WO2016117978A1 - 양자암호에 의한 보안 향상성을 갖는 모바일 커머스 및 인증 방법 - Google Patents

양자암호에 의한 보안 향상성을 갖는 모바일 커머스 및 인증 방법 Download PDF

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안도열
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Definitions

  • the present invention relates to a communication terminal and server capable of quantum cryptography-based encrypted communication, and more particularly, to quantum cryptography-based encryption in a communication terminal and server for improving security of an alternative payment system based on mobile commerce.
  • a communication device and an authentication / communication method are provided.
  • the asymmetric public key cryptosystem developed in the 1970s and now widely used in communication systems such as the Internet, is a method of encrypting information using a mathematical problem that is very difficult to solve as a public key and decrypting it using the year as a secret key. It is based on mathematical "computation complexity".
  • RSA public key cryptosystem developed by three people, Rivest, Shamir, and Adleman takes advantage of the difficulty of factoring very large numbers.
  • the prime factorization problem increases exponentially as the size of the problem increases. Therefore, when the sender and receiver use a sufficiently large number of prime factorization problems as the public key, it is practical for the eavesdropper to decrypt the ciphertext. Take advantage of what would be impossible.
  • the cryptographic system based on this mathematical computational complexity has been questioned about the security of the algorithm due to the development of more sophisticated algorithms.
  • AT & T's Peter Shor developed the quantum computer-based prime factorization algorithm to develop the quantum computer.
  • RSA cryptosystems are found to be fundamentally decipherable.
  • Quantum cryptography which has emerged as an alternative to solve this security problem, is based on the principle of quantum mechanics, which is the fundamental law of nature, rather than mathematical computational complexity. .
  • quantum cryptography is a technology that distributes a secret key (disposable random number) absolutely and securely in real time between a sender and a receiver based on the laws of quantum physics such as "non-quantity duplication”. Also known as).
  • the first quantum cryptographic protocol was introduced in 1984 by C.H. Presented by Bennett and G. Brassard of the University of Montreal. Named after the inventors, the BB84 protocol uses four quantum states (for example, the polarization state of a single photon) that make up two bases.
  • Quantum cryptography communication technology An example of such a quantum cryptography communication technology is described in the electronic communication trend analysis No. 20 No. 5 October 2005 "Quantum encryption communication technology".
  • the prior art relates to a quantum cryptography communication technique using a quantum system of Hilbert space having a dimension of 2, that is, qubit (Qubit, quantum bit).
  • quantum cryptography technology when eavesdropping is performed, the signal is destroyed and replication is impossible.
  • high price of equipment for transmitting and receiving quantum cryptography has become an obstacle to widespread use of such quantum cryptography technology for general users.
  • a quantum code in order to receive a quantum code, a quantum code can be interpreted by receiving a polarized controlled optical signal in a specific pattern, attenuating it, and detecting a single photon through a single photon detector.
  • the price is very high, it is difficult to spread.
  • the quantum code receiver since the quantum code receiver is difficult to miniaturize due to its characteristics, it is not easy to be mounted in a general user terminal.
  • An object of the present invention is to propose an authentication protocol using quantum cryptography communication through a relay device between a mobile terminal and a server to improve the size of the authentication process through quantum cryptography to enable miniaturization / light weight.
  • the present invention proposes an authentication protocol using quantum cryptography communication between a mobile terminal and a server or a relay device, and aims to propose an authentication method capable of executing user authentication while maintaining high security in mobile commerce.
  • the present invention generates a secret key in the communication terminal and the repeater or server through the quantum cryptography-based encrypted communication with the communication terminal and the repeater or server including an optical communication unit, respectively, and the generated secret key, respectively, the communication terminal and the repeater or server Aims to provide mobile commerce through user authentication with enhanced security through sharing with each other.
  • the present invention is a quantum cryptography applicable in an environment that can use a wired communication method through the optical fiber and a free space optical communication technique through a laser diode or a photodiode to transmit a quantum cryptography-based signal from a communication terminal to a repeater or a server
  • An object of the present invention is to provide mobile commerce through communication and user authentication.
  • an object of the present invention is to increase the security of a mobile payment application between a communication terminal and a repeater or a server through a quantum key distribution (QKD) method.
  • QKD quantum key distribution
  • the communication terminal for quantum cryptography authentication is an optical communication unit for receiving a series of first quantum signals generated by passing through the first quantum filter of the communication terminal on the receiving side ;
  • a quantum signal generator configured to generate the first quantum signal by setting the first quantum filter on a reception path of a series of second quantum signals generated and transmitted from a server or a repeater;
  • a processor configured to select a setting of the first quantum filter based on a randomly generated first quantum state and to control the quantum signal generator to generate the first quantum signal by the first quantum filter. do.
  • the processor includes a random number generator for randomly generating the first quantum state based on a random random number; Transmits information of the first quantum filter to the server, receives information of a second quantum filter used to generate the second quantum signal by the server, receives information of the first quantum filter and the second quantum An encryption unit for generating a secret key with the server using information of a filter; And a user authentication unit which performs user authentication with the server using the secret key.
  • the quantum filter may be a polarization basis and the quantum signal may be a polarization signal.
  • the quantum filter may be a phase generator (phase basis), and the quantum signal may be a signal to which the phase time difference is given.
  • the second quantum signal may have a signal strength adjusted based on a distance between the server and the optical communication unit or the server and the quantum signal generator.
  • the encryption unit transmits the characteristic information of the optical communication unit or the quantum signal generator to the server
  • the second quantum signal is a signal adjusted based on the characteristic information of the optical communication unit or the quantum signal generator transmitted to the server. May have strength.
  • the quantum signal generator may receive the second quantum signal from the server by a free space optical communication method in which the distance to the server is within a reference distance.
  • the random number generator may use a quantum random number generator (QRNG) to increase the randomness of the first quantum state.
  • QRNG quantum random number generator
  • a server device for quantum cryptography communication includes a quantum signal generator for generating a series of first quantum signals using a first quantum filter of a server device which is a transmitting side; An optical communication unit transmitting the first quantum signal to a communication terminal; Select the setting of the first quantum filter based on a randomly generated series of first quantum states, and control the quantum signal generator to generate the first quantum signal by the first quantum filter, and the communication terminal And a processor controlling the optical communication unit to adjust a signal strength of the first quantum signal based on a communication condition with the first quantum signal.
  • the processor includes a random number generator for randomly generating the first quantum state based on a random random number; Transmitting information of the first quantum filter to the communication terminal, receiving information of a second quantum filter used to generate a second quantum signal from the first quantum signal by the communication terminal, and receiving the first quantum filter An encryption unit for generating a secret key with the communication terminal using the information of the second quantum filter and the information of the second quantum filter; And a user authentication unit which performs user authentication with the communication terminal using the secret key.
  • the processor may adjust the signal strength of the first quantum signal based on a distance between the communication terminal and the optical communication unit or the communication terminal and the quantum signal generator.
  • the processor may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the quantum signal reception characteristic of the communication terminal.
  • the optical communication unit may transmit the first quantum signal to the communication terminal by a free space optical communication method in which a distance from the communication terminal is within a reference distance.
  • the optical communication unit receives an optical signal that is a prototype of the first quantum signal from the secondary server, the processor is attenuated to the optical signal based on the communication conditions with the communication terminal for the first quantum signal
  • the optical communication unit may be controlled to adjust the signal strength of the optical communication unit.
  • a quantum cryptography authentication method of a communication terminal includes the steps of randomly generating a series of first quantum states based on a random random number; Selecting a setting of a first quantum filter to generate a series of first quantum signals based on the first quantum states; Generating the first quantum signal by setting the first quantum filter in a reception path of a series of second quantum signals generated and transmitted from a server or a repeater; Receiving the first quantum signal generated by passing the first quantum filter; Transmitting information of the first quantum filter to the server and receiving information of a second quantum filter used to generate the second quantum signal by the server; Generating a secret key with the server using the information of the first quantum filter and the information of the second quantum filter; And performing user authentication with the server using the secret key.
  • a quantum cryptography authentication method of a server device includes the steps of randomly generating a series of first quantum states based on a random random number; Selecting a setting of a first quantum filter based on the first quantum state; Generating a series of first quantum signals using the first quantum filter; Adjusting signal strength of the first quantum signal based on a communication condition with a communication terminal; Transmitting the first quantum signal to the communication terminal; Transmitting information of the first quantum filter to the communication terminal and receiving information of a second quantum filter used to generate a second quantum signal from the first quantum signal by the communication terminal; Generating a secret key with the communication terminal using the information of the first quantum filter and the information of the second quantum filter; And performing user authentication with the communication terminal using the secret key.
  • adjusting the signal strength of the first quantum signal may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the distance between the communication terminal and the server device.
  • adjusting the signal strength of the first quantum signal may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the quantum signal reception characteristic of the communication terminal.
  • the quantum cryptography authentication method of the server device of the present invention may further comprise the step of receiving an optical signal that is the prototype of the first quantum signal from the secondary server.
  • the signal strength of the first quantum signal may be adjusted by attenuating the optical signal based on a communication condition with the communication terminal.
  • the present invention it is possible to implement an authentication protocol using each quantum cryptography communication between the mobile terminal and the server so that it can be miniaturized / lightened and implemented at a low price by improving a part of the authentication process through quantum cryptography. This allows user authentication to be performed while maintaining high security in mobile commerce.
  • the present invention has the effect that it is possible to implement a communication terminal capable of authentication using quantum cryptography, which can be miniaturized / lightweight and can be implemented at a low price, it is possible to execute the user authentication of the mobile commerce using such a communication terminal It has an effect.
  • a module capable of transmitting or receiving a quantum cryptography at a minimum cost in a mobile terminal is implemented, and the signal strength of the quantum signal is adjusted in a server or a repeater by optimizing the quantum cryptographic communication environment information of the mobile terminal.
  • 1 is a diagram illustrating a conventional quantum cryptography communication method.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method for identifying whether a wiretap is made through conventional quantum cryptographic communication.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a communication relationship between a communication terminal and a server according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing in detail a communication terminal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing in detail the server device for communication according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a quantum cryptography based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a quantum cryptography authentication method of a communication terminal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a communication method of a server apparatus for quantum encryption communication according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an optical communication unit of a terminal for quantum encryption communication and a server device for communication according to an embodiment of the present invention.
  • the communication terminal for quantum cryptography authentication is an optical communication unit for receiving a series of first quantum signals generated by passing through the first quantum filter of the communication terminal on the receiving side ;
  • a quantum signal generator configured to generate the first quantum signal by setting the first quantum filter on a reception path of a series of second quantum signals generated and transmitted from a server or a repeater;
  • a processor configured to select a setting of the first quantum filter based on a randomly generated first quantum state and to control the quantum signal generator to generate the first quantum signal by the first quantum filter. do.
  • the processor includes a random number generator for randomly generating the first quantum state based on a random random number; Transmits information of the first quantum filter to the server, receives information of a second quantum filter used to generate the second quantum signal by the server, receives information of the first quantum filter and the second quantum An encryption unit for generating a secret key with the server using information of a filter; And a user authentication unit which performs user authentication with the server using the secret key.
  • the quantum filter may be a polarization basis and the quantum signal may be a polarization signal.
  • the quantum filter may be a phase generator (phase basis), and the quantum signal may be a signal to which the phase time difference is given.
  • the second quantum signal may have a signal strength adjusted based on a distance between the server and the optical communication unit or the server and the quantum signal generator.
  • the encryption unit transmits the characteristic information of the optical communication unit or the quantum signal generator to the server
  • the second quantum signal is a signal adjusted based on the characteristic information of the optical communication unit or the quantum signal generator transmitted to the server. May have strength.
  • the quantum signal generator may receive the second quantum signal from the server by a free space optical communication method in which the distance to the server is within a reference distance.
  • the random number generator may use a quantum random number generator (QRNG) to increase the randomness of the first quantum state.
  • QRNG quantum random number generator
  • a server device for quantum cryptography communication includes a quantum signal generator for generating a series of first quantum signals using a first quantum filter of a server device which is a transmitting side; An optical communication unit transmitting the first quantum signal to a communication terminal; Select the setting of the first quantum filter based on a randomly generated series of first quantum states, and control the quantum signal generator to generate the first quantum signal by the first quantum filter, and the communication terminal And a processor controlling the optical communication unit to adjust a signal strength of the first quantum signal based on a communication condition with the first quantum signal.
  • the processor includes a random number generator for randomly generating the first quantum state based on a random random number; Transmitting information of the first quantum filter to the communication terminal, receiving information of a second quantum filter used to generate a second quantum signal from the first quantum signal by the communication terminal, and receiving the first quantum filter An encryption unit for generating a secret key with the communication terminal using the information of the second quantum filter and the information of the second quantum filter; And a user authentication unit which performs user authentication with the communication terminal using the secret key.
  • the processor may adjust the signal strength of the first quantum signal based on a distance between the communication terminal and the optical communication unit or the communication terminal and the quantum signal generator.
  • the processor may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the quantum signal reception characteristic of the communication terminal.
  • the optical communication unit may transmit the first quantum signal to the communication terminal by a free space optical communication method in which a distance from the communication terminal is within a reference distance.
  • the optical communication unit receives an optical signal that is a prototype of the first quantum signal from the secondary server, the processor is attenuated to the optical signal based on the communication conditions with the communication terminal for the first quantum signal
  • the optical communication unit may be controlled to adjust the signal strength of the optical communication unit.
  • a quantum cryptography authentication method of a communication terminal includes the steps of randomly generating a series of first quantum states based on a random random number; Selecting a setting of a first quantum filter to generate a series of first quantum signals based on the first quantum states; Generating the first quantum signal by setting the first quantum filter in a reception path of a series of second quantum signals generated and transmitted from a server or a repeater; Receiving the first quantum signal generated by passing the first quantum filter; Transmitting information of the first quantum filter to the server and receiving information of a second quantum filter used to generate the second quantum signal by the server; Generating a secret key with the server using the information of the first quantum filter and the information of the second quantum filter; And performing user authentication with the server using the secret key.
  • a quantum cryptography authentication method of a server device includes the steps of randomly generating a series of first quantum states based on a random random number; Selecting a setting of a first quantum filter based on the first quantum state; Generating a series of first quantum signals using the first quantum filter; Adjusting signal strength of the first quantum signal based on a communication condition with a communication terminal; Transmitting the first quantum signal to the communication terminal; Transmitting information of the first quantum filter to the communication terminal and receiving information of a second quantum filter used to generate a second quantum signal from the first quantum signal by the communication terminal; Generating a secret key with the communication terminal using the information of the first quantum filter and the information of the second quantum filter; And performing user authentication with the communication terminal using the secret key.
