KR20220028633A - 수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배를 위한 수신장치 - Google Patents

수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배를 위한 수신장치 Download PDF

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Abstract

수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배(Quantum Key Distribution; QKD)를 위한 수신장치를 개시한다.
본 실시예는, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD(Quantum Key Distribution)에 있어서, 위상 디코딩(phase decoding) 시 능동소자를 사용할 경우 발생하는 편광 의존성을 제거하기 위해 수신장치가 수동소자를 기반으로 위상 디코딩을 실행한다. 또한 그 과정에서, 2 개의 간섭계를 사용하면서도 2 개의 SPD(Single Photon detector)를 사용하는 것이 가능한 QKD를 위한 수신장치를 제공한다.

Description

수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배를 위한 수신장치{Receiving Apparatus for Quantum Key Distribution Based on Passive Component}
본 개시는 수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배(Quantum Key Distribution; QKD)를 위한 수신장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 수동소자(passive component)를 기반으로 수신장치를 구현함에 있어서, 가격 경쟁력을 높이기 위해 두 개의 간섭계(interferometer)를 사용하면서도 SPD(Single Photon Detector)는 2 개만을 사용하는 QKD를 위한 수신장치에 대한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
QKD(Quantum Key Distribution)는 암호화에 필요한 양자 암호키를 생성하기 위해 이용된다. 보안 측면의 취약성에 대처하기 위해 매우 미약한 빛을 사용하기 때문에 종래의 편광 및/또는 위상 안정화 방법(특허문헌 1, 특허문헌 2 참조)은 매우 제한적으로 QKD 모듈에 적용되고 있다. 특히 위상 인코딩/디코딩(phase encoding/decoding)을 이용하는 QKD 모듈의 경우 온도 변화에 대해 매우 민감하므로 안정적인 동작을 위해서는 별도의 안정화가 필요하다. 또한 QKD를 위한 수신장치에 능동소자(active component)가 사용되는 경우 편광(polarization)에 대한 의존성으로 인하여 동작의 안정화가 더 문제가 될 수 있다.
따라서, QKD를 위한 수신장치에 수동소자를 사용하면, 능동소자 사용에 따른 문제를 완화시킬 수 있다. 다만 수동소자가 사용되는 경우, 수신장치는 2 개의 간섭계를 이용하여야 하므로 필요한 단일 광자 검출기(Single Photon Detector; SPD)의 개수도 2 개에서 4 개로 증가된다. 이는 부수적인 비용의 증가를 발생시킨다. 이런 문제를 회피하기 위한 QKD 기술로는 time bin qubit(quantum bit)을 이용하는 COW(Coherent One-Way) 프로토콜(protocol), DPS(Differential Phase Shift keying) 프로토콜 등을 들 수 있으나 보안 측면에서의 완전성이 검증되지 않았다는 문제가 있다. 한편, BB84 프로토콜은(비특허문헌 1 참조) 가장 많은 연구가 진행되었고 보안성이 완전하게 검증된 QKD를 위한 프로토콜이다.
따라서, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD에 있어서, 사용되는 SPD의 개수를 2 개로 유지하면서도 편광에 대한 의존성을 제거할 수 있는 QKD를 위한 수신장치가 요구된다.
