KR20220047541A - 하이브리드 양자 채널을 통한 양자 키 분배 시스템 및 방법 - Google Patents

하이브리드 양자 채널을 통한 양자 키 분배 시스템 및 방법 Download PDF

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켈리 리치데일
브루노 허트너
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아이디 퀀티크 에스.에이.
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Abstract

양자 키 분배(QKD) 시스템은 QKD 자유-공간 신호를 생성하도록 구성된 이미터(110), 이미터(110)로부터의 자유-공간 신호를 수신하도록 구성된 송신국(220), 송신국과 다른 위치에 위치된 QKD 리시버(160)를 지원하는 원격 QKD 수신국(250)을 포함하고, 여기서 송신국은 이미터로부터의 자유-공간 신호를 수신하고 신호를 광섬유 링크(400)를 통해 원격 QKD 수신국(250) 내 QKD 리시버(160)로 포워딩하도록 구성된다.

Description

하이브리드 양자 채널을 통한 양자 키 분배 시스템 및 방법
본 발명은 강화된 자유 공간 양자 키 분배를 수행하는 디바이스 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 위성 또는 고고도 플랫폼(high-altitude platform)과 지상 양자 키 분배 리시버 사이에 보안된(secured) QKD를 수행하는 디바이스에 관한 것이다.
양자 암호화 또는 양자 키 분배(이하에서 QKD라고도 함)는 입증 가능한 절대 보안으로, 떨어져 있는 2 상대, "Alice"로 알려진 이미터와 "Bob"으로 알려진 리시버 간에 비밀 키를 분배할 수 있는 방법이다. 양자 키 분배는 기존 통신의 비트 사용과는 반대로, 양자 물리학 원리와 양자 상태 또는 큐비트(qubit)의 인코딩 정보에 의존한다. 일반적으로 광자가 이러한 양자 상태에 사용된다. 양자 키 분배는 그것의 보안을 보장하기 위해 이러한 양자 상태의 특정 속성을 활용한다.
보다 구체적으로, 이 방법의 보안은 알려지지 않은 양자 시스템의 양자 상태 측정이 시스템 자체를 수정한다는 사실에서 비롯된다. 즉, 양자 통신 채널을 도청하는 "Eve"로 알려진 스파이는 이미터와 리시버 사이에서 교환된 키에 에러를 일으키지 않으면서 해당 키에 대한 정보를 얻을 수 없으므로, 사용자는 도청 시도를 알게 된다.
암호화 디바이스는 양자 키 분배로 교환된 키를 사용하는 일종의 대칭 암호화를 수행함으로써 유용한 페이로드를 안전하게 전송할 수 있다. 특정 양자 키 분배 시스템은 예를 들어 US 5,307,410에 설명되어 있다.
QKD는 활성 시나리오에서 비밀 키를 교환할 수 있는 프로토콜이다. QKD 프로토콜에서 두 사용자 간 통신 채널은 양자 채널로 알려져 있다. 양자 채널은 그것들의 양자 특성을 보존하는 방식으로 양자 입자(일반적으로 광자)를 전송하는 통신 채널이다. 양자 인코딩에 사용되는 두 세트의 파라미터가 있다. 하나는 광자의 편광이고 두 번째는 간섭계를 사용해야 하는 위상이다. 두 가지는 모두 양자 채널의 물리적 계층과 QKD 프로토콜의 유형에 따라 장점과 단점을 갖는다.
QKD 이면의 기본 아이디어는 도청자가 신호를 가로채서 그것을 양자 역학과 호환되는 방식으로 처리할 수 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고, Alice와 Bob으로 알려진 합법적인 사용자는 여전히 보안 키를 교환할 수 있다.
QKD에 대해 가장 잘 알려진 프로토콜은 4개의 고유한 양자 상태에 기반하고, 1984년 Bennett & Brassard에서 설명된 BB84 프로토콜이다. 예를 들어 다음과 같은 몇 가지 다른 프로토콜이 발명되었다.
