WO2018199426A1 - 수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치 - Google Patents

수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치 Download PDF

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WO2018199426A1
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photon
transmitter
channel
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이준구
임경천
서창호
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한국과학기술원
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    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
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    • H04L9/0819—Key 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 method and apparatus for quantum cryptographic key distribution, and more particularly, to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol that detects bit information from a received quantum state after photon subtraction at a receiver to calculate and share a quantum cryptographic key.
  • the present invention relates to a quantum cryptographic key distribution method and apparatus.
  • CVQKD continuous variable quantum key distribution
  • the transmitter Alice transmits a quantum state generated for coded key information through a quantum channel, and notifies the transmitter Alice of reference information applied to detecting the quantum state by the receiver Bob.
  • the transmitter Alice detects the quantum state transmitted according to the reference information from the receiver Bob, and calculates a quantum encryption key by applying post-processing such as error correction based on the detected data.
  • the encryption key distribution method that is different from the conventional continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol has a quantum mechanical property of photons. It provides some security by distributing and sharing encryption keys among remote users.
  • the attacker Eve reacts with the quantum state of photons transmitted by the transmitter Alice using a predetermined copying device in the quantum channel to estimate quantum cryptographic key information corresponding to the photons transmitted through photodetection. Can be.
  • the quantum cryptographic key information may be altered by the quantum mechanical properties of the quantum state, thereby detecting the existence of the attacker (Eve). have.
  • the transmitter Alice transmits the quantum state to the quantum channel, but transmits the quantum state when the intended number of photons is extracted, thereby preventing the attack of the quantum channel by the attacker Eve.
  • you want to be prepared it is difficult to completely determine the possibility of attack by the attacker (Eve), there is a problem that the encryption key is exposed to the attacker (Eve).
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, the object of the present invention, while distributing the quantum encryption key in a reverse post-processing manner, the encryption key is not exposed to the attacker (Eve) more security
  • a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol that detects bit information from the received quantum state after photon subtraction at the receiver Bob to calculate and share the quantum cryptographic key so that it can be enhanced and increase the cipher key generation rate.
  • the present invention provides a quantum cryptographic key distribution method and apparatus.
  • a quantum cryptographic key distribution method for achieving the above object, (A) transmitting a quantum state for the encryption key coded in the transmitter over a quantum channel step; (B) performing photon extraction from the quantum states received through the quantum channel at the receiver, and then performing state detection on the received quantum states by applying the selected quadrature; And (C) performing the state detection on the quantum state by applying the quadrature received from the receiver through the public channel by the transmitter.
  • Step (B) includes performing the photon extraction from the reflected light of the quantum state and the transmitted light of the reference light by using a beam splitter.
  • Step (B) includes controlling to perform the state detection when a predetermined target number of photons is extracted for a predetermined time in performing the photon extraction.
  • step (B) may comprise: storing the quantum state in a quantum memory; Determining the number of target photons to be extracted according to the noise level of the quantum channel while the quantum states are stored in the quantum memory; Controlling to perform.
  • the quantum state may be a single quantum state including a squeezed state or a coherent state.
  • the quantum state may be an entangled quantum state, and in step (A), transmit a partial output of the beam splitter that generates the tangled quantum state, and in step (C), perform state detection on the remaining output of the beam splitter. can do.
  • a quantum cryptographic key distribution apparatus a transmitter for transmitting a quantum state for a coded encryption key through a quantum channel; And a receiver configured to perform photon extraction from the quantum state received through the quantum channel, and then perform state detection on the received quantum state by applying a selected quadrature, wherein the transmitter is a public channel from the receiver. The quadrature received through the method is applied to detect a state of the quantum state.
  • a receiver for receiving a quantum cryptographic key a photon extractor for performing photon extraction from the quantum state for the coded encryption key received from the transmitter; And a photodetector for generating bit information according to the quantum state of light, wherein the photon extractor generates a state detection control signal after the photon extraction, and applies the selected quadrature to perform state detection on the quantum state.
  • the light detector is controlled, and the transmitter applies the quadrature received through the public channel to detect the state of the quantum state.
  • the receiver may further include a quantum memory for storing the quantum state transmitted by the transmitter, and the photon extractor may perform the photon extraction from the quantum state output from the quantum memory.
  • a transmitter for distributing a quantum cryptographic key a transmitter for transmitting a portion of the entangled quantum state for the coded encryption key through a quantum channel; A quantum memory for storing the remainder except the part of the entangled quantum state; And a photodetector for generating bit information according to the quantum state of light, and after the receiver performs photon extraction from the portion of the entangled quantum state received through the quantum channel, applying the selected quadrature to apply the tangled Perform state detection on the part of the quantum state, and the photodetector applies the quadrature received from the receiver through a public channel to perform state detection on the rest of the quantum state except for the part.
  • the receiver detects the bit information from the received quantum state through photon subtraction and error correction
  • the quantum cryptographic key can be calculated and shared so that the cryptographic key is not exposed to the attacker. There is an effect that can increase.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for quantum cryptography key distribution according to a continuous variable quantum cryptography key distribution protocol according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of a quantum cryptographic key distribution device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph for explaining the performance of encryption key generation rate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution apparatus according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution apparatus according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution device 100 according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol according to an embodiment of the present invention.
  • the quantum cryptography key distribution device 100 may provide an optical signal for data transmission and reception through a quantum channel using an optical fiber in an optical communication network. It includes a transmitter and a receiver (Alice) and a receiver (Bob).
  • the transmitter Alice and the receiver Bob may be included in various optical communication equipments on a network, that is, a network providing a public channel such as a wired / wireless internet or a mobile communication network.
  • a network providing a public channel such as a wired / wireless internet or a mobile communication network.
  • an Ethernet device, an L2 / L3 device, a server on a network, or the like may provide a transmitter for providing or receiving a quantum cryptographic key according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol in order to transmit and receive necessary data with each other through optical communication.
  • a receiver Bob may provide a transmitter for providing or receiving a quantum cryptographic key according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol in order to transmit and receive necessary data with each other through optical communication.