특허문헌 1: 한국 출원번호 10-2017-0028795(양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법) 특허문헌 2: 한국 출원번호 10-2017-0104173(양자 암호키 분배 안정화 장치 및 방법)
비특허문헌 1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_key_distribution
본 개시는, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD(Quantum Key Distribution)에 있어서, 위상 디코딩(phase decoding) 시 능동소자를 사용할 경우 발생하는 편광 의존성을 제거하기 위해 수신장치가 수동소자를 기반으로 위상 디코딩을 실행한다. 또한 그 과정에서, 2 개의 간섭계를 사용하면서도 2 개의 SPD(Single Photon Detector)를 사용하는 것이 가능한 QKD를 위한 수신장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 양자 암호키 배분(Quantum Key Distribution: QKD)을 위한 수신장치에 있어서, 2 개의 광 펄스를 반사(reflection) 또는 투과(transmission)시킴으로써 단경로(short path)의 신호와 장경로(long path)의 신호를 생성하는 빔 분할기; 상기 단경로의 신호로부터 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 생성하는 제1 간섭계(interferometer), 여기서 상기 제1 간섭신호와 제2 간섭신호는 상호 반대의 위상을 가짐; 상기 장경로의 신호로부터 제3 간섭신호 및 제4 간섭신호를 생성하는 제2 간섭계, 여기서 상기 제3 간섭신호와 제4 간섭신호는 상호 반대의 위상을 가짐; 상기 제1 간섭계가 생성한 제1 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제3 간섭신호가 결합된 신호를 생성하는 제1 빔 결합기; 상기 제1 간섭계가 생성한 제2 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제4 간섭신호가 결합된 신호를 생성하는 제2 빔 결합기; 상기 제1 빔 결합기가 생성한 신호를 시간적으로 필터링하여 비트의 제1 상태에 대한 정보를 추출하는 제1 검출기; 및 상기 제2 빔 결합기가 생성한 신호를 시간적으로 필터링하여 상기 비트의 제2 상태에 대한 정보를 추출하는 제2 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신장치를 제공한다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, BB84 프로토콜을 따르는 양자 암호키 배분(Quantum Key Distribution: QKD)에 있어서, 광 펄스를 반사(reflection) 또는 투과(transmission)시킴으로써 단경로(short path)의 신호와 장경로(long path)의 신호를 생성하는 빔 분할기; 상기 단경로와 장경로 간의 시간 간격을 유지한 채로 상기 단경로의 신호와 장경로의 신호가 결합된 신호를 생성하는 빔 결합기, 여기서 상기 단경로와 장경로 중 하나의 경로에 HWP(Half Wave Plate) 포함하여, 상기 HWP가 포함된 경로를 45 도만큼 편광시킴; 상기 빔 결합기가 생성한 신호를 편광 필터링한 신호를 생성하는 편광기(Polarizing Beam Splitter: PBS), 상기 편광기는 상기 단경로 또는 상기 장경로와 결합하여 수평수직(horizontal/vertical) 또는 대각(diagonal) 편광기로 동작함으로써 베이시스(basis)를 형성함; 상기 편광기가 필터링한 신호로부터 비트의 제1 상태에 대한 정보를 추출하는 제1 검출기; 및 상기 편광기가 필터링한 신호로부터 상기 비트의 제2 상태에 대한 정보를 추출하는 제2 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD에 있어서, 수동소자를 기반으로 위상 디코딩(phase decoding)을 실행하는 수신장치를 제공함으로써, 위상 디코딩 시 능동소자를 사용할 경우 발생하는 편광 의존성을 제거하는 것이 가능해지는 효과가 있다.
또한 본 실시예에 따르면, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD에 있어서, 수동소자를 기반으로 위상 디코딩을 실행하는 과정에서 2 개의 간섭계를 사용하면서도 2 개의 SPD를 사용하는 것이 가능한 QKD를 위한 수신장치를 제공함으로써, 가격 경쟁력을 향상시키는 것이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 QKD 모듈에 대한 블록도이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 편광기를 이용한 QKD를 위한 수신장치에 대한 블록도이다.
도 3은 마흐젠더 간섭계에 대한 예시도이다.
도 4는 수동소자에 기반하는 QKD를 위한 수신장치를 개념적으로 나타낸 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예들의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
본 실시예는 수동소자에 기반하는 QKD를 위한 수신장치에 관한 내용을 개시한다. 보다 자세하게는, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD(Quantum Key Distribution)에 있어서, 위상 디코딩 시 하나의 간섭계(interferometer), 2 개의 SPD(Single Photon Detector) 사용할 경우 발생하는 편광 의존성을 제거하기 위해 수신장치가 수동소자를 기반으로 위상 디코딩(decoding)을 실행한다. 또한 그 과정에서, 2 개의 간섭계를 사용하면서도 2 개의 SPD를 사용하는 것이 가능한 QKD를 위한 수신장치를 제공한다.
이하, QKD를 위한 송수신에 있어서, 앨리스(Alice)는 송신자/송신장치를 의미하고, 밥(Bob)은 수신자/수신장치를 의미한다.
다음, 표 1을 이용하여 QKD를 위한 BB84 프포토콜을 설명한다. 표 1에 나타낸 예시는, 위상 변조(phase modulation)에 기반하는 BB84 프로토콜이다.
