KR20200080920A

KR20200080920A - 양자 키 분배 방법

Info

Publication number: KR20200080920A
Application number: KR1020180170904A
Authority: KR
Inventors: 한상욱; 문성욱; 김용수; 이상윤; 조영욱
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07
Also published as: KR102134347B1

Abstract

본 발명은 제1 통신장치와 제2 통신장치를 구비하는 통신시스템에서 양자 키 분배방법으로서, 제1 통신장치로부터 생성된 광신호가 제2 통신장치로 순차적으로 전달되고, 상기 제2 통신장치는 이들을 각각 단일광자 레벨로 변경하고 "0" 또는 "1"디지털비트를 전송하기 위하여 해당 디지털비트에 대응되는 랜덤한 위상정보량을 인코딩하여 각각 제1 양자신호와 제2 양자신호를 순차적으로 생성하여 상기 제1 통신장치에 전송하는 단계; 제1 통신장치는 상기 제1 양자 신호와 제2 양자신호를 랜덤하게 위상정보량 4가지 중 하나를 선택하여 변조하고 두 신호의 경로를 일치시켜 신호들의 보강 또는 상쇄 간섭에 따라 다른 검출기를 통해서 측정하는 단계; 제2 통신 장치는 상기 양자 신호들을 보낼 때 사용한 기저 정보를 상기 제1 통신 장치에 전달하는 단계; 및 제1 통신장치는 자신이 측정시 사용한 기저정보와 상기 제2 통신장치로부터 전달받은 기저정보가 동일한 데이터를 정보로 이용하는 단계를 구비하는 양자 키 분배방법을 제공한다.

Description

양자 키 분배 방법{METHOD FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION}

본 발명은 양자 키 분배 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수신장치에서의 위상 변조시 4개의 위상을 사용하는 양자 키 분배 방법에 관한 것이다.

최근, 대규모 개인정보 유출 등의 사건을 계기로 통신 보안이 문제화되면서, 안전한 암호 시스템에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 일반적으로 이용되는 암호 시스템들은 물리적 현상을 이용하는 시스템이 아닌, 수학적인 난제를 이용할 경우 해킹의 확률이 낮다는 점을 이용하는 시스템이다. 따라서, 외부에서 암호 시스템을 해킹하여 암호화된 정보를 분석할 확률이 여전히 존재하는 문제가 있다.

반면, 양자암호(quantum cryptography)는 양자역학의 불확실성을 바탕으로, 양자효과를 보이는 단일 광자는 복제가 불가능하다는 점에 착안하여 개발된 암호 시스템으로서, 통신의 주체들이 동일한 비밀키(secure key)를 양자를 이용하여 안전하게 나눠 가지며, 그 키를 이용하여 정보를 암호화 또는 복호화한다. 이론적으로는, 외부에서 해킹을 시도할 경우 광자의 특성이 변화하기 때문에, 외부에서 본래의 비밀키 또는 정보를 얻을 수 없는, 해킹이 불가능한 암호 시스템을 구현할 수 있다.

구체적으로, 양자 키 분배(Quantum Key Distribution; QKD) 시스템은 두 통신장치, 즉, 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)가 통신 매체로서 광자를 이용하여 양자암호 키를 분배하는 시스템이다. 이러한 QKD 시스템에서는, 도청자(Eve)가 도청(예컨대, 전송 중인 광자를 태핑)을 시도하는 경우, 하이젠버그(Heisenberg)의 불확정성 원리에 의해 관측된 광자를 관측되기 이전의 양자 상태로 되돌리는 것이 불가능하므로, 수신 장치가 검출하는 수신 데이터의 통계 값에 변화가 생기게 된다. 따라서, 수신 장치는 이 변화를 검출함으로써 도청의 유무를 검출할 수 있다.

그러나, 이와 같은 양자 암호 시스템에서도, 실제로는 양자 암호 시스템에 이용되는 측정 장치의 결함 또는 불완전성에 의해 해킹이 가능할 수 있다. 따라서, 측정 장치에 무관하게 비밀키를 분배할 수 있는 측정 장치에 무관한 양자키 분배 시스템(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution; MDI QKD)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, MDI QKD는 키 생성 속도가 매우 적은 단점을 가지고 있다.

