KR101252757B1 - 편광부호화 양자 암호 시스템 - Google Patents

편광부호화 양자 암호 시스템 Download PDF

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Abstract

편광부호화 양자 암호 시스템이 제공된다. 이 시스템은 신호광을 생성하는 광원, 신호광을 수신부로 전송하는 경로로 사용되는 양자 채널, 광원과 양자 채널 사이에 배치되어 신호광을 복수의 진행 경로들 중의 하나로 전송하는 광경로 선택 장치, 및 광경로 선택 장치와 양자 채널 사이에 배치되는 경로 의존 편광 선택부를 포함한다. 이때, 경로 의존 편광 선택부는 신호광의 편광 방향을 신호광의 진행 경로에 의존하여 결정하도록 구성된다.

Description

편광부호화 양자 암호 시스템{Polarization Coding Quantum Cryptography System}
본 발명은 양자 암호 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 편광부호화 양자 암호 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2008-F-035-01, 과제명: 상용 양자암호통신시스템을 위한 요소 기술 개발].
최근 유무선 통신기술이 급속히 발전하고 다양한 통신서비스가 널리 보급됨에 따라 통신망의 보안문제가 매우 중요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 국가, 기업, 금융과 관련된 비밀보호 및 개인정보 보호 측면에서 통신망의 보안은 그 중요성이 점점 더 증대되고 있다. 이러한 통신상의 보안문제를 해결할 방법으로 최근 크게 주목받고 있는 양자암호 (Quantum Cryptography) 기술은 그 안전성을 자연의 기본법칙인 양자역학의 원리에 의해서 보장하므로 도청이나 감청이 절대적으로 불가능한 통신보안기술이다. 즉, 양자암호 기술은 송신자와 수신자 사이에 전송데이터를 암호화 및 복호화하는데 사용할 수 있는 비밀 암호 키(secret key)를 '양자 복제 불가능성(No-cloning theorem)' 등과 같은 양자물리학의 법칙에 기초하여 절대적으로 안전하게 분배하는 기술로서 양자 키 분배 (Quantum Key Distribution: QKD) 기술로도 알려져 있다.
N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, H. Zbinden 등이 2002년도에 발표한 리뷰 논문 <<Quantum Cryptograph>>, Rev. Mod. Phys. vol.74, pp. 145-195 (2002)은 종래의 양자암호 혹은 양자 키 분배 방법들에 대해서 상세히 설명하고 있다. 이 논문에 따르면 일반적으로 널리 알려진 양자암호 혹은 양자 키 분배 방법으로는 BB84, B92, EPR 프로토콜 등이 있다.
대표적으로, 1984년 찰스 베넷(Charles Bennett)과 길 브래사르드(Gilles Brassard)가 발표한 논문 <<Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing>>, Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, pp. 175-179 (IEEE, New York, 1984)은 BB84 프로토콜로 알려진 양자 암호키 분배 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 두 개의 기저(basis)를 이루는 네 개의 양자상태 (예를 들면, 광자의 편광상태 0도, 90도, 45도, 135도)를 이용한다.
구체적으로, 송신부(Alice)는 두 개의 기저 중에서 한 개를 무작위로 선택하고, 선택된 기저의 두 가지 양자상태(비밀키의 한 개 비트값), 즉 0 혹은 1 중에서 하나를 임의로 골라 양자채널을 통해서 수신부(Bob)에게 보낸다. 예를 들어, 단일광자의 편광상태인 (0도, 90도)-기저와 (45도, 135도)-기저 두 가지를 사용하고, 0도와 45도가 비트값 0을 표현하고 90도와 135도가 비트값 1을 표현하는 경우, 상 기 송신부(Alice)가 무작위로 선택한 기저가 (0도, 90도)-기저이고 임의로 선택한 비트값이 1이라면, 상기 송신부(Alice)는 편광상태가 90도인 단일광자를 상기 양자채널(quantum channel)을 통해서 수신부(Bob)에게 보낸다.
상기 단일광자를 수신하는 수신부(Bob)도 역시 두 가지 기저 중 하나를 무작위로 선택하고, 선택한 기저를 이용하여 수신된 상기 단일광자의 양자 상태를 측정한다. 수신부(Bob)의 측정이 끝난 뒤 송신부(Alice)와 수신부(Bob)는 자신들이 임의로 선택한 기저를 고전채널(classical channel)을 통해 서로에게 공개한다. 여기서, 송신부(Alice)가 선택한 기저와 수신부(Bob)이 선택한 기저가 같을 경우에, 수신부(Bob)가 측정한 결과는 송신부(Alice)가 임의로 고른 양자 상태와 일치하므로 두 이용자(Alice, Bob)가 동일한 비트값을 가지게 된다.
