WO2017204440A1 - Code-based quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system - Google Patents

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WO2017204440A1
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optical pulse
chip
chips
receiver
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이준구
오준상
임경천
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한국과학기술원
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    • H04L9/0819Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)

Definitions

  • the present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system. More particularly, in implementing a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system, a single photon pulse signal is shorter than the pulse width through high-speed phase modulation on a complex plane.
  • the present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system for dividing a plurality of chips having a period and coding a phase of each chip to distribute quantum cryptographic keys.
  • Quantum cryptographic key distribution technology uses photon quantum mechanical properties to distribute and share cryptographic keys among remote users.
  • the encryption key information may be altered. Accordingly, the user who sends and receives the encryption key may detect the existence of the eavesdropper. Will be.
  • a technique for distributing a quantum cryptographic key by modulating the frequency or phase of an optical pulse has been proposed, but in this case, a modulation circuit should be provided not only for the sender (Alice) but also for the receiver (Bob). Etc., the structure may be complicated, and a disadvantage may occur in that loss of an optical pulse may occur.
  • the present invention was devised to solve the above problems of the prior art, and in the case of distributing a quantum cryptographic key by modulating the frequency or phase of an optical pulse according to the prior art, it modulates not only the sender Alice but also the receiver Bob.
  • the structure may be complicated, such as the need for a circuit, and may cause a loss of optical pulses.
  • the receiver may be simplified to improve data transmission efficiency, improve security, and improve reception.
  • An object of the present invention is to provide a quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system that can also increase the detection efficiency in.
  • a quantum cryptographic key distribution system for solving the above problems is a system in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of optical pulses, one optical pulse 2N chips ( a transmitter that transmits an optical pulse carrying data of N qubits by dividing into chips and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, wherein N is a natural number of 1 or more. ; And a receiver for receiving the optical pulse transmitted by the transmitter and applying a second basis among the plurality of basis to detect the optical pulse to restore some or all of the data. Is characterized by contrasting the first basis and the second basis and distributing encryption keys to each other using some or all of the data.
  • the receiver may include: an optical splitter configured to divide the received optical pulse with a predetermined probability and transmit the split optical pulse to the first path and the second path; A delay and summing filter which receives the optical pulses and divides the first optical pulses into second optical pulses, delays the first optical pulses by a predetermined chip interval, and then adds the optical pulses with the second non-delayed second optical pulses. ; And a photon detector for detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
  • the delay and summing filter may include a phase modulator for modulating the phase of the first light pulse or the second light pulse according to the second basis.
  • the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
  • the optical splitter may include a switch that divides a plurality of chips in the optical pulse and transfers some chips to the first path and the other chips to the second path.
  • the switch may divide the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half to transfer the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
  • a quantum cryptographic key distribution method is a method in which a transmitter and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of optical pulses, wherein the transmitter divides one optical pulse into 2 N chips. And outputting an optical pulse carrying data of N qubits by applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, wherein N is a natural number of 1 or more.
  • the receiver receives an optical pulse transmitted by the sender, applies a second basis among the plurality of basis to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and the sender and receiver receive the The first base and the second base are collated and the encryption keys are distributed to each other using some or all of the data.
  • a quantum cryptographic key distribution method is a method in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of light pulses, wherein the receiver has 2 N chips (one light pulse from the sender). chip), and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, carrying out phase modulation by receiving data of N qubits, where N is 1 Natural numbers above); And by the receiver, applying a second basis of the plurality of basis to the received optical pulse to detect an optical pulse and recovering some or all of the data.
  • the first base and the second base are collated and the encryption keys are distributed to each other using some or all of the data.
  • the restoring step may include: a light splitting step of dividing the received light pulse with a predetermined probability and transferring the plurality of paths; Receives an optical pulse traveling in the plurality of paths, divides the first optical pulse into a second optical pulse, delays the first optical pulse by a predetermined wavelength, and adds the second optical pulse to the second non-delayed optical pulse. Delay and summing steps; And a photon detection step of detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
  • the phase of the first light pulse or the second light pulse may be modulated according to the second basis.
  • the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
  • the optical splitting step may be implemented by using a switch that divides a plurality of chips in the optical pulse and transfers some chips to the first path and transfers the remaining chips to the second path.
  • the switch may divide the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half, and transfer the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
  • a transmitting apparatus comprising: a transmitting apparatus for distributing a quantum encryption key with a receiving apparatus using a series of optical pulses, the apparatus comprising: an optical pulse generating unit generating an optical pulse; And splitting an optical pulse into 2 N chips and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips to phase modulate the optical pulse carrying N qubits of data.
  • a receiving device is a receiving device for distributing a quantum cryptographic key using a series of light pulses received from a transmitting device, wherein one light pulse from the sender to the sender is 2 N chips.
  • An optical pulse receiver configured to apply a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips and to phase modulate the received data by receiving N qubits of data, wherein N is 1; Natural waters above;
  • an optical pulse detector configured to apply a second basis among the plurality of basis to the received optical pulses to detect an optical pulse to restore some or all of the data, wherein the transmitting apparatus and the receiving apparatus include: And comparing the first basis and the second basis and distributing encryption keys to each other using some or all of the data.
  • the quantum cryptographic key distribution method and apparatus system divides an optical pulse into a plurality of chips and phase-modulates each chip based on a predetermined code to distribute the quantum cryptographic key between the sender and the receiver. While simplifying the structure of Bob and the like, it is possible to improve data transmission efficiency, improve security, and further improve detection efficiency at a receiving end.
  • FIG. 1 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of a quantum cryptographic key distribution method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process of generating a plurality of chips from an optical pulse according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the structure of a two-chip coded quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a chip signal (b) subjected to modulation (a) and delayed interference of a single photon signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining the structure of a two-chip quantum cryptographic key distribution system maximizing the detection efficiency according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an attack model of an eavesdropper (eve) using a two-chip switching & delay interferometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a structure of a four-chip coded quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the structure of a four-chip quantum cryptographic key distribution system maximizing detection efficiency according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram of a receiving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from another component. Only used as
  • the allowable error tolerance bound is an indicator of the security of the protocol.
  • QKD quantum key distribution
  • a new protocol has been proposed to raise the limit of the allowable error rate, of which the limit of the allowable error rate in the multi-qubit quantum cryptographic key distribution protocol that encodes the multi-qubit information in one quantum state is determined by the number of qubits. It was found to increase accordingly.
  • the present invention focuses on a method for implementing a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system, dividing a single photon pulse signal into optical pulses of a unit of chip shorter than the pulse width through fast phase modulation in complex plane and coding the phase of each chip. By doing so, a new method for implementing a multi-qubit quantum cryptographic protocol is disclosed.
  • Quantum cryptographic key distribution is one of the cryptographic key distribution methods used to distribute keys for modulating or demodulating information for communication between two authenticated users.
  • quantum cryptographic key distribution allows sharing of secret keys in the presence of eavesdroppers (Eve) based on physical laws at the quantum level.
  • the BB84 protocol first proposed by Bennett and Breassard, showed that quantum key distribution is possible using four quantum states that constitute two basis.
  • the four quantum states are the base quantum states , Quantum states of and base 2 , It is expressed as The sender Alice transmits any one of four quantum states to the receiver Bob, and the receiver Bob selects any one of the base 1 and the base 2 to measure.
  • the receiver Bob can obtain the correct secret key information only when the measurement is made on the same basis as the basis of the transmitted quantum state. For this reason, after all transmissions are completed in the quantum channel, the sender (Alice) and the receiver (Bob) disclose their respective base information through the classical channel and use only the result of using the same base for secret key extraction. This process is called shifting. After the shifting is done, a part of the valid result is taken to calculate an error caused by the eavesdropper's attack to determine whether to use the result as a secret key. At this time, the limit value of the allowable error rate is determined, and if the error rate is larger than this value, all the result values are discarded. If the error rate is smaller than the limit value, the secret key can be successfully generated through an additional process.
  • the allowable error rate threshold is a good indicator in designing a more secure quantum key distribution system. For this reason, research has been conducted on protocols that raise the limit of acceptable error rates.
  • a protocol using six quantum states has been proposed, and recently, quantum key distribution that encodes "single-photon multicubit" instead of one qubit per photon.
  • the allowable error rate limit increases according to the number of qubits as shown in Equation 1 below.
  • the present invention proposes a new implementation method that can be applied to a multi-qubit protocol based on the BB84 protocol.
  • Various implementations have been proposed to implement the existing BB84 protocol, such as using phase modulation or frequency modulation, and two qubit single photon quantum key distribution systems using polarization modulation and phase modulation are proposed.
  • the quantum key distribution system proposed by the present invention uses a quantum state in which phase coding is modulated on optical pulses of multiple chip units by performing a single complex pulse phase modulation of a complex plane at high speed.
  • a code-based quantum cryptographic key distribution system to describe a photon transmission system composed of two chips capable of transmitting one qubit information and a photon transmission system composed of four chips capable of transmitting two qubit information.
  • This paper proposes an implementation method of a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system that can transmit N qubit information by extending it to 2 N chips.
  • FIG. 1 illustrates a configuration diagram of a code-based quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a quantum cryptographic key distribution system 100 may include a sender 110 and a receiver 120, and the sender 110 and the receiver ( 120 may be connected using an optical network 130 including an optical channel capable of delivering optical pulses.
  • Figure 2 illustrates a flow chart of a quantum cryptographic key distribution method according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitter 110 divides one optical pulse into 2 N chips, the 2 N chips And transmitting a light pulse carrying data of N qubits by applying a first basis among a plurality of predetermined bases to N phases (where N is a natural number of 1 or more) (S110) and the receiver 120 Receiving an optical pulse transmitted by the transmitter 110, applying a second basis of the plurality of basis to the received optical pulse to detect the optical pulse to restore some or all of the data ( S120) may be included.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 distributes the quantum cryptographic key using a series of light pulses.
  • the transmitter 110 divides one optical pulse into 2 N chips, applies a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, and phase modulates the N qubits.
  • the receiver 120 receives the optical pulse transmitted by the sender 110 and receives the plurality of bases.
  • a second basis of the basis is applied to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and the sender 110 and the receiver 120 collate the first and second bases and the data Split encryption keys between each other using some or all of It is.
  • the data may be data for generating a quantum encryption key distributed between the sender 110 and the receiver 120.
  • the quantum cryptographic key distribution method from the perspective of the receiver 120 in the method in which the transmitter 110 and the receiver 120 distributes the quantum cryptographic key using a series of light pulses.
  • receiver 120 to from a sender (110) to apply one of being light pulse is divided into 2 N chips (chip), the two first base of the N plurality of ground a predetermined in-chip (basis) phase
  • the restoring step (S120b) may include: a light splitting step of dividing the received light pulse with a predetermined probability and transferring the first and second paths; Receiving the optical pulse is divided into a first optical pulse and a second optical pulse, delaying and summing the first optical pulse by a predetermined chip interval, and then summing it with the second optical pulse that is not delayed ; And a photon detection step of detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
  • the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
  • the 1-chip delay and summing filter refers to a filter for delaying and summing an optical pulse including a plurality of chips by one chip, and more generally, the 2 n-1 -chip delay and summing filter is a plurality of chips. It refers to a filter that adds after delaying the optical pulse including a 2 n-1 -chip.
  • the transmitter 110 divides one optical pulse into a plurality of chips, and phase modulates the plurality of chips to correspond to a plurality of codes predetermined according to a basis, thereby optically communicating the optical network ( 130 is sent to the receiver (120).
  • the receiver 120 receives a light pulse transmitted by the transmitter 110, passes through a beam splitter, and includes a plurality of delay and summing filters configured to correspond to a basis. After detecting the pulse of light by using a single photon detector.
  • the transmitter 110 informs the receiver 120 of a basis used to modulate an optical pulse, that is, a basis for measuring a code composed of chips constituting the phase-modulated optical pulse.
  • the receiver 120 informs the sender 110 of the basis used to detect the optical pulse, that is, the phase delay value of the delay and add filter, so that After determining whether an attack is made, a quantum cryptographic key is calculated by applying an error correction technique and a privacy amplification technique.
  • the quantum cryptographic key distribution system 100 simplifies the structure such as configuring the receiver 120 without a modulator and improves data transmission efficiency. Furthermore, the attack of the eavesdropper 140 can be effectively suppressed.
  • an optical pulse (photon) generated by a light source such as a laser diode of the transmitter 110 or an optical pulse generator 112 may be an optical pulse modulator 114 such as an IQ modulator. While passing through may be divided into a plurality of chips (chip).
  • the optical pulse modulator 114 such as the IQ modulator, may phase-modulate each chip and output the same.
  • an optical pulse generated from a light source such as a laser diode has one phase (for example, 0 °).
  • the optical pulse is divided into a plurality of chips and the plurality of chips. Can be modulated at intervals of a predetermined phase, thereby forming a plurality of chips having a series of phase values.
  • the quantum cryptographic key distribution system 100 may include a sender 110 and a receiver 120.
  • the transmitter (Alice) 110 In the BB84 protocol using a phase modulation qubit, the transmitter (Alice) 110 generates a signal divided into two chips by a single photon pulse through complex plane fast phase modulation.
  • the modulated phase of each chip has one of ⁇ 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° ⁇ . 4 shows a system model using the above-described modulation scheme.
  • 5 (a) shows a signal obtained by modulating a single photon pulse transmitted in a period T into two chips. When the phase of the first chip is referenced to 0 ° in the complex plane, all four possible quantum states are determined by chip 2's phase modulation value.
  • the receiver 120 uses a 50:50 beam splitter to divide the incoming signal into two paths and delay and summing filters DAF 1 and DAF 2 with delay paths of 1-chip periods in each path. Signal).
  • the delay and summing filters DAF 1 and DAF 2 have phase path differences of 0 ° and 90 °, respectively, in the delay path.
  • Figure 5 (b) shows the interference signal generated by the interference of the two chips transmitted by the sender (Alice) in the constructive interference port and the cancellation interference port of the delay and summing filter.
  • the receiver 120 may determine the quantum state received through the interference signals of the two chips sent by the transmitter 110, and since the actual interference chip is located at time t 2 in the interference signal, it is detected at time t 2 . Only the results can be used to extract key information.
