KR20200005581A

KR20200005581A - 디코이-상태 3-상태 양자 키 분배를 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200005581A
Application number: KR1020197035764A
Authority: KR
Inventors: 휴고 츠빈덴; 보리스 코르지; 찰스 림; 지안루카 보소
Original assignee: 유니베르시떼 드 제네브
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2020-01-15
Also published as: CN108809638A; US11240017B2; US20200067704A1; JP2020520587A; EP3399670A1; CN108809638B; WO2018202698A1; JP7225117B2; EP3399670B1; KR102517871B1

Abstract

본 발명은 디코이-상태 3-상태 프로토콜을 통해 양자 채널(600)을 통하여 양자 키를 교환하기 위한 송신기(300) 및 수신기(400)를 포함하는 양자 키 분배 시스템에 관한 것으로, 송신기는, 상이한 상태의 강도 및 기저로부터 인코딩하도록 양자 상태를 선택하기 위해 양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하도록 구성된 송신기 처리 유닛(340), 광 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 광원(310), 생성된 광 펄스가 통과되고 타임-빈 지속 시간에 의해 생성된 광 펄스를 분리된 2 개의 코히런트 펄스로 변환하는 타임-빈 간섭계(320), 송신기 처리 유닛(340)에 의한 선택에 따라 2 개의 펄스의 강도를 변경하도록 구성된 단일 강도 변조기(360); 및 전체 신호 강도를 펄스 당 최적의 광자 수로 감소시키도록 구성된 가변 광 감쇠기(370)를 포함하는 양자 키 분배 시스템이다.

Description

디코이-상태 3-상태 양자 키 분배를 위한 장치 및 방법

본 발명은 양자 키 분배(QKD)에 기초한 양자 암호화 프로토콜 및 구현에 관한 것이다.

양자 암호화 또는 양자 키 분배(QKD)는 증명 가능한 완전한 안전성(provable absolute securing)을 갖는 두 개의 원격 당사자(송신기와 수신기)간에 비밀키를 분배할 수 있는 방법이다.

QKD는 고전 통신의 비트 사용과는 달리 양자 물리학에 기반하고 양자 상태 또는 큐비트로 정보를 인코딩(encoding)하는 보안 방법이다. 일반적으로 이러한 양자 상태에는 광자가 사용된다. 양자 키 분배는 이러한 양자 상태의 특정 속성을 활용하여 보안성을 보장한다.

보다 구체적으로, 해당 방법의 보안성은 알려지지 않은 양자 시스템의 양자 상태의 측정이 양자 시스템 자체를 수정하는 사실에서 비롯된다. 즉, 양자 통신 채널에서의 스파이 도청은 송신자와 수신자 사이에서 교환된 키에 에러를 발생시키지 않으면서 해당 키에 관한 정보를 얻을 수 없으므로 결국 도청 시도를 사용자에게 통지하는 결과가 된다.

암호화 디바이스는 QKD에 의해 교환된 키를 사용하여 일종의 대칭 암호화를 수행함으로써 유용한 페이로드의 보안 전송을 가능하게 한다.

채널은 일반적인 의미로 이해해야 한다. 즉, 일부 물리적 특성의 변조를 전송할 수 있는 물리적 매체와 관련이 있다. 이 변조는 데이터를 전송하는 데 사용될 수 있다.

전술하였듯 QKD의 주요 이점 중 하나는 도청 시도를 감지할 수 있다는 것이다. 도청 시도는 시스템 동작에 영향을 미치며, 더 정확하게는 측정된 양자 비트 오류율(QBER) 및 탐지 비율에 영향을 미친다. QBER은 잘못된 비트 수를 총 비트 수로 나눈 값이다.

QKD는 통신 섬유 네트워크에서 도청 탐지를 가능하게 하는 양자 보안 기술 중 하나로 알려져 있다.

전형적인 개시는 도 1a에 도시되어 있으며, 두 채널인 하나의 양자 채널(600)과 하나의 고전 채널(500)에 의해 연결된 한 쌍의 QKD 디바이스를 포함한다.

보다 정확하게는, 본 개시에서 양자 키는 양자 채널(600)을 통해 송신기(100)와 수신기(200) 사이에 분배된다. 일반적으로, 송신기(100)와 수신기(200)는 양자 채널(QC)(600)을 안전하게 하기 위해 공동으로 협력하는 것으로 여겨진다. 더욱이 송신기(100)와 수신기(200)는 동기화 및 고전 통신을 위해 서비스 채널(SC) 이라고도 불리우는 고전 채널(500)을 통해 연결되어 송신기(100)와 수신기(200)가 공유 비밀키를 생성할 수 있다.

간단한 구현은 각 채널마다 전용 광섬유를 사용하는 것이지만 예를 들어 멀티플렉싱과 같은 다른 가능성도 존재한다. 양자 채널(600)에서 정보는 단일 광자 또는 약한 코히런트 펄스에 의해 운반되는 큐비트에 의해 전달된다.