이와 같은 과정을 여러 번 반복하여 송신부(Alice)와 수신부(Bob)가 동일한 기저를 선택한 경우의 비트값만 추려내서 구성한 비트열(bit string)은 '거른 키(sifted key)'라고 불리는데, 이 거른 키(sifted key)는 오류수정(error correction) 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 등과 같은 후처리 과정(Post-processing process)을 거친 다음 최종적으로 비밀 암호키(secret key)로 사용된다.
만약 중간에 도청자(Eve)가 도청을 시도한다면 양자 역학의 기본 원리에 의해 두 이용자(Alice, Bob)가 얻은 거른 키(sifted key) 값에 오류가 유발된다. 송신부(Alice)와 수신부(Bob)은 상기 거른 키(sifted key)의 일부분을 서로에게 공개해서 오류의 비율을 계산하여 도청자(Eve)의 존재 여부를 판단할 수 있게 된다.
한편, 이상적인 단일 광자 광원을 구현하기 어렵기 때문에, 네개의 편광 상태들이 필요한 BB84 프로토콜을 구현하기 위해서는, 각각 다른 편광 상태의 광자를 생성하는 네개의 광원들이 사용되고 있다. 유사하게, 두개의 편광 상태들이 필요한 B92 프로토콜을 구현하기 위해서는, 각각 다른 편광 상태의 광자를 생성하는 두개의 광원들이 사용되고 있다. (예를 들면, "A Short Wavelength GigaHertz Clocked Fiber-Optic Quantum Key Distribution System", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 40, NO. 7, JULY 2004 참조.) 하지만, 이처럼 여러 개의 광원들은 하나의 광원과 완전히 동일하게 구현될 수 없기 때문에, 광원들의 스펙트럼들은 서로 달라질 수 있다. 도청자는 이러한 스펙트럼에서의 차이를 이용하여 도청을 시도할 수 있기 때문에, 여러 광원들을 사용하는 양자 암호 시스템의 안전성은 단일 광자를 이용하는 이상적인 양자 암호 시스템에 비해 떨어진다.
비록, 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 하나의 광원과 편광 변조기를 이용하여 양자 암호 시스템을 구성하는 방법이 제안되었지만, 이러한 방법들은 여전히 안정적인 동작 특성을 확보하기 어려운 것으로 보고되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 하나의 광원에서 생성된 신호광을 이용하는 양자 암호 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 안정적인 동작 특성을 확보할 수 있는 양자 암호 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나의 광원과 신호광의 진행 경로에 따라 신호광의 편광 방향을 수동적으로 결정하도록 구성되는 양자 암호 시스템을 제공한다. 이 시스템은 신호광을 생성하는 광원; 상기 신호광을 수신부로 전송하는 경로로 사용되는 양자 채널; 상기 광원과 상기 양자 채널 사이에 배치되어, 상기 신호광을 복수의 진행 경로들 중의 하나로 전송하는 광경로 선택 장치; 및 상기 광경로 선택 장치와 상기 양자 채널 사이에 배치되는 경로 의존 편광 선택부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 경로 의존 편광 선택부는 상기 신호광의 편광 방향을 상기 신호광의 진행 경로에 의존하여 결정하도록 구성될 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
본 발명에 따르면, 하나의 광원에서 생성된 신호광이 양자 암호 키 분배를 위해 사용된다. 이 경우, 도청자에 의한 도청 시도를 줄일 수 있기 때문에, 여러 광원들을 사용하는 양자 암호 시스템에 비해 증가된 안전성(security)을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 신호광의 편광은 신호광의 진행 경로에 의해 수동적으로 결정된다. 이에 따라, 편광 변조기를 이용하는 양자 암호 시스템에 비해 증가된 안정성(stability)을 확보할 수 있다.
도 1은 양자 암호 시스템을 도시하고, 도 2 및 도 3은 BB84 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부 및 수신부를 설명하기 위한 도면들이다.