  • adjusting the signal strength of the first quantum signal may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the distance between the communication terminal and the server device.
  • adjusting the signal strength of the first quantum signal may adjust the signal strength of the first quantum signal based on the quantum signal reception characteristic of the communication terminal.
  • the quantum cryptography authentication method of the server device of the present invention may further comprise the step of receiving an optical signal that is the prototype of the first quantum signal from the secondary server.
  • the signal strength of the first quantum signal may be adjusted by attenuating the optical signal based on a communication condition with the communication terminal.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional quantum cryptography communication method. It will be apparent to those skilled in the art that the quantum cryptography communication technique shown in FIG. 1 can be used in the implementation of the present invention without departing from the spirit of the present invention and without reducing the scope of the present invention.
  • the first quantum cryptographic protocol was introduced in 1984 by C.H. Presented by Bennett and G. Brassard of the University of Montreal. Named after the inventors, the BB84 protocol utilizes four quantum states (eg, the polarization state of a single photon), which form two basis as shown in FIG. 1.
  • the sender Alice randomly selects one of two basis, that is, + or X (step 1), and randomly selects one of two selected quantum states (secret key value), that is, 0 or 1 Send to Bob (Step 2).
  • the receiver Bob which receives the quantum state, also randomly selects one of two basis (step 3), and measures the received quantum state using the selected basis (step 4).
  • the sender Alice and the receiver publish their own randomly selected basis to each other. If the basis selected by the sender Alice and the basis selected by the receiver Bob are the same, the receiver ( Bob's measurement matches the randomly chosen quantum state of the sender Alice, so that the two users have the same secret key (step 5).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method for identifying whether a wiretap is made through conventional quantum cryptographic communication. It will be apparent to those skilled in the art that the quantum cryptography communication technique shown in FIG. 2 may also be used in the implementation of the present invention without departing from the spirit of the present invention and without diminishing the scope of the present invention.
  • an embodiment in which a polarized property is transmitted to a photon as a quantum signal, transmitted, and then measured and received using a polarized basis may be implemented.
  • the photon is spaced in phase time and measured and received using an interferometer is possible.
  • the quantum filter may be a polarization basis and the quantum signal may be a polarization signal.
  • the quantum filter may be a phase generator, and the quantum signal may be a signal to which the phase time difference is given.
  • the phase filter of the phase time difference may have a phase delay value of 90 degrees / 270 degrees or 0 degrees / 180 degrees according to a randomly generated quantum state. That is, a phase generator (phase filter) of 90 degrees / 270 degrees may correspond to the quantum state "0", and a phase generator of 0 degrees / 180 degrees may correspond to the quantum state "1".
  • a quantum signal value embodied in a phase generator already determined that is, a quantum signal having one of 90 degrees or 270 degrees, or one of 0 degrees or 180 degrees, may be generated.
  • the method of using a polarization characteristic and the method of using a phase time difference in generating a quantum signal are known techniques and equivalent techniques, and there is no substantial difference between the method of using a polarization characteristic or a phase time difference in embodying the spirit of the present invention. Selecting an embodiment does not limit the spirit of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a communication relationship between a communication terminal and a server according to an embodiment of the present invention.
  • the communication terminal 310 of the present invention may be a mobile terminal or a personal terminal, generates a quantum cryptography, and shares the basic information used for generating the quantum cryptography with the server device 320.
  • the server device 320 may perform the role of Alice in FIGS. 1 and 2, and the communication terminal 310 may perform the role of Bob in FIGS. 1 and 2.
  • the communication terminal 310 may play the role of Alice, and the server device 320 may play the role of Bob.
  • the communication terminal 310 and the server device 320 become Alice each of generating a quantum cryptography, and serves as Bob for receiving the quantum cryptography generated by the other party.
  • the polarized signal including the quantum cryptography generated in the communication terminal 310 is transmitted to the communication server device 320 through the optical communication channel 330, and the basis used to generate the quantum cryptography in the communication terminal 310
  • the information may be shared with each other via a general communication network 340 between the communication terminal 310 and the communication server device 320.
  • the server device 320 receives and interprets the polarized signal, and may share the basis information used for the analysis of the polarized signal with the communication terminal 310 via the communication network 340.
  • the communication terminal 310 may receive a polarized signal including a quantum cryptogram generated by the server device 320 through the optical communication channel 330.
  • the polarization signal transmitted from the transmission side may be referred to as the first polarization signal and the reception signal via the polarization filter on the reception side as the second polarization signal for convenience.
  • the communication terminal 310 may transmit and receive a polarization signal including a quantum cipher to the server device 330 via an optical fiber capable of optical communication.
  • the communication terminal 310 is a mobile terminal
  • the polarized signal including the quantum cryptography is transmitted from the communication terminal 310 by a free-space optical communication technique
  • the communication server device 320 Can be received.
  • Polarization signals may also be transmitted through the reverse path.
  • the free space optical communication is used in an environment in which a polarized signal transmitted from the communication terminal 310 can directly reach the server device 320 without obstacles in the path from the communication terminal 310 to the server device 320. It refers to the optical communication technique.
  • Free space optical communication can also be interpreted as a direct face to face approach.
  • the communication terminal 310 may transmit a polarization signal by using a laser diode (LD) or a photo diode (PD).
  • LD laser diode
  • PD photo diode
  • the communication terminal 310 and the server device 320 are used to generate quantum cryptography from each of the communication terminal 310 or the server device 320 via a general communication network 340 including a wired or wireless communication network.
  • Polarized basis information can be shared with each other.
  • each of the communication terminal 310 and the communication server device 320 is based on a series of quantum states randomly generated by the random number generator (RNG) of each of the communication terminal 310 and the communication server device 320.
  • RNG random number generator
  • Generate polarization basis information and share this polarization basis information.
  • random number generation may be performed using a quantum random number generator (QRNG) to obtain more complete randomness.
  • QRNG quantum random number generator
  • FIG. 3 an embodiment in which a quantum cryptography is directly transmitted from the communication terminal 310 to the server device 320 and also from the server device 320 to the communication terminal 310 is illustrated, but the spirit of the present invention is not limited thereto.
  • Embodiments are also possible in which the device relays the polarized signal. An embodiment of this relay method will be described later with reference to FIGS. 6 to 9.
  • FIG. 4 is a view showing in detail a communication terminal according to an embodiment of the present invention.
  • the communication terminal 400 includes a polarization generator 410, an optical communication unit 420, and a processor 430, and the processor 430 includes a random number generator 431, an encryption unit 432, and a user authentication unit 433. ).
  • the polarization generator 410 may refer to a polarization filter, and generates a series of first polarization signals using the first polarization basis.
  • the first polarization basis may be described based on the polarization basis illustrated in FIGS. 1 and 2. For convenience of description, it may be a zero degree base or a 45 degree base shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first polarized signal refers to a signal through which a series of randomly generated bits (cryptic keys of FIGS. 1 and 2) passed through the polarization filter to have a value of 0 or 1.
  • the optical communication unit 420 transmits a series of first polarization signals generated by the polarization generator 410 to the server, and the server receives the first polarization signal as a second polarization signal generated through the second polarization base. Can be.
  • the server may also generate a third polarized signal using the third polarization basis and transmit the third polarized signal.
  • the optical communication unit 420 may receive a series of third polarization signals generated from the server through the fourth polarization base. At this time, the polarization signal transmission and reception between the communication terminal 400 and the server may be made directly without an intermediate relay device, or may be transmitted through a repeater.
  • the optical communication unit 420 may transmit a series of polarized signals to a server by a free-space optical communication technique, and may receive a series of polarized signals from the server.
  • Free space optical communication means optical communication by direct face-to-face communication.
  • the distance between the optical communication unit 420 and the server may be induced to a reference distance or less. This may be referred to as proximity free-space optical communication.
  • the laser diode and the photodiode do not need to be high power, and may have an output capable of transmitting a quantum cryptography through a free space optical communication or direct face-to-face optical communication of the communication terminal 400 and a server or a relay period.
  • a laser diode or a photodiode with an output capable of transmitting and receiving a quantum password without loss is provided to the communication terminal 400. It means when it is mounted.
  • the repeater or server may be implemented in the form of an ATM or Point of Sales (POS) terminal, or in the form of a set-top box for a home or office.
  • POS Point of Sales
  • the distance between the terminal 400 and the repeater or between the terminal 400 and the server may be a close distance within 10 cm.
  • the terminal 400 is close to the repeater or the server, it is unlikely that an external eavesdropping intervenes between the terminal 400 and the repeater or the server, and thus the quantum code between the terminal 400 and the repeater or the server may be intercepted. The probability will be very low.
  • the output of the optical communication unit 420 mounted on the terminal 400 does not need to be high, and the receiving module of the optical communication unit 420 also has low specification hardware. It can be implemented as.
  • an expensive detector and an attenuator capable of detecting one photon unit from a polarized signal are required.
  • the output of the optical signal transmitted from the server or the repeater may be optimized, and the terminal 400 may include an attenuator having a minimum specification. Even with a detector, quantum cryptography and authentication will be possible.
  • the processor 430 selects the first polarization basis based on a randomly generated series of first quantum states, and generates the polarization generator 410 such that the series of first polarization signals are generated by the first polarization basis. ) Can be controlled.
  • the processor 430 may select the fourth polarization basis based on the randomly generated series of fourth quantum states.
  • the polarization generator 410 may be controlled to receive the third polarization signal transmitted from the server through the fourth polarization base to be received by the optical communication unit 420 as the fourth polarization signal.
  • the processor includes a random number generator 431, an encryption unit 432, and a user authentication unit 433, wherein the random number generator 431 is a series of first or fourth quantum states based on a random random number. Generate randomly.
  • the random number generator 431 may further increase the randomness of the quantum state by using a quantum random number generator (QRNG).
  • QRNG quantum random number generator
  • the encryption unit 432 may control the communication module of the communication terminal to transmit the information on the first polarization basis to the server.
  • the communication module is a module using general wired or wireless communication of the communication terminal.
  • the communication module uses wired or wireless communication and generates a first secret key based on the information of the first polarization basis and the information of the second polarization basis.
  • the user authenticator 433 performs user authentication with the server using the generated first secret key or the second secret key generated from the quantum cryptogram received from the server.
  • the process of sharing the information of the first polarization basis, the information of the second polarization basis, the information of the third polarization basis and the information of the fourth polarization basis or transmit the success of user authentication is a conventional wired communication network, or a wireless communication network It can be made using.
  • the first secret key is composed of quantum ciphers that the server device 500 has stably received among the quantum ciphers transmitted by the terminal 400.
  • the second secret key is composed of quantum ciphers that the terminal 400 stably received among the quantum ciphers transmitted by the server apparatus 500. Since only the terminal 400 and the server device 500 know the first secret key and the second secret key, the third party's eavesdropping / tapping is impossible.
  • a user authentication scheme using quantum cryptography may be applied to a mobile commerce payment system requiring user authentication such as money transfer and payment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating in detail a server device for quantum cryptography according to an embodiment of the present invention.
  • the server device 500 for quantum cryptography authentication includes an optical communication unit 510, a processor 520, and a polarization generator 530.
  • the processor 520 includes a random number generator 521, an encryption unit 522, and a user.
  • the authentication unit 523 is included.
  • the server device 500 may include, without limitation, a fixed terminal capable of banking, finance or card payment and a security function, such as a POS terminal or a bank ATM terminal.
  • the server device 500 may share information obtained through communication and authentication with the communication terminal 400 with a service provider (SP) that provides a card, financial or financial service, thereby providing payment, banking, Alternatively, a finance transaction can be performed.
  • SP service provider
  • the server device 500 is a device that performs mutual authentication with the communication terminal 400, and does not need to be a final server of authentication and transaction. That is, the secondary server held by the service provider SP finally approves the transaction, and the server device 500 can only execute authentication for the user of the communication terminal 400.
  • the processor 520 may determine the polarization characteristic of the polarization generator 530.
  • the processor 520 may include a random number generator 521, an encryption unit 522, and a user authentication unit 523.
  • the random number generator 521 may generate a series of quantum states based on a random random number.
  • the first polarization signal When the first polarization signal is transmitted by the first polarization basis generated by the first quantum state in the communication terminal 400, the first polarization signal passes through the second polarization base of the polarization generator 530 and is the second polarization. Reconstructed as a signal.
  • the second polarization basis may be generated based on the second quantum state generated by the random number generator 521.
  • the random number generator 521 may generate another random random number based third quantum state. Based on the third quantum state, the processor 520 may control the polarization generator 530 such that the polarization generator 530 has polarization characteristics corresponding to the third polarization basis. The optical communication unit 530 may transmit a third polarization signal that has passed through the third polarization base.
  • the third polarized signal may be reconstructed into a fourth polarized signal while passing through a fourth polarized basis based on the fourth quantum state generated by the communication terminal 400.
  • the communication terminal 400 has information of a fifth quantum state constituting an encryption key that is circular of the first polarized signal.
  • the fourth polarized signal does not have all the information about the circular encryption key, and can recognize only the quantum states that have successfully received and measured the fourth polarized signal.
  • the server device 500 has information of a sixth quantum state constituting an encryption key that is circular of the third polarized signal.
  • the second polarized signal does not have all the information about the circular encryption key, and can recognize only the quantum states that have successfully received and measured the second polarized signal.
  • the polarization basis information used by both sides needs to be shared. This process may be performed through general wired / wireless communication, for example, a known communication technology such as TCP / IP, Wi-Fi, Bluetooth, etc., rather than optical communication.
  • the encryption unit 522 may control the communication module (not shown) of the server device 500 to transmit the information of the second polarization basis and the third polarization basis to the communication terminal 400, and from the communication terminal 400.
  • Information of the first polarization basis and the fourth polarization basis may be identified among the received information.
  • the encryption unit 522 combines the information of the first polarization basis and the second polarization basis with the quantum state information which has been successfully measured among the received second polarization signals (from the communication terminal 400 to the server apparatus 500). A secret key obtained from the quantum cryptography passed in).