● E91, 얽힘(entanglement) 기반;
● B92, 2개의 양자 상태만을 기반으로 하지만 간섭계 감지가 필요함; 그리고
● COW, 위상 파라미터의 변형을 사용하고, 인코딩에 대한 감지 시간(time-of-detection)을 사용함.
광섬유를 통해 분배되는 지상 QKD용 상용 시스템은 특히 ID 퀀티크(Quantique) SA에 의해 개발되었다. 지상 QKD의 모든 실제 구현예에서, 양자 인코딩에 사용되는 파라미터는 위상 또는 COW 프로토콜에 대한 관련 타이밍 파라미터이다. 그 이유는 편광이 광섬유에서 보존되지 않기 때문에, 편광 스킴이 복잡하고 고가의 부품들들 필요로 한다는 것이다. 반면, 간섭계 검출은 지상 QKD용으로 선택되는 매체인 싱글 모드 광섬유에서 실현하는 것이 더 쉽다.
지상 QKD의 가장 제한적인 제약 중 하나는 거리 제한이다. 광 도파관 내 불가피한 손실과 광 증폭기가 양자 채널에서 사용될 수 없다는 사실로 인해, Alice와 Bob 사이의 거리는 상업용 설정에서는 약 100km, 학술 실험에서는 최대 400km로 제한된다.
Alice와 Bob 사이의 거리를 증가시키기 위해 설정된 첫 번째 솔루션은, 신뢰 노드(TN, Trusted Node)의 구현이었다. 신뢰 노드의 원리는 도 1에 도시되어 있다. 이 도면에서 신뢰 노드는 Alice와 Bob 사이의 중개 요소이며, 그것들 각각과 통신하고 키 릴레이로서 동작한다는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 신뢰 노드는 Bernard와 Amelie라고 하는 두 개의 완전한 QKD 노드를 포함한다. Bernard는 Alice로부터의 QKD 신호를 수신하고 제1 보안 키를 생성하기 위해 해당 신호를 처리한다. Amelie는 새로운 QKD 신호를 생성하고 제2 독립 키(independent key)를 생성하기 위해 Bob에게 해당 신호를 전송한다. 그런 다음 두 개의 독립 키가 Alice와 Bob 사이에 최종 보안 키를 생성하기 위해, 모든 행위자에 의해 협력적으로 처리된다. 이것은 신뢰 노드가 키 관리 시스템, Bob과 키를 교환하기 위한 QKD 이미터뿐만 아니라 Alice와 키를 교환하기 위한 QKD 리시버를 포함하는 것을 의미한다. 정보가 신뢰 노드에서 처리되고 신뢰 노드에서 키들을 사용할 수 있으므로, 신뢰 노드는 양쪽 당사자에 의해 보안되고 신뢰되어야 한다. 다수의 신뢰 노드를 체인으로 통합함으로써, 신뢰 노드 QKD 모델이 국가 전체에 걸칠 수 있는 장거리 QKD 네트워크를 설계하는데 사용될 수 있다. 그러나, 상술한 것처럼, 신뢰 노드들 간의 거리는 약 100km로 제한된다. 상술된 신뢰 노드 모델은 대양을 횡단할 수 없으며 대륙 횡단(trans-continental) 키 분배를 제공할 수 없다.
거리 범위를 더 증가시키기 위해, 이 솔루션은 자유-공간 광통신(FSO, Free-Space Optical communication) QKD에 의존하는 것인데, 여기서 양자 채널은 자유 공간 내에 있으며, 자유 공간은 광섬유와 동일한 손실 제한을 갖지 않는다.
