출기는, 2개의 로컬 오실레이터들의 위상이 pi/2 의 상대 위상을 갖는 2개의 호모다인 검출기들을 포함한다.
이제, 위상 보정 단계들을 포함하는 실시형태가 설명된다.
그러한 실시형태에 있어서, 그 방법은, A 에서, 동일한 광학 코히어런트 상태 펄스 (Alpha(i)) 상에서 퀀텀 정보 및 위상 참조 정보를 인코딩함으로써 상대 위상을 보정하는 단계를 포함할 수도 있다. 위상 참조 정보 (R(i)) 는 퀀텀 정보 (Q(i)) 의 변위된 평균 값으로서 인코딩된다. 그 방법은 다음을 더 포함할 수도 있다:
- 코히어런트 상태 (Alpha(i)) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
- B 에서, 수신된 펄스 (Alpha(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하여 클래시컬 측정 결과들 (Xm(i) 및 Pm(i)) 을 안내하는 단계;
- B 에서, 0≤i-j≤W 인 사이즈 (W) 의 윈도우들에 걸쳐, i 이전의 측정 결과들, Xmj 및 Pmj 을 프로세싱함으로써 상대 위상의 추정치 (Theta_est(i)) 를 산출하는 단계; 및
- B 에서, Theta_est(i) 추정치에 기초하여 원시 결과들에 위상 보정 회전을 적용하는 것에 의해, 및 그 후 변위 (R(i)) 의 값을 보상하는 것에 의해 퀀텀 정보 측정 결과들 (Xm(i) 및 Pm(i)) 상의 상대 위상 드리프트를 보정하는 단계.
코히어런트 상태의 변위는 위상 공간에서의 변위이다. 이는 각각의 쿼드러처의 평균 값의 변위를 나타낸다. 이는, 봅에 의해 공지된 앨리스의 위상 참조의 인코딩이다.
이제, "LLO-지연라인-dsp" 실시형태 ("설계") 가 설명된다.
그러한 실시형태에 있어서, 그 방법은 다음의 단계들을 포함할 수도 있다:
- A 에서, 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QP(i) 및 RP(i)) 을 도출하는 단계로서, 2개의 펄스들은 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QP(i) 및 RP(i)) 을 도출하는 단계;
- A 에서, 광학 코히어런트 상태 (QP(i)) 의 쿼드러처들 상에서 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 인코딩하는 단계;
- A 에서, 광학 코히어런트 상태 (RP(i)) 상에서 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계로서, LA 와 동위상의 그 쿼드러처 값은 LA 로 코히어런트하게 큰 값 (Er) 에 의해 변위되는, 상기 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계; 코히어런트 상태들 (QP(i) 및 RP(i)) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
- (B 에서) 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQ(i) 및 LLOR(i)) 을 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 사이클 i 에서 LB 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQ(i) 및 LLOR(i)) 을 도출하는 단계;
- B 에서, 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 광학 펄스 (LLOR(i)) 는 RP(i) 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 측정 결과들 (Xref(i),Pref(i)) 을 획득하는, 상기 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
- B 에서, 쿼드러처 측정 결과들 (Xref(i),Pref(i)) 로 LA 와 LB 사이의 상대 위상 드리프트 (Theta_est(i)) 를 결정하는 단계;
- B 에서, 사이클 i 에서 수신된 펄스 (QP(i)) 상의 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 광학 펄스 (LLOQ(i)) 는 QP(i) 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 클래시컬 정보 (Qm(i)) 를 획득하는, 상기 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 측정하는 단계;
- B 에서, Theta_est(i) 를 사용하여 위상 보정 프로세싱으로 Qm(i) 를 보정하고 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하는 단계.
방출 시, 레이저 (LA) 는 (레이저의 연속파 출력을 성형하는 진폭 변조기 펄스 또는 온/오프 모드 중 어느 하나를 사용하여) 연속적 광학 코히어런트 펄스들을 출력한다. 각각의 펄스는 불균형된 빔 분할기를 사용하여 2개 부분들로 분할된다. 참조 부분은 퀀텀 부분보다 더 강력하다.
참조 펄스 경로는, 위상 참조 펄스의 광학 경로를 증가시키는 추가적인 광섬유인 지연 라인을 사용하여 지연된다. 지연 시간은 수신 시 실제 설비를 위한 2개의 소스 펄스들 사이의 시간의 절반으로 설정되어 반복율을 팩터 2 에 의해 곱하는 것을 발생시킨다.
참조 펄스들은 LA 와 LB 사이의 상대 위상을 추정하기 위해 사용된다. 대응하는 퀀텀 정보 및 위상 참조 펄스들이 구성에 의해 위상-코히어런트하기 때문에, 위상 참조 간섭에서의 상대 위상의 추정은 퀀텀 펄스 측정에서의 상대 위상의 좋은 근사이다.
이 실시형태에 있어서, 퀀텀 정보 (Q(i)) 는, 간섭에서 위상 코히어런스가 물리적으로 보장되기 때문에, 호모다인 검출을 사용하여 추정될 수 있다. 하지만, 참조 펄스는, 심지어 높은 위상 노이즈 영역에서도, 위상 보정을 허용하기 위해 헤테로다인을 필요로 한다.
이제, "LLO-지연라인-opll" 실시형태 ("설계") 가 설명된다.
그러한 실시형태에 있어서, 그 방법은 다음의 단계들을 포함할 수도 있다:
- A 에서, 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QP(i) 및 RP(i)) 을 도출하는 단계로서, 2개의 펄스들은 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QP(i) 및 RP(i)) 을 도출하는 단계;
- A 에서, 광학 코히어런트 상태 (QP(i)) 의 쿼드러처들 상에서 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 인코딩하는 단계;
- A 에서, 광학 코히어런트 상태 (RP(i)) 상에서 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계로서, LA 와 동위상의 그 쿼드러처 값은 LA 로 코히어런트하게 큰 값 (Er) 에 의해 변위되는, 상기 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계; 코히어런트 상태들 (QP(i) 및 RP(i)) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
- B 에서, 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQ(i) 및 LLOR(i)) 을 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 사이클 i 에서 LB 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQ(i) 및 LLOR(i)) 을 도출하는 단계;
- B 에서, 2개의 상이한 광학 경로들 상으로 QP(i) 및 RP(i) 를 디멀티플렉싱 또는 분리하는 단계; B 에서, 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, LLOR(i) 펄스들은 RP(i) 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 측정 결과들 (Xref(i),Pref(i)) 을 획득하는, 상기 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
- B 에서, 쿼드러처 측정 결과들 (Xref(i),Pref(i)) 로 LA 와 LB 사이의 상대 위상 드리프트 (Theta_est(i)) 를 결정하는 단계;
- B 에서, 피드백 메커니즘 및 Theta_est(i) 추정치로 광학 참조 펄스들 (RP(i)) 의 위상과 LLOQ(i) 펄스의 위상을 물리적으로 루프-록킹하는 단계;
- B 에서, 수신된 펄스 (QP(i)) 를 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 위상-록킹된 LLOQ(i) 펄스들은 RP(i) 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되는, 상기 수신된 펄스 (QP(i)) 를 측정하는 단계;
- B 에서, 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하는 단계.
