KR20230124645A - 광섬유 네트워크 상에서 ｃｖ-ｑｋｄ 및 ｄｖ-ｑｋｄ를모두 사용하는 네트워크 노드, 송신기 및 수신기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 네트워크에서 동작하도록 구성된 네트워크 노드에 관한 것이다. 네트워크 노드는 CV-QKD 모드 및/또는 DV-QKD 모드에 따라 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 QKD 통신 유닛과 통신하도록 구성된 QKD 통신 유닛을 포함한다. 본 발명은 또한 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 QKD 통신 유닛을 제어하도록 구성된 제어 유닛(5)을 개시한다. 제어 유닛은 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 사이에서 QKD 통신 유닛의 동작을 전환하도록 구성된다.
Description
본 기술 혁신은 지원금 협정 No 820466 하의 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램과, 연구 결과의 유효 활용과 이전을 위한 신흥 기술 클러스터를 위한 카탈루냐 자치정부의 비즈니스 및 지식부(Departament d'Empresa i Coneixement)의 대학 및 연구 사무국(Secretaria d'Universitats i Recerca)의 지원을 받는, 2014-2020년 Programa Operationu Federu de Catalunya(QuantumCAT 001-P-001644)에 할당된 유럽 지역 개발 기금(ERDF)으로부터 자금을 지원받았다.
본 발명은 양자 암호키 분배(QKD, quantum key distribution)의 네트워크 노드에 관한 것이다. 본 발명은 특히 광섬유 네트워크에서 동작하도록 구성된 네트워크 노드, 광섬유 네트워크, 광섬유 네트워크에서 정보를 전송하도록 구성된 QKD 송신기 및 광섬유 네트워크에서 정보를 수신하도록 구성된 QKD 수신기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 광섬유 네트워크에서 DV-QKD 및 CV-QKD 기술의 조합에 관한 것이다.
양자 통신 네트워크에서, 정보는 일반적으로 광자(들)를 포함하는 광 펄스로 구성되는 광의 양자 상태로 정보를 인코딩함으로써 통신 양측 간에 공유된다. 양자 상태/신호는 예를 들어 편광, 위상, 에너지/시간 또는 각 운동량(angualr momentum)과 같은 광자의 속성을 사용함으로써 1비트 이상의 정보를 전달할 수 있다. QKD(Quantum Key Distribution)는 통신 채널을 통해 양자 신호를 분배함으로써 두 당사자가 암호 키를 공유하는 것을 허용하는 기술이다.
QKD의 보안은 양자 물리학의 법칙, 즉 하이젠베르크 불확정성 원리와 비복제 정리에 의존하며, 이를 통해 통신 양측이 채널 내에 도청자의 존재를 검출할 수 있다. 또한, 양자역학의 법칙에 따르면, 인코딩 기저(basis)의 사전 지식 없이 도청자가 양자 상태를 측정하는 것은 양자 상태에 불가피한 변화를 발생시킨다. 따라서 도청자가 양자 신호의 정보를 얻으려는 모든 시도는 통신 양측에 의해 검출될 수 있는 노이즈 및/또는 오류를 효과적으로 도입하게 된다.
소위 준비 및 측정 QKD에서, 송신기(Alice)는 특정 프로토콜에 따라 인코딩된 정보를 포함한 양자 신호를 준비하고, 이러한 신호를 광 채널을 통해 수신기(Bob)로 전송한다. Bob은 수신된 양자 신호에 대해 다른 측정을 수행하여 Alice의 준비 선택과 상관된 데이터를 얻는다. 그런 다음 상관 데이터는 비밀 키를 추출하기 위해, 고전적인 통신 채널을 사용하여 사후 처리된다. 두 가지 주요 QKD 구현은 이산-변수 QKD(DV-QKD)와 연속-변수 QKD(CV-QKD)이다.
DV-QKD에서, 양자 신호에는 편광, 이산 시간 모드 또는 위상 등과 같은 광자의 자유도로 인코딩된 키를 생성하는 정보를 갖는 단일 광자가 포함된다.
Bennet 및 Brassard에 의해 1984년에 제안한 프로토콜 BB84는, 최초이자 가장 널리 사용되는 DV-QKD 프로토콜이다. 이것은 보통 Z 및 X 기저로 알려진 두 개의 켤레 기저(conjugated base)를 완성하는 네 가지 양자 상태 세트를 사용한다. 각 기저의 상태는 비트 값 0과 1을 인코딩한다. 프로토콜은 Alice가 단일 광자 트레인을 준비하는 것으로 시작한다. 각 광자에 대해, Alice는 4개의 양자 상태 중 하나를 랜덤하게 선택하고 선택된 자유도를 변조함으로써 선택한 양자 상태를 광자에 할당한다. 이 후, 양자 신호는 X 또는 Z 기저의 양자 상태를 측정하기 위해 자신의 검출 장치를 랜덤하게 구성하는 Bob에게 전송된다.
Bob이 올바른 기저(즉, 수신된 상태가 속하는 기저)를 선택할 때마다, Bob은 Alice 선택과 완벽하게 상관되는 비트를 얻는다. 반대로, Bob이 잘못된 기저를 선택할 때는, 비트 사이에 상관성이 없다. 그 후, 양측이 선택한 기지를 공개적으로 발표하는 선별 절차가 수행되어 기저가 일치하지 않는 데이터를 폐기한다. 그런 다음, Alice와 Bob은 채널 내에 도청자(Eve)의 존재로 인해 추가된 노이즈가 포함된 상관 데이터를 공유한다. 존재 가능한 도청자를 식별하기 위해, 양측은 나중에 제외되는 상관 데이터의 일부를 공개하여, 신호의 노이즈를 정량화한다. 나머지 데이터는 오류 수정 및 개인 정보 증폭 알고리즘을 통해 비밀 키를 추출하는데 사용된다.
위에서 언급한 것처럼, DV-QKD는 정보를 인코딩 및 전송하기 위해 단일 광자를 사용한다. 단일 광자는 일반적으로 레이저 펄스를 감쇠시킴으로써 얻어지는데, 이는 펄스당 광자 수가 포와송 분포를 따르기 때문에 보안 문제가 있다. 따라서 Eve는 둘 이상의 광자를 갖는 펄스로부터 (즉, 광자 수 분할 공격을 사용하여) 정보를 얻을 수 있다. 이 공격에 대한 대응책은 대부분의 종래 DV-QKD 구현에서 사용되는 디코이-상태(decoy-state) 방법이며, 포와송 분포는 같지만 평균 광자 수는 다른 추가 디코이 신호를 배포함으로써 하나의 광자로 수신된 양자 상태의 수를 추정하는 것으로 이루어진다.
파이버 링크에서 DV-QKD의 구현은 일반적으로 타임-빈 자유도를 사용함으로써 수행된다. 타임-빈 상태는 "초기" 빈 또는 "후기" 빈으로 알려진 두 가지 가능한 시간 모드 중 하나에 위치된 광자로 정의된다. 그런 다음 양자 상태는 광자를 초기 빈, 후기 빈 또는 초기 빈과 후기 빈 사이의 상대적 위상을 갖는 초기 빈과 후기 빈의 중첩 부분에 둠으로써 인코딩된다. 중첩 상태는 + 및 - 상태로 일컬어진다. 타임-빈 상태는 낮은 디코히런스로 장거리를 통해 전파될 수 있기 때문에 파이버 링크에 적합하다. BB84 프로토콜 외에도, 타임-빈 양자 상태를 사용하는 다른 DV-QKD 프로토콜(예를 들어, 코히런트 단방향 및 차동 위상 편이)이 있다.
CV-QKD는 일반적으로 광의 코히런트 상태(약한 광 펄스)를 양자 신호로 사용하고 정보는 전자기장의 켤레 직교 위상 성분(conjugated quadrature)으로 인코딩된다. 직교 위상 성분은 각각 신호 펄스의 진폭과 위상에 대응하여 정의된다. 가장 널리 사용되는 CV-QKD 프로토콜은 2002년 Groosham과 Grainger에 의해 제안된 GG02이다. GG02에서, 광 신호의 직교 위상 성분은 펄스의 진폭과 위상을 변조함으로써 얻어지는 제로-중심 가우시안 랜덤 분포를 따른다. CV-QKD에서, 신호는 샷 노이즈 제한 코히런트 검출을 통해 측정된다. DV-QKD 기술과 비교하여 주요 차이점은 더 정교하고 열 냉각된 단일 광자 검출기가 사용되는 것이다. 코히런트 검출은 수신된 양자 신호와 간섭되어 수신된 양자 신호를 증폭하고 그 양자 신호의 직교 위상 성분 값을 추출하는 소위 로컬 오실레이터(LO)라고 하는 고강도 기준 신호를 사용한다. 코히런트 검출은 호모다인 또는 헤테로다인 스킴을 사용할 수 있다. 호모다인 검출에서는, Bob이 로컬 오실레이터에 90° 위상 편이를 추가함으로써 X 또는 P 직교 위상 성분을 측정하도록 랜덤하게 선택하는 반면, 헤테로다인 검출에서는, Bob이 예를 들어 90° 광학 하이브리드를 사용하여 신호를 두 부분으로 분할함으로써 동시에 두 직교 위상 성분을 측정한다.