  • the transmitter Alice for distributing the quantum encryption key and the receiver Bob for distributing the quantum encryption key can distribute and share the encryption key using reverse post-processing.
  • the transmitter Alice transmits a portion B 0 of the entangled-state quantum generated using the beamsplitter to a predetermined coded encryption key corresponding to the transmission target encryption key (first of the beamsplitter). Port output) over a quantum channel.
  • the receiver Bob receives a part B 0 of the tangled quantum state through the quantum channel and performs photon subtraction from the received tangled quantum state B. Then, p (in- Applying a randomly selected quadrature among phase and quadrature (q) quadrature to perform state detection according to homodyne (HOM, homodyne) method for the tangled quantum state (B) received That is, bit information (digital code) B 1 is generated.
  • HOM homodyne
  • the receiver Bob transmits information on the quadrature selected for application to state detection through the public channel to the transmitter Alice.
  • the transmitter Alice applies a quadrature identical to the quadrature received from the receiver Bob, and excludes the above part of the tangled quantum states transmitted to the receiver Bob.
  • HOM homodyne
  • the quantum channel is deteriorated or noise is applied to the quantum channel due to an external environment or an attack of the attacker Eve, and thus the transmitter Alice and the receiver Bob
  • the detected signal values A / B 1 may not coincide with each other.
  • the attacker Eve uses a predetermined copying device in a quantum channel as shown in FIG. 1 and through a beam splitter (transmission T) disposed on an optical signal transmission / reception path between the transmitter Alice and the receiver Bob. React a part of its entangled quantum state E 0 transmitted by the transmitter Alice, and store the light from its entangled quantum state remainder F stored in each quantum memory QM and the quantum state E after the reaction.
  • the detection may estimate quantum cryptographic key information corresponding to the transmitted photons.
  • the transmitter Alice and the receiver Bob post-process, i.e., correct, the corresponding bit information generated by performing state detection as described above.
  • a correction quantum cryptographic key is calculated and shared by applying a correction technique and a privacy amplification technique.
  • the transmitter Alice receives the bit information detected by the receiver Bob through a public channel and performs error correction based thereon, thereby matching the bit information of the receiver Bob with its own bit information. have.
  • the bit information of the transmitter Alice may match the bit information of the transmitter Alice.
  • the transmitter Alice transmits 111, a quantum memory (QM) 112, a photodetector 113 for generating an electrical signal using a homodyne (HOM) method, and the like. It includes.
  • QM quantum memory
  • HOM homodyne
  • the receiver Bob includes a quantum memory QM 121, a photon extractor 122, and a photodetector 125 that generates an electrical signal in a homodyne (HOM) manner.
  • QM quantum memory
  • photon extractor 122 a photon extractor 122
  • photodetector 125 that generates an electrical signal in a homodyne (HOM) manner.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of the quantum cryptographic key distribution device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitter 111 generates an entangled-state quantum for a predetermined coded encryption key corresponding to a transmission target encryption key (S10), and a part thereof, that is, a beam A part B 0 of the entangled quantum state generated using the splitter is transmitted through the quantum channel (S20).
  • the quantum memory 112 stores the tangled quantum states other than the part B 0 of the tangled quantum states split by the beam splitter and the like (S21).
  • the entangled-state quantum is a two-mode squeezed-vacuum (TMSV) state, which is output when a quantum light of two modes of squeezed state (compressed state) is synthesized by a 5: 5 beam splitter.
  • a beam splitter may generate a p (quadrature-phase) quadrature, that is, an entangled-state quantum orthogonal in phase.
  • the two modes of the squeezed state are displayed as a continuous variable entangled state and are entangled with each other about the number of photons. That is, in the entangled quantum state, the quantum states of the two modes are entangled in the TMSV state, and each quantum state has the same variance with each other.
  • the variance is the variance of the amplitude in the p and q quadratures of the quantum states of each mode. Since the optical theory related to such entangled-state quantum is well known, a detailed description thereof will be omitted.
  • the receiver Bob receives the portion B 0 of the tangled quantum state through the quantum channel.
  • the received tangled by applying a randomly selected quadrature of p (in-phase) and q (quadrature-phase) quadrature State detection is performed according to a homodyne (HOM) method for the quantum state B to generate a corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code) (S30 to S50).
  • HOM homodyne
  • the quantum memory 121 of the receiver Bob stores a part B 0 of the tangled quantum state received through the quantum channel from the transmitter Alice, and has a predetermined time delay. And output the result (S30).
  • the tangled quantum states output from the quantum memory 121 will be referred to as (B).
  • the photon extractor 122 performs photon subtraction from the entangled quantum state B output from the quantum memory 121 by using the beam splitter 123 and the photon counter 124 (S40).
  • the photon extractor 122 may control the operation of the photodetector 125 by activating a state detection control signal when photon extraction is performed, depending on whether photons are extracted.
  • the photon extractor 122 may determine the target number of photons to be extracted according to the noise level of the quantum channel while the entangled quantum state is stored in the quantum memory 121. For example, if quantum memory 121 stores a plurality of entangled quantum states for the coded cryptographic key sent from transmitter Alice, then a predetermined processor of photon extractor 122 may determine the baud rate, noise variance ( channel estimation for variance, etc., to determine the target number of photons to be extracted according to the noise level of the quantum channel based on the channel estimation.
  • the target photon number may be determined as N (natural numbers) to be extracted for a predetermined time (eg, a time slot for transmitting a coded symbol).
  • the photon extractor 122 uses the beam splitter 123 (eg, transmittance T 1 ) to reflect the reflected light and the reference light C 0 of the entangled quantum state B output from the quantum memory 121. Photon extraction can be performed from the light C to which the transmitted light is synthesized.
  • the photon extractor 122 may activate the state detection control signal to control the operation of the photodetector 125.
  • the photodetector 125 for generating bit information according to the quantum state of the input light may be randomly selected from among p (in-phase) and q (quadrature-phase) quadrature according to the active state detection control signal. Applying the selected quadrature to detect a state according to the homodyne (HOM, homodyne) method for the received tangled quantum state (B) corresponding to the coded encryption key, the corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code) (B 1 ) is generated (S50).