  • the encryption unit 522 combines the information of the third polarization basis and the fourth polarization basis with the sixth quantum state information constituting the encryption key that is the circular shape of the third polarization signal (for communication from the server device 500). Secret key obtained from the quantum cryptogram delivered to the terminal 400).
  • the user authentication unit 523 may perform user authentication with the communication terminal 400 using at least one of the first secret key and the second secret key. That is, any one of the first secret key and the second secret key may be used, or user authentication may be performed by combining the first secret key and the second secret key.
  • the optical communication unit 510 of the server device 500 may include a separate amplifier or attenuator (not shown) that can adjust the signal strength of the polarized signal.
  • the server device 500 may further include a separate measuring means (not shown) that can measure the distance to the communication terminal 400.
  • the distance measuring means an embodiment of transmitting an optical signal of an infrared band and receiving a reflected infrared signal may measure the distance.
  • an embodiment of detecting proximity of the communication terminal 400 due to a change in an electric field using a capacitive sensor is also possible.
  • the processor 520 may generate a signal such that the light receiving module of the communication terminal 400 properly filters and measures the polarized signal with photons.
  • the optical communication unit 510 may be controlled so that the optical communication unit 510 transmits the polarized signal having the intensity to the communication terminal 400.
  • the processor 520 may receive information on the sensitivity or filtering specification of the optical receiving module of the communication terminal 400 from the communication terminal 400 using a general wired or wireless communication network.
  • the processor 520 may transmit the signal strength of the polarized signal based on the information about the sensitivity or the filtering specification of the optical receiving module of the communication terminal 400. You can also adjust.
  • an authentication process using quantum cryptography may be executed. This significantly reduces the cost of applying quantum cryptography in mobile commerce.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, a communication and user authentication network system in which independent user authentication is performed in each of the relay 620 and the communication server device 630 is illustrated.
  • the communication and user authentication network system of FIG. 6 includes a communication terminal 610, a repeater 620, and a server 630.
  • the communication terminal 610, the repeater 620, and the server 630 may each include a random number generator (RNG).
  • RNG random number generator
  • the communication terminal 610 selects a first polarization basis based on a randomly generated series of first quantum states, and uses the repeater 620 as a free space light to transmit a series of first polarization signals generated by the first polarization basis. Transmit using a free-space optical communication channel 640.
  • the communication terminal 610 since the communication terminal 610 includes an optical reception module, the communication terminal 610 may receive a polarized signal including a quantum cryptogram generated by the repeater 620 through the optical communication channel 640.
  • the state value since the state value may vary while the polarization signal passes through the polarization filter, the polarization signal transmitted from the transmission side may be referred to as the first polarization signal and the reception signal via the polarization filter on the reception side as the second polarization signal for convenience.
  • the repeater 620 may include a module such as an optical receiver 510 and an optical transmitter 520 as shown with respect to the server device 500 of FIG. 5.
  • Repeater 620 determines a second polarization basis based on a series of second quantum states generated at random number generator (RNG).
  • RNG random number generator
  • the communication terminal 610 and the repeater 620 share the first polarization basis information generated by the communication terminal 610 and the second polarization basis information generated by the repeater 620 through the wired / wireless communication network 660. .
  • the repeater 620 determines a third polarization basis based on a series of third quantum states generated by the random number generator RNG, and transmits a third polarization signal based on the third polarization basis via the optical communication channel 640. To the communication terminal 610.
  • Each of the communication terminal 610 and the repeater 620 is based on the information of the first polarization basis and the information of the second polarization basis, and the communication terminal 610 and the repeater 620 using the quantum cipher that succeeded in the measurement of the receiving side.
  • the first secret key can be generated, and the second secret key can be generated based on the third polarization basis information and the fourth polarization basis information, respectively, similar to the secret key sharing process described with reference to FIG. 5.
  • the communication terminal 610 and the repeater 620 may share the first secret key and the second secret key.
  • the repeater 620 may process first user authentication with the communication terminal 610 using either the first secret key or the second secret key, or both the first secret key and the second secret key.
  • the server 630 may determine the seventh polarization basis by using the separate random number generation.
  • the repeater 620 transmits the second polarized signal to the server 630 using the optical communication channel 650, and the server 630 passes the second polarized signal through the seventh polarized light to transmit the fifth polarized signal.
  • the optical communication channel 650 may be an optical cable, a free space optical communication channel, or an optical communication channel via a satellite.
  • the repeater 620 is a server 630 for the second secret key obtained from the quantum cryptography generated in the repeater 620, the first secret key generated in the communication terminal 610 and the results for the first user authentication Information may be transmitted through the wired / wireless communication network 670.
  • the wired / wireless communication network 670 may be a dedicated channel separate from the outside, in which security is thoroughly maintained.
  • the server 630 completes the authentication of the user by combining the result of the second user authentication, which will be described later, and the result of the first user authentication, and sends it to a service provider (SP) such as payment, banking, or finance. You can request a transaction.
  • SP service provider
  • the communication terminal 610 and the server 630 share the first polarization basis information generated by the communication terminal 610 and the seventh polarization basis information generated by the server 630 through the wired / wireless communication network 680. can do.
  • the server 630 generates a third secret key between the communication terminal 610 and the server 630 based on the information of the first polarization basis and the information of the seventh polarization basis to share with the communication terminal 610.
  • the server 630 may process the second user authentication based on the third secret key.
  • the server 630 may transmit the information on the result of the second user authentication to the repeater 620 through the wired / wireless communication network 670.
  • the repeater 620 is a series of first polarized signals generated and transmitted by the first polarization basis from the communication terminal 610 to the second polarization basis on the repeater 620 side.
  • the second polarized signal generated through the optical communication channel 650 is transmitted to the server 630, and at this time, the information on the first polarization basis and the information on the second polarization basis to the wired and wireless communication network 670 Through the server 630 may be delivered at the same time.
  • the server 630 generates a fourth secret key between the communication terminal 610 and the server 630 based on the first polarization basis information, the second polarization basis information, and the third polarization basis information.
  • the terminal 610 may be shared with each other, and the server 630 may process second user authentication.
  • the server 630 may transmit the information on the result of the second user authentication to the repeater 620 through the wired / wireless communication network 670.
  • the first polarization basis information of the communication terminal 610 may be transmitted from the communication terminal 610 to the server 630 via the wired / wireless communication network 680.
  • the server 630 may also generate a polarized signal including a quantum cipher and transmit the polarized signal to the repeater 620 via the optical communication channel 650. Since the second user authentication is an authentication between the server 630 and the communication terminal 610, the polarization signal generated by the server 630 for the second user authentication passes through the repeater 620 without changing the quantum state of the optical communication channel. It is preferably passed to 640.
  • the repeater 620 may adjust the signal strength of the polarization signal received from the optical communication channel 650 and transmit the signal strength to the optical communication channel 640.
  • the repeater 620 is a signal strength of the polarized signal to be transmitted to the optical communication channel 640 based on the sensitivity of the optical receiving module of the communication terminal 610, the performance of the attenuator of the optical receiving module, the photon detection performance information of the optical receiving module. Can be adjusted.
  • the repeater 620 may adjust the signal strength of the polarized signal to be transmitted to the optical communication channel 640 based on the distance between the communication terminal 610 and the repeater 620.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a quantum cryptography based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, there is shown a communication and user authentication network system in which quantum cryptography-based user authentication is performed at repeater 720.
  • the communication and user authentication network system of FIG. 7 includes a communication terminal 710, a repeater 720, and a server 730.
  • the communication terminal 710 of FIG. 7 may perform the same function as that of the communication terminals 310, 400, and 610 of FIGS. 3, 4, and 6, duplicated descriptions thereof will be omitted.
  • the repeater 720 and the server 730 of FIG. 7 will also be described based on the functions unique to the embodiment of FIG. 7, and descriptions overlapping with the previous embodiment will be omitted.
  • the optical communication channel 740 may also be viewed in the same configuration as the optical communication channel 640 of FIG. 6.
  • the random number generator (RNG) is included in the server 730, but an embodiment in which an authentication process using quantum cryptography is performed in the repeater 720 is illustrated. That is, the repeater 720 includes an optical receiving module for receiving the first polarized signal but does not include a random number generator (RNG). Accordingly, the relay 720 receives the second polarization basis information based on the second quantum state generated by the random number generator (RNG) on the server 730 side from the server 730.
  • the second polarization basis information is transmitted from the server 730 to the repeater 720 through the wired / wireless communication network 760 and shared with the communication terminal 710 through the wired / wireless communication network 780.
  • the repeater 720 In order for user authentication to be performed at the repeater 720, the repeater 720 must share the first polarization basis information.
  • the first polarization basis information may be transmitted from the communication terminal 710 to the relay 720 through a wired / wireless communication network (not shown), or transmitted from the communication terminal 710 to the server 730 through the wired / wireless communication network 780.
  • the server 730 may be transferred from the server 730 to the repeater 720 through the wired / wireless communication network 760.
  • the result of the user authentication made in the relay 720 or the secret key may be transmitted to the server 730 through a separate secure communication channel 770.
  • the repeater 720 may transmit the second polarized signal to the server 730 once again via the optical communication channel 750.
  • the server 730 may once again check the result of the user authentication made in the repeater 720 by directly receiving the second polarized signal.
  • the possibility that the authentication process performed in the relay 720 affected the quantum cryptography should be considered.
  • the repeater 720 directly receiving the quantum cryptography and the communication terminal 710 generating the quantum cryptography are shared. can do.
  • the secret key may be delivered to the server through a special condition such as a separate communication channel 770 that is secured as described above.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention.
  • the communication and user authentication network system of FIG. 8 illustrates an embodiment in which a random number generation and authentication process is performed at the repeater 820.
  • the optical communication channel 840 transmits a first polarized signal including a quantum cipher generated in the communication terminal 810 to the repeater 820 and includes a quantum cipher generated in the repeater 820.
  • the third polarized signal is transmitted to the communication terminal 810. Since the repeater 820 may generate a quantum state by itself, the repeater 820 generates second polarization basis information and third polarization basis information by itself.
  • the communication terminal 810 and the repeater 820 may share the first polarization basis information and the second polarization basis information via the wired / wireless communication network 870 and generate a secret key to perform quantum cryptography based user authentication. .
  • the repeater 820 may transmit the result of user authentication based on quantum cryptography to the server 830 via the wired / wireless communication network 860.
  • the server 830 may be connected to a service provider such as finance, finance, and payment to generate a substantial transaction.
  • the optical communication channel 850 may transmit the second polarized signal received by the repeater 820 to the server 830, and transmit the polarized signal generated based on the new quantum cryptography to the server 830. It may be.
  • the secret key as well as the result of the user authentication may also be transmitted to the server 830 via the wired / wireless communication network 860, which assumes that the communication network 860 is a special secured network.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a quantum cryptography-based communication and user authentication network system including a repeater according to another embodiment of the present invention. According to the communication and user authentication network system of FIG. 9, an embodiment in which random number generation and user authentication are performed in the server 930 is illustrated.
  • the communication and user authentication network system of FIG. 9 includes a communication terminal 910, a repeater 920, and a server 930.
  • the optical communication channel 940 transmits a first polarized signal including a quantum cipher generated in the communication terminal 910 to the repeater 920 and includes a quantum cipher generated in the repeater 920.
  • the first polarized signal is transmitted to the communication terminal 910.
  • the repeater 920 transfers the first polarized signal received from the communication terminal 910 to the server 930 via the optical communication channel 950 as it is, and transmits the first polarized signal received from the server 930.
  • the communication terminal 910 may be transferred as it is.
  • the repeater 920 receives the first polarization basis information from the communication terminal 910 via the wired / wireless communication network 970.
  • the repeater 920 receives the first polarized signal from the communication terminal 910 using the first polarization basis information, maintains the quantum cryptographic information of the first polarization signal as it is, and transmits the signal using the first polarization basis information. Transfer to server 930 via optical communication channel 950.
  • the first polarization basis information generated by the communication terminal 910 and the second polarization basis information generated by the server 930 are shared with each other through the wired / wireless communication network 960.
  • the server 930 generates a secret key between the communication terminal 910 and the server 930 based on the information of the first polarization basis and the information of the second polarization basis, and shares them with the communication terminal 910.
  • the server 930 may process user authentication.
  • FIG. 6 is applied to the first portion of the entire quantum cryptography generated in the communication terminals 310, 400, 610, 710, 810, and 910 to further increase security, and the second portion of FIG.
  • the modified embodiment to which the embodiment is applied may be implemented, or the modified embodiment to which the embodiment of FIG. 9 is applied to the first part and the embodiment of FIG. 9 may be implemented to the second part.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a quantum cryptography authentication method of a communication terminal according to an embodiment of the present invention.
  • the quantum cryptography authentication method of the communication terminal randomly generates a series of first quantum states and second quantum states based on a random random number by the random number generator 431 (S1010), and by the processor 430, the random Selecting a first polarization basis based on a series of first quantum states generated, and generating an encryption key from the second quantum states, wherein the encryption key is generated by the first polarization basis
  • the polarization generator 410 is controlled to be generated as a signal (S1020).
  • the polarization generating unit 410 generates a series of first polarization signals using the first polarization base at an angle of 0 degrees or 45 degrees (S1030), and the series of first polarizations by the optical communication unit 420.
  • the signal is transmitted to the server, and a series of third polarization signals generated from the server are received as a fourth polarization signal by passing through a fourth polarization base (S1040).
  • the processor 430 controls the general wired / wireless communication module of the communication terminal to transmit information of the first polarization basis to the server, and controls the general wired / wireless communication module of the communication terminal to receive information of the second polarization basis information from the server. Can be controlled.
  • the processor 430 may generate the first secret key by combining the information of the first polarization basis and the information of the second polarization basis and reflecting the encryption key according to the second quantum state (S1050).
  • the processor 430 may receive information of the third polarization basis from the server, and combine the information of the third polarization basis and the information of the fourth polarization basis and add the fourth polarization to the fourth polarization basis.
  • a second secret key may be generated based on the value of the quantum bit that succeeds in the measurement of the signal.
  • the processor 430 may perform user authentication with the server by using the first secret key or the second secret key, or by using both the first secret key and the second secret key (S1060).
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a communication method of a server apparatus for quantum encryption communication according to an embodiment of the present invention.
  • the processor 520 of the server apparatus 500 may generate a series of third quantum states, fourth quantum states, and fifth quantum states based on a random random number (S1110).
  • the processor 520 may set the second polarization base based on the third quantum state, and the polarization generator 530 passes the first polarization signal transmitted from the terminal 400 to the second polarization base to perform the second polarization. You can generate a signal.