CV-QKD의 초기 시연에서, 로컬 오실레이터와 양자 신호는 동일한 레이저로부터 생성되었으며 이 두 가지는 시간 다중화를 사용함으로써 Bob에게 전송된다. 이를 통해 신호와 로컬 오실레이터 사이에 안정적인 위상 관계가 가능하다. 그럼에도 불구하고, 광 채널을 통해 로컬 오실레이터를 전송하는 것은 도청자가 보정 공격(calibration attack)을 수행할 수 있도록 하는 보안 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 대부분의 종래 CV-QKD 구현에서는, 로컬 오실레이터가 추가 레이저로 Bob에서 로컬로 생성되고, 기준 펄스가 Alice에서 Bob으로 송신되어 두 레이저 간의 위상 관계를 확립하고 광 섬유에서의 위상 드리프트를 보상한다. GG02 외에도, 구현 및 데이터 사후 처리를 간소화할 수 있는 이산 변조를 갖는 다른 CV-QKD 프로토콜이 시연되었다. 이러한 프로토콜에서는, 가우시안 변조된 직교 위상 성분 대신, 직교 위상 성분 값의 제한된 수가 클래식 통신에서 사용되는 QPSK와 유사하게, 정보를 인코딩하는데 사용된다.
종래 QKD 구현은 주로 점대점 링크에 대응한다. 그러나, QKD는 광 네트워크에 통합될 수도 있다. DV-QKD 및 CV-QKD 기술은 QKD를 광 네트워크에 통합할 때 활용될 수 있다는 특정 이점이 있다. 예를 들어, DV-QKD는 채널 손실에 대한 내성이 더 강하여 장거리 링크에 더 적합할 수 있다. 반면, CV-QKD는 로컬 오실레이터가 고유 주파수 필터로서 동작하므로 강한 클래식 신호와 공존할 수 있다. 따라서, CV-QKD는 파이버 링크에 여러 공동-전파되는 클래식 데이터 채널이 있을 때 선택할 수 있다. 예를 들어, CV-QKD와 DWDM(dense-wavelength-division multiplexing) 데이터 채널의 공존은 DV-QKD에 비해 더 높은 데이터 레이트로 입증되었다. 비밀 키 레이트 측면에서, CV-QKD와 DV-QKD의 비교는 사용된 광학 구성요소 및 클록 레이트에 따라 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고, CV-QKD는 2개 이상의 비밀 비트가 심볼당 추출될 수 있으므로 짧은 거리에서 더 높은 키 레이트를 제공할 것으로 예상되는 반면, DV-QKD는 거리가 증가할수록 CV-QKD보다 성능이 뛰어나다.
DV-QKD 및 CV-QKD 기술의 여러 구현은 상이한 구성으로 존재한다. 예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, QKD 송신기 및 수신기는 양자 통신 네트워크(1000)에 통합될 수 있고, 그러한 네트워크 내의 노드(N1101-1108)는 DV-QKD 시스템(QDV1-QDV7) 또는 CV-QKD 시스템(QCV1-QCV5)을 구비할 수 있다. 실선 또는 점선으로 도 1에 도시된, 이러한 종래 QKD 네트워크의 독립적인 링크는 CV-QKD 또는 DV-QKD 기술을 사용한다. 그러나, 기존 네트워크 및/또는 노드 구성은 링크의 특성에 따라 QKD 성능을 최적화하기 위한 향상된 재구성 기능이 부족하다.
일부 기존 QKD 송신기는 BB84, COW(coherent-one-way) 및 DPS(differential phase shift)와 같은 여러 DV-QKD 프로토콜을 구현하기 위한 DV-QKD 스킴 내에서 사용할 수 있다. 예를 들어, 비대칭 Mach-Zehnder 간섭계와 이중 펄스 생성 단계를 사용하는 파이버 기반 QKD 송신기는 서로 다른 위상과 상대 강도로 코히런트 펄스를 생성할 수 있다. 이러한 송신기는 타임-빈 인코딩을 사용하여 BB84에서 동작할 수 있으며 6-상태 BB84와 같은 다른 DV-QKD 프로토콜에도 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 반도체 레이저의 직접 위상 변조에 기반한 QKD용 무변조기(modulator-free) 송신기가 구현된다. 그러나 그것의 운용성은 BB84, DPS 및 COW와 같은 DV-QKD 프로토콜로 제한되어 있다.
또한, 이러한 송신기는 DV-QKD에만 최적화되어 있다. 양자 상태가 연속적인 랜덤 분포로부터 변조되어야 할 수 있고, 양자 상태에 비해 높은 강도의 기준 펄스가 위상 복구를 수행을 위해 생성되어야 하기 때문에, CV-QKD 프로토콜을 구현하기 위한 위상 및 진폭 변조 측면에서의 요구 사항은 더욱 엄격하다. 이러한 이유로, 높은 소광비(extinction ration)와 넓은 범위의 진폭 및 위상 레벨(예를 들어, 분해능(resolution) 10비트의 분포에 대해, 1024 전압 레벨)을 갖는 펄스를 생성하는 성능이 필요할 수 있다. 또한, 진정한 로컬 오실레이터를 갖는 CV-QKD는 주파수가 잠긴 2개의 좁은 선폭(예를 들어, 20kHz) 레이저가 필요할 수 있다. 레이저에 대한 이러한 제약으로 인해 CV-QKD에 대한 주입 잠금(injection locking) 및 직접 변조와 같은 스킴을 사용하는데 어려움이 있을 수 있다.
전술한 관점에서, 본 발명의 목적은 전술한 과제, 단점 및/또는 문제 중 하나 이상을 해결하기 위해 개선된 네트워크 노드 및/또는 송신기/수신기 구성을 제공하는 것이다. 즉, DV-QKD와 CV-QKD 시스템 간의 상호 운용성을 보장하고 링크/네트워크의 특성에 따라 QKD 성능을 최적화하기 위해, 개선되고 재구성 가능한 QKD 네트워크가 필요하다. 또한, 광섬유 네트워크의 송/수신기에서 효과적으로 CV-QKD와 DV-QKD 성능을 결합하여 다목적성과 유연성을 실현할 수 있는 장점도 있다.
여기에 개시된 본 발명의 특정 실시예(들)는 일반적으로 광섬유 네트워크에서 CV-QKD 및 DV-QKD 기술을 결합하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 예를 들어 광섬유 링크/네트워크의 특성(예를 들어, 키 레이트, 통신 거리(들), 공동-전파되는 클래식 채널의 개수/존재 등)에 따라 성능을 최적화하기 위한 CV-QKD와 DV-QKD 모드 간의 동적 재구성 기능 및 스위칭에 관한 것이다. 본 발명은 또한 네트워크의 QKD 성능을 최적화하기 위해 CV-QKD 및 DV-QKD 기술 모두를 사용하여 통신을 수행할 수 있는 다목적 송신기 및/또는 수신기를 개시한다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 광섬유 네트워크에서 동작하도록 구성된 네트워크 노드를 제공함으로써 상술한 목적을 해결한다. 네트워크 노드는 연속-변수(CV)-QKD 모드 및/또는 이산-변수(DV)-QKD 모드에 따라서 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 QKD 통신 유닛과 통신하도록 구성된 양자 암호키 분배(QKD) 통신 유닛; 및 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 QKD 통신 유닛을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고, 제어 유닛은 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 사이에서 QKD 통신 유닛의 동작을 전환하도록 구성된다.
이 맥락에서, 용어 "네트워크 노드(network node)"는 하나 이상의 네트워크 루트를 따라 정보를 수신, 생성, 저장 또는 송신할 수 있는 연결 노드를 의미한다. 예를 들어, 네트워크 노드는 정보 전송을 위한 종단 노드 또는 재분배 노드일 수 있다. 네트워크 노드는 정보를 인식, 처리하고 그 정보를 다른 네트워크 노드로 전달/다른 네트워크 노드로부터 수신하기 위한 소프트웨어 및/또는 하드웨어 성능을 가질 수 있다. 용어 "광섬유 네트워크(optical fiber network)"는 광학/광 및/또는 전기 신호를 통해 정보를 한 장소에서 다른 장소로 전송하기 위한 하나 이상의 광섬유의 네트워크로 이해될 수 있다. 용어 "CV-QKD 모드" 및 "DV-QKD 모드"는 각각 "CV-QKD" 기술/프로토콜 및 "DV-QKD" 기술/프로토콜을 사용하는 모드로 이해될 수 있다.
이 구성에 따르면, 네트워크 노드가 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나에 따라 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 통신 유닛과 통신할 수 있는 QKD 통신 유닛을 구비함에 따라, 제어 유닛은 DV-QKD에서 CV-QKD로 또는 그 반대로 QKD 통신 유닛의 동작을 동적으로 전환할 수 있다. 이러한 동적 재구성 기능은 예를 들어 네트워크의 특성(들) 및/또는 요구사항(예를 들어, 키 레이트, 통신 거리(들), 공동-전파되는 클래식 채널의 개수/존재 등)에 따라 QKD 성능을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 동적 전환으로 인해, 네트워크 노드는 더 높은 비밀 키 레이트로 인해, 장거리 링크/네트워크에 대해 DV-QKD 모드로 동작하도록 구성되거나, 또는 여러 공동-전파되는 클래식 데이터 채널을 갖는 단거리 링크/네트워크를 위해 CV-QKD 모드로 전환될 수 있다. 따라서, 네트워크 구성의 특성에 따라 성능 및 기능이 적응되어야 하는 상황에서, 독창적인 네트워크 노드는 네트워크를 재구성하기 위한 견고하면서도 단순화된 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 통신 유닛은 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 적어도 하나의 QKD 송신기를 포함할 수 있다. QKD 통신 유닛의 이러한 구성을 갖고 CV-QKD 및 DV-QKD 모드 모두로 동작할 수 있는 적어도 하나의 QKD 송신기를 가짐으로써, 네트워크 노드는 네트워크의 QKD 성능을 최적화하기 위해 다목적 상호 운용성과 재구성 기능을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 QKD 송신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 제1 기결정 전기 신호로 QKD 통신 유닛을 구동하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 사용하는 것에 대한 선택이 더 간단한 하드웨어 또는 소프트웨어 구성을 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 송신기는 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광 신호의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 변조기 유닛을 포함할 수 있고, 전자 회로는 제1 기결정 전기 신호에 따라 변조기 유닛을 구동하도록 구성될 수 있다. 이것은 송신기에 CV-QKD와 DV-QKD 모드 사이에서 전환성을 달성하기 위한 더 간단하면서도 다목적인 구성을 제공한다.