  • HOM homodyne
  • the receiver Bob applies the state detection through the public channel as described above using a predetermined transmitter.
  • Information on the quadrature selected in order to transmit to the transmitter (Alice) (S60).
  • the photodetector 113 of the transmitter Alice applies a quadrature identical to the quadrature received from the receiver Bob, except for a part B 0 of the tangled quantum state transmitted to the receiver Bob, and a quantum memory.
  • State detection is performed according to a homodyne (HOM) method for the rest of the entangled quantum states stored at 112 to generate a corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code) A (S70).
  • HOM homodyne
  • the transmitter Alice and the receiver Bob post-process the corresponding bit information generated by performing the state detection as described above, that is, an error correction technique and confidentiality amplification.
  • a quantum cryptographic key is calculated and shared by applying a privacy amplification technique.
  • the transmitter Alice receives the bit information detected by the receiver Bob through a public channel and performs error correction based thereon, thereby matching the bit information of the receiver Bob with its own bit information. have.
  • the bit information of the transmitter Alice may match the bit information of the transmitter Alice.
  • 3 is a graph for explaining the performance of encryption key generation rate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a case of a general continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol (CVQKD) using a squeezed state (510), a case of photon extraction from a transmitter (520), and a case of the present invention as shown in FIG. 1 (530).
  • the experimental results of the secure key rate are compared with each other.
  • the experimental results show that the average number of photons of each of the two quantum states of the TMSV state described above is 4, and the average number of photons in the quantum channel due to noise caused by the attack using the beam splitter (transmittance T) by the attacker Eve.
  • Is for 1 As shown in FIG. 3, in the case of the present invention (530), even if the noise caused by the beam splitter (transmittance T) of the attacker Eve is larger than the conventional case, it was confirmed that the secure key rate is excellent.
  • FIGS. 1 and 2 a method of distributing and sharing an encryption key with a receiver Bob using an entangled-state quantum in the transmitter Alice has been described.
  • the transmitter Alice A method of distributing and sharing cryptographic keys using a squeezed state or a coherent state as shown in FIGS. 4 and 5 instead of entangled-state quantum will be described.
  • the beam or light is modulated into a single quantum state, such as the squeezed state and the coherent state, depending on the modulation scheme and the presence or absence of squeezing. (quadrature), that is, can be generated in a single quantum state orthogonal phase, and the optical theory related to such a squeezed state (or coherent state) is well known, and a detailed description thereof will be omitted.
  • a single quantum state such as the squeezed state and the coherent state
  • FIG. 4 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution device 200 according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol according to another embodiment of the present invention.
  • a quantum cryptographic key distribution device 200 is similar to FIG. 1, but in FIG. 1, a quantum memory 112 and a homodyne (HOM) of the transmitter Alice in FIG. 1.
  • the photodetector 113 for generating an electrical signal is omitted. Operation in the receiver Bob proceeds similarly to S30 to S60 of FIG. 2.
  • the predetermined transmitter in the transmitter Alice, the predetermined transmitter generates a squeezed state or coherent state A for a predetermined coded encryption key corresponding to the transmission target encryption key and transmits it directly through the quantum channel.
  • the quantum memory 121 of the receiver Bob stores the squeezed state, or coherent state, received through the quantum channel from the transmitter Alice and delays the predetermined quantum state.
  • the squeezed state, or coherent state, output from the quantum memory 121 will be referred to as (B).
  • the photon extractor 122 performs photon subtraction from the single quantum state B output from the quantum memory 121 using the beam splitter 123 and the photon counter 124.
  • the photon extractor 122 may control the operation of the photodetector 125 by activating a state detection control signal when photon extraction is performed, depending on whether photons are extracted.
  • the photon extractor 122 may determine the target number of photons to be extracted according to the noise level of the quantum channel while the single quantum state is stored in the quantum memory 121. For example, when a plurality of single quantum states for a coded encryption key transmitted from a transmitter Alice are stored in the quantum memory 121, a predetermined processor of the photon extractor 122 may determine a transmission rate, noise variance ( channel estimation for variance, etc., to determine the target number of photons to be extracted according to the noise level of the quantum channel based on the channel estimation.
  • the target photon number may be determined as N (natural numbers) to be extracted for a predetermined time (eg, a time slot for transmitting a coded symbol).
  • the photon extractor 122 uses the beam splitter 123 (eg, transmittance T 1 ) to reflect the reflected light and the reference light C 0 in the single quantum state B output from the quantum memory 121. Photon extraction can be performed from the light C to which the transmitted light is synthesized.
  • the photon extractor 122 may activate the state detection control signal to control the operation of the photodetector 125.
  • the photodetector 125 for generating bit information according to the quantum state of the input light may be randomly selected from among p (in-phase) and q (quadrature-phase) quadrature according to the active state detection control signal. Applying the selected quadrature to detect a state according to homodyne (HOM, homodyne) method for the received single quantum state (B) corresponding to the coded encryption key, the corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code) Produce (B 1 ).
  • HOM homodyne
  • the receiver Bob applies the state detection through the public channel as described above using a predetermined transmitter. In order to transmit the information about the quadrature selected to the transmitter (Alice).
  • the predetermined photodetector in the transmitter Alice applies the same quadrature as the quadrature received from the receiver Bob, and transmits to the receiver Bob without using a homodyne method.
  • state detection is immediately performed to generate a corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code).
  • the transmitter Alice and the receiver Bob post-process the corresponding bit information generated by performing the state detection as described above, that is, an error correction technique and confidentiality amplification.
  • a quantum cryptographic key is calculated and shared by applying a privacy amplification technique.
  • the transmitter Alice receives the bit information detected by the receiver Bob through a public channel and performs error correction based thereon, thereby matching the bit information of the receiver Bob with its own bit information. have.
  • the bit information of the transmitter Alice may match the bit information of the transmitter Alice.