방출 시, 레이저 (LA) 는 (레이저의 연속파 출력을 성형하는 진폭 변조기 펄스 또는 온/오프 모드 중 어느 하나를 사용하여) 연속적 광학 코히어런트 펄스들을 출력한다. 각각의 펄스는 불균형된 빔 분할기를 사용하여 2개 부분들로 분할된다. 참조 부분은 퀀텀 부분보다 더 강력하다.
참조 펄스 경로는, 위상 참조 펄스의 광학 경로를 증가시키는 추가적인 광섬유인 지연 라인을 사용하여 지연된다. 지연 시간은 수신 시 실제 설비를 위한 2개의 소스 펄스들 사이의 시간의 절반으로 설정되어 반복율을 팩터 2 에 의해 곱하는 것을 발생시킨다.
멀티플렉싱 기법들은, 상이한 코히어런트 검출기들로 측정하기 위하여 봅으로 하여금 위상 참조 펄스들 및 퀀텀 신호 펄스들을 분리하게 해야 한다. 실제로, 이는 편광 기법들을 사용하여 수행될 수 있다. 편광 빔 분할기는 방출 시 소스 펄스들을 분할할 수 있는 한편, 다른 편광 빔 분할기는 위상 참조 펄스들 및 퀀텀 신호 펄스들을 봅 측에서 2개의 상이한 광학 경로들 상으로 분할한다.
참조 펄스들은 LA 와 LB 사이의 상대 위상을 추정하기 위해 사용된다. 대응하는 퀀텀 정보 및 위상 참조 펄스들이 구성에 의해 위상-코히어런트하기 때문에, 위상 참조 간섭에서의 상대 위상의 추정은 퀀텀 펄스 측정에서의 상대 위상의 좋은 근사이다.
그 후, 상대 위상 추정이, 간섭에서의 코히어런스를 보장하기 위하여 퀀텀 신호 측정의 로컬 오실레이터의 위상을 물리적으로 제어하기 위해 사용된다. 인젝션, 디더-루프, 균형된 루프, 코스타스 루프들과 같이 상이한 메커니즘들이 OPLL 을 실현하기 위해 사용될 수 있다.
위상-록킹 프로세스는 피드백 제어를 위한 기법, (적어도) 실험의 반복율, 로컬 오실레이터 펄스의 위상을 포함할 수 있다.
컴퓨터 상에서 실행될 경우, 상기 컴퓨터로 하여금 그 방법의 하나 이상의 단계들을 수행하게 하는 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 추가로 개시된다.
그 방법의 하나 이상의 단계들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 시스템이 또한 제공된다.
일부 실시형태들에 있어서, 광학 채널에 의해 연결되는 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템이 개시된다. 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함하며, 그 시스템은 다음을 더 포함한다:
- A 에서, 사이클 i 에서 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하도록 구성된 레이저 (LA) 로서, 그 펄스들은 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 레이저 (LA);
- A 에서, 그 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하기 위한 코히어런트 멀티플렉싱된 인코더;
- 멀티플렉싱된 Q(i) 및 T(i) 를 전송하도록 구성된 A 로부터 B 로의 광학 채널;
- B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터들로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 펄스들로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Q(i) 의 Qm(i) 및 R(i) 의 Rm(i)) 을 획득하도록 구성된 멀티플렉싱된 코히어런트 측정 디바이스;
- B 에서, R(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Q(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phi(i)) 을 결정하도록 구성된 디바이스;
- B 에서, 상대 위상 (Phi(i)) 추정을 사용하여 Qm(i) 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하도록 구성된 디바이스.
방출기 (A) 의 개관으로부터, 광학 채널에 의해 연결되는 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템이 개시되며, 여기서, 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함한다. 그 시스템은 다음을 더 포함한다:
- A 에서, 사이클 i 에서 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하도록 구성된 레이저 (LA) 로서, 상기 펄스들은 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 레이저 (LA);
- A 에서, 그 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하기 위한 코히어런트 멀티플렉싱된 인코더;
- 멀티플렉싱된 Qi 및 Ti 를 전송하도록 구성된 A 로부터 B 로의 광학 채널.
수신기 (B) 의 개관으로부터, 광학 채널에 의해 연결되는 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템이 개시되며, 방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함한다. 그 시스템은 다음을 더 포함한다:
- B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 펄스들로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Qi 의 Qmi 및 Ri 의 Rmi) 을 획득하도록 구성된 멀티플렉싱된 코히어런트 측정 디바이스;
- B 에서, R(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Qi 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phii) 을 결정하도록 구성된 디바이스; 및
- B 에서, 상대 위상 (Phii) 추정을 사용하여 Qmi 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하도록 구성된 디바이스.
이제, (변위 멀티플렉싱을 갖는) 시스템의 특정 실시형태가 설명된다.
그러한 실시형태에 있어서, 그 시스템은 헤테로다인 검출기 및 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 를 더 포함할 수도 있다. A 로부터 B 로 전송된 정보는 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 도출되는 단일의 광학 코히어런트 상태 펄스 상에서 인코딩되고; 퀀텀 정보 (Q(i)) 는 코히어런트 상태의 양자의 쿼드러처들 상에서 인코딩되는 한편, 위상 참조 정보 (R(i)) 는 사이클 i 에서 LA 와 동위상의 쿼드러처의 진폭의 변위 (Delta) 로서 인코딩되며; 헤테로다인 검출기는 사이클 i 에서 수신된 펄스의 2개의 쿼드러처들 양자를 측정한다. 레이저 (LB) 는 수신된 펄스와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용된다. 쿼드러처 측정 결과들은 LA 와 LB 사이의 위상 드리프트를 추정하기 위해 그리고 그 후 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하기 위해 사용된다.
이제, (지연 라인 및 DSP 위상 보정을 갖는) 시스템의 특정 실시형태가 설명된다.
이 실시형태에 있어서, 그 시스템은 분할기, 광학 지연 라인 및 호모다인 또는 헤테로다인 검출기를 더 포함할 수도 있으며, 여기서, 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 위상 참조 정보 (R(i)) 는 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 상으로 인코딩된다. 이들 2개의 펄스들은, (사이클 i 에서) LA 에 의해 생성된 광학 펄스를 빔 분할기 상으로 분할하는 것에 의해 및 광학 지연 라인으로 제 1 펄스에 대해 시간 DeltaT 만큼 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성된다. 퀀텀 정보 (Q(i)) 는 펄스들 (QP(i)) 중 하나의 쿼드러처들 상에서 인코딩된다. 위상 참조 정보 (R(i)) 는 제 2 펄스 (RP(i)) 상에서 인코딩되고, 그 쿼드러처 값은 LA 와 동위상이고 값 Delta 만큼 변위되는 한편, 그 다른 쿼드러처 값은 변조되지 않으며; 수신된 펄스 (QP(i)) 의 쿼드러처들의 측정 (DQ) 은 사이클 i 에서 봅에서 호모다인 또는 헤테로다인 검출기로 수행되고, LB 는 QP(i) 와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 (LLOQ(i)) 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되며; 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들의 헤테로다인 측정 (DR) 은 사이클 i 에서 봅에서 수행된다. 레이저 (LB) 는 지연 라인으로 사이클 i 에서 LLOQ(i) 를 생성하기 위해 사용된 파면의 일부를 지연라인을 사용하여 지연시키는 것에 의해 획득되는 코히어런트 상태 펄스 (LLOR(i)) 를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되며; DR 로 획득된 쿼드러처 측정 결과들은 LA 와 LB 사이의 위상 드리프트 (Phi(i)) 를 결정하기 위해 사용된다. 그 후, 결정된 위상 드리프트는 QP(i) 의 쿼드러처 측정 결과들을 보정하기 위해 그리고 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하기 위해 사용된다.