유리하게는, QKD 송신기는 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠시키거나 및/또는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정하도록 구성된 감쇠기를 포함할 수 있고, 전자 회로는 감쇠기를 제어하도록 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 감쇠기는 전기적으로 제어되는 가변 광 감쇠기일 수 있으며, 여기서 전자 회로는 제1 기결정 전기 신호에 따라 감쇠기를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 감쇠기는 변조기 유닛 전에 또는 변조기 유닛 뒤에 포함될 수 있지만, 두 경우 모두 CV-QKD 또는 DV-QKD 신호(들)가 전송 채널로 전송되기 전에 포함된다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이들의 임의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드로 동시에 QKD 송신기를 동작시키도록 구성될 수 있다. 이러한 다중화를 통해, 네트워크 노드 및/또는 네트워크가 DV-QKD 및 CV-QKD를 동시에 수행하도록 구비될 수 있으며, 이로써 다목적성을 증가시키고 QKD 성능을 개선하기 위한 추가적인 자유도를 제공할 수 있다. 예를 들어, QKD 송신기는 편광 스위치를 사용하거나 또는 적어도 하나의 광원/레이저원으로부터의 상이한 파장을 사용함으로써 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 다중화를 허용할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 송신기는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 결합할 수 있고, 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유할 수 있다. QKD 송신기가 CV-QKD 송신기와 DV-QKD 송신기의 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하므로, DV-QKD 및 CV-QKD 송신기가 하나의 단일 요소로 결합되어, 단일 QKD 송신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 스위칭될 수 있으며, 이로써 다목적성과 상호 운용성을 달성할 수 있다. 이 구성은 또한 구성요소 개수를 줄일 수 있다.
QKD 통신 유닛은 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 적어도 하나의 QKD 수신기를 포함할 수 있다. CV-QKD 및 DV-QKD 모드 모두로 동작할 수 있는 적어도 하나의 QKD 수신기를 가짐으로써, QKD 통신 유닛과 그에 따라 네트워크 노드는 다목적 상호 운용성과 재구성 기능을 달성하여 네트워크의 QKD 성능을 최적화할 수 있다.
제어 유닛은 QKD 수신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 제2 기결정 전기 신호로 QKD 통신 유닛을 구동하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 사용하는 것에 대한 선택이 더 간단한 하드웨어 또는 소프트웨어 구성을 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 수신기는 각각 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 검출을 수행하도록 구성된 처리/검출 유닛, 및 QKD 수신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 제2 기결정 전기 신호에 따라 처리/검출 유닛을 구동하도록 구성된 전자 회로를 포함할 수 있다. 이는 수신기에 CV-QKD와 DV-QKD 모드 간의 전환성을 달성하기 위한 더 간단하면서도 다목적인 구성을 제공한다. 예를 들어, QKD 수신기의 처리/검출 유닛은 각각 편광 빔-스플리터 또는 파장-분할-다중화기를 사용함으로써 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 검출을 수행하도록 구성된 편광 제어기, 간섭계, 평형 검출기, 광자 검출기일 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화, 및 이것들의 임의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드로 QKD 수신기를 동시에 동작시키도록 구성될 수 있다. 이러한 다중화를 통해, 네트워크 노드 및/또는 네트워크가 DV-QKD 및 CV-QKD를 동시에 수행하도록 구비될 수 있으며, 이로써 다목적성이 증가하고 QKD 성능을 개선하기 위한 추가적인 자유도를 제공할 수 있다. 예를 들어, QKD 수신기는 CV-QKD 신호와 DV-QKD 신호를 분리하여 대응하는 검출기로 송신하도록 구성된 편광-빔 스플리터 또는 파장-분할-다중화기를 사용함으로써 CV-QKD 신호와 DV-QKD 신호를 다중화할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 수신기는 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기를 결합할 수 있고, 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유할 수 있다. QKD 수신기가 CV-QKD 수신기와 DV-QKD 수신기의 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하므로, DV-QKD 및 CV-QKD 수신기가 하나의 단일 요소에 결합되어, 단일 QKD 수신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 전환될 수 있으며, 이로써 다목적성과 상호 운용성을 달성할 수 있다. 이 구성은 또한 구성요소 개수를 줄일 수 있다.
유리하게는, CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있고 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜 및 6-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있다. 따라서, 독창적인 네트워크 노드는 CV-QKD와 DV-QKD 사이의 상호 운용성에 적합하면서도 상이한 종래 CV-QKD 및 DV-QKD 프로토콜로 동작할 수 있으며, 이로써 유연하고 재구성 가능한 네트워크를 구현할 수 있다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 광섬유 네트워크를 제공함으로써 상기 언급된 목적을 해결하고, 광섬유 네트워크는 각각이 상술한 실시예/예 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 네트워크 노드를 포함한다. 따라서 최적화된 QKD 성능을 갖는 동적으로 재구성 가능하고 다목적인 네트워크가 실현될 수 있다.
또한, 각 네트워크 노드는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 구비한다. 유사하게, 네트워크 노드는 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기를 구비할 수도 있다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 광섬유 네트워크에서 정보를 전송하도록 구성된 QKD 송신기를 제공함으로써 전술한 목적을 해결한다. QKD 송신기는 적어도 하나의 광원에서 방출되는 광 신호의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 변조기 유닛과, QKD 송긴기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 기결정 전기 신호에 따라 변조기 유닛을 구동하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. QKD에 따라, 키 데이터가 QKD 송신기로부터 예를 들어 QKD 수신기로 양자 정보로서 전송될 수 있다. 광섬유 네트워크에서 CV-QKD 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작할 수 있는 적어도 하나의 QKD 송신기를 가짐으로써, 네트워크/네트워크 노드가 CV-QKD와 DV-QKD 간의 전환가능/구성가능함으로써 다목적이 되며, 이로써 네트워크의 QKD 성능을 최적화하는 효율적인 방식을 제공할 수 있다. 또한, 전자 회로를 가짐으로써, CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 사용하는 것에 대한 선택이 더 간단한 하드웨어 또는 소프트웨어 구성을 통해 구현될 수 있다.
QKD 송신기는 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠시키거나 및/또는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정하도록 구성된 감쇠기를 포함할 수 있으며, 여기서 전자 회로는 감쇠기를 제어하도록 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 감쇠기는 전기적으로 제어되는 가변 광 감쇠기일 수 있으며, 여기서 전자 회로는 기결정 전기 신호에 따라 감쇠기를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 감쇠기는 변조기 유닛 전에 또는 변조기 유닛 뒤에 포함될 수 있지만, 두 경우 모두 CV-QKD 또는 DV-QKD 신호(들)가 전송 채널로 전송되기 전에 포함된다. 감쇠기는가변조된 광의 강도 및/또는 위상을 기결정 레벨로 감소시키거나, 또는 청구된 네트워크에서 이러한 파라미터를 실시간으로 모니터링하거나, 및/또는 청구된 네트워크의 보안을 보장하기 위해, 평균 광자 수를 기결정 레벨로 설정하기 위해 포함될 수 있다.
유리하게는, QKD 송신기는 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드로 동시에 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 다중화를 통해, QKD 송신기는 DV-QKD 및 CV-QKD를 동시에 수행할 수 있으며, 이로써 다목적성이 증가하고 QKD 성능을 개선하기 위해 추가적인 자유도를 제공할 수 있다. 예를 들어, QKD 송신기는 편광 스위치를 사용하거나 또는 적어도 하나의 광원/레이저원으로부터의 상이한 파장을 사용함으로써 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 다중화를 허용할 수 있다.
QKD 송신기는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 결합할 수 있고, 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유할 수 있다. QKD 송신기가 CV-QKD 송신기와 DV-QKD 송신기의 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하므로, DV-QKD 및 CV-QKD 송신기가 하나의 단일 요소로 결합되어, 단일 QKD 송신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하기 위해 전환될 수 있으며, 이로써 다목적성과 상호 운용성을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에 있어서, 네트워크 노드의 QKD 송신기는 CV-QKD 모드 및/또는 DV/QKD 모드에 따라 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크노드의 대응하는 QKD 수신기와 통신하도록 적응될 수 있다. 이 구성은 QKD 송신기의 다목적성이 수신기 측으로 바뀔 수 있다는 것을 보장한다.