양자 암호화 프로토콜 검토

오늘날 가장 일반적으로 구현되는 QKD 프로토콜은 BB84 프로토콜이다(Bennett and Brassard, 1984). 이는 가장 일반적인 공격에 대해 안전하다는 것이 입증되었기 때문이었다. 지난 10년간의 주요 발전 중 하나는 QKD 프로토콜의 이론적 설명과 실제 구현 사이의 격차를 좁히는 것이었다. 첫 번째 과제 중 하나는 최초의 이론적 증명에서 가정된 완벽한 단일 광자 광원의 이용 불가능성이었다. 대신 실험자들은 펄스 당 평균 광자 수가 1 미만인 코히런트 상태인 감쇠 레이저 펄스를 사용했다. 각 펄스의 광자 수에 대한 포아송 분포는 광자수 분리(PNS, photon number splitting) 공격으로 알려진 강력한 공격의 가능성을 열어, 최대 작동 거리를 크게 줄였다. 이를 해결하기 위해, 디코이-상태(Decoy-state) 방식으로 알려진 훌륭한 솔루션이 도입되어 이상적인 단일 광자 케이스에 매우 가까운 성능을 제공했다(Lim & al., 2014).

분산 위상 기준(distributed-phase reference, DPR) 프로토콜로 알려진 다른 프로토콜 유형도 PNS 공격에 대한 솔루션으로 제안되었다. 송신기로부터 전송된 모든 양자 상태들 사이의 코히런스(coherence)로 인해, 도청기는 수신기 측에서 에러를 발생시키지 않으면서 광자수 분포를 조작할 수 없다. 이 프로토콜의 유형의 주요 프로토콜은 차동 위상 편이(differential phase shift, DPS)(Inoue & al, 2002) 및 코히어런트 단방향(COW, coherent one-way)(US7929690) 프로토콜이다. 이러한 프로토콜의 장점은 BB84 프로토콜에서 요구되는 4 개의 인코딩 상태와는 달리 2 개 또는 3 개의 인코딩(encoding)상태만 필요하다는 사실이다. 이는 구현의 복잡성을 크게 줄일 수 있다.

DPR 프로토콜의 주요 단점은 디코이-상태 BB84 프로토콜과 동일한 수준의 보안을 달성하지 못한다는 것이다. 예를 들어, COW(Coherent One-Way) 프로토콜은 제한된 집단 공격에 대해 안전한 것으로 입증되었다(Branciard & al, 2008). 이는 지금까지 집단적인 빔 스플리터 공격(Walenta 2014, Korzh 2015a)에 근거한 보안 비율의 상한을 이용하여 입증되었다. 하지만 이는 상한이므로 더 강력한 공격이 존재할 수 있다. 특히, 명확한 상태에 대한 차별적인 공격(unambiguous state discrimination attack)은 원거리 전송에서 더욱 효과적일 수 있다. 이것은 제로 오류 사례의 경우일 수 있다(도청의 영향이 QBER = 0, 가시성 = 1을 유지함을 의미).

또한, 도청기가 실험적으로 측정된 오류율보다 적은 제한된 오류를 유발할 수 있다면, 이러한 공격은 더욱 강력해져 예를 들어 운용 거리를 훨씬 더 줄일 수 있다. DPS 프로토콜의 경우도 마찬가지이다. DPR 프로토콜에서 문제의 원인은 각 큐비트간에 코히런스(Coherence)가 있기 때문에 각 큐비트를 개별 신호로 취급할 수 없다는 것이다.

제안된 보다 간단한 BB84 프로토콜 버전은 소위 "3-상태 프로토콜"이다. 3-상태 프로토콜은 주파수 기반 방식으로 처음 제안되었다. 대칭 3-상태 프로토콜 및 일반화된 회전 대칭 프로토콜에 대한 보안 증명은 종종 회전 대칭에 기반하므로 해당 프로토콜의 보안 증명은 구현하기가 쉽지 않다. 회전 대칭이 없는 보안 증명이 도출되었으며(Fung & al., 2006), 이는 해당 프로토콜이 일반적인 공격에 대해 안전하다는 것을 보여준다.

추가 이론적 연구는 3-상태 프로토콜이 손실에 내성이 있음을 보여 주었으며(Tamaki & al., 2014), 이는 불완전한 광원으로도 장거리에서 작동할 수 있음을 의미한다. 가장 중요한 것은 해당 연구가 3-상태 프로토콜의 성능이 BB84 프로토콜의 그것과 정확히 동일하다는 것을 보여주었고, 이는 BB84 프로토콜의 4 번째 상태가 중복됨을 암시한다. 오류율 추정의 통계적 변동을 고려한 유한키 길이 시나리오의 보안도 분석되고 있다.