양자 암호 시스템은 도 1에 도시된 것처럼 양자 채널(QC)을 통해 광학적으로 연결된 송신부(1000) 및 수신부(2000)를 포함한다. 상기 송신부(1000)는 도 2에 도시된 것처럼 광원(100), 광경로 선택 장치(200) 및 경로 의존 편광 선택부(300) 를 포함할 수 있으며, 상기 수신부(2000)는 도 3에 도시된 것처럼 광자 검출 장치들(601, 602, 603, 604) 및 편광 의존 경로 선택부(500)를 포함할 수 있다. 상기 양자 채널(QC)은 광섬유 또는 자유 공간일 수 있으며, 상기 송신부(1000)와 상기 수신부(2000)는, 그들의 측정 결과의 부분적인 비교를 가능하게 하는, 고전 채널(CC)을 통해서도 연결된다.
도 2를 참조하면, 상기 광원(100)은 제어부(50)의 통제에 따라 펄스 형태의 신호광을 생성하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 상기 광원(100)은 선형적으로 편광된 신호광(linearly polarized signal light)을 생성하는 하나의 레이저 광원일 수 있다. 상기 광원(100)에서 생성된 신호광은 광섬유(150)을 통해 상기 광경로 선택 장치(200)로 전달될 수 있다. 상기 광섬유(150)는 편광유지 광섬유일 수 있다.
상기 광경로 선택 장치(200)는 상기 경로 의존 편광 선택부(300)로 입사되는 상기 신호광의 경로를 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 광경로 선택 장치(200)와 상기 경로 의존 편광 선택부(300)는 복수의 광섬유들을 통해 연결될 수 있으며, 상기 광경로 선택 장치(200)로부터 상기 경로 의존 편광 선택부(300)로 입사되는 상기 신호광의 경로는 상기 제어부(50)의 통제에 따라 선택될 수 있다. 이러한 제어는 기계적 수단들(mechanical means), 전기-광학적 효과들(electro-optic effects), 자기-광학적 효과들(magneto-optic effects) 중의 적어도 한가지를 이용하여 달성될 수 있다.
상기 경로 의존 편광 선택부(300)는 상기 양자 채널(QC)과 상기 광경로 선 택 장치(200) 사이를 광학적으로 연결하며, 상기 양자 채널(QC)로 입사되는 상기 신호광의 편광 상태를 결정하도록 구성된다. 이 실시예에 따르면, 상기 경로 의존 편광 선택부(300)는 수동 소자들로 구성됨으로써, 상기 양자 채널(QC)로 입사되는 신호광의 편광 방향은 상기 광경로 선택 장치(200)에 의해 선택되는 상기 신호광의 진행 경로에 의해서 결정된다.
이 실시예에 따르면, 상기 경로 의존 편광 선택부(300)는 편광 유지 광결합기(310), 두개의 제 1 광섬유들(321, 322), 두개의 편광빔 결합기들(331, 332), 네개의 제 2 광섬유들(341, 342, 343, 344)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 상기 편광 유지 광결합기(310)와 상기 편광빔 결합기들(331, 332)을 광학적으로 연결하고, 상기 제 2 광섬유들(341-344)은 상기 광경로 선택 장치(200)와 상기 편광빔 결합기들(331, 332)을 광학적으로 연결한다.
상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 신호광이 진행되는 동안 그 편광이 유지될 수 있는 편광 유지 광섬유들(polarization maintaining fibers; PMF)일 수 있으며, 상기 편광 유지 광결합기(310)에서, 상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 그들의 편광축들 사이의 각도(θ)가 도 5에 도시된 것처럼 45도를 이루도록 연결된다. 한편, 상기 제 1 광섬유들(321, 322)을 포함하여 본 발명의 구현을 위해 사용되는 편광 유지 광섬유들은 도 5에 도시된 것처럼 중심(C)으로부터 이격된 두개의 코어 패턴들(CP)이 클래드층(CL)에 의해 둘러싸이는 팬더형일 수 있지만, 다른 유형 역시 가능함은 자명하다.