  • FIG. 5 is a block diagram of a quantum cryptographic key distribution device 300 according to a continuous variable quantum cryptographic key distribution protocol according to another embodiment of the present invention.
  • the quantum cryptographic key distribution device 300 is similar to FIG. 4, but the quantum memory 121 of the receiver Bob is omitted in FIG. 4.
  • the predetermined transmitter in the transmitter Alice, the predetermined transmitter generates a squeezed state or coherent state A for a predetermined coded encryption key corresponding to the transmission target encryption key and transmits it directly through the quantum channel.
  • the photon extractor 122 uses the beam splitter 123 and the photon counter 124. Photon subtraction is performed from the received monoquantum state (B).
  • the photon extractor 122 may control the operation of the photodetector 125 by activating a state detection control signal when photon extraction is performed, depending on whether photons are extracted.
  • the photon extractor 122 performs photon extraction from the light C in which the reflected light of the received monoquantum state B and the transmitted light of the reference light C 0 are synthesized using the beam splitter 123 (eg, transmittance T 1 ). can do.
  • the photon extractor 122 may activate the state detection control signal to control the operation of the photodetector 125.
  • the photodetector 125 for generating bit information according to the quantum state of the input light may be randomly selected from among p (in-phase) and q (quadrature-phase) quadrature according to the active state detection control signal. Applying the selected quadrature to detect a state according to homodyne (HOM, homodyne) method for the received single quantum state (B) corresponding to the coded encryption key, the corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code) Produce (B 1 ).
  • HOM homodyne
  • the receiver Bob applies the state detection through the public channel as described above using a predetermined transmitter. In order to transmit the information about the quadrature selected to the transmitter (Alice).
  • the predetermined photodetector in the transmitter Alice applies the same quadrature as the quadrature received from the receiver Bob, and transmits to the receiver Bob without using a homodyne method.
  • state detection is immediately performed to generate a corresponding electrical signal, that is, bit information (digital code).
  • the transmitter Alice and the receiver Bob post-process the corresponding bit information generated by performing the state detection as described above, that is, an error correction technique and confidentiality amplification.
  • a quantum cryptographic key is calculated and shared by applying a privacy amplification technique.
  • the transmitter Alice receives the bit information detected by the receiver Bob through a public channel and performs error correction based thereon, thereby matching the bit information of the receiver Bob with its own bit information. have.
  • the bit information of the transmitter Alice may match the bit information of the transmitter Alice.
  • the quantum cryptographic key distribution device 100 in the reverse post-processing quantum cryptographic key distribution, the bit information from the received quantum state through photon subtraction in the receiver Bob By detecting and post-processing such as error correction and privacy amplification to generate and share the quantum cryptographic key, thereby increasing the security even further by not exposing the cryptographic key to the attacker. It is possible to increase the encryption key generation rate.

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Abstract

본 발명은 역방향 후처리 방식으로 양자 암호 키를 분배하되, 공격자(Eve)에게 암호 키가 노출되지 않아 보안성을 더욱 더 강화할 수 있고 암호 키 생성율을 증가시킬 수 있도록, 수신기(Bob)에서 광자 추출(photon subtraction) 후에 수신 양자 상태로부터 비트정보를 검출해 양자 암호 키를 산출하고 공유하는, 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

수신기에서 광자 추출에 기반한 양자 암호 키 분배 방법 및 장치
본 발명은 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 수신기에서 광자 추출(photon subtraction) 이후에 수신 양자 상태로부터 비트정보를 검출해 양자 암호 키를 산출하고 공유하는 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜(CVQKD, Continuous variable quantum key distribution)에서는 역방향 후처리를 사용한다. 예를 들어, 송신기(Alice)가 코드화된 키 정보에 대하여 생성한 양자상태(Quantum State)를 양자채널을 통해 송신하고, 수신기(Bob)에서 양자상태 검출에 적용한 기준 정보를 송신기(Alice)에 통보하며, 송신기(Alice)가 수신기(Bob)로부터의 기준 정보에 따라 송신한 양자상태를 검출하고, 검출 데이터를 기초로 에러 정정(error correction) 등 후처리를 적용하여 양자 암호 키를 산출하게 된다.
한편, 최근에 도감청 등으로 인한 정보 유출에 따른 피해 사례가 속출하면서 보안에 대한 관심이 크게 증대되고 있으며, 종래의 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 다른 암호 키 분배 방식은 광자의 양자 역학적 성질을 이용하여 원격지의 사용자 간에 암호 키를 분배하고 공유함으로써 어느 정도 보안성을 제공한다. 그러나, 일반적으로 공격자(Eve)는 양자 채널에서 소정의 복사 장치를 이용해 송신기(Alice)가 전송한 광자들의 양자 상태와 반응시켜 광검출을 통해 전송된 광자들에 해당하는 양자 암호 키 정보를 추정할 수 있다. 공격자(Eve)가 사용자 간에 분배되고 있는 암호 키 정보를 획득하고자 시도할 경우, 양자 상태의 양자 역학적 성질에 의해 양자 암호 키 정보가 변질될 수 있으며, 이에 따라 공격자(Eve)의 존재를 감지할 수 있다.
이와 같은 보안성에 대한 해결을 위하여, 송신기(Alice)에서 양자 채널로 양자 상태를 전송하되, 의도된 수만큼의 광자 추출이 이루어지면 양자 상태를 전송함으로써, 공격자(Eve)에 의한 양자 채널의 공격에 대비하려는 경우도 있다. 다만, 이러한 방식에 있어서도 공격자(Eve)에 의한 공격 가능성을 완전히 판단하기 어려우므로 공격자(Eve)에게 암호 키가 노출되는 문제점이 있다.
