WO2023054747A1 - 선형 광학 기반 고속 벨 상태 분석 방법 및 장치 - Google Patents

선형 광학 기반 고속 벨 상태 분석 방법 및 장치 Download PDF

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WO2023054747A1
WO2023054747A1 PCT/KR2021/013368 KR2021013368W WO2023054747A1 WO 2023054747 A1 WO2023054747 A1 WO 2023054747A1 KR 2021013368 W KR2021013368 W KR 2021013368W WO 2023054747 A1 WO2023054747 A1 WO 2023054747A1
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state
photons
beam splitter
polarization
polarization beam
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PCT/KR2021/013368
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김자영
이상림
이호재
안병규
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엘지전자 주식회사
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords

Definitions

  • This specification relates to quantum communication systems.
  • quantum cryptographic communication Due to the advent of quantum computers, it has become possible to hack existing cryptographic systems based on mathematical complexity (eg, RSA, AES, etc.). To prevent hacking, quantum cryptographic communication is proposed.
  • the present specification proposes a Bell state analysis or Bell state measurement technique for identifying two quantum entangled states in a quantum communication system.
  • a delay time according to a state is applied, and it is determined whether or not the second state is in the second state based on a detection time difference caused by the delay time for the two photons, and the pulses diverged by the first polarization beam splitter. is interfered by a half-wave plate, a second polarization beam splitter, and a polarization alignment module, and determining whether the two photons are in the third state based on the result of the interference is provided. It can be.
  • NG-RAN New Generation Radio Access Network
  • FIG. 2 shows an example of a 5G usage scenario to which the technical features of the present specification can be applied.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • FIG. 5 shows an example of a quantum circuit for generating a Val state.
  • FIG. 6 shows an example of a bell state measurement circuit.
  • FIG. 7 shows an example of a quantum teleportation system.
  • FIG. 10 shows an example of a quantum key distribution protocol based on a measurement preparation method.
  • FIG. 11 shows an example of a measurement device independent quantum key distribution protocol.
  • FIG. 12 is a flowchart of a method for determining a bell state according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 13 illustrates an example of a linear optical bell state measuring device having an improved success rate per unit time.
  • 15 is a flowchart of a method for determining a bell state from a terminal point of view according to an embodiment of the present specification.
  • 16 is a block diagram of an example of an apparatus for determining a bell state from a terminal point of view, according to an embodiment of the present specification.
  • 17 is a flowchart of a method for determining a bell state from a base station perspective according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 18 is a block diagram of an example of an apparatus for determining a bell state from a base station perspective, according to an embodiment of the present specification.
  • 21 shows another example of a wireless device applicable to the present specification.
  • a or B may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”.
  • a or B (A or B)" in the present specification may be interpreted as “A and/or B (A and/or B)”.
  • A, B or C as used herein means “only A”, “only B”, “only C”, or “any and all combinations of A, B and C ( any combination of A, B and C)”.
  • a slash (/) or a comma (comma) used in this specification may mean “and/or”.
  • A/B can mean “A and/or B”. Accordingly, “A/B” may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”.
  • A, B, C may mean “A, B or C”.
  • At least one of A and B may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”. Also, in this specification, the expression “at least one of A or B” or “at least one of A and/or B” means “at least one It can be interpreted the same as "A and B (at least one of A and B) of
  • At least one of A, B and C means “only A”, “only B”, “only C", or “A, B and C” It may mean “any combination of A, B and C”. Also, “at least one of A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” means It can mean “at least one of A, B and C”.
  • control information may be suggested as an example of “control information”.
  • control information in this specification is not limited to “PDCCH”
  • PDCCH may be suggested as an example of “control information”.
  • PDCCH control information
  • new radio access technology new RAT, NR
  • next-generation communication As more and more communication devices require greater communication capacity, a need for improved mobile broadband communication compared to conventional radio access technology (RAT) has emerged.
  • massive machine type communications MTC
  • MTC massive machine type communications
  • communication system design considering reliability and latency-sensitive services/terminals is being discussed.
  • next-generation wireless access technologies considering such expanded mobile broadband communication, massive MTC, URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication), etc. is being discussed, and in this specification, for convenience, the corresponding technology is called new RAT or NR.
  • NG-RAN New Generation Radio Access Network
  • an NG-RAN may include a gNB and/or an eNB that provides user plane and control plane protocol termination to a UE.
  • 1 illustrates a case including only gNB.
  • gNB and eNB are connected to each other through an Xn interface.
  • the gNB and the eNB are connected to a 5G Core Network (5GC) through an NG interface.
  • 5GC 5G Core Network
  • AMF access and mobility management function
  • UPF user plane function
  • FIG. 2 shows an example of a 5G usage scenario to which the technical features of the present specification can be applied.
  • the 5G usage scenario shown in FIG. 2 is just an example, and the technical features of the present specification may also be applied to other 5G usage scenarios not shown in FIG. 2 .
  • the three main requirements areas of 5G are (1) enhanced mobile broadband (eMBB) area, (2) massive machine type communication (mMTC) area, and ( 3) It includes the ultra-reliable and low latency communications (URLLC) area.
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • mMTC massive machine type communication
  • URLLC ultra-reliable and low latency communications
  • Some use cases may require multiple areas for optimization, while other use cases may focus on just one key performance indicator (KPI).
  • KPI key performance indicator
  • next-generation communication eg. 6G
  • 6G next-generation communication
  • 6G (radio communications) systems are characterized by (i) very high data rates per device, (ii) very large number of connected devices, (iii) global connectivity, (iv) very low latency, (v) battery- It aims to lower energy consumption of battery-free IoT devices, (vi) ultra-reliable connectivity, and (vii) connected intelligence with machine learning capabilities.
  • the vision of the 6G system can be four aspects such as intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, and ubiquitous connectivity, and the 6G system can satisfy the requirements shown in Table 1 below. That is, Table 1 is a table showing an example of requirements for a 6G system.
  • 6G systems include Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and It can have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • eMBB Enhanced mobile broadband
  • URLLC Ultra-reliable low latency communications
  • mMTC massive machine-type communication
  • AI integrated communication Tactile internet
  • High throughput High network capacity
  • High energy efficiency High energy efficiency
  • Low backhaul Low backhaul and It can have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • 6G systems are expected to have 50 times higher simultaneous radiocommunication connectivity than 5G radiocommunication systems.
  • URLLC a key feature of 5G, will become even more important in 6G communications by providing end-to-end latency of less than 1 ms.
  • the 6G system will have much better volume spectral efficiency as opposed to the frequently used area spectral efficiency.
  • 6G systems can provide very long battery life and advanced battery technology for energy harvesting, so mobile devices will not need to be charged separately in 6G systems.
  • New network characteristics in 6G may be as follows.
  • 6G is expected to be integrated with satellites to serve the global mobile population. Integration of terrestrial, satellite and public networks into one wireless communication system is critical for 6G.
  • 6G wireless networks will transfer power to charge the batteries of devices such as smartphones and sensors. Therefore, wireless information and energy transfer (WIET) will be integrated.
  • WIET wireless information and energy transfer
  • Small cell networks The idea of small cell networks has been introduced to improve received signal quality resulting in improved throughput, energy efficiency and spectral efficiency in cellular systems. As a result, small cell networks are an essential feature of 5G and Beyond 5G (5GB) and beyond communication systems. Therefore, the 6G communication system also adopts the characteristics of the small cell network.
  • Ultra-dense heterogeneous networks will be another important feature of 6G communication systems. Multi-tier networks composed of heterogeneous networks improve overall QoS and reduce costs.
  • a backhaul connection is characterized by a high-capacity backhaul network to support high-capacity traffic.
  • High-speed fiber and free space optical (FSO) systems may be possible solutions to this problem.
  • High-precision localization (or location-based service) through communication is one of the features of 6G wireless communication systems.
  • radar systems will be integrated with 6G networks.
  • Softwarization and virtualization are two important features fundamental to the design process in 5GB networks to ensure flexibility, reconfigurability and programmability. In addition, billions of devices can be shared in a shared physical infrastructure.
  • a quantum key distribution (QKD) transmitter 410 may perform communication by being connected to a QKD receiver 420 through a public channel and a quantum channel.
  • QKD quantum key distribution
  • the QKD transmitter 410 may supply the secret key to the encrypter 430, and the QKD receiver 420 may also supply the secret key to the decryptor 440.
  • plain text may be input/output to the encryptor 430, and the encrypter 430 may transmit data encrypted with a secret symmetric key to the decryptor 440 (through an existing communication network).
  • plain text may be input/output to the decoder 440 .
  • the present specification relates to a Bell state analysis or Bell state measurement technique for identifying two quantum entangled states in a quantum communication system. More specifically, it is to achieve Bell state analysis that optimizes the success rate per unit time in consideration of the success rate and throughput in an optical circuit-based quantum communication system.
  • the Bell state is the simplest example of quantum entanglement and refers to the following four quantum states formed by two qubits in a maximally entangled state. This can be viewed as a maximally entangled basis of the 4-dimensional Hilbert space for two qubits, which is called a Bell basis. Expressing this as a formula, it is:
  • FIG. 5 shows an example of a quantum circuit for generating a Val state.
  • the Bell state may be generated through a quantum circuit of two qubits composed of a Hadamard gate and a CNOT gate (controlled not gate) as shown in FIG. 5 .
  • a Hadamard gate and a CNOT gate (controlled not gate) as shown in FIG. 5 .
  • a Hadamard gate and a CNOT gate (controlled not gate) as shown in FIG. 5 .
  • 11 ⁇ we have Bell state outputs as shown in Table 2.
  • Bell states form an orthogonal basis
  • appropriate measures can be defined to identify the four Bell states, which are called Bell state measurements or Bell state analysis.
  • Bell state measurement the state of two qubits is to find out which of the four quantum entanglement states defined by the Bell state belongs to.
  • FIG. 6 shows an example of a bell state measurement circuit.
  • the Bell state measurement circuit shown in FIG. 6 is obtained.
  • the measurement results shown in Table 3 can be obtained for the four quantum entanglement states corresponding to the Bell state.
  • Bell state measurement is a very important concept in the field of quantum information science, including quantum communication. It is used as a core technology of various protocols such as device-independent quantum key distribution (MDI QKD).
  • MDI QKD device-independent quantum key distribution
  • quantum teleportation Quantum teleportation
  • Quantum teleportation is a technology that transmits quantum information from a sender at a specific location to a receiver at a certain distance. Contrary to the original meaning of the word 'Teleport', in quantum teleportation, quantum information is transmitted between carriers, not actual carriers, while carriers on both sides are fixed. An entangled quantum state, that is, a Bell state, is required for the instant movement of such information, and based on this, a statistical correlation is given between separate physical systems. Because for every change that one of the two entangled particles undergoes, the other undergoes the same change, so the two particles behave as if they were in a single quantum state.
  • FIG. 7 shows an example of a quantum teleportation system.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a quantum teleportation protocol using photons.
  • a classical channel capable of transmitting two classical bits
  • a bell state generating device a quantum channel for moving two particles in a bell state to a transmitter and receiver in different locations
  • a bell state in the transmitter Resources of the measurement device and the unitary operation device of the receiving end are required.
  • ⁇ > ⁇
  • 1> to be transmitted is as follows.
  • Alice obtains a result corresponding to one of the four Bell states by performing Bell state measurement on the quantum state
  • the state of Bob's qubit changes as shown in Table 4 in relation to the result of Alice's Bell state measurement.
  • step 3 Alice encodes the bell state measurement result of step 3 into two classical bits and transmits it to Bob through the classical channel.
  • Quantum teleportation can be performed not only for pure states but also for mixed states, and a representative example of this is entanglement exchange.
  • the subsystem of each particle is in a mixed state.
  • Entanglement exchange can be referred to as quantum teleportation corresponding to the case where the quantum information
  • Ultra-high-density coding (superdense coding)
  • Ultra-dense coding is a quantum protocol that transmits information of two high-order bits by transmitting one qubit by using an entanglement state shared between a sender and a receiver.
  • 9 is a schematic diagram of the ultra-high-density coding protocol, which consists of five steps: preparation, sharing, encoding, sending, and decoding, and each step is described below. Explain in detail.
  • a bell state is created using a bell state generator.
  • the Bell state generator is composed of a Hadamard gate and a CNOT gate, and the generated Bell state is as follows.