  • the secret key can be generated as follows through the system structure of FIG. 4.
  • Equation (3) Looking at the orthogonality of the four quantum states defined in equation (3) is as shown in equation (4).
  • the four quantum states defined in Equation 3 may be divided into two basis, the basis ⁇
  • One of the four quantum states received from the transmitter 110 passes through the beam splitter of the receiver 120 and the delay and summing filters DAF1 and DAF2, and then of the delay and interference filters DAF1 and DAF2. It is detected at one of the single photon detectors 1, 2, 3, 4 (SPD1, SPD2, SPD3, SPD4) connected to the constructive interference port and the cancellation interference port.
  • SPD1, SPD2, SPD3, SPD4 single photon detectors 1, 2, 3, 4 connected to the constructive interference port and the cancellation interference port.
  • the detection probability of the detector will be described taking the case where the transmitter 110 sends
  • Equation 7 the probability that a signal is measured in each single photon detector SPD is expressed by Equation 7 below.
  • the receiver ( The measurement basis of 120 corresponds to the base X when the detectors 1 and 2 (SPD1 and SPD2) are detected and the base Z when the detectors 3 and 4 (SPD3 and SPD4) are detected.
  • the receiver 120 discloses to the sender 110 the time of the detected photons and the measured basis (X or Z) and gives the same basis for the measurement of the chip signal corresponding to the time t t -t . Only use it as key information.
  • sender 110 used basis X, it would generate bit “0” if measured at single photon detector 1 (SPD1), if it was measured at detector 2 (SPD2), generate bit “1", and sender 110 would base Using Z produces bit “0” if measured at detector 3 (SPD3) and bit “1” if measured at detector 4 (SPD4).
  • the optical signal consisting of two chip signals arrives at the detector SPD through a delay and summing filter DAF as shown in FIG. 5 (b), it corresponds to t 1 , t 2 , and t 3 hours. Since the chip signals all have a probability of detecting photons, since the signal containing the valid information is the chip signal at time t 2 , the chip signal corresponding to the time t 1 and t 3 other than t 2 does not contain valid information. It reduces the detection efficiency by 50% and thus reduces the absolute secure transmission distance by as much as 3-dB. This is equivalent to a shorter transmission distance of 20 km when using ordinary communication fiber optics (SMF-28). Therefore, a new structure using a high speed switch is proposed in FIG. 6 in order to remove unnecessary signals and prevent a decrease in detection efficiency.
  • SMF-28 ordinary communication fiber optics
  • a fast switch and an interferometer are used in place of the delay and summing filter DAF (or a delay interferometer).
  • DAF delay and summing filter
  • the high-speed switch divides the chip signal constituting the transmit pulse into the up and down paths.
  • the divided chip signal has a 1-chip time delay when it passes through the upper path and the chip signal in the lower path is 0 ° or 90 ° phase modulated. And enter the single photon detector through the interferometer.
  • the detection efficiency does not decrease.
  • the sender 110 and the receiver 120 may generate a secret key as follows.
  • the sender 110 randomly selects one of the quantum states of Equation (2) and transmits it to the receiver 120.
  • the receiver 120 divides the first chip signal into the upper path and the next chip signal into the lower path by using a switch. At this time, the chip signal entering the upper path undergoes a delay of one chip time without undergoing a change in phase, and the chip signal entering the lower path is modulated by the receiver 120 to any value of ⁇ 0 °, 90 ° ⁇ . (PM).
  • the signal by constructive interference of the chip signal of the upper path and the lower path enters the single photon detector 1 (SPD1) and the canceling interference signal enters the single photon detector 2 (SPD2) and is detected.
  • the measurement corresponds to the basis X, and if the receiver 120 detects the phase modulation of 90 °, it corresponds to the basis Z measurement.
  • the receiver 120 discloses the measured basis to the sender 110 and generates bit “0" or "1” according to the quantum state.
  • a four-chip coding system modulates one single photon pulse into four chip signals.
  • each chip signal is phase modulated with one of ⁇ 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° ⁇ .
  • four quantum states satisfying Equation 4 can be generated.
  • Equation 8 is shown.
  • a single photon pulse carries one bit of information.
  • one bit information can be transmitted using only two chip signals. If four quantum states are used as quantum information by applying it to four-chip coding as it is, two chip signals are divided into four chips. Will have duplicate information. Since the chip signal having the duplicated information increases the amount of information exposed to the eavesdropper 140, security cannot be guaranteed.
  • FIG. 7 is an example of an attack of the eavesdropper 140 when four bits of one bit information are transmitted.
  • the eavesdropper 140 intercepts the signal sent by the transmitter 110 and divides the two chip signals into the upper path and the lower path through the two-chip delay switch to cause interference.
  • only the quantum states ⁇ (1,1,1,1), (1, -1,1, -1) ⁇ are detected at the constructive interference port, and the quantum states ⁇ (1, i,- 1, -i), (1, -i, -1, i) ⁇ has a detection probability.
  • the eavesdropper 140 can accurately detect the signal sent by the sender 110 and By regenerating the same signal and sending it to the receiver 120, all key information can be found.
  • the problem described above may occur due to overlapping information while increasing the number of chip signals.
  • the number of quantum states to be transmitted is increased according to the present invention to avoid duplication of information transmitted while increasing the number of chip signals.
  • the problem was solved by increasing the amount of information transmitted in the quantum state.
  • the four-chip coded quantum cryptography key distribution system 100 transmits two qubit information to one quantum state using a total of 16 quantum states.
  • a method of generating 16 quantum states may be represented by a qubit generation operation as shown in Equation 9 below.
  • Each quantum state is determined based on the ⁇ value of the qubit generation operation. If the base of the first qubit is X, , The base of the first qubit matches Z. Likewise If the base of the second qubit is X, If the base of the second qubit is matched by Z, all quantum states are included in the base of ⁇ XX, XZ, ZX, ZZ ⁇ .
  • the inner products of the same base are orthogonal to each other and orthogonal to other base quantum states by calculating the inner product between the quantum states as shown in Equation 4. It is easy to see that it does not, and also, when the sender 110 and the receiver 120 use different basis, the superimposed set of Table 1 (quantum state information of the 4-chip coded quantum cryptographic key distribution system 100) below. As shown in the (superposition set) column, the quantum state of a particular base can be expressed as the superposition of the quantum states of another base, so that the exact quantum state cannot be determined without using the same base.
  • FIG. 8 illustrates an operation structure of a 4-chip coded quantum key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the sender 110 sends one of the 16 quantum states to the receiver 120.
  • the signal received at receiver 120 is passed through a two-chip delay interferometer and through a one-chip delay interferometer (DAF) to be measured with a single photon detector (SPD).
  • the receiver 120 bases the measurement on the phase path difference between the two-chip delay interferometer (DAF) and the one-chip delay interferometer (DAF).
  • detectors 1, 2, 5, 6 correspond to base XX
  • detectors 9, 10, 13, 14 correspond to (90 °, 0 °) correspond to base XZ
  • Detectors 3, 4, 7, 8 correspond to the base ZX
  • detectors 11, 12, 15, 16 correspond to (90 °, 90 °) (SPD11, SPD12, SPD15, SPD16) correspond to the base ZZ.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 disclose the basis of each other and use only the signal when the same base is used for secret key extraction.
  • the same basis refers to a case in which the basis of the first qubit and the second qubit is the same, and the two qubits are shifted and post-processed in one symbol unit as in quadrature phase shifting key. Proceed. In this way, when the shifting and post-processing processes are applied in symbol units, the limit of the allowable error rate of the system increases.
  • the measurement efficiency of the signal decreases and as the number of chip signals increases, the number of single photon detectors (SPDs) also increases, as in the two-chip quantum cryptographic key distribution system 100.
  • the two-chip switching & delay interferometer (DAF) and one-chip switching & delay interferometer (DAF) of FIG. 9 can be used to reduce the detection efficiency and reduce the number of single photon detectors (SPDs).
  • the number of chip signals is increased to 2 N
  • the number of quantum states that we use is 4 N in total and can be represented by the qubit generation operation as shown in Equation 10 below.
  • Qubit Generation Operation Can generate independent qubits, so commutators to be.
  • quantum states may be generated through quantum superposition of non-orthogonal quantum states.
  • the basis of each quantum state According to the base of one qubit by X and Z, there are a total of 2 N bases from XXX ... X, ZZZ ... Z, and the sender 110 and the receiver 120 are 4-chip quantum encryption keys.
  • the secret key information is extracted from the signal when the basis of the quantum state sent by the transmitter 110 and the measurement basis of the receiver 120 are the same as the method used in the distribution system 100.
  • FIG. 9 is a two-chip coding system. Not only 4-chip coding system but also 2N -chip coding system can be applied according to the method described above.
  • one single photon pulse is subjected to complex plane fast phase modulation and divided into chips of small time units to make one quantum state.
  • a 2 N -chip coding system capable of having N classical bit information in one photon through the corresponding modulation scheme It was confirmed that it can be generalized to.
  • the proposed method of encoding multiple qubits is simple and the structure of the receiver is composed of only a switch, a delay interferometer and a single photon detector, so that the actual quantum cryptographic key distribution protocol can be easily implemented.
  • FIG. 10 illustrates a configuration diagram of the transmission apparatus 110 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 illustrates a configuration diagram of the reception apparatus 120 according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission device 110 and the reception device 120 can be easily implemented with reference to the description of the quantum cryptographic key distribution system 100 and the method according to the present invention. Replace with
  • the transmitting apparatus 110 is a transmitting apparatus 110 that distributes a quantum cryptographic key with the receiving apparatus 120 by using a series of optical pulses, and generates an optical pulse.
  • generator 112 and by dividing the my pulse with 2 N chips (chip), and the phase by applying the first base of the plurality of ground (basis) predetermined in the 2 N-chip modulation data of N qubits
  • it comprises an optical pulse modulator 114 for transmitting the optical pulse (where N is a natural number of 1 or more), wherein the receiving device 120 receives the optical pulse sent by the transmitting device 110 And applying a second base among the plurality of bases to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and accordingly, the transmitting device 110 and the receiving device 120 are connected to the first base. Collating the second basis and using some or all of the data It is possible to distribute encryption keys to each other.
  • the reception device 120 is a reception device 120 that distributes a quantum encryption key using a series of optical pulses received from the transmission device 110, and the transmission device 110.
  • from one of the optical pulse is divided into 2 N chips (chip), the 2 N of applying a first base of the plurality of baseband predetermined (basis) on the chip to the phase modulation carries the transmission light data of the N qubits
  • An optical pulse receiver 122 (where N is a natural number of 1 or more) for receiving a pulse and a second basis among the plurality of bases are applied to the received optical pulses to detect an optical pulse, thereby detecting a part of the data or
  • a light pulse detector 124 for restoring the entirety, wherein the transmitting device 110 and the receiving device 120 collate the first base and the second base and partially or all of the data. Distribution of encryption keys between It can be so.

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Abstract

The present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system and, more particularly, to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system wherein, in order to implement a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system, a quantum cryptographic key distribution is performed by dividing a single photon pulse signal into a plurality of chips, each having a period shorter than a pulse width, through fast phase modulation in a complex plane and coding the phase of each chip. A quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system according to an embodiment of the present invention performs quantum cryptographic key distribution between a sender (Alice) and a receiver (Bob) by dividing a light pulse into a plurality of chips and phase-modulating each of the chips on the basis of predetermined codes. Therefore, it is possible to increase data transmission efficiency and improve security while simplifying the structures of the receiver (Bob) and the like, and in addition, it is also possible to improve detection efficiency at a receiving end.

Description

코드 기반 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템Code-based Quantum Cryptographic Key Distribution Method, Apparatus and System
본 발명은 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다중 큐빗 양자 암호 키 분배 시스템을 구현함에 있어서, 단일 광자 펄스 신호를 복소평면 상에서의 고속 위상 변조를 통해 펄스폭 보다 짧은 주기를 가지는 복수의 칩으로 분할하고 각 칩의 위상을 코딩하여 양자 암호 키를 분배하는 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system. More particularly, in implementing a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system, a single photon pulse signal is shorter than the pulse width through high-speed phase modulation on a complex plane. The present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system for dividing a plurality of chips having a period and coding a phase of each chip to distribute quantum cryptographic keys.
최근 도,감청 등으로 인한 정보 유출에 따른 피해 사례가 속출하면서 보안에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 그러나, 종래 기술에 따른 보안 통신은 외부 공격에 의해 통신 내용이 노출될 수 있는 상당한 위험성을 가지고 있으며, 이를 보완하기 위한 차세대 보안 기술로써 이론적으로 매우 높은 보안성을 보장할 수 있는 양자 암호 통신이 각광 받고 있다.Recently, as cases of damage caused by information leakage due to interception and eavesdropping have continued, interest in security has increased greatly. However, the security communication according to the prior art has a considerable risk of exposing the communication contents by an external attack, and as a next-generation security technology to compensate for this, quantum cryptography communication, which can guarantee very high security, has been spotlighted. I am getting it.
이와 관련하여, 양자 암호 통신 기술 중 양자 암호 키 분배에 관한 연구도 활발히 진행 되고 있다. 양자 암호 키 분배 기술은 광자의 양자 역학적 성질을 이용하여 원격지의 사용자 간에 암호 키를 분배하고 공유하는 기술이다. 이때, 양자 역학적 성질에 의해 도청자가 사용자 간에 분배되고 있는 암호 키 정보를 획득하고자 시도할 경우, 상기 암호 키 정보가 변질될 수 있으며, 이에 따라 암호 키를 주고 받는 사용자들이 도청자의 존재를 감지할 수 있게 된다.In this regard, research on quantum cryptographic key distribution among quantum cryptographic communication technologies has been actively conducted. Quantum cryptographic key distribution technology uses photon quantum mechanical properties to distribute and share cryptographic keys among remote users. In this case, when the eavesdropper attempts to obtain the encryption key information distributed among the users due to quantum mechanical properties, the encryption key information may be altered. Accordingly, the user who sends and receives the encryption key may detect the existence of the eavesdropper. Will be.