한국공개특허 제10-2016-0070032호

본 발명의 목적은 양자 키 분배에 있어 안정성을 보장하면서도 키 생성 속도를 일정 이상으로 확보하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 위상 변조 시 사용되는 기저를 0, π/2 뿐 아니라 π, 3π/2까지 사용하여 양자 키 분배를 수행하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 제1 통신장치와 제2 통신장치를 구비하는 통신시스템에서 양자 키 분배방법에 있어서, 제1 통신장치로부터 생성된 광신호가 제2 통신장치로 순차적으로 전달되고, 상기 제2 통신장치는 이들을 각각 단일광자 레벨로 변경하고 "0" 또는 "1"디지털비트를 전송하기 위하여 해당 디지털비트에 대응되는 랜덤한 위상정보량을 인코딩하여 각각 제1 양자신호와 제2 양자신호를 순차적으로 생성하여 상기 제1 통신장치에 전송하는 단계; 제1 통신장치는 상기 제1 양자 신호와 제2 양자신호를 랜덤하게 위상정보량 4가지 중 하나를 선택하여 변조하고 두 신호의 경로를 일치시켜 신호들의 보강 또는 상쇄 간섭에 따라 다른 검출기를 통해서 측정하는 단계; 제2 통신 장치는 상기 양자 신호들을 보낼 때 사용한 기저 정보를 상기 제1 통신 장치에 전달하는 단계; 및 제1 통신장치는 자신이 측정시 사용한 기저정보와 상기 제2 통신장치로부터 전달받은 기저정보가 동일한 데이터를 정보로 이용하는 단계를 구비하는 양자 키 분배방법을 제공한다.

바람직하게는, 제1 통신장치는, 기저정보가 동일한 경우 측정결과가 검출된 검출기 정보를 추가로 이용하여, 제1검출기에서 검출된 양자 신호의 비트 정보는 동일하게 사용되고, 제2검출기에서 검출된 양자 신호의 비트 정보는 반전하여 사용한다.

여기서, 기저정보가 동일하다 함은 0, π 위상을 기저 '0', π/2, 3π/2 위상을 기저 '1'로 정의한 경우, 동일한 기저에 속하는 경우이고, 위상정보량은, 0, π/2, 3π/2, 2π 중 하나이다.

한편, "0" 디지털비트를 전송하기 하여 위상정보량 0, π/2 중 하나를 전송하고, 상기 "1" 디지털비트를 전송하기 하여 위상정보량 π , 3π/2 중 하나를 전송한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 수신장치에서의 위상 변조 시 사용되는 위상변조량을 0, π/2 이외에도 π, 3π/2를 추가로 이용할 수 있는 방식을 도입할 수 있게 된다.

이 방식에 의하면 검출기의 출력에 독립적으로 양자 키를 분배하므로, 도청자들이 검출기의 검출 상황을 알더라도 송신장치와 수신장치의 위상 변조 상황을 알지 못하는 한 송신장치와 수신장치 간에 분배된 키 값을 알 수 없고, 따라서 키 생성 속도를 유지하면서도 보안성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양자 키 분배 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 양자 키 분배 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 양자 키 분배 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

또한, 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)" 및/또는 “포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양자 키 분배 시스템을 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 양자 키 분배 시스템은 수신 장치(이른바, Bob)인 제1 통신장치(100) 및 송신 장치(이른바, Alice)인 제2 통신장치(200)를 포함한다. 바람직하게, 제1 통신장치(100)와 제2 통신장치(200)는 양자 채널(Quantum Channel; Q.C) 및 고전 채널을 통하여 연결될 수 있고, 양자 채널을 통하여 신호가 송수신되고, 고전 채널을 통하여 데이터가 송수신될 수 있다. 이하에서 언급되는 양자 키 분배 시스템은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템 뿐아니라 단방향 양자 키 분배 시스템에서도 적용가능하다.

제1 통신장치(100)는 광원(110), 광 서큘레이터(120), 광 분할기(130), 위상 변조기(140), 편광 제어기(150), 편광 빔 분할기(160), 및 단일 광자 검출기(170 및 180)를 포함한다.