  • the optical communication unit 510 receives a series of second polarized signals (S1120).
  • the server device 500 may generate a separate quantum cryptography and transmit it to the terminal 400.
  • the optical receiving module of the terminal 400 may obtain a quantum state value by measuring a single photon from the polarized signal.
  • the server device 500 may set a third polarization basis based on the fourth quantum state, and the polarization generator 530 passes the encryption key generated based on the fifth quantum state through the third polarization basis to generate a third polarization basis. It can be generated as a polarized signal.
  • the optical communication unit 510 may transmit a series of third polarized signals to the communication terminal 400 (S1130).
  • the processor 520 combines the information of the third polarization basis and the information of the fourth polarization basis and uses a cryptographic key generated based on the fifth quantum state to establish a second connection between the communication terminal 400 and the server apparatus 500.
  • a secret key may be generated (S1140).
  • the processor 520 may select one of the first secret key and the second secret key to perform user authentication with the communication terminal 400 (S1150). In addition, the processor 520 may select both the first secret key and the second secret key to perform user authentication with the communication terminal 400.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an optical communication unit of a terminal for quantum encryption communication and a server device for communication according to an embodiment of the present invention.
  • the optical communication unit 1200 includes an attenuator 1210, a filter 1220, and a detector 1230.
  • Attenuator 1210 is a device that gives a certain amount of attenuation to optical fiber or light propagating through space (light quantity or amplitude of light) and is required to give an appropriate input to a light receiving element or optical device. Also used for loss assessment
  • Attenuating light includes a method of absorbing and attenuating a portion of light quantity, a method of reflecting and attenuating a portion of light quantity, and a method of spatially blocking and attenuating a portion of light quantity.
  • a method of reflecting and attenuating portions of is mainly used. Accordingly, the first polarization signal received through the free space optical communication channel is adjusted to a predetermined fixed amount.
  • the filter 1220 serves to filter the first polarized signal, which is adjusted in a constant amount, in a single photon form in the attenuator 1210, and the detector 1230 measures the first quantum state of the filtered first polarized signal.
  • the polarized signal may be attenuated and polarized filtered to be controlled by a single photon to be received and measured.
  • Expensive hardware is needed to implement the attenuator, filter, and detector of FIG. Therefore, it is difficult to mount a hardware for receiving a conventional quantum code in a general mobile terminal or personal terminal.
  • a mobile terminal or a personal terminal equipped with relatively low-cost hardware can be induced to utilize quantum cryptography.
  • a communication terminal, a server, or a repeater device may transmit and receive a quantum signal including a quantum cryptography using proximity free-space optical communication.
  • the communication terminal is located at a close distance within a reference distance, for example, within 10 cm from the server or repeater device, the possibility that the third party can eavesdrop on the quantum cryptography is very low.
  • a relatively simple quantum cryptography technique alone can achieve a certain purpose.
  • the user may transmit / receive the minimum information necessary for secret key sharing by applying a general wireless communication or a short range communication technique accessible by the mobile communication terminal.
  • the server or repeater device may control the mobile terminal having relatively low hardware to have a signal strength that is not difficult to receive the quantum signal.
  • the server or repeater device adaptively adjusts the signal strength of the quantum signal based on the distance between the mobile terminal and the server or repeater, or adaptively adjusts the signal strength of the quantum signal based on the specifications or characteristics of the quantum signal receiving hardware of the mobile terminal. You can also adjust with.
  • the server or repeater device may search for an optimal signal strength when transmitting a quantum signal by performing a quantum cryptographic authentication process several times using different quantum cryptographic sets.
  • the communication terminal / mobile terminal it is possible to satisfy a desired function with relatively low-cost hardware instead of mounting expensive hardware to receive quantum signals. There is a significant cost savings.
  • the communication terminal mentioned herein may be a mobile communication terminal including a smart phone, a PDA, a portable telephone.
  • the communication terminal can generate and transmit a quantum cipher using a polarization signal generator in combination with a random number generator (RNG) and a laser diode, and measure and interpret a quantum cipher in a single photon unit using an attenuator and a polarization filter.
  • RNG random number generator
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Magneto-optical media and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
  • the present invention relates to a communication terminal and server capable of quantum cryptography-based encrypted communication, and more particularly, to quantum cryptography-based encryption in a communication terminal and server for improving security of an alternative payment system based on mobile commerce.
  • a communication device and an authentication / communication method are provided.
  • An object of the present invention is to propose an authentication protocol using quantum cryptography communication through a relay device between a mobile terminal and a server to improve the size of the authentication process through quantum cryptography to enable miniaturization / light weight.
  • the present invention proposes an authentication protocol using quantum cryptography communication between a mobile terminal and a server or a relay device, and aims to propose an authentication method capable of executing user authentication while maintaining high security in mobile commerce.

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Abstract

본 발명은 양자 암호 기반의 암호화 통신이 가능한 통신용 단말기 및 서버에 관한 기술로, 보다 상세하게는 모바일 상거래를 기반으로 한 대체 결제 시스템의 보안을 향상시키기 위한 통신용 단말기 및 서버에서의 양자 암호 기반의 암호화 통신 장치 및 인증/통신 방법에 관한 것이다. 본 발명은 양자암호를 통한 인증 과정의 일부를 개선하여 소형화/경량화가 가능하도록 모바일 단말기와 서버간의 중계 장치를 통한 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 모바일 단말기와 서버 또는 중계 장치 간의 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하며, 이를 통하여 모바일 커머스에서 높은 보안성을 유지하며 사용자 인증을 실행할 수 있는 인증 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

Description

양자암호에 의한 보안 향상성을 갖는 모바일 커머스 및 인증 방법
본 발명은 양자 암호 기반의 암호화 통신이 가능한 통신용 단말기 및 서버에 관한 기술로, 보다 상세하게는 모바일 상거래를 기반으로 한 대체 결제 시스템의 보안을 향상시키기 위한 통신용 단말기 및 서버에서의 양자 암호 기반의 암호화 통신 장치 및 인증/통신 방법에 관한 것이다.
인터넷을 비롯한 유무선 통신의 사용이 급속히 확대됨에 따라 통신네트워크의 보안문제는 국가, 기업, 금융상의 중요기밀 보호 및 개인의 사생활 보호 측면에서 그 중요성이 점점 더 증대되고 있다. 1970년대에 개발되어 현재 인터넷 등 통신시스템에 널리 사용되고 있는 비대칭 공개키 암호체계는 해결하기 매우 어려운 수학적인 문제를 공개키로 사용하여 정보를 암호화하고 그 해를 비밀키로 사용하여 해독하는 방식으로서 원리적으로 수학적인 “계산 복잡성”에 기초하고 있다.
대표적으로 Rivest, Shamir, Adleman 등 세 사람이 개발한 RSA 공개키 암호체계는 매우 큰 수를 소인수분해하기가 매우 난해하다는 점을 이용한다. 즉, 수학적으로 소인수분해 문제는 문제의 크기가 증가함에 따라 계산시간이 지수함수적으로 증가하게 되며 따라서 송신자와 수신자가 충분히 큰 숫자의 소인수분해 문제를 공개키로 사용하면 도청자가 암호문을 해독하기는 현실적으로 불가능 할 것이라는 점을 이용한다. 그러나, 이러한 수학적인 계산복잡성에 기초한 암호체계는 보다 정교한 알고리즘의 발전에 따라 그 안전성에 의문이 제기되고 있으며, 또한 1994년 AT&T의 Peter Shor가 양자컴퓨터를 이용한 소인수분해 알고리즘을 개발함으로써 양자컴퓨터가 개발되면 RSA 암호체계는 근본적으로 해독이 가능한 것으로 판명되고 있다.
이러한 보안문제를 해결할 대안으로 등장한 양자암호통신(quantum cryptography) 기술은 그 안전성이 수학적인 계산 복잡성이 아닌 자연의 근본 법칙인 양자역학의 원리에 기초하므로 도청 및 감청이 매우 어려워, 최근 크게 주목 받고 있다. 즉, 양자암호통신 기술은 “양자 복제불가능성”과 같은 양자물리학의 법칙에 기초해서 송신자와 수신자 사이에 비밀 키(일회용 난수표)를 절대적으로 안전하게 실시간으로 분배하는 기술로서 "양자 키 분배 기술(QKD)"로도 알려져 있다.
최초의 양자 암호 프로토콜은 1984년 IBM의 C.H. Bennett과 몬트리올 대학의 G. Brassard에 의해 발표되었다. 고안자들의 이름을 따서 BB84 프로토콜로 명명된 이 프로토콜은 두 개의 기저(basis)를 이루는 네 개의 양자 상태(예를 들면, 단일광자의 편광상태)를 이용 한다.
이러한 양자암호통신 기술에 대한 일 예가 전자통신동향분석 제20권 제5호 2005년 10월 "양자암호통신 기술"에 기술되어 있다.
상기 선행기술은 차원이 2인 힐버트 공간의 양자계 즉, 큐빗(Qubit, 양자비트)을 이용하는 양자암호통신 기술에 대한 내용이다.
양자 암호통신 기술에 관한 종래의 연구개발은 대체로 양자암호의 수신 감도를 높이고 양자암호의 수신 신뢰성을 향상시키고자 하는 노력에 치중하였다. 따라서 일반적인 사용자가 접근하기에 쉽지 않은 장벽이 존재하고 있으며, 우수한 보안 성능에도 불구하고 다양한 산업분야로 확대되지 못하는 원인이 되고 있다.
양자암호통신 기술은 도청이 이루어지면 신호가 파괴되고, 복제가 불가능하다는 속성이 있어 보안성이 매우 높다. 그러나 이러한 양자암호통신 기술을 일반적인 사용자가 이용할 수 있도록 널리 보급하기에는 양자암호를 송수신하기 위한 장비의 높은 가격이 걸림돌이 되고 있다.
특히 양자암호를 수신하기 위해서는 특정 패턴으로 편광 제어된 광 신호를 수신하고, 이를 감쇠한 후 단일 광자 검출기(single photon detector)를 통하여 단일 광자를 검출해 내어야 양자암호의 해석이 가능한데, 이러한 단일 광자 검출기의 가격이 매우 높아 보급이 어렵다. 또한 양자암호 수신기는 그 특성 상 소형화가 어렵기 때문에, 일반적인 사용자 단말기에 장착되기가 쉽지 않았다.
양자암호통신 기술에 관한 종래의 연구개발은 대체로 양자암호의 수신 감도를 높이고 양자암호의 수신 신뢰성을 향상시키고자 하는 노력에 치중하였으며, 따라서 종래 기술에 따르면 양자암호통신 기술에 대해서는 일반적인 사용자가 접근하기에 쉽지 않은 장벽이 존재하고 있는 것이 현실이다.
본 발명은 양자암호를 통한 인증 과정의 일부를 개선하여 소형화/경량화가 가능하도록 모바일 단말기와 서버간의 중계 장치를 통한 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 모바일 단말기와 서버 또는 중계 장치 간의 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하며, 이를 통하여 모바일 커머스에서 높은 보안성을 유지하며 사용자 인증을 실행할 수 있는 인증 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광 통신부를 포함하는 통신용 단말기 및 중계기 또는 서버와의 양자 암호 기반의 암호화 통신을 통하여 통신용 단말기와 중계기 또는 서버에서 비밀 키를 각각 생성하고, 각각 생성된 비밀 키를 통신용 단말기와 중계기 또는 서버에서 서로 공유를 통하여 보안성을 높인 사용자 인증을 통한 모바일 커머스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 통신용 단말기에서 중계기 또는 서버로 양자 암호 기반의 신호를 전송하기 위하여 광섬유를 통한 유선통신 방법 및 레이저 다이오드 또는 포토 다이오드를 통한 자유 공간 광 통신 기법을 이용할 수 있는 환경에서 적용 가능한 양자 암호 통신 및 사용자 인증을 통한 모바일 커머스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 양자 키 분배(QKD)방식을 통하여 통신용 단말기와 중계기 또는 서버간 모바일 결제 애플리케이션의 보안성을 높이는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 인증용 통신용 단말기는 수신측인 통신용 단말기의 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 일련의 제1 양자 신호를 수신하는 광 통신부; 서버 또는 중계기로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부; 및 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하는 프로세서를 포함한다.
이 때 프로세서는 랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부; 상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;를 포함할 수 있다.
이 때 양자 신호로서 광자(photon)에 편광 성질을 부여해 전송한 다음 편광 기저를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예 및 광자에 위상시간차를 두어 간섭계(interferometer)를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예가 가능하다. 편광 성질을 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 편광 기저(basis)일 수 있고, 양자 신호는 편광 신호일 수 있다. 또한 위상시간차를 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 위상 생성기(위상 기저)일 수 있고, 양자 신호는 위상시간차가 부여된 신호일 수 있다.
이 때 상기 제2 양자 신호는 상기 서버와 상기 광 통신부 또는 상기 서버와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 조절된 신호 강도를 가질 수 있다.
이 때 암호화부는 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보를 상기 서버로 전송하고, 상기 제2 양자 신호는 상기 서버로 전송된 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보에 기반하여 조절된 신호 강도를 가질 수 있다.
이 때 상기 양자 신호 생성부는 상기 서버와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 서버로부터 상기 제2 양자 신호를 수신할 수 있다.
이 때 상기 난수 생성부는 상기 제1 양자 상태의 랜덤성을 높이기 위하여 양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 서버 장치는 전송측인 서버 장치의 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부; 상기 제1 양자 신호를 통신용 단말기로 전송하는 광 통신부; 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하고, 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어하는 프로세서;를 포함한다.
이 때 프로세서는 랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부; 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;를 포함할 수 있다.
이 때 프로세서는 통신용 단말기와 상기 광 통신부 또는 상기 통신용 단말기와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 프로세서는 상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 광 통신부는 상기 통신용 단말기와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 신호를 전송할 수 있다.
이 때 광 통신부는 2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하고, 상기 프로세서는 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법은 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계; 상기 제1 양자 상태에 기반하여 일련의 제1 양자 신호를 생성할 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계; 서버 또는 중계기로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 상기 제1 양자 신호를 수신하는 단계; 상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계; 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버 장치의 양자 암호 인증 방법은 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계; 상기 제1 양자 상태에 기반하여 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계; 상기 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 단계; 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계; 상기 제1 양자 신호를 상기 통신용 단말기로 전송하는 단계; 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계; 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 단계;를 포함한다.