양자 암호 키 분배 기술의 하나로서 광 펄스의 주파수 또는 위상을 변조하여 양자 암호 키를 분배하는 기법이 제안된 바 있으나, 위와 같은 경우 송신자(Alice) 뿐만 아니라 수신자(Bob)에도 변조 회로가 구비되어야 하는 등 구조가 복잡해질 수 있으며, 광 펄스의 손실이 발생할 수 있다는 단점이 나타날 수 있다.As one of the quantum cryptographic key distribution techniques, a technique for distributing a quantum cryptographic key by modulating the frequency or phase of an optical pulse has been proposed, but in this case, a modulation circuit should be provided not only for the sender (Alice) but also for the receiver (Bob). Etc., the structure may be complicated, and a disadvantage may occur in that loss of an optical pulse may occur.
또한, 상기 수신자(Bob)의 복잡한 구조 및 광 펄스의 손실에 따른 데이터 전송 효율의 저하를 개선함과 동시에, 나아가 양자 암호 키 분배에서의 보안성을 개선할 수 있는 방안이 지속적으로 요청되고 있다.In addition, a method for improving the security of quantum cryptographic key distribution while improving the reduction of data transmission efficiency due to the complicated structure of the receiver Bob and the loss of an optical pulse has been continuously requested.
이에 따라, 수신자(Bob) 등의 구조를 단순화할 수 있으면서도 데이터의 전송 효율을 높이고 보안성을 개선할 수 있으며, 나아가 수신단에서의 검출 효율도 높일 수 있는 양자 암호 키 분배 방안에 대한 요구가 지속되고 있으나, 아직 이에 대한 적절한 해법이 제시되지 못하고 있는 상황이다.Accordingly, there is a continuing need for a quantum cryptographic key distribution scheme capable of simplifying the structure of the receiver and the like, improving the data transmission efficiency and improving the security, and further increasing the detection efficiency at the receiving end. However, there is no proper solution yet.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 종래 기술에 따라 광 펄스의 주파수 또는 위상을 변조하여 양자 암호 키를 분배하는 경우 송신자(Alice) 뿐만 아니라 수신자(Bob)에도 변조 회로가 구비되어야 하는 등 구조가 복잡해질 수 있으며, 광 펄스의 손실이 발생할 수 있다는 단점이 나타날 수 있는 바, 수신자(Bob) 등의 구조를 단순화하면서 데이터의 전송 효율을 높이고, 보안성도 개선하면서 수신단에서의 검출 효율도 높일 수 있는 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above problems of the prior art, and in the case of distributing a quantum cryptographic key by modulating the frequency or phase of an optical pulse according to the prior art, it modulates not only the sender Alice but also the receiver Bob. The structure may be complicated, such as the need for a circuit, and may cause a loss of optical pulses. The receiver may be simplified to improve data transmission efficiency, improve security, and improve reception. An object of the present invention is to provide a quantum cryptographic key distribution method, apparatus, and system that can also increase the detection efficiency in.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 양자 암호 키 분배 시스템은, 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 시스템으로서, 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 송신자 - 여기서, N은 1 이상의 자연수; 및 상기 송신자가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 수신자;를 포함하며, 상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 한다.A quantum cryptographic key distribution system according to an aspect of the present invention for solving the above problems is a system in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of optical pulses, one optical pulse 2N chips ( a transmitter that transmits an optical pulse carrying data of N qubits by dividing into chips and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, wherein N is a natural number of 1 or more. ; And a receiver for receiving the optical pulse transmitted by the transmitter and applying a second basis among the plurality of basis to detect the optical pulse to restore some or all of the data. Is characterized by contrasting the first basis and the second basis and distributing encryption keys to each other using some or all of the data.
여기서, 상기 수신자는, 수신한 광 펄스를 소정의 확률로 분할하여 제1경로와 제2경로로 전달하는 광 분할기; 상기 광 펄스를 입력받아 제1 광 펄스와 제2 광펄스로 분할하고, 상기 제1 광 펄스를 소정의 칩 간격 만큼 지연시킨 후, 이를 지연되지 않은 상기 제2 광 펄스와 합산시키는 지연 및 합산 필터; 및 상기 지연 및 합산 필터에서 출력되는 광 펄스를 검출하는 광자 검출기;를 포함하여 구성될 수 있다.The receiver may include: an optical splitter configured to divide the received optical pulse with a predetermined probability and transmit the split optical pulse to the first path and the second path; A delay and summing filter which receives the optical pulses and divides the first optical pulses into second optical pulses, delays the first optical pulses by a predetermined chip interval, and then adds the optical pulses with the second non-delayed second optical pulses. ; And a photon detector for detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
이때, 상기 지연 및 합산 필터는, 상기 제2기저에 따라 상기 제1 광 펄스 또는 상기 제2 광 펄스의 위상을 변조하는 위상 변조기를 구비할 수 있다.In this case, the delay and summing filter may include a phase modulator for modulating the phase of the first light pulse or the second light pulse according to the second basis.
또한, 상기 수신자는, 상기 N = 1 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 상기 N = 2 인 경우, 2-칩 지연 및 합산 필터와 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 보다 일반적으로 N = n 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터, 2-칩 지연 및 합산 필터, ... , 2n -1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며 - 여기서, n 은 3 이상의 자연수; 이때, 상기 수신자가 수신한 광 펄스는, 하나 혹은 둘 이상의 광 분할기를 거치면서 복수의 경로로 분할되고, 상기 각 종류의 지연 및 합산 필터를 순차적으로 거친 후, 상기 광 검출기에서 검출될 수 있다.In addition, the receiver has a 1-chip delay and summing filter when the N = 1, and a 2-chip delay and summing filter and a 1-chip delay and summing filter when the N = 2, More generally, when N = n, 1-chip delay and summing filter, 2-chip delay and summing filter, ..., 2 n -1 -chip delay and summing filter-where n is a natural number of 3 or more ; In this case, the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
또한, 상기 광 분할기는, 상기 광 펄스에서 복수의 칩을 나누어 일부 칩은 제1경로로 전달하고 나머지 칩은 제2경로로 전달하는 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.The optical splitter may include a switch that divides a plurality of chips in the optical pulse and transfers some chips to the first path and the other chips to the second path.
나아가, 상기 스위치는, 상기 복수의 칩을 선행하는 절반 및 후행하는 절반의 칩으로 나누어, 각각 상기 제1경로 및 상기 제2경로로 전달하도록 할 수 있다.Furthermore, the switch may divide the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half to transfer the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
본 발명의 다른 측면에 따른 양자 암호 키 분배 방법은, 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법으로서, 송신자가 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수)를 포함하며, 상기 수신자는 상기 송신자가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하고, 상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 한다.A quantum cryptographic key distribution method according to another aspect of the present invention is a method in which a transmitter and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of optical pulses, wherein the transmitter divides one optical pulse into 2 N chips. And outputting an optical pulse carrying data of N qubits by applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, wherein N is a natural number of 1 or more. The receiver receives an optical pulse transmitted by the sender, applies a second basis among the plurality of basis to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and the sender and receiver receive the The first base and the second base are collated and the encryption keys are distributed to each other using some or all of the data.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 양자 암호 키 분배 방법은, 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법으로서, 수신자가, 송신자로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수); 및 상기 수신자가 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 단계;를 포함하며, 상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 한다.A quantum cryptographic key distribution method according to another aspect of the present invention is a method in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of light pulses, wherein the receiver has 2 N chips (one light pulse from the sender). chip), and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, carrying out phase modulation by receiving data of N qubits, where N is 1 Natural numbers above); And by the receiver, applying a second basis of the plurality of basis to the received optical pulse to detect an optical pulse and recovering some or all of the data. The first base and the second base are collated and the encryption keys are distributed to each other using some or all of the data.
여기서, 상기 복원하는 단계는, 수신한 광 펄스를 소정의 확률로 분할하여 복수의 경로로 전달하는 광 분할 단계; 상기 복수의 경로로 진행하는 광 펄스를 입력받아 제1 광 펄스와 제2 광펄스로 분할하고, 상기 제1 광 펄스를 소정의 파장만큼 지연시킨 후, 이를 지연되지 않은 상기 제2 광 펄스와 합산시키는 지연 및 합산 단계; 및 상기 지연 및 합산 필터에서 출력되는 광 펄스를 검출하는 광자 검출 단계;를 포함할 수 있다.Here, the restoring step may include: a light splitting step of dividing the received light pulse with a predetermined probability and transferring the plurality of paths; Receives an optical pulse traveling in the plurality of paths, divides the first optical pulse into a second optical pulse, delays the first optical pulse by a predetermined wavelength, and adds the second optical pulse to the second non-delayed optical pulse. Delay and summing steps; And a photon detection step of detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
또한, 상기 지연 및 합산 단계에서는, 상기 제2기저에 따라 상기 제1 광 펄스 또는 상기 제2 광 펄스의 위상을 변조할 수 있다.In the delay and summing step, the phase of the first light pulse or the second light pulse may be modulated according to the second basis.
또한, 상기 수신자는, 상기 N = 1 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 상기 N = 2 인 경우, 2-칩 지연 및 합산 필터와 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 보다 일반적으로 N = n 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터, 2-칩 지연 및 합산 필터, ... , 2n -1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며 - 여기서, n 은 3 이상의 자연수; 이때, 상기 수신자가 수신한 광 펄스는, 하나 혹은 둘 이상의 광 분할기를 거치면서 복수의 경로로 분할되고, 상기 각 종류의 지연 및 합산 필터를 순차적으로 거친 후, 상기 광 검출기에서 검출될 수 있다.In addition, the receiver has a 1-chip delay and summing filter when the N = 1, and a 2-chip delay and summing filter and a 1-chip delay and summing filter when the N = 2, More generally, when N = n, 1-chip delay and summing filter, 2-chip delay and summing filter, ..., 2 n -1 -chip delay and summing filter-where n is a natural number of 3 or more ; In this case, the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
또한, 상기 광 분할 단계는, 상기 광 펄스에서 복수의 칩을 나누어 일부 칩은 제1경로로 전달하고 나머지 칩은 제2경로로 전달하는 스위치를 이용하여 구현될 수 있다.The optical splitting step may be implemented by using a switch that divides a plurality of chips in the optical pulse and transfers some chips to the first path and transfers the remaining chips to the second path.
또한, 상기 스위치는, 상기 복수의 칩을 선행하는 절반 및 후행하는 절반의 칩으로 나누어, 각각 상기 제1경로 및 상기 제2경로로 전달할 수 있다.The switch may divide the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half, and transfer the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 송신 장치는, 일련의 광 펄스를 이용하여 수신 장치와 양자 암호 키를 분배하는 송신 장치로서, 광 펄스를 생성하는 광 펄스 생성부; 및 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 광 펄스 변조부 - 여기서, N은 1 이상의 자연수;를 포함하여 구성되며, 상기 수신 장치는 상기 송신 장치가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하며, 상기 송신 장치와 수신 장치는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a transmitting apparatus, comprising: a transmitting apparatus for distributing a quantum encryption key with a receiving apparatus using a series of optical pulses, the apparatus comprising: an optical pulse generating unit generating an optical pulse; And splitting an optical pulse into 2 N chips and applying a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips to phase modulate the optical pulse carrying N qubits of data. An optical pulse modulator for transmitting, wherein N is one or more natural numbers; and the receiving apparatus receives the optical pulse transmitted by the transmitting apparatus and applies a second basis among the plurality of bass. Detecting light pulses restores some or all of the data, and the transmitting device and the receiving device collate the first base and the second base and distribute cryptographic keys to each other using some or all of the data. Characterized in that.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 수신 장치는, 송신 장치로부터 수신하는 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 수신 장치로서, 송신자로부터 송신자로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 광 펄스 수신부 - 여기서, N은 1 이상의 자연수; 및 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 광 펄스 검출부;를 포함하며, 상기 송신 장치와 수신 장치는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 한다.A receiving device according to another aspect of the present invention is a receiving device for distributing a quantum cryptographic key using a series of light pulses received from a transmitting device, wherein one light pulse from the sender to the sender is 2 N chips. An optical pulse receiver configured to apply a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips and to phase modulate the received data by receiving N qubits of data, wherein N is 1; Natural waters above; And an optical pulse detector configured to apply a second basis among the plurality of basis to the received optical pulses to detect an optical pulse to restore some or all of the data, wherein the transmitting apparatus and the receiving apparatus include: And comparing the first basis and the second basis and distributing encryption keys to each other using some or all of the data.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 방법, 장치 시스템은, 광 펄스를 복수의 칩으로 나누고 각 칩을 미리 정해진 코드에 기반해 위상 변조하여 송신자와 수신자 간에 양자 암호 키를 분배함으로써, 수신자(Bob) 등의 구조를 단순화하면서도 데이터의 전송 효율을 높이고 보안성을 개선하며, 나아가 수신단에서의 검출 효율도 높일 수 있는 개선할 수 있게 된다.The quantum cryptographic key distribution method and apparatus system according to an embodiment of the present invention divides an optical pulse into a plurality of chips and phase-modulates each chip based on a predetermined code to distribute the quantum cryptographic key between the sender and the receiver. While simplifying the structure of Bob and the like, it is possible to improve data transmission efficiency, improve security, and further improve detection efficiency at a receiving end.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 방법의 순서도이다.2 is a flowchart of a quantum cryptographic key distribution method according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 광 펄스에서 복수의 칩(chip)을 생성하는 과정을 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating a process of generating a plurality of chips from an optical pulse according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따는 2-칩 코딩 양자 암호 키 분배 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating the structure of a two-chip coded quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 신호의 변조(a) 및 지연 간섭을 거친 칩 신호(b)를 예시하는 도면이다.5 is a diagram illustrating a chip signal (b) subjected to modulation (a) and delayed interference of a single photon signal according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 효율을 최대화시킨 2-칩 양자 암호 키 분배 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining the structure of a two-chip quantum cryptographic key distribution system maximizing the detection efficiency according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2-칩 스위칭&지연 간섭계를 이용한 도청자(eve)의 공격 모델을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an attack model of an eavesdropper (eve) using a two-chip switching & delay interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 4-칩 코딩 양자 암호 키 분배 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.8 is a diagram illustrating a structure of a four-chip coded quantum cryptographic key distribution system according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 효율을 최대화시킨 4-칩 양자 암호 키 분배 시스템의 구조를 설명하는 도면이다.9 is a diagram illustrating the structure of a four-chip quantum cryptographic key distribution system maximizing detection efficiency according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 장치의 구성도이다.10 is a block diagram of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치의 구성도이다.11 is a block diagram of a receiving apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.The following examples are provided to assist in a comprehensive understanding of the methods, devices, and / or systems described herein. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. In describing the embodiments of the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification. The terminology used in the description is for the purpose of describing particular embodiments only and should not be limiting. Unless expressly used otherwise, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms of meaning. In this description, expressions such as "comprises" or "equipment" are intended to indicate certain features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof, and one or more than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In addition, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from another component. Only used as
아래에서는 먼저 본 발명에 대한 이해를 위하여 양자 암호 키 분배 기술에 대하여 개괄적인 설명을 한 후, 이어서 본 발명에 따른 다양한 실시예를 들어 보다 구체적인 설명을 하기로 한다.In the following, a general description of the quantum cryptographic key distribution technique will be made in order to understand the present invention, and then, various embodiments according to the present invention will be described in more detail.