보안 증명은 특정 구현 방법을 제안하지 않으며, 단지 프로토콜이 3 개의 큐비트 상태를 포함한다고 여겨진다. 첫 두 상태 |0> 및 |1>은 키 생성에 기여할 수 있으며 세 번째 상태

는 채널 추정을 위해 쓰인다.

이러한 모든 프로토콜은 도 1b에 설명된 대로 위상(및 위상-시간) 자유도로 구현할 수 있다.

송신기(100)는 펄스 광원(110), 디코이-상태를 생성할 수 있는 제 1 강도 변조기(120), 타임-빈 간섭계(130), 제 2 강도 및 위상 변조기(140) 및 가변 광 감쇠기(150)를 포함한다.

2 개의 상이한 버전의 수신기가 위상 수신기(200) 및 위상-시간 수신기(250)로 설명된다. 위상 수신기(200)는 상이한 위상을 생성할 수 있는 타임-빈 간섭계(210) 및 2 개의 검출 유닛으로 구성된다. 위상 시간 수신기(250)는(시간 측정을 위해) 검출 유닛(230)에 연결된 스플리팅 유닛(260) 및 상태 측정을 위한 2 개의 검출 유닛에 연결된 타임-빈 간섭계(270)로 구성된다.

지금까지 전술한 이론적 설명과 호환되는 3-상태 프로토콜의 유일한 구현 제안은 위상 기저(basis) 인코딩(encoding)을 사용했다. 이는 디코이-상태 방법을 구현하기 위해서는(COW 프로토콜의 구현과 비교하여) 추가적인 강도 변조기가 필요하다는 단점이 있다. 위상과 강도가 변조될 필요가 있기 때문에, 해당 구현은 BB84 프로토콜과 복잡성이 유사하고, 따라서 적어도 2 개의 변조기가 필요했다.

가장 실용적인 디코이-상태 BB84 구현은 위상 기저(Lucamarini & al., 2013) 또는 시간-위상 인코딩을 사용했다. 전술한 바와 같이, 두 방법 모두 상태의 강도 및 위상을 모두 조절할 수 있는 성능을 필요로 한다. Lucamarini & al., 2013에 기술된 시스템의 추가적인 단점은 수신기에서 편광 안정화의 필요성이며, 이는 편광 의존 손실 또는 불완전한 안정화로 인한 추가적인 손실뿐만 아니라 추가적인 오류의 가능성을 초래한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 3-상태 프로토콜 QKD를 가능하게 하는 하나의 단일 강도 변조기에 기초하여 더 단순한 구현을 요구하는 QKD 디바이스 및 QKD 프로세스를 제공하는 것이다.

기술된 바와 같은 본 발명은 7 개의 양자 상태를 사용하여 보안 양자 암호 시스템을 구현하기 위한 장치 및 방법이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 디코이-상태 3-상태 프로토콜을 통해 양자 채널을 통하여 양자 키를 교환하기 위한 송신기 및 수신기를 포함하는 양자 키 분배 시스템에 관련되며, 송신기는, 7 개의 가능한 상태의 강도 및 기저 중 하나의 양자 상태를 선택하기 위해 양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하도록 구성된 송신기 처리 유닛; 광 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 광원; 생성된 광 펄스가 통과되고, 타임-빈 지속 시간에 의해 생성된 광 펄스를 분리된 2 개의 코히런트 펄스로 변환하는 타임-빈 간섭계; 2 개의 펄스의 강도를 개별적으로 변경함으로써 송신기 처리 유닛에 의한 선택에 따라 2 개의 코히런트 펄스를 인코딩하도록 구성된 단일 강도 변조기; 및 전체 신호 강도를 펄스 당 최적의 광자 수로 감소시키도록 구성된 가변 광 감쇠기를 포함하는 양자 키 분배 시스템이다.

바람직한 실시예에 따르면, 펄스 광원은 랜덤 위상을 갖는 광 펄스를 생성하도록 구성된 게인-스위치 펄스 레이저(gain-switched pulsed laser)이다.

바람직하게는, 단일 강도 변조기는 펄스를 앞(early) 또는 뒤(late) 타임-빈에 각각 전송함으로써 제 1 또는 제 2 양자 상태를 인코딩하도록 구성된다.

바람직하게는, 단일 강도 변조기는 두 타임-빈에 2개의 코히런트 펄스를 전송함으로써 제 3 상태를 인코딩하도록 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 단일 강도 변조기는 멀티 레벨 펄스 발생기에 의해 제어된다.

바람직하게는, 송신기 처리 유닛은 7 개의 가능한 상태들로부터 상태를 인코딩하도록 구성된다.