  • Decoding Bob performs Bell state measurement on the qubits received from Alice and the qubits he has, and extracts the classical bit information encoded by Alice.
  • MDI measurement-device-independent quantum key distribution
  • FIG. 10 shows an example of a quantum key distribution protocol based on a measurement preparation method.
  • a general quantum key distribution method is based on a preparation-measurement method in which the sender Alice generates and transmits quantum information and the receiver Bob receives it to generate an encryption key (FIG. 10). This method is based on the actual implementation of the system. There is still a risk of hacking due to the imperfection of the device or element, and in particular, the receiver is more vulnerable to quantum hacking than the transmitter.
  • FIG. 11 shows an example of a measurement device independent quantum key distribution protocol.
  • both Alice and Bob act as transmitters to generate and transmit quantum information
  • the third node Charlie generates and transmits quantum information received from Alice and Bob.
  • a bell state measurement is performed and the result is reported (FIG. 11). Since the information Charlie finds out through Bell State measurement is the correlation between the quantum information sent by Alice and the quantum information sent by Bob, even if the measurement result is disclosed or leaked, the actual information is not leaked. The risk of hacking is eliminated.
  • the Bell state measurement is represented by a relatively simple quantum logic circuit composed of a CNOT gate and a Hadamard gate.
  • a CNOT gate constituting the measurement circuit requires nonlinear interaction between two input qubits, it is impossible to implement the CNOT gate itself as a linear optical device.
  • various types of partial Bell state measurements and Techniques for improving the efficiency of bell state measurement have been proposed.
  • the superentanglement-based Bell state measurement techniques proposed so far have mainly focused on improving the success rate.
  • the method of obtaining an additional degree of freedom by utilizing the time domain has a limitation in that the processing delay required to identify the Bell state for one entangled pair increases.
  • a perfect Bell state measurement technique in which the degeneration rate of the protocol itself becomes 0 can be proposed, but at three times the timing resolution of the device
  • the processing rate of Bell state measurement is reduced to 1/4 compared to the method without superentanglement due to the corresponding processing delay. Therefore, it is necessary to propose a method for measuring the bell state that considers both the success rate (or regression rate) and the processing rate of the bell state measurement.
  • the present specification proposes a bell state measurement method and apparatus with improved success rate and throughput based on linear optics.
  • the Bell state measurement technique proposed in this specification can be used in a quantum communication system or a quantum information processing system using polarization-based entanglement of photons, and the entanglement state of two photons for two photon inputs is four Bell states Identify which of these applies to you.
  • a linear optical Bell state measurement technique based on time-polarization hyperentanglement which obtains an additional degree of freedom by utilizing the time domain and expands the measurement space based on this, considers the success rate and throughput at the same time.
  • a method and device for optimizing the success rate per hour are proposed.
  • FIG. 12 is a flowchart of a method for determining a bell state according to an embodiment of the present specification.
  • a method for determining a bell state including a first state, a second state, or a third state, performed by a device may be provided.
  • the device may perform an initial access operation with at least one other device (S1210).
  • S1210 the operation of the device performing the initial access operation has been described first, but the operation of the device performing the initial access operation is performed after determining which state is the bell state among the first state, the second state, and the third state may be performed on
  • the initial access operation herein may include, for example, an initial random access operation in 3GPP, as described above / or described later, and other communication systems (eg, WIFI, Bluetooth, etc.) Including initial access operation You may. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the device may receive two photons from at least one other device (S1220).
  • the device may be, for example, a base station, or may correspond to a repeater or a terminal.
  • the device herein may correspond to a separate device separate from the base station, terminal, and repeater.
  • both photons can be received by at least one base station, or both photons can be transmitted at least It can be received from one terminal.
  • one photon may be received from the base station and the other photon may be received from the terminal.
  • the device may receive the first photon from the first base station (or the first terminal) and receive the second photon from the second base station (or the second terminal).
  • both of the two photons may be received from at least one terminal (of course, the base station may receive both of the two photons from at least one repeater or at least one separate device).
  • the device herein is a base station
  • one photon may be received from the terminal and the other photon may be received from a repeater or a separate device.
  • the base station may receive a first photon from a first terminal and a second photon from a second terminal to measure a bell state.
  • both of the two photons may be received from at least one base station (of course, the terminal may receive both of the two photons from at least one repeater or at least one separate device).
  • the device herein when the device herein is a terminal, one photon may be received from the base station and the other photon may be received from a repeater, a separate device, or another terminal.
  • the terminal may receive a first photon from a first base station (or a first repeater or a first separate device) and receive a second photon from a second base station (or a first repeater or a first separate device). there is.
  • the device may determine whether the two photons are in the first state based on a result of divergence by the beam splitter (S1230).
  • a delay time according to a polarization state may be applied to the pulses branched by the beam splitter by the first polarization beam splitter. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the device may determine whether it is in the second state based on a detection time difference caused by the delay time for the two photons (S1240).
  • the pulses split by the first polarization beam splitter may be interfered with by the half-wave plate, the second polarization beam splitter, and the polarization alignment module. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the device may determine whether the two photons are in the third state based on the result of the interference (S1250). Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the first state may be a state in which two detections occur at different output ports according to the branch result. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the second state may be a state in which two detections occur with a time difference corresponding to the delay time from the same output port due to the detection time difference. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the third state may be a state in which simultaneous detection occurs in different detectors of the same output port according to the result of the interference. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the delay time according to the polarization state may be applied to the pulses diverged from the beam splitter by the first polarization beam splitter and the delay line. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the device may communicate with the at least one other device based on any one of the first state, the second state, and the third state. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the at least one other device may include a terminal or a base station.
  • the device receives both of the two photons from the base station, or the device receives both of the photons from the terminal, or the device receives one of the two photons from the base station. and receive the remaining one photon from the terminal. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • FIG. 13 illustrates an example of a linear optical bell state measuring device having an improved success rate per unit time.
  • FIG. 13 is an example of a device configuration for a method for measuring a linear optical bell state proposed in this specification.
  • This specification uses an approach that can identify three Bell states by extending the measurement space based on time-polarized superentanglement.
  • the processing rate is improved by minimizing processing delay by replacing the time delay used for entanglement in the time domain with path branching, and at the same time, an ideal environment is achieved by offsetting the number of cases that cause degeneration using interference.
  • the regression rate for an identifiable condition was set to zero.
  • the bell state measurement protocol based on the device configuration of FIG. 13 is , , , ,
  • the detection results for the four Bell states consist of mutually exclusive events, is an event in which both photons are detected by a single photon detector, and the detection result is , ,
  • the detection result is , ,
  • SPD single photon detector
  • the four bell states corresponding to can be expressed by the formula of At this time, consists of a superposition of two-qubit states (a_H b_H and a_V b_V) in which two photons are in the same polarization state, where the superimposed two-qubit states have the same phase as each other, has a phase difference of ⁇ between the superimposed two-qubit states.
  • the bell state measurement protocol of FIG. 13 is based on path branching using a beam splitter (BS) , and based on the polarization dependent time delay using a polarizing beam splitter (PBS) and a delay line (DL) identify
  • BS beam splitter
  • PBS polarizing beam splitter
  • DL delay line
  • the polarization alignment module consists of a polarization beam splitter, a half-wave plate, and a combiner (CB), and serves to align all photons to have horizontal polarization immediately before incident on the detector for all events.
  • the detection result for each bell state input is analyzed based on the bra-ket notation as follows.
  • the lowercase letters of the alphabet are indexes of the path shown in FIG. 13, A and B indicate output ports, and the prime symbol indicates detection delayed by ⁇ T_d. Expressing this as a table, it can be as follows.
  • the 14 is based on the conventional Bell state measurement method (eg, the complete Bell state measurement method in which the regression rate of the protocol itself becomes 0 in an ideal environment in which the error of the channel environment or components is ignored, as described above) and the present specification It shows the performance comparison in terms of throughput of the bell state measurement method.
  • the prior art used two time delays to detect all four Bell states with a regression rate of zero.
  • the device-like time resolution is t_r
  • each time delay can be set to a minimum of t_r and 2t_r, and when measured as a detection event that experiences both time delays, a detection event with a time delay of up to 3t_r can appear, It can be seen that one input can be processed every 4t_r.
  • the bell state measurement method based on the present specification, only three bell states can be identified, but only one time delay is used to detect the three bell states with a regression rate of 0.
  • the bell state measurement device based on the present specification can process one input every 2t_r because a detection event with a time delay of up to t_r may appear. can be said to be possible. Therefore, it can be seen that it has twice the throughput compared to the prior art (e.g., a complete Bell state measurement technique in which the degeneration rate of the protocol itself becomes 0 in an ideal environment in which the errors of the channel environment or components are ignored). .
  • the regression rate of the protocol itself is 0 in an ideal environment that identifies all four Bell states (e.g., in an ideal environment in which the error of the channel environment or components, etc.
  • the present specification proposes a method and apparatus for measuring Bell state with improved success rate and throughput based on linear optics.
  • Bell state measurement is a core technology that can be said to be essential in quantum information science or quantum communication that utilizes quantum entanglement, and is expected to be very useful in the fields of quantum information transmission, quantum repeaters, and quantum key distribution.
  • the Bell state measurement technique proposed in this specification can be used in a quantum communication system or a quantum information processing system using polarization-based photon entanglement, and among the four Bell states , , Since it has a detection performance of 0 for the three bell states of , it is a protocol that can be used for applications that require lossless information processing.
  • the present specification proposes a method and apparatus for maximizing the amount of information acquired per unit time by simultaneously considering the success rate and the throughput in order to compensate for the limitations of the prior art that only considers the success rate for the time-polarized hyperentanglement-based linear optical Bell state measurement technique.
  • bell state measurement method based on the present specification, it is possible to obtain 0.585 bit more information per unit time compared to the prior art for one entangled pair.
  • 15 is a flowchart of a method for determining a bell state from a terminal point of view according to an embodiment of the present specification.
  • a terminal may perform an initial access operation with a base station.
  • the terminal may receive two photons from the base station (S1510). Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the terminal determines whether the two photons are in the first state based on the result of the divergence by the beam splitter (S1520), and the pulses diverged by the beam splitter are divided according to the polarization state by the first polarization beam splitter. Delay times may apply. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the terminal determines whether the two photons are in the second state based on the detection time difference caused by the delay time (S1530), and the pulses divided by the first polarization beam splitter are half-wave plates, Interference may be achieved by the second polarization beam splitter and the polarization alignment module. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the terminal may determine whether the terminal is in the third state based on the result of the interference with respect to the two photons (S1540). Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • 16 is a block diagram of an example of an apparatus for determining a bell state from a terminal point of view, according to an embodiment of the present specification.
  • the processor 1600 may include a photon receiver 1610, a first state determiner 1620, a second state determiner 1630, and a third state determiner 1640. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the processor 1600 may be configured to perform an initial access operation with a base station. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the photon receiving unit 1610 may be configured to control the transceiver to receive two photons from the base station. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the first state determination unit 1620 is configured to determine whether the two photons are in a first state based on a result of divergence by the beam splitter, and the pulses diverged by the beam splitter are transmitted to the first polarization beam splitter. A delay time according to the polarization state may be applied. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the second state determination unit 1630 is configured to determine whether the two photons are in the second state based on the detection time difference caused by the delay time, and
  • the pulses may be interfered by a half-wave plate, a second polarization beam splitter and a polarization alignment module. And since a more specific embodiment thereof is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant contents will be omitted for convenience of description.
  • the third state determiner 1640 may be configured to determine whether the two photons are in a third state based on the result of the interference. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • 17 is a flowchart of a method for determining a bell state from a base station perspective according to an embodiment of the present specification.
  • the base station may perform an initial access operation with the terminal.
  • the base station may receive two photons from the terminal (S1710). Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the base station determines whether the two photons are in the first state based on the result of the divergence by the beam splitter (S1720), and the pulses diverged by the beam splitter are divided according to the polarization state by the first polarization beam splitter. Delay times may apply. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the base station determines whether the two photons are in the second state based on the detection time difference caused by the delay time (S1730), and the pulses divided by the first polarization beam splitter are half-wave plates, Interference may be achieved by the second polarization beam splitter and the polarization alignment module. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the base station may determine whether the two photons are in the third state based on the result of the interference (S1740). Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • FIG. 18 is a block diagram of an example of an apparatus for determining a bell state from a base station perspective, according to an embodiment of the present specification.