양자 암호 키분배(Quantum Key Distribution, QKD) 시스템을 설계하는데 있어서 허용 가능한 오류율의 한계값(Error Tolerance Bound)은 해당 프로토콜의 보안성을 나타내는 지표가 된다. 많은 선행 연구에서 허용 가능한 오류율의 한계를 높이기 위해서 새로운 프로토콜이 제안되었고 그 중, 하나의 양자상태에 다중 큐빗 정보를 인코딩 하는 다중 큐빗 양자 암호 키분배 프로토콜에서 허용 가능한 오류율의 한계값은 큐빗의 개수에 따라 증가된다고 밝혀졌다. 본 발명에서는 다중 큐빗 양자 암호 키분배 시스템을 구현하는 방법에 초점을 맞춰 단일 광자 펄스 신호를 복소평면에서 고속 위상 변조를 통해 펄스폭 보다 짧은 주기의 칩 단위의 광펄스로 나누고 각 칩의 위상을 코딩함으로써 다중 큐빗 양자 암호 프로토콜을 구현할 수 있는 새로운 방법을 개시한다.In designing a quantum key distribution (QKD) system, the allowable error tolerance bound is an indicator of the security of the protocol. In many previous studies, a new protocol has been proposed to raise the limit of the allowable error rate, of which the limit of the allowable error rate in the multi-qubit quantum cryptographic key distribution protocol that encodes the multi-qubit information in one quantum state is determined by the number of qubits. It was found to increase accordingly. The present invention focuses on a method for implementing a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system, dividing a single photon pulse signal into optical pulses of a unit of chip shorter than the pulse width through fast phase modulation in complex plane and coding the phase of each chip. By doing so, a new method for implementing a multi-qubit quantum cryptographic protocol is disclosed.
양자 암호 키분배는 인증된 두 사용자 간 통신을 위해 정보를 변조 또는 복조하기 위한 키를 분배하기 위해 사용되는 암호 키분배 방법 중 하나로 지금까지의 암호 키분배 방식이 수학적 복잡도를 기반으로 보안을 제공하는 것과는 다르게 양자 암호 키분배는 양자 수준에서의 물리적 법칙을 바탕으로 도청자(Eve)의 존재 하에 비밀 키를 공유할 수 있게 해준다. 1984년 Bennett과 Breassard가 처음으로 제안한 BB84 프로토콜에서는 2가지 기저(Basis)를 구성하는 4개의 양자상태(Quantum State)를 이용하여 양자 키분배가 가능함을 보였다. 4가지 양자상태는 기저 1의 양자상태
Figure PCTKR2017001866-appb-I000001
,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000002
와 기저 2의 양자상태
Figure PCTKR2017001866-appb-I000003
,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000004
로 표현된다. 송신자(Alice)는 4가지 양자상태 중 임의의 하나를 수신자(Bob)에게 전송하고 수신자(Bob)은 기저 1과 기저 2 중 임의의 기저를 선택하여 측정을 한다. 수신자(Bob)은 송신한 양자상태의 기저와 동일한 기저로 측정을 한 경우에만 올바른 비밀키 정보를 얻을 수 있다. 이와 같은 이유로 양자 채널에서 모든 전송이 끝난 후 고전 채널을 통해 송신자(Alice)와 수신자(Bob)은 각자의 기저 정보를 공개하고 동일한 기저를 사용한 결과 값만을 비밀키 추출에 사용한다. 이 과정을 시프팅(Sifting)이라고 하는데, 시프팅이 끝난 후 유효한 결과 값의 일부를 취해 도청자의 공격에 의해 발생한 오류를 계산하여 결과 값을 비밀키로 사용할지 여부를 판단한다. 이 때, 허용 가능한 오류율의 한계값을 정하여 이 값보다 오류율이 큰 경우 결과 값 전부를 버리고 오류율이 한계 값보다 작을 경우 추가적인 과정을 통해 성공적으로 비밀키를 생성할 수 있다.
Quantum cryptographic key distribution is one of the cryptographic key distribution methods used to distribute keys for modulating or demodulating information for communication between two authenticated users. In contrast, quantum cryptographic key distribution allows sharing of secret keys in the presence of eavesdroppers (Eve) based on physical laws at the quantum level. In 1984, the BB84 protocol, first proposed by Bennett and Breassard, showed that quantum key distribution is possible using four quantum states that constitute two basis. The four quantum states are the base quantum states
Figure PCTKR2017001866-appb-I000001
,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000002
Quantum states of and base 2
Figure PCTKR2017001866-appb-I000003
,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000004
It is expressed as The sender Alice transmits any one of four quantum states to the receiver Bob, and the receiver Bob selects any one of the base 1 and the base 2 to measure. The receiver Bob can obtain the correct secret key information only when the measurement is made on the same basis as the basis of the transmitted quantum state. For this reason, after all transmissions are completed in the quantum channel, the sender (Alice) and the receiver (Bob) disclose their respective base information through the classical channel and use only the result of using the same base for secret key extraction. This process is called shifting. After the shifting is done, a part of the valid result is taken to calculate an error caused by the eavesdropper's attack to determine whether to use the result as a secret key. At this time, the limit value of the allowable error rate is determined, and if the error rate is larger than this value, all the result values are discarded. If the error rate is smaller than the limit value, the secret key can be successfully generated through an additional process.
허용 가능한 오류율의 한계값은 보다 안전한 양자 키분배 시스템을 설계하는데 있어서 좋은 지표로 이용된다. 그렇기 때문에 허용 가능한 오류율의 한계값을 높이는 프로토콜에 대한 연구가 이루어져 왔으며 여섯 개의 양자상태를 이용한 프로토콜이 제안되었고 최근에는 하나의 광자에 하나의 큐빗이 아닌 "단일광자 다중큐빗"을 인코딩한 양자 키분배 프로토콜에서 여러 개의 큐빗을 심볼(Symbol) 단위로 묶어 시프팅과 후처리 과정을 할 경우 큐빗의 개수에 따라 허용 가능한 오류율의 한계값이 아래의 수학식 1과 같이 증가함을 보였다.The allowable error rate threshold is a good indicator in designing a more secure quantum key distribution system. For this reason, research has been conducted on protocols that raise the limit of acceptable error rates. A protocol using six quantum states has been proposed, and recently, quantum key distribution that encodes "single-photon multicubit" instead of one qubit per photon. In the protocol, when shifting and post-processing by combining several qubits in symbol units, the allowable error rate limit increases according to the number of qubits as shown in Equation 1 below.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000001
Figure PCTKR2017001866-appb-M000001
본 발명에서는 BB84 프로토콜을 기반으로 다중 큐빗 프로토콜에 적용할 수 있는 새로운 구현 방법을 제안한다. 기존 BB84 프로토콜을 구현하는데 있어서 위상 변조를 이용하거나 주파수 변조를 이용하는 등 다양한 구현 방식이 제안되었고, 편광 변조와 위상 변조를 이용한 두 개의 큐빗 단일 광자 양자 키분배 시스템이 제안되었다. 본 발명에서 제안하는 양자 키분배의 시스템은 하나의 단일자 펄스를 고속의 복소평면의 위상 변조를 함으로써 여러 개의 칩 단위의 광펄스에 위상 코딩을 변조한 양자상태를 이용한다. The present invention proposes a new implementation method that can be applied to a multi-qubit protocol based on the BB84 protocol. Various implementations have been proposed to implement the existing BB84 protocol, such as using phase modulation or frequency modulation, and two qubit single photon quantum key distribution systems using polarization modulation and phase modulation are proposed. The quantum key distribution system proposed by the present invention uses a quantum state in which phase coding is modulated on optical pulses of multiple chip units by performing a single complex pulse phase modulation of a complex plane at high speed.
본 발명에서는 코드 기반의 양자 암호 키분배 시스템을 제안하여 하나의 큐빗 정보를 전송할 수 있는 2개의 칩으로 구성된 광자 전송 시스템과 두 개의 큐빗 정보를 전송할 수 있는 4개의 칩으로 구성된 광자 전송 시스템을 설명하고 이를 2N개의 칩으로 확장하여 N개의 큐빗 정보를 전송할 수 있는 다중 큐빗 양자 암호 키분배 시스템의 구현 방법을 제시한다.In the present invention, we propose a code-based quantum cryptographic key distribution system to describe a photon transmission system composed of two chips capable of transmitting one qubit information and a photon transmission system composed of four chips capable of transmitting two qubit information. This paper proposes an implementation method of a multi-qubit quantum cryptographic key distribution system that can transmit N qubit information by extending it to 2 N chips.
아래에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 기반 양자 암호 키 분배 방법, 장치 및 시스템에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 차례로 설명한다.In the following, exemplary embodiments of a code-based quantum cryptographic key distribution method, apparatus and system according to an embodiment of the present invention will be described in turn with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 기반 양자 암호 키 분배 시스템(100)의 구성도가 예시되어 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 시스템(100)은 송신자(110)와 수신자(120)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 송신자(110)와 수신자(120)는 광 펄스를 전달할 수 있는 광 채널을 포함하는 광 통신망(130)을 이용하여 연결될 수 있다. First, FIG. 1 illustrates a configuration diagram of a code-based quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention may include a sender 110 and a receiver 120, and the sender 110 and the receiver ( 120 may be connected using an optical network 130 including an optical channel capable of delivering optical pulses.
또한, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 방법의 순서도를 예시하고 있다.In addition, Figure 2 illustrates a flow chart of a quantum cryptographic key distribution method according to an embodiment of the present invention.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 방법은, 송신자(110)가 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수) (S110) 및 상기 수신자(120)가 상기 송신자(110)가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.As can be seen in Figure 2, in the quantum cryptographic key distribution method according to an embodiment of the present invention, the transmitter 110 divides one optical pulse into 2 N chips, the 2 N chips And transmitting a light pulse carrying data of N qubits by applying a first basis among a plurality of predetermined bases to N phases (where N is a natural number of 1 or more) (S110) and the receiver 120 Receiving an optical pulse transmitted by the transmitter 110, applying a second basis of the plurality of basis to the received optical pulse to detect the optical pulse to restore some or all of the data ( S120) may be included.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신자(110) 관점에서의 양자 암호 키 분배 방법은, 송신자(110)와 수신자(120)가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법에 있어, 송신자(110)가 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수) (S110)를 포함하며, 상기 수신자(120)는 상기 송신자(110)가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하고, 상기 송신자(110)와 수신자(120)는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하게 된다. 이때, 상기 데이터는 상기 송신자(110)와 수신자(120) 간에 분배되는 양자 암호 키를 생성하기 위한 데이터일 수 있다.More specifically, the quantum cryptographic key distribution method from the perspective of the sender 110 according to an embodiment of the present invention, the transmitter 110 and the receiver 120 distributes the quantum cryptographic key using a series of light pulses. For example, the transmitter 110 divides one optical pulse into 2 N chips, applies a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2 N chips, and phase modulates the N qubits. Transmitting an optical pulse carrying data of (N, where N is a natural number of 1 or more) (S110), and the receiver 120 receives the optical pulse transmitted by the sender 110 and receives the plurality of bases. a second basis of the basis is applied to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and the sender 110 and the receiver 120 collate the first and second bases and the data Split encryption keys between each other using some or all of It is. In this case, the data may be data for generating a quantum encryption key distributed between the sender 110 and the receiver 120.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신자(120) 관점에서의 양자 암호 키 분배 방법은, 송신자(110)와 수신자(120)가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법에 있어, 수신자(120)가, 송신자(110)로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수) (S120a) 및 상기 수신자(120)가 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 단계(S120b);를 포함하며, 상기 송신자(110)와 수신자(120)는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하게 된다.In addition, the quantum cryptographic key distribution method from the perspective of the receiver 120 according to an embodiment of the present invention, in the method in which the transmitter 110 and the receiver 120 distributes the quantum cryptographic key using a series of light pulses. , receiver 120, to from a sender (110) to apply one of being light pulse is divided into 2 N chips (chip), the two first base of the N plurality of ground a predetermined in-chip (basis) phase Receiving the optical pulse transmitted by modulating the data of N qubits (where N is one or more natural numbers) (S120a) and the receiver 120 is the first of the plurality of basis to the received optical pulse (S120a) Applying a second basis to detect an optical pulse to restore some or all of the data (S120b), wherein the sender 110 and the receiver 120 collate the first basis and the second basis; And encrypting each other using some or all of the data Will be distributed.
