KR102225679B1 - 시분할 쿼드러쳐 호모다인 연속변수 양자 암호 키분배 시스템 - Google Patents

시분할 쿼드러쳐 호모다인 연속변수 양자 암호 키분배 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시분할 쿼드러쳐 호모다인 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 연속변수 양자암호키 분배시스템은, 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 송신기, 및 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 직교 위상으로 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 수신기를 포함한다.

Description

시분할 쿼드러쳐 호모다인 연속변수 양자 암호 키분배 시스템{Time Division Quadrature Homodyne CV QKD system}
본 발명은 연속변수 양자 암호 키 분배 (CV QKD, Continuous Variable Quantum Key Distribution) 시스템에 관한 것으로서, 특히, 시분할 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 균형 검출기(balanced detector)를 적용함으로써 편광 흔들림에 강인한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 관한 것이다.
일반적인 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에서, 송신기(Alice)는, 연속광에 대해 진폭 변조기(AM, Amplitude modulator)를 통해 펄스파를 생성한 후, 편광빔스플리터(PBS, Polarization Beam Splitter)로 신호(signal)펄스와 LO(local oscillator)펄스로 분리한다. 다음에, 신호펄스는 진폭 변조기(AM)와 위상변조기(PM, Phase modulator)을 통해 원하는 데이터 값으로 변조된다. 그 후 편광빔스플리터(PBS)를 통해 서로 수직된 편광을 갖는 변조된 신호펄스와 LO펄스는 합쳐져서 광섬유채널로 출력된다.
수신기(Bob)에서는, 먼저, 채널을 통해 들어온 신호는 동적편광제어기(DPC, Dynamic polarization controller)를 통해 채널에서 유입되는 편광 흔들림을 보정한다. 이와 같이 보정된 신호는 편광빔스플리터(PBS)를 통해 다시 신호펄스와 LO펄스로 갈라지고 위상변조기(PM)를 통해 호모다인(homodyne) 검출기의 쿼드러쳐(quadrature)를 결정할 LO펄스의 기준위상(reference phase) (0도 또는 90도)를 임의로 변조하고, 빔스플리터(BS)를 통해 신호펄스와 LO펄스는 합쳐져 호모다인 방식에 따른 상태 검출을 수행한다.
그러나, 종래의 연속변수 양자암호키 분배(CV QKD)에서는, I-Q 직교 호모다인 측정을 하는데 있어 2세트의 광간섭계가 필요하고 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 요구되므로 비용이 증가할 뿐만아니라, 퀀텀 레벨의 신호펄스와 강한신호 LO펄스가 공격자(Eve)의 채널 공격에 의한 편광 흔들림으로 비밀성(secrecy)이 크게 감소될 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존 연속변수 양자암호전송 기술에 있어 I-Q 직교 호모다인 측정을 하는데 있어 2세트의 광간섭계가 필요했으나 본 발명은 한 세트의 간섭계로 I-Q 직교 호모다인(헤테로다인) 측정이 가능한, 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 시분할 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 하나의 균형 검출기(balanced detector)를 적용함으로써, 수신측에서 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 연속변수 양자암호키 분배시스템은, 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 송신기; 및 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차(예, 45도)로 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 수신기를 포함한다.
상기 송신기는, 상기 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성하는 제1진폭변조기; 및 상기 펄스파에 대한 진폭 변조와 위상 변조를 통해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 IQ 데이터 변조기를 포함한다.
상기 펄스파는 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 신호 펄스와 상기 LO 펄스를 반복적으로 발생된다.
상기 IQ 데이터 변조기는 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여 상기 진폭 변조와 상기 위상 변조를 수행한다.
상기 수신기는, 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호 및 제2분리신호를 출력하는 제1커플러; 상기 제1분리신호 또는 상기 제2분리신호에 대해 상기 광 펄스의 한 주기를 지연시키는 딜레이 라인; 위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변시키는 위상 변환기; 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 해당 두 신호를 합성하여 2개의 경로로 제1합성신호 및 제2합성신호를 출력하는 제2커플러; 및 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 위상제어신호를 생성하고, 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 균형검출기를 포함한다.
상기 균형검출기는, 상기 위상 고정을 위한 상기 위상제어신호를 생성한다.
상기 균형검출기는, 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호의 간섭된 출력 펄스가 고정된 상기 위상차에 따라 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I성분과 Q성분이 합성되어 나타나도록 상기 위상제어신호를 생성한다.