유리하게는, CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있고 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있다. 따라서, 독창적인 QKD 송신기는 상이한 종래 CV-QKD 및 DV-QKD 프로토콜로 동작할 수 있지만 CV-QKD 및 DV-QKD 간의 상호 운용성에 적합하며, 이로써 유연하고 재구성 가능한 네트워크를 구현할 수 있다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 광섬유 네트워크에서 정보를 수신하도록 구성된 QKD 수신기를 제공함으로써 전술한 목적을 해결한다. QKD 수신기는 각각 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 수신 및/또는 검출을 수행하도록 구성된 처리/검출 유닛, 및 QKD 수신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 기결정 전기 신호에 따라 처리/검출 유닛을 구동하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 광섬유 네트워크에서 CV-QKD 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작할 수 있는 적어도 하나의 QKD 수신기를 가짐으로써, 네트워크/네트워크 노드는 CV-QKD와 DV-QKD 간에 전환 가능/구성 가능함으로써 다목적이 되며, 이로써 네트워크의 QKD 성능을 최적화하는 효율적인 방식을 제공할 수 있다. 또한, 전자 회로를 가짐으로써, CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 사용하는 것에 대한 선택이 더 간단한 하드웨어 또는 소프트웨어 구성을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, QKD 수신기의 처리/검출 유닛은 편광 제어기 및/또는 예를 들어 편광-빔 스플리터 또는 파장-분할-다중화기를 사용함으로써. CV-QKD 모드 및/또는 DV-QKD 모드 각각에서 CV-QKD 및/또는 DV-QKD 신호의 처리 및 검출을 수행하도록 구성된 하나 이상의 검출기일 수 있다.
QKD 수신기는 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드로 동시에 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 다중화를 통해, QKD 수신기는 DV-QKD 및 CV-QKD를 동시에 수행하도록 구비되며, 이로써 다목적성을 증가시키고 QKD 성능을 개선할 수 있는 추가적인 자유도를 제공할 수 있다. 예를 들어, QKD 수신기는 CV-QKD 신호와 DV-QKD 신호를 분리하여 대응하는 검출기로 송신하도록 구성된 편광-빔 스플리터 또는 파장-분할-다중화기를 사용함으로써 CV-QKD 신호와 DV-QKD 신호를 다중화할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, QKD 수신기는 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기를 결합할 수 있고, 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유할 수 있다. QKD 수신기가 CV-QKD 수신기와 DV-QKD 수신기의 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하므로, DV-QKD 및 CV-QKD 수신기가 하나의 단일 요소로 결합되어, 단일 QKD 수신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 전환될 수 있으며, 이로써 다목적성과 상호 운용성을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 네트워크 노드의 QKD 수신기는 CV-QKD 모드 및/또는 DV-QKD 모드에 따라 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 대응하는 QKD 송신기와 통신하도록 적응될 수 있다. 이 구성은 QKD 수신기의 다목적성이 송신기 측으로 바뀔 수 있다는 것을 보장한다.
유리하게는, CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있고 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함할 수 있다. 따라서, 독창적인 QKD 수신기는 상이한 종래 CV-QKD 및 DV-QKD 프로토콜로 동작할 수 있지만 CV-QKD 및 DV-QKD 간의 상호 운용성에 적합하며, 이로써 유연하고 재구성 가능한 네트워크를 구현할 수 있다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 광섬유 네트워크에서 네트워크 노드의 동작 방법을 제공함으로써 전술한 목적을 해결하고, 네트워크 노드는 연속-변수(CV)-QKD 모드 및/또는 이산-변수(DV)-QKD 모드에 따른 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 QKD 통신 유닛(QCD2-QCD5)과 통신하도록 구성된 양자 암호키 분배(QCD1) 통신 유닛, 및 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 QKD 통신 유닛(QCD1)을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고, 이 방법은 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 간의 QKD 통신 유닛(QCD1)의 스위칭 동작 단계를 포함한다. 이 방법을 통해, DV-QKD 통신 유닛의 동작을 DV-QKD에서 CV-QKD로 또는 그 반대로 동적으로 전환할 수 있다.
독창적인 제품(들) 및 방법(들)의 유리한 실시예가 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 CV-QKD 또는 DV-QKD 기술을 사용하는 종래 네트워크(1000)를 도시한다.
도 2는 각각 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른, 네트워크 노드(N101) 및 네트워크 노드(N102)의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 복수의 네트워크 노드를 갖는 광섬유 네트워크(100)를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400A)를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400B)를 도시한다.
도 4c는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 도 4b에 도시된 QKD 송신기(400B)를 제어하기 위한 기결정 전기 신호의 예를 도시한다.
도 4d는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400D)를 도시한다.
도 4e는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400E)를 도시한다.
도 4f는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400F)를 도시한다.
도 4g는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400G)를 도시한다.
도 5a는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500A)를 도시한다.
도 5b는 각각 타임-빈 BB84 DV-QKD 프로토콜을 수행하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500B1 및 500B2)를 도시한다.
도 5c는 GG02 CV-QKD 프로토콜을 수행하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500C)를 도시한다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(600)를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(700A)를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(700B)를 도시한다.
도 2는 각각 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른, 네트워크 노드(N101) 및 네트워크 노드(N102)의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 복수의 네트워크 노드를 갖는 광섬유 네트워크(100)를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400A)를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400B)를 도시한다.
도 4c는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 도 4b에 도시된 QKD 송신기(400B)를 제어하기 위한 기결정 전기 신호의 예를 도시한다.
도 4d는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400D)를 도시한다.
도 4e는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400E)를 도시한다.
도 4f는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400F)를 도시한다.
도 4g는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 송신기(400G)를 도시한다.
도 5a는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500A)를 도시한다.
도 5b는 각각 타임-빈 BB84 DV-QKD 프로토콜을 수행하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500B1 및 500B2)를 도시한다.
도 5c는 GG02 CV-QKD 프로토콜을 수행하도록 구성된 종래 QKD 수신기(500C)를 도시한다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(600)를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(700A)를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 QKD 수신기(700B)를 도시한다.
이하에서, 본 발명의 특징 및 유리한 실시예가 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
네트워크 노드
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 노드(N101)의 블록도를 개략적으로 도시한다. 하나의 특정 실시예에서, 네트워크 노드(N101)는 예를 들어 양자 암호키 정보와 같은 정보를 송신 및/또는 수신하기 위한 적어도 하나의 광섬유 네트워크의 일부일 수 있다.
네트워크 노드(N101)는 양자 암호키 분배(QKD) 통신 유닛(QCD1) 및 제어 유닛(미도시)을 포함한다. QKD 통신 유닛(QCD1)은 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드(N102)의 다른 QKD 통신 유닛(QCD2)과 통신하도록 구성된다. 특히, QKD 통신 유닛(QCD1)은 연속-변수(CV)-QKD 모드(도 1의 점선) 및 이산-변수(DV))-QKD 모드(도 1의 실선) 중 적어도 하나에 따라 다른 QKD 통신 유닛(QCD2)과 통신하도록 구성된다. 제어 유닛은 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 QKD 통신 유닛(QCD1)을 제어하도록 구성된다. 특히, 제어 유닛은 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 사이에서 QKD 통신 유닛(QCD1)의 동작을 전환하도록 구성된다.
노드(N101)의 제어 유닛은 마이크로프로세서, 메모리, 모니터링 수단, 전자적 수단 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는 QKD 통신 유닛(QCD1) 및/또는 그 구성 요소로 송신할 커맨드(들)를 연산할 수 있다. 애플리케이션 특정 프로세서 또는 마이크로컨트롤러와 같은 다른 프로세서-기반 디바이스도 유사한 기능을 수행하기 위해 마이크로프로세서를 대신하여 사용될 수 있다. 메모리는 QKD 통신 유닛(QCD1)을 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 제어하기 위한 실행 가능한 명령을 저장할 수 있는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 메모리는 또한 마이크로프로세서의 동작에 영향을 미치는 실행 가능한 명령을 포함할 수 있다. 모니터링 수단은 네트워크의 특성(들)을 모니터링하거나 및/또는 네트워크 노드(N101)의 입력 인터페이스로부터 또는 외부 디바이스로부터 커맨드를 수신하도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 모니터링 수단은 광섬유 링크/네트워크의 노이즈/오류의 양 또는 임의의 다른 특정 성능 특성을 추정하기 위한 센서(들)를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 입력 인터페이스는 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 간의 동적 재구성 기능 및 전환을 허용하기 위한 하나 이상의 입력 디바이스, 버튼 또는 컨트롤을 포함할 수 있다.
CV-QKD 모드는 각각의 QKD 통신 유닛이 CV-QKD 구현을 실현하도록 구성되는 모드를 의미할 수 있다. DV-QKD 모드는 각각의 QKD 통신 유닛이 DV-QKD 구현을 실현하도록 구성된 모드를 의미할 수 있다.
이 구성에 따르면, 네트워크 노드(N101)는 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나에 따라 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드(N102)의 다른 QKD 통신 유닛과 통신할 수 있는 QKD 통신 유닛(QCD1)을 구비하고, 제어 유닛은 QKD 통신 유닛(QCD1)의 동작을 DV-QKD에서 CV-QKD 모드로 또는 그 반대로 동적으로 전환할 수 있다. 이러한 동적 재구성 기능은 예를 들어, 네트워크의 특성(들) 및/또는 요구사항(예를 들어, 초당 비밀 비트의 수인 비밀 키 레이트일 수 있는 키 레이트), 통신 거리(들), 공동-전파되는 클래식 채널의 개수/존재 등)에 따라 QKD 성능을 최적화할 수 있다. 예를 들어, DV-QKD는 장거리 링크/네트워크에 대해 더 높은 비밀 키 레이트를 제공할 수 있다. 이러한 경우, 제어 유닛은 DV-QKD 모드로 통신하도록 QKD 통신 유닛(QCD1)을 전환할 수 있다. 제어 유닛은 단거리 링크/네트워크에 대해 더 높은 비밀 키 레이트를 달성하기 위해 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 모드로 동적으로 전환할 수 있다.