이 때 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기와 상기 서버 장치 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 본 발명의 서버 장치의 양자 암호 인증 방법은 2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면 양자암호를 통한 인증 과정의 일부를 개선하여 소형화/경량화가 가능하고 낮은 가격에 구현이 가능하도록 모바일 단말기와 서버간 각각의 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 구현할 수 있다. 이를 통하여 모바일 커머스에서 높은 보안성을 유지하며 사용자 인증을 실행할 수 있다.
또한, 본 발명은 소형화/경량화가 가능하고 낮은 가격에 구현이 가능한, 양자암호통신을 이용한 인증이 가능한 통신용 단말기를 구현할 수 있는 효과가 있으며, 이러한 통신용 단말기를 이용하여 모바일 커머스의 사용자 인증을 실행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 통신용 단말기와 중계기 또는 서버간의 양자 암호 인증 방법을 통한 사용자 인증을 이용하여 모바일 결제 애플리케이션의 보안을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 모바일 단말기에서 최소한의 비용으로 양자 암호 송신 또는 수신이 가능한 모듈을 구현하고, 모바일 단말기의 양자 암호 통신 환경 정보에 최적화하여 서버 또는 중계기에서 양자 신호의 신호 강도를 조절함으로써 양자 암호 기반의 모바일 커머스를 구현할 수 있다. 즉, 모바일 단말기에서는 고가의 감쇠기 및 검출기 대신 상대적으로 저렴한 비용으로 감쇠기 및 검출기를 구현할 수 있으며, 이로 인하여 모바일 커머스 환경에서 양자 암호 인증 기술을 적용할 수 있다.
도 1은 종래의 양자 암호 통신 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 양자 암호 통신을 통하여 도청 여부를 식별할 수 있는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기와 서버간의 통신 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 서버 장치를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 서버 장치의 통신 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 단말기 및 통신용 서버 장치의 광 통신부를 나타낸 도면이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 인증용 통신용 단말기는 수신측인 통신용 단말기의 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 일련의 제1 양자 신호를 수신하는 광 통신부; 서버 또는 중계기로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부; 및 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하는 프로세서를 포함한다.
이 때 프로세서는 랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부; 상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;를 포함할 수 있다.
이 때 양자 신호로서 광자(photon)에 편광 성질을 부여해 전송한 다음 편광 기저를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예 및 광자에 위상시간차를 두어 간섭계(interferometer)를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예가 가능하다. 편광 성질을 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 편광 기저(basis)일 수 있고, 양자 신호는 편광 신호일 수 있다. 또한 위상시간차를 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 위상 생성기(위상 기저)일 수 있고, 양자 신호는 위상시간차가 부여된 신호일 수 있다.
이 때 상기 제2 양자 신호는 상기 서버와 상기 광 통신부 또는 상기 서버와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 조절된 신호 강도를 가질 수 있다.
이 때 암호화부는 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보를 상기 서버로 전송하고, 상기 제2 양자 신호는 상기 서버로 전송된 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보에 기반하여 조절된 신호 강도를 가질 수 있다.
이 때 상기 양자 신호 생성부는 상기 서버와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 서버로부터 상기 제2 양자 신호를 수신할 수 있다.
이 때 상기 난수 생성부는 상기 제1 양자 상태의 랜덤성을 높이기 위하여 양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 서버 장치는 전송측인 서버 장치의 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부; 상기 제1 양자 신호를 통신용 단말기로 전송하는 광 통신부; 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하고, 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어하는 프로세서;를 포함한다.
이 때 프로세서는 랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부; 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;를 포함할 수 있다.
이 때 프로세서는 통신용 단말기와 상기 광 통신부 또는 상기 통신용 단말기와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 프로세서는 상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 광 통신부는 상기 통신용 단말기와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 신호를 전송할 수 있다.
이 때 광 통신부는 2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하고, 상기 프로세서는 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법은 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계; 상기 제1 양자 상태에 기반하여 일련의 제1 양자 신호를 생성할 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계; 서버 또는 중계기로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 상기 제1 양자 신호를 수신하는 단계; 상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계; 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버 장치의 양자 암호 인증 방법은 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계; 상기 제1 양자 상태에 기반하여 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계; 상기 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 단계; 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계; 상기 제1 양자 신호를 상기 통신용 단말기로 전송하는 단계; 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계; 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및 상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 단계;를 포함한다.
이 때 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기와 상기 서버 장치 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
이 때 본 발명의 서버 장치의 양자 암호 인증 방법은 2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 종래의 양자 암호 통신 방법을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 양자 암호 통신 기법은 본 발명의 사상을 해하지 않고 본 발명의 권리범위를 축소하지 않는 범위 내에서 본 발명의 구현에 이용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
최초의 양자 암호 프로토콜은 1984년 IBM의 C.H. Bennett과 몬트리올 대학의 G. Brassard에 의해 발표되었다. 고안자들의 이름을 따서 BB84 프로토콜로 명명된 이 프로토콜은 도 1에서 보는 것과 같이 두 개의 기저(basis)를 이루는 네 개의 양자 상태(예를 들어, 단일광자의 편광상태)를 이용한다.
즉, 송신자(Alice)는 두 개의 기저, 즉 + 혹은 X 중에서 한 개를 무작위로 선택하고(1단계), 선택된 기저의 두 가지 양자상태(비밀 키 값), 즉 0 혹은 1 중에서 하나를 임의로 골라 수신자(Bob)에게 보낸다(2단계). 양자상태를 수신하는 수신자(Bob)도 역시 두 가지 기저 중 하나를 무작위로 선택하고(3단계), 선택한 기저를 사용하여 수신된 양자상태를 측정한다(4단계). 수신자(Bob)의 측정이 끝난 뒤 송신자(Alice)와 수신자(Bob)는 자신들이 임의로 선택한 기저를 서로에게 공개하는데, 송신자(Alice)가 선택한 기저와 수신자(Bob)이 선택한 기저가 같은 경우 수신자(Bob)이 측정한 결과는 송신자(Alice)가 임의로 고른 양자 상태와 일치하며, 따라서 두 사용자가 같은 비밀 키(sifted key)를 가지게 된다(5단계).
도 2는 종래의 양자 암호 통신을 통하여 도청 여부를 식별할 수 있는 방법을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 양자 암호 통신 기법 또한 본 발명의 사상을 해하지 않고 본 발명의 권리범위를 축소하지 않는 범위 내에서 본 발명의 구현에 이용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2에서 나타낸 도면을 통하여, 도 1에서 설명한 1단계부터 5단계까지 양자 암호 통신 중 만약 중간에 도청자(Eve)가 도청을 시도한다면 양자 역학의 기본 원리에 의해 두 사용자(Alice와 Bob)가 얻은 비밀 키 값에 오류를 만들어 내게 되며 송신자(Alice)와 수신자(Bob)는 생성된 키의 일부를 서로에게 공개해서 오류의 비율을 계산하여 도청자(Eve)의 존재 여부를 알 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 양자 신호로서 광자(photon)에 편광 성질을 부여해 전송한 다음 편광 기저(basis)를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예가 구현될 수 있다. 또 다른 실시예로는, 광자에 위상시간차를 두어 간섭계(interferometer)를 이용하여 측정 및 수신하는 실시예가 가능하다. 편광 성질을 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 편광 기저(basis)일 수 있고, 양자 신호는 편광 신호일 수 있다. 또한 위상시간차를 이용하는 실시예에서는 양자 필터는 위상 생성기일 수 있고, 양자 신호는 위상시간차가 부여된 신호일 수 있다.
예를 들어 위상시간차의 위상 필터는 랜덤하게 생성되는 양자 상태에 따라서 90도/270도 또는 0도/180도의 위상 지연값을 가질 수 있다. 즉, 90도/270도의 위상 생성기(위상 필터)가 양자 상태 "0", 0도/180도의 위상 생성기가 양자 상태 "1"에 대응할 수 있다.
암호 키 값에 따라서는 이미 결정된 위상 생성기 내에서 구체화된 양자 신호 값, 즉, 90도 또는 270도 중 하나를 가지거나, 0도 또는 180도 중 하나를 가지는 양자 신호가 생성될 수 있다.
양자 신호를 생성함에 있어서 편광 특성을 이용하는 방식과 위상시간차를 이용하는 방식은 공지의 기술로서 등가적인 기법이며, 본 발명의 사상을 구체화함에 있어 편광 특성 또는 위상시간차를 이용하는 방식 간의 실질적인 차이는 없으며, 이러한 실시예를 선택함으로 인하여 본 발명의 사상을 한정하지 않는다.
이하 본 명세서에서는 설명의 편의 상 편광 특성을 이용하는 방식을 중심으로 양자 신호를 생성 및 측정하는 과정을 설명하기로 한다. 이하의 실시예들로 인하여 본 발명의 사상이 편광 특성을 이용하는 기술로 한정되지 않음은 당업자에게 자명하게 이해될 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기와 서버 간의 통신 관계를 나타낸 도면이다.
본 발명의 통신용 단말기(310)는 모바일 단말기 또는 개인용의 단말기일 수 있으며, 양자 암호를 생성하고, 양자 암호의 생성에 이용된 기저 정보를 서버 장치(320)와 공유한다. 일 실시예에서 서버 장치(320)는 도 1 및 도 2의 Alice의 역할을 수행하고 통신용 단말기(310)는 도 1 및 도 2의 Bob의 역할을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 통신용 단말기(310)가 Alice의 역할을 수행하고, 서버 장치(320)가 Bob의 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 통신용 단말기(310)와 서버 장치(320)가 각각 양자 암호를 생성하는 Alice가 되고, 상대방이 생성한 양자 암호를 수신하는 Bob의 역할을 서로 겸하는 실시예도 가능하다.
통신용 단말기(310)에서 생성된 양자 암호를 포함하는 편광 신호는 통신용 서버 장치(320)로 광 통신 채널(330)을 통하여 전달되며, 통신용 단말기(310)에서 양자 암호를 생성하는 데에 이용된 기저 정보는 통신용 단말기(310)와 통신용 서버 장치(320)와의 일반적인 통신 네트워크(340)를 경유하여 서로 공유할 수 있다. 서버 장치(320)는 편광 신호를 수신하여 해석하며, 이 때 편광 신호의 해석에 이용된 기저 정보를 통신 네트워크(340)를 경유하여 통신용 단말기(310)와 공유할 수 있다.
통신용 단말기(310) 또한 광 수신 모듈을 포함하고 있으므로 광 통신 채널(330)을 통하여 서버 장치(320)에서 생성한 양자 암호를 포함하는 편광 신호를 수신할 수 있다. 이 때 편광 신호가 편광 필터를 경유하면서 상태 값이 달라질 수 있으므로 편의상 전송측에서 전송한 편광 신호를 제1 편광 신호, 수신측의 편광 필터를 경유한 수신 신호를 제2 편광 신호로 부를 수 있다.
이 때 통신용 단말기(310)는 양자 암호를 포함하는 편광 신호를 광 통신이 가능한 광 섬유를 경유하여 서버 장치(330)로 전송하고 수신할 수도 있다. 한편 통신용 단말기(310)가 모바일 단말기인 경우, 양자 암호를 포함하는 편광 신호는 자유 공간 광 통신(free-space optical communication) 기법에 의하여 통신용 단말기(310)로부터 전송되어, 통신용 서버 장치(320)에서 수신할 수 있다. 또한 그 반대의 경로로도 편광 신호가 전송될 수 있다. 이때, 자유 공간 광 통신은 통신용 단말기(310)로부터 서버 장치(320)에 이르는 경로에 장애물이 없이 통신용 단말기(310)로부터 전송된 편광 신호가 직접 서버 장치(320)까지 도달할 수 있는 환경에서 이용되는 광 통신 기법을 의미한다. 자유 공간 광 통신은 직접 대면 방식이라고 해석할 수도 있다. 통신용 단말기(310)는 레이저 다이오드(Laser Diode: LD) 또는 포토 다이오드(Photo Diode: PD)를 이용하여 편광 신호를 발신할 수 있다.
또한, 통신용 단말기(310)와 서버 장치(320)는 유선 통신망 또는 무선 통신망을 포함하는 일반적인 통신 네트워크(340)를 경유하여 통신용 단말기(310) 또는 서버 장치(320) 각각으로부터 양자 암호의 생성에 이용된 편광 기저 정보를 서로 공유할 수 있다. 이 때 통신용 단말기(310)와 통신용 서버 장치(320) 각각은, 통신용 단말기(310)와 통신용 서버 장치(320) 각각의 난수 생성부(RNG)에 의하여 랜덤하게 생성되는 일련의 양자 상태에 기반하여 편광 기저 정보를 생성하며, 이 편광 기저 정보를 서로 공유할 수 있다. 이때, 난수 생성은 보다 완전한 랜덤성(randomness)을 얻기 위하여 양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 이용하여 이루어질 수도 있다.
도 3에서는 통신용 단말기(310)에서 서버 장치(320)로, 또한 서버 장치(320)에서 통신용 단말기(310)로 직접 양자 암호를 전송하는 실시예가 도시되었으나, 본 발명의 사상은 이에 국한되지 않으며 중계 장치가 편광 신호를 중계 전달하는 방식의 실시예도 가능하다. 이러한 중계 방식의 실시예는 도 6 내지 도 9를 이용하여 후술할 예정이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기를 상세하게 나타낸 도면이다.
통신용 단말기(400)는 편광 생성부(410), 광 통신부(420) 및 프로세서(430)를 포함하며, 프로세서(430)는 난수 생성부(431), 암호화부(432) 및 사용자 인증부(433)을 포함한다.
편광 생성부(410)는 편광 필터를 의미할 수 있으며, 제1 편광 기저를 이용하여 일련의 제1 편광 신호를 생성한다. 이때, 제1 편광 기저는 도 1 및 도 2에 도시된 편광 기저에 기반하여 설명할 수 있다. 설명의 편의상 도 1 및 도 2에 도시된 0도 기반의 기저 또는 45도 기반의 기저일 수 있다. 제1 편광 신호는 0 또는 1의 값을 가지도록 랜덤하게 생성된 일련의 비트(도 1 및 도 2의 암호 키)가 편광 필터를 통과한 신호를 의미한다.