일 실시예에 따르면, 상기 편광빔 결합기들(331, 332)은 도 4에 도시된 것 처럼, 광 경로 상에 경사진 반사면을 제공하는 광 분배기(beam splitter)일 수 있다. 이 경우, 상기 반사면에 평행하는 편광 방향을 갖는 에스-편광된 빔(s-polarized beam)은 상기 반사면에서 반사되고, 상기 에스-편광된 빔에 수직하는 편광 방향을 갖는 피-편광된 빔(p-polarized beam)은 상기 반사면을 투과한다. 이에 따라, 상기 편광빔 결합기(331, 332)를 경유하는 상기 에스-편광된 빔 및 상기 피-편광된 빔은 도시된 것처럼 동일한 광경로 상을 진행할 수 있다. 결과적으로, 상기 편광빔 결합기(331, 332)는 서로 다른 편광 상태의 빔들이 그들의 편광 상태들에서의 변형없이 하나의 광 경로 상으로 결합시킨다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 이러한 목적을 달성할 수 있는 광학 소자들은 도 4에 도시된 구조에 한정되지 않고 상기 편광빔 결합기(331, 332)로서 사용될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 편광빔 결합기(331, 332)는 이를 경유한 빔들의 편광 방향에서의 차이가 90도를 이루도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 편광빔 결합기들(331, 332) 각각에는, 상기 편광빔 결합기(331, 332)에서 반사되는 에스-편광된 빔 및 이를 투과하는 피-편광된 빔의 진행 경로로 사용되는, 두개의 상기 제 2 광섬유들(341-344)이 연결된다. 이때, 상기 제 2 광섬유들(341-344)은 편광 유지 광섬유들일 수 있다. 또한, 상기 제 2 광섬유들(341-344)을 경유하는 신호광들이 90도의 편광 방향에서의 차이를 형성하면서 결합되도록, 도 5에 도시된 것처럼, 한 쌍의 상기 제 2 광섬유들(예를 들면, 341, 342)은 상기 편광빔 결합기(331, 332)의 서로 다른 표면들에 연결될 수 있다.
변형된 실시예들에 따르면, 상기 편광빔 결합기들(331, 332)은 도 4에 예시 된 구조에 한정되지 않고, 서로 다른 편광 상태를 갖는 두개의 빔들을 그들의 편광 상태들에서의 실질적인 변형없이 하나의 광 경로 상으로 결합시킬 수 있는 알려진 광학 소자들 중의 하나일 수 있다.
한편, 상기 양자 채널(Quantum channel, QC)과 상기 경로 의존 편광 선택부(300) 사이에는 광 감쇄기(optical attenuator, OA)가 더 배치될 수 있다. 상기 광 감쇄기(OA)는 펄스당 한 개 이하의 광자가 포함되도록 상기 신호광의 세기를 감쇄시키도록 구성될 수 있다. 상기 광 감쇄기(OA)와 상기 편광 유지 광결합기(310)는 단일모드 광섬유(single mode optical fiber)를 통해 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 수신부(2000)는 편광 의존 경로 선택부(500) 및 광자 검출 장치들(601-604)을 포함할 수 있다. 상기 편광 의존 경로 선택부(500)는 상기 양자 채널(QC)로부터 입사되는 신호광의 진행 경로를 결정하도록 구성되고, 상기 광자 검출 장치들(601-604)는 상기 편광 의존 경로 선택부(500)에 의해 결정된 경로를 진행하는 신호광을 검출하도록 구성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 양자 채널(QC)과 상기 편광 의존 경로 선택부(500) 사이에는 편광 조절기(polarization controller, PC)가 더 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 편광 의존 경로 선택부(500)는 상기 신호광의 편광 방향에 따라 상기 광자 검출 장치들(601-604) 중의 하나로 상기 신호광을 전송하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 편광 의존 경로 선택부(500)는 편광 유지 광분할기(510), 두개의 제 3 광섬유들(521, 522), 두개의 편광빔 분할기들(531, 532) 및 네개의 제 4 광섬유들(541, 542, 543, 544)을 포함할 수 있다. 상 기 제 3 광섬유들(521, 522)은 상기 편광 유지 광분할기(510)와 상기 편광빔 분할기들(531, 532)을 광학적으로 연결하고, 상기 제 4 광섬유들(541-544)은 상기 편광빔 분할기들(531, 532)과 상기 광자 검출 장치들(601-604)을 광학적으로 연결한다. 이에 따라, 상기 송신부(1000)로부터 전송되는 신호광은, 상기 편광 유지 광분할기(510), 상기 제 3 광섬유(521, 522), 상기 편광빔 분할기(531, 532) 및 상기 제 4 광섬유(541-544)를 거쳐 상기 광자 검출 장치들(601-604) 중의 하나에서 측정될 수 있다.