또 다른 가능한 시나리오는 DV-QKD 모드로 통신하는 동안, QKD 통신 유닛(QCD1 및 QCD2)이 클래식 데이터 채널의 더 높은 강도로 인한 것일 수 있는 노이즈 증가를 검출할 수 있다. 이 경우, 제어 유닛은 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 모드로 전환할 수 있으며, 따라서 공동-전파되는 클래식 신호와 공존할 수 있어 포지티브 키 레이트를 허용할 수 있다. 따라서, QKD 통신 유닛(QCD1)은 QKD 통신 유닛(QCD2)과 통신하면서 CV-QKD로의 모드 전환을 요구하여 노이즈가 많은 링크/네트워크를 통한 비밀 키 레이트를 최적화할 수 있다.
도 2에 도시된 네트워크 모드(N101)의 동작은 다음과 같이 설명된다. 위의 구성에서, QKD 통신 유닛(QCD1)은 제어 유닛을 사용하여 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 간에 전환된다. 전환 동작은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성을 사용하여 구현될 수 있다.
광섬유 네트워크
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 네트워크 노드(N101 내지 N108)를 갖는 광섬유 네트워크(100)를 개략적으로 도시한다. 복수의 네트워크 노드 중 하나 이상의 네트워크 노드(N101, N102, N105, N106, N108)는 본 발명의 실시예에 따른것이다. 구체적으로, 하나 이상의 네트워크 노드(N101, N102, N105, N106, N108)는 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나에 따라 통신할 수 있는 QKD 통신 유닛(QCD1-QCD5)을 구비할 수 있다. 하나 이상의 노드(N103, N104, N107)는 DV-QKD 모드에 따라서만 통신할 수 있는 QKD 통신 유닛(QDV2, QDV3 및 QDV6)을 구비할 수 있다. 마찬가지로, CV-QKD 모드에 따라서만 통신할 수 있는 하나 이상의 추가 노드(미도시)가 있을 수 있다.
예를 들어, 네트워크 노드(N101)는 CV-QKD 모드(도 3에서 점선으로 도시됨) 및 DV-QKD 모드(도 3에서 실선으로 도시됨) 중 적어도 하나로 네트워크 노드(N102)와 통신하도록 구성된다. 네트워크 노드(N102)는 다른 네트워크 노드(N101, N103, N104, N105)와 통신할 수 있다. 통신은 다른 네트워크 노드(N101, N103, N104 및 N105)의 구성 기능에 따라 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 행해질 수 있다.
예를 들어, 네트워크 노드(N101 또는 N105)는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 구성된다. 따라서, 네트워크 노드(N102)와 네트워크 노드(N101 또는 N105) 사이의 통신은 최적화된 QKD 성능을 달성하기 위해 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드 사이에서 전환될 수 있다. 네트워크 노드(N102 또는 N105)는 각각 DV-QKD 모드를 통해 네트워크 노드(N103 또는 N104)와 통신한다. 네트워크 노드(N103 및 N104)는 DV-QKD 모드를 통해 서로 통신한다.
광섬유 네트워크(100)에서 CV-QKD 및 DV-QKD 기술의 조합으로 인해, 본 발명은 CV-QKD와 DV-QKD 모드 사이의 동적 재구성 기능 및 전환을 허용하여, 광섬유 네트워크의 QKD 성능을 최적화한다.
본 발명은 이에 제한되지 않는다. 광섬유 네트워크는 임의의 수의 네트워크 노드를 가질 수 있다. 네트워크 노드의 전부 또는 일부는 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 사이를 전환하도록 재구성 가능할 수 있다. 네트워크 노드는 광 통신 채널, 광섬유 등과 같은 하나 이상의 도파관을 통해 서로 통신할 수 있다.
실시예에서, 본 발명의 네트워크 노드 각각은 광섬유 네트워크의 다른 네트워크 노드와 통신하기 위해, 각각의 QKD 통신 유닛의 일부로서, 적어도 하나의 송신기 및/또는 적어도 하나의 수신기를 포함할 수 있다. 송신기 및 수신기는 CV-QKD 신호 및/또는 DV-QKD 신호를 교환하도록 구성될 수 있고, 따라서 QKD용으로 구성되므로, 각각 QKD 송신기 및 QKD 수신기라고 칭한다.
QKD 통신 유닛은 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 적어도 하나의 QKD 송신기 및/또는 적어도 하나의 QKD 수신기를 포함할 수 있다. 다음에서, 도 4A-7B를 사용하여 QKD 송신기 및 QKD 수신기가 설명될 것이다.
QKD
송신기
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 QKD 송신기(400A)의 블록도를 도시한다. QKD 송신기(400A)는 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된다. CV-QKD 및 DV-QKD 모드 모두로 동작할 수 있는 QKD 송신기(400A)를 가짐으로써, 네트워크 노드는 다목적 상호 운용성 및 재구성 기능을 달성하여, 이전에 개시된 네트워크(100)의 QKD 성능을 최적화할 수 있다. QKD 송신기는 CV-QKD 및/또는 DV-QKD 신호를 수신기로 전송하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에서, QKD 송신기(400A)는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 단일 요소로 결합할 수 있다. 구체적인 예에서, 적어도 하나의 CV-QKD 송신기 및 적어도 하나의 DV-QKD 송신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유할 수 있다. QKD 송신기는 CV-QKD 송신기와 DV-QKD 송신기의 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하므로, DV-QKD 및 CV-QKD 송신기는 하나의 단일 요소로 결합되어 단일 QKD 송신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 전환될 수 있으며, 이로써 다목적성과 상호 운용성을 달성할 수 있다. 이 구성은 또한 구성요소 개수를 줄일 것이다.
QKD 송신기(400A)는 전자 회로(402) 및 변조기 유닛(403)을 포함한다. 적어도 하나의 광원(401)은 QKD 송신기(400A)의 일부 또는 QKD 송신기(400A) 외부에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 광원(401)은 광 신호를 방출하도록 구성된다. 예를 들어, 광원은 레이저 광원, 특히 연속파(CW) 레이저 광원일 수 있다. 대안적으로, 광원은 펄스 레이저 광원일 수 있다. 광원은 조정 가능한 레이저원일 수 있으며, 레이저의 파장은 예를 들어 사용 중인 특정 채널 대역(예를 들어, C-대역)에서 양자 통신을 허용하도록 조정될 수 있다.
변조기 유닛(403)은 적어도 하나의 광원(401)에 의해 방출된 광 신호를 수신할 수 있다. 변조기 유닛(403)은 수신된 광 신호의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된다. 변조기 유닛(403)은 각각이 광 신호의 진폭을 변조하기 위한 하나 이상의 진폭 변조기 및/또는 광 신호의 위상을 변조하기 위한 적어도 하나의 위상 변조기를 포함할 수 있다. 진폭 및/또는 위상 변조기는 하나 이상의 광학 및/또는 전자 구성요소(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 진폭 및/또는 위상 변조기는 각각의 진폭 및/또는 위상 변조가 물질의 전기장을 제어함으로써 달성될 수 있도록 하는 전자-광학 효과를 나타내는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 진폭 변조기는 바람직하게는 배경 노이즈를 줄이기 위해 기결정 소광비(예를 들어, >20dB)를 가질 수 있다. 가우시안 변조를 사용하는 CV-QKD의 경우, 위상 및/또는 진폭 변조기는 위상 및 진폭의 연속 변조의 원하는 근사값을 얻기 위해 기결정 분해능 및 동적 범위를 가질 수 있다. 변조기의 하나 이상의 광학 및/또는 전자 구성요소(들)은 대응하는 CV-QKD 송신기 및 DV-QKD 송신기의 공유된 하나 이상의 광전자 구성요소일 수 있다.
전자 회로(402)는 변조기 유닛(403)을 제어하도록 구성된다. 특히, 전자 회로(402)는 QKD 송신기(400A)가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD로 동작하는 방식으로 제1 기결정 전기 신호에 따라 변조기 유닛(403)을 구동하도록 구성된다. 전자 회로(402)는 변조기 유닛(403)을 구동하는 제1 기결정 전기 신호를 설정함으로써 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 선택하는 것을 허용할 수 있다. 전자 회로(402)는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 요소일 수 있다. 이를 통해, CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 사용하는 것에 대한 선택이 더 간단한 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성을 통해 구현될 수 있다.
전자 회로(402)의 제1 기결정 전기 신호는 변조기 유닛(403)을 구동하도록 구성될 수 있다. 특히, 진폭 및/또는 위상 변조기의 하나 이상의 공유 광전자 구성요소와 같은 변조기 유닛(403)의 구성요소는 QKD 송신기(400A)의 동작 모드로서 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 하나를 선택하기 위해 제1 기결정 전기 신호에 의해 구동되도록 구성된다. 예를 들어, 제1 기결정 전기 신호는 통신 모드가 CV-QKD 모드인지 또는 DV-QKD 모드인지를 결정할 수 있다.