본 발명의 제 2 양태는 디코이-상태 3-상태 프로토콜을 통해 양자 채널을 통하여 송신기와 수신기 사이에서 양자 키를 교환하는 것을 포함하는 양자 키 분배 프로세스에 관련되며, 프로세스는, 양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하는 송신기 처리 유닛의 사용을 통해 상이한 가능한 상태 중에서 인코딩 하기 위해 양자 상태의 강도 및 기저를 선택하는 단계; 펄스 광원을 통해 광 펄스를 생성하는 단계; 타임-빈 간섭계를 통과해, 생성된 펄스를 타임-빈 지속 시간에 의해 분리된 2 개의 코히런트 펄스로 변환하는 단계; 강도 변조기에서, 첫 번째 단계에서 선택된 강도에 따라 2 개의 코히런트 펄스의 강도를 개별적으로 변경시키는 단계; 가변 광 감쇠기를 사용하여 전체 신호 강도를 펄스 당 최적의 평균 광자 수로 감소시키는 단계; 및 양자 채널을 통해 신호를 수신기로 전송하는 단계를 포함하는 양자 키 분배 방법이다.

바람직하게는, 선택하는 단계는, 확률

로 신호 강도가 전송되고 확률

미만인 확률

으로 디코이 강도가 선택되고 1-

-

인 확률

로 진공 강도가 선택되도록, 3 가지 상태 강도 중 하나가 먼저 선택된다.

바람직한 실시예에 따르면, 진공 강도가 선택되면, 진공 상태가 전송된다.

바람직하게는, Z 기저가 선택되면, 비트값은 동일한 확률로 할당된다.

바람직하게는, 양자 키 분배 프로세스는 수신기에서 수행되는 스플리팅 단계를 더 포함하며, 스플리팅 단계는,

와 동일한 스플리팅 비율을 갖는 광학 스플리터에 의해 수신된 신호를 2개의 경로로 스플리팅하여 기저 선택을 수행한다.

바람직한 실시예에 따르면, 양자 키 분배 프로세스는 측정 단계를 더 포함하고, Z 기저 측정은 도달 시간을 측정하는 검출 유닛으로 신호를 직접 측정함으로써 이루어지고, X 기저 측정은 신호를 타임-빈 간섭계에 통과시킨 후 하나 또는 두 개의 검출 유닛을 사용하여 신호를 검출함으로써 이루어진다.

바람직하게는, 양자 키 분배 프로세스는 검출 이벤트가 고전 채널을 통해 송신기로 통지되는 검출 통지 단계를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 양자 키 분배 프로세스는 RAW 키 선별(sifting), 에러 조정(reconciliation), 프라이버시 증폭 및 인증으로 구성되는 마지막 단계를 더 포함한다.

본 명세서에서 제안된 3 상태 프로토콜 구현의 주요 장점은 단일 강도 변조기만 필요하다는 것이다. 복잡성의 감소는 인코딩 속도와 품질을 향상시키고 비용을 절감할 수 있다.

따라서 구현의 복잡성은 간단한 COW 프로토콜과 비슷하다. 그러나, 펄스 레이저(310)를 사용하여 모든 큐비트 사이에 랜덤 위상을 도입함으로써 COW의 보안 수준의 단점을 극복 할 수 있다. PNS 공격을 방지하기 위해, 디코이-상태 방법이 시스템에 통합된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 송신기에서, 펄스 광원, 바람직하게는 게인-스위치 펄스 레이저는 랜덤 위상을 갖는 광 펄스를 생성한다. 이들 펄스는 불균형 간섭계(320)에 입력된다. 출력에서, 우리는 2 개의 타임-빈에서 코히런트한(즉, 고정된 위상차를 갖는) 2 개의 펄스를 갖는다. 이제, 강도 변조기(360)에 의해 3 개의 상태, 즉 타임-빈 큐비트가 생성될 수 있다. 처음 2 개의 상태 |0> 및(|1>)는 앞(뒤) 타임-빈에 펄스만 전송함으로써 인코딩 될 수 있다. 제 3 상태 인 |+>는 두 타임-빈에 펄스를 전송하여 인코딩되며, 펄스 당 평균 광자 수를 일정하게 유지하고 큐비트를 유지하기 위해, 각각의 강도를 1/2로 줄인다. 큐비트 내의 타임-빈들 사이 위상은 큐비트들 사이에서 랜덤화되는 동안 전체적으로 일정하게 유지된다.

디코이-상태 방법은 각 큐비트가 세 가지 가능한 강도, 즉 신호 강도(

) 및 두 개의 디코이 강도(

,

)중 하나를 임의로 가지고 있음을 의미한다. 본 실시예에서 상태를 생성하는 데 사용되는 동일한 강도 변조기(360)로 해당 변조를 실현한다.