  • the processor 1800 may include a photon receiver 1810, a first state determiner 1820, a second state determiner 1830, and a third state determiner 1840. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the processor 1800 may be configured to perform an initial access operation with a terminal. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the photon receiver 1810 may be configured to control the transceiver to receive two photons from the terminal. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the first state determination unit 1820 is configured to determine whether the two photons are in a first state based on a result of divergence by the beam splitter, and the pulses diverged by the beam splitter are transmitted to the first polarization beam splitter. A delay time according to the polarization state may be applied. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of description.
  • the second state determination unit 1830 is configured to determine whether the two photons are in a second state based on a detection time difference caused by the delay time, and the second state is divided by the first polarization beam splitter.
  • the pulses may be interfered by a half-wave plate, a second polarization beam splitter and a polarization alignment module. And since a more specific embodiment thereof is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant contents will be omitted for convenience of explanation.
  • the third state determiner 1840 may be configured to determine whether the two photons are in a third state based on the result of the interference. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • a device includes at least one memory and at least one processor operatively coupled to the at least one memory, wherein the processor is configured to perform an initial access operation with at least one other device. And configured to control the transceiver to receive two photons from the at least one other device, and to determine whether the two photons are in a first state based on a result of divergence by the beam splitter, wherein the A delay time according to a polarization state is applied to the pulse branched from the beam splitter by a first polarization beam splitter, and whether the two photons are in the second state is determined based on a detection time difference caused by the delay time.
  • Is configured to determine, wherein the pulses split by the first polarization beam splitter are interfered with by a half-wave plate, the second polarization beam splitter and the polarization alignment module, and based on the result of the interference with respect to the two photons It may be a device characterized in that it is configured to determine whether it is in the third state. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • the at least one processor is configured to perform an initial access operation with at least one other device, configured to control a transceiver to receive two photons from the at least one other device, and a divergence result by the beam splitter for the two photons Is configured to determine whether it is in the first state based on, wherein a delay time according to a polarization state is applied to the pulses diverged from the beam splitter by the first polarization beam splitter, and the delay time is applied to the two photons.
  • It is configured to determine whether the second state is in the second state based on the detection time difference caused by the first polarization beam splitter, and the pulses split by the first polarization beam splitter are interfered with by the half-wave plate, the second polarization beam splitter, and the polarization alignment module. and determining whether the two photons are in a third state based on a result of the interference. Since a more specific embodiment of this is the same as described above (and will be described later), repeated description of redundant content will be omitted for convenience of explanation.
  • a communication system 1 applied to the present specification includes a wireless device, a base station, and a network.
  • the wireless device means a device that performs communication using a radio access technology (eg, 5G New RAT (NR), Long Term Evolution (LTE)), and may be referred to as a communication/wireless/5G device.
  • wireless devices include robots 100a, vehicles 100b-1 and 100b-2, XR (eXtended Reality) devices 100c, hand-held devices 100d, and home appliances 100e. ), an Internet of Thing (IoT) device 100f, and an AI device/server 400.
  • IoT Internet of Thing
  • the vehicle may include a vehicle equipped with a wireless communication function, an autonomous vehicle, a vehicle capable of performing inter-vehicle communication, and the like.
  • the vehicle may include an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) (eg, a drone).
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • XR devices include Augmented Reality (AR)/Virtual Reality (VR)/Mixed Reality (MR) devices, Head-Mounted Devices (HMDs), Head-Up Displays (HUDs) installed in vehicles, televisions, smartphones, It may be implemented in the form of a computer, wearable device, home appliance, digital signage, vehicle, robot, and the like.
  • a portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, a smart glass), a computer (eg, a laptop computer, etc.), and the like.
  • Home appliances may include a TV, a refrigerator, a washing machine, and the like.
  • IoT devices may include sensors, smart meters, and the like.
  • a base station and a network may also be implemented as a wireless device, and a specific wireless device 200a may operate as a base station/network node to other wireless devices.
  • the wireless communication technology implemented in the wireless device of the present specification may include Narrowband Internet of Things for low power communication as well as LTE, NR, and 6G.
  • NB-IoT technology may be an example of LPWAN (Low Power Wide Area Network) technology, and may be implemented in standards such as LTE Cat NB1 and / or LTE Cat NB2. no.
  • the wireless communication technology implemented in the wireless device of the present specification may perform communication based on LTE-M technology.
  • LTE-M technology may be an example of LPWAN technology, and may be called various names such as eMTC (enhanced machine type communication).
  • LTE-M technologies are 1) LTE CAT 0, 2) LTE Cat M1, 3) LTE Cat M2, 4) LTE non-BL (non-Bandwidth Limited), 5) LTE-MTC, 6) LTE Machine Type Communication, and/or 7) It may be implemented in at least one of various standards such as LTE M, and is not limited to the above-mentioned names.
  • the wireless communication technology implemented in the wireless device of the present specification may include at least one of ZigBee, Bluetooth, and Low Power Wide Area Network (LPWAN) considering low power communication. It may be, and is not limited to the above-mentioned names.
  • ZigBee technology can generate personal area networks (PANs) related to small/low-power digital communication based on various standards such as IEEE 802.15.4, and can be called various names.
  • PANs personal area networks
  • the wireless devices 100a to 100f may be connected to the network 300 through the base station 200 .
  • AI Artificial Intelligence
  • the network 300 may be configured using a 3G network, a 4G (eg LTE) network, or a 5G (eg NR) network.
  • the wireless devices 100a to 100f may communicate with each other through the base station 200/network 300, but may also communicate directly (eg, sidelink communication) without going through the base station/network.
  • the vehicles 100b-1 and 100b-2 may perform direct communication (eg, vehicle to vehicle (V2V)/vehicle to everything (V2X) communication).
  • IoT devices eg, sensors
  • IoT devices may directly communicate with other IoT devices (eg, sensors) or other wireless devices 100a to 100f.
  • Wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may be performed between the wireless devices 100a to 100f/base station 200 and the base station 200/base station 200.
  • wireless communication/connection refers to various wireless connections such as uplink/downlink communication 150a, sidelink communication 150b (or D2D communication), and inter-base station communication 150c (e.g. relay, Integrated Access Backhaul (IAB)).
  • IAB Integrated Access Backhaul
  • Wireless communication/connection (150a, 150b, 150c) allows wireless devices and base stations/wireless devices, and base stations and base stations to transmit/receive radio signals to/from each other.
  • the wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may transmit/receive signals through various physical channels.
  • various signal processing processes eg, channel encoding/decoding, modulation/demodulation, resource mapping/demapping, etc.
  • resource allocation processes etc.
  • NR supports a number of numerologies (or subcarrier spacing (SCS)) to support various 5G services.
  • SCS subcarrier spacing
  • the SCS when the SCS is 15 kHz, it supports a wide area in traditional cellular bands, and when the SCS is 30 kHz/60 kHz, dense-urban, lower latency and a wider carrier bandwidth, and when the SCS is 60 kHz or higher, a bandwidth greater than 24.25 GHz is supported to overcome phase noise.
  • the NR frequency band may be defined as a frequency range of two types (FR1 and FR2).
  • the number of frequency ranges may be changed, and for example, the frequency ranges of the two types (FR1 and FR2) may be shown in Table 8 below.
  • FR1 may mean “sub 6 GHz range”
  • FR2 may mean “above 6 GHz range” and may be called millimeter wave (mmW) .
  • mmW millimeter wave
  • FR1 may include a band of 410 MHz to 7125 MHz as shown in Table 9 below. That is, FR1 may include a frequency band of 6 GHz (or 5850, 5900, 5925 MHz, etc.) or higher. For example, a frequency band of 6 GHz (or 5850, 5900, 5925 MHz, etc.) or higher included in FR1 may include an unlicensed band. The unlicensed band may be used for various purposes, and may be used, for example, for vehicle communication (eg, autonomous driving).
  • FIG. 20 illustrates a wireless device to which the present specification can be applied.
  • the first wireless device 100 and the second wireless device 200 may transmit and receive radio signals through various radio access technologies (eg, LTE, NR).
  • ⁇ the first wireless device 100, the second wireless device 200 ⁇ is the ⁇ wireless device 100x, the base station 200 ⁇ of FIG. 19 and/or the ⁇ wireless device 100x, the wireless device 100x.
  • ⁇ can correspond.
  • the first wireless device 100 includes one or more processors 102 and one or more memories 104, and may additionally include one or more transceivers 106 and/or one or more antennas 108.
  • the processor 102 controls the memory 104 and/or the transceiver 106 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or flowcharts of operations disclosed herein.
  • the processor 102 may process information in the memory 104 to generate first information/signal, and transmit a radio signal including the first information/signal through the transceiver 106.
  • the processor 102 may receive a radio signal including the second information/signal through the transceiver 106, and then store information obtained from signal processing of the second information/signal in the memory 104.
  • the memory 104 may be connected to the processor 102 and may store various information related to the operation of the processor 102 .
  • memory 104 may perform some or all of the processes controlled by processor 102, or instructions for performing the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein. It may store software codes including them.
  • the processor 102 and memory 104 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 106 may be coupled to the processor 102 and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 108 .
  • the transceiver 106 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 106 may be used interchangeably with a radio frequency (RF) unit.
  • RF radio frequency
  • a wireless device may mean a communication modem/circuit/chip.
  • the second wireless device 200 includes one or more processors 202, one or more memories 204, and may further include one or more transceivers 206 and/or one or more antennas 208.
  • Processor 202 controls memory 204 and/or transceiver 206 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein.
  • the processor 202 may process information in the memory 204 to generate third information/signal, and transmit a radio signal including the third information/signal through the transceiver 206.
  • the processor 202 may receive a radio signal including the fourth information/signal through the transceiver 206 and store information obtained from signal processing of the fourth information/signal in the memory 204 .
  • the memory 204 may be connected to the processor 202 and may store various information related to the operation of the processor 202 .
  • memory 204 may perform some or all of the processes controlled by processor 202, or instructions for performing the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein. It may store software codes including them.
  • the processor 202 and memory 204 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 206 may be coupled to the processor 202 and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 208 .
  • the transceiver 206 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 206 may be used interchangeably with an RF unit.
  • a wireless device may mean a communication modem/circuit/chip.
  • one or more protocol layers may be implemented by one or more processors 102, 202.
  • one or more processors 102, 202 may implement one or more layers (eg, functional layers such as PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP).
  • One or more processors 102, 202 may generate one or more Protocol Data Units (PDUs) and/or one or more Service Data Units (SDUs) in accordance with the descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow charts disclosed herein.
  • PDUs Protocol Data Units
  • SDUs Service Data Units
  • processors 102, 202 may generate messages, control information, data or information according to the descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein.
  • One or more processors 102, 202 generate PDUs, SDUs, messages, control information, data or signals (e.g., baseband signals) containing information according to the functions, procedures, proposals and/or methods disclosed herein , can be provided to one or more transceivers 106, 206.
  • One or more processors 102, 202 may receive signals (eg, baseband signals) from one or more transceivers 106, 206, and descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein PDUs, SDUs, messages, control information, data or information can be obtained according to these.
  • signals eg, baseband signals
  • One or more processors 102, 202 may be referred to as a controller, microcontroller, microprocessor or microcomputer.
  • One or more processors 102, 202 may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • DSPs Digital Signal Processors
  • DSPDs Digital Signal Processing Devices
  • PLDs Programmable Logic Devices
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • firmware or software may be implemented using firmware or software, and the firmware or software may be implemented to include modules, procedures, functions, and the like.
  • Firmware or software configured to perform the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein may be included in one or more processors 102, 202 or stored in one or more memories 104, 204 and It can be driven by the above processors 102 and 202.
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow charts disclosed in this document may be implemented using firmware or software in the form of codes, instructions and/or sets of instructions.
  • One or more memories 104, 204 may be coupled with one or more processors 102, 202 and may store various types of data, signals, messages, information, programs, codes, instructions and/or instructions.
  • One or more memories 104, 204 may be comprised of ROM, RAM, EPROM, flash memory, hard drives, registers, cache memory, computer readable storage media, and/or combinations thereof.