Figure pat00001
BB84 프로토콜에서는, 송수신 측에서 랜덤 베이시스를 이용하고, 퍼블릭 채널을 이용한 협의에 의존하여 공유 보안키(shared secret key)를 설정함으로서 송수신자 간의 보안성을 유지한다. 표 1의 예시에서, 앨리스와 밥은 비트 정보의 전송 및 수신을 위한 베이시스(basis)로서 0 또는 90 도의 위상 변조를 이용한다. 이때, RNG(Random Number Generator)를 이용하여 앨리스는 임의로 위상 인코더를 선택하고 밥은 임의로 위상 디코더를 선택한다. 비트 데이터를 송수신한 후, 앨리스와 밥은 별도의 퍼블릭 채널을 이용하여 양측에서 이용한 베이시스가 상호 일치했는지를 협의한다. 베이시스가 일치하고 송수신된 비트 정보가 정확한 비트만이 선별되어 양측 간의 공유 보안키로 이용될 수 있다.
다음, 도 3의 도시를 이용하여 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer: MZI)의 동작을 설명한다. 도 3의 (a)의 도시와 같이, 광섬유로 구현되는 경우 MZI는 상하 경로 및 2 개의 결합기를 포함한다. MZI에서는 상하 경로를 통과하면서 보강 간섭(constructive interference)된 광신호가 검출기 D1에서 검출되고, 역시 상하 경로를 통과하면서 상쇄 간섭(destructive interference)된 광신호가 검출기 D2에서 검출된다. 따라서, D1과 D2에서 검출된 광신호 간은 서로 반대의 위상을 갖는다.
이에 대하여 UMZI(Unbalanced MZI)에서는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 MZI의 한 쪽 경로에 시간지연을 유도하는 요소가 삽입된다. 따라서, UMZI의 D1 측에서는 상호 위상이 같은 2 개의 광신호가 삽입된 것과 동일한 시간지연을 두고 관찰되고, D2 측에서는 상호 반대 위상의 2 개의 광신호가 삽입된 것과 동일한 시간지연을 두고 관찰된다.
도 4는 수동소자에 기반하는 QKD를 위한 수신장치를 개념적으로 나타낸 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 밥 측의 수신장치는 상이한 베이시스를 구현하기 위한 2 개의 UMZI, 및 각 UMAZI 당 2 개의 SPD가 부착되어 모두 4 개의 SPD(D1 내지 D4)를 이용하여 구현될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 QKD 모듈에 대한 블록도이다.
본 개시에 따른 QKD 모듈(100)은 BB84 프로코콜을 실행함으로써 양자 암호키를 생성할 수 있다. QKD 모듈(100)은 앨리스 측의 QKD를 위한 송신장치(110, 이하 ‘송신장치’) 및 밥 측의 QKD를 위한 수신장치(120, 이하 ‘수신장치’)를 포함한다. 송신장치(110)는 위상 변조(phase modulation) 방식을 기반으로 광자(photon)를 전송하고, 수신장치(120)는 수동 소자를 기반으로 광자를 수신한다.
도 1의 도시는 본 실시예에 따른 예시적인 구성이며, 송신장치의 구조 및 동작, 수신장치의 구조 및 동작에 따라 다른 구성요소 또는 구성요소 간의 다른 연결을 포함하는 다양한 구현이 가능하다.
본 개시에 따른 송신장치(110)는 UMZI(112)와 위상 변조기(phase modulator, 114)의 전부 또는 일부를 포함하나, 송신장치(110)의 구성이 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 출력되는 레이저 펄스의 강도(intensity)를 조절하기 위한 진폭 변조기(미도시), 및 동작 안정화 모듈(미도시)이 포함될 수 있다.
도 3의 (b)를 이용하여 설명한 바와 같이, 입력되는 레이저 펄스에 대하여 UMZI(112)는 보강 간섭된 광원으로서 시간 간격을 갖는 두 개의 펄스를 생성한다. 여기서 두 개의 펄스 간의 시간 간격은 도 1에 도시된 바와 같은 UMZI(112)의 불균형(unbalance)의 정도인 상하 경로 간의 시간 간격(tAS - tAL)에 의존한다. 한편, 송신장치(110)는 보강 또는 상쇄 간섭되는 경로 중 하나만을 이용한다.