나아가, 상기 복원하는 단계(S120b)는, 수신한 광 펄스를 소정의 확률로 분할하여 제1경로와 제2경로로 전달하는 광 분할 단계; 상기 광 펄스를 입력받아 제1 광 펄스와 제2 광펄스로 분할하고, 상기 제1 광 펄스를 소정의 칩 간격 만큼 지연시킨 후, 이를 지연되지 않은 상기 제2 광 펄스와 합산시키는 지연 및 합산 단계; 및 상기 지연 및 합산 필터에서 출력되는 광 펄스를 검출하는 광자 검출 단계;를 포함할 수 있다. Further, the restoring step (S120b) may include: a light splitting step of dividing the received light pulse with a predetermined probability and transferring the first and second paths; Receiving the optical pulse is divided into a first optical pulse and a second optical pulse, delaying and summing the first optical pulse by a predetermined chip interval, and then summing it with the second optical pulse that is not delayed ; And a photon detection step of detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
특히, 상기 수신자는, 상기 N = 1 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 상기 N = 2 인 경우, 2-칩 지연 및 합산 필터와 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, 보다 일반적으로 N = n 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터, 2-칩 지연 및 합산 필터, ... , 2n -1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며 - 여기서, n 은 3 이상의 자연수; 이때, 상기 수신자가 수신한 광 펄스는, 하나 혹은 둘 이상의 광 분할기를 거치면서 복수의 경로로 분할되고, 상기 각 종류의 지연 및 합산 필터를 순차적으로 거친 후, 상기 광 검출기에서 검출될 수 있다.In particular, the receiver has a one-chip delay and summing filter when N = 1, and a two-chip delay and summing filter and a one-chip delay and summing filter when N = 2, More generally, when N = n, 1-chip delay and summing filter, 2-chip delay and summing filter, ..., 2 n -1 -chip delay and summing filter-where n is a natural number of 3 or more ; In this case, the optical pulses received by the receiver may be divided into a plurality of paths through one or more optical splitters, and sequentially passed through each type of delay and summing filters, and then detected by the optical detector.
여기서, 상기 1-칩 지연 및 합산 필터는 복수의 칩을 포함하는 광 펄스를 1칩 만큼 지연시킨 후 합산하는 필터를 의미하며, 보다 일반적으로 2n-1-칩 지연 및 합산 필터는 복수의 칩을 포함하는 광 펄스를 2n-1-칩 만큼 지연시킨 후 합산하는 필터를를 말한다.Here, the 1-chip delay and summing filter refers to a filter for delaying and summing an optical pulse including a plurality of chips by one chip, and more generally, the 2 n-1 -chip delay and summing filter is a plurality of chips. It refers to a filter that adds after delaying the optical pulse including a 2 n-1 -chip.
아래에서는 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 방법 및 시스템을 보다 자세하게 살펴본다.Hereinafter, a quantum cryptographic key distribution method and system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
먼저, 상기 송신자(110)는 하나의 광 펄스를 복수의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 복수의 칩을 기저에(basis)에 따라 에 미리 정해진 복수의 코드에 대응하도록 위상 변조하여 광 통신망(130)을 통하여 수신자(120)에게 송출하게 된다.First, the transmitter 110 divides one optical pulse into a plurality of chips, and phase modulates the plurality of chips to correspond to a plurality of codes predetermined according to a basis, thereby optically communicating the optical network ( 130 is sent to the receiver (120).
이에 대하여, 상기 수신자(120)는 상기 송신자(110)가 송출한 광 펄스를 수신하고, 빔 분할기(beam splitter)를 거치고 기저(basis)에 대응하도록 구성된 복수의 지연 및 합산 필터(dealy and add filter)를 거친 후 단일 광자 검출기(single photon detector)를 이용하여 상기 광 펄스를 검출하게 된다.In this regard, the receiver 120 receives a light pulse transmitted by the transmitter 110, passes through a beam splitter, and includes a plurality of delay and summing filters configured to correspond to a basis. After detecting the pulse of light by using a single photon detector.
이어서, 상기 송신자(110)는 상기 수신자(120)에게 광 펄스를 변조하는데 사용된 기저(basis) 즉, 상기 위상 변조된 광 펄스를 구성하는 칩들로 이루어진 코드를 측정할 수 있는 기저를 알려주고, 상기 수신자(120)는 상기 송신자(110)에게 상기 광 펄스를 검출하는데 사용한 기저(basis) 즉, 상기 지연 및 합산 필터(delay and add filter)에서의 위상 지연값을 알려주어, 도청자(140)의 공격 여부를 판단한 후, 오류 수정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 양자 암호 키를 산출하게 된다.Subsequently, the transmitter 110 informs the receiver 120 of a basis used to modulate an optical pulse, that is, a basis for measuring a code composed of chips constituting the phase-modulated optical pulse. The receiver 120 informs the sender 110 of the basis used to detect the optical pulse, that is, the phase delay value of the delay and add filter, so that After determining whether an attack is made, a quantum cryptographic key is calculated by applying an error correction technique and a privacy amplification technique.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 시스템(100)은 변조 회로(modulator)를 구비하지 않고 수신자(120)를 구성하는 등 구조를 단순화하고, 데이터의 전송 효율을 개선하면서, 나아가 도청자(140)의 공격도 효과적으로 억제할 수 있게 된다. Accordingly, the quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention simplifies the structure such as configuring the receiver 120 without a modulator and improves data transmission efficiency. Furthermore, the attack of the eavesdropper 140 can be effectively suppressed.
도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신자(110)에서의 광 펄스 변조를 설명하는 도면을 나타내고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 송신자(110)의 레이저 다이오드 등의 광원 또는 광 펄스 생성부(112)에서 생성된 광 펄스(광자)는 IQ 변조기(IQ modulator) 등 광 펄스 변조부(114)를 거치면서 복수개의 칩(chip)으로 분할될 수 있다. 나아가, 상기 IQ 변조기(IQ modulator) 등 광 펄스 변조부(114)에서는 상기 각 칩(chip)을 위상 변조하여 출력할 수도 있다.3 is a diagram illustrating optical pulse modulation in the transmitter 110 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, an optical pulse (photon) generated by a light source such as a laser diode of the transmitter 110 or an optical pulse generator 112 may be an optical pulse modulator 114 such as an IQ modulator. While passing through may be divided into a plurality of chips (chip). In addition, the optical pulse modulator 114, such as the IQ modulator, may phase-modulate each chip and output the same.
즉, 레이저 다이오드 등 광원에서 생성된 광 펄스는 하나의 위상(예를 들어 0°)을 가지게 되는데, IQ 변조기(IQ modulator)에서 상기 광 펄스를 복수의 칩(chip)으로 분할하고 상기 복수의 칩을 미리 정해진 위상의 간격으로 변조할 수 있으며, 이에 따라 일련의 위상 값을 가지는 복수의 칩을 형성할 수 있게 된다.That is, an optical pulse generated from a light source such as a laser diode has one phase (for example, 0 °). In an IQ modulator, the optical pulse is divided into a plurality of chips and the plurality of chips. Can be modulated at intervals of a predetermined phase, thereby forming a plurality of chips having a series of phase values.
도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 시스템(100)의 구현예를 설명하기 위한 도면을 예시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 시스템(100)은 송신자(110)와 수신자(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 4 illustrates a diagram for describing an implementation of the quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention may include a sender 110 and a receiver 120.
아래에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2-칩 코딩 양자 암호키 분배 시스템(100)의 구조를 보다 자세하게 설명한다. Hereinafter, the structure of a two-chip coded quantum cryptographic key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4.
위상변조 큐빗을 응용한 BB84 프로토콜에서 송신자(Alice)(110)는 복소평면의 고속 위상 변조를 통해 단일 광자 펄스를 두 개의 칩으로 나눠진 신호를 만든다. 각 칩의 변조된 위상은 {0°, 90°, 180°, 270°} 중 하나의 값을 갖는다. 도 4는 앞서 설명한 변조 방식을 이용한 시스템 모델을 나타낼 수 있다. 또한, 도 5(a)는 주기 T로 전송하는 단일 광자 펄스를 2개의 칩으로 변조한 신호를 보여준다. 첫 번째 칩의 위상을 복소평면에서 0°로 기준을 잡으면 가능한 모든 4가지 양자상태는 칩 2의 위상 변조 값에 의해 결정된다. In the BB84 protocol using a phase modulation qubit, the transmitter (Alice) 110 generates a signal divided into two chips by a single photon pulse through complex plane fast phase modulation. The modulated phase of each chip has one of {0 °, 90 °, 180 °, 270 °}. 4 shows a system model using the above-described modulation scheme. 5 (a) shows a signal obtained by modulating a single photon pulse transmitted in a period T into two chips. When the phase of the first chip is referenced to 0 ° in the complex plane, all four possible quantum states are determined by chip 2's phase modulation value.
수신자(Bob)(120)는 50:50 빔 분할기(beam splitter)를 이용하여 들어오는 신호를 두 가지 경로로 나누고 각 경로의 1-칩 주기의 지연 경로를 갖는 지연 및 합산 필터(DAF 1, DAF 2)로 신호를 전달한다. 상기 지연 및 합산 필터(DAF 1, DAF 2)는 지연 경로에서 각각 0°, 90°의 위상 경로차를 갖는다. The receiver 120 uses a 50:50 beam splitter to divide the incoming signal into two paths and delay and summing filters DAF 1 and DAF 2 with delay paths of 1-chip periods in each path. Signal). The delay and summing filters DAF 1 and DAF 2 have phase path differences of 0 ° and 90 °, respectively, in the delay path.
또한, 도 5(b)는 지연 및 합산 필터의 보강 간섭 포트와 상쇄 간섭 포트에서 송신자(Alice)가 송신한 두 개의 칩의 간섭에 의해 만들어진 간섭 신호를 보여준다. 각 포트로 나온 간섭 신호는 시간축 상의 t1, t2 = t1 + t, t3 = t1 + 2t 에 위치한 칩들로 나타나며 연결된 단일 광자 검출기(SPD)를 통해 측정이 된다. 수신자(120)는 송신자(110)가 보낸 두 개의 칩의 간섭 신호를 통해 수신한 양자상태를 판단할 수 있으며 실제 간섭이 일어난 칩은 간섭 신호 내 시간 t2 에 위치하기 때문에 시간 t2 에서 검출된 결과만 키 정보를 추출하는데 사용할 수 있다.In addition, Figure 5 (b) shows the interference signal generated by the interference of the two chips transmitted by the sender (Alice) in the constructive interference port and the cancellation interference port of the delay and summing filter. The interfering signal from each port is represented by chips located at t 1 , t 2 = t 1 + t, and t 3 = t 1 + 2t on the time base, and measured by a single photon detector (SPD) connected. The receiver 120 may determine the quantum state received through the interference signals of the two chips sent by the transmitter 110, and since the actual interference chip is located at time t 2 in the interference signal, it is detected at time t 2 . Only the results can be used to extract key information.
이에 따라, 도 4의 시스템 구조를 통해 다음과 같이 비밀키를 생성할 수 있다. 송신자(110)는 단일 광자 펄스를 2개의 칩으로 변조하여 수신자(120)에게 보낸다. 시각 t2 = 0 으로 취하고, 변조된 신호는 단일 광자 상태를 기반으로 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the secret key can be generated as follows through the system structure of FIG. 4. The transmitter 110 modulates a single photon pulse into two chips and sends it to the receiver 120. Taking the time t 2 = 0, the modulated signal can be expressed as Equation 2 below based on the single photon state.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000002
Figure PCTKR2017001866-appb-M000002
Figure PCTKR2017001866-appb-I000005
Figure PCTKR2017001866-appb-I000005
Figure PCTKR2017001866-appb-I000006
: 큐빗생성 연산
Figure PCTKR2017001866-appb-I000006
: Qubit generation operation
여기서, |1>t는 단일 광자 상태를 나타내며 아래 첨자식은 칩의 시간 위치를 나타낸다. 첫 번째 칩 신호의 위상을 0°로 기준을 잡고 두 번째 칩 신호의 위상을 θ∈{0°, 90°, 180°, 270°}로 변조하면 θ에 따라서 총 4가지 양자상태를 만들 수 있다. 4가지 양자상태는 수학식 2의 큐빗생성 연산을 통해 다음의 수학식 3과 같이 정의한다.Where | 1> t represents a single photon state and the subscript represents the time position of the chip. If the phase of the first chip signal is set to 0 ° and the phase of the second chip signal is modulated by θ∈ {0 °, 90 °, 180 °, 270 °}, a total of four quantum states can be created according to θ. . Four quantum states are defined as in Equation 3 through the qubit generation operation of Equation 2.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000003
Figure PCTKR2017001866-appb-M000003
Figure PCTKR2017001866-appb-I000007
Figure PCTKR2017001866-appb-I000007
Figure PCTKR2017001866-appb-I000008
Figure PCTKR2017001866-appb-I000008
Figure PCTKR2017001866-appb-I000009
Figure PCTKR2017001866-appb-I000009
수학식 3에서 정의된 4가지 양자상태의 직교성을 살펴보면 다음의 수학식 4와 같다.Looking at the orthogonality of the four quantum states defined in equation (3) is as shown in equation (4).
Figure PCTKR2017001866-appb-M000004
Figure PCTKR2017001866-appb-M000004
Figure PCTKR2017001866-appb-I000010
Figure PCTKR2017001866-appb-I000010
수학식 4에 따라 수학식 3에서 정의한 4가지 양자상태를 2개의 기저, 기저{ |ψ1>, |ψ2>}, 기저{ |ψ3>, |ψ4>}로 나눌 수 있다. 따라서 BB84 프로토콜에서와 마찬가지로 아래의 수학식 5와 같이 하나의 양자상태는 다른 기저에 속한 두 개의 양자상태의 superposition으로 나타낼 수 있으며 동일한 기저를 사용하지 않을 경우 정확한 양자상태를 알아낼 수 없음을 알 수 있다.According to Equation 4, the four quantum states defined in Equation 3 may be divided into two basis, the basis {| ψ 1 >, | ψ 2 >}, and the basis {| ψ 3 >, | ψ 4 >}. Therefore, as in the BB84 protocol, as shown in Equation 5 below, one quantum state can be represented as a superposition of two quantum states belonging to different bases, and it can be seen that an exact quantum state cannot be determined without using the same base. .