상기 균형검출기는, 상기 위상차를 45도로 하여 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호에 대한 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I성분과 Q성분의 합과 I성분과 Q성분의 차가 번갈아 나타나도록 상기 위상제어신호를 생성한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 연속변수 양자암호키 분배 방법은, 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계; 및 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차를 갖도록 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 따르면, 시분할 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 하나의 균형 검출기(balanced detector)를 적용함으로써, 수신측에서 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 따르면, 신호 펄스와 LO 펄스를 분리하여 전송하지 않아 채널과 시스템에서 발생하는 편광 흔들림의 영향을 받지 않는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 따르면, 수신측에서 수신된 광 펄스의 분리된 신호들이 상기 광 펄스의 한 주기(T, 또는 90도)에 대응된 시간 차이를 갖고 소정의 위상으로의 위상 고정이 이루어져, 각 홀수 주기 및 짝수 주기의 데이터를 시분할 구분하여 각 구분된 데이터들을 호모다인 방식으로 검출이 가능하므로 최대의 키 전송률을 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템에 따르면, 기존 검출 방식에서 발생하는 LO 펄스 누설(leakage)에 의한 과잉 잡음(excess noise)을 고려하지 않아도 되기 때문에 Excess noise를 줄이는 측면에서 매우 효과적이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다
도 2는 본 발명의 송신기(Alice)의 IQ 변조의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 송신기(Alice)의 전송 광 펄스의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 수신기(Bob)의 상태 검출의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 변수 양자 암호 키 분배(CVQKD)를 위한 시스템(100)은, 양자채널(광전송로) 상에서 광 통신하는 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 포함한다.
송신기(Alice)와 수신기(Bob)는 네트워크, 즉, 유무선 인터넷, 이동통신망 등 퍼블릭(public) 채널을 제공하는 네트워크 상의 다양한 광통신 장비에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이더넷 장비, L2/L3 장비, 네트워크 상의 서버 등은 광통신을 통해 서로 필요한 데이터를 송수신하기 위하여, 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜에 따른 양자 암호 키를 제공하거나 제공받기 위한 송신기(Alice)와 수신기(Bob)를 구비할 수 있다.
송신기(Alice)는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 레이저 등의 연속광(CW)(예, 파장 1550nm)을 이용하여 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다.
수신기(Bob)는 양자채널(광전송로)을 통해 수신하는 양자 상태 데이터의 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상 차이(예, 45도)으로 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
도 1과 같이, 송신기(Alice)는 제1진폭변조기(Amplitude Modulator)(110), IQ 데이터 변조기(120), 및 후처리부(150)를 포함하고, 이들의 동작을 위하여 제1DAC(Digital to Analog Converter)(111), 제2DAC(121), 제3DAC(122)를 더 포함한다.
수신기(Bob)는 제1커플러(210), 딜레이라인(221), 위상 변환기(phase shifter)(222), 제2커플러(230), 균형검출기(balanced detector)(240), 및 후처리부(250)을 포함한다.
도 2는 본 발명의 송신기(Alice)의 IQ 변조의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
송신기(Alice)는 전송 대상 암호 키에 해당하는 소정의 코드화된 암호 키에 대하여 레이저 등의 연속광(CW)을 이용하여 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다.
이를 위하여, 제1진폭변조기(110)는 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광(CW)에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO(Local Oscillator)펄스를 포함하는 펄스파를 주기적으로 반복 생성하는 카빙 변조기(Carving Modulator)에 해당한다. 제1진폭변조기(110)는 도 2와 같이 전송대상암호키의 데이터에 따른 제1DAC(111)의 출력을 이용하여 해당 신호펄스와 LO펄스 구간의 교번 신호의 크기에 따른 연속광(CW)의 변조로, 해당 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성한다.
IQ 데이터 변조기(120)는 제1진폭변조기(110)로부터의 펄스파에 대한, 제2진폭변조기(AM2)에 의한 진폭 변조와 위상 변조기(PM)에 의한 위상 변조를 통해, 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송한다.
IQ 데이터 변조기(120)는 후처리부(150)의 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)로부터의 소정의 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여, 제2진폭변조기(AM2)에 의한 진폭 변조와 위상 변조기(PM)에 의한 위상 변조를 수행한다. 후처리부(150)의 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)가 생성하는 소정의 랜덤한 가우시안 분포값(I, Q)은, 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)(MD Reconcil)로 제공된다.