  • One or more memories 104, 204 may be located internally and/or external to one or more processors 102, 202. Additionally, one or more memories 104, 204 may be coupled to one or more processors 102, 202 through various technologies, such as wired or wireless connections.
  • One or more transceivers 106, 206 may transmit user data, control information, radio signals/channels, etc., as referred to in the methods and/or operational flow charts herein, to one or more other devices.
  • One or more transceivers 106, 206 may receive user data, control information, radio signals/channels, etc. referred to in descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow charts, etc. disclosed herein from one or more other devices. there is.
  • one or more transceivers 106 and 206 may be connected to one or more processors 102 and 202 and transmit and receive wireless signals.
  • one or more processors 102, 202 may control one or more transceivers 106, 206 to transmit user data, control information, or radio signals to one or more other devices. Additionally, one or more processors 102, 202 may control one or more transceivers 106, 206 to receive user data, control information, or radio signals from one or more other devices. In addition, one or more transceivers 106, 206 may be coupled with one or more antennas 108, 208, and one or more transceivers 106, 206 via one or more antennas 108, 208, as described herein, function. , procedures, proposals, methods and / or operation flowcharts, etc. can be set to transmit and receive user data, control information, radio signals / channels, etc.
  • one or more antennas may be a plurality of physical antennas or a plurality of logical antennas (eg, antenna ports).
  • One or more transceivers (106, 206) convert the received radio signals/channels from RF band signals in order to process the received user data, control information, radio signals/channels, etc. using one or more processors (102, 202). It can be converted into a baseband signal.
  • One or more transceivers 106 and 206 may convert user data, control information, and radio signals/channels processed by one or more processors 102 and 202 from baseband signals to RF band signals.
  • one or more of the transceivers 106, 206 may include (analog) oscillators and/or filters.
  • 21 shows another example of a wireless device applicable to the present specification.
  • a wireless device may include at least one processor 102, 202, at least one memory 104, 204, at least one transceiver 106, 206, and one or more antennas 108, 208. there is.
  • the processors 102 and 202 and the memories 104 and 204 are separated, but in the example of FIG. 21, the processor Note that (102, 202) includes the memory (104, 204).

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Abstract

본 명세서에서는 양자 암호 통신 시스템에서, 장치에 의해 수행되는, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태를 포함하는 벨 상태를 판단하는 방법에 있어서, 적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하고, 상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하고, 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고 및 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

Description

선형 광학 기반 고속 벨 상태 분석 방법 및 장치
본 명세서는 양자 통신 시스템에 관련된다.
퀀텀 컴퓨터의 등장으로 인해, 기존 수학적 복잡도 기반의 암호 체계(예컨대, RSA, AES 등)에 대해 해킹이 가능하게 되었다. 해킹에 대한 방지를 위해, 양자 암호 통신이 제안되고 있다.
한편, 본 명세서는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 두 양자 얽힘 상태를 식별하기 위한 벨 상태 분석(Bell state analysis) 또는 벨 상태 측정(Bell state measurement) 기법을 제안한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고 및 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공될 수 있다.
본 명세서에 따르면, 하나의 얽힘 쌍에 대하여 종래 기술 대비 단위 시간당 더 많은 비트 정보량을 획득할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
도 1은 NR이 적용되는 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 예시한다.
도 2는 본 명세서의 기술적 특징이 적용될 수 있는 5G 사용 시나리오의 예를 나타낸다.
도 3은 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 나타낸 도이다.
도 4는 양자 암호 통신의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 밸 상태 생성을 위한 양자회로의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 벨 상태 측정 회로의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 양자 순간 이동 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 얽힘 교환의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 초고밀도 코딩 프로토콜의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 측정 준비 방식 기반의 양자 키 분배 프로토콜의 일례를 도시한 것이다.
도 11은 측정 장치 독립 양자 키 분배 프로토콜의 일례를 도시한 것이다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 13은 단위 시간 당 성공률이 향상된 선형 광학 벨 상태 측정 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 14는 본 명세서를 기반으로 하는 벨 상태 측정 기법과 종래 기술의 처리 지연 및 처리율을 도시한 것이다.
도 15는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 단말 관점에서의 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 16은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 단말 관점에서의 벨 상태를 판단하는 장치의 일례에 대한 블록도다.
도 17은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 기지국 관점에서의 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 18은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 기지국 관점에서의 벨 상태를 판단하는 장치의 일례에 대한 블록도다.
도 19는 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 20은 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 21은 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
본 명세서에서 "A 또는 B(A or B)"는 "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 명세서에서 "A 또는 B(A or B)"는 "A 및/또는 B(A and/or B)"으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 "A, B 또는 C(A, B or C)"는 "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 "및/또는(and/or)"을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A/B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 이에 따라 "A/B"는 "오직 A", "오직 B", 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B, C"는 "A, B 또는 C"를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"는, "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)"나 "적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)"라는 표현은 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"는, "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다. 또한, "적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)"나 "적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)"는 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 괄호는 "예를 들어(for example)"를 의미할 수 있다. 구체적으로, "제어 정보(PDCCH)"로 표시된 경우, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다. 달리 표현하면 본 명세서의 "제어 정보"는 "PDCCH"로 제한(limit)되지 않고, "PDDCH"가 "제어 정보"의 일례로 제안될 것일 수 있다. 또한, "제어 정보(즉, PDCCH)"로 표시된 경우에도, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다.
본 명세서에서 하나의 도면 내에서 개별적으로 설명되는 기술적 특징은, 개별적으로 구현될 수도 있고, 동시에 구현될 수도 있다.
이하, 새로운 무선 접속 기술(new radio access technology: new RAT, NR)에 대해 설명한다.
더욱 많은 통신 기기들이 더욱 큰 통신 용량을 요구하게 됨에 따라 기존의 무선 접속 기술(radio access technology; RAT)에 비해 향상된 모바일 브로드밴드(mobile broadband) 통신에 대한 필요성이 대두되고 있다. 또한 다수의 기기 및 사물들을 연결하여 언제 어디서나 다양한 서비스를 제공하는 매시브 MTC (massive Machine Type Communications) 역시 차세대 통신에서 고려될 주요 이슈 중 하나이다. 뿐만 아니라 신뢰도(reliability) 및 지연(latency)에 민감한 서비스/단말을 고려한 통신 시스템 디자인이 논의되고 있다. 이와 같이 확장된 모바일 브로드밴드 커뮤니케이션(enhanced mobile broadband communication), massive MTC, URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication) 등을 고려한 차세대 무선 접속 기술의 도입이 논의되고 있으며, 본 명세서에서는 편의상 해당 기술(technology)을 new RAT 또는 NR이라고 부른다.
도 1은 NR이 적용되는 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 예시한다.
도 1을 참조하면, NG-RAN은, 단말에게 사용자 평면 및 제어 평면 프로토콜 종단(termination)을 제공하는 gNB 및/또는 eNB를 포함할 수 있다. 도 1에서는 gNB만을 포함하는 경우를 예시한다. gNB 및 eNB는 상호 간에 Xn 인터페이스로 연결되어 있다. gNB 및 eNB는 5세대 코어 네트워크(5G Core Network: 5GC)와 NG 인터페이스를 통해 연결되어 있다. 보다 구체적으로, AMF(access and mobility management function)과는 NG-C 인터페이스를 통해 연결되고, UPF(user plane function)과는 NG-U 인터페이스를 통해 연결된다.
도 2는 본 명세서의 기술적 특징이 적용될 수 있는 5G 사용 시나리오의 예를 나타낸다. 도 2에 도시된 5G 사용 시나리오는 단지 예시적인 것이며, 본 명세서의 기술적 특징은 도 2에 도시되지 않은 다른 5G 사용 시나리오에도 적용될 수 있다.
도 2을 참조하면, 5G의 세 가지 주요 요구 사항 영역은 (1) 개선된 모바일 광대역(eMBB; enhanced mobile broadband) 영역, (2) 다량의 머신 타입 통신(mMTC; massive machine type communication) 영역 및 (3) 초-신뢰 및 저 지연 통신(URLLC; ultra-reliable and low latency communications) 영역을 포함한다. 일부 사용 예는 최적화를 위해 다수의 영역을 요구할 수 있고, 다른 사용 예는 단지 하나의 핵심 성능 지표(KPI; key performance indicator)에만 포커싱 할 수 있다. 5G는 이러한 다양한 사용 예들을 유연하고 신뢰할 수 있는 방법으로 지원하는 것이다.
이하, 본 명세서의 실시예에 적용될 수 있는 차세대 통신(예컨대, 6G)의 예시들에 대해 설명하도록 한다.
<6G 시스템 일반>
6G (무선통신) 시스템은 (i) 디바이스 당 매우 높은 데이터 속도, (ii) 매우 많은 수의 연결된 디바이스들, (iii) 글로벌 연결성(global connectivity), (iv) 매우 낮은 지연, (v) 배터리-프리(battery-free) IoT 디바이스들의 에너지 소비를 낮추고, (vi) 초고신뢰성 연결, (vii) 머신 러닝 능력을 가지는 연결된 지능 등에 목적이 있다. 6G 시스템의 비젼은 intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, ubiquitous connectivity와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 아래 표 1과 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 1은 6G 시스템의 요구 사항의 일례를 나타낸 표이다.
Per device peak data rate 1 Tbps
E2E latency 1 ms
Maximum spectral efficiency 100bps/Hz
Mobility support Up to 1000km/hr
Satellite integration Fully
AI Fully
Autonomous vehicle Fully
XR Fully
Haptic Communication Fully
6G 시스템은 Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and access network congestion, Enhanced data security와 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 3은 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 나타낸 도이다.
6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 key feature인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것이다. 6G 시스템은 자주 사용되는 영역 스펙트럼 효율과 달리 체적 스펙트럼 효율이 훨씬 우수할 것이다. 6G 시스템은 매우 긴 배터리 수명과 에너지 수확을 위한 고급 배터리 기술을 제공할 수 있어, 6G 시스템에서 모바일 디바이스들은 별도로 충전될 필요가 없을 것이다. 6G에서 새로운 네트워크 특성들은 다음과 같을 수 있다.
- 위성 통합 네트워크(Satellites integrated network): 글로벌 모바일 집단을 제공하기 위해 6G는 위성과 통합될 것으로 예상된다. 지상파, 위성 및 공중 네트워크를 하나의 무선통신 시스템으로 통합은 6G에 매우 중요하다.
- 연결된 인텔리전스(Connected intelligence): 이전 세대의 무선 통신 시스템과 달리 6G는 혁신적이며, "연결된 사물”에서 "연결된 지능"으로 무선 진화가 업데이트될 것이다. AI는 통신 절차의 각 단계(또는 후술할 신호 처리의 각 절차)에서 적용될 수 있다.
- 무선 정보 및 에너지 전달의 완벽한 통합(Seamless integration wireless information and energy transfer): 6G 무선 네트워크는 스마트폰들과 센서들과 같이 디바이스들의 배터리를 충전하기 위해 전력을 전달할 것이다. 그러므로, 무선 정보 및 에너지 전송 (WIET)은 통합될 것이다.
- 유비쿼터스 슈퍼 3D 연결(Ubiquitous super 3D connectivity): 드론 및 매우 낮은 지구 궤도 위성의 네트워크 및 핵심 네트워크 기능에 접속은 6G 유비쿼터스에서 슈퍼 3D 연결을 만들 것이다.
위와 같은 6G의 새로운 네트워크 특성들에서 몇 가지 일반적인 요구 사항은 다음과 같을 수 있다.
- 스몰 셀 네트워크(small cell networks): 스몰 셀 네트워크의 아이디어는 셀룰러 시스템에서 처리량, 에너지 효율 및 스펙트럼 효율 향상의 결과로 수신 신호 품질을 향상시키기 위해 도입되었다. 결과적으로, 스몰 셀 네트워크는 5G 및 비욘드 5G (5GB) 이상의 통신 시스템에 필수적인 특성이다. 따라서, 6G 통신 시스템 역시 스몰 셀 네트워크의 특성을 채택한다.
- 초 고밀도 이기종 네트워크(Ultra-dense heterogeneous network): 초 고밀도 이기종 네트워크들은 6G 통신 시스템의 또 다른 중요한 특성이 될 것이다. 이기종 네트워크로 구성된 멀티-티어 네트워크는 전체 QoS를 개선하고 비용을 줄인다.