바람직하게, 광원(110)은 임의의 편광을 갖는 광자 펄스(이하, “광 신호”라 한다)를 생성하는 것으로서 레이저에 해당할 수 있고, 광원(110)에 의하여 생성된 광신호는 광 서큘레이터(120)를 통하여 광 분할기(Beam Splitter: BS)(130)로 전달된다. 광 분할기(130)는 광신호를 2개의 광신호로 분할하고, 분할된 2개의 광 신호는 각각 특정 경로를 통과하여 시간적으로 분리되고 서로 직교하는 편광을 가지게 되며, 해당 광 신호들은 양자 채널(Quantum Channel; Q.C)를 통해 제2 통신장치(200)로 전송된다. 따라서, 제1 통신장치(100)에서 생성된 광신호는 제2 통신장치에 전달될 때 2개로 분리되고 시간적으로 분리된 2개의 광신호로 전달되게 된다.

제2 통신장치(200)는 광 분할기(210), 광 검출기(220), 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230), 스토리지 라인(Storage Line: SL), 위상 변조기(240), 및 패러데이 거울(250)을 포함한다.

바람직하게, 제2 통신장치(200)는 제1 통신장치(100)로부터 순차적으로 분리된 2개의 광신호를 수신한다. 하나의 광신호를 설명하면, 광 검출기(220)는 수신된 광신호로부터 양자 신호의 위상을 변조하기 위한 타이밍 정보를 획득할 수 있다. 또한, 스토리지 라인(Storage Line: SL)은 제1 통신장치(100)로부터 수신한 광신호로 인해 발생된 노이즈(noise) 광을 제거하고, 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator: VOA)(230)는 광 신호의 광 강도를 단일 광자 레벨로 낮추어 양자신호가 된다. 본 명세서에서는 제1 통신장치(100)의 광원(110)에서 광신호가 생성되고 이 신호가 제2 통신장치(200)에 전달되어 광감쇄기(230)를 거침으로써 단일 광자레벨로 그 세기가 낮추어진 경우 양자신호로 명명하고 있다.

제2 통신장치(200)는 수신된 양자 신호를 패러데이 거울(Faraday Mirror: FM)(250)을 통해 반사시킴으로써, 양자 신호의 진행 방향을 반전시키고 편광을 90도 회전시키며, 위상 변조기(240)를 이용하여 양자 신호들 중 하나를 위상 변조한 뒤 양자 채널을 통하여 제1 통신장치(100)에 전송한다.

다음으로, 제1 통신장치(100)는 제2 통신장치(200)로부터 양자신호들을 수신하고, 수신된 양자 신호들의 편광은 송신 시와 비교하여 90도 회전된 상태이므로, 수신된 양자 신호들은 송신 시와 다른 경로를 지나게 된다. 즉, 송신 시 딜레이 라인이 있는 긴 경로를 지난 양자 신호는 제2 통신장치(200)로부터 수신된 후에는 짧은 경로를 지나게 되고, 송신 시 짧은 경로를 지난 양자 신호는 제2 통신장치(200)로부터 수신된 후에는 긴 경로를 지나게 된다. 이때, 위상 변조기(140)는 2개의 양자 신호 중 제2 통신장치(200)에서 위상이 변조되지 않은 양자 신호의 위상을 변조한다. 제1 통신장치(100)에 의해 위상이 변조된 양자 신호와 제2 통신장치(200)에 의해 위상이 변조된 양자 신호는 광 분할기(130)에 도달하여 서로 간섭하고, 간섭 결과가 복수의 단일 광자 검출기(160 및 170)에 의하여 검출된다.

이후, 제1 통신장치(100)와 제2 통신장치(200)는 단일 광자 검출기(160 및 170)의 검출 결과에 기초하여 양자 키 분배를 수행한다.

이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 제1 통신장치(100) 및 제2 통신장치(200)에서 수행되는 위상 변조 및 이를 기초로 수행되는 양자 키 분배 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하고, 앞서 설명된 내용과 동일하거나 유사한 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.