바람직하게는, 디코이 강도 중 하나(

)는 가능한 진공 상태에 가깝게 설정되고(강도 변조기의 소멸 비율에 의해 제한됨), 다른 디코이 강도(

)는 비밀 키 비율를 최대화하기 위해 최적화 될 수 있다. 가장 간단한 구현을 위해 첫 번째 디코이는 신호의 절반으로 고정 될 수 있다(

=

/ 2). 도 3과 도 4에 도시된 것처럼, 이 경우 동일한 강도 변조기에 의해 상태와 디코이 강도는 4 가지 레벨로 인코딩된다. 필요한 경우 강도

및

을 독립적으로 최적화 할 수 있으며 5 개의 강도 변조 레벨이 필요하다. 송신기에 필요한 멀티 레벨 신호는 2 또는 3 비트 성능을 갖춘 고속 DAC(디지털-아날로그 변환기, 350)에 의해 생성된다. 인코딩 후, 펄스 당 평균 광자 수는 가변 광 감쇠기(370)를 통해 설정되고, 그 후 양자 상태는 신뢰할 수 없는 양자 채널(600)을 통해 수신기(400)로 전송된다.

수신기(400)에서, 비대칭 커플러(스플리팅 유닛(410))를 사용하여 수동적인 기저 선택이 이루어지며, 여기서 스플리팅 비율은 상이한 시스템 시나리오를 고려하도록 최적화된다. RAW 키는 검출 유닛(430)에서 펄스의 도달 시간을 검출함으로써 시간 기저(Z)로 생성된다. 위상 기저 측정(X)을 달성하기 위해, 펄스는 간섭계(420)를 통과한다. 간섭은 간섭계의 출력 포트에서 모니터링 될 수 있다. 두 간섭계(320, 420) 사이의 상대 위상은 간섭이 한 포트(다크 포트)에서 상쇄되고 다른 포트에서 보강되도록 조정된다. 그렇다면, 다크 포트에 배치 된 하나의 단일 광자 검출기(431)는 간섭 에러(도청기의 작용)를 검출하기에 충분하다. 2 개의 간섭계(320, 420) 사이의 상대 위상은 송신기의 간섭계(330)에 있는 피에조 파이버 스트레처(330)를 사용함으로써 안정화된다.

본 발명의 추가적인 특정 장점 및 특징은 첨부 도면을 참조할 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 대한 다음의 비한정적 설명을 통해 보다 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술의 종래 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치와 관련된 프로토콜 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 송신기의 동작을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 기능 수행 방법을 도시한 도면이다.

본 실시예의 임의의 특징이 상이한 실시예의 임의의 다른 특징과 유리한 방식으로 결합될 수 있으므로 본 발명의 상세한 설명은 본 발명을 비한정적인 방식으로 설명하려는 것이다.

도 2는 본 발명의 일반적인 장치를 나타낸다. 장치는 펄스 광원(310), 바람직하게는 게인-스위치(gain-switched) 펄스 레이저(310), 간섭계(320)(바람직하게는 파이버 스트레처(330)를 구비함), 처리 유닛(340), 멀티 레벨 발생기(350), 강도 변조기(360) 및 가변 광 감쇠기(370)로 구성된 송신기(300)를 포함하고 있다.

송신기에서, 게인-스위치 펄스 레이저(310)는 랜덤 위상을 갖는 광 펄스를 생성한다. 이 펄스는 코히런트한 2 개의 펄스(2 개의 타임 빈을 갖는 타임-빈 큐비트)를 생성하기 위해 간섭계(320)로 진입한다.

또한, 강도 변조기(360)는 펄스를 앞쪽(early) 및 뒤쪽(late) 타임-빈에 각각 전송함으로써 상태 |0> 및 |1>을 인코딩한다. 또한, 강도 변조기(360)는 펄스의 평균 광자 수를 일정하게 유지하고 큐비트를 유지하기 위해 각각의 강도를 1/2로 줄이면서 두 타임-빈에 펄스를 전송하여 제 3 상태인, |+>를 인코딩한다. 이 세 번째 큐비트 내의 타임-빈 사이 위상은 전체적으로 일정하게 유지된다. 그러나 모든 큐비트 사이의 위상은 무작위로 유지된다.

큐비트 상태 |0>, |1> 및 |+>를 인코딩하는 강도 변조기(360)는 멀티 레벨 펄스 발생기(350)에 의해 제어된다. 큐비트 상태 |0>, |1> 및 |+>는 처리 유닛(340)의 난수 발생기에 의해 무작위로 정의된다.