이제, (상이한 검출기들을 갖는) 시스템의 특정 실시형태가 설명된다. 일 전개예에 있어서, 코히어런트 검출기 (DQ) 또는 코히어런트 검출기 (DR) 는 상이한 단일 검출기들이다. 유리하게, 2개의 상이한 검출기들을 사용하는 것은, 더 높은 하드웨어 비용들 및 실험 복잡도를 암시할 수 있으면 검출 다이내믹들에 대한 제약을 제거한다.
일 전개예에 있어서, 코히어런트 검출기 (DQ) 및 코히어런트 검출기 (DR) 는 동일한 코히어런트 검출기이다. 하나의 단일 검출기를 갖는 것은 설계 단순화, 더 낮은 하드웨어 비용의 이점을 제시한다. 한편, (포화 전) 검출의 유한한 다이내믹들에 기인하여, 포화를 경험하지 않으면서 동일한 검출로 (약한) 퀀텀 신호 (Qi) 및 (강한) 참조 신호 (Ri) 를 검출하는 것이 난제일 수 있다.
일 전개예에 있어서, 코히어런트 검출기 (DQ) 또는 코히어런트 검출기 (DR) 는, 코히어런트 상태 펄스 (LLOQ) 의 강도에 대해 감소되는 코히어런트 상태 펄스 (LLOR) 의 강도와 연관된다.
대안적으로, 다이내믹들에 대한 제약은, (강력한) 참조 펄스 (PR) 를 검출할 경우 로컬 오실레이터 전력을 저하시킴으로써 해결될 수 있다. 전력 레벨들은 매우 신중히 교정되어야 하며, 전력 안정성은 이 설계에 있어서 새로운 실험적 이슈를 도입할 것이다. 더욱이, 로컬 오실레이터 전력을 저하시키는 것은 전자 노이즈의 상대적 영향을 증가시키는 악영향을 가질 것이지만, 그러한 영향은, 참조 펄스 전력이 샷 노이즈와 비교하여 매우 높으면, 너무 해로운 것은 아닐 것이다.
이제, 시스템의 특정 실시형태 ("LLO-자체 코히어런트-opll" 설계) 가 설명된다.
일 전개예에 있어서, 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 위상 참조 정보 (R(i)) 는 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 상으로 인코딩되고, 양자의 펄스들은 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 코히어런트하게 도출되고, 제 2 펄스는 광학 지연 라인으로 제 1 펄스에 대해 지연되고; 퀀텀 정보 (Q(i)) 는 QP(i) 로 지칭되는 펄스들 중 하나의 쿼드러처들 상에서 인코딩되고; 위상 참조 정보 (R(i)) 는 RP(i) 로 지칭되는 제 2 펄스 상에서 인코딩되고, LA 와 동위상의 그 쿼드러처 값은 큰 값, 즉, Delta 만큼 변위되는 한편, 그 다른 쿼드러처 값은 변조되지 않고; 위상 참조 펄스 (RP(i)) 는, 피드백 메커니즘들로 광학 참조 펄스들 (RP(i)) 의 위상에 레이저 (LB) 의 위상을 록킹시키는 B 에서의 광학 위상 록킹 루프 (OPLL) 를 동작시키기 위해 사용되고; 수신된 펄스 (QP(i)) 의 쿼드러처들의 이중 호모다인 측정 (DQ) 은 사이클 i 에서 B 에서 수행되고, LB 는, QP(i) 와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 (PLLOQ) 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용된다.
유리하게, 인젝션, 디더-루프, 균형된 루프, 또는 코스타스 루프 중 하나 이상과 같이 상이한 메커니즘들이 OPLL 을 실현하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 도면들에서 나타나는 다음의 파라미터들은 실질적으로 상수임을 유의해야 한다: 앨리스의 변조 분산은 VA= 2 임; 조정 효율은 β=0.95 임; 호모다인 효율은 η = 0.7 임, 그리고 전자 노이즈는 간섭에서의 LO 펄스들 내의 10^8 포톤들에 대해 velec = 0.1 임.
8 비트 정밀도 위상 변조기 및 마하-젠더 진폭 변조기에서의 40 dB 다이내믹들 (ε = 0.01) 이 추가로 고려된다.
도 1 은 TLO 설계에 있어서 봅의 수신기 (100) 의 일 실시형태를 도시한다. 봅은 감쇠된 신호 및 LO 멀티플렉싱된 펄스들 양자를 수신한다. 봅은 먼저 2개의 펄스들을 디멀티플렉싱해야 한다 (110). 그 후, 봅은 {0, π/2} 에서의 랜덤 위상으로서 측정하기 위해 쿼드러처를 랜덤하게 선택하여 위상 변조기 (120) 를 갖는 LO 에 적용한다. 최종적으로, 신호 및 LO 는 50/50 빔 분할기 (130) 상에서 간섭한다. 봅의 측정은 빔 분할기의 출력에 있어서 광전류들의 차이에 대응한다.
도 2 는 LLO-순차 설계에 있어서 봅의 수신기의 일 실시형태를 도시한다. 봅은 신호 및 위상 참조 펄스들 (201) 을 교번하여 수신한다. 봅은 펄스의 각각의 하나에 헤테로다인 검출을 수행하고, X 및 P 쿼드러처들 양자를 얻는다. 그 후, 위상 검출 (210) 이 디지털 프로세싱을 사용하여 수행된다.
도 3 은 거리 (310) 및 반복율 (320) 에 관한 2개의 설계들 (송신된 LO 및 국부적 LO 설계들) 의 이론적인 과잉 노이즈를 비교한다. 도면은, δν = 50 kHz 에 대해 송신된 LO 및 국부적 LO 설계들에서의 이론적 키 레이트들 사이의 비교를 도시한다. 전자 노이즈는 전적으로 신뢰되는 것 (낙관적 모델) 으로서 고려된다. 좌측 그래프 (310) 는, 반복율 f = 50 MHz 에 대해, 과잉 노이즈를 거리의 함수로서 나타낸다. 우측 그래프 (320) 는, d = 25 km 에 대해, 과잉 노이즈를 반복율의 함수로서 나타낸다. 상이한 값들 (Imax) 이 송신된 LO 설계에 대해 선택되었다. 파선들 (311) 은 널 키 레이트 임계치 (ξNKR) 에 대응한다.