양자 암호 키 분배 관련한 종래 기술의 문헌으로서, American Physical Society, pp.012317-1 ~ pp.012317-7, Performance improvement of continuous-variable quantum key distribution via photon subtraction, 2013 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 역방향 후처리 방식으로 양자 암호 키를 분배하되, 공격자(Eve)에게 암호 키가 노출되지 않아 보안성을 더욱 더 강화할 수 있고 암호 키 생성율을 증가시킬 수 있도록, 수신기(Bob)에서 광자 추출(photon subtraction) 후에 수신 양자 상태로부터 비트정보를 검출해 양자 암호 키를 산출하고 공유하는, 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 양자 암호 키 분배 방법은, (A)송신기에서 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하는 단계; (B)수신기에서 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 양자 상태로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신한 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 단계; 및 (C)상기 송신기에서 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 수신기에서 상기 상태 검출 전에 상기 광자의 추출 여부에 따라 상기 양자채널에서의 공격자에 의한 상기 양자 상태의 변질 여부를 미리 결정해, 상기 공격자에게 상기 암호 키의 노출을 방지하고 암호 키 생성율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.
(B)단계는, 빔 스플리터를 이용하여 상기 양자 상태의 반사광과 기준광의 투과광으로부터 상기 광자 추출을 수행하는 단계를 포함한다.
(B)단계는, 상기 광자 추출의 수행에서 소정의 시간 동안 미리 정해진 목표 광자수를 추출하면 상기 상태 검출을 수행하도록 제어하는 단계를 포함한다.
또는, (B)단계는, 상기 양자 상태를 양자 메모리에 저장하는 단계; 상기 양자 메모리에 상기 양자 상태가 저장된 동안, 상기 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정하는 단계: 및 상기 광자 추출의 수행에서 소정의 시간 동안 상기 목표 광자수를 추출하면 상기 상태 검출을 수행하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 양자 상태는 squeezed state, 또는 coherent state를 포함하는 단일양자상태일 수 있다.
또한, 상기 양자 상태는 얽힌 양자 상태일 수 있고, (A)단계에서 얽힌 양자 상태를 생성하는 빔스플리터의 일부 출력을 송신하고, (C)단계에서 상기 빔스플리터의 나머지 출력에 대한 상태 검출을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 양자 암호 키 분배 장치는, 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하는 송신기; 및 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 양자 상태로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신한 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 수신기를 포함하고, 상기 송신기는 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기는, 송신기로부터 수신한 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태로부터 광자 추출을 수행하는 광자 추출기; 및 빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하는 광검출부를 포함하고, 상기 광자 추출기는 상기 광자 추출 후에 상태 검출 제어 신호를 발생하여, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하도록 상기 광검출부를 제어하고, 상기 송신기는 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행한다.
상기 수신기는, 상기 송신기가 송신하는 상기 양자 상태를 저장하는 양자 메모리를 더 포함하고, 상기 광자 추출기는 상기 양자 메모리에서 출력되는 상기 양자 상태로부터 상기 광자 추출을 수행할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기는, 코드화된 암호 키에 대한 얽힌 양자 상태의 일부를 양자채널을 통해 송신하는 송신부; 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부를 제외한 나머지를 저장하는 양자 메모리; 및 빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하는 광검출부를 포함하고, 수신기가 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부에 대한 상태 검출을 수행하고, 상기 광검출부는, 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부를 제외한 나머지에 대한 상태 검출을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 양자 암호 키 분배 방법 및 장치에 따르면, 역방향 후처리 방식의 양자 암호 키 분배에 있어서, 수신기(Bob)에서 광자 추출(photon subtraction)을 통해 수신 양자상태로부터 비트정보를 검출하고 에러 정정(error correction), 비밀성 증폭(privacy amplification) 등의 후처리를 통해 양자 암호 키를 산출하고 공유하도록 함으로써, 공격자(Eve)에게 암호 키가 노출되지 않아 보안성을 더욱 더 강화할 수 있고 암호 키 생성율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 키 생성율 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치에 대한 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)는, 광통신망에서 광섬유를 이용하는 양자채널을 통해 데이터 송수신을 위한 광신호를 주고받는 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 포함한다.
송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 네트워크, 즉, 유무선 인터넷, 이동통신망 등 퍼블릭(public) 채널을 제공하는 네트워크 상의 다양한 광통신 장비에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이더넷 장비, L2/L3 장비, 네트워크 상의 서버 등은 광통신을 통해 서로 필요한 데이터를 송수신하기 위하여, 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키를 제공하거나 제공받기 위한 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 구비할 수 있다.
먼저, 송신기(Alice)와 수신기(Bob)의 동작에 대하여 간략히 설명한다.
본 발명에서, 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기(Alice)와 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기(Bob)는, 역방향 후처리를 사용하여 암호 키를 분배하고 공유할 수 있다.
먼저, 송신기(Alice)는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 빔스플리터를 이용하여 생성한 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)의 일부(B0)(빔스플리터의 제1포트 출력)를 양자채널을 통해 송신한다.
이에 따라, 수신기(Bob)는 양자채널을 통해 해당 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 수신해 수신된 해당 얽힌 양자 상태(B)로부터 광자 추출(photon subtraction)을 수행한 후에, p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature) 중 임의로 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신된 얽힌 양자 상태(B)에 대한 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(B1)를 생성한다.
이 후 이와 같은 방식으로 소정의 준비된 모든 얽힌 양자 상태가 송신되고 수신된 후에, 수신기(Bob)는 퍼블릭 채널을 통해 상태 검출에 적용하기 위하여 선택한 쿼드러쳐에 대한 정보를 송신기(Alice)로 전송하며, 송신기(Alice)는 수신기(Bob)로부터 수신한 쿼드러쳐와 동일 쿼드러쳐를 적용하여, 수신기(Bob)로 전송한 얽힌 양자 상태의 상기 일부를 제외한 나머지(얽힌 양자 상태를 생성한 빔스플리터의 제2포트 출력)에 대하여 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(A)를 생성한다.