수신기(400)에서, 비대칭 광 커플러를 사용하여 수동적인 기저 선택이 이루어지며, 여기서 스플리팅 비율은 상이한 시스템 시나리오를 고려하도록 최적화된다. RAW 키는 펄스의 도달 시간을 감지함으로써 시간 기저(Z)로 생성된다. 다크 포트를 모니터링 함으로써 간섭 에러를 검출하기에 충분한 단일 광자 검출기(431) 및 간섭계(420)를 통과한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치와 관련 프로토콜의 모든 상태를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 3은 설명된 프로토콜에 대한 인코딩 된 상이한 타임-빈 큐비트의 예를 나타낸다. 보안 증명은 특정 구현 방법을 제안하지 않으며, 단지 프로토콜이 3 개의 큐비트 상태를 포함한다고 여기며, 여기서 첫 번째의 두 상태 |0 >및 |1>은 키 생성에 기여하고 세 번째 상태

는 채널 추정을 위한 것이다. 프로토콜에서, 상태 |0> 및 |1>은 앞쪽 또는 뒤쪽 타임-빈에 펄스를 강도(

)로 전송하여 인코딩된다. 세 번째 상태 |+>는 전체 강도를 일정하게 유지하기 위해 1/2의 강도에서, 두 타임-빈에서의 두 펄스의 중첩으로 생긴다. 제 3-상태 내의 타임-빈들 사이의 위상은 일정하게 유지된다.

디코이-상태 방법을 구현하기 위해, 이들 세 큐비트 상태 각각의 강도는 하나의 신호(

)와 2 개의 디코이 강도(

,

) 사이에서 변조되며, 이는 총 9 가지 가능성을 제공하는데 이중 3 가지는 유사하므로, 결과적으로 7 가지 다른 상태가 된다.

신호 강도(

)를 사용하여 신호 큐비트인, Z 기저의 |0>(510) 또는 |1>(520)을 생성하고 Z 기저의 |+>(530)(2 번의

/ 2)을 생성한다.

제 1 디코이 강도(

)는 Z 기저의 디코이 1 큐비트(540 또는 550), 또는 X기저의 디코이 1 큐비트(560)(2 번의

/ 2)를 생성하기 위해 이용된다. 비밀키 비율을 최대화하기 위해 제 1 디코이 강도(

)를 최적화 할 수 있다.

제 2 디코이 강도(

)는 Z기저의 디코이 2 큐비트(570 또는 570')를 생성하거나, X 기저의 디코이 2 큐비트(570'')(2 번의

/ 2)를 생성하는 데 활용된다. 제 2 디코이 강도(

)는 0, 즉 진공 상태로 설정하는 것이 가장 좋다. 이는 570, 570'및 570''의 상태가 모두 진공 상태임을 의미한다. 그러나 실제로

는 강도 변조기(360)의 소멸 비율에 의해 제한된다. 단일 변조기를 이용한 구현에서, 상태 570, 570 '및 570''은

가 동일하지 않더라도 모두 동일하다는 점에 유의한다. 다른 구현에서는 그렇지 않다. 본 프로토콜은 7 가지 상이한 상태(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570)를 기반으로 한다.

가장 간단한 구현을 달성하기 위해 그림 3에 예시된 바와 같이, 제 1 디코이(

) 강도는 신호의 절반으로 고정 될 수 있다(

=

/ 2). 이 경우, 동일한 강도 변조기에 의해 상태와 디코이 강도는 모두 4 가지 레벨(

,

/ 2,

)로 인코딩 된다.

강도

및

은 독립적으로 최적화 될 수 있으며, 이 경우 강도 변조기(360)에 의해 생성되는 5 개의 강도 변조 레벨이 필요하다. 송신기(300)에 필요한 멀티 레벨 신호는 2 또는 3 비트 성능을 갖는 멀티 레벨 펄스 발생기(350)에 위치한 고속 DAC에 의해 생성된다

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 송신기의 동작을 나타낸다. 송신기에서, 펄스 광원(310)은 광 펄스를 생성하도록 트리거링된다. 펄스 광원이 레이저를 이용하여 구현되면, 펄스 광원은 각각의 펄스 사이에서 광학 위상(670)을 랜덤화하기 위해 레이징 임계치 이하로 된다. 광 펄스는 타임-빈 간섭계를 통과한다. 마이켈슨 간섭계(320)는 편광 변환에 영향을 받지 않도록 페러데이 거울을 사용한다. 간섭계(320)는 길이가 다른 2 개의 암을 갖는다. 이 암 길이 차이로 인해 두 개의 코히런트 펄스가 생성된다. 2 개의 펄스는 원하는 상태에 따라(2 개의 타임-빈에서) 각각의 펄스에 대해 상이한 감쇠를 적용할 수 있는 강도 변조기(360)를 통과한다. 가능한 모든 상태는 전술한 도 3에 요약되어 있다.

프로토콜에서 2 개의 기저가 사용되는데, Z기저는 제 1 또는 제 2 광 펄스를 전송함으로써 비트값을 인코딩하는데 사용된다. X 기저는 시스템에 대한 도청의 영향을 확인하는 데 사용된다. 이 기저에서는, 큐비트는 일정한 평균 광자 수를 유지하기 위해 강도를 절반으로 줄이면서 펄스를 두 타임-빈으로 전송한다. 비트값은 균일한 확률로 선택되는 반면, 기저 선택은 비밀키 비율을 증가시키기 위해 Z 기저(

>

)로 편향될 수 있다. 가변 광 감쇠기는 펄스 당 전체 광자 수를 조절한다.