상기 편광 유지 광분할기(510)는 상기 신호광을 상기 제 3 광섬유들(521, 522)로 분할시키도록 구성되며, 상기 제 3 광섬유들(521, 522)은 그들의 편광축들 사이의 각도가 45도를 이루도록 상기 편광 유지 광분할기(510)에 연결될 수 있다. (예를 들면, 도 3에 도시된 것처럼, 0도 및 45도.) 일 실시예에 따르면, 상기 신호광의 진행 방향에서의 차이를 제외하면, 상기 편광 유지 광분할기(510)는 상기 송신부(1000)의 편광 유지 광결합기(310)와 실질적으로 동일할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 상기 편광 유지 광결합기(310)와 다른 광학 소자일 수 있음은 자명하다.
상기 편광빔 분할기들(531, 532) 각각은 상기 제 3 광섬유들(521, 522)을 경유하는 신호광을 그 편광 상태에 따라 서로 다른 두 경로들 중의 하나로 전송하도록 구성된다. 상기 편광빔 분할기(531, 532)에 의해 정의되는 두 광경로들은 상기 제 4 광섬유들(541-544)에 의해 정의된다. 즉, 상기 편광빔 분할기들(531, 532) 각각에는 두개의 상기 제 4 광섬유들(541-544)이 연결될 수 있다. 이때, 상기 신호광의 진행 경로가 그 편광 상태(즉, 0도, 45도, 90도 및 135도)에 따라 결정될 수 있도록, 상기 편광빔 분할기(531, 532)는 도 4를 참조하여 설명된 광학 소자일 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면, 상기 편광빔 분할기(531, 532)은 상기 신호광의 진행 방향에서의 차이를 제외하면 상기 송신부(1000)의 편광빔 결합기(331, 332)와 실질적으로 동일한 광학 소자일 수 있다. 하지만, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 편광빔 분할기(531, 532)는 상기 편광빔 결합기(331, 332)와 다른 광학 소자일 수도 있다.
상기 제 3 광섬유들(521, 522) 및 상기 제 4 광섬유들(541-544)은 편광 유지 광섬유 또는 단일 모드 광섬유일 수 있다. 이때, 상기 제 3 광섬유들(521, 522) 또는 상기 제 4 광섬유들(541-544) 상에는 상기 신호광의 편광을 제어하기 위한 편광 제어기들이 더 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 B92 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부 및 수신부를 개략적으로 도시하는 도면들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 실시예들에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 이 실시예에 따른 송신부(1000)는 광원(100), 광경로 선택 장치(201) 및 경로 의존 편광 선택부(301)를 포함할 수 있다.
상기 광경로 선택 장치(201)는 상기 경로 의존 편광 선택부(301)로 입사되는 상기 신호광의 경로를 제어하도록 구성된다. 이때, 이 실시예에 따른 상기 광경로 선택 장치(201)는 출력 포트들로 사용되는 두개의 제 1 광섬유들(321, 322)에 직접 연결된다는 점에서, 네개의 출력 포트들을 갖는 앞선 실시예들의 광경로 선택 장치(200)와 구별될 수 있다.
또한, 상기 경로 의존 편광 선택부(301)는 상기 양자 채널(QC)과 상기 광경로 선택 장치(201) 사이를 광학적으로 연결하며, 상기 양자 채널(QC)로 입사되는 상기 신호광의 편광 상태를 결정하도록 구성된다. 이 실시예에 따른 상기 경로 의존 편광 선택부(301)는 편광 유지 광결합기(310) 및 상기 편광 유지 광결합기(310)와 상기 광경로 선택 장치(201)를 연결하는 두개의 제 1 광섬유들(321, 322)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 광섬유들(321, 322)이 상기 광경로 선택 장치(201)에 직접 연결된다는 점에서, 이 실시예에 따른 상기 경로 의존 편광 선택부(301)는 두개의 편광빔 결합기들(331, 332) 및 네개의 제 2 광섬유들(341, 342, 343, 344)을 더 포함하는 앞선 실시예들의 상기 경로 의존 편광 선택부(300)와 구별될 수 있다.
상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 앞선 실시예에서와 마찬가지로 편광유지광섬유일 수 있으며, 상기 편광 유지 광결합기(310)에서, 상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 그들의 편광축들 사이의 각도(θ)가 도 5에 도시된 것처럼 45도를 이루도록 연결된다.