자유-공간 광통신(FSO)은 광학 통신 기술로서, 전화통신 또는 컴퓨터 네트워킹을 위한 데이터를 무선으로 전송하기 위해 자유 공간에서 전파되는 광을 사용한다. "자유 공간"은 공기, 진공, 또는 광이 직선으로 전파되는 유사한 것을 의미한다. 이것은 광이 광 섬유 또는 보다 일반적으로 광이 도파관에 의해 안내되고 유도되는 광 도파관과 같은 유도 광학(guided optics)과 대조된다. 자유 공간 기술은 높은 비용이나 기타 고려 사항으로 인해 물리적 연결이 비현실적인 경우에 유용하다.
다른 유형의 통신과 마찬가지로, 자유-공간 광 통신에는 도청을 방지하기 위한 보안이 필요하다. 자유-공간 광학 통신의 다양한 보안 수단을 살펴볼 때, 이미터와 리시버가 FSO를 통해 비밀 정보를 공유할 수 있는 솔루션을 제공하기 위해 여러 솔루션이 연구되고 있음을 알 수 있다. 일반적인 것은 FSO 채널을 통한 비밀 키의 교환을 기반으로 한다. 이들의 교환 후에, 이러한 키들은 안전한 방식으로(예를 들어, 암호화 수단에 의해) 메시지를 교환하는 데 사용된다.
최근, FSO QKD는 자유-공간 내 이미터와 리시버 사이, 일반적으로 위성 또는 비행 드론 및 지상 기지국 사이에서 키를 안전하게 교환하기 위해 연구되고 있다.
FSO QKD의 원리가 학문적으로 입증되었음에도 불구하고, 이것을 시연하는 것은 여전히 어렵다. 지상 QKD와 달리, 위상은 자유 공간에서 사용하기가 더 어렵다. 실제로, 대기 왜곡으로 인해, 전파의 파면(wave front)이 전파 중에 왜곡되고, 이는 리시버에서의 적은 간섭을 가져온다. 이것은 적응형 광학 거울을 사용함으로써 개선할 수 있다. 그러나 이것은 시스템의 비용과 복잡성을 크게 증가시킨다. 자유 공간에서는 편광이 보존되며, 이는 편광 기반 시스템을 더욱 매력적이게 한다. 그러나 트랜시버에 대한 리시버의 이동으로 인해, 광자의 편광이 위성이 통과하는 동안 변하므로, 편광 보상 구성요소를 필요로 한다. 위상 또는 편광을 기반으로 하는, 두 가지 유형의 프로토콜이 현재 연구되고 있다.
장거리 QKD에 대한 솔루션을 제공하는 자유-공간 QKD, 특히 위성 또는 고고도 플랫폼 QKD를 받아들이기 때문에, 위의 고려 사항으로 인해, 많은 경우에, 원격 위치(예를 들어 대기의 흡수를 낮추기 위해 산에, 또는 미광으로 인한 배경 소음을 낮추기 위해 적어도 도시에 가깝지 않은 곳)에 광학 지상국(OGS)으로 알려진, QKD 수신국(receiver station)을 설치하는 것이 바람직하다는 것에 주목했다. 일반적으로 도심에 위치한 종단 사용자에게 키를 제공하기 위해, 일반적으로 광섬유를 기반으로 하는 제2 QKD 링크가 추가되어야 한다. 따라서 이러한 위치에 OGS를 배치하려면 보호가 필요한 신뢰 노드여야 한다. 결과적으로, 신뢰 OGS는 침입에 대해 비용이 많이 들고 복잡한 보안 조치를 포함해야 하고, 변조 감지를 보장해야 한다.
도 2는 종래 기술에 따라서, 바람직하게는 위성 또는 고고도 플랫폼을 사용하는 자유-공간 QKD 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서, OGS가 지상 QKD 네트워크에 키를 제공하는 신뢰 노드이다. 시스템(100)은 위성 또는 보다 일반적으로 자유-공간 채널(300)을 통해 변조에 대해 물리적으로 보호되는 신뢰할 수 있는 광학 지상국(150)에 링크된 고고도 플랫폼(110)을 포함한다. 광학 지상국 내에서, 망원경(130)이 위성(110)에 의해 전송된 신호를 수신하고, 해당 신호는 QKD 리시버(160)로 처리된다. 다른 요소들은 광섬유-기반 신뢰 노드를 나타내는 도 1에 개시된 요소들과 유사하다.