일 실시예에서, 큐비트 인코딩 동작은 처리 유닛(340)에 위치한 난수 발생기(Random Number Generator, RNG)(610)를 통해 수행된다. 난수 발생기의(610) 출력은 추가 단계(640)에서 기저 선택(Z 또는 X) 및 강도 선택(630)(

,

)을 선택을 정의한다. 이러한 가능한 조합을 생성할 확률은, 예를 들어 양자 채널에서의 손실과 같은 실험 파라미터의 함수로서 가장 높은 비밀키 비율을 달성하기 위해 최적화된다.

디지털 부분(600)의 출력으로서, 7 개의 양자 상태 중 하나는 강도 변조기(360)를 통해 광 펄스(680) 상에 인코딩된다.

수신기(400)에서, 선택된 기저의 측정은 비대칭일 수 있는 광 빔 스플리터(410)에 의해 이루어진다. 일반적으로, 스플리팅 비율은 송신기에서 Z 기저를 전송할 확률(Pz)과 일치한다. Z 기저 측정은 검출 유닛(430)에서 광 펄스의 도달 시간을 검출함으로써 수행된다. X 기저 측정은 송신기에서의 간섭계(320)와 동일한 암 길이 차이를 갖는 간섭계(420)를 사용하여 수행되며, 다크 포트상의 하나의 검출기(431) 또는 각 포트상 하나씩 총 2 개의 검출기가 뒤따른다. 2 개의 간섭계(320 및 420) 사이의 상대 위상은 송신기 간섭계에서 파이버 스트레처(330)를 사용함으로써 일정하게 유지된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 기능 수행 방법을 나타낸다.

제 1 단계(720)에서, 송신기 처리 유닛(340)은 양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하여 도 3에 도시된 총 7 개의 가능성으로부터 인코딩 할 양자 상태를 선택한다.

바람직하게는 3 가지 상태 강도 중 하나가 먼저 선택된다.

■ 확률

으로 신호 강도가 전송된다.

■ 확률

<

로 디코이 강도가 선택된다.

■ 확률

= 1-

-

로 진공 강도가 선택된다. 이 경우 진공 상태가 전송된다.

선택한 강도가 진공이 아닌 경우 기저 선택은

>

확률로 이루어진다.

Z 기저를 선택하면 비트값이 동일한 확률로 할당된다.

제 2 단계(700)에서, 펄스 광원(310)은 광 펄스를 생성한다.

제 3 단계(710)에서, 펄스는 타임-빈 지속 시간에 의해 분리된 2 개의 코히런트 펄스를 생성하는 타임-빈 간섭계(320)를 통과한다.

제 4 단계(730)에서, 강도 변조기(360)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1단계에서 이루어진 선택에 따라 2 개의 펄스의 강도를 개별적으로 변경시킨다.

제 5 단계(740)에서, 전체 신호 강도는 가변 광 감쇠기(370)를 사용하여 펄스 당 최적의 평균 광자 수로 감소된다.

그 후, 신호는 양자 채널(600)을 통해 수신기(400)로 전송된다.

제 7 단계(750)에서, 수신기는

와 동일한 스플리팅 비율을 갖는 광 스플리터(410)를 이용하여 신호를 2 개의 경로로 스플리팅하여, 기저 선택을 수행한다.

도시된 제 8 단계(760)에서, Z 기저 측정은 도달 시간을 측정하는 검출 유닛(430)으로 신호를 직접 측정함으로써 이루어진다. 또한, X 기저 측정은 신호를 타임-빈 간섭계(420)에 통과시킨 후 하나 또는 두 개의 검출 유닛(431, 432)을 사용하여 신호를 검출함으로써 이루어진다.

후속 단계는 송신기(300)와 수신기(400) 사이에 공유 비밀키를 생성하기 위해 QKD 시스템에 의해 수행되는 전형적인 동작이므로 본 발명에 필수적인 것은 아니다.

이어서, 제 9 단계(770)에서, 검출 이벤트는 고전 채널(500)을 통해 송신기로 통지된다.

마지막 단계(780)는 RAW 키 선별, 에러 조정, 프라이버시 증폭 및 인증으로 구성된다.

상기 실시예들이 여러가지 예와 함께 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 해당 기술 분야의 당업자에게 존재하거나 명백할 것이 분명하다. 따라서, 본 개시는 본 개시의 범위 내에 있는 그러한 모든 대안, 수정, 균등물 및 변형을 포함하도록 의도된다. 예를 들어 이는 사용될 수 있는 상이한 장치에 관한 경우에 특히 그러하다.