- 대용량 백홀(High-capacity backhaul): 백홀 연결은 대용량 트래픽을 지원하기 위해 대용량 백홀 네트워크로 특징 지어진다. 고속 광섬유 및 자유 공간 광학 (FSO) 시스템이 이 문제에 대한 가능한 솔루션일 수 있다.
- 모바일 기술과 통합된 레이더 기술: 통신을 통한 고정밀 지역화(또는 위치 기반 서비스)는 6G 무선통신 시스템의 기능 중 하나이다. 따라서, 레이더 시스템은 6G 네트워크와 통합될 것이다.
- 소프트화 및 가상화(Softwarization and virtualization): 소프트화 및 가상화는 유연성, 재구성성 및 프로그래밍 가능성을 보장하기 위해 5GB 네트워크에서 설계 프로세스의 기초가 되는 두 가지 중요한 기능이다. 또한, 공유 물리적 인프라에서 수십억 개의 장치가 공유될 수 있다.
<양자 암호 통신>
도 4는 양자 암호 통신의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4에 따르면, QKD(quantum key distribution) 송신부(410)는 QKD 수신부(420)와 퍼블릭 채널(public channel) 및 양자 채널(quantum channel)로써 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
이때, QKD 송신부(410)는 암호화기(430)에게 비밀 키를 공급할 수 있으며, QKD 수신부(420)도 복호화기(440)에게 비밀 키를 공급할 수 있다. 여기서, 암호화기(430)에는 플레인 텍스트(plain text)가 입/출력될 수 있으며, 암호화기(430)는 복호화기(440)와 (기존 통신망을 통해) 비밀 대칭 키로 암호화된 데이터를 전송할 수 있다. 아울러, 복호화기(440)에도 플레인 텍스트가 입/출력될 수 있다.
본 명세서는 양자 통신 (quantum communication) 시스템에서 두 양자 얽힘 상태를 식별하기 위한 벨 상태 분석 (Bell state analysis) 또는 벨 상태 측정 (Bell state measurement) 기법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광학 회로 기반의 양자 통신 시스템에 있어서 성공률과 처리율을 고려하여 단위 시간 당 성공률을 최적화한 벨 상태 분석을 달성하기 위한 것이다.
1. 벨 상태 (Bell state)와 벨 기저 (Bell basis)
벨 상태는 양자 얽힘의 가장 간단한 예제로 최대로 얽힌 상태에 있는 두 큐비트(qubit)가 이루는 다음의 네 가지 양자 상태를 말한다. 이는 두 큐비트에 대한 4차원 힐베르트 (Hilbert) 공간의 최대로 얽힌 기저로 볼 수 있으며 이를 벨 기저라고 한다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
[수식 1]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000001
2. 벨 상태의 생성
도 5는 밸 상태 생성을 위한 양자회로의 일례를 도시한 것이다.
도 5에 따르면, 벨 상태는 도 5와 같이 하다마드 게이트 (Hadamard gate)와 CNOT 게이트 (controlled not gate)로 구성된 두 큐비트의 양자 회로를 통해 생성될 수 있다. 네 가지의 두 큐비트 입력 |00〉, |01〉, |10〉, |11〉에 대하여 표 2와 같은 벨 상태 출력을 갖는다.
[표 2]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000002
3. 벨 상태 측정 (Bell state measurement) / 벨 상태 분석 (Bell state analysis)
앞서 설명한 바와 같이 벨 상태는 정규 직교 기저를 형성하기 때문에 네 가지의 벨 상태를 식별하기 위한 적절한 측정이 정의될 수 있으며 이를 벨 상태 측정 또는 벨 상태 분석이라 한다. 벨 상태 측정에서는 두 큐비트의 상태가 벨 상태가 정의하는 네 가지 양자 얽힘 상태 중 무엇에 속하는지 알아내는 것이다.
도 6은 벨 상태 측정 회로의 일례를 도시한 것이다.
도 5의 벨 상태 생성 회로에서 CNOT 게이트와 하다마드 게이트의 순서를 반대로 구성하면 도 6과 같은 벨 상태 측정 회로가 된다. 벨 상태에 해당하는 네 가지 양자 얽힘 상태에 대하여 표 3과 같은 측정 결과를 얻을 수 있다.
[표 3]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000003
4. 벨 상태 측정의 응용
벨 상태 측정은 양자 통신을 비롯한 양자 정보 과학 분야에서 매우 중요한 개념으로, 양자 순간 이동 (quantum teleportation), 얽힘 교환 (entanglement swapping), 초고밀도 코딩 (superdense coding), 측정 장치 독립 양자 키 분배 (measurement-device-independent quantum key distribution, MDI QKD) 등 다양한 프로토콜의 핵심 기술로 활용되고 있다.
양자 순간 이동 (quantum teleportation )
양자 순간 이동은 특정 위치에 있는 송신자로부터 일정 거리 떨어진 수신자에게 양자 정보를 전송하는 기술이다. 'Teleport'라는 단어의 본래 뜻과는 달리 양자 순간 이동에서는 양측의 캐리어는 고정되어 있는 상태에서 실제 캐리어의 전송이 아닌 캐리어 간 양자 정보의 전송이 이루어 진다. 이러한 정보의 순간 이동을 위해 얽힌 양자 상태, 즉 벨 상태가 필요하며, 이를 기반으로 별개의 물리적 시스템 간에 통계적인 상관관계를 부여하게 된다. 얽힘 관계에 있는 두 입자 중 하나의 입자가 겪는 모든 변화에 대해 다른 입자 역시 동일한 변화를 겪게 되기 때문에, 두 입자는 마치 하나의 양자 상태와 같이 행동한다.
도 7은 양자 순간 이동 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 광자를 이용한 양자 순간 이동 프로토콜을 도식화한 것이다. 양자 순간 이동을 위해서는 두 개의 고전 비트 (classic bit)를 전송할 수 있는 고전 채널, 벨 상태 생성 장치, 벨 상태에 있는 두 입자를 서로 다른 위치에 있는 송수신단으로 이동하기 위한 양자 채널, 송신단의 벨 상태 측정 장치, 수신단의 유니터리 연산 (unitary operation) 장치의 자원이 필요하다. 전송하고자 하는 양자 정보 |φ〉=α|0〉+β|1〉에 대하여 프로토콜의 동작은 다음과 같다.
1) 벨 상태 생성 장치를 통해 두 큐비트의 벨 상태를 생성한다.
2) 생성된 벨 상태는 양자 채널을 통해 하나의 큐비트는 송신자 앨리스 (A)의 위치로, 다른 하나의 큐비트는 수신자 밥 (B)의 위치로 이동된다.
3) 앨리스는 전송하고자 하는 양자 상태 |φ〉와 자신이 가지고 있는 벨 상태의 한 큐비트에 대하여 벨 상태 측정을 수행하여 네 개의 벨 상태 중 하나에 해당하는 결과를 얻는다. 이때, 앨리스이 벨 상태 측정 결과에 대하여 밥이 가지고 있는 큐비트의 상태는 표 4와 같이 변화한다.
[표 4]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000004
4) 앨리스는 과정 3의 벨 상태 측정 결과를 두 비트의 고전 비트로 인코딩 (encoding)하고 고전 채널을 통해 밥에게 전송한다.
5) 밥은 앨리스로부터 수신한 두 비트의 정보를 기반으로 자신이 가지고 있는 벨 상태의 나머지 한 큐비트에 유니터리 연산을 취하여 본래의 양자 정보 |φ〉와 동일한 양자 상태를 얻는다.
얽힘 교환 (entanglement swapping)
양자 순간이동은 순수 상태 (pure state) 뿐만 아니라 혼합 상태 (mixed state)에 대해서도 이루어 질 수 있으며, 이에 대한 대표적인 예제가 얽힘 교환이다. 얽힘 상태를 구성하는 두 입자에 대하여, 각각의 입자가 이루는 부분계는 혼합 상태에 있다. 얽힘 교환은 전송하고자 하는 양자 정보 |φ〉가 벨 상태를 구성하는 하나의 입자인 경우에 해당하는 양자 순간이동이라고 할 수 있다.
도 8은 얽힘 교환의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 앨리스 (Alice)와 찰리 (Charlie)가 얽힘 쌍을 공유하고 있고 찰리와 밥 (Bob)이 또 다른 얽힘 쌍을 공유하고 있는 경우, 얽힘 교환을 통해 앨리스와 밥이 가지고 있는 입자 사이의 얽힘을 만들어내는 시스템을 도식화 한 것이다. 찰리는 자신이 가지고 있는 서로 다른 얽힘 쌍에 대한 두 입자에 벨 상태 측정을 수행하고 그 결과를 앨리스에게 공유한다. 이 과정은 정확히 양자 순간이동 프로토콜과 동일하다는 것을 알 수 있고, 프로토콜이 종료되고 나면 앨리스와 밥은 둘 사이의 어떠한 정보의 교환 없이도 서로 얽힘 관계에 있는 두 입자를 공유하게 된다.
초고밀도 코딩 ( superdense coding)
도 9는 초고밀도 코딩 프로토콜의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
초고밀도 코딩은 송신자와 수신자 사이에 공유된 얽힘 상태를 이용하여, 1 큐비트의 전송으로 2 고전비트의 정보를 전송하는 양자 프로토콜이다. 도 9는 초고밀도 코딩 프로토콜을 도식화 한 것으로, 준비 (preparation), 공유 (sharing), 인코딩 (encoding), 전송 (sending), 디코딩 (decoding)의 다섯 단계로 이루어지며 각각의 단계에 대하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.
1) 준비 (preparation): 벨 상태 생성 장치를 이용하여 벨 상태를 생성 한다. 벨 상태 생성장치는 하다마드 게이트와 CNOT 게이트로 구성되며 생성된 벨 상태는 다음 수식과 같다.
[수식 2]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000005
2) 공유 (sharing): 준비된 벨 상태의 각 큐비트를 송신자 앨리스 (A)와 수신자 밥 (B)이 각각 하나씩 나누어 갖는다 (이때, 앨리스와 밥은 공간적으로 일정 거리 이상 떨어진 완전히 다른 지점에 위치하며, 준비 및 공유단계와 이후 단계 사이에는 긴 시간차가 있을 수 있다).
3) 인코딩 (encoding): 앨리스는 전송하고자 하는 2 고전비트의 정보에 따라 자신이 가지고 있는 큐비트에 연산을 취하여 밥이 가지고 있는 큐비트와의 벨 상태를 네 개의 벨 상태 중 하나로 변형하며, 이를 표로써 표현하면 아래 표 5와 같다.
[표 5]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000006
4) 전송 (sending): 앨리스는 양자 채널을 통해 인코딩 된 큐비트를 밥에게 전송한다.
5) 디코딩 (decoding): 밥은 앨리스로부터 수신한 큐비트와 자신이 가지고 있는 큐비트에 대하여 벨 상태 측정을 수행하고 이를 통해 앨리스가 인코딩 한 고전비트 정보를 추출한다.
측정 장치 독립 양자 키 분배 (measurement-device-independent quantum key distribution, MDI QKD )
양자 컴퓨터의 발전으로 수학적 복잡도에 기반하는 기존의 암호체계가 더 이상 보안성을 보장하지 못할 것이라는 연구 결과가 보고됨에 따라 보다 절대적인 보안성을 보장할 수 있는 암호체계의 필요성이 대두되었고, 보다 이상적인 암호 생성 방법 중의 하나로 양자역학 적인 특성에 기반하여 이론적으로는 절대적인 보안성을 보장하는 양자 키 분배 기법이 제안되었다.
도 10은 측정 준비 방식 기반의 양자 키 분배 프로토콜의 일례를 도시한 것이다.
일반적인 양자 키 분배 방식은 송신자 앨리스가 양자 정보를 생성 및 전송하고 수신자 밥이 이를 수신하여 암호 키를 생성하는 준비-측정 방식을 기반으로 하는데(도 10), 이러한 방식은 시스템의 실제적인 구현에 있어서 장치 또는 소자의 불완결성으로 인한 해킹의 위험성이 여전히 가지고 있고, 특히 송신부보다 수신부에 대한 양자 해킹에 취약한 특성을 갖는다.