UMZI(112)의 출력인 두 개의 펄스 중, 두 번째 펄스에 대하여 위상 변조기(114)는 위상 인코딩 ΔφA를 적용한다. 레이저 펄스가 갖는 2 개의 상태(예를 들어 비트 정보 0 또는 1)에 대하여, 위상 변조기(114)는 4 개의 위상 인코딩 정보를 생성한다. 예컨대, 비트 정보 0은 0 또는 90 도의 위상으로 인코딩되고, 비트 정보 1은 180 또는 270 도의 위상으로 인코딩될 수 있다(또는 비트 정보 0과 1은 상호 대체될 수 있다). BB84 프로토콜을 따르기 위해 앨리스 측은 RNG(Random Number Generator)를 기반으로 임의로 위상 인코딩을 위한 베이시스(0/180 도 또는 90/270 도)를 결정할 수 있다.
본 개시의 다른 측면에 있어서, 위상 변조 시 한쪽으로 바이어스가 발생하는 것을 방지하기 위해 맨체스터 코딩(Mancheter coding)을 이용할 수 있다, 이 경우, 송신장치(110)는 위상 인코딩 ΔφA를 두 개의 펄스에 분할하여 적용할 수 있다.
송신장치(110)는 출력되는 각 펄스당 평균 파워를 광자 하나의 파워보다 작게 유지함으로써(예를 들어 10 %), 두 개의 펄스가 마치 하나의 광자인 것으로 취급될 수 있도록 한다.
한편, 입력 레이저 펄스 E1에 대하여 UMZI(112)의 출력 E2, 위상 변조기(114)의 출력 E3는 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서, E0는 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 진폭항을 포함하는 전기장으로서, 간섭계가 동작하는 온도의 영향을 받는 항이지만, 그 영향이 미미하므로 이하 상수인 것으로 가정한다. 또한 tAS, tAL은 UMZI(112)의 상하 경로 각각의 시간 지연이다.
편의상 E2는 보강 간섭된 경로의 신호로 나타내었다. E2의 두 번째 항의 부호를 마이너스로 변경하면 상쇄 간섭된 경로의 신호가 표현될 수 있다. 즉, 보강 간섭된 경로의 신호와 상쇄 간섭된 경로의 신호는 반대의 위상을 갖는다.
이상에서 설명한 송신장치(110)의 구조 및 동작은 도 4에 도시된 기존의 QKD 모듈에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 개시에 따른 수신장치(120)는 수동소자만으로 구성되는데, 빔 분할기(beam splitter, 121), 제1 UMZI(122), 제1 빔 결합기(beam combiner, 124), 제2 UMZI(132), 제2 빔 결합기(beam combiner, 134), 제1 SPD(126) 및 제2 SPD(128)의 전부 또는 일부를 포함한다. 편의상, 제1 SPD에 입력되는 경로를 보강 간섭에 따른 경로, 제2 SPD에 입력되는 경로를 상쇄 간섭에 따른 경로인 것으로 가정한다. 본 개시에 따른 수신장치(120)는, 도 4에 도시된 기존의 수신장치와 비교하여, SPD의 개수를 2 개로 감소시킨 것이다.
빔 분할기(121)는 S 경로(단경로), L 경로(장경로) 측으로 광자단위로 광을 투과(transmission)/반사(reflection)시키되, 투과 및 반사의 확률이 50:50이 되도록 바이어스(bias)가 조절됨으로써, BB84 프포토콜에 따른 RNG 역할을 수행할 수 있다. 앨리스 측에서 전송하는 레이저 펄스의 평균 파워는 광자 하나의 파워보다 작게 유지되므로, 빔 분할기(121)가 두 개의 레이저 펄스를 분할하게 될 가능성은 매우 낮다. 빔 분할기(121)에서 분리되는 광은 S, L 경로를 거치면서 시간 차(TL-S)를 갖게 된다.
S, L 경로 차이를 제외하면, 제1 UMZI(122)와 제2 UMZI(132)의 동작은 동일하므로, 제1 UMZI(122)의 동작에 대하여 설명한다.