전자 회로(402)의 예는 전자 스위치, FPGA(field-programmable-gate-array)를 포함하지만 이에 제한되지 않으며 하나 이상의 디지털-아날로그 변환기와 결합될 수도 있다. 전자 회로(402)는 파장, 주파수, 파워 등과 같은 광원(401)의 레이저 파라미터를 제어하도록 구성될 수 있다. 추가로, 전자 회로(402)는 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기를 사용하여, 광원(401) 및/또는 변조기 유닛(403)의 광전자 구성요소의 동작을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 전자 회로(402)는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
도 4a에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, QKD 송신기(400A)는 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠시키거나 및/또는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정하도록 구성된 감쇠기(405)를 더 포함할 수 있다. 전자 회로(402)는 감쇠기(405)를 제어하도록 구성될 수 있다. 감쇠기(405)는 제1 기결정 전기 신호에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 주어진 통신 모드에 대해, 감쇠도뿐만 아니라 제1 기결정 전기 신호도 고정될 수 있다. 일 예에서, 감쇠기(405)는 고정 광 감쇠기 또는 가변 광 감쇠기일 수 있다. 감쇠기(405)의 위치는 제한되지 않는다. 예를 들어, 감쇠기(405)는 변조기 유닛(403) 이전 또는 변조기 유닛(403) 이후에 포함될 수 있다. 감쇠기(405)는 변조된 광의 강도 및/또는 위상을 기결정 레벨로 감소시키거나, 또는 광섬유 네트워크에서 이러한 파라미터를 실시간으로 모니터링하거나 및/또는 광섬유 네트워크의 보안을 보장하기 위해 평균 광자 수를 기결정 레벨로 설정하기 위해 포함될 수 있다. 감쇠기(405)는 하나 이상의 광학 및/또는 전자 구성요소(들)을 포함할 수 있다. 감쇠기(405)의 하나 이상의 광학 및/또는 전자 구성요소(들)은 대응하는 CV-QKD 감쇠기 및 DV-QKD 감쇠기의 공유된 하나 이상의 광전자 구성요소일 수 있다. 전자 회로(402)는 감쇠기(405) 및/또는 감쇠기(405)의 공유된 하나 이상의 광전자 구성요소를 구동하는 제1 기결정 전기 신호를 설정함으로써 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 선택하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
도 4b는 도 4a에 도시된 QKD 송신기(400A)의 실시예/블록도의 특정 구현인 QKD 송신기(400B)를 도시한다. 이 특정 구현에서, QKD 송신기(400B)는 각각 DV-QKD BB84 타임-빈 프로토콜 및 CV-QKD GG02 프로토콜에 따라 DV-QKD 및 CV-QKD를 수행할 수 있다. 변조기 유닛(403)은 이 특정 구현에서는 연속파 레이저인 광원(401)에 의해 방출된 광 신호의 진폭을 변조하기 위한 2개의 전자-광학 진폭 변조기(AM1, AM2)와, 방출된 광 신호의 위상을 변조하기 위한 전자-광학 위상 변조기(PW1)를 포함할 수 있다. 그 후, 이 특정 구현에서는 전기적으로 제어되는 가변 광 감쇠기인 감쇠기(405)가 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠할 수 있고 및/또는 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정할 수 있다.
특정 구현은 빔 스플리터(407)를 더 포함할 수 있다. 빔 스플리터(407)는 변조된 광 신호를 분할하도록 구성될 수 있어, 분할 변조된 광 신호의 일부는 평균 광자 수의 측정 등과 같은 추가 처리를 위해 송신될 수 있고, 나머지 부분은 수신기에 송신될 수 있다(후술됨).
전자 회로(402)는 레이저 광원(401), 하나 이상의 변조기(AM1, AM2, PM1) 및 감쇠기(405) 중 적어도 하나를 구동하도록 구성된다. 특히, 이러한 구성요소 중 하나 이상은 QKD 송신기(400B)가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작할 수 있는 방식으로 제1 기결정 전기 신호에 따라서 구동될 수 있다.
도 4c는 각각 DV-QKD 모드와 CV-QKD 모드를 따른 DV-QKD BB84 타임-빈 프로토콜 및 CV-QKD GG02 프로토콜을 구현하기 위해 도 4b에 도시된 QKD 송신기(400B)의 하나 이상의 전자-광학 변조기를 구동하기 위한 기결정 전기 신호의 예를 도시한다. 즉, 기결정 전기 신호는 QKD 송신기(400B)가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록 하나 이상의 전자-광학 변조기를 구동하기 위한 하나 이상의 전기 신호를 포함할 수 있다. 이 예에서, 전기 신호는 진정한 로컬 오실레이터를 사용하는 타임-빈 BB84 DV-QKD 프로토콜(도 4c, 왼쪽) 및 GG02 CV-QKD 프로토콜(도 4c, 오른쪽)에 대응한다. 도 4c를 설명함에 있어서, 본 발명의 배경 섹션의 관련 부분이 반복되지 않지만, 여기에 참조로서 포함된다.
도 4c(왼쪽)에 도시된 바와 같이 타임-빈 BB84 프로토콜의 경우, 제1 진폭 변조기(403, AM1)는 4개의 양자 상태에 따른 강도를 갖는 펄스를 생성하며, 4개의 양자 상태는 Z 기저로부터 초기 및 후기 상태와, 동일한 강도를 갖는 2개의 펄스에 대응하는 X 기저로부터 2개의 중첩 상태 + 및 -이다. 이어서, 제2 진폭 변조기(403, AM2)는 디코이-상태 방법을 수행한다. 예를 들어, 도 4c(왼쪽)에 묘사된 바와 같이, 상태의 강도 레벨을 조정함으로써 두 개의 디코이가 구현된다. 신호 및 디코이 상태의 평균 광자 수는 각각 제2 진폭 변조기(403, AM2) 및 감쇠기(405)를 사용함으로써 조정된다. 예를 들어, 평균 광자 수가 1인 신호 펄스(즉, 평균적으로 펄스당 1개의 광자) 및 평균 광자 수가 0.1 및 0.01인 디코이 상태가 사용될 수 있다. 마지막으로, 위상 변조기(403, PM1)가 X 기저의 상태에 대해 +π 및 -π의 위상차를 설정하는데 사용될 수 있고, 또한, 아마도 프로토콜의 보안 증명에 의해 요구되는 것처럼 심볼 사이의 균일하게 분포된 랜덤 위상을 추가하는데 사용될 수 있다.
GG02 CV-QKD 프로토콜에 대해 QKD 송신기(400B)를 동작시키는데 사용되는 전기 신호가 도 4c(오른쪽)에 도시되어 있다. 이 예에서, 제1 진폭 변조기(403, AM1)는 각각 기준 및 신호 펄스로서, 2개의 상이한 진폭을 갖는 펄스 R, S를 생성한다. 기준 펄스는 가우시안 변조된 직교 위상 성분 X, P를 갖는 광학 펄스로 구성된 양자 신호 사이에 인터리빙될 수 있다. 가우시안 변조된 직교 위상 성분은 레일리 랜덤 분포에 따른 신호의 진폭을 변조하기 위해 제2 진폭 변조기(403, AM2)를 사용고, 균일한 랜덤 분포에 따라 위상을 변조하기 위해 위상 변조기(403, PM1)를 사용함으로써 얻어진다. 감쇠기(405)는 비밀 키 레이트를 최대화할 수 있는 값으로 신호의 변조 변동량(예를 들어, 평균 광자 수의 두 배와 같음)을 설정하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 기준 펄스의 진폭은 일반적으로 정확한 위상 회복을 얻기 위해 신호 펄스의 진폭보다 높을 수 있다.
도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 QKD 송신기(400D)의 블록도를 도시한다. QKD 송신기(400D)는 도 4a에 도시된 QKD 송신기(400A)의 모든 구성요소, 세부 사항 및 기능을 포함한다. QKD 송신기(400D)는 편광 스위치(409)를 더 포함한다. 편광 스위치(409)는 QKD 송신기(400D)가 예를 들어 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화, 및 이들의 임의의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써, CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드로 동시에 동작할 수 있게 한다. QKD 송신기(400D)는 다중화된 CV-QKD 및 DV-QKD 신호를 수신기(후술함)에 송신함으로써 동작할 수 있다. 도 4e에 도시된 QKD 송신기(400E)는 QKD 송신기(400D)의 특정 구현예이다. 이 구현에서, 편광 스위치(409)는 QKD 송신기(400E)가 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 시간-다중화된 패킷을 수신기에 송신할 수 있도록, 직교 편광으로 CV-QKD 및 DV-QKD 신호를 시간 다중화하도록 구성될 수 있다.
도 4f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 QKD 송신기(400F)의 블록도를 도시한다. QKD 송신기(400F)는 도 4a에 도시된 QKD 송신기(400A)의 모든 구성요소, 세부 사항 및 기능을 포함한다. QKD 송신기(400F)에서, 광원(401A)은 2개의 상이한 파장/주파수에서 동작하도록 구성되는데, 하나는 DV-QKD 모드를 위한 것이고 다른 하나는 CV-QD 모드를 위한 것이며, 이에 의해 파장 또는 주파수-다중화를 달성한다. 광원(401A)은 2개의 상이한 파장/주파수를 사용하거나 또는 서로 동일하거나 상이한 주어진 파장/주파수에서 각각 동작하는 2개의 개별 광원을 사용하여 동작하도록 구성된 예를 들어, 가변 레이저원과 같은 하나의 단일 광원일 수 있다. 광원(401A)은 QKD 송신기(400F)가 예를 들어 파장 또는 주파수-다중화 및 이들의 임의의 조합을 사용함으로써 CV-QKD 모드와 DV-QKD 모드로 동시에 동작하도록 할 수 있다. 도 4g에 도시된 QKD 송신기(400G)는 QKD 송신기(400F)의 특정 구현예이다. 이 구현에서, QKD 송신기(400G)는 CV-QKD 및 DV-QKD 신호를 파장 또는 주파수-다중화하고 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 파장 또는 주파수-다중화된 패킷을 수신기에 송신할 수 있다.