이때, 송신기(Alice)와 수신기(Bob) 간의 광신호 송수신 동안, 양자채널에서는 외부 환경이나 공격자(Eve)의 공격 등에 의해 양자 상태 신호의 변질 또는 노이즈가 가해져, 송신기(Alice)와 수신기(Bob)가 검출한 신호값(A/B1)이 서로 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 공격자(Eve)는 도 1과 같이 양자 채널에서 소정의 복사 장치를 이용해, 송신기(Alice)와 수신기(Bob) 간의 광신호 송수신 경로 상에 배치한 빔 스플리터(투과도 T)를 통해, 송신기(Alice)가 전송한 자신의 얽힌 양자 상태 일부(E0)를 반응시키고, 각각의 양자 메모리(QM)에 저장한 자신의 얽힌 양자 상태 나머지(F) 및 반응후의 양자 상태(E)로부터 광검출을 통해 전송된 광자들에 해당하는 양자 암호 키 정보를 추정할 수 있다.
이와 같은 변질 또는 노이즈에 대응하여, 송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 위와 같이 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 퍼블릭 채널 등을 통하여 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 수신기(Bob)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수 있다. 반대로, 수신기(Bob) 측에서 송신기(Alice)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 송신기(Alice)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수도 있다.
본 발명에서는 이와 같이, 수신기(Bob)에서 위와 같은 비트 정보 획득을 위한 상태 검출 전에 광자 추출(photon subtraction)이 이루어지는지 여부에 따라 양자채널에서의 공격자(Eve)에 의한 양자 상태의 변질 여부를 미리 결정해, 공격자(Eve)에게 암호 키의 노출을 방지하고 암호 키 생성율을 증가시킬 수 있게 된다.
이를 위하여, 도 1과 같이, 송신기(Alice)는 송신부(111), 양자 메모리(QM, Quantum Memory)(112), 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등으로 전기적 신호를 생성하는 광검출부(113)를 포함한다.
수신기(Bob)는 양자 메모리(QM)(121), 광자 추출기(122), 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등으로 전기적 신호를 생성하는 광검출부(125)를 포함한다.
이하 도 2의 흐름도를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)의 구성 요소들의 동작을 좀 더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 송신부(111)는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대한 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)를 생성하고(S10), 그 일부, 즉, 빔스플리터를 이용해 생성한 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 양자채널을 통해 송신한다(S20). 양자 메모리(112)는 위와 같은 빔 스플리터(splitter) 등에서 분할되어 나오는 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 제외한 나머지 얽힌 양자 상태를 저장한다(S21).
여기서, 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)는 TMSV(two mode squeezed　vacuum) 상태(state)로서, 2가지 모드의 Squeezed State(압착상태)의 양자광을 5:5 빔스플리터로 합성할 때 출력되는 양자　상태로서, 빔스플리터를 통해 p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature), 즉 위상이 직교하는 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)로 생성될 수 있다. 이때 출력되는 2가지 모드의 Squeezed State는 연속 변수(Continuous variable) 얽힌 상태(entangled state)로 나타나며, 서로 광자 수에 대해 얽혀있게 된다. 즉, 얽힌 양자 상태는 TMSV 상태에서 두 모드의 양자 상태가 얽혀있으면서, 각 양자 상태는 서로 동일한 분산(variance)를 갖는다. 여기서, 분산(variance)은 각 모드의 양자 상태가 갖는 p, q 쿼드러쳐에서의 크기(amplitude)에 대한 분산이다. 이와 같은 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum) 관련한 광학적 이론은 잘 알려져 있으므로 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 이와 같이 송신기(Alice)가 생성된 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 양자채널을 통해 송신하면, 수신기(Bob)는 양자채널을 통해 해당 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 수신해 수신된 해당 얽힌 양자 상태(B)로부터 광자 추출(photon subtraction)을 수행한 후에, p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature) 중 임의로 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신된 얽힌 양자 상태(B)에 대한 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성한다(S30~S50).
즉, 좀 더 자세히 설명하면, 먼저, 수신기(Bob)의 양자 메모리(121)는 송신기(Alice)로부터 양자채널을 통해 수신한 해당 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 저장하며, 소정의 시간 지연시켜 출력한다(S30). 양자 메모리(121)에서 출력되는 해당 얽힌 양자 상태는 (B)로 표기하기로 한다.
광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)와 광자 카운터(124)를 이용하여 양자 메모리(121)에서 출력되는 얽힌 양자 상태(B)로부터 광자 추출(photon subtraction)을 수행한다(S40). 광자 추출기(122)는 광자 추출 여부에 따라, 광자 추출이 이루어지면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다.
이를 위하여, 광자 추출기(122)는 양자 메모리(121)에서 해당 얽힌 양자 상태가 저장된 동안, 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 양자 메모리(121)에 송신기(Alice)로부터 전송된 코드화된 암호 키에 대한 복수의 얽힌 양자 상태가 저장되면, 이를 기초로 광자 추출기(122)의 소정의 프로세서는 전송률, 노이즈 분산(variance) 등에 대한 채널 추정을 수행하여, 이와 같은 채널 추정을 기반으로 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정할 수 있다. 목표 광자수는 소정의 시간 동안(예, 코드화된 심볼을 전송하는 타임 슬롯) 추출될 N개(자연수)로 결정될 수 있다. 목표 광자수가 결정되면, 광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)(예, 투과도 T1)를 이용하여 양자 메모리(121)에서 출력되는 얽힌 양자 상태(B)의 반사광과 기준광(C0)의 투과광이 합성된 광(C)으로부터 광자 추출을 수행할 수 있다. 광자 추출기(122)는 광자 추출을 수행하여 목표 광자수를 추출하면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다.
입력되는 빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하기 위한 광검출부(125)는, 액티브된 상태 검출 제어 신호에 따라, p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature) 중 임의로 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 코드화된 암호 키에 대응하는 수신된 얽힌 양자 상태(B)에 대한 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(B1)를 생성한다(S50).
이 후 이와 같은 방식으로 코드화된 암호 키에 대한 소정의 타임슬롯들 동안의 준비된 모든 얽힌 양자 상태가 송수신된 후에, 수신기(Bob)는 소정의 전송부를 이용하여 위와 같은 퍼블릭 채널을 통해 상태 검출에 적용하기 위하여 선택한 쿼드러쳐에 대한 정보를 송신기(Alice)로 전송한다(S60).