앨리스의 레이저 론칭 전력은 실험적 이유들에 의해 Imax 로 제한됨이 가정된다. 송신된 LO 설계의 표준 구현들은 일반적으로 수 밀리와트 입력 강도에 의존한다. 이들 곡선들에 대해, Imax ∈ {2mW, 10mW, 20mW} 가 선택되었다. Imax 의 값에 의존하여, 과잉 노이즈가 널 키 레이트 임계치 초과로 증가하는 거리 및 반복율 한계들이 존재함이 보여질 수 있다. 이는, 앨리스가 봅의 측에서 충분히 브라이트한 LO (펄스 당 ~108 포톤들) 를 보장할 수 없고 그리고 그 후 전자 노이즈 대 샷 노이즈 비율이 비밀 키를 생성하는 것을 방지한다는 사실에 기인한다. 우측 도면 (320) 으로부터, 높은 반복율들에 대해, LLO-변위 설계는 비밀 키를 생성하는 것을 허용함이 보여질 수 있다. 이는 2가지 이유들에 기인한다: 첫째, 논의된 바와 같이, 봅의 측에서의 LO 강도는 반복율에 의존하지 않고, 따라서, 전자 노이즈 대 샷 노이즈 비율이 TLO 설계에 대한 경우가 아닌 동안 국부적으로 제어된다. 둘째, 높은 반복율들은 위상 드리프트를 효율적으로 보정하는 것 및 낮은 위상 노이즈 유도된 과잉 노이즈를 보장하는 것을 허용한다. 최종적으로, 낮은 전자 노이즈 대 샷 노이즈 비율 및 낮은 위상 노이즈를 유지하기 위하여, 높은 반복율들 뿐 아니라 긴 거리들 CV-QKD 는 국부적 LO 에 기초해야 한다.
이제, 본 발명의 실시형태들이 설명된다.
본 발명의 실시형태들에 따른 3개의 LLO 설계들이 이제 설명된다. 이들 설계들은 자체-코히어런트 신호/위상 참조 쌍들을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, LO 를 국부적으로 생성하기 위한 방법은 신호 및 위상 참조가 어떠한 위상 노이즈도 경험하지 않고 방출 시 동일한 펄스로부터 나오는 것을 보장하는 것이다. 이제, 이러한 접근법을 구현하는 3개의 설계들 또는 실시형태들이 설명된다:
일 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 디지털 위상 보정을 갖는 코히어런트 신호/참조 펄스들 쌍들을 포함한다.
논의된 바와 같이, LLO-순차 설계는 2개의 인접한 펄스들 사이의 레이저 위상 드리프트에 의해 제한되지 않는다. 이 설계에 있어서, 위상 추정 및 위상 보정 양자는 매우 동일한 펄스로부터 분할된 펄스들에 대해 수행된다. 이를 수행하여, LLO-순차 설계로부터의 레이저 위상 드리프트에 기인한 최소의 잔존 위상 노이즈가 제거될 수 있다.
일 실시형태 ("LLO-지연라인-dsp 설계") 에 있어서, 앨리스는 그 레이저로 2/f 반복율 신호를 생성한다. 그 후, 앨리스는 불균형된 빔 분할기를 사용하여 각각의 펄스를 2개의 부분들로 분할한다. 약한 부분은 통상의 GMCS 신호 코히어런트 상태를 얻기 위해 변조되는 한편, 강한 부분은 1/f 초 지연된다. 2개의 펄스들이, 최종적으로, 퀀텀 채널을 통해 전송된다. 최종적으로, 앨리스는, 양자가 동일한 원래 펄스의 출력인 하나의 신호 펄스 및 하나의 참조 펄스의 연속적인 쌍들을 전송한다. 이는, 레이저 드리프트에 독립적인 신호 및 완전히 위상-록킹된 위상 참조 양자를 송신하기 위한 시간 멀티플렉싱 방법으로서 보여질 수 있다. 봅의 측에서, 국부적 LO 가 각각의 펄스를 측정하기 위해 사용된다. 상대 위상 추정 및 보정 양자는 디지털적으로 수행된다. 위상 보정은 2개의 인접한 펄스들 사이의 위상 드리프트에 의해 더 이상 제한되지 않지만, 오직 참조 펄스에 대한 위상 추정 효율의 정밀도에 의해서만 제한된다.
논의된 바와 같이, 잔존 위상 노이즈는 참조 펄스들에 대한 위상 추정의 효율에 의존한다. 이는 각각의 펄스에 대한 이용가능한 강도에 의존한다. 이러한 효율은 위상 추정의 분산으로서 표현될 수 있다. 이는, 퀀텀 채널 상에 허용된 강도인 앨리스의 레이저 강도에 의해 그리고 봅의 호모다인 검출기의 다이내믹들에 의해 제한된다.
일 실시형태 ("LLO-지연라인-opll") 에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 광학 PLL 을 갖는 코히어런트 신호/참조 펄스들 쌍들을 포함한다. 그러한 실시형태에 있어서, 위상 보정이 광학적으로 수행되는 다른 LLO-지연라인 설계가 도입된다. 앨리스는 설계 LLO-지연라인-DSP 설계에서와 동일한 펄스들을 생성한다. 봅은 참조 펄스들이 그 자신의 LO 오실레이터와 간섭하게 하고, 결과 빔의 강도를 측정한다. 이 강도를 사용하여, 봅은 상대 위상을 추정하고, 이를 신호 호모다인 검출 LO 에 대해 보정할 수 있다. 이를 수행하여, 그 후, 위상 보정이 물리적으로 수행된다.
도 4 는 ("LLO-지연라인-dsp" 설계에 따른) 본 발명의 일 실시형태를 예시한다. 앨리스 (401) 는 f/2 의 반복율로 펄스들을 생성한다. 앨리스는 각각의 펄스를 신호 펄스 및 참조 펄스로 분할한다. 동일한 빔의 출력으로서, 양자의 펄스들은 위상-록킹된다. 지연 라인을 사용하여, 앨리스는 1/f s 의 참조 펄스를 지연시킨다. 그 후, 앨리스는 1/f 레이트 신호를 생성한다. 수신 시, 봅 (402) 는 그 자신의 LO 를 사용하여 각각의 펄스를 측정한다. 이를 수행하여, 위상 추정이, 신호 펄스와 위상-록킹된 펄스에 대해 수행된다.
도 5 는 ("LLO-지연라인-opll" 설계에 따른) 본 발명의 일 실시형태를 예시한다. 앨리스 (501) 는 f/2 의 반복율로 펄스들을 생성한다. 앨리스는 각각의 펄스를 신호 펄스 및 참조 펄스로 분할한다. 동일한 빔의 출력으로서, 양자의 펄스들은 위상-록킹된다. 지연 라인을 사용하여, 앨리스 (501) 는 1/f s 의 참조 펄스를 지연시킨다. 그 후, 앨리스는 1/f 레이트 신호를 생성한다. 수신 시, 봅 (502) 은 편광 빔 분할기 상에서 신호 및 참조 펄스들을 분리한다. 봅은 참조 펄스들을 사용하여 상대 위상을 추정하고, 신호 호모다인 검출 시 LO 의 위상을 제어하기 위해 그 추정을 물리적으로 보정한다 (510).