자유 공간 QKD 구현의 예시는 R. Bedington et al. 의 "Progress in satellite quantum key distribution", https :// arxiv . org /abs/1707. 03613v2 또는 J-P Bourgoin et al. "A comprehensive design and performance analysis of LEO satellite quantum communication", https :// arxiv . org /abs/1211.2733에서 확인할 수 있다.
대안적으로, 종래 기술에 따르면, 종단 사용자로부터 멀리 위치한 OGS에 대해 비용이 많이 들고 복잡한 보안 조치가 필요한 점을 극복하기 위해, 이러한 OGS는 QKD 수신국에 설치된다. 이 경우, 이것은 일반적으로 키가 직접 사용되는 도심 내부에 있을 수 있다. 그러나 이 구성은 위성으로부터의 신호를 전달하는 자유-공간 채널의 품질을 낮추고, 위성이 통과할 때마다 분배될 수 있는 비밀 키의 수를 감소시킨다.
따라서, 바람직하게는, OGS가 신뢰 노드가 되는 것을 회피하면서, 이와 동시에, 전송된 신호의 우수한 품질을 보장하고 많은 수의 키를 보장하는 위성 또는 대안적으로 고고도 플랫폼을 사용하는 자유-공간 QKD 시스템 및 방법이 필요하다.
사실, OGS에 대한 신뢰 노드 요구 사항은 변조 보안을 보장하기 위해 비용이 많이 들고 정교한 보안 조치를 의미하며, 이는 QKD 시스템의 올바른 사용을 위해 매우 중요하다.
본 발명은 자유-공간 섹션과 광섬유 결합 요소에 의해 결합된 광섬유를 모두 포함하는 하이브리드 양자 채널을 활용하는 자유-공간 QKD 장치의 일반적인 접근 방식을 기반으로 한다.
본 발명의 일반적인 아이디어는 OGS 자체가 신뢰 노드일 필요가 없는 방식으로, OGS가 QKD 리시버를 포함하는 최종 QKD 수신국으로부터 분리된다는 것이다. 이제 OGS를 송신국(transmitter station)이라고 한다. 이것의 역할은 자유-공간 광 신호를 수신하고 이를 QKD 수신국으로 전송하는 것이다.
본 발명의 하이브리드 양자 채널 시스템으로, 송신국이 신호 품질을 최대화할 수 있는 원하는 위치(예를 들어, 고도)에 배치될 수 있고, QKD 리시버는 키가 직접 사용되는 도심 내부에 위치될 수 있다.
특히, 이 시스템으로, 양자 채널이 자유-공간 링크를 통해 위성 또는 고고도 플랫폼으로부터 송신국으로 확장되며, 송신국은 결과적으로 광섬유를 통해 보안 키가 생성되는 QKD 리시버로 해당 신호를 전송한다.
어떤 경우에도, 도청은 양자 상태를 수정하기 때문에, 하이브리드 채널, 즉 자유-링크 플러스 광섬유 링크를 따른 도청자가 여전히 감지될 것이기 때문에, 이 시스템은 QKD의 패러다임을 수정하지 않을 것이다.
본 발명 덕분에, 송신국은 더 이상 신뢰 노드일 필요가 없으므로, 송신국을 심지어 훨씬 더 나은 위치에 위치시키는 것이 가능하다. 일반적으로, 추가 신뢰 노드로 링크되는 복잡성을 추가하지 않으면서, 송신국이 더 멀리 및/또는 더 높은 고도에 위치할수록, QKD 성능의 품질을 더 향상시킨다.