제1 UMZI(122)의 상하 경로에 따른 시간 지연을 tBS, tBL이라 할 때, 입력된 두 개의 펄스는 네 개의 펄스로 분할되고, 이들은 각각 tAS+tBS, tAS+tBL, tAL+tBS, tAL+tBL의 시간 지연을 갖는다, 앨리스의 UMZI(112)와 밥의 제1 UMZI(122)가 갖는 불균형의 정도가 동일하게 설정되면, tAS+tBL과 tAL+tBS는 동일하게 되어 두 개의 펄스가 겹치게 된다. 결과적으로 도 1에 나타낸 바와 같이, D1(S)(또는 D2(S))처럼 3 개의 펄스 형태로 출력되고, 이 중 두 개의 펄스가 겹쳐진 중간 부분을 시간적으로 필터링하여 비트 정보가 추출될 수 있다. 이러한 과정은 제2 UMZI(132)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 빔 결합기(124) 및 제2 빔 결합기(134) 각각은 두 개의 UMZI의 보강 간섭 경로의 출력을 결합하거나, 두 개의 UMZI의 상쇄 간섭 경로의 출력을 결합하여 두 개의 SPD 측으로 전달한다. 두 개의 빔 결합기 각각은 빔 분할기를 이용하여 구현될 수 있다.
제1 SPD(126)는 보강 간섭된 경로 측에서 입력되는 세 개의 펄스 중 중간 것을 시간적으로 필터링하여 비트 정보를 추출한다. 이때, 제1 UMZI(122) 및 제2 UMZI(132) 각각으로부터 입력되는 신호 간에는 S, L 경로 간의 시간 차 TL-S가 유지된다. 또한, 광자 단위로 빔 분할기(121)에 의하여 광이 분할되므로, D1(S)와 D1(L)이 동시에 존재하는 경우는 없다.
제2 SPD(128)는 상쇄 간섭된 경로 측에서 입력되는 세 개의 펄스 중 중간 것을 시간적으로 필터링하여 비트 정보를 추출한다. 마찬가지로, 제1 UMZI(122) 및 제2 UMZI(132) 각각으로부터 입력되는 신호 간에는 S, L 경로 간의 시간 차 TL-S가 유지된다. 또한, 광자 단위로 빔 분할기(121)에 의하여 광이 분할되므로, D2(S)와 D2(L)이 동시에 존재하는 경우는 없다.
한편, S 경로 상에 위치하는 제1 UMZI(122) 및 L 경로 상에 위치하는 제2 UMZI(132)는 상이한 베이시스로서의 역할을 수행할 수 있다. 제1 UMZI(122) 및 제2 UMZI(132)의 tBL 경로 각각에 ΔφB(TS) 및 ΔφB(TL)을 추가적으로 삽입하되, 예를 들어 ΔφB(TS)는 위상 정보 0 도(또는 180 도)에 매칭시키고, ΔφB(TL)는 위상 정보 90 도(또는 270 도)에 매칭시킴으로써, 제1 UMZI(122) 및 제2 UMZI(132)가 상호 직교적인(orthogonal) 베이시스로서 동작할 수 있다. 그리고, 이러한 ΔφB(TS) 및 ΔφB(TL)은 제1 UMZI(122) 및 제2 UMZI(132)의 동작 온도를 조절하여 설정될 수 있다.
수학식 1에 나타낸 E3에 기초하여, 제1 SPD(126)인 D1에 입력되는 파워 D1(S), 및 제2 SPD(128)인 D2에 입력되는 파워 D2(S)는 다음과 같이 유도될 수 있다. 먼저, 제1 UMZI(122)에 의해 보강 간섭된 후 D1 측으로 입력되는 신호, 상쇄 간섭된 후 D2 측으로 입력되는 신호 각각은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
수학식 2에 나타낸 바와 같이 E4,D1 및 E4,D2 는 상호 반대의 위상을 갖는다.
다음, E4,D1 및 E4,D2 각각을 구성하는 요소 중, 전술한 바와 같이 tAS+tBL 및 tAL+tBS 시간 지연을 갖는 첫 번째 및 네 번째 항이 겹치므로, 이 두 항만을 이용하여 E4,D1 및 E4,D2 각각을 수학식 3에 나타낸 바와 같이 간략하게 표현할 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
따라서, E4,D1 및 E4,D2 각각에 대하여 실수항과 허수항을 제곱한 후 정리하면, D1 및 D2 각각에서 관찰되는 파워 D1(S)와 D2(S)는 수학식 4에 나타낸 바와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
동일한 과정을 L 경로에 대하여 적용하면, D1 및 D2 각각에서 관찰되는 파워 D1(L)과 D2(L)은 수학식 5에 나타낸 바와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00008
따라서, S 경로가 위상 정보 0도 또는 180 도에 매칭되도록 ΔφB(TS)가 조절된 경우, ΔφA-ΔφB(TS)가 0 도 또는 180 도이면 매칭된 것이고(D1(S) > D2(S) 또는 D1(S) < D2(S)), 90 도 또는 270 도이면 매칭되지 않은 것이다(D1(S) = D2(S)).