도 6 은 인밴드 위상 참조 송신을 사용한 본 발명의 일 실시형태를 도시한다. 그러한 실시형태에 있어서, 수정된 LLO 방법은 LLO-순차 설계의 위상 추정 프로세스에서의 지연에 기인한 논의된 제한들을 높인다. 도 6 은 앨리스에 의해 전송된 열적 상태가 변위됨을 도시한다. 앨리스는 변위된 코히어런트 상태 (
Figure pct00004
) 를 전송하며, xA 및 pA 는 앨리스의 가우시안 변수들이다. 일반성의 상실없이,
Figure pct00005
는 0 으로 설정될 수 있다. 변위의 값은 앨리스의 위상 공간에서 공지되고 고정되어, 앨리스의 위상 참조에 관한 정보를 반송한다. 그 후, 모든 펄스는 신호 뿐 아니라 참조 펄스 양자로서 사용될 수 있다. 헤테로다인 검출을 사용하여, 봅은 각각의 수신된 코히어런트 상태의 X 및 P 쿼드러처들 양자를 측정하고 값들 (xB,pB) 을 얻는다. 위상 드리프트에 기인하여, 봅의 참조에서의 각각의 코히어런트 상태의 위상은 θ = θstate + θdrift 로서 기입될 수 있고, 여기서, xA+ i.pA = r*exp(i*θstate) 이고, θdrift 는, 도 6 에 도시된 바와 같이, 간섭에서 앨리스의 레이저와 봅의 레이저 사이의 상대 위상이다. xB 및 pB 를 사용하여, 봅은, θ 의 추정인 제시 1 의 식 1 로서 전체 상대 위상을 추정할 수 있다. 하지만, sqrt(VA +1) 과 비교하여 큰 변위 (△) 를 제공하여, 위상 (θstate) 의 값 및 분산은 작어서, θ 는 상대 위상 (θdrift) 의 좋은 근사이다. 최종적으로, θdrift 의 지식은, 추정 (θ) 가 주어질 때 θstate 의 분산으로서 표현될 수 있으며 이는 제시 1 의 식 2 이다. 따라서, 충분히 강한 △ 를 제공하여, 값 (θ) 은 상대 위상 (θdrift) 의 정확한 추정이다. 그 후, 잔존 위상 노이즈는, 많아야, 단일 측정 기반 위상 추정의 분산 (VM) 임이 강조된다. 특히, 이는 더 이상 2개의 연속적 펄스들 사이의 위상 드리프트에 의존하지 않는다. 위상 추정 프로세스 이후, 봅은, 최종적으로, 그 측정들을 각도 (-θ) 의 회전에 의해 보정할 수 있다. 주로, 봅은 다음의 (xB, pB) 로 앨리스의 쿼드러처들을 추정하며: 제시 1 의 식 3, 여기서, Rθ (P) 는 각도 (θ) 의 포인트 (P) 의 회전이다. 이 실시형태는 "LLO-변위" 설계로서 지칭되며, 이는 도 7 에서 설명된다.
도 6 은 앨리스의 열적 상태의 위상 공간 표현을 도시한다. 중심 원 (601) 은 TLO 및 LLO-순차 설계들 신호 양자의 제로-평균 분산 (VA) 변조를 나타낸다. 원 (602) 은, 앨리스의 위상 참조로 지칭된 LLO-인밴드 설계에서의 변위된 변조를 나타낸다. 변위 (△) 는 위상 참조에 대응한다. 원 (603) 은 봅의 시점으로부터의 앨리스의 변조이다. 위상 노이즈에 기인하여, 앨리스의 열적 상태는 랜덤 위상 (θdrift) 만큼 회전된다. △ >> pVA 인 영역에 있어서, 위상 (θstate) 은, 봅으로 하여금 위상 드리프트 (θdrift) 를 효율적으로 추정하게 하는 0 에 가깝다. 이 방식은 G = 1 에 대해 유효하다. 큰 △ 를 제공함으로써, 봅은, 단일의 상태 쿼드러처 측정들을 사용하여 상대 위상의 정확한 추정을 갖는다. 하지만, 가우시안 위상 노이즈 구조를 사용하여, 위상 추정 프로세스의 효율은 인접한 위상 추정들을 사용함으로써 최적화될 수 있다. 통상적으로, 위상 시간 상관들이 필터링 기법들에서 사용될 수 있다. 위상 노이즈의 가우시안 구조는 제시 1 의 식 4 로서 표현될 수 있으며, 여기서, δθi∼N (0,Vdrift) 이고, Vdrift 는 제시 1 의 식 8 에서 정의된다. 최종적으로, 최적의 위상 추정 분산 (Vopt) 은 제시 1 의 식 5 로서 기입될 수 있으며, 여기서, nopt 는 위상 평가 프로세스에서 사용된 인접한 위상 추정들 (
Figure pct00006
j) 의 최적의 수이고 제시 1 의 식 6 으로서 기입될 수 있다.
예를 들어, 낮은 위상 노이즈 영역의 경우, 즉, Vdrift<<1 인 경우, 인접한 추정들은, 전체 위상 추정 효율을 증가시키기 위해 평균화될 수 있다. 하지만, Vdrift>>VM 인 매우 빠른 위상 노이즈 영역에 있어서, 식 6 은 nopt = 0 을 안내하며, 위상 추정 프로세스 효율은 직접적으로 단일의 측정 기반 효율 (VM) 이다. 특히, 이는, 심지어 강한 위상 노이즈의 경우라도, 상대 위상이 변위 (△) 를 사용하여 적어도 VM 에서의 정확도로 복원될 수 있음을 의미한다.
위상 노이즈에 기인한 과잉 노이즈는 제시 1 의 식 7 로서 기입될 수 있다.
이러한 양은, 변위가 증가할 경우, 항상 감소한다. 이는, 위상 복원 프로세스가 가능한 한 큰 변위를 요구함을 의미한다. 하지만, 지금까지는 오직 완전한 변위만이 고려되었다. 불완전한 진폭 변조기들에 기인한 불완전한 변위의 경우 위상 추정 프로세스와 궁극적인 잔차 에러 사이에 트레이드오프가 실시될 수 있다.
변위에 대한 한계는 진폭 변조기들의 유한한 다이내믹들에 기인한다. 값 (△+sqrt(VA)) 이 최대 진폭에 너무 근접하면, 대부분의 변조가 트렁케이션되고 과잉 노이즈가 증가한다. 하지만, TLO 및 LLO-순차 설계들에서와는 달리, 앨리스의 열적 상태가 제로 평균 상태는 아니다. 이는, LLO-변위 설계가 LLO-순차 설계보다 더 큰 ηmin 을 허용할 수 있음을 의미한다. 유도된 노이즈는 ξ(△)mod 로 노트된다. 위상 변조기 입력 전압의 이산에 의해 유도된 에러는 변조된 상태의 진폭에 비례하고, 진폭에 대한 에러와 위상 추정 사이의 최적의 변위에 대한 트레이드오프를 발생시킨다.