예를 들어, 전송되는 양자 상태 데이터의 광 펄스가 되도록 하기 위한, 상기 랜덤한 가우시안 분포값에 따라 제2DAC(121)와 제3DAC(122)가 도 2와 같이 그에 대응되는 신호를 출력한다. 이에 따라, IQ 데이터 변조기(120)는 제1진폭변조기(110)로부터의 펄스파에 대하여, 제2진폭변조기(AM2)에 의한 진폭 변조와 위상 변조기(PM)에 의한 위상 변조를 통해, 양자 상태 데이터의 해당 광 펄스를 생성하여 양자채널(광전송로)로 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 송신기(Alice)의 전송 광 펄스의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이, IQ 데이터 변조기(120)는 주기적인(주기 T) 광 펄스들을 생성하여 출력하며, 양자 상태 데이터의 광 펄스를 양자채널(광전송로)로 전송할 수 있다.
도 2에서 제3DAC(122)의 출력은 위상 변조기(PM)에서의 위상 변조값의 예를 나타내고(예, 위상각 80, 60, 70, 0, 40, 20,..), IQ 데이터 변조기(120)의 위상 변조기(PM)는 예를 들어 각 주기(T) 구간에 대한 위상 변조값(예, 위상각 80, 60, 70, 0, 40, 20,..)에 따라, 제2진폭변조기(AM2)의 출력에 대한 위상 변조를 통해, 해당 진폭과 위상 변조값(예, 위상각 80, 60, 70, 0, 40, 20,..)이 포함된 광 펄스를 양자채널(광전송로)로 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명의 수신기(Bob)의 상태 검출의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
수신기(Bob)는 양자채널(광전송로)을 통해 수신하는 송신기(Alice)로부터의 양자 상태 데이터의 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상 차이(예, 45도)으로 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
이를 위하여 제1커플러(210)는, 양자채널(광전송로)로부터 수신되는 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호(211) 및 제2분리신호(212)를 출력한다. 제1커플러(210)는 빔스플리터일 수 있다.
딜레이라인(221)은 제1분리신호(211) 또는 제2분리신호(212) 중 하나에 대해 상기 광 펄스의 한 주기(T)를 지연시킨다. 도면에서 딜레이라인(221)은 제2분리신호(212)의 경로 상에 구비된 것을 도시하였으나, 경우에 따라 제1분리신호(211)의 경로 상에 구비될 수도 있다.
위상 변환기(222)는 균형검출기(240)로부터의 위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변시켜서 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록, 즉, 상기 두 신호가 소정의 위상 차이(예, 45도)를 갖도록 조절한다. 일례로, 위상 변환기(222)는 피에조 필름 타입의 액츄에이터에 광섬유를 감아 놓은 모듈 형태일 수 있다. 상기 액츄에이터는 전기적 신호에 따라 광섬유 경로 길이를 조절하여 광위상을 가변시킬 수 있다. 도면에서 위상 변환기(222)는 제2분리신호(212)의 경로 상에 구비된 것을 도시하였으나, 경우에 따라 제1분리신호(211)의 경로 상에 구비될 수도 있다.
제2커플러(230)는 딜레이라인(221)에 기초한, 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 상기 두 신호(211, 212)를 입력받되, 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 시간 차이가 있는 해당 두 신호(211, 212)를 입력받는다. 즉, 입력되는 상기 두 신호 중 하나는 위상 변환기(222)에 기초한 광위상이 변경된 신호로 입력된다. 이와 같이 상기 광 펄스의 한 주기(T)의 시간 차이가 있는 상기 두 신호(211, 212)를 입력받되 하나의 신호는 위상 변경된 상태로 입력 받는 제2커플러(230)는, 해당 두 신호를 합성하여 2개의 경로 각각으로 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)를 출력한다. 제2커플러(230)는 빔스플리터일 수 있다. 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id) 각각은, 상기 두 신호(211, 212)의 합의 파워에 대응된 신호 및 상기 두 신호(211, 212)의 차이의 파워에 대응된 신호일 수 있다.
균형검출기(240)(또는 평형광검출기)는 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)로부터 상기 위상제어신호를 생성하여 위상 변환기(222)으로 피드백하여 제1분리신호(211)와 제2분리신호(212)의 위상이 소정의 위상 차이(예, 45도)로 고정되도록 제어하고, 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성한다.