광 통신부(420)는 편광 생성부(410)에서 생성된 일련의 제1 편광 신호를 서버로 전송하고, 서버는 제1 편광 신호를 제2 편광 기저를 통과하여 생성된 제2 편광 신호로서 수신할 수 있다. 또한 서버는 제3 편광 기저를 이용하여 제3 편광 신호를 생성하고, 제3 편광 신호를 전송할 수 있다. 이 때 광 통신부(420)는 서버로부터 생성된 일련의 제3 편광 신호를 제4 편광 기저를 통과하여 수신할 수 있다. 이때, 통신용 단말기(400)와 서버 간의 편광 신호 송수신은 중간의 중계 장치 없이 직접적으로 이루어질 수도 있으며, 중계기를 통하여 전달될 수도 있다.
이때, 광 통신부(420)는 자유 공간 광 통신(free-space optical communication) 기법에 의하여 일련의 편광 신호를 서버로 전송할 수 있고, 서버로부터 일련의 편광 신호를 수신할 수 있다. 자유 공간 광 통신은 직접 대면 방식에 의한 광 통신을 의미한다. 이때 광 통신부(420)와 서버 간의 거리는 기준 거리 이하로 유도될 수 있다. 이를 근접 자유 공간 광 통신(proximity free-space optical communication)이라 할 수 있을 것이다.
이때, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드는 고출력일 필요는 없으며, 통신용 단말기(400)와 서버 또는 중계기간의 자유 공간 광 통신 또는 직접 대면 광 통신을 통하여 양자 암호를 전송할 수 있을 정도의 출력을 갖추면 된다.
예를 들면, 통신용 단말기(400)와 중계기 또는 서버 간의 거리가 10 cm 이내일 경우, 양자 암호를 손실 없이 전송 및 수신할 수 있을 정도의 출력을 갖춘 레이저 다이오드 또는 포토 다이오드가 통신용 단말기(400)에 탑재되는 경우를 의미한다.
중계기 또는 서버는 현금 인출기(ATM), 또는 POS(Point of Sales) 단말기의 형태로 구현될 수도 있고, 일반 가정이나 사무실용의 셋탑 박스의 형태로도 구현될 수 있다. 이 때 사용자는 단말기(400)를 중계기 또는 서버에 최대한 접근시킬 수 있을 것이므로 단말기(400)와 중계기 간 또는 단말기(400)와 서버 간의 거리는 10 cm 이내의 근접 거리일 수 있다. 이처럼 단말기(400)가 중계기 또는 서버와 근접한 경우에는 단말기(400)와 중계기 또는 서버 사이에 외부의 도청이 개입할 가능성은 낮으며, 따라서 단말기(400)와 중계기 또는 서버 사이의 양자암호가 도청될 확률은 매우 낮아질 것이다.
단말기(400)와 중계기 또는 서버 간에 근접 자유 공간 광 통신 기법이 적용된다면, 단말기(400)에 탑재되는 광 통신부(420)의 출력은 높을 필요가 없으며 광 통신부(420)의 수신 모듈 또한 저사양의 하드웨어로 구현될 수 있다. 특히 양자암호를 수신하기 위해서는 편광 신호로부터 하나의 광자 단위의 검출이 가능한 고가의 검출기와 감쇠기가 필요하다. 이 때 단말기(400)와 중계기 또는 서버 간의 통신 거리가 기준 거리 이내로 이루어질 것이라는 예측이 가능하면, 서버 또는 중계기에서 전송되는 광 신호의 출력이 최적화될 수 있고, 단말기(400)에는 최소 사양의 감쇠기와 검출기가 탑재되어도 양자 암호 통신 및 인증 기능을 구현할 수 있을 것이다.
프로세서(430)는 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 편광 기저를 선택하고, 상기 제1 편광 기저에 의하여 상기 일련의 제1 편광 신호가 생성되도록 상기 편광 생성부(410)를 제어할 수 있다.
프로세서(430)는 랜덤하게 생성된 일련의 제4 양자 상태에 기반하여 제4 편광 기저를 선택할 수 있다. 서버로부터 전송된 제3 편광 신호를 제4 편광 기저를 통과시켜 제4 편광 신호로서 광 통신부(420)에서 수신할 수 있도록 편광 생성부(410)를 제어할 수 있다.
또한, 프로세서는 난수 생성부(431), 암호화부(432) 및 사용자 인증부(433)를 포함하며, 난수 생성부(431)는 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태 또는 제4 양자 상태를 랜덤하게 생성한다. 이때, 난수 생성부(431)는 양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 이용하여 상기 양자 상태의 랜덤성(randomness)를 더욱 높일 수도 있다.
암호화부(432)는 상기 서버로 상기 제1 편광 기저의 정보를 전송하도록 통신용 단말기의 통신 모듈을 제어할 수 있다. 이때, 통신 모듈은 통신용 단말기의 일반적인 유무선 통신을 이용하는 모듈이다. 이때, 통신 모듈은 유무선 통신을 이용하고, 상기 제1 편광 기저의 정보와 상기 제2 편광 기저의 정보에 기반하여 제1 비밀 키를 생성한다.
사용자 인증부(433)는 생성된 제1 비밀 키 또는 서버로부터 수신된 양자 암호로부터 생성되는 제2 비밀 키를 이용하여 서버와의 사용자 인증을 수행한다.
이때, 제1 편광 기저의 정보, 제2 편광 기저의 정보, 제3 편광 기저의 정보 및 제4 편광 기저의 정보를 공유하거나 사용자 인증의 성공 여부를 전달하는 과정은 통상의 유선 통신망, 또는 무선 통신망을 이용하여 이루어질 수 있다. 제1 비밀 키는 단말기(400)가 전송한 양자 암호 중 서버 장치(500)가 안정적으로 수신하였음이 확인된 양자 암호들로 구성된다. 제2 비밀 키는 서버 장치(500)가 전송한 양자 암호 중 단말기(400)가 안정적으로 수신하였음이 확인된 양자 암호들로 구성된다. 제1 비밀 키 및 제2 비밀 키에 대해서는 단말기(400)와 서버 장치(500)만이 알고 있으므로, 제3자의 도청/감청이 불가능하다.
이에 따라, 사용자가 송금, 결제 등 사용자의 인증이 필요한 모바일 커머스 결제 시스템에 양자 암호를 이용한 사용자 인증 기법이 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 인증용 서버 장치를 상세하게 나타낸 도면이다.
양자 암호 인증용 서버 장치(500)는 광 통신부(510), 프로세서(520) 및 편광 생성부(530)를 포함하며, 프로세서(520)는 난수 생성부(521), 암호화부(522) 및 사용자 인증부(523)를 포함한다.
이때, 서버 장치(500)는 POS 단말기, 또는 은행 ATM 단말기와 같이, 뱅킹(banking), 재무(finance) 또는 카드 결제가 가능하고 보안 기능이 탑재된 고정된 단말기를 제한 없이 포함할 수 있다. 서버 장치(500)는 통신용 단말기(400)와의 통신 및 인증을 통해 얻은 정보를 카드, 재무 또는 금융 서비스를 제공하는 서비스 제공자(SP, Service Provider)와 공유함으로써 결제(payment), 뱅킹(banking), 또는 재무(finance) 트랜잭션(transaction)을 수행할 수 있다.
서버 장치(500)는 통신용 단말기(400)와 상호 인증을 수행하는 장치로서, 인증 및 트랜잭션의 최종 서버일 필요는 없다. 즉, 서비스 제공자(SP)가 보유한 2차 서버가 트랜잭션을 최종적으로 승인하고, 서버 장치(500)는 단지 통신용 단말기(400)의 사용자에 대한 인증을 실행할 수 있다.
프로세서(520)는 편광 생성부(530)의 편광 특성을 결정할 수 있다.
프로세서(520)는 난수 생성부(521), 암호화부(522) 및 사용자 인증부(523)를 포함할 수 있다. 이 때 난수 생성부(521)는 랜덤한 난수 기반으로 일련의 양자 상태를 생성할 수 있다.
통신용 단말기(400)에서 제1 양자 상태에 의하여 생성된 제1 편광 기저에 의하여 제1 편광 신호가 전송되면, 제1 편광 신호는 편광 생성부(530)의 제2 편광 기저를 통과하면서 제2 편광 신호로서 재구성된다. 이 때 제2 편광 기저는 난수 생성부(521)에서 생성된 제2 양자 상태에 기반하여 생성될 수 있다.
한편, 난수 생성부(521)는 또 다른 랜덤한 난수 기반의 일련의 제3 양자 상태를 생성할 수 있다. 제3 양자 상태에 기반하여 프로세서(520)는 편광 생성부(530)가 제3 편광 기저에 대응하는 편광 특성을 가지도록 편광 생성부(530)를 제어할 수 있다. 광 통신부(530)는 제3 편광 기저를 통과한 제3 편광 신호를 송출할 수 있다.
다시 제3 편광 신호는 통신용 단말기(400)에서 생성된 제4 양자 상태에 기반한 제4 편광 기저를 통과하면서 제4 편광 신호로 재구성될 수 있다.
통신용 단말기(400)는 제1 편광 신호의 원형인 암호 키를 구성하는 제5 양자 상태의 정보를 가지고 있다. 반대로 제4 편광 신호에 대해서는 원형인 암호 키에 대한 정보 모두를 가지고 있지는 않으며, 제4 편광 신호 중 수신 및 측정에 성공한 양자 상태만을 인식할 수 있다.
서버 장치(500)는 반대로 제3 편광 신호의 원형인 암호 키를 구성하는 제6 양자 상태의 정보를 가지고 있다. 한편 제2 편광 신호에 대해서는 원형인 암호 키에 대한 정보 모두를 가지고 있지는 않으며, 제2 편광 신호 중 수신 및 측정에 성공한 양자 상태만을 인식할 수 있다.
양 측이 서로 송수신된 양자 암호를 유효한 정보로서 활용하기 위해서는 양 측이 사용한 편광 기저의 정보를 공유해야 한다. 이 과정은 광 통신이 아닌 일반적인 유무선 통신, 예를 들면 TCP/IP, Wi-Fi, Bluetooth 등의 공지의 통신 기술을 통하여 이루어질 수 있다.
암호화부(522)는 서버 장치(500)의 통신 모듈(도시되지 않음)을 제어하여 제2 편광 기저 및 제3 편광 기저의 정보를 통신용 단말기(400)로 전송할 수 있고, 통신용 단말기(400)로부터 수신한 정보 중 제1 편광 기저 및 제4 편광 기저의 정보를 식별할 수 있다.
암호화부(522)는 제1 편광 기저 및 제2 편광 기저의 정보를 수신된 제2 편광 신호 중 측정에 성공한 양자 상태 정보와 조합하여 제1 비밀 키(통신용 단말기(400)로부터 서버 장치(500)로 전달된 양자 암호로부터 얻어지는 비밀 키)를 생성할 수 있다.
암호화부(522)는 제3 편광 기저 및 제4 편광 기저의 정보를 제3 편광 신호의 원형인 암호 키를 구성하는 제6 양자 상태 정보와 조합하여 제2 비밀 키(서버 장치(500)로부터 통신용 단말기(400)로 전달된 양자 암호로부터 얻어지는 비밀 키)를 생성할 수 있다.
사용자 인증부(523)는 제1 비밀 키 또는 제2 비밀 키 중 적어도 하나 이상을 이용하여 통신용 단말기(400)와의 사용자 인증을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비밀 키와 제2 비밀 키 중 어느 하나를 이용할 수도 있고, 제1 비밀 키와 제2 비밀 키를 조합하여 사용자 인증을 수행할 수도 있다.
서버 장치(500)의 광 통신부(510)는 편광 신호의 신호 강도를 조절할 수 있는 별도의 증폭기 또는 감쇠기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한 서버 장치(500)는 통신용 단말기(400)와의 거리를 측정할 수 있는 별도의 측정 수단(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 거리 측정 수단의 일 예로는, 적외선 대역의 광 신호를 송출하고, 반사된 적외선 신호를 수신하여 거리를 측정하는 실시예가 가능하다. 또는 커패시티브 센서를 이용한 전기장의 변화로 통신용 단말기(400)의 근접(proximity)을 감지하는 실시예도 가능하다.
서버 장치(500)가 통신용 단말기(400)와의 거리를 감지한 후, 프로세서(520)는, 통신용 단말기(400)의 광 수신 모듈이 적절하게 편광 신호를 광자로 필터링하여 측정할 수 있을 정도의 신호 강도를 가진 편광 신호를, 광 통신부(510)가 통신용 단말기(400)로 전송하도록 광 통신부(510)를 제어할 수도 있다.
이 때 통신용 단말기(400)로부터 통신용 단말기(400)의 광 수신 모듈의 감도 또는 필터링 사양에 대한 정보를 일반적인 유무선 통신망을 이용하여 프로세서(520)가 수신할 수 있다. 프로세서(520)는, 광 통신부(510)가 편광 신호를 통신용 단말기(400)로 전송할 때, 편광 신호의 전송 신호 강도를 통신용 단말기(400)의 광 수신 모듈의 감도 또는 필터링 사양에 대한 정보에 기반하여 조절할 수도 있다.
이와 같은 통신용 단말기(400)와 서버 장치(500) 간의 인터랙션에 의하여 통신용 단말기(400)에는 비교적 저렴한 가격의 광 송신 모듈 및 광 수신 모듈이 탑재되어도 양자 암호를 이용한 인증 과정이 실행될 수 있다. 이로써 모바일 커머스에서 양자 암호를 이용한 인증 기법을 적용하는 비용을 크게 절감할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다. 도 6을 참조하면, 중계기(620)와 통신용 서버 장치(630) 각각에서 독립적인 사용자 인증이 이루어지는 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템이 도시된다.
도 6의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템은 통신용 단말기(610), 중계기(620) 및 서버(630)를 포함한다. 이 때 통신용 단말기(610), 중계기(620), 및 서버(630)는 각각 난수 생성기(RNG)를 포함할 수 있다.
통신용 단말기(610)는 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 제1 편광 기저를 선택하고, 제1 편광 기저에 의하여 생성된 일련의 제1 편광 신호를 중계기(620)로 자유 공간 광 통신(free-space optical communication) 채널(640)을 이용하여 전송한다.
이때, 통신용 단말기(610)는 광 수신 모듈을 포함하고 있으므로 광 통신 채널(640)을 통하여 중계기(620)에서 생성한 양자 암호를 포함하는 편광 신호를 수신할 수도 있다. 이 때 편광 신호가 편광 필터를 경유하면서 상태 값이 달라질 수 있으므로 편의상 전송측에서 전송한 편광 신호를 제1 편광 신호, 수신측의 편광 필터를 경유한 수신 신호를 제2 편광 신호로 부를 수 있다.