도 11은 측정 장치 독립 양자 키 분배 프로토콜의 일례를 도시한 것이다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 측정 장치 독립 양자 키 분배 방식은 앨리스와 밥이 모두 송신부의 역할로 양자 정보를 생성 및 전송하고, 제 3의 노드 찰리가 앨리스와 밥으로부터 수신한 양자 정보에 대해 벨 상태 측정을 수행하여 그 결과를 알려주는 방식을 취한다(도 11). 찰리가 벨 상태 측정을 통해 알아내는 정보는 앨리스가 보낸 양자 정보와 밥이 보낸 양자 정보 사이의 상관관계이기 때문에 측정 결과가 공개 또는 누설되어도 실제 정보에 대해서는 누설되는 바가 없고 이러한 원리로 수신부에 대한 양자 해킹의 위험성이 제거된다.
5. 선형 광학 기반의 벨 상태 측정 기법
도 6에서 살펴본 바와 같이 벨 상태 측정은 CNOT 게이트와 하다마드 게이트로 구성된 비교적 간결한 형태의 양자 논리 회로로 표현된다. 하지만 이러한 벨 상태 측정을 실제적으로 구현함에 있어서는 보다 복잡한 기술적 문제들이 해결되어야 한다. 특히 광자를 기반으로 하는 양자 통신 분야에서는 단일 광자 레벨에서 광자 간의 비선형적 상호작용이 매우 미약하고 제어가 어려운 특성이 있기 때문에, 선형 광학을 기반으로 구현이 가능한지 여부가 상당히 중요한 문제가 되는데, 벨 상태 측정 회로를 구성하는 CNOT 게이트는 두 입력 큐비트 간의 비선형적 상호작용을 필요로 하기 때문에 CNOT 게이트 자체를 선형 광학 장치로 구현하는 것이 불가능하고, 이러한 한계점을 극복하기 위해 다양한 형태의 부분 벨 상태 측정 및 벨 상태 측정의 효율 향상 기법들이 제안되어 왔다.
벨 상태 측정에 관한 기존 연구들에서 중요하게 고려되어 온 이슈는 벨 상태 측정에 대한 성공률 (success rate)을 높이는 것이다. 벨 상태 측정의 성공률을 향상시키는 문제는 벨 상태 측정의 결과로 나타날 수 있는 여러 가지 경우의 수 중에 판별이 불가한 경우의 비율 즉, 퇴행률 (degeneracy rate)을 감소시키는 문제와 등가로 생각할 수 있다. 양자 통신 분야에서 벨 상태 측정의 성공률을 증가시키거나 퇴행률을 감소시키는 것이 중요한 이유는 이것이 2 큐비트의 얽힘을 통해 얻을 수 있는 최대 채널 용량 (channel capacity)과 직결되기 때문이다. 이를 해결 하기 위해, 비선형 광학 장치를 이용하거나, 추가적인 광자를 사용하여 완전한 벨 상태 측정을 달성하고자 하는 연구들이 제안되어 왔지만 이러한 기법들은 효율이 낮거나 구현 관점에서 실제적이지 않은 방법론을 기반으로 한다는 점에서 한계점을 갖는다.
최근에는 초얽힘 (hyperentanglement)을 이용하여 벨 상태 측정의 성공률을 높이는 연구들이 많이 제안 되고 있는데, 초얽힘을 이용하여 부가적인 자유도 (degree of freedom, DoF)를 얻고 이를 기반으로 측정 공간 (measurement space)를 확장하여 벨 상태를 식별해 내는 접근 방식이다. 이는 선형 광학만을 이용하여 구현 가능할 뿐만 아니라 시간 영역 (domain)을 적절히 활용하면 부가적인 자유도를 얻기 위해 추가적인 비용 지불하지 않아도 된다는 장점이 있다.
현재까지 제안된 초얽힘 기반의 벨 상태 측정 기법들은 성공률 향상에 주로 초점을 맞추어 제안되어 왔다. 하지만 시간 영역을 활용하여 부가적인 자유도를 얻는 방식은 하나의 얽힘 쌍에 대한 벨 상태를 식별하기 위해 소요되는 처리 지연 (processing delay)이 증가한다는 한계점이 있다. 일례로, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법이 제안될 수 있으나, 장치가 갖는 시간 분해능 (timing resolution)의 3배에 해당하는 처리지연이 발생하여 벨 상태 측정의 처리율 (processing rate)이 초얽힘을 사용하지 않는 기법 대비 1/4로 감소한다는 한계점을 갖는다. 따라서 벨 상태 측정의 성공률 (또는 퇴행률)과 처리율이 동시에 고려된 벨 상태 측정 기법의 제안이 필요하다.
이하 본 명세서에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 명세서는 선형 광학을 기반으로 성공률과 처리율이 향상된 벨 상태 측정 방법 및 장치를 제안한다. 본 명세서에서 제안하는 벨 상태 측정 기법은 편광을 기반으로 하는 광자의 얽힘을 이용하는 양자 통신 시스템 또는 양자 정보 처리 시스템에 활용될 수 있으며, 두 개의 광자 입력에 대하여 두 광자의 얽힘 상태가 네 개의 벨 상태 중 어느 것에 해당하는지 식별한다. 본 명세서는 시간 영역을 활용하여 부가적인 자유도를 얻고 이를 기반으로 측정 공간을 확장하는 시간-편광 초얽힘 (time-polarization hyperentanglement) 기반의 선형 광학 벨 상태 측정 기법에 대하여 성공률과 처리율을 동시에 고려하여 단위 시간당 성공률을 최적화 하는 방법 및 장치를 제안한다.
이하, 본 명세서의 예시에 대한 보다 원활한 이해를 위해, 도면을 통해 본 명세서의 개시에 대해 설명하도록 한다. 이하의 도면은 본 명세서의 구체적인 일례를 설명하기 위해 작성되었다. 도면에 기재된 구체적인 장치의 명칭이나 구체적인 신호/메시지/필드의 명칭은 예시적으로 제시된 것이므로, 본 명세서의 기술적 특징이 이하의 도면에 사용된 구체적인 명칭에 제한되지 않는다.
이하에서의 실시예는, (구성이 서로 상반되는 내용이 아닌 한) 앞서 설명한(혹은 후술할) 본 명세서의 실시예와 함께 동작할 수 있다. 아울러, 이하에서의 실시예는 앞서 설명한 본 명세서의 실시예와 독립적으로도 동작할 수 있다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 12에 따르면, 양자 암호 통신 시스템에서, 장치에 의해 수행되는, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태를 포함하는 벨 상태를 판단하는 방법이 제공될 수 있다.
장치는 적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행할 수 있다(S1210). 여기서, 편의 상 장치가 이니셜 액세스 동작을 수행하는 동작을 가장 먼저 서술하였으나, 장치가 이니셜 액세스 동작을 수행하는 동작은 제1 상태, 제2 상태, 제3 상태 중 벨 상태가 어느 상태인지 판단된 이후에 수행될 수도 있다. 여기서의 이니셜 액세스 동작은 앞서 설명한/혹은 후술할 바와 같이, 예컨대, 3GPP에서의, 이니셜 랜덤 액세스 동작 등을 포함할 수 있으며, 기타 통신 시스템(예컨대, WIFI, 블루투스 등)에서의 이니셜 액세스 동작을 포함할 수도 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
장치는 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신할 수 있다(S1220). 여기서 장치는, 예컨대, 기지국일 수 있으며, 또는 중계기, 또는 단말에 해당할 수도 있다. 혹은, 여기서의 장치는 기지국, 단말, 중계기와는 별개의 별도의 장치에 해당될 수도 있다.
예컨대, 여기서의 장치가 중계기, 또는 단말, 또는 (기지국, 단말, 중계기와는) 별개의 장치일 경우, 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 기지국에게 수신할 수 있으며, 혹은, 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 단말로부터 수신할 수 있다. 혹은, 하나의 광자는 기지국으로부터 수신하고, 나머지 하나의 광자는 단말로부터 수신할 수도 있다. 또한 예컨대, 장치는 제1 기지국(혹은 제1 단말)으로부터 제1 광자를 수신하고, 제2 기지국(혹은 제2 단말)으로부터 제2 광자를 수신할 수도 있다.
또한 예컨대, 여기서의 장치가 기지국일 경우, 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 단말로부터 수신할 수 있다(물론, 기지국이 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 중계기 또는 적어도 하나의 별개의 장치로부터 수신하는 것을 본 명세서의 실시예에서 배제하는 것은 아니다.) 또한, 여기서의 장치가 기지국일 경우, 하나의 광자는 단말로부터, 나머지 하나의 광자는 중계기 또는 별개의 장치로부터 수신할 수도 있다. 예를 들어 장치가 기지국일 경우, 기지국이 제1 단말로부터 제1 광자를 수신하고 제2 단말로부터 제2 광자를 수신하여 벨 상태를 측정할 수도 있다.
마찬가지로 예컨대, 여기서의 장치가 단말일 경우, 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 기지국으로부터 수신할 수 있다(물론, 단말이 두 개의 광자 모두를 적어도 하나의 중계기 또는 적어도 하나의 별개의 장치로부터 수신하는 것을 본 명세서의 실시예에서 배제하는 것은 아니다.) 또한, 여기서의 장치가 단말일 경우, 하나의 광자는 기지국으로부터, 나머지 하나의 광자는 중계기, 또는 별개의 장치, 또는 다른 단말로부터 수신할 수도 있다. 예컨대, 단말은 제1 기지국(혹은 제1 중계기 혹은 제1 별개의 장치)으로부터 제1 광자를 수신하고, 제2 기지국(혹은 제1 중계기 혹은 제1 별개의 장치)로부터 제2 광자를 수신할 수 있다.
이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
장치는 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S1230). 여기서, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
장치는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S1240). 여기서, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어질 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
장치는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S1250). 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 제1 상태는 상기 분기 결과에 따라 서로 다른 출력 포트에서 두 번의 검출이 일어나는 상태일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 제2 상태는 상기 검출 시간 차에 의해 동일한 출력 포트에서 상기 지연 시간에 해당하는 시간 차를 가지고 두 번의 검출이 일어나는 상태일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 제3 상태는 상기 간섭의 결과에 따라 동일 출력 포트의 서로 다른 검출기에서 동시 검출이 일어나는 상태일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 상기 제1 편광 빔 스플리터 및 지연 선에 의해 상기 편광 상태에 따른 상기 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 장치는 상기 제1 상태, 상기 제2 상태 또는 상기 제3 상태 중 어느 하나의 상태에 기반하여 상기 적어도 하나의 다른 장치와 통신을 수행할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
일례로, 상기 적어도 하나의 다른 장치는 단말 또는 기지국을 포함할 수 있다. 여기서 예컨대, 상기 장치는 상기 두 개의 광자들 모두 상기 기지국으로 수신하거나, 또는 상기 장치는 상기 두 개의 광자들 모두 상기 단말로부터 수신하거나, 또는 상기 장치는 상기 두 개의 광자 중 하나의 광자를 상기 기지국으로부터 수신하고 나머지 하나의 광자를 상기 단말로부터 수신할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 실시예에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 13은 단위 시간 당 성공률이 향상된 선형 광학 벨 상태 측정 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 13은 본 명세서에서 제안하는 선형 광학 벨 상태 측정 방법에 대한 장치 구성의 예이다. 본 명세서는 시간-편광 초 얽힘을 기반으로 측정 공간을 확장하여 세 개의 벨 상태를 식별해 낼 수 있는 접근 방식을 사용하였다. 본 명세서에서는 시간영역에 대한 얽힘 형성을 위해 사용되는 시간지연을 경로 분기로 대체하여 처리지연을 최소화 함으로써 처리율을 향상시킴과 동시에, 간섭을 이용하여 퇴행률을 야기하는 경우의 수를 상쇄시킴으로써 이상적인 환경에서 식별 가능한 상태에 대한 퇴행률이 0이 되도록 하였다.
도 13의 장치 구성을 기반으로 하는 벨 상태 측정 프로토콜은
Figure PCTKR2021013368-appb-I000007
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000008
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000009
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000010
네 개의 벨 상태에 대한 검출 결과가 서로 배타적인 (exclusive) 사건 (event)으로 구성되며,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000011
는 하나의 단광자 검출기에 두 개의 광자가 모두 검출되는 사건으로 검출 결과가 나타나지만,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000012
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000013
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000014
에 해당하는 세 개의 벨 상태에 대해서는 하나의 단광자 검출기 (single photon detector, SPD)에 두 개의 광자가 모두 검출되는 경우가 발생하지 않는다는 특성이 있다. 따라서
Figure PCTKR2021013368-appb-I000015
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000016
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000017
의 세 가지 벨 상태에 대해서는 퇴행률 0의 검출성능을 갖는다.