도 7 는 본 발명의 일 실시형태 ("LLO-변위" 설계) 에서의 봅의 수신기 (701) 를 도시한다. 봅은 펄스들의 각각의 하나에 헤테로다인 검출을 수행하고, 디지털 위상 보정을 수행한다. 신호 밴드에서의 각각의 시간 슬롯이 CV-QKD 를 수행하기 위해 사용된다. 어떠한 펄스도 위상 참조를 위해 전용되지 않는다.
앨리스의 쿼드러처의 봅의 추정에 대한 전체 노이즈는 제시 1 의 식 8 로서 표현될 수 있다.
특히, 체계적 위상 노이즈 추정들은 LLO-변위 실시형태로 하여금 매우 빠른 위상 노이즈 영역들에서 사용되게 한다. 위상 노이즈가 인접한 펄스들로부터 추정되는 LLO-순차 설계에서와는 달리, 위상 노이즈는 이제, 현재 추정을 포함하는 연속적 추정들의 필터링을 사용하여 추정된다. 이는, 심지어 상대 위상이 일 펄스로부터 다음 펄스까지 전적으로 역상관되더라도 (예를 들어, 결함성 레이저들에 기인한 또는 낮은 반복율들에 기인한 매우 빠른 드리프트라도), 봅은 여전히 위상 노이즈에 대한 정보를 얻고 그 측정들을 보정할 수 있다. 특히, 이러한 설계는, LLO-out 설계를 사용하여 달성될 수 없는 큰 위상 노이즈의 영역에서 CV-QKD 를 수행하도록 허용할 것이다. 더욱이, 인밴드 참조 위상 송신을 사용하는 것은 신호에 대한 모든 반복율을 사용할 수 있게 한다는 것이 강조된다. 이 설계의 다른 중요한 이점은, 위상 참조가 그러한 프로토콜의 실험적 회로를 단순화하는 멀티플렉싱 기법들을 필요로 하지 않는다는 점이다.
도 8 은 (1 MHz, 50 kHz 및 5kHz 에 대해) 반복율 (f) 의 함수로서 LLO-순차 및 LLO-변위 설계들에서의 예상된 키 레이트들의 비교를 도시한다. 파선 곡선들은 LLO-순차에 대응한다. 이는 상이한 레이저들 라인폭들에 대한 반복율의 함수로서 키 레이트를 나타낸다. 높은 위상 노이즈 영역들 (낮은 반복율들) 에 있어서, LLO-순차 (파선 곡선들) 는, 상대 위상 추정 효율이 식 11 로부터의 노이즈 (Vdrift) 에 의해 지배되기 때문에, 비밀 키를 생성할 수 없다. 하지만, 반복율이 충분히 높을 경우, 드리프트 (Vdrift) 는 작으며 위상 보정이 효율적이다. 이에 반하여, LLO-변위 설계에 있어서, 위상 노이즈는 체계적 위상 추정들에 기인하여 항상 보정될 수 있다. 낮은 반복율 영역들에 있어서, 최적의 위상 추정 분산은 단일 측정 기반 추정이지만, 높은 반복율 영역들에 있어서 필터링 기법을 사용하여 훨씬 개선될 수 있다. 낮은 위상 노이즈 영역들에 있어서, 위상 노이즈는 양자의 설계들에서 효율적으로 보정되고, 곡선들 사이의 갭은 팩터 1/2 로부터 비롯되며, 이는, 동시 신호 및 위상 참조 송신에 기인하여 LLO-변위 설계에서 절약된다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 단계들의 예들을 도시한다. 일 실시형태에 있어서, 광학 채널 (예를 들어, 광섬유들) 에 의해 연결되는 방출기 (또는 전송기) (A) (901) 와 원거리의 수신기 (B) (902) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법이 개시된다. 방출기 (A) (901) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) (902) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함한다. 그 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- A 에서, 사이클 i 에서 레이저 (LA) 에 의해 생성된 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계 (910) 로서, 그 펄스들은 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계 (910);
- A 에서, 코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩 메커니즘을 사용함으로써 그 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 (뿐 아니라) 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 인코딩하는 단계 (920);
- 멀티플렉싱된 Q(i) 및 T(i) 를 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계 (930);
- B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 펄스들로의 멀티플렉싱된 코히어런트 측정으로 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 및 물리 위상 참조 정보 (R(i)) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Q(i) 의 Qm(i) 및 R(i) 의 Rm(i)) 을 획득 또는 결정하는 단계 (940);
- B 에서, R(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Q(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phi(i)) 을 결정하는 단계 (950);
- B 에서, 상대 위상 (Phi(i)) 추정을 사용하여 Qm(i) 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Q(i)) 를 결정하는 단계 (960).
개시된 실시형태들은 완전히 하드웨어 실시형태 (예를 들어, FPGA), 완전히 소프트웨어 실시형태 또는 하드웨어와 소프트웨어 엘리먼트들 양자를 포함하는 실시형태의 형태를 취할 수 있다. 소프트웨어 실시형태들은 펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 본 발명은 컴퓨터 또는 임의의 명령 실행 시스템에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위해 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터 사용가능 또는 컴퓨터 판독가능 매체로부터 액세스가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터 사용가능 또는 컴퓨터 판독가능은, 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위해 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파, 또는 전송할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 그 매체는 전자적, 자기적, 광학적, 전자기적, 또는 반도체 시스템 (또는 장치 또는 디바이스) 또는 전파 매체일 수 있다.