중계기(620)는 도 5의 서버 장치(500)에 대하여 도시된 바와 같은 광 수신부(510), 광 송신부(520)와 같은 모듈을 포함할 수 있다. 중계기(620)는 난수 생성기(RNG)에서 생성된 일련의 제2 양자 상태에 기반하여 제2 편광 기저를 결정한다. 중계기(620)는 제2 편광 기저에 광 통신 채널(640)을 경유하여 수신한 제1 편광 신호를 통과시켜 제2 편광 신호를 얻는다.
이후, 통신용 단말기(610)와 중계기(620)는 통신용 단말기(610)에서 생성된 제1 편광 기저 정보 및 중계기(620)에서 생성된 제2 편광 기저 정보를 서로 유무선 통신망(660)을 통하여 공유한다.
한편 중계기(620)는 난수 생성기(RNG)에서 생성된 일련의 제3 양자 상태에 기반하여 제3 편광 기저를 결정하고, 제3 편광 기저에 기반한 제3 편광 신호를 광 통신 채널(640)을 경유하여 통신용 단말기(610)로 전송한다.
통신용 단말기(610)와 중계기(620) 각각은, 제1 편광 기저의 정보와 제2 편광 기저의 정보에 기반하여, 수신측의 측정에 성공한 양자 암호를 이용하여 통신용 단말기(610)와 중계기(620) 간에 각각 제1 비밀 키를 생성할 수 있고, 제3 편광 기저 정보와 제4 편광 기저 정보에 기반하여 제2 비밀 키를 생성할 수 있음은 도 5에서 설명한 비밀 키 공유 과정과 유사하다. 통신용 단말기(610)와 중계기(620)는 제1 비밀 키와 제2 비밀 키를 서로 공유할 수 있다. 중계기(620)는 제1 비밀 키 또는 제2 비밀 키 중 어느 하나를 이용하여 또는 제1 비밀 키와 제2 비밀 키 모두를 이용하여 통신용 단말기(610)와의 제1 사용자 인증을 처리할 수 있다.
서버(630)는 별도의 난수 생성기(RNG)를 포함하므로, 서버(630)에서 별도의 난수 생성을 이용하여 제7 편광 기저를 결정할 수 있다. 이 때 중계기(620)가 광 통신 채널(650)을 이용하여 제2 편광 신호를 서버(630)로 전달하고 서버(630)는 제2 편광 신호를 제7 편광 기저에 통과시켜 제5 편광 신호를 얻을 수 있다. 이 때 광 통신 채널(650)은 광 케이블일 수도 있고, 자유 공간 광 통신 채널, 또는 위성을 경유하는 광 통신 채널일 수도 있다.
이때, 중계기(620)는 서버(630)에 중계기(620)에서 생성된 양자 암호로부터 얻어지는 제2 비밀 키, 통신용 단말기(610)에서 생성된 제1 비밀 키 및 제1 사용자 인증에 대한 결과에 대한 정보를 유무선 통신망(670)을 통하여 전달할 수도 있다. 단, 제1 비밀 키와 제2 비밀 키를 전송하기 위해서는 유무선 통신망(670)은 보안이 철저하게 유지된, 외부와 별도로 분리된 전용 채널일 수 있다. 서버(630)는 후술할 제2 사용자 인증에 대한 결과와, 제1 사용자 인증에 대한 결과를 종합하여 사용자에 대한 인증을 완료하고, 결제, 뱅킹 또는 재무 등의 서비스 제공자(SP, Service Provider)에게 트랜잭션을 요청할 수 있다.
이때, 통신용 단말기(610)와 서버(630)는, 통신용 단말기(610)에서 생성된 제1 편광 기저 정보 및 서버(630)에서 생성된 제7 편광 기저 정보를 서로 유무선 통신망(680)을 통하여 공유할 수 있다.
이에 따라, 서버(630)에서는 제1 편광 기저의 정보와 제7 편광 기저의 정보에 기반하여 통신용 단말기(610)와 서버(630)간의 제3 비밀 키를 생성하여 통신용 단말기(610)와 서로 공유하고, 제3 비밀 키에 기반하여 서버(630)에서 제2 사용자 인증을 처리할 수 있다.
이때, 서버(630)는 중계기(620)에 제2 사용자 인증에 대한 결과에 대한 정보를 유무선 통신망(670)을 통하여 전달할 수도 있다.
또는, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 중계기(620)는 통신용 단말기(610)로부터 제1 편광 기저에 의하여 생성되고 전송되는 일련의 제1 편광 신호가 중계기(620) 측의 제2 편광 기저를 경유하여 생성되는 제2 편광 신호를 광 통신 채널(650)을 경유하여 서버(630)로 전달하고, 이때, 제1 편광 기저에 대한 정보 및 제2 편광 기저에 대한 정보를 유무선 통신망(670)을 통하여 서버(630)에 동시에 전달할 수도 있다.
이에 따라, 서버(630)에서는 제1 편광 기저의 정보와 제2 편광 기저의 정보 및 제3 편광 기저의 정보에 기반하여 통신용 단말기(610)와 서버(630) 간의 제4 비밀 키를 생성하여 통신용 단말기(610)와 서로 공유하고, 서버(630)에서 제2 사용자 인증을 처리할 수 있다.
이때, 서버(630)는 중계기(620)에 제2 사용자 인증에 대한 결과에 대한 정보를 유무선 통신망(670)을 통하여 전달할 수도 있다.
이때, 통신용 단말기(610) 측의 제1 편광 기저의 정보는 통신용 단말기(610)로부터 유무선 통신망(680)을 경유하여 서버(630)로 전달될 수도 있다.
서버(630)에 의하여도 양자 암호를 포함하는 편광 신호가 생성되어 광 통신 채널(650)을 경유하여 중계기(620)로 전달될 수 있다. 제2 사용자 인증은 서버(630)와 통신용 단말기(610) 간의 인증이므로, 제2 사용자 인증을 위해서는 서버(630)에 의하여 생성된 편광 신호는 중계기(620)를 거쳐 양자 상태의 변화 없이 광 통신 채널(640)로 전달되는 것이 바람직하다.
이 때, 중계기(620)는 광 통신 채널(650)로부터 수신된 편광 신호의 신호 강도를 조절하여 광 통신 채널(640)로 전송할 수 있다. 중계기(620)는 통신용 단말기(610)의 광 수신 모듈의 감도, 광 수신 모듈의 감쇠기의 성능, 광 수신 모듈의 광자 검출 성능 정보에 기반하여 광 통신 채널(640)로 전송될 편광 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다. 또한 중계기(620)는 통신용 단말기(610)와 중계기(620) 간의 거리에 기반하여 광 통신 채널(640)로 전송될 편광 신호의 신호 강도를 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다. 도 7을 참조하면, 중계기(720))에서 양자 암호 기반의 사용자 인증이 이루어지는 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템이 도시된다.
도 7의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템은 통신용 단말기(710), 중계기(720) 및 서버(730)를 포함한다.
도 7의 통신용 단말기(710)는 도 3, 도 4, 도 6의 통신용 단말기(310, 400, 610)의 기능과 동일한 기능을 수행할 수 있으므로 중복된 설명은 생략한다. 도 7의 중계기(720)와 서버(730)에 대해서도 도 7의 실시예에 특유한 기능을 중심으로 설명하고, 이전의 실시예와 중복되는 설명은 생략한다. 광 통신 채널(740) 또한 도 6의 광 통신 채널(640)과 동일한 구성으로 볼 수 있다.
도 7에서는 난수 생성기(RNG)는 서버(730)에 포함되나, 양자 암호를 이용한 인증 과정은 중계기(720)에서 이루어지는 실시예가 도시된다. 즉, 중계기(720)는 제1 편광 신호의 수신을 위한 광 수신 모듈을 포함하고 있으나 난수 생성기(RNG)를 포함하고 있지 않다. 따라서 중계기(720)는 서버(730) 측의 난수 생성기(RNG)에서 생성된 제2 양자 상태 기반의 제2 편광 기저 정보를 서버(730)로부터 수신한다.
제2 편광 기저 정보는 서버(730)로부터 유무선 통신망(760)을 통하여 중계기(720)로 전달되고, 유무선 통신망(780)을 통하여 통신용 단말기(710)와 공유된다.
중계기(720)에서 사용자 인증이 이루어지기 위해서는, 중계기(720)가 제1 편광 기저 정보를 공유하고 있어야 한다. 제1 편광 기저 정보는 통신용 단말기(710)로부터 유무선 통신망(도시되지 않음)을 통하여 중계기(720)로 전달될 수도 있고, 통신용 단말기(710)로부터 유무선 통신망(780)을 통하여 서버(730)로 전달된 후, 다시 서버(730)로부터 유무선 통신망(760)을 통하여 중계기(720)로 전달될 수도 있다.
중계기(720)에서 이루어진 사용자 인증의 결과 또는 비밀 키는 별도의 보안이 유지된 통신 채널(770)을 통하여 서버(730)로 전달될 수 있다. 한편 본 발명의 실시예에 따라서는 중계기(720)가 제2 편광 신호를 광 통신 채널(750)을 경유하여 서버(730)로 다시 한번 전달할 수도 있다. 서버(730)는 제2 편광 신호를 직접 수신함으로써 중계기(720)에서 이루어진 사용자 인증의 결과를 다시 한번 체크할 수도 있을 것이다. 다만 중계기(720)에서 이루어진 인증 과정이 양자 암호에 영향을 미쳤을 가능성은 고려되어야 한다.
비밀 키는 양자 암호, 제1 편광 기저 정보 및 제2 편광 기저 정보에 기반하여 얻어질 수 있으므로, 원리 상으로는 양자 암호를 직접 수신한 중계기(720)와 양자 암호를 생성한 통신용 단말기(710)가 공유할 수 있다. 비밀 키를 서버(730)가 공유하기 위해서, 앞서 설명한 바와 같이 보안이 유지된 별도의 통신 채널(770) 등 특수한 조건을 통하여 비밀 키가 서버로 전달될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다. 도 8의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템은 난수 생성 및 인증 과정이 중계기(820)에서 이루어지는 실시예를 도시한다.
도 8을 참조하면, 광 통신 채널(840)은 통신용 단말기(810)에서 생성된 양자 암호를 포함하는 제1 편광 신호를 중계기(820)로 전달하고, 중계기(820)에서 생성된 양자 암호를 포함하는 제3 편광 신호를 통신용 단말기(810)로 전달한다. 중계기(820)는 양자 상태를 스스로 생성할 수 있으므로 제2 편광 기저 정보 및 제3 편광 기저 정보를 스스로 생성한다.
통신용 단말기(810)와 중계기(820)는 유무선 통신망(870)을 경유하여 제1 편광 기저 정보와 제2 편광 기저 정보를 공유하고, 비밀 키를 생성하여 양자 암호 기반의 사용자 인증을 수행할 수 있다.
중계기(820)는 양자 암호 기반의 사용자 인증의 결과를 유무선 통신망(860)을 경유하여 서버(830)로 전달할 수 있다. 서버(830)가 금융, 재무, 결제 등의 서비스 제공자와 연결되어 실질적인 트랜잭션을 일으킬 수 있음은 앞에서 설명한 바와 같다.
광 통신 채널(850)은 실시예에 따라서는 중계기(820)가 수신한 제2 편광 신호를 서버(830)로 전달할 수도 있고, 새로운 양자 암호에 기반하여 생성된 편광 신호를 서버(830)로 전달할 수도 있다. 사용자 인증의 결과뿐만 아니라 비밀 키 또한 유무선 통신망(860)을 경유하여 서버(830)로 전달될 수도 있는데, 이 때에는 통신망(860)이 보안이 유지된 특수한 통신망일 것을 전제로 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중계기를 포함하는 양자 암호 기반의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템을 도시하는 도면이다. 도 9의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템에 따르면 서버(930)에서 난수 생성 및 사용자 인증이 이루어지는 실시예가 도시된다.
도 9의 통신 및 사용자 인증 네트워크 시스템은 통신용 단말기(910), 중계기(920) 및 서버(930)를 포함한다.
도 9를 참조하면, 광 통신 채널(940)은 통신용 단말기(910)에서 생성된 양자 암호를 포함하는 제1 편광 신호를 중계기(920)로 전달하고, 중계기(920)에서 생성된 양자 암호를 포함하는 제1 편광 신호를 통신용 단말기(910)로 전달한다.
이때, 중계기(920)는 통신용 단말기(910)로부터 수신한 제1 편광 신호를 그대로 서버(930)로 광 통신 채널(950)을 경유하여 전달하며, 서버(930)에서 수신한 제1 편광 신호를 통신용 단말기(910)로 그대로 전달할 수도 있다. 중계기(920)는 제1 편광 기저 정보를 통신용 단말기(910)로부터 유무선 통신망(970)을 경유하여 수신한다. 중계기(920)는 제1 편광 기저 정보를 이용하여 통신용 단말기(910)로부터 제1 편광 신호를 수신하고, 상기 제1 편광 신호의 양자 암호 정보를 그대로 유지하며 제1 편광 기저 정보를 이용하여 발신하여 광 통신 채널(950)을 경유하여 서버(930)로 전달한다.
이후, 통신용 단말기(910)에서 생성된 제1 편광 기저 정보 및 서버(930)에서 생성된 제2 편광 기저 정보를 서로 유무선 통신망(960)을 통하여 공유한다.
이에 따라, 서버(930)에서는 제1 편광 기저의 정보와 제2 편광 기저의 정보에 기반하여 통신용 단말기(910)와 서버(930)간의 비밀 키를 생성하여 통신용 단말기(910)와 서로 공유하고, 서버(930)에서 사용자 인증을 처리할 수 있다.
설명의 편의 상 도 6 내지 도 9는 각각 개별적인 실시예로 도시되었으나, 본 발명의 사상은 이에 국한되지 않는다. 예를 들면 보안성을 더욱 높이기 위하여 통신용 단말기(310, 400, 610, 710, 810, 910)에서 생성된 양자 암호 전체의 제1 부분에는 도 6의 실시예가 적용되고, 제2 부분에는 도 8의 실시예가 적용되는 변형된 실시예가 구현될 수 있으며, 또는 제1 부분에는 도 7의 실시예가, 제2 부분에는 도 9의 실시예가 적용되는 변형된 실시예도 구현될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법을 나타낸 순서도이다.