본 발명은 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 그 도면에서 같은 참조 번호는 동일한 특징을 나타낸다. 특히,
도 1은 신뢰 노드의 원리의 개략도이고,
도 2는 OGS가 신뢰 노드인 종래 자유-공간 QKD 시스템의 개략도이고; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 자유-공간 QKD 시스템의 개략도이다.
보다 나은 이해를 위해, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에 기재된 실시예로 제한되는 것이 아니라, 오히려 특허 청구 범위로 규정되고, 특허 청구 범위 내에 있는 모든 실시예를 포함한다는 것이 이해될 것이다.
도 3은 양자 키 분배(QKD) 시스템(200)인 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 것이며, 여기에서 이미터 바람직하게는 고고도 플랫폼(110)(더 바람직하게는 위성 또는 그것과 동일한 것)이 자유-공간 링크(300)를 통해 송신국 바람직하게는 광학 지상국(OGS)(220)과 링크되어 있다. 이 실시예에서, OGS(220)는 바람직하게는 신호 품질을 최대화하기 위해 고고도와 같은 최적 위치에 위치되고 도심에서 떨어져 위치된다. 송신국(220)은 망원경(130) 및 수신된 자유-공간 광 신호를 처리하지 않고 광섬유(400)로 보내기 위한 광섬유 커플링(140)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 송신국(220)은 광섬유 링크(400)를 통해 QKD 리시버(160)를 지원하는 원격 QKD 수신국(250)에 연결되며, 광섬유 링크(400)는 송신국으로부터 바람직하게는 30km 이상 떨어져 위치되는 QKD 리시버(160)에 직접 연결되어 있다. 이와 관련하여, 광섬유(400)는 송신국(220)에 대한 신뢰 노드 요구 사항을 회피하는 것을 허용하는 미리 결정된 길이를 가지며, 양자 키의 보안 및 고품질을 보장한다.
이 시스템(200)으로, 자유-공간 채널(300)로부터의 광은, 광섬유 커플링(140)의 QKD 처리 없이 송신국(220) 내의 저손실 광섬유(400) 내로 직접 결합되도록 된 광섬유 커플링(140)으로 보내져, 이어 광섬유를 통해 송신국(220)에서 QKD 리시버(160)로 전송된다.
일반적으로, 장거리 분배를 가능하게 하려면, 광섬유(400)는 싱글 모드 광섬유(SMF)여야 하고, 광은 광섬유에서 저손실 원도우에 상응하는 파장, 일반적으로 O-밴드(약 1310nm) 또는 C-밴드(약 1550nm)여야 한다.
대기 외란으로 인해, 송신국(220)에 도달하는 광의 파면이 왜곡된다. 왜곡도 시간이 지남에 따라 발달된다. 따라서 SMF에 이를 결합하기 위해, 적응 광학(adaptive optics)이 바람직하다.
이어 SMF에 결합된 광은, 가능하게는 수 킬로미터 떨어진(바람직하게게는 예를 들어 빌딩의 꼭대기에 위치하는 송신국(220)에 상응하는 수백 미터에서부터, 도시 위치에서 떨어져 위치하는 송신국에 상응하는, 수십 킬로미터까지의 범위만큼 떨어진) QKD 리시버(160)를 호스팅하는 최종 QKD 수신국(250)으로 전송된다.
따라서 전체 키 분배 채널은 위성(110)에서부터 송신국(220)까지의 자유-공간 섹션(300)과, 송신국(220)으로부터 광을 최종 QKD 수신국(250)으로 전송하는 광섬유 기반 섹션(400)으로 구성되는 하이브리드 채널이다. 일반적으로, 최종 수신국(250)은 암호화 목적으로 키를 사용하는 종단 사용자의 위치에 있어야 하는 반면, 송신국(220)은 신호 품질 측면에서 예를 들어, 고고도 및 도시 외란으로부터 떨어진 최적의 위치에 있어야 한다.
이 방식에서는, 송신국(220)에서 키가 생성되지 않고 전체 하이브리드 채널을 통과한 후 QKD 수신국(250)에서만 키가 생성된다.