Figure PCTKR2017001866-appb-M000005
Figure PCTKR2017001866-appb-M000005
송신자(110)로부터 받은 4가지 양자상태 중 하나는 수신자(120)의 빔 분할기(beam splitter)와 지연 및 합산 필터(DAF1, DAF2)를 통과한 후, 상기 지연 및 간섭 필터(DAF1, DAF2)의 보강 간섭 포트와 상쇄 간섭 포트에 연결된 단일 광자 검출기 1, 2, 3, 4(SPD1, SPD2, SPD3, SPD4) 중 하나에서 검출된다. 검출기의 검출 확률은 송신자(110)가 |ψ1>를 보내는 경우를 예로 들어 설명한다. One of the four quantum states received from the transmitter 110 passes through the beam splitter of the receiver 120 and the delay and summing filters DAF1 and DAF2, and then of the delay and interference filters DAF1 and DAF2. It is detected at one of the single photon detectors 1, 2, 3, 4 (SPD1, SPD2, SPD3, SPD4) connected to the constructive interference port and the cancellation interference port. The detection probability of the detector will be described taking the case where the transmitter 110 sends | ψ 1 > as an example.
송신자(110)가 |ψ1>을 보낸 경우 지연 간섭계를 지나 단일 광자 검출기 i 로 들어가는 신호를 |ψDi>라 하였을 때 다음과 같이 수학식 6으로 나타내어 진다.When the transmitter 110 sends | ψ 1 >, a signal entering the single photon detector i through the delay interferometer is | ψ Di > and is represented by Equation 6 as follows.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000006
Figure PCTKR2017001866-appb-M000006
Figure PCTKR2017001866-appb-I000011
Figure PCTKR2017001866-appb-I000011
Figure PCTKR2017001866-appb-I000012
Figure PCTKR2017001866-appb-I000012
Figure PCTKR2017001866-appb-I000013
Figure PCTKR2017001866-appb-I000013
수학식 6의 상태에 의해 송신자(110)가 |ψ1>를 보낸 경우, 각 단일 광자 검출기(SPD)에서 신호가 측정될 확률은 다음의 수학식 7과 같다.When the transmitter 110 sends | ψ 1 > by the state of Equation 6, the probability that a signal is measured in each single photon detector SPD is expressed by Equation 7 below.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000007
Figure PCTKR2017001866-appb-M000007
Figure PCTKR2017001866-appb-I000014
Figure PCTKR2017001866-appb-I000014
Figure PCTKR2017001866-appb-I000015
Figure PCTKR2017001866-appb-I000015
Figure PCTKR2017001866-appb-I000016
Figure PCTKR2017001866-appb-I000016
1>에 대해서 단일 광자 검출기 1, 2, 3, 4(SPD1, SPD2, SPD3, SPD4)에서의 검출 확률 비는 1:0:1/2:1/2이 되며 마찬가지로 |ψ2>의 경우에는 0:1:1/2:1/2, |ψ3>의 경우에는 1/2:1/2:1:0, |ψ4>의 경우에는 1/2:1/2:0:1의 비율로 각 검출기에서 검출이 일어난다. 정리하면 송신자(110)가 보낸 양자상태의 집합{ |ψ1>, |ψ2>}의 기저를 X라 하고 집합{ |ψ3>, |ψ4>}의 기저를 Z라 하면, 수신자(120)의 측정 기저는 검출기 1, 2(SPD1, SPD2)에서 검출이 된 경우는 기저 X에 해당하며 검출기 3, 4(SPD3, SPD4)에서 검출이 된 경우 기저 Z에 해당한다. | ψ 1> non-detection probability of a single photon detector 1, 2, 3, 4 ( SPD1, SPD2, SPD3, SPD4) 1 for 0: 1/2: 1/2, and similarly | ψ 2> a case 0: 1: 1/2: 1/2, | ψ 3> of the time 1/2: 1/2: 1: 0, | ψ 4> in the case of 1/2: 1/2: 1: Detection occurs at each detector at a ratio of one. In summary, if the basis of the set of quantum states {| ψ 1 >, | ψ 2 >} sent by the sender 110 is X and the basis of the set {| ψ 3 >, | ψ 4 >} is Z, the receiver ( The measurement basis of 120 corresponds to the base X when the detectors 1 and 2 (SPD1 and SPD2) are detected and the base Z when the detectors 3 and 4 (SPD3 and SPD4) are detected.
모든 신호의 전송이 끝나면 수신자(120)은 송신자(110)에게 검출된 광자의 시간과 측정한 기저(X or Z)를 공개하고 시간 tt -t에 해당하는 칩 신호의 측정에 대해 동일한 기저를 사용한 경우만 키 정보로 사용한다.When all signals have been transmitted, the receiver 120 discloses to the sender 110 the time of the detected photons and the measured basis (X or Z) and gives the same basis for the measurement of the chip signal corresponding to the time t t -t . Only use it as key information.
송신자(110)가 기저 X를 사용한 경우 단일 광자 검출기 1(SPD1)에서 측정되었다면 비트"0"을 생성하고, 검출기 2(SPD2)에서 측정되었다면 비트"1"을 생성하며, 송신자(110)가 기저 Z를 사용한 경우 검출기 3(SPD3)에서 측정되었다면 비트"0"을 생성하고, 검출기 4(SPD4)에서 측정되었다면 비트"1"을 생성한다.If sender 110 used basis X, it would generate bit "0" if measured at single photon detector 1 (SPD1), if it was measured at detector 2 (SPD2), generate bit "1", and sender 110 would base Using Z produces bit "0" if measured at detector 3 (SPD3) and bit "1" if measured at detector 4 (SPD4).
앞서 설명한 구조의 경우 도 5(b)에서 보이는 것처럼 두 개의 칩 신호로 이뤄진 광신호가 지연 및 합산 필터(DAF)를 거쳐 검출기(SPD)에 도착했을 때 t1, t2, t3 시간에 해당하는 칩 신호 모두 광자가 검출될 확률을 갖는데 실제 유효한 정보가 담긴 신호는 시간은 t2에서의 칩 신호이기 때문에 t2 이외의 시간 t1, t3에 해당하는 칩 신호는 유효한 정보를 담고 있지 않기 때문에 검출 효율을 50% 감소시키고 따라서 3-dB 에 해당하는 만큼 절대보안 전송거리가 줄어들게 된다. 이것은 일반 통신용 광섬유 (SMF-28) 를 사용할 경우 20 km 의 전송거리 단축에 해당한다. 따라서 불필요한 신호를 제거해 검출 효율 감소를 막기 위하여 고속 스위치를 이용한 새로운 구조를 도 6에서 제안하였다. In the structure described above, when the optical signal consisting of two chip signals arrives at the detector SPD through a delay and summing filter DAF as shown in FIG. 5 (b), it corresponds to t 1 , t 2 , and t 3 hours. Since the chip signals all have a probability of detecting photons, since the signal containing the valid information is the chip signal at time t 2 , the chip signal corresponding to the time t 1 and t 3 other than t 2 does not contain valid information. It reduces the detection efficiency by 50% and thus reduces the absolute secure transmission distance by as much as 3-dB. This is equivalent to a shorter transmission distance of 20 km when using ordinary communication fiber optics (SMF-28). Therefore, a new structure using a high speed switch is proposed in FIG. 6 in order to remove unnecessary signals and prevent a decrease in detection efficiency.
도 6에서는 지연 및 합산 필터(DAF)(혹은, 지연 간섭계)를 대신하여 고속 스위치와 간섭계를 이용하였다. 이때 이러한 구조의 간섭계에서도 양자 위상 간섭은 고전적 간섭과 같은 결과를 얻을 수 있다고 알려져 있다. 고속 스위치는 송신 펄스를 구성하는 칩 신호를 위, 아래 경로로 나누는 역할을 하며, 나눠진 칩 신호는 위쪽 경로를 지나는 경우 1-칩 시간 지연이 되고 아래 경로의 칩 신호는 0°또는 90° 위상 변조가 되어 간섭계를 통해 단일 광자 검출기로 들어가게 된다. 이 구조의 경우 앞선 구조와는 다르게 하나의 시간에서 검출이 되기 때문에 검출 효율이 감소하지 않는다. In FIG. 6, a fast switch and an interferometer are used in place of the delay and summing filter DAF (or a delay interferometer). In this case, it is known that quantum phase interference can obtain the same result as classical interference even in an interferometer having such a structure. The high-speed switch divides the chip signal constituting the transmit pulse into the up and down paths. The divided chip signal has a 1-chip time delay when it passes through the upper path and the chip signal in the lower path is 0 ° or 90 ° phase modulated. And enter the single photon detector through the interferometer. In the case of this structure, unlike the previous structure, since the detection is performed at one time, the detection efficiency does not decrease.
마찬가지로 도 6의 구조를 이용하여 송신자(110)와 수신자(120)는 다음과 같이 비밀키를 생성할 수 있다. Likewise, using the structure of FIG. 6, the sender 110 and the receiver 120 may generate a secret key as follows.
1. 송신자(110)는 식 (2)의 양자상태 중 하나를 임의로 선택하여 수신자(120)에게 전송한다.1. The sender 110 randomly selects one of the quantum states of Equation (2) and transmits it to the receiver 120.
2. 수신자(120)는 스위치를 이용해 먼저 들어온 칩 신호를 위쪽 경로로 다음에 들어온 칩 신호를 아래쪽 경로로 나눈다. 이 때 위쪽 경로로 들어간 칩 신호는 위상의 변화를 거치지 않고 하나의 칩 시간만큼의 지연을 겪고 아래쪽 경로로 들어간 칩 신호는 수신자(120)가 {0°,90°}중 임의의 값으로 위상 변조(PM)를 한다.2. The receiver 120 divides the first chip signal into the upper path and the next chip signal into the lower path by using a switch. At this time, the chip signal entering the upper path undergoes a delay of one chip time without undergoing a change in phase, and the chip signal entering the lower path is modulated by the receiver 120 to any value of {0 °, 90 °}. (PM).
3. 위쪽 경로와 아래쪽 경로의 칩 신호의 보강 간섭에 의한 신호는 단일 광자 검출기 1(SPD1)로 들어가고 상쇄 간섭 신호는 단일 광자 검출기 2(SPD2)로 들어가 검출된다. 3. The signal by constructive interference of the chip signal of the upper path and the lower path enters the single photon detector 1 (SPD1) and the canceling interference signal enters the single photon detector 2 (SPD2) and is detected.
4. 수신자(120)에서 위상 변조를 하지 않은 경우 기저 X에 해당하는 측정이 되고 90°의 위상 변조를 하여 검출된 경우 기저 Z 측정에 해당한다.4. If the receiver 120 does not perform phase modulation, the measurement corresponds to the basis X, and if the receiver 120 detects the phase modulation of 90 °, it corresponds to the basis Z measurement.
5. 수신자(120)는 송신자(110)에게 측정한 기저를 공개하고 양자상태에 따른 비트 "0" 또는 "1"을 생성한다.5. The receiver 120 discloses the measured basis to the sender 110 and generates bit "0" or "1" according to the quantum state.
나아가, 4-칩 코딩 시스템은 하나의 단일 광자 펄스를 4개의 칩 신호로 변조한다. 2-칩 코딩 시스템과 동일하게 각 칩 신호는 {0°, 90°, 180°, 270°} 중 하나의 값으로 위상 변조된다. 마찬가지로 일반적인 BB84 프로토콜에 4-칩 코딩 시스템을 적용하기 위해 수학식 4를 만족하는 4개의 양자상태를 만들 수 있으며 칩 신호의 위상 값을 복소수로 나타냈을 때 아래 수학식 8과 같이 나타낸다.Furthermore, a four-chip coding system modulates one single photon pulse into four chip signals. As with a two-chip coding system, each chip signal is phase modulated with one of {0 °, 90 °, 180 °, 270 °}. Likewise, in order to apply a 4-chip coding system to a general BB84 protocol, four quantum states satisfying Equation 4 can be generated. When the phase value of the chip signal is represented as a complex number, Equation 8 is shown.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000008
Figure PCTKR2017001866-appb-M000008
일반적으로 BB84 프로토콜에서 단일 광자 펄스 하나는 하나의 비트 정보를 전달한다. 앞의 2-칩 코딩 시스템에서 보인 것처럼 2개의 칩 신호만으로도 하나의 비트 정보를 전송할 수 있는데 4-칩 코딩에 그대로 적용하여 4개의 양자상태를 양자정보로 사용하게 되면 2개의 칩 신호를 4개의 칩에 중복된 정보를 갖도록 하게 된다. 중복된 정보를 갖는 칩 신호는 오히려 도청자(140)에게 노출하는 정보량을 증가시키기 때문에 보안성을 보장할 수 없게 된다. In general, in a BB84 protocol, a single photon pulse carries one bit of information. As shown in the two-chip coding system, one bit information can be transmitted using only two chip signals. If four quantum states are used as quantum information by applying it to four-chip coding as it is, two chip signals are divided into four chips. Will have duplicate information. Since the chip signal having the duplicated information increases the amount of information exposed to the eavesdropper 140, security cannot be guaranteed.
도 7은 4개의 칩으로 하나의 비트 정보를 전송할 경우에 가능한 도청자(140)의 공격에 대한 일 예이다. 도청자(140)는 송신자(110)가 보낸 신호를 가로채 2-칩 지연 스위치를 통해 위쪽 경로와 아래쪽 경로로 두 칩 신호를 나누어 간섭을 일으킨다. 이 경우 보강 간섭 포트에서 양자상태 {(1,1,1,1), (1,-1,1,-1)}만 검출 확률을 갖게 되며 상쇄 간섭 포트에서는 양자상태 {(1,i,-1,-i), (1,-i,-1,i)}만이 검출 확률을 갖는다. 그렇기 때문에 보강 간섭 포트와 상쇄 간섭 포트에 따라 자동으로 신호의 기저가 구분이 되고 각 기저에 맞는 단일 광자 검출을 하면 도청자(140)는 송신자(110)가 보낸 신호를 정확하게 알아낼 수 있고 해당 신호와 동일한 신호를 재생성하여 수신자(120)에게 보내줌으로써 모든 키 정보를 알아낼 수 있다.FIG. 7 is an example of an attack of the eavesdropper 140 when four bits of one bit information are transmitted. The eavesdropper 140 intercepts the signal sent by the transmitter 110 and divides the two chip signals into the upper path and the lower path through the two-chip delay switch to cause interference. In this case, only the quantum states {(1,1,1,1), (1, -1,1, -1)} are detected at the constructive interference port, and the quantum states {(1, i,- 1, -i), (1, -i, -1, i)} has a detection probability. Therefore, if the basis of the signal is automatically divided according to the constructive interference port and the destructive interference port, and the single photon detection for each base is performed, the eavesdropper 140 can accurately detect the signal sent by the sender 110 and By regenerating the same signal and sending it to the receiver 120, all key information can be found.