통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법은 난수 생성부(431)에 의하여 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태 및 제2 양자 상태를 랜덤하게 생성하고(S1010), 프로세서(430)에 의하여, 상기 랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 제1 편광 기저를 선택하고, 상기 제2 양자 상태로부터 암호 키를 생성한 후, 상기 암호 키가 상기 제1 편광 기저에 의하여 상기 일련의 제1 편광 신호로서 생성되도록 편광 생성부(410)를 제어한다(S1020).
이후, 편광 생성부(410)에 의하여 0도 또는 45도 각도의 제1 편광 기저를 이용하여 일련의 제1 편광 신호를 생성하고(S1030), 광 통신부(420)에 의하여 상기 일련의 제1 편광 신호를 서버로 전송하고, 상기 서버로부터 생성된 일련의 제3 편광 신호를 제4 편광 기저를 통과시켜 제4 편광 신호로서 수신한다(S1040).
이후, 프로세서(430)는 서버로 제1 편광 기저의 정보를 전송하도록 통신용 단말기의 일반 유무선 통신 모듈을 제어하고, 서버로부터 제2 편광 기저의 정보의 정보를 수신하도록 통신용 단말기의 일반 유무선 통신 모듈을 제어할 수 있다.
프로세서(430)는 제1 편광 기저의 정보와 제2 편광 기저의 정보를 조합하고 여기에 제2 양자 상태에 따른 암호 키를 반영하여 제1 비밀 키를 생성할 수 있다(S1050). 또한, 도 10에 도시되지는 않았으나, 프로세서(430)는 서버로부터 제3 편광 기저의 정보를 수신할 수 있고, 제3 편광 기저의 정보와 제4 편광 기저의 정보를 조합하고 여기에 제4 편광 신호 중 측정에 성공한 양자 비트의 값에 기반하여 제2 비밀 키를 생성할 수 있다.
프로세서(430)는 제1 비밀 키 또는 제2 비밀 키를 이용하여, 또는 제1 비밀 키와 제2 비밀 키 모두를 이용하여 서버와의 사용자 인증을 수행할 수 있다(S1060).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 서버 장치의 통신 방법을 나타낸 순서도이다.
서버 장치(500)의 프로세서(520)는 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제3 양자 상태, 제4 양자 상태 및 제5 양자 상태를 생성할 수 있다(S1110).
프로세서(520)는 제3 양자 상태에 기반하여 제2 편광 기저를 설정할 수 있고, 편광 생성부(530)는 단말기(400)로부터 전송되는 제1 편광 신호를 제2 편광 기저에 통과시켜 제2 편광 신호를 생성할 수 있다. 광 통신부(510)는 일련의 제2 편광 신호를 수신한다(S1120).
한편 서버 장치(500)는 별도의 양자 암호를 생성하여 단말기(400)로 전송할 수 있다. 단말기(400)의 광 수신 모듈은 편광 신호로부터 단일 광자를 측정하여 양자 상태 값을 얻을 수 있다.
서버 장치(500)는 제4 양자 상태에 기반하여 제3 편광 기저를 설정할 수 있고, 편광 생성부(530)는 제5 양자 상태에 기반하여 생성된 암호 키를 제3 편광 기저를 통과시켜 제3 편광 신호로서 생성할 수 있다. 광 통신부(510)는 일련의 제3 편광 신호를 통신용 단말기(400)로 전송할 수 있다(S1130).
프로세서(520)는 제3 편광 기저의 정보와 제4 편광 기저의 정보를 조합하고, 제5 양자 상태에 기반하여 생성된 암호 키를 이용하여 통신용 단말기(400)와 서버 장치(500) 간의 제2 비밀 키를 생성할 수 있다(S1140).
프로세서(520)는 제1 비밀 키 또는 제2 비밀 키 중 어느 하나를 선택하여 통신용 단말기(400)와의 사용자 인증을 수행할 수 있다(S1150). 또한 프로세서(520)는 제1 비밀 키 및 제2 비밀 키 모두를 선택하여 통신용 단말기(400)와의 사용자 인증을 수행할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호화 통신용 단말기 및 통신용 서버 장치의 광 통신부를 나타낸 도면이다.
광 통신부(1200)는 감쇠기(1210), 필터(1220), 검출기(1230)을 포함한다.
감쇠기(1210)는 광섬유 또는 공간을 전파하는 광(광량 또는 광의 진폭)에 일정한 양의 감쇠를 주는 장치로서 수광(受光)소자 또는 광기기(光機器)에 적당한 입력을 주기 위하여 필요하며 광기기의 손실평가(評價)에도 사용된다
일반적으로 광을 감쇠(減衰)시키는 것은 광량(光量)의 일부분을 흡수시켜 감쇠시키는 방법, 광량의 일부분을 반사시켜서 감쇠시키는 방법 및 광량의 일부분을 공간적으로 차단하여 감쇠시키는 방법이 있으며, 현재는 광량의 일부분을 반사시켜서 감쇠시키는 방법이 주로 이용되고 있다. 이에 따라, 자유 공간 광 통신 채널을 통하여 수신된 제1 편광 신호를 설정된 일정한 양으로 조절하는 역할을 한다.
필터(1220)는 감쇠기(1210)에서 일정한 양으로 조절된 제1 편광 신호를 단일 광자형태로 필터링하는 역할을 하고, 검출기(1230)는 필터링된 제1 편광 신호의 제1 양자 상태를 측정한다.
이러한 광 수신부를 이용하게 되면, 편광 신호를 감쇠 및 편광 필터링하여 단일 광자(single photon)로 제어하여 수신 및 측정할 수 있다.
도 12의 감쇠기, 필터, 검출기를 구현하기 위해서는 고가의 하드웨어를 필요로 한다. 따라서 일반적인 모바일 단말기나 개인용 단말기에 종래의 양자암호 수신을 위한 하드웨어가 탑재되기에는 어려움이 있었다. 본 발명의 실시예들에 따르면 비교적 저렴한 저사양의 하드웨어를 탑재한 모바일 단말기나 개인용 단말기가 양자 암호 인증을 활용할 수 있도록 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양자 암호 인증 과정에서는, 통신용 단말기와 서버 또는 중계기 장치가 근접 자유 공간 광 통신(proximity free-space optical communication)을 이용하여 양자 암호를 포함하는 양자 신호를 전송하고 수신할 수 있다. 이 때 통신용 단말기가 서버 또는 중계기 장치와 기준 거리, 예를 들어 10 cm 이내의 가까운 거리에 위치하는 경우, 제3자가 양자 암호를 도청할 수 있는 가능성은 매우 낮아진다. 따라서 비교적 단순화된 양자 암호 기법만으로도 소정의 목적을 충분히 달성할 수 있다. 또한 사용자가 통상의 모바일 통신 단말기를 이용하는 경우, 모바일 통신 단말기가 접근할 수 있는 일반적인 무선 통신, 근거리 통신 기법을 적용하여 비밀 키 공유에 필요한 최소한의 정보를 서로 전송/수신할 수 있다.
서버 또는 중계기 장치는 전송하고자 하는 양자 신호의 신호 강도를 조절함으로써, 비교적 저사양의 하드웨어를 탑재한 모바일 단말기 측이 양자 신호를 수신하는 데에 어려움이 없을 정도의 신호 강도를 가지도록 제어할 수 있다. 서버 또는 중계기 장치는 모바일 단말기와 서버 또는 중계기 간의 거리에 기반하여 양자 신호의 신호 강도를 적응적으로 조절하거나, 모바일 단말기의 양자 신호 수신 하드웨어의 사양 또는 특성에 기반하여 양자 신호의 신호 강도를 적응적으로 조절할 수도 있다.
또한 서버 또는 중계기 장치는 양자 암호 인증 과정을 서로 다른 양자 암호 집합을 이용하여 여러 차례 실행함으로써, 양자 신호의 전송 시 최적의 신호 강도를 탐색할 수도 있다.
본 발명에 따른 통신용 단말기/모바일 단말기에서는 양자 신호를 수신하는 데에 있어 고가의 하드웨어를 탑재하는 대신 상대적으로 저비용의 하드웨어로 원하는 기능을 충족할 수 있으므로, 본 발명은 종래의 양자 암호 통신 기법에 비하여 현저한 비용 절감의 효과가 있다.
본 명세서에서 언급한 통신용 단말기는 스마트폰, PDA, 휴대용 전화기를 포함하는 모바일 통신용 단말기일 수 있다. 통신용 단말기는 난수 생성기(RNG)와 레이저 다이오드를 조합한 편광 신호 생성 장치를 이용하여 양자 암호를 생성 및 전송할 수 있고, 감쇠기와 편광 필터를 이용하여 단일 광자 단위의 양자 암호를 측정 및 해석할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 통신용 단말기, 서버 또는 중계기에서 실행될 수 있는 양자 암호 인증 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명은 양자 암호 기반의 암호화 통신이 가능한 통신용 단말기 및 서버에 관한 기술로, 보다 상세하게는 모바일 상거래를 기반으로 한 대체 결제 시스템의 보안을 향상시키기 위한 통신용 단말기 및 서버에서의 양자 암호 기반의 암호화 통신 장치 및 인증/통신 방법에 관한 것이다.
본 발명은 양자암호를 통한 인증 과정의 일부를 개선하여 소형화/경량화가 가능하도록 모바일 단말기와 서버간의 중계 장치를 통한 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 모바일 단말기와 서버 또는 중계 장치 간의 양자암호통신을 이용한 인증 프로토콜을 제안하며, 이를 통하여 모바일 커머스에서 높은 보안성을 유지하며 사용자 인증을 실행할 수 있는 인증 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

Claims (17)

  1. 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 일련의 제1 양자 신호를 수신하는 광 통신부;
    서버로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부; 및
    랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하는 프로세서;
    를 포함하고,
    상기 프로세서는
    랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부;
    상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및
    상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;
    를 포함하는 통신용 단말기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 양자 신호는 상기 서버와 상기 광 통신부 또는 상기 서버와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 조절된 신호 강도를 가지는 통신용 단말기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 암호화부는 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보를 상기 서버로 전송하고,
    상기 제2 양자 신호는 상기 서버로 전송된 상기 광 통신부 또는 상기 양자 신호 생성부의 특성 정보에 기반하여 조절된 신호 강도를 가지는 통신용 단말기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양자 신호 생성부는 상기 서버와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 서버로부터 상기 제2 양자 신호를 수신하는 통신용 단말기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 난수 생성부는
    양자 난수 생성기(QRNG, Quantum Random Number Generator)를 이용하여 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 통신용 단말기.
  6. 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 양자 신호 생성부;
    상기 제1 양자 신호를 통신용 단말기로 전송하는 광 통신부;
    랜덤하게 생성된 일련의 제1 양자 상태에 기반하여 상기 제1 양자 필터의 설정을 선택하고, 상기 제1 양자 필터에 의하여 상기 제1 양자 신호가 생성되도록 상기 양자 신호 생성부를 제어하고, 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어하는 프로세서;
    를 포함하고,
    상기 프로세서는
    랜덤한 난수 기반으로 상기 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 난수 생성부;
    상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하고, 상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 암호화부; 및
    상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 사용자 인증부;
    를 포함하는 양자 암호화 통신용 서버 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는 통신용 단말기와 상기 광 통신부 또는 상기 통신용 단말기와 상기 양자 신호 생성부 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 양자 암호화 통신용 서버 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 양자 암호화 통신용 서버 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 광 통신부는 상기 통신용 단말기와의 거리가 기준 거리 이내인 자유 공간 광 통신 기법에 의하여 상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 신호를 전송하는 양자 암호화 통신용 서버 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 광 통신부는 2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하고,
    상기 프로세서는 상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하도록 상기 광 통신부를 제어하는 양자 암호화 통신용 서버 장치.
  11. 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계;
    상기 제1 양자 상태에 기반하여 일련의 제1 양자 신호를 생성할 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계;
    서버로부터 생성되고 전송되는 일련의 제2 양자 신호의 수신 경로에 상기 제1 양자 필터를 설정하여 상기 제1 양자 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 양자 필터를 통과함으로써 생성되는 상기 제1 양자 신호를 수신하는 단계;
    상기 서버로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 서버에 의하여 상기 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계;
    상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 서버와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및
    상기 비밀 키를 이용하여 상기 서버와의 사용자 인증을 수행하는 단계;
    를 포함하는 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 양자 신호는 상기 서버와 상기 통신용 단말기 간의 거리에 기반하여 조절된 신호 강도를 가지는 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 통신용 단말기의 특성 정보를 상기 서버로 전송하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 제2 양자 신호는 상기 서버로 전송된 상기 통신용 단말기의 특성 정보에 기반하여 조절된 신호 강도를 가지는 통신용 단말기의 양자 암호 인증 방법.
  14. 랜덤한 난수 기반으로 일련의 제1 양자 상태를 랜덤하게 생성하는 단계;
    상기 제1 양자 상태에 기반하여 제1 양자 필터의 설정을 선택하는 단계;
    상기 제1 양자 필터를 이용하여 일련의 제1 양자 신호를 생성하는 단계;
    통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계;
    상기 제1 양자 신호를 상기 통신용 단말기로 전송하는 단계;
    상기 통신용 단말기로 상기 제1 양자 필터의 정보를 전송하고, 상기 통신용 단말기에 의하여 상기 제1 양자 신호로부터 제2 양자 신호의 생성에 이용된 제2 양자 필터의 정보를 수신하는 단계;
    상기 제1 양자 필터의 정보 및 상기 제2 양자 필터의 정보를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 비밀 키를 생성하는 단계; 및
    상기 비밀 키를 이용하여 상기 통신용 단말기와의 사용자 인증을 수행하는 단계;
    를 포함하는 서버 장치의 양자 암호 인증 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는
    상기 통신용 단말기와 상기 서버 장치 간의 거리에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 서버 장치의 양자 암호 인증 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는
    상기 통신용 단말기의 양자 신호 수신 특성에 기반하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 서버 장치의 양자 암호 인증 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    2차 서버로부터 상기 제1 양자 신호의 원형이 되는 광 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 단계는
    상기 통신용 단말기와의 통신 조건에 기반하여 상기 광 신호에 대한 감쇠를 통하여 상기 제1 양자 신호의 신호 강도를 조절하는 서버 장치의 양자 암호 인증 방법.
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