앞서 언급한
Figure PCTKR2021013368-appb-I000018
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000019
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000020
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000021
에 해당하는 네 개의 벨 상태는
Figure PCTKR2021013368-appb-I000022
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000023
의 수식으로 표현될 수 있다. 이 때,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000024
는 두 개의 광자가 동일한 편광 상태에 있는 2-큐비트 상태 (a_H b_H와 a_V b_V)의 중첩으로 이루어져 있으며,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000025
는 중첩된 2-큐비트 상태가 서로 동일한 위상을 갖고,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000026
는 중첩된 2-큐비트 상태간에 서로 π 만큼의 위상 차를 갖는다.
Figure PCTKR2021013368-appb-I000027
는 두 개의 광자가 서로 수직한 편광 상태에 있는 2-큐비트 상태 (a_H b_V와 a_V b_H)의 중첩으로 이루어져 있으며,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000028
는 중첩된 2-큐비트 상태가 서로 동일한 위상을 갖고,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000029
는 중첩된 2-큐비트 상태간에 서로 π 만큼의 위상 차를 갖는다.
도 13 의 벨 상태 측정 프로토콜은 빔 스플리터(beam splitter, BS)를 이용한 경로 분기를 기반으로
Figure PCTKR2021013368-appb-I000030
를 식별해 내고, 편광 빔 스플리터 (polarizing beam splitter, PBS)와 지연선 (delay line, DL)을 이용한 편광 의존적 시간 지연을 기반으로
Figure PCTKR2021013368-appb-I000031
를 식별한다. 반파장판 (half-wave plate, HWP)과 편광 정렬 모듈 (polarization alignment module)은
Figure PCTKR2021013368-appb-I000032
에 대하여 하나의 단 광자 검출기에 두 개의 광자가 모두 검출되는 이벤트를 소거시킴으로써
Figure PCTKR2021013368-appb-I000033
를 식별해 내도록 하는 역할을 한다. 편광 정렬 모듈 (polarization alignment module)은 편광 빔 스플리터와 반파장판, 결합기 (combiner, CB)로 구성되며, 모든 사건에 대하여 검출기에 입사되기 직전에 모든 광자가 수평 편광을 갖도록 정렬하는 역할을 한다. 이를 통해,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000034
의 입력에 대한 검출 사건에서 수직편광을 갖는 두 광자가 동일 검출기로 향하는 사건과 수평 편광을 갖는 두 광자가 동일 검출기로 향하는 사건이 서로 상쇄되도록 하여 하나의 단 광자 검출기에 두 광자가 동시 검출되는 사건을 소거 시킨다.
각각의 벨 상태 입력에 대한 검출 결과를 브라-켓 (bra-ket) 표기법을 기반으로 분석하면 다음과 같다. 아래 수식에서 알파벳 소문자는 도 13에 표기한 경로의 인덱스 (index)이며, A와 B는 출력 포트를, 프라임 (prime) 기호는 ΔT_d 만큼 시간 지연된 검출을 나타낸다. 이를 표로써 표현하면 아래와 같을 수 있다.
[표 6]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000035
위 분석 결과를 보면,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000036
는 출력 포트 A와 B 모두에서 검출이 일어나며 두 검출 사이에 ΔT_d만큼 시간 지연이 있는 경우이며,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000037
는 동일한 출력 포트에서 ΔT_d만큼 시간 지연을 가지고 두 번의 검출이 일어나는 경우임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2021013368-appb-I000038
는 동일한 출력 포트의 서로 다른 검출기에서 동시 검출이 일어나는 경우로 나타나고,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000039
는 동일한 출력 포트의 동일 검출기에서 두 광자가 모두 검출되는 사건들로 이루어 짐을 알 수 있다. 네 개의 상태 모두 서로 배타적인 사건들로 검출 결과가 나타나며
Figure PCTKR2021013368-appb-I000040
를 제외한 나머지 세 개의 벨 상태에 대해서는 하나의 검출기에 두 광자가 모두 검출되는 사건이 포함되지 않기 때문에 퇴행률 0의 검출성능을 갖는다는 것을 알 수 있다. 표 7은 각각의 벨 상태에 대한 검출 특성을 정리한 것이다. (∥: same, ⊥: different)
[표 7]
Figure PCTKR2021013368-appb-I000041
도 14는 본 명세서를 기반으로 하는 벨 상태 측정 기법과 종래 기술의 처리 지연 및 처리율을 도시한 것이다.
도 14는 종래의 벨 상태 측정 방법(예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)과 본 명세서를 기반으로 하는 벨 상태 측정 방법의 처리율 관점에서의 성능 비교를 나타낸다. 종래 기술은 네 개의 벨 상태 모두를 퇴행률 0으로 검출하기 위해 두 가지의 시간 지연을 사용하였다. (예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)의 제안에 따르면 소자 스팩 등에 의해 주어지는 장치적인 시간 분해능 (timing resolution)을 t_r이라 할 때, 각각의 시간 지연은 최소 t_r과 2t_r로 설정될 수 있고, 두 가지의 시간 지연을 모두 겪는 검출 사건으로 측정된 경우 최대 3t_r의 시간 지연된 검출 사건이 나타날 수 있기 때문에, 4t_r마다 한 번의 입력을 처리할 수 있음을 알 수 있다. 반면에, 본 명세서를 기반으로 하는 벨 상태 측정 방법에서는 세 개의 벨 상태만을 식별가능하지만 세 개의 벨 상태를 퇴행률 0으로 검출하기 위해 하나의 시간 지연만을 사용하고 있다. 종래 기술과의 대조를 위해 본 명세서에서 적용한 시간 지연을 t_r로 표현하면, 본 명세서를 기반으로하는 벨 상태 측정 장치에서는 최대 t_r의 시간 지연된 검출 사건이 나타날 수 있기 때문에 2t_r마다 한 번의 입력을 처리할 수 있다고 할 수 있다. 따라서 (예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)의 종래 기술 대비 두 배의 처리율을 갖게 됨을 알 수 있다.
하나의 얽힘 쌍 입력에 대하여 얻어낼 수 있는 최대 정보량 관점에서는 네 개의 벨 상태를 모두 식별하는 (예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)의 종래 기술이 log_2(4)=2비트, 세 개의 벨 상태만을 식별하는 본 명세서의 기술이 log_2(3)=1.585비트로 본 명세서가 (예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)의 종래 기술보다 0.415비트 작은 정보량을 보이지만, 해당 정보량을 획득하기 위해 소모되는 처리 시간을 고려하면 단위 시간 당 획득할 수 있는 정보량은 본 명세서가 (예컨대, 앞서 설명한, 채널 환경이나 구성 소자들의 오차 등이 무시되는 이상적인 환경에서 프로토콜 자체의 퇴행률이 0이 되는 완전한 벨 상태 측정 기법)의 종래 기술보다 0.585비트 더 높음을 알 수 있다.
본 명세서는 선형 광학을 기반으로 성공률과 처리율이 향상된 벨 상태 측정 방법 및 장치를 제안하였다. 벨 상태 측정은 양자 얽힘을 활용하는 양자 정보 과학 또는 양자 통신 분야에서 필수적이라 할 수 있는 핵심기술로 양자 정보 전송, 양자 중계기, 양자 키 분배 분야에서의 활용도가 매우 높을 것으로 전망된다. 본 명세서에서 제안하는 벨 상태 측정 기법은 편광 기반의 광자의 얽힘을 이용하는 양자 통신 시스템 또는 양자 정보 처리 시스템에 활용될 수 있으며, 네 개의 벨 상태 중
Figure PCTKR2021013368-appb-I000042
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000043
,
Figure PCTKR2021013368-appb-I000044
의 세 개의 벨 상태에 대해서는 퇴행률 0의 검출성능을 갖기 때문에 무손실 정보 처리가 필요한 어플리케이션에 활용 가능한 프로토콜이다. 본 명세서는 시간-편광 초 얽힘 기반의 선형 광학 벨 상태 측정 기법에 대하여 성공률만을 고려한 종래 기술의 한계점을 보완하기 위해 성공률과 처리율을 동시에 고려하여 단위 시간당 획득 정보량을 최대화 하는 방법 및 장치를 제안하였다. 본 명세서를 기반으로 하는 벨 상태 측정 방법을 이용하면, 하나의 얽힘 쌍에 대하여 종래 기술 대비 단위 시간당 0.585비트 더 많은 정보량을 획득할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 예시들이 적용되는 내용을 다양한 주체 관점에서 설명하자면 아래와 같을 수 있다.
이하의 도면은 본 명세서의 구체적인 일례를 설명하기 위해 작성되었다. 도면에 기재된 구체적인 장치의 명칭이나 구체적인 신호/메시지/필드의 명칭은 예시적으로 제시된 것이므로, 본 명세서의 기술적 특징이 이하의 도면에 사용된 구체적인 명칭에 제한되지 않는다.
도 15는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 단말 관점에서의 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 15에 따르면, 별도로 도시하지는 않았지만, 단말은, 기지국과 이니셜 액세스 동작을 수행할 수 있다.
단말은 상기 기지국으로부터 두 개의 광자들을 수신할 수 있다(S1510). 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
단말은 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되(S1520), 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
단말은 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되(S1530), 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어질 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
단말은 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S1540). 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
도 16은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 단말 관점에서의 벨 상태를 판단하는 장치의 일례에 대한 블록도다.
도 16에 따르면, 프로세서(1600)는 광자 수신부(1610), 제1 상태 판단부(1620), 제2 상태 판단부(1630), 제3 상태 판단부(1640)를 포함할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았지만, 프로세서(1600)는, 기지국과 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
광자 수신부(1610)는 상기 기지국으로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 상기 트랜시버를 제어하게 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제1 상태 판단부(1620)는 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제2 상태 판단부(1630)는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어질 수 있다. 및 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제3 상태 판단부(1640)는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
도 17은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 기지국 관점에서의 벨 상태를 판단하는 방법의 순서도다.
도 17에 따르면, 별도로 도시하지는 않았지만, 기지국은, 단말과 이니셜 액세스 동작을 수행할 수 있다.
기지국은 상기 단말로부터 두 개의 광자들을 수신할 수 있다(S1710). 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
기지국은 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되(S1720), 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
기지국은 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되(S1730), 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어질 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
기지국은 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S1740). 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
도 18은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 기지국 관점에서의 벨 상태를 판단하는 장치의 일례에 대한 블록도다.
도 18에 따르면, 프로세서(1800)는 광자 수신부(1810), 제1 상태 판단부(1820), 제2 상태 판단부(1830), 제3 상태 판단부(1840)를 포함할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았지만, 프로세서(1800)는, 단말과 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
광자 수신부(1810)는 상기 단말로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 상기 트랜시버를 제어하게 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제1 상태 판단부(1820)는 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제2 상태 판단부(1830)는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어질 수 있다. 및 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
제3 상태 판단부(1840)는 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
한편, 별도로 도시하지는 않았지만, 본 명세서는, 아래와 같은 실시예 또한 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 장치는, 적어도 하나의 메모리 및 상기 적어도 하나의 메모리와 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 트랜시버를 제어하게 구성되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고 및 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서(processor)에 의해 실행되는 것에 기반하는 명령어(instruction)를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(computer readable medium)에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 트랜시버를 제어하게 구성되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고, 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고 및 상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기록매체일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 실시예는 앞서 설명한 바(그리고 후술할 바)와 같기에, 설명의 편의를 위해 중복되는 내용의 반복 설명은 생략하도록 한다.