칩 신호의 개수를 늘리면서 중복되는 정보에 의하여 앞서 설명한 문제가 발생할 수 있는 바, 본 발명에서는 칩 신호의 개수를 증가시키면서 전송하는 정보의 중복을 피하기 위해 전송하는 양자상태의 개수를 증가시키고 이에 따라 하나의 양자상태에 전송하는 정보량을 증가시킴으로써 문제를 해결하였다. 4-칩 코딩 양자 암호 키분배 시스템(100)은 총 16가지 양자상태를 이용하여 하나의 양자상태에 두 개의 큐빗 정보를 전송한다. The problem described above may occur due to overlapping information while increasing the number of chip signals. In the present invention, the number of quantum states to be transmitted is increased according to the present invention to avoid duplication of information transmitted while increasing the number of chip signals. The problem was solved by increasing the amount of information transmitted in the quantum state. The four-chip coded quantum cryptography key distribution system 100 transmits two qubit information to one quantum state using a total of 16 quantum states.
16가지 양자상태를 생성하는 방법은 아래의 수학식 9와 같이 큐빗생성 연산을 통해 나타낼 수 있다.A method of generating 16 quantum states may be represented by a qubit generation operation as shown in Equation 9 below.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000009
Figure PCTKR2017001866-appb-M000009
여기서
Figure PCTKR2017001866-appb-I000017
의 조합으로 만들어 지는 16개의 양자상태는 아래와 같다.
here
Figure PCTKR2017001866-appb-I000017
The 16 quantum states produced by the combination of
Figure PCTKR2017001866-appb-I000018
Figure PCTKR2017001866-appb-I000018
Figure PCTKR2017001866-appb-I000019
Figure PCTKR2017001866-appb-I000019
Figure PCTKR2017001866-appb-I000020
Figure PCTKR2017001866-appb-I000020
......
Figure PCTKR2017001866-appb-I000021
Figure PCTKR2017001866-appb-I000021
각 양자상태는 큐빗생성 연산의 θ값에 따라 기저가 결정된다.
Figure PCTKR2017001866-appb-I000022
인 경우 첫 번째 큐빗의 기저는 X,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000023
인 경우 첫 번째 큐빗의 기저는 Z에 매치된다. 마찬가지로
Figure PCTKR2017001866-appb-I000024
인 경우 두 번째 큐빗의 기저는 X,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000025
인 경우 두 번째 큐빗의 기저는 Z로 매치되어 모든 양자상태 는 {XX, XZ, ZX, ZZ} 기저에 포함된다.
Each quantum state is determined based on the θ value of the qubit generation operation.
Figure PCTKR2017001866-appb-I000022
If the base of the first qubit is X,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000023
, The base of the first qubit matches Z. Likewise
Figure PCTKR2017001866-appb-I000024
If the base of the second qubit is X,
Figure PCTKR2017001866-appb-I000025
If the base of the second qubit is matched by Z, all quantum states are included in the base of {XX, XZ, ZX, ZZ}.
16개의 양자상태를 갖는 4-칩 코딩 양자 암호 키분배 시스템(100)의 경우에도 수학식 4와 같이 양자상태 간 내적을 계산하여 동일한 기저의 양자상태들은 서로 직교하고 다른 기저의 양자상태와는 직교하지 않음을 쉽게 알 수 있고 또, 송신자(110)와 수신자(120)가 서로 다른 기저를 사용할 경우 아래의 표 1(4-칩 코딩 양자 암호 키분배 시스템(100)의 양자상태 정보)의 중첩 세트(superposition set) 열에서 보이는 것처럼 특정 기저의 양자상태는 다른 기저의 양자상태들의 중첩(superposition)으로 나타낼 수 있어 동일한 기저를 사용하지 않을 경우 정확한 양자상태를 알아낼 수 없다.In the case of the four-chip coded quantum cryptographic key distribution system 100 having 16 quantum states, the inner products of the same base are orthogonal to each other and orthogonal to other base quantum states by calculating the inner product between the quantum states as shown in Equation 4. It is easy to see that it does not, and also, when the sender 110 and the receiver 120 use different basis, the superimposed set of Table 1 (quantum state information of the 4-chip coded quantum cryptographic key distribution system 100) below. As shown in the (superposition set) column, the quantum state of a particular base can be expressed as the superposition of the quantum states of another base, so that the exact quantum state cannot be determined without using the same base.
Figure PCTKR2017001866-appb-T000001
Figure PCTKR2017001866-appb-T000001
도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-칩 코딩 양자 키분배 시스템(100)의 동작 구조를 도시하고 있다. 도 8에서, 송신자(110)는 16가지 양자상태 중 하나를 수신자(120)에게 전송한다. 수신자(120)에서 수신된 신호는 2-칩 지연 간섭계를 지나 1-칩 지연 간섭계(DAF)를 통과하여 단일 광자 검출기(SPD)로 측정된다. 수신자(120)는 2-칩 지연 간섭계(DAF)와 1-칩 지연 간섭계(DAF)의 위상 경로차에 따라 측정 기저를 정한다. 즉, (2-칩 지연 간섭계(DAF)의 위상 경로차, 1-칩 지연 간섭계(DAF)의 위상 경로차)로 나타내면 (0°,0°)에 해당하는 검출기 1, 2, 5, 6(SPD1, SPD2, SPD5, SPD6)은 기저 XX에 해당하고 (90°,0°)에 해당하는 검출기 9, 10, 13, 14(SPD9, SPD10, SPD13, SPD14)는 기저 XZ에 해당하며, (0°,90°)에 해당하는 검출기 3, 4, 7, 8(SPD3, SPD4, SPD7, SPD8)은 기저 ZX에 해당하고, (90°,90°)에 해당하는 검출기 11, 12, 15, 16(SPD11, SPD12, SPD15, SPD16)은 기저 ZZ에 해당한다.8 illustrates an operation structure of a 4-chip coded quantum key distribution system 100 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 8, the sender 110 sends one of the 16 quantum states to the receiver 120. The signal received at receiver 120 is passed through a two-chip delay interferometer and through a one-chip delay interferometer (DAF) to be measured with a single photon detector (SPD). The receiver 120 bases the measurement on the phase path difference between the two-chip delay interferometer (DAF) and the one-chip delay interferometer (DAF). In other words, when expressed as (phase path difference of 2-chip delay interferometer (DAF), phase path difference of 1-chip delay interferometer (DAF)), detectors 1, 2, 5, 6 ( SPD1, SPD2, SPD5, SPD6) correspond to base XX, and detectors 9, 10, 13, 14 (SPD9, SPD10, SPD13, SPD14) corresponding to (90 °, 0 °) correspond to base XZ, and (0 Detectors 3, 4, 7, 8 (SPD3, SPD4, SPD7, SPD8) correspond to the base ZX and detectors 11, 12, 15, 16 correspond to (90 °, 90 °) (SPD11, SPD12, SPD15, SPD16) correspond to the base ZZ.
양자 채널의 통신이 끝난 후 송신자(110)와 수신자(120)는 서로의 기저를 공개하고 동일한 기저를 사용한 경우의 신호만을 비밀키 추출에 사용한다. 이 때 동일한 기저란 첫 번째 큐빗과 두 번째 큐빗의 기저 모두가 동일한 경우를 말하며 두 개의 큐빗을 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shifting Key)에서와 같이 하나의 심볼 단위로 시프팅 과정과 후처리 과정을 진행한다. 이와 같이 심볼 단위로 시프팅 과정과 후처리 과정을 적용할 경우 시스템의 허용 가능한 오류율의 한계값이 증가한다.After the communication of both channels is finished, the transmitter 110 and the receiver 120 disclose the basis of each other and use only the signal when the same base is used for secret key extraction. In this case, the same basis refers to a case in which the basis of the first qubit and the second qubit is the same, and the two qubits are shifted and post-processed in one symbol unit as in quadrature phase shifting key. Proceed. In this way, when the shifting and post-processing processes are applied in symbol units, the limit of the allowable error rate of the system increases.
도 8과 같은 구조를 사용할 경우 신호의 측정 효율이 감소하게 되고 칩 신호의 개수가 증가함에 따라 단일 광자 검출기(SPD)의 개수도 증가하게 되는데 2-칩 양자 암호 키분배 시스템(100)에서와 마찬가지로 도 9의 2-칩 스위칭 & 지연 간섭계(DAF)와 1-칩 스위칭&지연 간섭계(DAF)를 이용하여 검출 효율이 감소하지 않게 하고 단일 광자 검출기(SPD)의 개수를 줄일 수 있다.When the structure shown in FIG. 8 is used, the measurement efficiency of the signal decreases and as the number of chip signals increases, the number of single photon detectors (SPDs) also increases, as in the two-chip quantum cryptographic key distribution system 100. The two-chip switching & delay interferometer (DAF) and one-chip switching & delay interferometer (DAF) of FIG. 9 can be used to reduce the detection efficiency and reduce the number of single photon detectors (SPDs).
칩 신호의 개수를 2N개로 늘린다면 우리가 사용하는 양자상태는 총 4N개가 되며 아래의 수학식 10과 같이 큐빗생성 연산을 통해 나타낼 수 있다.If the number of chip signals is increased to 2 N , the number of quantum states that we use is 4 N in total and can be represented by the qubit generation operation as shown in Equation 10 below.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000010
Figure PCTKR2017001866-appb-M000010
앞에서와 마찬가지로
Figure PCTKR2017001866-appb-I000026
의 조합이 가능하므로 아래의 수학식 11과 같이 N 큐빗에 대하여 4N 개의 양자상태를 생성할 수 있게 된다.
As before
Figure PCTKR2017001866-appb-I000026
Can be combined, so that 4 N quantum states can be generated for N qubits as shown in Equation 11 below.
Figure PCTKR2017001866-appb-M000011
Figure PCTKR2017001866-appb-M000011
Figure PCTKR2017001866-appb-I000027
Figure PCTKR2017001866-appb-I000027
......
Figure PCTKR2017001866-appb-I000028
Figure PCTKR2017001866-appb-I000028
하나의 큐빗생성 연산은 하나의 큐빗 정보를 인코딩한다. 큐빗생성 연산
Figure PCTKR2017001866-appb-I000029
은 독립적인 큐빗들을 생성시킬 수 있고, 따라서 커뮤테이터
Figure PCTKR2017001866-appb-I000030
이다. 앞서 표 1과 같이 양자상태들이 비직교적 양자상태들의 양자 중첩을 통해 생성되어 질 수 도 있다.
One qubit generation operation encodes one qubit information. Qubit Generation Operation
Figure PCTKR2017001866-appb-I000029
Can generate independent qubits, so commutators
Figure PCTKR2017001866-appb-I000030
to be. As shown in Table 1, quantum states may be generated through quantum superposition of non-orthogonal quantum states.
각 양자상태의 기저는
Figure PCTKR2017001866-appb-I000031
에 따라 하나의 큐빗의 기저를 X와 Z로 매치하여 XXX...X, ZZZ...Z까지 총 2N개의 기저가 존재하고 송신자(110)와 수신자(120)는 4-칩 양자 암호키 분배 시스템(100)에서 사용한 방법과 동일하게 송신자(110)가 보낸 양자상태의 기저와 수신자(120)의 측정 기저가 동일한 경우의 신호로부터 비밀키 정보를 추출한다.
The basis of each quantum state
Figure PCTKR2017001866-appb-I000031
According to the base of one qubit by X and Z, there are a total of 2 N bases from XXX ... X, ZZZ ... Z, and the sender 110 and the receiver 120 are 4-chip quantum encryption keys. The secret key information is extracted from the signal when the basis of the quantum state sent by the transmitter 110 and the measurement basis of the receiver 120 are the same as the method used in the distribution system 100.
나아가, 도 9의 구조는 2-칩 코딩 시스템. 4-칩 코딩 시스템 뿐만 아니라 2N-칩 코딩 시스템에도 앞서 설명한 방식에 따라 적용될 수 있다.Further, the structure of FIG. 9 is a two-chip coding system. Not only 4-chip coding system but also 2N -chip coding system can be applied according to the method described above.
본 발명에서는 하나의 단일 광자 펄스를 복소평면의 고속 위상 변조를 하여 작은 시간 단위의 칩으로 나누어 하나의 양자상태를 만들었다. 하나의 고전 비트 정보를 갖는 2-칩 코딩 시스템과 두 개의 비트 정보를 갖는 4-칩 시스템을 살펴봄으로써 해당 변조 방식을 통해 하나의 광자에 N개의 고전 비트 정보를 가질 수 있는 2N-칩 코딩 시스템으로 일반화시킬 수 있음을 확인하였다. 무엇보다 본 발명에서 제안한 다중 큐빗을 인코딩하는 방법은 단순하고 수신부의 구조 또한 스위치, 지연 간섭계 그리고 단일 광자 검출기로만 이루어져 있어 실제 양자 암호 키분배 프로토콜을 용이하게 구현할 수 있게 된다. In the present invention, one single photon pulse is subjected to complex plane fast phase modulation and divided into chips of small time units to make one quantum state. By looking at a two-chip coding system with one classical bit information and a four-chip system with two bits of information, a 2 N -chip coding system capable of having N classical bit information in one photon through the corresponding modulation scheme It was confirmed that it can be generalized to. Above all, the proposed method of encoding multiple qubits is simple and the structure of the receiver is composed of only a switch, a delay interferometer and a single photon detector, so that the actual quantum cryptographic key distribution protocol can be easily implemented.
또한, 도 10에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 장치(110)의 구성도를 예시하고 있으며, 도 11에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치(120)의 구성도를 예시하고 있다.In addition, FIG. 10 illustrates a configuration diagram of the transmission apparatus 110 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 illustrates a configuration diagram of the reception apparatus 120 according to an embodiment of the present invention.