또한, L 경로가 위상 정보 90도 또는 270 도에 매칭되도록 ΔφB(TL)가 조절된 경우, ΔφA-ΔφB(TL)이 0 도 또는 180 도이면 매칭된 것이고(D1(L) > D2(L) 또는 D1(L) < D2(L)), 90 도 또는 270 도이면 매칭되지 않은 것이다(D1(L) = D2(L)). 이상의 설명을 요약하면 표 2에 나타낸 바와 같다.
Figure pat00009
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD에 있어서, 수동소자를 기반으로 위상 디코딩(phase decoding)을 실행하는 수신장치를 제공함으로써, 위상 디코딩 시 능동소자를 사용할 경우 발생하는 편광 의존성을 제거하는 것이 가능해지는 효과가 있다.
또한 본 실시예에 따르면, BB84 프로토콜을 사용하는 QKD에 있어서, 수동소자를 기반으로 위상 디코딩을 실행하는 과정에서 2 개의 간섭계를 사용하면서도 2 개의 SPD를 사용하는 것이 가능한 수신장치를 제공함으로써, 가격 경쟁력을 향상시키는 것이 가능해지는 효과가 있다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 편광기를 이용한 QKD를 위한 수신장치에 대한 블록도이다.
본 개시의 다른 측면으로서, 편광기를 이용한 수신장치(120)의 경우에도 SPD의 개수를 감소시키는 것이 가능하다. 도 2a는 종래의 방법으로서, 빔 분할기, HWP(Half Wave Plate), 2 개의 PBS(Polarizing Beam Splitter, 편광기) 및 4 개의 SPD의 전부 또는 일부를 이용하는 수신장치를 나타낸다. 여기서, 빔 분할기는 입력된 펄스를 임의적으로 투과/반사시키는 RNG의 역할을 수행하고, HWP는 광의 편광을 45 도만큼 회전시키는 역할을 한다. 2 개의 PBS는 모두 수평수직 편광기이나, 그 중 하나의 편광기는 HWP와 결합하여 대각 편광기로서 동작함으로써, 2 개의 편광기는 상이한 베이시스를 형성할 수 있다.
이에 대하여 도 2b는 본 개시의 다른 실시예로서, 빔 분할기, HWP, 빔 결합기, PBS(Polarizing Beam Splitter) 및 2 개의 SDP의 전부 또는 일부를 이용하는 수신장치(120)를 나타낸다. 빔 분할기 BS1은 RNG의 역할을 수행하여, 입력된 광 펄스를 상이한 시간 지연을 갖는 S 경로(단경로), L 경로(장경로)로 임의로 분할한다. 또한, L 경로에는 HWP를 삽입하여 베이시스가 변경되도록 한다. 빔 결합기 BS2는 서로 다른 경로를 거친 광 펄스에 대하여 시간 차이(TL-S)를 유지한 채로 결합시킨 후, PBS 측으로 전달한다. 한편, 광자 단위로 BS1에 의하여 광이 분할되므로, S, L 경로를 통과한 펄스가 동시에 존재하는 경우는 없다.
PBS는 수평수직 편광기이나, L 경로를 따라 입력되는 광에 대해서는 HWP와 결합하여 대각 편광기로서 동작함으로써 베이시스를 형성할 수 있다. SPD D1 측으로는 S, L 경로 각각을 통과한 비트 0의 정보에 해당하는 광신호가 입력되고, SPD D2 측으로는 비트 1의 정보에 해당하는 광신호가 입력된다(여기서, 0과 1에 대한 정보는 상호 대치될 수 있다).