송신기(Alice)의 광검출부(113)는 수신기(Bob)로부터 수신한 쿼드러쳐와 동일 쿼드러쳐를 적용하여, 수신기(Bob)로 전송한 얽힌 양자 상태의 일부(B0)를 제외하고, 양자 메모리(112)에 저장한 얽힌 양자 상태의 나머지에 대하여 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(A)를 생성한다(S70).
이후 송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 위와 같이 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 퍼블릭 채널 등을 통하여 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 수신기(Bob)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수 있다. 반대로, 수신기(Bob) 측에서 송신기(Alice)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 송신기(Alice)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 암호 키 생성율 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에는 squeezed state를 사용하는 일반적인 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜(CVQKD)의 경우(510), 송신기(Alice)에서의 광자 추출 방식의 경우(520), 도 1과 같은 본 발명의 경우(530)에 대한 암호 키 생성율(Secure key rate)의 실험 결과를 비교하여 나타내었다. 실험 결과는 위에서 기술한 TMSV 상태의 두 양자 상태가 각각 가지고 있는 평균광자 수를 4로하고, 공격자(Eve)에 의한 빔 스플리터(투과도 T)를 이용한 공격에 의한 노이즈 때문에 양자 채널에서의 평균광자 수를 1로 한 경우에 대한 것이다. 도 3과 같이, 본 발명의 경우(530)가, 종래의 경우 보다 공격자(Eve)의 빔 스플리터(투과도 T)에 의한 노이즈가 커져도 암호 키 생성율(Secure key rate)이 우수하게 나타남을 확인하였다.
한편, 도 1 및 도 2에서 송신기(Alice)에서 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum)를 이용하여 수신기(Bob)와 암호키를 분배하고 공유하는 방법에 대하여 설명하였으나, 이하에서는 송신기(Alice)에서 얽힌 양자 상태(entangled-state quantum) 대신에 도 4 및 도 5와 같이 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)를 이용하여 암호키를 분배하고 공유하는 방법을 설명한다.
빔 또는 광은 변조 방식과 압착(squeezing) 유무에 따라 squeezed state(압착상태)와 coherent state(결맞음 상태)와 같은 단일양자상태로 변조되고 p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature), 즉 위상이 직교하는 단일 양자 상태로 생성될 수 있으며, 이와 같은 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state) 관련한 광학적 이론은 잘 알려져 있으므로 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(200)에 대한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치(200)는, 도 1과 유사하지만, 도 1에서 송신기(Alice)의 양자 메모리(112) 및 호모다인(HOM, homodyne) 방식으로 전기적 신호를 생성하는 광검출부(113)가 생략된다. 수신기(Bob)에서의 동작은 도 2의 S30 ~ S60과 유사하게 진행된다.
즉, 송신기(Alice)에서 소정의 송신부는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대한 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)(A)를 생성하여 바로 양자채널을 통해 송신한다.
수신기(Bob)의 양자 메모리(121)는 송신기(Alice)로부터 양자채널을 통해 수신한 해당 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)를 저장하며, 소정의 시간 지연시켜 출력한다. 양자 메모리(121)에서 출력되는 해당 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)는 (B)로 표기하기로 한다.
광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)와 광자 카운터(124)를 이용하여 양자 메모리(121)에서 출력되는 단일양자상태(B)로부터 광자 추출(photon subtraction)을 수행한다. 광자 추출기(122)는 광자 추출 여부에 따라, 광자 추출이 이루어지면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다.
이를 위하여, 광자 추출기(122)는 양자 메모리(121)에서 해당 단일양자상태 가 저장된 동안, 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 양자 메모리(121)에 송신기(Alice)로부터 전송된 코드화된 암호 키에 대한 복수의 단일양자상태가 저장되면, 이를 기초로 광자 추출기(122)의 소정의 프로세서는 전송률, 노이즈 분산(variance) 등에 대한 채널 추정을 수행하여, 이와 같은 채널 추정을 기반으로 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정할 수 있다. 목표 광자수는 소정의 시간 동안(예, 코드화된 심볼을 전송하는 타임 슬롯) 추출될 N개(자연수)로 결정될 수 있다. 목표 광자수가 결정되면, 광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)(예, 투과도 T1)를 이용하여 양자 메모리(121)에서 출력되는 단일양자상태(B)의 반사광과 기준광(C0)의 투과광이 합성된 광(C)으로부터 광자 추출을 수행할 수 있다. 광자 추출기(122)는 광자 추출을 수행하여 목표 광자수를 추출하면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다.
입력되는 빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하기 위한 광검출부(125)는, 액티브된 상태 검출 제어 신호에 따라, p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature) 중 임의로 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 코드화된 암호 키에 대응하는 수신된 단일양자상태(B)에 대한 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(B1)를 생성한다.
이 후 이와 같은 방식으로 코드화된 암호 키에 대한 소정의 타임슬롯들 동안의 준비된 모든 단일양자상태가 송수신된 후에, 수신기(Bob)는 소정의 전송부를 이용하여 위와 같은 퍼블릭 채널을 통해 상태 검출에 적용하기 위하여 선택한 쿼드러쳐에 대한 정보를 송신기(Alice)로 전송한다.
송신기(Alice)에서의 소정의 광검출부는 수신기(Bob)로부터 수신한 쿼드러쳐와 동일 쿼드러쳐를 적용하여, 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등을 이용하지 않고, 수신기(Bob)로 전송한 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)에 대하여, 바로 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성한다.
이후 송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 위와 같이 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 퍼블릭 채널 등을 통하여 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 수신기(Bob)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수 있다. 반대로, 수신기(Bob) 측에서 송신기(Alice)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 송신기(Alice)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 장치(300)에 대한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자 암호 키 분배 장치(300)는, 도 4와 유사하지만, 도 4에서 수신기(Bob)의 양자 메모리(121)가 생략된다.
즉, 송신기(Alice)에서 소정의 송신부는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대한 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)(A)를 생성하여 바로 양자채널을 통해 송신한다.