상기 송신 장치(110) 및 수신 장치(120)에 대해서는 앞서 본 발명에 따른 양자 암호 키 분배 시스템(100) 및 방법에 대한 설명을 참조하여 용이하게 실시할 수 있는 바, 아래에서는 이에 대한 간략한 설명으로로 갈음한다.The transmission device 110 and the reception device 120 can be easily implemented with reference to the description of the quantum cryptographic key distribution system 100 and the method according to the present invention. Replace with
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 장치(110)는, 일련의 광 펄스를 이용하여 수신 장치(120)와 양자 암호 키를 분배하는 송신 장치(110)로서, 광 펄스를 생성하는 광 펄스 생성부(112) 및 나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 광 펄스 변조부(114)를 포함하여 구성되며(여기서, N은 1 이상의 자연수), 이때 상기 수신 장치(120)는 상기 송신 장치(110)가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하며, 이에 따라 상기 송신 장치(110)와 수신 장치(120)는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배할 수 있게 된다.First, the transmitting apparatus 110 according to an embodiment of the present invention is a transmitting apparatus 110 that distributes a quantum cryptographic key with the receiving apparatus 120 by using a series of optical pulses, and generates an optical pulse. generator 112 and by dividing the my pulse with 2 N chips (chip), and the phase by applying the first base of the plurality of ground (basis) predetermined in the 2 N-chip modulation data of N qubits In fact, it comprises an optical pulse modulator 114 for transmitting the optical pulse (where N is a natural number of 1 or more), wherein the receiving device 120 receives the optical pulse sent by the transmitting device 110 And applying a second base among the plurality of bases to detect an optical pulse to restore some or all of the data, and accordingly, the transmitting device 110 and the receiving device 120 are connected to the first base. Collating the second basis and using some or all of the data It is possible to distribute encryption keys to each other.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치(120)는, 송신 장치(110)로부터 수신하는 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 수신 장치(120)로서, 송신 장치(110)로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 광 펄스 수신부(122) (여기서, N은 1 이상의 자연수) 및 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 광 펄스 검출부(124)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 송신 장치(110)와 수신 장치(120)는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배할 수 있게 된다.In addition, the reception device 120 according to an embodiment of the present invention is a reception device 120 that distributes a quantum encryption key using a series of optical pulses received from the transmission device 110, and the transmission device 110. from one of the optical pulse is divided into 2 N chips (chip), the 2 N of applying a first base of the plurality of baseband predetermined (basis) on the chip to the phase modulation carries the transmission light data of the N qubits An optical pulse receiver 122 (where N is a natural number of 1 or more) for receiving a pulse and a second basis among the plurality of bases are applied to the received optical pulses to detect an optical pulse, thereby detecting a part of the data or And a light pulse detector 124 for restoring the entirety, wherein the transmitting device 110 and the receiving device 120 collate the first base and the second base and partially or all of the data. Distribution of encryption keys between It can be so.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and are not limited to these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

  1. 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 시스템에 있어, In a system where a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of light pulses,
    하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 송신자 - 여기서, N은 1 이상의 자연수; 및Dividing the one light pulse with 2 N chips (chip), said 2 N different to the chip applying the first base of the plurality of ground (basis) predetermined by the phase modulation actually the data of the N qubits transmitted light pulses Sender, where N is one or more natural numbers; And
    상기 송신자가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 수신자;를 포함하며,And a receiver for receiving the optical pulse transmitted by the transmitter and applying a second basis among the plurality of basis to detect the optical pulse to restore some or all of the data.
    상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And the sender and the receiver collate the first basis and the second basis and distribute cryptographic keys to each other using some or all of the data.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 수신자는,The recipient,
    수신한 광 펄스를 소정의 확률로 분할하여 제1경로와 제2경로로 전달하는 광 분할기;An optical splitter that splits the received optical pulse with a predetermined probability and transmits the optical pulse to the first path and the second path;
    상기 광 펄스를 입력받아 제1 광 펄스와 제2 광 펄스로 분할하고, 상기 제1 광 펄스를 소정의 칩 간격 만큼 지연시킨 후, 이를 지연되지 않은 상기 제2 광 펄스와 합산시키는 지연 및 합산 필터; 및A delay and summing filter which receives the optical pulses and divides the first optical pulses into second optical pulses, delays the first optical pulses by a predetermined chip interval, and then adds the optical pulses to the second optical pulses which are not delayed. ; And
    상기 지연 및 합산 필터에서 출력되는 광 펄스를 검출하는 광자 검출기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And a photon detector for detecting the light pulses output from the delay and summing filters.
  3. 제2항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 지연 및 합산 필터는,The delay and summing filter,
    상기 제2기저에 따라 상기 제1 광 펄스 또는 상기 제2 광 펄스의 위상을 변조하는 위상 변조기를 구비하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And a phase modulator for modulating the phase of the first light pulse or the second light pulse in accordance with the second basis.
  4. 제2항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 수신자는, The recipient,
    상기 N = 1 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며,When N = 1, provided with a 1-chip delay and summing filter,
    상기 N = 2 인 경우, 2-칩 지연 및 합산 필터와 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, When N = 2, a 2-chip delay and summing filter and a 1-chip delay and summing filter are provided.
    보다 일반적으로 N = n 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터, 2-칩 지연 및 합산 필터, ... , 2n -1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며 - 여기서, n 은 3 이상의 자연수;More generally, when N = n, 1-chip delay and summing filter, 2-chip delay and summing filter, ..., 2 n -1 -chip delay and summing filter-where n is a natural number of 3 or more ;
    이때, 상기 수신자가 수신한 광 펄스는,At this time, the optical pulse received by the receiver,
    하나 혹은 둘 이상의 광 분할기를 거치면서 복수의 경로로 분할되고, Split into multiple paths through one or more optical splitters,
    상기 각 종류의 지연 및 합산 필터를 순차적으로 거친 후,After sequentially passing through each type of delay and summing filter,
    상기 광 검출기에서 검출되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And a quantum cryptographic key distribution system as detected by said photo detector.
  5. 제2항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 광 분할기는,The optical splitter,
    상기 광 펄스에서 복수의 칩을 나누어 일부 칩은 제1경로로 전달하고 나머지 칩은 제2경로로 전달하는 스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And dividing a plurality of chips in the optical pulse and transferring a plurality of chips to a first path and a second chip to a second path.
  6. 제5항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 스위치는,The switch,
    상기 복수의 칩을 선행하는 절반 및 후행하는 절반의 칩으로 나누어, 각각 상기 제1경로 및 상기 제2경로로 전달하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 시스템.And dividing the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half, and transferring the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
  7. 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법에 있어,In a method in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of light pulses,
    송신자가 하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수)를 포함하며,Transmitter divides one optical pulse into 2N chips, and applies a first basis among a plurality of predetermined bases to the 2N chips to phase-modulate the optical pulse carrying N qubit data Sending a step (where N is a natural number of 1 or more),
    상기 수신자는 상기 송신자가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하고,The receiver receives the light pulses sent by the sender, applies a second base among the plurality of bases, detects the light pulses, and restores some or all of the data,
    상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And the sender and the receiver collate the first basis and the second basis and distribute cryptographic keys to each other using some or all of the data.
  8. 송신자와 수신자가 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 방법에 있어,In a method in which a sender and a receiver distribute a quantum cryptographic key using a series of light pulses,
    수신자가, 송신자로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 단계(여기서, N은 1 이상의 자연수); 및The receiver, to a light pulse 2 is divided into N chips (chip), applying a first base of said second plurality of ground a predetermined on N chips (basis) from the sender to the phase modulation data of N qubits Receiving a light pulse sent out, where N is a natural number of 1 or more; And
    상기 수신자가 상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 단계;를 포함하며,And applying, by the receiver, the second basis of the plurality of basis to the received optical pulse to detect an optical pulse to restore some or all of the data.
    상기 송신자와 수신자는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And the sender and the receiver collate the first basis and the second basis and distribute cryptographic keys to each other using some or all of the data.
  9. 제8항에 있어서, The method of claim 8,
    상기 복원하는 단계는,Restoring the step,
    수신한 광 펄스를 소정의 확률로 분할하여 제1경로와 제2경로로 전달하는 광 분할 단계;An optical division step of dividing the received optical pulse with a predetermined probability and transferring the received optical pulse to the first path and the second path;
    상기 광 펄스를 입력받아 제1 광 펄스와 제2 광펄스로 분할하고, 상기 제1 광펄스를 소정의 칩 간격 만큼 지연시킨 후, 이를 지연되지 않은 상기 제2 광 펄스와 합산시키는 지연 및 합산 단계; 및Receiving the optical pulse is divided into a first optical pulse and a second optical pulse, delaying and summing the first optical pulse by a predetermined chip interval, and then summing it with the second optical pulse that is not delayed ; And
    상기 지연 및 합산 필터에서 출력되는 광 펄스를 검출하는 광자 검출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And a photon detection step of detecting an optical pulse output from the delay and summing filter.
  10. 제9항에 있어서, The method of claim 9,
    상기 지연 및 합산 단계에서는,In the delay and summing step,
    상기 제2기저에 따라 상기 제1 광 펄스 또는 상기 제2 광 펄스의 위상을 변조하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And modulating a phase of the first optical pulse or the second optical pulse in accordance with the second basis.
  11. 제9항에 있어서, The method of claim 9,
    상기 수신자는, The recipient,
    상기 N = 1 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며,When N = 1, provided with a 1-chip delay and summing filter,
    상기 N = 2 인 경우, 2-칩 지연 및 합산 필터와 1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며, When N = 2, a 2-chip delay and summing filter and a 1-chip delay and summing filter are provided.
    보다 일반적으로 N = n 인 경우, 1-칩 지연 및 합산 필터, 2-칩 지연 및 합산 필터, ... , 2n -1-칩 지연 및 합산 필터를 구비하며 - 여기서, n 은 3 이상의 자연수;More generally, when N = n, 1-chip delay and summing filter, 2-chip delay and summing filter, ..., 2 n -1 -chip delay and summing filter-where n is a natural number of 3 or more ;
    이때, 상기 수신자가 수신한 광 펄스는,At this time, the optical pulse received by the receiver,
    하나 혹은 둘 이상의 광 분할기를 거치면서 복수의 경로로 분할되고, Split into multiple paths through one or more optical splitters,
    상기 각 종류의 지연 및 합산 필터를 순차적으로 거친 후,After sequentially passing through each type of delay and summing filter,
    상기 광 검출기에서 검출되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.Quantum cryptographic key distribution method, characterized in that detected by the photo detector.
  12. 제9항에 있어서, The method of claim 9,
    상기 광 분할 단계는,The light splitting step,
    상기 광 펄스에서 복수의 칩을 나누어 일부 칩은 제1경로로 전달하고 나머지 칩은 제2경로로 전달하는 스위치를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And dividing a plurality of chips in the optical pulse to transfer some chips to the first path and the other chips to the second path.
  13. 제12항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 스위치는,The switch,
    상기 복수의 칩을 선행하는 절반 및 후행하는 절반의 칩으로 나누어, 각각 상기 제1경로 및 상기 제2경로로 전달하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.And dividing the plurality of chips into a preceding half and a subsequent half and transferring the plurality of chips to the first path and the second path, respectively.
  14. 일련의 광 펄스를 이용하여 수신 장치와 양자 암호 키를 분배하는 송신 장치에 있어서,A transmitting device for distributing a quantum cryptographic key with a receiving device using a series of light pulses,
    광 펄스를 생성하는 광 펄스 생성부; 및An optical pulse generator for generating an optical pulse; And
    하나의 광 펄스를 2N 개의 칩(chip)으로 분할하고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실은 광 펄스를 송출하는 광 펄스 변조부 - 여기서, N은 1 이상의 자연수;를 포함하여 구성되며,Dividing the one light pulse with 2 N chips (chip), said 2 N different to the chip applying the first base of the plurality of ground (basis) predetermined by the phase modulation actually the data of the N qubits transmitted light pulses An optical pulse modulator, wherein N is one or more natural numbers;
    상기 수신 장치는 상기 송신 장치가 송출한 광 펄스를 수신하고, 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하며,The reception device receives an optical pulse transmitted by the transmission device, detects an optical pulse by applying a second basis among the plurality of basis, and restores some or all of the data,
    상기 송신 장치와 수신 장치는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.And the transmitting apparatus and the receiving apparatus collate the first basis and the second basis and distribute encryption keys to each other using some or all of the data.
  15. 송신 장치로부터 수신하는 일련의 광 펄스를 이용하여 양자 암호 키를 분배하는 수신 장치에 있어서,A receiving device for distributing a quantum cryptographic key using a series of light pulses received from a transmitting device,
    송신 장치로부터 하나의 광 펄스가 2N 개의 칩(chip)으로 분할되고, 상기 2N 개의 칩에 미리 정해진 복수의 기저(basis) 중 제1기저를 적용해 위상 변조하여 N 큐빗의 데이터를 실어 송출된 광 펄스를 수신하는 광 펄스 수신부 - 여기서, N은 1 이상의 자연수; 및One optical pulse is divided into 2N chips from the transmitter, and the 2N chips are subjected to a phase modulation by applying a first basis among a plurality of predetermined bases, and carrying N qubits of data for transmission. An optical pulse receiver for receiving the received optical pulse, wherein N is one or more natural numbers; And
    상기 수신한 광 펄스에 상기 복수의 기저(basis) 중 제2기저를 적용해 광 펄스를 검출하여 상기 데이터 중 일부 또는 전부를 복원하는 광 펄스 검출부;를 포함하며,And an optical pulse detector configured to apply a second basis among the plurality of basis to the received optical pulses, detect an optical pulse, and restore some or all of the data.
    상기 송신 장치와 수신 장치는 상기 제1기저와 상기 제2기저를 대조하고 상기 데이터의 일부 또는 전부를 이용하여 상호간에 암호 키를 분배하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.And the transmitting apparatus and the receiving apparatus collate the first basis and the second basis and distribute encryption keys to each other using some or all of the data.
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