결과적으로, 송신국(220)은 신뢰 노드일 필요가 없으며, 반면에 그 동안 데이터를 측정하려는 임의의 도청자는 양자 상태를 교란(perturb)시키고 QKD 프로토콜에 의해 드러나게 될 것이기 때문에, 해당 시스템은 공격에 대해 안전한다.
추가적으로, 이 구현예는 송신국(220)을 위해 더 나은 위치를 선택하는 것을 허용하며, 이는 다음과 같은 이점을 가져올 수 있다.
1. 구름이 적게 덮힌 위치를 선택함으로써, 채널의 가용성을 높힌다.
2. 자유-공간 채널의 감쇠를 낮춤으로써(더 높은 고도 및/또는 더 낮은 공기 오염도), 키 레이트를 높힌다.
3. 미광으로 인한 배경 잡음을 낮춤으로써, 채널의 비트 오류율을 낮춘다.
세 가지 효과가 모두 결합되어 위성/고고도 플랫폼의 통과당 이용 가능한 비밀 키의 양이 증가하여, 결과적으로 QKD의 성능을 향상시킨다.
실시예들은 다수의 실시예와 함께 설명되었지만, 많은 대체물, 수정물 및 변형물이 적용 가능한 기술에 속하는 통상의 기술자에게 명백하거나 명백할 것이라는 것은 분명하다. 따라서, 본 개시는 본 개시의 범위 내에 있는 이러한 모든 대체물, 수정물, 등가물 및 변형물을 포함하도록 의도된다. 이것은 예를 들어 특히 사용될 수 있는 다른 장치와 실행되는 다른 유형의 프로토콜과 관련되는 경우이다.

Claims (10)

  1. QKD(quantum key distribution) 자유-공간 신호를 생성하도록 구성된 이미터(110), 상기 이미터(110)로부터의 상기 자유-공간 신호를 수신하도록 구성된 송신국(220), 및 상기 송신국과 다른 위치에 위치된 QKD 리시버(160)를 지원하는 원격 QKD 수신국(250)을 포함하고,
    상기 송신국은 상기 이미터로부터의 상기 자유-공간 신호를 수신하고 상기 신호를 광섬유 링크(400)를 통해 상기 원격 QKD 수신국(250) 내 상기 QKD 리시버(160)로 포워딩하도록 구성된, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미터(110)는 고고도 플랫폼(HAP), 바람직하게는 위성인, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 송신국(220)은 상기 자유-공간 신호를 처리하지 않고 상기 QKD 리시버(160)로 전송하는, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 송신국(220)은 신뢰 노드(trusted node)가 아닌, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신국(220)은 광학 지상국이고, 상기 광학 지상국은 망원경(130)과 상기 수신된 자유-공간 신호를 광섬유(400)로 보내기 위한 광섬유 커플링(140)을 포함하는, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광섬유(400)는 장거리 분배가 가능한 SMF(Single Mode Fiber)인, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광은 상기 광섬유 내 저손실 윈도우에 상응하는 파장, 약 1310nm 또는 약 1550nm인, 양자 키 분포(QKD) 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 QKD 수신국(250)은 상기 송신국(220)으로부터 수백 미터 내지 수십 킬로미터의 거리에 있는, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신국(220)은 고고도 및/또는 비도시 위치에 위치되는, 양자 키 분배(QKD) 시스템.
  10. 이미터(110)로부터의 자유-공간 신호를, 이미터(110)로부터의 상기 자유-공간 신호를 수신하도록 구성된 송신국(220)으로 방출하는 단계,
    수신된 상기 자유-공간 광학 신호를 광섬유로 보내는 단계, 및
    수신된 상기 신호를 광섬유를 통해, 상기 송신국과 다른 위치에 위치된 QKD 리시버(160)를 지원하는 원격 리시버로 전송하는 단계를 포함하는, 양자 키 분배(QKD) 방법.
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