예를 들어, 균형검출기(240)는 제2커플러(230)로부터의 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)의 간섭된 출력 펄스가 고정된 위상 차이(예, 45도)에 따라 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I(In-phase) 성분과 Q(Quadrature-phase) 성분이 합성되어 나타나도록 상기 위상제어신호를 생성한다. 즉, 제2커플러(230)로 입력되는 두 신호(211, 212)가 소정의 위상 차이(예, 45도)를 갖도록 위상 고정(phase lock)을 위한 상기 위상제어신호를 생성하여 피드백한다. 예를 들어, 균형검출기(240)는 제2커플러(230)로 입력되는 두 신호(211, 212)의 위상차를 45도로 하여 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)에 대한 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I성분과 Q성분의 합과 I성분과 Q성분의 차가 번갈아 나타나도록 제어할 수 있다.
한편, 제1분리신호(211)와 제2분리신호(212)가 상기 광 펄스의 한 주기(T, 또는 90도)로 시간 차이를 가지면서 균형검출기(240)는 두 신호의 광위상 차이가 소정의 위상 차이(예, 45도)를 갖도록 위상을 고정시킴으로써 도 4와 같이, 예를 들어, t1=T, t2=2T에 데이터를 실어 전송가능 하므로 각 홀수 주기 및 짝수 주기의 데이터를 시분할 구분하여 각 구분된 데이터들을 호모다인 방식으로 검출이 가능하고 이를 통해 최대의 키 전송률을 얻을 수 있다. 이외에도 본 발명에서는 기존 검출 방식에서 발생하는 LO 펄스 누설(leakage)에 의한 과잉 잡음(excess noise)을 고려하지 않아도 되기 때문에 Excess noise를 줄이는 측면에서 매우 효과적이다.
예를 들어, 균형검출기(240)는 코드화된 암호 키에 대응하는 수신된 양자 상태 데이터에 대한 호모다인(homodyne) 방식에 따른 상태 검출을 수행하여 해당 전기적 신호, 즉, 비트 정보(디지털 코드)를 생성할 수 있다. 상태 검출을 위하여 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)의 차이 신호(IHOM)가 이용될 수 있다. 또한, 균형검출기(240)에서의 차이 신호(IHOM)는 후처리부(250)의 ADC(Analog to Digital Converter)로 제공된다.
송신기(Alice)에서 전송한 전송 대상 암호 키와 수신기(Bob)가 검출한 비트 정보를 일치시키기 위하여, 균형검출기(240)에서 상태 검출을 수행하여 생성한 해당 비트 정보를 후처리, 즉, 에러 정정(error correction) 기법 및 비밀성 증폭(privacy amplification) 기법 등을 적용하여 정정된 양자 암호 키를 산출하여 공유한다. 수신기(Bob)의 후처리부(250)와 송신기(Alice)의 후처리부(150)는, 이와 같은 후처리 과정을 수행한다.
예를 들어, 수신기(Bob)의 후처리부(250)에서는 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)가, 랜덤 비트 시퀀스 생성부(RND Bit Seq)를 이용하여 생성한 다중 에지 타입 저밀도 패리티 체크 코드(Multi-edge-type Low Density Parity Check code)와, 균형검출기(240)의 출력, 즉, 제1합성신호(Iu) 및 제2합성신호(Id)의 차이 신호(IHOM)에 대하여 ADC(Analog to Digital Converter)에서 출력하는 값들(I, Q)을 이용해, 에러정정을 수행한다. 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)는 에러정정한 결과에 따른 정보를 퍼블릭 채널 등을 통해 송신기(Alice)로 전송하여 송신기(Alice)가 에러정정에 이용하도록 할 수 있다.