전술되어진 타임-빈 BB84 프로토콜 및 GG02 CV-QKD 프로토콜은 각각 도 4a-4g에서 제안된 QKD 송신기(400A-400G)로 수행될 수 있는 DV-QKD 및 CV-QKD 프로토콜의 한 예일뿐이다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 전자 회로(402)에 의해 전송된 기결정 전기 신호는 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6- 상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜 등과 같은 임의의 다른 프로토콜을 수행하도록 수정될 수 있다.
QKD
수신기
QKD 수신기는 QKD 송신기로부터 QKD 신호를 수신하도록 구성된다. 종래 QKD 수신기는 각각의 송신기로부터 CV-QKD 신호 또는 DV-QKD 신호를 수신하도록 구성된다.
도 5a에 도시된 종래 QKD 수신기(500A)는 일반적으로 각각의 CV 또는 DV-QKD 송신기로부터 CV 또는 DV-QKD 신호를 수신하고 및/또는 수신된 QKD 신호를 처리하기 위한 처리 유닛(501)과, 수신된 QKD 신호를 검출하기 위한 검출 유닛(503)을 포함한다. 처리 유닛(501)은 하나 이상의 광전자 구성요소를 포함할 수 있다. 처리 유닛(501)의 하나 이상의 광전자 구성요소는 균형/불균형 Michelson 간섭계 또는 균형/불균형 Mach-Zehnder 간섭계와 같은 간섭계, 하나 이상의 빔 스플리터, 편광-유지 광섬유(PMF)와 같은 편광 부재, 편광 제어기, 하나 이상의 변조기/복조기, 로컬 오실레이터 등의 임의의 조합을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 검출 유닛(503)은 또한 하나 이상의 단일 광자 검출기, 헤테로다인 검출기, 호모다인 검출기 등과 같은 하나 이상의 광전자 구성요소를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 5b-5e는 각각 DV-QKD 모드 및 CV-QKD 모드에 사용되는 종래 DV-QKD 및 CV-QKD 수신기의 예를 도시한다.
도 5b의 상부 도면은 일반적으로 타임-빈 BB84 DV-QKD 프로토콜을 수행하기 위해 사용되는 종래 수신기(500B1)를 도시한다. 수신기(500B1)는 2개의 암을 갖는 불균형 간섭계, 빔-스플리터(BS), 및 간섭계를 편광-독립적으로 만들 수 있도록 하는 각각의 간섭계 암의 끝에 마련된 2개의 FM(Faraday Mirrors)을 포함한다. 도 4c의 '초기' 및 '후기' 시간 모드 사이의 시간 구분과 동일한 파이버 지연이, 간섭계의 한쪽 암에 추가될 수 있다. 수신기(500B1)는 각각의 검출기(D1, D2)에 의한 검출을 위해 신호를 분할하기 위한 적어도 2개의 검출기(D1, D2)와 서큘레이터(C)를 더 포함하여, 간섭계가 입력 및 출력을 위해 동일한 포트를 사용할 수 있다.
대안적으로, 도 5b의 하부 도면은 타임-빈 BB84 DV-QKD 프로토콜을 수행하기 위해 일반적으로 사용되는 수신기(500B2)를 도시한다. 수신기(500B2)는 2개의 암을 갖는 불평형 간섭계, 빔-스플리터(BS), 간섭계의 양쪽 암에 추가된 편광-유지 부재(PMF) 및 수신기의 입력측에서 수신된 QKD 신호의 편광을 편광 유지 부재(PMF)의 축과 정렬시키기 위한 편광 제어기(PC)를 포함한다. 도 4c의 '초기' 및 '후기' 시간 모드 사이의 시간 구분과 동일한 파이버 지연이, 간섭계의 한쪽 암에 추가될 수 있다. 수신기(500B1)는 적어도 2개의 검출기(D1, D2)와 각각의 검출기(D1, D2)에 의한 검출을 위해 신호를 분할하기 위한 추가 빔 분할기(BS)를 더 포함한다.
도 5c는 GG02 CV-QKD 프로토콜을 수행하기 위해 일반적으로 사용되는 종래 수신기(500C)를 도시한다. 수신기(500C)는 신호 직교 위상 성분 값의 추출을 허용하기 위해 로컬 오실레이터로 송신기로부터 인입되는 신호를 간섭하도록 구성된다. 수신기(500C)는 신호의 편광을 정렬하기 위한 편광 제어기(PC)와 로컬 오실레이터(LO)를 포함하여, 간섭이 최대화될 수 있다. 도 5c의 상부 도면에 도시된 수신기(500C)는, 90° 광학 하이브리드(OH) 및 2개의 검출기(D1, D2)를 사용함으로써 직교 위상 성분 X 및 P를 동시에 검출할 수 있는 헤테로다인 검출기를 포함한다. 대안적으로, 도 5c의 하부 도면에 도시된 수신기(500C)는, 위상 변조기(PM1)를 사용하여 0과 π 사이에서 로컬 오실레이터의 위상을 랜덤하게 변화시킴으로써, 한 번에 하나씩 단일 검출기(D)에 의해 직교 위상 성분 X 및 P를 검출할 수 있는 호모다인 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 도 5a-5c에 도시된 것과 같은 임의의 통상적으로 알려진 DV-QKD 및/또는 CV-QKD 수신기는, 각각 광섬유 네트워크에서 DV-QKD 및/또는 CV-QKD 통신하는, 도 4a-4g에 도시된 본 발명의 QKD 송신기와 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 QKD 수신기(600)는 도 6을 참조하여 설명된다. QKD 수신기(600)는 예를 들어, 종래의 CV 및/또는 DV-QKD 송신기, 또는 본 발명에 따른 QKD 송신기로부터, CV 및/또는 DV-QKD 신호를 수신하도록 구성되거나, 및/또는 수신된 QKD 신호를 처리하도록 구성된 처리 유닛(601), 및 수신된 QKD 신호를 검출하도록 구성된 검출 유닛(603)을 포함한다. 처리 유닛(601) 및 검출 유닛(603)은 수신기(500A)와 동일한 구성요소를 포함할 수 있다.
QKD 수신기(600)는 처리 유닛(601) 및/또는 검출 유닛(603)을 제어하도록 구성된 전자 회로(605)를 더 포함한다. 특히, 전자 회로(605)는 QKD 수신기(600)가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하는 방식으로, 예를 들어 제2 기결정 전기 신호에 따라 처리 유닛(601) 및/또는 검출 유닛(603)을 구동하도록 구성된다. 전자 유닛(605)은 처리 유닛(601) 및/또는 검출 유닛(603)을 구동하는 제2 기결정 전기 신호를 설정함으로써 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드를 선택하는 것을 허용할 수 있다. 전자 회로(605)는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 요소일 수 있다. 전자 회로(605)의 예는 전자 스위치, 편광-빔 스플리터(Polarizing-Beam Splitter, PBS), 파장-분할-다중화기(Wavelength-Division-Multiplexer, WDM), 편광 제어기 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서, 전자 회로(605)는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
전자 회로(605)의 제2 기결정 전기 신호는 QKD 수신기(600)의 동작 모드로서 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 하나를 선택하기 위해, 처리 유닛(601) 및/또는 검출 유닛(603)의 구성요소, 특히 처리 유닛(601) 및/또는 검출 유닛(603)의 하나 이상의 광전자 구성요소를 구동하도록 구성될 수 있다. 제2 기결정 전기 신호는 임의의 형태의 신호일 수 있지만 CV-QKD에서 DV-QKD로 또는 그 반대로 동작을 전환하기 위한 처리 유닛 및 또는 검출 유닛으로의 신호이다.
따라서 QKD 수신기(600)는 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성되며, 이로써 다목적 상호 운용성, 재구성 기능 및 전환 가능성이 달성될 수 있고, QKD 성능이 최적화될 수 있다.
실시예에서, QKD 수신기의 하나 이상의 광전자 구성요소(들)는 종래 CV-QKD 수신기와 DV-QKD 수신기에 의해 공유되는 하나 이상의 광전자 구성요소일 수 있다. 본 발명의 QKD 송신기와 유사하게, QKD 수신기의 전자 회로(605)는 DV-QKD 모드와 CV-QKD 모드 사이에서 적절하게 DV 및/또는 CV 신호의 검출을 수행하도록 구성된다.
도 7a는 본 발명의 실시예에서 특정 구현에 따른 QKD 수신기(700A)를 도시한다. QKD 수신기(700A)는 도 5b의 타임-빈 BB84 DV-QKD 수신기(500B2)의 구성요소와 도 5c(상부 도면)의 GG02 CV-QKD 수신기(500C)의 구성요소를 결합하고, 이 실시예에서, 도 6의 전자 회로(605)에 의해 제어되도록 구성된다. 편광 제어기(PC)는 QKD 수신기(700A)가 DV-QKD 모드 및 CV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작될 수 있도록 전자 회로(605)에 의해 제어된다. 이 실시예에서, QKD 수신기(700A)에는 편광 제어기(PC)에 의해 제어되도록 구성된 편광-빔 스플리터(PBS)가 제공된다. DV 또는 CV-QKD 수신기의 구성요소가 본 발명의 QKD 송신기로부터 각각의 QKD 신호를 수신하도록 동작되도록, 편광 제어기(PC)가 신호를 편광-빔 스플리터(PBS)로 전송하도록 구성되도록, 전자 회로가, 편광 제어기(PC)를 제어하도록 구성된다.