도 7을 참조하면, 이 실시예에 따른 수신부(2000)는 편광 의존 경로 선택부(501) 및 두개의 광자 검출 장치들(601, 602)을 포함할 수 있다. 상기 편광 의존 경로 선택부(501)는 상기 신호광의 편광 방향에 따라 상기 광자 검출 장치들(601, 602) 중의 하나로 상기 신호광을 전송하도록 구성되고, 상기 광자 검출 장치들(601, 602)는 상기 편광 의존 경로 선택부(501)에 의해 결정된 경로를 진행하는 신호광을 검출하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 편광 의존 경로 선택부(501)는 편광 유지 광분할기(510), 두개의 제 3 광섬유들(521, 522), 두개의 편광빔 분할기들(531, 532) 및 두개의 제4광섬유들(541, 542)을 포함할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 제 3 광섬유들(521, 522)은 도시된 것처럼 45도의 편광 방향에서의 차이(예를 들면, 0도 및 45도)를 구현하도록 구성될 수 있으며, 마찬가지로, 상기 제 4 광섬유들(541, 542)은 45도의 편광 방향에서의 차이(예를 들면, 90도 및 135도)를 구현하도록 구성될 수 있다.
도 8은 B92 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신부를 개략적으로 도시하는 도면이다. 설명의 간결함을 위해, 도 6을 참조하여 설명된 실시예에서와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 이 실시예에 따른 송신부(1000)는 광원(100), 광경로 선택 장치(202) 및 경로 의존 편광 선택부(302)를 포함할 수 있다.
상기 광경로 선택 장치(202)는 상기 경로 의존 편광 선택부(301)로 입사되는 상기 신호광의 경로를 제어하도록 구성될 수 있으며, 도 6을 참조하여 설명된 광경로 선택 장치(201)와 동일할 수 있다. 즉, 이 실시예에 따른 상기 광경로 선택 장치(202)는 출력 포트들로 사용되는 두개의 제 1 광섬유들(321, 322)에 직접 연결된다는 점에서, 네개의 출력 포트들을 갖는 도 2를 참조하여 설명된 실시예의 광경로 선택 장치(200)와 구별될 수 있다.
또한, 상기 경로 의존 편광 선택부(302)는 상기 양자 채널(QC)과 상기 광경로 선택 장치(201) 사이를 광학적으로 연결하며, 상기 양자 채널(QC)로 입사되는 상기 신호광의 편광 상태를 결정하도록 구성된다. 이 실시예에 따른 상기 경로 의 존 편광 선택부(302)는 편광 유지 광결합기(310), 두개의 제 1 광섬유들(321, 322) 및 두개의 편광기들(351, 352)을 포함할 수 있다.
상기 편광 유지 광결합기(310)는 도 2를 참조하여 설명된 실시예의 그것과 동일할 수 있다. 또한, 상기 제 1 광섬유들(321, 322)은 상기 광경로 선택 장치(202)와 상기 편광기들(351, 352)을 광학적으로 연결하며, 편광유지광섬유 또는 단일 모드 광섬유일 수 있다. 상기 편광기들(351, 352)은 상기 제 1 광섬유들(321, 322)과 상기 편광 유지 광결합기(310) 사이에 배치되어 소정의 편광 방향의 신호광 만을 선택적으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 편광기들(351, 352)은 그들의 편광축들 사이의 각도가 45도를 이루도록 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양자 암호 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2은 BB84 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 BB84 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광빔 결합기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 유지 광결합기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 B92 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 B92 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 B92 프로토콜을 구현하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신부를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (17)

  1. 신호광을 생성하는 광원;
    상기 신호광을 수신부로 전송하는 경로로 사용되는 양자 채널;
    상기 광원과 상기 양자 채널 사이에 배치되는 광경로 선택 장치; 및
    상기 광경로 선택 장치와 상기 양자 채널 사이에 배치되는 경로 의존 편광 선택부를 포함하되,
    상기 광경로 선택 장치 및 상기 경로 의존 편광 선택부는 적어도 두개의 진행 경로들을 통하여 광학적으로 연결되고,
    상기 광경로 선택 장치는 상기 진행 경로들 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 진행 경로에 상기 신호광을 전송하고,