송신기(Alice)의 후처리부(150)에서는, 예를 들어, 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)를 이용하여 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)가 에러정정을 수행하여 다중 에지 타입 저밀도 패리티 체크 코드(Multi-edge-type Low Density Parity Check code)를 생성할 수 있다. 다차원 에러 정정부(multidimensional reconciliation)는, 랜덤 가우스 쿼드러쳐 변조부(RND Gauss Quad Mod)가 생성하는 다차원 소정의 랜덤한 가우시안 분포값들(I, Q)을 이용하고, 수신기(Bob)의 후처리부(250)로부터 에러정정한 결과에 따른 정보를 수신하여 에러정정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템(100)에 따르면, 시분할 쿼드러쳐 호모다인 검출에 의해 헤테로다인 검출의 효과를 나타낼 수 있도록 하나의 균형 검출기(240)를 적용함으로써, 수신기(Bob)에서 편광빔 스플리터 및 동적 편광 제어기 등이 불필요하고 낮은 비용으로 Short-haul access network(단거리 액세스 네트워크)에 적합한 연속변수 양자 암호 키분배 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 신호 펄스와 LO 펄스를 분리하여 전송하지 않아 채널과 시스템에서 발생하는 편광 흔들림의 영향을 받지 않는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 연속변수 양자 암호 키분배 시스템(100)에 따르면, 수신기(Bob)에서 수신된 광 펄스의 분리된 신호들이 상기 광 펄스의 한 주기(T, 또는 90도)에 대응된 시간 차이를 갖고 소정의 위상 차이(예, 45도)로 위상 고정이 이루어져, 각 홀수 주기 및 짝수 주기의 데이터를 시분할 구분하여 각 구분된 데이터들을 호모다인 방식으로 검출이 가능하므로 최대의 키 전송률을 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 기존 검출 방식에서 발생하는 LO 펄스 누설(leakage)에 의한 과잉 잡음(excess noise)을 고려하지 않아도 되기 때문에 Excess noise를 줄이는 측면에서 매우 효과적이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
송신기(Alice)
수신기(Bob)
제1진폭변조기(110)
IQ 데이터 변조기(120)
후처리부(150)
제1DAC(111)
제2DAC(121)
제3DAC(122)
제1커플러(210)
위상 변환기(222)
제2커플러(230)
균형검출기(240)
후처리부(250)

Claims (10)

  1. 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 송신기로부터, 양자 채널을 통해 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차로 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 수신기를 포함하고,
    상기 수신기는, 양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 분리해 2개의 경로 각각으로 제1분리신호 및 제2분리신호를 출력하는 제1커플러; 상기 제1분리신호 또는 상기 제2분리신호에 대해 상기 광 펄스의 한 주기를 지연시키는 딜레이 라인;
    위상제어신호에 따라 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 상기 두 신호의 상대적 광위상이 가변되도록 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변시키는 위상 변환기; 상기 두 신호 중 하나의 광위상을 가변 후의, 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 해당 두 신호를 합성하여 2개의 경로로 제1합성신호 및 제2합성신호를 출력하는 제2커플러; 및
    상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호로부터, 상기 위상제어신호를 생성하고, 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 균형검출기
    를 포함하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상차는 45도인 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는,
    상기 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성하는 제1진폭변조기; 및
    상기 펄스파에 대한 진폭 변조와 위상 변조를 통해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 IQ 데이터 변조기
    를 포함하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 펄스파는 한 주기의 시간 차이로 반복적으로 발생되는 상기 신호 펄스와 상기 LO 펄스를 포함하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 IQ 데이터 변조기는 랜덤한 가우시안 분포값을 이용하여 상기 진폭 변조와 상기 위상 변조를 수행하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 균형검출기는, 상기 위상 고정을 위한 상기 위상제어신호를 생성하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 균형검출기는, 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호의 간섭된 출력 펄스가 고정된 상기 위상차에 따라 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I성분과 Q성분이 합성되어 나타나도록 상기 위상제어신호를 생성하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 균형검출기는, 상기 위상차를 45도로 하여 상기 제1합성신호 및 상기 제2합성신호에 대한 호모다인 검출 방식에 의한 결과에서 I성분과 Q성분의 합과 I성분과 Q성분의 차가 번갈아 나타나도록 상기 위상제어신호를 생성하는 연속변수 양자암호키 분배시스템.
  10. 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광을 이용해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계; 및
    양자 채널로부터 수신되는 상기 광 펄스를 2개의 경로로 분리하여 상기 광 펄스의 한 주기의 시간 차이가 있는 두 신호에 대해 소정의 위상차를 갖도록 위상 고정시킨 후 다시 합성한 신호들로부터 시분할 호모다인 방식으로 상태 검출을 통해 비트 정보를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계는,
    상기 전송대상암호키의 데이터에 따라 연속광에 대해 진폭 변조를 통해 신호펄스와 LO펄스를 포함하는 펄스파를 생성하는 단계; 및
    상기 펄스파에 대한 진폭 변조와 위상 변조를 통해 양자 상태 데이터의 광 펄스를 생성하는 단계
    를 포함하는 연속변수 양자암호키 분배 방법.

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