도 19는 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 19를 참조하면, 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR(New RAT), LTE(Long Term Evolution))을 이용하여 통신을 수행하는 기기를 의미하며, 통신/무선/5G 기기로 지칭될 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(100a), 차량(100b-1, 100b-2), XR(eXtended Reality) 기기(100c), 휴대 기기(Hand-held device)(100d), 가전(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI기기/서버(400)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량은 무선 통신 기능이 구비된 차량, 자율 주행 차량, 차량간 통신을 수행할 수 있는 차량 등을 포함할 수 있다. 여기서, 차량은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기는 AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 기기를 포함하며, HMD(Head-Mounted Device), 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등의 형태로 구현될 수 있다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기는 센서, 스마트미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국, 네트워크는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(200a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
여기서, 본 명세서의 무선 기기에서 구현되는 무선 통신 기술은 LTE, NR 및 6G뿐만 아니라 저전력 통신을 위한 Narrowband Internet of Things를 포함할 수 있다. 이때, 예를 들어 NB-IoT 기술은 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기술의 일례일 수 있고, LTE Cat NB1 및/또는 LTE Cat NB2 등의 규격으로 구현될 수 있으며, 상술한 명칭에 한정되는 것은 아니다. 추가적으로 또는 대체적으로, 본 명세서의 무선 기기에서 구현되는 무선 통신 기술은 LTE-M 기술을 기반으로 통신을 수행할 수 있다. 이때, 일 예로, LTE-M 기술은 LPWAN 기술의 일례일 수 있고, eMTC(enhanced Machine Type Communication) 등의 다양한 명칭으로 불릴 수 있다. 예를 들어, LTE-M 기술은 1) LTE CAT 0, 2) LTE Cat M1, 3) LTE Cat M2, 4) LTE non-BL(non-Bandwidth Limited), 5) LTE-MTC, 6) LTE Machine Type Communication, 및/또는 7) LTE M 등의 다양한 규격 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있으며 상술한 명칭에 한정되는 것은 아니다. 추가적으로 또는 대체적으로, 본 명세서의 무선 기기에서 구현되는 무선 통신 기술은 저전력 통신을 고려한 지그비(ZigBee), 블루투스(Bluetooth) 및 저전력 광역 통신망(Low Power Wide Area Network, LPWAN) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상술한 명칭에 한정되는 것은 아니다. 일 예로 ZigBee 기술은 IEEE 802.15.4 등의 다양한 규격을 기반으로 소형/저-파워 디지털 통신에 관련된 PAN(personal area networks)을 생성할 수 있으며, 다양한 명칭으로 불릴 수 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)을 통해 네트워크(300)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI(Artificial Intelligence) 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(300)를 통해 AI 서버(400)와 연결될 수 있다. 네트워크(300)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크 또는 5G(예, NR) 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)/네트워크(300)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국/네트워크를 통하지 않고 직접 통신(e.g. 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(e.g. V2V(Vehicle to Vehicle)/V2X(Vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(예, 센서)는 다른 IoT 기기(예, 센서) 또는 다른 무선 기기(100a~100f)와 직접 통신을 할 수 있다.
무선 기기(100a~100f)/기지국(200), 기지국(200)/기지국(200) 간에는 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)이 이뤄질 수 있다. 여기서, 무선 통신/연결은 상향/하향링크 통신(150a)과 사이드링크 통신(150b)(또는, D2D 통신), 기지국간 통신(150c)(e.g. relay, IAB(Integrated Access Backhaul)과 같은 다양한 무선 접속 기술(예, 5G NR)을 통해 이뤄질 수 있다. 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)을 통해 무선 기기와 기지국/무선 기기, 기지국과 기지국은 서로 무선 신호를 송신/수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)은 다양한 물리 채널을 통해 신호를 송신/수신할 수 있다. 이를 위해, 본 명세서의 다양한 제안들에 기반하여, 무선 신호의 송신/수신을 위한 다양한 구성정보 설정 과정, 다양한 신호 처리 과정(예, 채널 인코딩/디코딩, 변조/복조, 자원 매핑/디매핑 등), 자원 할당 과정 등 중 적어도 일부가 수행될 수 있다.
한편, NR은 다양한 5G 서비스들을 지원하기 위한 다수의 뉴머롤로지(numerology)(또는 subcarrier spacing(SCS))를 지원한다. 예를 들어, SCS가 15kHz인 경우, 전통적인 셀룰러 밴드들에서의 넓은 영역(wide area)을 지원하며, SCS가 30kHz/60kHz인 경우, 밀집한-도시(dense-urban), 더 낮은 지연(lower latency) 및 더 넓은 캐리어 대역폭(wider carrier bandwidth)을 지원하며, SCS가 60kHz 또는 그보다 높은 경우, 위상 잡음(phase noise)을 극복하기 위해 24.25GHz보다 큰 대역폭을 지원한다.
NR 주파수 밴드(frequency band)는 두 가지 타입(type)(FR1, FR2)의 주파수 범위(frequency range)로 정의될 수 있다. 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있으며, 예를 들어, 두 가지 type(FR1, FR2)의 주파수 범위는 하기 표 8과 같을 수 있다. 설명의 편의를 위해 NR 시스템에서 사용되는 주파수 범위 중 FR1은 "sub 6GHz range"를 의미할 수 있고, FR2는 "above 6GHz range"를 의미할 수 있고 밀리미터 웨이브(millimeter wave, mmW)로 불릴 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 450MHz - 6000MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz - 52600MHz 60, 120, 240kHz
상술한 바와 같이, NR 시스템의 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있다. 예를 들어, FR1은 하기 표 9와 같이 410MHz 내지 7125MHz의 대역을 포함할 수 있다. 즉, FR1은 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역을 포함할 수 있다. 예를 들어, FR1 내에서 포함되는 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역은 비면허 대역(unlicensed band)을 포함할 수 있다. 비면허 대역은 다양한 용도로 사용될 수 있고, 예를 들어 차량을 위한 통신(예를 들어, 자율주행)을 위해 사용될 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 410MHz - 7125MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz - 52600MHz 60, 120, 240kHz
이하에서는, 본 명세서가 적용되는 무선 기기의 예에 대해 설명한다.도 20은 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 20을 참조하면, 제1 무선 기기(100)와 제2 무선 기기(200)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(100), 제2 무선 기기(200)}은 도 19의 {무선 기기(100x), 기지국(200)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(100)는 하나 이상의 프로세서(102) 및 하나 이상의 메모리(104)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(106) 및/또는 하나 이상의 안테나(108)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(102)는 메모리(104) 및/또는 송수신기(106)를 제어하며, 본 문서에 개시되 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(102)는 메모리(104) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(106)를 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(102)는 송수신기(106)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(104)에 저장할 수 있다. 메모리(104)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 프로세서(102)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(104)는 프로세서(102)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(102)와 메모리(104)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(106)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(108)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(106)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(106)는 RF(Radio Frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 명세서에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200)는 하나 이상의 프로세서(202), 하나 이상의 메모리(204)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206) 및/또는 하나 이상의 안테나(208)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202)는 메모리(204) 및/또는 송수신기(206)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202)는 메모리(204) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202)는 송수신기(206)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204)에 저장할 수 있다. 메모리(204)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 프로세서(202)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204)는 프로세서(202)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202)와 메모리(204)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 명세서에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(100, 200)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 계층(예, PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 하나 이상의 PDU(Protocol Data Unit) 및/또는 하나 이상의 SDU(Service Data Unit)를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 기능, 절차, 제안 및/또는 방법에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 포함하는 신호(예, 베이스밴드 신호)를 생성하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)로부터 신호(예, 베이스밴드 신호)를 수신할 수 있고, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 획득할 수 있다.
하나 이상의 프로세서(102, 202)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor), 하나 이상의 DSPD(Digital Signal Processing Device), 하나 이상의 PLD(Programmable Logic Device) 또는 하나 이상의 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)가 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있고, 펌웨어 또는 소프트웨어는 모듈, 절차, 기능 등을 포함하도록 구현될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 수행하도록 설정된 펌웨어 또는 소프트웨어는 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(104, 204)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구동될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 코드, 명령어 및/또는 명령어의 집합 형태로 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.
하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 ROM, RAM, EPROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(104, 204)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치에게 본 문서의 방법들 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 전송할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치로부터 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)를 통해 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 송수신하도록 설정될 수 있다. 본 문서에서, 하나 이상의 안테나는 복수의 물리 안테나이거나, 복수의 논리 안테나(예, 안테나 포트)일 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
도 21은 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 21에 따르면, 무선 장치는 적어도 하나의 프로세서(102, 202), 적어도 하나의 메모리(104, 204), 적어도 하나의 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)를 포함할 수 있다.
앞서 도 20에서 설명한 무선 장치의 예시와, 도 21에서의 무선 장치의 예시의 차이로써, 도 20은 프로세서(102, 202)와 메모리(104, 204)가 분리되어 있으나, 도 21의 예시에서는 프로세서(102, 202)에 메모리(104, 204)가 포함되어 있다는 점이다.
여기서, 프로세서(102, 202), 메모리(104, 204), 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명한 바와 같기에, 불필요한 기재의 반복을 피하기 위해, 반복되는 설명의 기재는 생략하도록 한다.
본 명세서에 기재된 청구항들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다.

Claims (14)

  1. 양자 암호 통신 시스템에서, 장치에 의해 수행되는, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태를 포함하는 벨 상태를 판단하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하고;
    상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 상태는 상기 분기 결과에 따라 서로 다른 출력 포트에서 두 번의 검출이 일어나는 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 상태는 상기 검출 시간 차에 의해 동일한 출력 포트에서 상기 지연 시간에 해당하는 시간 차를 가지고 두 번의 검출이 일어나는 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3 상태는 상기 간섭의 결과에 따라 동일 출력 포트의 서로 다른 검출기에서 동시 검출이 일어나는 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 상기 제1 편광 빔 스플리터 및 지연 선에 의해 상기 편광 상태에 따른 상기 지연 시간이 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 상태, 상기 제2 상태 또는 상기 제3 상태 중 어느 하나의 상태에 기반하여 상기 적어도 하나의 다른 장치와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다른 장치는 단말 또는 기지국을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 장치는 상기 두 개의 광자들 모두 상기 기지국으로 수신하거나, 또는
    상기 장치는 상기 두 개의 광자들 모두 상기 단말로부터 수신하거나, 또는
    상기 장치는 상기 두 개의 광자 중 하나의 광자를 상기 기지국으로부터 수신하고 나머지 하나의 광자를 상기 단말로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 양자 암호 통신 시스템에서, 단말에 의해 수행되는, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태를 포함하는 벨 상태를 판단하는 방법에 있어서,
    기지국과 이니셜 액세스 동작을 수행하고;
    상기 기지국으로부터 두 개의 광자들을 수신하고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 단말은,
    트랜시버;
    적어도 하나의 메모리; 및
    상기 적어도 하나의 메모리 및 상기 트랜시버와 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
    기지국과 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고;
    상기 기지국으로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 상기 트랜시버를 제어하게 구성되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단말.
  11. 장치는,
    적어도 하나의 메모리; 및
    상기 적어도 하나의 메모리와 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
    적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고;
    상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 트랜시버를 제어하게 구성되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 적어도 하나의 프로세서(processor)에 의해 실행되는 것에 기반하는 명령어(instruction)를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(computer readable medium)에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는,
    적어도 하나의 다른 장치와 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고;
    상기 적어도 하나의 다른 장치로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 트랜시버를 제어하게 구성되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기록매체.
  13. 양자 암호 통신 시스템에서, 기지국에 의해 수행되는, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태를 포함하는 벨 상태를 판단하는 방법에 있어서,
    단말과 이니셜 액세스 동작을 수행하고;
    상기 단말로부터 두 개의 광자들을 수신하고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 상기 제1 상태인지 여부를 판단하되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 상기 제2 상태인지 여부를 판단하되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 상기 제3 상태인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 기지국은,
    트랜시버;
    적어도 하나의 메모리; 및
    상기 적어도 하나의 메모리 및 상기 트랜시버와 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
    단말과 이니셜 액세스 동작을 수행하도록 구성되고;
    상기 단말로부터 두 개의 광자들을 수신하도록 상기 트랜시버를 제어하게 구성되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 빔 스플리터에 의한 분기 결과에 기반하여 제1 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 빔 스플리터에서 분기된 펄스는 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태에 따른 지연 시간이 적용되고;
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 지연 시간에 의해 유발되는 검출 시간 차에 기반하여 제2 상태인지 여부를 판단하도록 구성되되, 상기 제1 편광 빔 스플리터에 의해 분기된 펄스는 반파장판, 제2 편광 빔 스플리터 및 편광 정렬 모듈에 의해 간섭이 이루어지고; 및
    상기 두 개의 광자들에 대해 상기 간섭의 결과에 기반하여 제3 상태인지 여부를 판단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기지국.
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