Figure pct00007

Claims (14)

  1. 광학 채널에 의해 연결되는 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법으로서,
    방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함하고,
    상기 방법은:
    - A 에서, 사이클 i 에서 상기 레이저 (LA) 에 의해 생성된 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 상기 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하는 단계;
    - A 에서, 코히어런트 멀티플렉싱된 인코딩 메커니즘을 사용함으로써 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계;
    - 멀티플렉싱된 Qi 및 Ri 를 상기 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
    - B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들로의 멀티플렉싱된 코히어런트 측정으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Qi 의 Qmi 및 Ri 의 Rmi) 을 획득하는 단계;
    - B 에서, Ri 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Qi 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phii) 을 결정하는 단계, 및
    - B 에서, 상대 위상 (Phii) 추정을 사용하여 Qmi 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하는 단계를 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - A 에서, 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 단일의 광학 코히어런트 상태 펄스 (Alphai) 를 도출하는 단계;
    - A 에서, 상기 펄스 (Alphai) 의 쿼드러처들 상으로 위상 참조 정보 (Ri) 및 퀀텀 정보 (Qi) 양자를 인코딩하는 단계로서, 상기 인코딩은 상기 위상 참조 정보 (Ri) 를 Qi 의 평균 값의 변위로서 인코딩하기 위해 상기 퀀텀 정보 (Qi) 를 코히어런트하게 변위시킴으로써 획득되는, 상기 위상 참조 정보 (Ri) 및 퀀텀 정보 (Qi) 를 인코딩하는 단계;
    - 코히어런트 상태 (Alphai) 를 상기 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
    - B 에서, 수신된 펄스 (Alpha'i) 의 2개의 쿼드러처들을 사이클 i 의 수신 시간에 측정하는 단계로서, 상기 레이저 (LB) 는 상기 수신된 펄스와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는, 상기 수신된 펄스 (Alpha'i) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
    - B 에서, 상기 2개의 쿼드러처들로 LA 와 LB 사이의 상기 상대 위상 (Phii) 을 결정하는 단계; 및
    - B 에서, 상대 위상 추정 (Phii) 및 2개의 쿼드러처 측정 결과들을 사용하여 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하는 단계를 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    다음의 단계들을 수행함으로써 상기 상대 위상을 보정하는 단계를 더 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법:
    - A 에서, 동일한 광학 코히어런트 상태 펄스 (Alphai) 상에서 퀀텀 정보 및 위상 참조 정보를 인코딩하는 단계로서, 상기 위상 참조 정보 (Ri) 는 퀀텀 정보 (Qi) 의 변위된 평균 값으로서 인코딩되는, 상기 퀀텀 정보 및 위상 참조 정보를 인코딩하는 단계;
    - 상기 코히어런트 상태 (Alphai) 를 상기 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
    - B 에서, 상기 수신된 펄스 (Alpha(i)) 의 상기 2개의 쿼드러처들을 측정하여 클래시컬 측정 결과들 (Xmi 및 Pmi) 을 안내하는 단계;
    - B 에서, 0≤i-j≤W 인 사이즈 (W) 의 윈도우들에 걸쳐, i 이전의 측정 결과들 (Xmj 및 Pmj) 을 프로세싱함으로써 로컬 오실레이터와 참조 사이의 상대 위상의 추정치 (Theta_esti) 를 산출하는 단계; 및
    - B 에서, Theta_esti 추정치에 기초하여 원시 결과들에 위상 보정 회전을 적용하는 것에 의해, 및 그 후 변위 (Ri) 의 값을 보상하는 것에 의해 퀀텀 정보 측정 결과들 (Xmi 및 Pmi) 상의 상대 위상 드리프트를 보정하는 단계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    - A 에서, 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QPi 및 RPi) 을 도출하는 단계로서, 상기 2개의 펄스들은 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QPi 및 RPi) 을 도출하는 단계;
    - A 에서, 광학 코히어런트 상태 (QPi) 의 쿼드러처들 상에서 퀀텀 정보 (Qi) 를 인코딩하는 단계;
    - A 에서, 광학 코히어런트 상태 (RPi) 상에서 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계로서, LA 와 동위상의 상기 광학 코히어런트 상태 (RPi) 의 쿼드러처 값은 레이저 (LA) 로 코히어런트하게 큰 값 (Er) 에 의해 변위되는, 상기 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계;
    - 코히어런트 상태들 (QPi 및 RPi) 를 상기 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
    - B 에서, 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQi 및 LLORi) 을 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 사이클 i 에서 LB 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQi 및 LLORi) 을 도출하는 단계;
    - B 에서, 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 광학 펄스 (LLOR(i)) 는 RPi 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 측정 결과들 (Xrefi 및 Prefi) 을 획득하는, 상기 수신된 참조 펄스 (RP(i)) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
    - B 에서, 쿼드러처 측정 결과들 (Xrefi 및 Prefi) 로 LA 와 LB 사이의 상대 위상 드리프트 (Theta_esti) 를 결정하는 단계;
    - B 에서, 사이클 i 에서 수신된 펄스 (QPi) 상의 퀀텀 정보 (Qi) 를 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 광학 펄스 (LLOQi) 는 QPi 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 클래시컬 정보 (Qmi) 를 획득하는, 상기 퀀텀 정보 (Qi) 를 측정하는 단계; 및
    - B 에서, Theta_esti 를 사용하여 위상 보정 프로세싱으로 Qm(i) 를 보정하고 논리 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하는 단계를 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    - A 에서, 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QPi 및 RPi) 을 도출하는 단계로서, 상기 2개의 펄스들은 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 (QPi 및 RPi) 을 도출하는 단계;
    - A 에서, 광학 코히어런트 상태 (QP(i)) 의 쿼드러처들 상에서 퀀텀 정보 (Qi) 를 인코딩하는 단계;
    - A 에서, 광학 코히어런트 상태 (RPi) 상에서 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계로서, LA 와 동위상의 상기 광학 코히어런트 상태 (RPi) 의 쿼드러처 값은 레이저 (LA) 로 코히어런트하게 큰 값 (Er) 에 의해 변위되는, 상기 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하는 단계;
    - 코히어런트 상태들 (QPi 및 RPi) 를 상기 광학 채널을 통해 A 로부터 B 로 전송하는 단계;
    - B 에서, 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQi 및 LLORi) 을 도출하는 단계로서, 상기 펄스들은 사이클 i 에서 LB 에 의해 생성된 단일의 광학 펄스를 2개의 펄스들로 분할하는 것에 의해 및 제 1 펄스에 대해 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되는, 상기 2개의 위상-코히어런트 국부적 로컬 오실레이터 펄스들 (LLOQi 및 LLORi) 을 도출하는 단계;
    - B 에서, 2개의 상이한 광학 경로들 상으로 QPi 및 RPi 를 디멀티플렉싱 또는 분리하는 단계;
    - B 에서, 수신된 참조 펄스 (RPi) 의 2개의 쿼드러처들을 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, LLORi 펄스들은 RPi 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되어, 측정 결과들 (Xrefi 및 Prefi) 을 획득하는, 상기 수신된 참조 펄스 (RPi) 의 2개의 쿼드러처들을 측정하는 단계;
    - B 에서, 쿼드러처 측정 결과들 (Xrefi 및 Prefi) 로 LA 와 LB 사이의 상대 위상 드리프트 (Theta_esti) 를 결정하는 단계;
    - B 에서, 피드백 메커니즘 및 Theta_esti 추정치로 광학 참조 펄스들 (RP(i)) 의 위상과 LLOQ(i) 펄스의 위상을 물리적으로 루프-록킹하는 단계;
    - B 에서, 수신된 펄스 (QPi) 를 코히어런트 검출로 측정하는 단계로서, 위상-록킹된 LLOQi 펄스들은 RPi 와 매칭된 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 모드로서 사용되는, 상기 수신된 펄스 (QPi) 를 측정하는 단계; 및
    - B 에서, 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하는 단계를 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 수행하는 방법.