광원(110)에서 생성된 광 신호는 광 분할기(130)에 의하여 2개의 광 신호로 분할된 후, 딜레이 라인(D.L)이 있는 제1 경로와 위상 변조기(140)가 있는 제2 경로를 통과하게 된다. 여기에서, 광원(110)에서 생성된 광 신호는 수직 편광을 가지는 것으로 가정하고, 편광 빔 분할기(160)는 수직 편광을 통과시키는 것으로 가정한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 짧은 경로에 해당하는 위상 변조기(140)가 있는 제2 경로를 통과한 광신호는 양자 채널을 통하여 제2 통신장치(200)로 전송된다. 제2 통신장치(200)로 전송된 광신호는 패러데이 거울(250)에 의하여 진행방향이 반전되고 편광이 90도 회전되어 수평 편광을 가지게 된다. 패러데이 거울(250)에 의하여 진행방향이 반전되고 수평 편광을 갖게 된 양자 신호는 위상 변조기(240)에 도달하고, 위상 변조기(240)에 의하여 0, π/2, π, 및 3π/2 중 임의의 하나만큼 위상이 변조된다. 여기에서, 위상 변조기(240)에 의하여 변조된 위상(즉, 위상변조량)은 추후 통신하지 않고 기저 정보에 대해서만 통신을 수행하게 된다. 위상과 기저는 구분된다. 위상에 대해서 먼저 설명하면 디지털비트 '0', '1' 정보를 포톤이 전달할 수 있는 특성으로 변조할 때 사용하는 것으로 보통 양자암호에서는 디지털 bit '0'을 표현하기 위해 위상 0 또는 π/2로 변조한다. 디지털 bit '1'을 표현 하는데는 π 또는 3π/2를 사용한다. 즉 하나의 디지털 비트를 표현할 수 있는 방법이 두 가지가 있을 수 있다. 기저는 두 가지로 표현할 수 있는 방법 중에 어떤 것을 사용했는지 알 수 있는 정보로써 보통 양자암호에서는 0, π 위상을 기저 '0' 에 속해 있는 위상이라고 하고 π/2, 3π/2 위상을 기저 '1'에 속해 있는 위상이라고 약속하고 사용한다.

전술한 바와 같이, 추후에 제2 통신장치(200)로부터 '기저'정보 만을 전달받는 제1 통신장치(100)는 디지털 정보 '0' 또는 '1'을 보냈는지 알 수 없으므로 랜덤하게 위상변조량을 선택하여 위상 변조를 하게 된다.

마찬가지로 위상변조량에 따라 어떤 기저를 사용한 것인지는 약속한대로 (양자암호에서는 보통 0, π 위상을 기저 '0' 에 속해 있는 위상이라고 하고 π/2, 3π/2 위상을 기저 '1'에 속해 있는 위상이라고 약속)결정이 된다. 이후 서로 4가지 위상 변조량에 대해서는 통신하지 않고 어떤 기저를 사용했는지에 대해서만 통신으로 정보를 주고 받아서 양자암호키를 분배하는 프로토콜을 수행한다. 통신상에서 주고 받는 기저 정보만을 가지고는 도청자가 구체적으로 어떤 위상정보량을 알 수 없기 때문에 디지털 정보 '0' 또는 '1' 정보를 추출할 수 있는 방법은 없다.