수신기(Bob)는 송신기(Alice)로부터 양자채널을 통해 해당 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)를 수신하면, 광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)와 광자 카운터(124)를 이용하여 수신 단일양자상태(B)로부터 광자 추출(photon subtraction)을 수행한다. 광자 추출기(122)는 광자 추출 여부에 따라, 광자 추출이 이루어지면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다. 광자 추출기(122)는 빔스플리터(123)(예, 투과도 T1)를 이용하여 수신 단일양자상태(B)의 반사광과 기준광(C0)의 투과광이 합성된 광(C)으로부터 광자 추출을 수행할 수 있다. 광자 추출기(122)는 광자 추출을 수행하여 미리 정해진 목표 광자수를 추출하면 상태 검출 제어 신호를 액티브시켜 광검출부(125)의 동작이 이루어지도록 제어할 수 있다.
입력되는 빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하기 위한 광검출부(125)는, 액티브된 상태 검출 제어 신호에 따라, p(in-phase), q(quadrature-phase) 쿼드러쳐(quadrature) 중 임의로 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 코드화된 암호 키에 대응하는 수신된 단일양자상태(B)에 대한 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)(B1)를 생성한다.
이 후 이와 같은 방식으로 코드화된 암호 키에 대한 소정의 타임슬롯들 동안의 준비된 모든 단일양자상태가 송수신된 후에, 수신기(Bob)는 소정의 전송부를 이용하여 위와 같은 퍼블릭 채널을 통해 상태 검출에 적용하기 위하여 선택한 쿼드러쳐에 대한 정보를 송신기(Alice)로 전송한다.
송신기(Alice)에서의 소정의 광검출부는 수신기(Bob)로부터 수신한 쿼드러쳐와 동일 쿼드러쳐를 적용하여, 호모다인(HOM, homodyne) 방식 등을 이용하지 않고, 수신기(Bob)로 전송한 단일양자상태(squeezed state, 또는 coherent state)에 대하여, 바로 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성한다.
이후 송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 위와 같이 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 예를 들어, 송신기(Alice)는 퍼블릭 채널 등을 통하여 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 수신기(Bob)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수 있다. 반대로, 수신기(Bob) 측에서 송신기(Alice)가 검출한 비트 정보를 받아 이를 기초로 에러 정정을 수행함으로써, 송신기(Alice)의 비트 정보와 자신의 비트 정보를 일치시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 양자 암호 키 분배 장치(100)는, 역방향 후처리 방식의 양자 암호 키 분배에 있어서, 수신기(Bob)에서 광자 추출(photon subtraction)을 통해 수신 양자상태로부터 비트정보를 검출하고 에러 정정(error correction), 비밀성 증폭(privacy amplification) 등의 후처리를 통해 양자 암호 키를 산출하고 공유하도록 함으로써, 공격자(Eve)에게 암호 키가 노출되지 않아 보안성을 더욱 더 강화할 수 있고 암호 키 생성율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. (A)송신기에서 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하는 단계;
    (B)수신기에서 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 양자 상태로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신한 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 단계; 및
    (C)상기 송신기에서 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신기에서 상기 상태 검출 전에 상기 광자의 추출 여부에 따라 상기 양자채널에서의 공격자에 의한 상기 양자 상태의 변질 여부를 미리 결정해, 상기 공격자에게 상기 암호 키의 노출을 방지하고 암호 키 생성율을 증가시키기 위한 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (B)단계는,
    빔 스플리터를 이용하여 상기 양자 상태의 반사광과 기준광의 투과광으로부터 상기 광자 추출을 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (B)단계는,
    상기 광자 추출의 수행에서 소정의 시간 동안 미리 정해진 목표 광자수를 추출하면 상기 상태 검출을 수행하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (B)단계는,
    상기 양자 상태를 양자 메모리에 저장하는 단계;
    상기 양자 메모리에 상기 양자 상태가 저장된 동안, 상기 양자채널의 노이즈 정도에 따라 추출될 목표 광자수를 결정하는 단계: 및
    상기 광자 추출의 수행에서 소정의 시간 동안 상기 목표 광자수를 추출하면 상기 상태 검출을 수행하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양자 상태는 squeezed state, 또는 coherent state를 포함하는 단일양자상태인 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양자 상태는 얽힌 양자 상태이고,
    (A)단계에서 얽힌 양자 상태를 생성하는 빔스플리터의 일부 출력을 송신하고,
    (C)단계에서 상기 빔스플리터의 나머지 출력에 대한 상태 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 방법.
  8. 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태를 양자채널을 통해 송신하는 송신기; 및
    상기 양자채널을 통해 수신한 상기 양자 상태로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 수신한 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 수신기를 포함하고,
    상기 송신기는 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키 분배 장치.
  9. 송신기로부터 수신한 코드화된 암호 키에 대한 양자 상태로부터 광자 추출을 수행하는 광자 추출기; 및
    빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하는 광검출부를 포함하고,
    상기 광자 추출기는 상기 광자 추출 후에 상태 검출 제어 신호를 발생하여, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하도록 상기 광검출부를 제어하고,
    상기 송신기는 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 양자 상태에 대한 상태 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 송신기가 송신하는 상기 양자 상태를 저장하는 양자 메모리를 더 포함하고,
    상기 광자 추출기는 상기 양자 메모리에서 출력되는 상기 양자 상태로부터 상기 광자 추출을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키를 분배받기 위한 수신기.
  11. 코드화된 암호 키에 대한 얽힌 양자 상태의 일부를 양자채널을 통해 송신하는 송신부;
    상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부를 제외한 나머지를 저장하는 양자 메모리; 및
    빛의 양자 상태에 따른 비트정보를 생성하는 광검출부를 포함하고,
    수신기가 상기 양자채널을 통해 수신한 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부로부터 광자 추출을 수행한 후에, 선택한 쿼드러쳐를 적용하여 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부에 대한 상태 검출을 수행하고,
    상기 광검출부는, 상기 수신기로부터 퍼블릭 채널을 통해 수신한 상기 쿼드러쳐를 적용하여 상기 얽힌 양자 상태의 상기 일부를 제외한 나머지에 대한 상태 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 키를 분배하기 위한 송신기.
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