    상기 경로 의존 편광 선택부는 상기 신호광의 편광 방향을 상기 선택된 진행 경로에 의존하여 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광경로 선택 장치는 기계적 수단들(mechanical means), 전기-광학적 효과들(electro-optic effects), 자기-광학적 효과들(magneto-optic effects) 중의 적어도 한가지를 이용하여 상기 신호광의 상기 선택된 진행 경로를 선택하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 의존 편광 선택부는
    상기 신호광의 두개의 진행 경로들로 사용되는 두개의 제 1 광섬유들; 및
    상기 제 1 광섬유들과 상기 양자 채널 사이에 배치되는 편광 유지 광결합기를 포함하되,
    상기 편광 유지 광결합기는 상기 제 1 광섬유들의 편광축들 사이의 각도가 45도를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유들은 상기 광경로 선택 장치에 연결되는 편광유지 광섬유들이고, 상기 두개의 제 1 광섬유들은 그들의 편광축들 사이의 각도가 45도를 이루면서 상기 편광 유지 광결합기에서 결합되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유들은 상기 광경로 선택 장치에 연결되는 편광유지 광섬유들이고,
    상기 편광 유지 광결합기는
    상기 두개의 제 1 광섬유들 각각에 연결되는 두개의 편광기들; 및
    상기 편광기들과 상기 양자 채널을 연결하는 광 결합기를 포함하되,
    상기 편광기들의 편광축들 사이의 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 경로 의존 편광 선택부는
    상기 제 1 광섬유들과 상기 광경로 선택 장치 사이에 배치되는 네개의 제 2 광섬유들; 및
    상기 제 1 광섬유들과 상기 제 2 광섬유들 사이에 배치되는 편광빔 결합기들을 더 포함하되,
    상기 편광빔 결합기들에는 각각 두개씩의 상기 제 2 광섬유들이 연결되고,
    상기 편광빔 결합기들 각각에 연결되는 상기 제 2 광섬유들의 편광축들 사이의 각도는 90도이고,
    서로 다른 편광빔 결합기들에 연결되는 상기 제 2 광섬유들의 편광축들 사이의 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 광섬유들은 상기 광경로 선택 장치에 연결되는 편광유지 광섬유들인 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 의존 편광 선택부는 수동 소자들로 구성됨으로써, 상기 양자 채널로 입사되는 상기 신호광의 편광 방향은 상기 광 경로 선택 장치에 의해 선택된 상기 신호광의 진행 경로에 의해서만 결정되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스 템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 광경로 선택 장치의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는 상기 신호광이 전달되는 광경로를 선택하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 의존 편광 선택부와 상기 양자 채널 사이에 배치되는 광 감쇄기를 더 포함하는 양자 암호 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 감쇄기와 상기 경로 의존 편광 선택부를 연결하는 단일 모드 광섬유를 더 포함하는 양자 암호 시스템.
  12. 송신부로부터의 신호광이 전송되는 양자 채널;
    상기 신호광을 검출하는 적어도 2개의 광자 검출 장치들; 및
    상기 양자 채널과 상기 광자 검출 장치들 사이에 배치되는 편광 의존 경로 선택부를 포함하되,
    상기 편광 의존 경로 선택부는 상기 신호광의 편광 방향에 따라 상기 광자 검출 장치들 중의 하나로 상기 신호광을 전송하도록 구성되고,
    상기 편광 의존 경로 선택부는
    상기 양자 채널로부터 전송되는 상기 신호광이 입사되는 편광 유지 광결합기;
    상기 편광 유지 광결합기와 상기 광자 검출 장치들 각각의 사이에 배치되는 편광빔 분할기들;
    상기 편광 유지 광결합기와 상기 편광빔 분할기들 각각을 연결하는 제 3 광섬유들; 및
    상기 편광빔 분할기들과 상기 광자 검출 장치들을 연결하는 제 4 광섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 편광 유지 광결합기에는 두개의 상기 제 3 광섬유들이 연결되되, 상기 제 3 광섬유들은, 그들의 편광축들 사이의 각도가 45도를 이루면서, 상기 편광 유지 광결합기에 연결되는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 광섬유들은 편광 유지 광섬유들인 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 양자 암호 시스템은 각각 두개씩의 상기 광자 검출 장치들, 상기 편광빔 분할기들 및 상기 제 4 광섬유들을 포함함으로써, B92 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 시스템의 수신부를 구성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 양자 암호 시스템은 네개의 상기 광자 검출 장치들, 두개의 상기 편광빔 분할기들 및 네개의 상기 제 4 광섬유들을 포함함으로써, BB84 프로토콜에 따른 양자 암호 키 분배 시스템의 수신부를 구성하는 것을 특징으로 하는 양자 암호 시스템.
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