한편, 위상 변조기(240)에 의하여 위상이 변조된 양자 신호는 양자 채널(Q.C)을 통하여 제1 통신장치(100)로 송신되고, 제1 통신장치(100)에 수신된 양자 신호는 편광 빔 분할기(160)를 통과하지 못하고 제1 경로를 통과하게 된다. 제1 경로를 통과하면서 양자 신호는 편광 제어기(150)에 의하여 편광이 90도 회전되어 수직 편광을 가지게 된 후, 광 분할기(130)에 도달한다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 광 분할기(130)에 의하여 양자 신호가 분할된 후에 제1 경로를 통과하는 양자 신호를 설명하기 위한 것으로서, 양자 신호는 긴 경로에 해당하는 딜레이 라인(D.L)이 있는 제1 경로를 통과하며 제1 경로에 구비된 편광 제어기(150)에 의하여 편광이 90도 회전되어 수평 편광을 가지게 된다. 제1 경로를 통과한 양자 신호는 제2 통신장치(200)로 전송되고, 제2 통신장치(200)로 전송된 양자 신호는 패러데이 거울(250)에 의하여 진행방향이 반전되고 편광이 90도 회전되어 수직 편광을 가지게 된다. 패러데이 거울(250)에 의하여 진행방향이 반전되고 수평 편광을 갖게 된 양자 신호는 위상 변조기(240)를 통과하여 제1 통신장치(100)로 송신된다. 여기에서, 위상 변조기(240)는 제1 통신장치(100)로부터 수신된 2개의 양자 신호의 위상을 선택적으로 변조하는 것으로서, 광 검출기(220)로부터 획득된 타이밍 정보에 따라 2개의 양자 신호 중 하나의 양자 신호에 대해서만 위상을 변조하고, 바람직하게, 제1 통신장치(100)에서 제2 경로를 통과하여 위상 변조기(240)에 시간적으로 먼저 도달한 양자 신호에 대해서만 위상을 변조할 수 있다. 즉, 도 2를 참조하여 설명한 양자 신호는 위상 변조기(240)에 의하여 위상이 변조되고, 도 3을 참조하여 설명하는 양자 신호는 위상 변조기(240)에 의하여 위상이 변조되지 않는 것이다.

제1 통신장치(100)에 수신된 양자 신호는 수직 편광을 가지므로 편광 빔 분할기(160)를 통과하여 제2 경로를 통과하고, 제2 경로에 구비된 위상 변조기(140)에 의하여 위상이 변조된다. 바람직하게, 위상 변조기(140)는 양자 신호의 위상을 0, π/2, π, 및 3π/2 중 임의의 하나로 변조시킨다. 그리고, 임의의 변조된 위상정보에는 대응되는 기저가 존재함은 전술한 바와 같다. 이러한 기저에 대한 정보는 제1 통신장치(100)에 구비된 제어부(도면에 도시되지 않음)에 기록된다. 제2 경로를 통과하면서 위상이 변조된 양자 신호는 광 분할기(130)에 도달한다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 2개의 양자 신호가 통과한 경로의 길이는 동일하므로 2개의 양자 신호는 광 분할기(130)에서 중첩되고, 2개의 양자 신호의 상대적인 위상차에 따라 보강 간섭 또는 상쇄 간섭을 일으킨다. 여기에서, 제 1 검출기(170)로 가게 되는 경로에 보강간섭이 일어나면 신호는 제 1 검출기(170)에 의하여 검출되고, 동일 경로에 상쇄간섭이 일어나면 제 2 검출기(180)로 가는 경로에 보강간섭이 일어나면서 제 2검출기(180)에 의하여 검출되며, 신호를 검출한 검출기에 대한 정보는 제1 통신장치(100)의 제어부에 기록된다. 즉, 제1 통신장치(100)의 제어부에는 제1 통신장치(100)의 위상 변조기(140)에서 이용한 기저(예를 들어, 0, π 위상은 기저 '0', π/2, 3π/2 위상은 기저 '1')와 양자 신호를 검출한 검출기 정보(예를 들어, 제1 검출기, 또는 제2 검출기)가 기록되는 것이다.

바람직하게, 제2 통신장치(200)의 위상 변조기(240)에서 이용한 기저와 제1 통신장치(100)의 위상 변조기(140)에서 이용한 기저, 및 양자 신호를 검출한 검출기에 대한 정보에 따라 제1 통신장치(100)에서의 양자 신호 측정결과는 아래의 [표 1]과 같다.

정보	제2 통신장치/제1통신장치	0	π/2	π	3π/2
0	0	제1 검출기 (0)		제2 검출기 (0)
0	π/2		제1 검출기 (0)		제2 검출기 (0)
1	π	제2 검출기 (1)		제1 검출기 (1)
1	3π/2		제2 검출기 (1)		제1 검출기 (1)