  6. 컴퓨터 상에서 실행될 경우, 상기 컴퓨터로 하여금 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 방법의 단계들을 수행하게 하는 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 방법의 단계들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  8. 광학 채널에 의해 연결되는 방출기 (A) 와 원거리의 수신기 (B) 사이의 퀀텀 정보의 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템으로서,
    방출기 (A) 는 레이저 (LA) 를 포함하고, 수신기 (B) 는 코히어런트 수신기를 동작시키기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는 레이저 (LB) 를 포함하고,
    상기 시스템은:
    - A 에서, 사이클 i 에서 동일한 광학 파면으로부터 1개 또는 2개의 광학 펄스들을 위상-코히어런트하게 도출하도록 구성된 레이저 (LA) 로서, 상기 펄스들은 상기 레이저 (LA) 와 자체-코히어런트한, 상기 레이저 (LA);
    - A 에서, 그 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들 상으로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 인코딩하기 위한 코히어런트 멀티플렉싱된 인코더;
    - 멀티플렉싱된 Qi 및 Ri 를 전송하도록 구성된 A 로부터 B 로의 광학 채널;
    - B 에서, 레이저 (LB) 에 의해 생성된 단일 광학 파면으로부터 도출되고 그리고 코히어런트 검출을 수행하기 위해 로컬 오실레이터로서 사용되는 상기 1개 또는 2개의 자체-코히어런트 광학 펄스들로 논리 퀀텀 정보 (Qi) 및 물리 위상 참조 정보 (Ri) 를 측정하고, 이에 의해, 클래시컬 측정들 (Qi 의 Qmi 및 Ri 의 Rmi) 을 획득하도록 구성된 멀티플렉싱된 코히어런트 측정 디바이스;
    - B 에서, R(i) 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 상대 위상을 추정함으로써 Qi 광학 펄스와 대응하는 LO 펄스 사이의 사이클 i 에서 간섭에서의 상대 위상 (Phii) 을 결정하도록 구성된 디바이스; 및
    - B 에서, 상대 위상 (Phii) 추정을 사용하여 Qmi 측정을 보정함으로써 논리 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하도록 구성된 디바이스를 더 포함하는, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    헤테로다인 검출기 및 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 를 더 포함하고,
    - A 로부터 B 로 전송된 정보는, 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 도출된 단일의 광학 코히어런트 상태 펄스 상에서 인코딩되고;
    - 퀀텀 정보 (Qi) 는 코히어런트 상태의 양자의 쿼드러처들 상에서 인코딩되는 한편, 위상 참조 정보 (R(i)) 는 사이클 i 에서 LA 와 동위상의 쿼드러처의 진폭의 변위 (Delta) 로서 인코딩되고;
    - 헤테로다인 검출기는 사이클 i 에서 수신된 펄스의 2개의 쿼드러처들 양자를 측정하고, 상기 레이저 (LB) 는 상기 수신된 펄스와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되고; 그리고
    - 쿼드러처 측정 결과들은 LA 와 LB 사이의 위상 드리프트를 추정하기 위해 그리고 그 후 상기 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하기 위해 사용되는, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    분할기, 광학 지연 라인 및 호모다인 또는 헤테로다인 검출기를 더 포함하고,
    - 퀀텀 정보 (Qi) 및 위상 참조 정보 (Ri) 는 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 상으로 인코딩되고, 이 2개의 펄스들은, (사이클 i 에서) LA 에 의해 생성된 광학 펄스를 빔 분할기 상으로 분할하는 것에 의해 및 광학 지연 라인으로 제 1 펄스에 대해 시간 DeltaT 만큼 제 2 펄스를 지연시키는 것에 의해 생성되고;
    - 퀀텀 정보 (Qi) 는 펄스들 (QPi) 중 하나의 쿼드러처들 상에서 인코딩되고;
    - 위상 참조 정보 (Ri) 는 제 2 펄스 (RPi) 상에서 인코딩되고, 상기 제 2 펄스 (RPi) 의 쿼드러처 값은 LA 와 동위상이고 값 (Delta) 만큼 변위되는 한편, 상기 제 2 펄스 (RPi) 의 다른 쿼드러처 값은 변조되지 않고;
    - 수신된 펄스 (QPi) 의 쿼드러처들의 측정 (DQ) 은 사이클 i 에서 봅에서 호모다인 또는 헤테로다인 검출기로 수행되고, LB 는 QPi 와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 (LLOQi) 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되고;
    - 수신된 참조 펄스 (RPi) 의 2개의 쿼드러처들의 헤테로다인 측정 (DR) 은 사이클 i 에서 봅에서 수행되고, 상기 레이저 (LB) 는, 지연 라인으로 사이클 i 에서 LLOQi 를 생성하기 위해 사용된 파면의 일부를 지연라인을 사용하여 지연시키는 것에 의해 획득되는 코히어런트 상태 펄스 (LLORi) 를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되고;
    - DR 로 획득된 쿼드러처 측정 결과들은 LA 와 LB 사이의 위상 드리프트 (Phii) 를 결정하기 위해 사용되고, 그 후, 결정된 상기 위상 드리프트는 QP(i) 의 쿼드러처 측정 결과들을 보정하기 위해 그리고 상기 퀀텀 정보 (Qi) 를 결정하기 위해 사용되는, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    코히어런트 검출기 (DQ) 또는 코히어런트 검출기 (DR) 는 상이한 단일 검출기들인, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    코히어런트 검출기 (DQ) 및 코히어런트 검출기 (DR) 는 동일한 코히어런트 검출기인, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    코히어런트 검출기 (DQ) 또는 코히어런트 검출기 (DR) 는, 코히어런트 상태 펄스 (LLOQ) 의 강도에 대해 감소되는 코히어런트 상태 펄스 (LLOR) 의 강도와 연관되는, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    - 퀀텀 정보 (Qi) 및 위상 참조 정보 (Ri) 는 2개의 상이한 광학 코히어런트 상태 펄스들 상으로 인코딩되고, 양자의 펄스들은, 사이클 i 에서 LA 에 의해 생성된 광학 파면으로부터 코히어런트하게 도출되고, 제 2 펄스는 광학 지연 라인으로 제 1 펄스에 대해 지연되고;
    - 퀀텀 정보 (Qi) 는 QPi 로 지칭되는 펄스들 중 하나의 쿼드러처들 상에서 인코딩되고;
    - 위상 참조 정보 (Ri) 는, RPi 로 지칭되는 상기 제 2 펄스 상에서 인코딩되고, LA 와 동위상인 상기 제 2 펄스의 쿼드러처 값은 큰 값 (Delta) 만큼 변위되는 한편, 상기 제 2 펄스의 다른 쿼드러처 값은 변조되지 않고;
    - 위상 참조 펄스 (RP(i)) 는, 피드백 메커니즘들로 광학 참조 펄스들 (RPi) 의 위상에 레이저 (LB) 의 위상을 록킹시키는 B 에서의 광학 위상 록킹 루프 (OPLL) 를 동작시키기 위해 사용되고;
    - 수신된 펄스 (QPi) 의 쿼드러처들의 이중 호모다인 측정 (DQ) 은 사이클 i 에서 B 에서 수행되고, LB 는, QPi 와 매칭된 코히어런트 상태 펄스 (PLLOQ) 모드를 생성하기 위해 국부적 로컬 오실레이터 (LLO) 로서 사용되는, 코히어런트 광학 통신을 위한 시스템.
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