Claims

디코이-상태 3-상태 프로토콜을 통해 양자 채널(600)을 통하여 양자 키를 교환하기 위한 송신기(300) 및 수신기(400)를 포함하는 양자 키 분배 시스템으로서,
상기 송신기는,
9 개의 가능한 상태의 강도 및 기저 중 하나의 양자 상태를 선택하기 위해 양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하도록 구성된 송신기 처리 유닛(340);
광 펄스를 생성하도록 구성된 펄스 광원(310);
상기 생성된 광 펄스가 통과되고 타임-빈 지속 시간에 의해 상기 생성된 광 펄스를 분리된 2 개의 코히런트(coherent) 펄스로 변환하는 타임-빈 간섭계(320);
상기 2 개의 펄스의 강도를 개별적으로 변경함으로써 상기 송신기 처리 유닛(340)에 의한 선택에 따라 상기 2 개의 코히런트 펄스를 인코딩하도록 구성된 단일 강도 변조기(360); 및
전체 신호 강도를 펄스 당 최적의 광자 수로 감소시키도록 구성된 가변 광 감쇠기(370)를 포함하는 양자 키 분배 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펄스 광원(310)은 랜덤 위상을 갖는 상기 광 펄스를 생성하도록 구성된 게인-스위치 펄스 레이저(gain-switched pulsed laser)인 양자 키 분배 시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단일 강도 변조기(360)는 상기 펄스를 앞(early) 또는 뒤(late) 타임-빈에 각각 전송함으로써 제 1 또는 제 2 양자 상태를 인코딩하도록 구성되는 양자 키 분배 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단일 강도 변조기(360)는 두 타임-빈에 상기 2개의 코히런트 펄스를 전송함으로써 제 3 상태를 인코딩하도록 구성되는 양자 키 분배 시스템.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단일 강도 변조기(360)는 멀티 레벨 펄스 발생기에 의해 제어되는 양자 키 분배 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송신기 처리 유닛(340)은 7 개의 가능한 다른 상태 중에서 상기 상태를 인코딩하도록 구성되는 양자 키 분배 시스템.
디코이-상태 3-상태 프로토콜을 통해 양자 채널을 통하여 송신기와 수신기 사이에서 양자 키를 교환하는 것을 포함하는 양자 키 분배 프로세스로서,
상기 프로세스는,
양자 랜덤 발생기로부터의 난수를 사용하는 송신기 처리 유닛(340)의 사용을 통해 상이한 가능한 상태 중에서 인코딩하기 위해 양자 상태의 강도 및 기저를 선택하는 단계(720);
펄스 광원(310)을 통해 광 펄스를 생성하는 단계(700);
타임-빈 간섭계(320)를 통과해, 상기 생성된 펄스를 타임-빈 지속 시간에 의해 분리된 2 개의 코히런트 펄스로 변환하는 단계(710);
강도 변조기(360)에서, 첫 번째 단계에서 선택된 강도에 따라 상기 2 개의 코히런트 펄스의 강도를 개별적으로 변경시키는 단계(730);
가변 광 감쇠기(370)를 사용하여 전체 신호 강도를 펄스 당 최적의 평균 광자 수로 감소시키는 단계(740); 및
상기 양자 채널(600)을 통해 상기 신호를 상기 수신기(400)로 전송하는 단계를 포함하는 양자 키 분배 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 선택하는 단계는,
확률
로 상기 신호 강도가 전송되고 상기 확률
미만인 확률
으로 디코이 강도가 선택되고 1-
-
인 확률
로 진공 강도가 선택되도록, 3 가지 상태 강도 중 하나가 먼저 선택되는 양자 키 분포 프로세스
청구항 7 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진공 강도가 선택되면, 진공 상태가 전송되는 양자 키 분배 프로세스.
청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
Z 기저가 선택되면, 비트값은 동일한 확률로 할당되는 양자 키 분배 프로세스.
청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신기에서 수행되는 스플리팅 단계(750)를 더 포함하며,
상기 스플리팅 단계는,
확률
와 동일한 스플리팅 비율을 갖는 광학 스플리터(410)에 의해 수신된 상기 신호를 2개의 경로로 스플리팅하여 기저 선택을 수행하는 양자 키 분배 프로세스.
청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Z 기저 측정은 도달 시간을 측정하는 검출 유닛(430)으로 상기 신호를 직접 측정함으로써 이루어지고, X 기저 측정은 상기 신호를 타임-빈 간섭계(420)에 통과시킨 후 하나 또는 두 개의 검출 유닛(431, 432)을 사용하여 상기 신호를 검출함으로써 이루어지는, 측정 단계(760)를 더 포함하는 양자 키 분배 프로세스.
청구항 7 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
검출 이벤트가 고전 채널(500)을 통해 상기 송신기로 통지되는 검출 통지 단계(770)를 더 포함하는 양자 키 분배 프로세스.
청구항 7 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
RAW 키 선별, 에러 조정, 프라이버시 증폭 및 인증으로 구성되는 마지막 단계(780)를 더 포함하는 양자 키 분배 프로세스.