[표 1]을 참조하면, 제2 통신장치(200)에서 0에 해당하는 정보를 나타내기 위하여 0 또는 π/2에 해당하는 기저를 이용하고, 1에 해당하는 정보를 나타내기 위하여 π 또는 3π/2에 해당하는 기저를 이용한 경우를 가정한다. 제2 통신장치(200)에서 이용한 기저와 제1 통신장치(200)에서 이용한 기저가 동일한 경우만 정보로서 이용된다. 또한, 양자 신호가 제 1 검출기(170)로 가게 되는 경로를 기준으로 봤을 때 보강 간섭되면 제1 검출기(170)에 의하여 검출되고, 양자 신호가 제 1 검출기(170)로 가게 되는 경로를 기준으로 봤을 때 상쇄 간섭되면 제2 검출기(180)에 의하여 검출된다. 제1 통신장치(100)는 0, π/2 를 이용하여 측정했을 때는 검출기의 비트를 그대로 하고, 제 1통신 장치(100)에서 π, 3π/2 를 이용하여 측정 됐을 시에만 측정결과를 검출기1과 검출기 2의 비트 정보를 변경한다.

[표 1]을 참조하면, 왼쪽 두 컬럼 (0, π/2) 시는 검출기 비트 그대로, 오른쪽 2개의 컬럼(π, 3π/2) 은 검출기 비트가 반대이다. 일반적으로 검출기 1은 bit '0', 2는 bit '1' 이다. [표 1]에서 '-'는 둘 다 검출될 수 있는 확률이 있어서 나중에 비밀키를 나누는 동작에 사용하지 않는 다는 것을 의미한다.

전술한 방식에 의하면, 양자 신호 전송과 수신이 모두 끝나면, 제2 통신 장치(200)는 위상정보량은 보내지 않고 양자 신호를 보낼 때 사용한 기저 정보를 제1 통신 장치(100)에 보낸다. 그러면 제1 통신장치(100)는 측정할 때 사용한 기저 정보를 제2 통신장치(200)로부터 전송된 기저 정보와 비교해서 기저가 같은 순간에 측정한 정보만 유효한 정보로 판단하게 된다. 이 경우, 만약 시스템에 전혀 오류가 없다면 항상 [표1] 처럼 측정 결과가 나타나지만, 하드웨어 시스템 문제로 에러가 발생할 수 있다. 이는 QBER로 나타난다. QBER은 서로 주고 받은 유효한 정보들 중 일부를 직접 교환하여 몇%가 에러가 발생하는지 확인하고, QBER을 계산하기 위해 서로 주고받은 정보는 버리게 구현된다.

이와 같은 본 발명에 따른 양자 키 분배 방법에 의하면, 양자 신호를 검출한 검출기 정보, 즉, 제1 검출기에서 검출되었는지 또는 제2 검출기에서 검출되었는지가 도청자에게 알려진다고 하더라도 검출기 정보와 측정 결과가 동일하지 않으므로 양자 키에 대한 정보가 노출될 수 없고, 이에 더하여 종래의 BB84 프로토콜 및 MDI(Measurement Device Independent) 방식과 비교하여 키 생성 속도도 우수한 장점이 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 양자 키 분배 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

도 4에서는 도 1 내지 3에서 상술한 설명과 동일하거나 유사한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 제1 통신장치(100)와 제2 통신장치(200)를 구비하는 통신시스템에서 양자 키 분배방법에 있어서, 제1 통신장치(100)로부터 두 개의 경로로 이동한 중첩된 양자 신호를 순차적으로 전달받는다(S100). 제2 통신장치(200)는 이들 광신호들을 전달받아 각각 단일광자 레벨로 변경하여 제1 양자신호와 제2 양자신호가 생성된다. 그런 다음, 제1 및 제2 양자신호 각각에 "0" 또는 "1" 디지털비트를 전송하기 위하여 해당 디지털비트에 대응되는 랜덤한 위상정보량을 인코딩하여 제1 통신장치(100)에 전송한다(S110).

다음으로, 제1 통신장치(100)는 제1 양자 신호와 제2 양자신호를 랜덤하게 위상정보량 4가지 중 하나를 선택하여 변조하고 두 신호의 경로를 일치시켜 양자신호들이 보강 또는 상쇄 간섭이 발생할 수 있도록 한다(S120). 제 1 검출기(170)로 가게 되는 경로를 기준으로 봤을 때 보강 간섭이 일어나는 경우는 제1 검출기에서 검출되도록 구성하고, 제 1 검출기(170)로 가게 되는 경로를 기준으로 봤을 때 상쇄간섭이 일어나는 경우는 제2 검출기를 통해서 측정하도록 구성한다.