도 7b는 본 발명의 실시예에서 또 다른 특정 구현에 따른 대안적인 QKD 수신기(700B)를 도시한다. QKD 수신기(700B)는 편광-빔 스플리터(PBS)가 파장-분할-다중화기(WDM)로 대체된다는 점에서 QKD 수신기(700A)와 다르다. QKD 수신기(700B)는 QKD 송신기(400F 또는 400G)의 광원(401A)이 예를 들어, 도 4e의 실시예에서, 하나는 DV-QKD 모드용이고 다른 하나는 CV-QD 모드용 등인 2개의 상이한 파장/주파수에서 동작하는 경우에 사용될 수 있다. 동작 중에, QKD 송신기(400C)는 CV-QKD 및 DV-QKD 신호를 파장 또는 주파수-다중화하고 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 파장 또는 주파수-다중화된 패킷을 QKD 수신기(700B)로 송신할 수 있다. 전자 회로(605)에 응답하여, 파장-분할-다중화기(WDM)는 DV 및 CV 신호를 분리하여 대응하는 검출기로 송신하도록 구성된다. 이러한 다중 구성으로, DV-QKD 모드와 CV-QKD 모드는 QKD 수신기(700B)에 의해 동시에 수행될 수 있다.
전술된 타임-빈 BB84 프로토콜 및 GG02 CV-QKD 프로토콜은 각각 도 6-7b에서 제안된 QKD 수신기(600-700B)로 수행될 수 있는 DV-QKD 및 CV-QKD 프로토콜의 한 예일뿐이다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 전자 회로(605)에 의해 송신된 기결정 전기 신호는 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 변이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜 등과 같은 임의의 다른 프로토콜을 수행하도록 수정될 수 있다.
본 발명의 실시예는 네트워크 노드, 광 네트워크, QKD 송신기, QKD 수신기 및 DV-QKD와 CV-QKD 모드 사이의 동작이 동적으로 전환될 수 있는 것에 따른 네트워크 노드의 동작 방법을 제공하고, 이로써 광섬유 네트워크의 다목적 및 강력한 재구성, 그리고 상호 운용성을 실현할 수 있다.
Claims (29)
- 광섬유 네트워크에서 동작하도록 구성된 네트워크 노드로서,
연속-변수(CV)-QKD 모드 및/또는 이산-변수(DV)-QKD 모드에 따라서 상기 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 QKD 통신 유닛(QCD2-QCD5)과 통신하도록 구성된 양자 암호키 분배(QCD1) 통신 유닛; 및
상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
상기 제어 유닛은 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드 사이에서 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)의 동작을 전환하도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 1에 있어서,
상기 QKD 통신 유닛(QCD1)은 상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 적어도 하나의 QKD 송신기(400A-400G)를 포함하는 네트워크 노드. - 청구항 2에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 QKD 송신기(400A-400G)가 상기 CV-QKD 모드 또는 상기 DV-QKD 모드로 동작하도록, 제1 기결정 전기 신호로 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)을 구동하도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 3에 있어서,
상기 QKD 송신기(400A-400G)는
적어도 하나의 광원(401, 401A)에 의해 방출되는 광 신호의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 변조기 유닛(403, AM1, AM2, PM1); 및
상기 제1 기결정 전기 신호에 따라 상기 변조기 유닛(403, AM1, AM2, PM1)을 구동하도록 구성된 전자 회로(402)를 포함하는, 네트워크 노드. - 청구항 4에 있어서,
상기 QKD 송신기(400A-400G)는 상기 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠시키고 및/또는 상기 CV-QKD 모드 또는 상기 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정하도록 구성된 감쇠기(405)를 포함하고, 상기 전자 회로(402)는 상기 감쇠기(405)를 제어하도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이것들의 임의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 상기 QKD 송신기(400A-400G)를 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드로 동시에 동작시키도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 QKD 송신기(400A-400G)는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 결합시키고, 상기 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 상기 적어도 하나의 DV-QKD 송신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하는, 네트워크 노드. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 QKD 통신 유닛(QCD1)은 상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 구성된 적어도 하나의 QKD 수신기(500A-700B)를 포함하는, 네트워크 노드. - 청구항 8에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 QKD 수신기(500A-700B)가 CV-QKD 모드 또는 상기 DV-QKD 모드로 동작하도록, 제2 기결정 전기 신호로 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)을 구동하도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 9에 있어서,
상기 QKD 수신기(500A-700B)는
각각 상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 검출을 수행하도록 구성된 처리/검출 유닛(501, 601); 및
상기 제2 기결정 전기 신호에 따라 상기 처리/검출 유닛(501, 601)을 구동하도록 구성된 전자 회로(605)를 포함하는, 네트워크 노드. - 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이것들의 임의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 상기 QKD 수신기(500A-700B)를 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드로 동시에 동작시키도록 구성된, 네트워크 노드. - 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 QKD 수신기(500A-700B)는 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기를 결합시키고, 상기 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 상기 적어도 하나의 DV-QKD 수신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하는, 네트워크 노드. - 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초하고 상기 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초하는, 네트워크 노드. - 청구항 13에 있어서,
상기 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함하고, 상기 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함하는 네트워크 노드. - 각각이 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 네트워크 노드를 포함하는 광섬유 네트워크.
- 광섬유 네트워크에서 정보를 전송하도록 구성된 QKD 송신기로서,
적어도 하나의 광원(401, 401A)에 의해 방출되는 광 신호의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 변조기 유닛(403, AM1, AM2, PM1); 및
상기 QKD 송신기가 CV-QKD 모드 또는 DV-QKD 모드로 동작하도록, 기결정 전기 신호에 따라 상기 변조기 유닛(403, AM1, AM2, PM1)을 구동하도록 구성된 전자 회로(402)를 포함하는, QKD 송신기. - 청구항 16에 있어서,
상기 변조된 광 신호를 기결정 레벨로 감쇠시키고 및/또는 상기 CV-QKD 모드 또는 상기 DV-QKD 모드에 필요한 평균 광자 수를 설정하도록 구성된 감쇠기(405)를 더 포함하고, 상기 전자 회로(402)는 상기 감쇠기(405)를 제어하도록 구성된, QKD 송신기. - 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
상기 QKD 송신기는 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이들의 임의의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드로 동시에 동작하도록 구성되는, QKD 송신기. - 청구항 16 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 QKD 송신기는 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 적어도 하나의 DV-QKD 송신기를 결합시키고, 상기 적어도 하나의 CV-QKD 송신기와 상기 적어도 하나의 DV-QKD 송신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하는, QKD 송신기. - 청구항 16 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
네트워크 노드의 상기 QKD 송신기는 상기 CV-QKD 모드 및/또는 상기 DV-QKD 모드에 따라서 상기 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 대응하는 QKD 수신기(500A-700B)와 통신하도록 구성된, QKD 송신기. - 청구항 16 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초하고 상기 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초하는, QKD 송신기. - 청구항 21에 있어서,
상기 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함하고, 상기 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함하는, QKD 송신기. - 광섬유 네트워크에서 정보를 수신하도록 구성된 QKD 수신기로서,
각각 CV-QKD 모드 및 DV-QKD 모드에서 CV-QKD 및 DV-QKD 신호의 수신 및/또는 검출을 수행하도록 구성된 처리/검출 유닛(501, 601); 및
상기 QKD 수신기가 상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드로 동작하도록 기결정 전기 신호에 따라 상기 처리/검출 유닛(501, 601)을 구동하도록 구성된 전자 회로(605)를 포함하는, QKD 수신기. - 청구항 23에 있어서,
상기 QKD 수신기는 시간, 주파수, 공간, 편광 다중화 및 이것들의 임의 조합 중 어느 하나를 사용함으로써 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드로 동시에 동작하도록 구성된, QKD 수신기. - 청구항 23 또는 청구항 24에 있어서,
상기 QKD 수신기는 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 적어도 하나의 DV-QKD 수신기를 결합시키고, 상기 적어도 하나의 CV-QKD 수신기와 상기 적어도 하나의 DV-QKD 수신기는 적어도 하나의 광전자 구성요소를 공유하는, QKD 수신기. - 청구항 23 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서,
네트워크 노드의 상기 QKD 수신기는 상기 CV-QKD 모드 및/또는 상기 DV-QKD 모드에 따라서 상기 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 대응하는 QKD 송신기와 통신하도록 구성된, QKD 수신기. - 청구항 23 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CV-QKD 모드는 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜에 기초하고 상기 DV-QKD 모드는 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜에 기초하는, QKD 수신기. - 청구항 27에 있어서,
상기 적어도 하나의 CV-QKD 프로토콜은 GG02 프로토콜 및 이산-변조된 CV-QKD 프로토콜을 포함하고, 상기 적어도 하나의 DV-QKD 프로토콜은 BB84 DV-QKD 프로토콜, 코히런트 단방향 DV-QKD 프로토콜, 차동 위상 편이 DV-QKD 프로토콜, 3-상태 DV-QKD 프로토콜, 6-상태 DV-QKD 프로토콜 및 디코이-상태 DV-QKD 프로토콜을 포함하는, QKD 수신기. - 광섬유 네트워크에서 네트워크 노드의 동작 방법으로서, 상기 네트워크 노드는
연속-변수(CV)-QKD 모드 및/또는 이산-변수(DV)-QKD 모드에 따라서 상기 광섬유 네트워크의 적어도 하나의 다른 네트워크 노드의 다른 QKD 통신 유닛(QCD2-QCD5)과 통신하도록 구성된 양자 암호키 분배(QCD1) 통신 유닛; 및
상기 CV-QKD 모드 및 상기 DV-QKD 모드 중 적어도 하나로 동작하도록 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
상기 제어 유닛을 사용하여, 상기 CV-QKD 모드와 상기 DV-QKD 모드 사이에서 상기 QKD 통신 유닛(QCD1)의 동작을 전환하는 단계를 포함하는, 방법.
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