다음으로, 제2 통신 장치(200)는 상기 양자 신호들을 보낼 때 사용한 기저 정보를 상기 제1 통신 장치에 전달한다(S130).

제1 통신장치(100)는 자신이 측정시 사용한 기저정보와 상기 제2 통신장치로부터 전달받은 기저정보가 동일한 데이터를 정보로 한다(S140). 이 때, 제1 통신장치(100)는, 기저정보가 동일한 경우 측정결과가 검출된 검출기 정보를 추가로 이용하여, 제1 검출기에서 검출된 양자 신호의 비트 정보는 동일하게 사용되고, 제2 검출기에서 검출된 양자 신호의 비트 정보는 반전하여 사용한다. 상세한 방식은 이미 전술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 키 분배 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.

예컨대, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 롬(ROM), 램(RAM), 시디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 이동식 저장장치, 비휘발성메모리(Flash Memory), 광 데이터 저장장치 등이 있다.

전술한 본 발명에 따른 양자 키 분배 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

100: 제1 통신장치
110: 광원 120: 광 서큘레이터
130: 광 분할기 140: 위상 변조기
150: 편광 제어기 160: 편광 빔 분할기
200: 제2 통신장치
210: 광 분할기 230: 광 감쇄기
240: 위상 변조기 250: 패러데이 거울

Claims

제1 통신장치와 제2 통신장치를 구비하는 통신시스템에서 양자 키 분배방법에 있어서,
상기 제1 통신장치로부터 생성된 광신호가 제2 통신장치로 순차적으로 전달되고, 상기 제2 통신장치는 이들을 각각 단일광자 레벨로 변경하고 "0" 또는 "1"디지털비트를 전송하기 위하여 해당 디지털비트에 대응되는 랜덤한 위상정보량을 인코딩하여 각각 제1 양자신호와 제2 양자신호를 순차적으로 생성하여 상기 제1 통신장치에 전송하는 단계;
상기 제1 통신장치는 상기 제1 양자 신호와 제2 양자신호를 랜덤하게 위상정보량 4가지 중 하나를 선택하여 변조하고 두 신호의 경로를 일치시켜 신호들의 보강 또는 상쇄 간섭에 따라 다른 검출기를 통해서 측정하는 단계;
상기 제2 통신 장치는 상기 양자 신호들을 보낼 때 사용한 기저 정보를 상기 제1 통신 장치에 전달하는 단계; 및
상기 제1 통신장치는 자신이 측정시 사용한 기저정보와 상기 제2 통신장치로부터 전달받은 기저정보가 동일한 데이터를 정보로 이용하는 단계를 구비하는 양자 키 분배방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 통신장치는, 기저정보가 동일한 경우 측정결과가 검출된 검출기 정보를 추가로 이용하여, 제1통신장치의 위상정보량이 0 또는 π/2 인 경우에는 검출된 양자 신호의 비트 정보는 동일하게 사용되고, 제1통신장치의 위상정보량이 π 또는 3π/2 인 경우에는 검출된 양자 신호의 비트 정보는 반전하여 사용하는 양자 키 분배 방법.
제1항에 있어서,
상기 기저정보가 동일하다 함은 0, π 위상을 기저 '0', π/2, 3π/2 위상을 기저 '1'로 정의한 경우, 동일한 기저에 속하는 경우인 것을 특징으로 하는 양자 키 분배 방법.
제1 항에 있어서,
상기 위상정보량은, 0, π/2, 3π/2, 2π 중 하나인 것을 특징으로 하는 양자 키 분배 방법.
제1 항에 있어서,
상기 "0" 디지털비트를 전송하기 하여 위상정보량 0, π/2 중 하나를 전송하고, 상기 "1" 디지털비트를 전송하기 하여 위상정보량 3π/2, 2π 중 하나를 전송하는 것을 특징으로 하는 양자 키 분배 방법.
제1 항에 있어서,
상기 양자 키 분배 방법은 플러그앤플레이 양자 키 분배(P&P QKD) 시스템 또는 단방향 양자 키 분배 시스템에서 사용되는 양자 키 분배 방법.