이상에서 설명한 바와 같이 본 개시의 다른 실시예를 따르더라도, 종래의 방식과 비교하여 SPD를 4 개에서 2 개로 감소시킴으로서 가격 경쟁력을 향상시키는 것이 가능해지는 효과가 있다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍가능 시스템 상에서 실행가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 결합되는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체"에 저장된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: QKD 모듈 110: QKD를 위한 송신장치
112: UMZI 114: 위상 변조기
120: QKD를 위한 수신장치 121: 빔 분할기
122: 제1 UMZI 124: 제1 빔 결합기
126: 제1 SPD 128: 제2 SPD
132: 제2 UMZI 134: 제2 빔 결합기

Claims (9)

  1. 양자 암호키 배분(Quantum Key Distribution: QKD)을 위한 수신장치에 있어서,
    2 개의 광 펄스를 반사(reflection) 또는 투과(transmission)시킴으로써 단경로(short path)의 신호와 장경로(long path)의 신호를 생성하는 빔 분할기;
    상기 단경로의 신호로부터 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 생성하는 제1 간섭계(interferometer), 여기서 상기 제1 간섭신호와 제2 간섭신호는 상호 반대의 위상을 가짐;
    상기 장경로의 신호로부터 제3 간섭신호 및 제4 간섭신호를 생성하는 제2 간섭계, 여기서 상기 제3 간섭신호와 제4 간섭신호는 상호 반대의 위상을 가짐;
    상기 제1 간섭계가 생성한 제1 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제3 간섭신호가 결합된 신호를 생성하는 제1 빔 결합기;
    상기 제1 간섭계가 생성한 제2 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제4 간섭신호가 결합된 신호를 생성하는 제2 빔 결합기;
    상기 제1 빔 결합기가 생성한 신호를 시간적으로 필터링하여 비트의 제1 상태에 대한 정보를 추출하는 제1 검출기; 및
    상기 제2 빔 결합기가 생성한 신호를 시간적으로 필터링하여 상기 비트의 제2 상태에 대한 정보를 추출하는 제2 검출기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2 개의 광 펄스는,
    QKD를 위한 송신장치가 송신 펄스로부터 생성한 후 상기 수신장치 측으로 전송한 신호로서, 상기 2 개의 광 펄스의 간격은 상기 송신장치에 포함된 간섭계의 불균형(unbalance)의 정도에 의존하고, 상기 송신 펄스가 갖는 2 개의 상태에 대하여, 상기 2 개의 광 펄스는 위상 변조 정보에 기초하여 모두 4 개의 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔 분할기는,
    반사 및 투과 확률이 50:50으로 조절되어, RNG(Random Number Generator)의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 간섭계 및 상기 제2 간섭계의 불균형의 정도는 상기 송신장치에 포함된 간섭계의 불균형의 정도와 동일하게 조절되는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 간섭계가 상기 단경로의 신호로부터 생성한 4 개의 펄스 중 상기 제1 간섭계 및 상기 송신장치 간섭계에 의존하는 시간 지연이 일치하는 2 개의 펄스의 겹침에 기초하여, 상기 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호는 3 개의 펄스로 형성되고, 상기 제2 간섭계가 상기 장경로의 신호로부터 생성한 4 개의 펄스 중 상기 제2 간섭계 및 상기 송신장치 간섭계에 의존하는 시간 지연이 일치하는 2 개의 펄스의 겹침에 기초하여, 상기 제3 간섭신호 및 제4 간섭신호는 3 개의 펄스로 형성되는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 검출기는 상기 제1 간섭신호 또는 제3 간섭신호를 형성하는 3 개의 펄스 중 중간 펄스를 시간적으로 필터링하고, 상기 제2 검출기는 상기 제2 간섭신호 또는 제4 간섭신호를 형성하는 3 개의 펄스 중 중간 펄스를 시간적으로 필터링하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 간섭계가 생성한 제1 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제3 간섭신호 간의 간격, 및 상기 제1 간섭계가 생성한 제2 간섭신호 및 상기 제2 간섭계가 생성한 제4 간섭신호 간의 간격 각각은 상기 단경로와 장경로 간의 시간 차이에 의존하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 간섭계와 상기 제2 간섭계 각각에 의해 매치되는 위상 정보가 상호 직교성(orthogonality)을 유지함으로써 상기 제1 간섭계와 상기 제2 간섭계가 2 개의 베이시스(basis)로서 동작하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  9. 양자 암호키 배분(Quantum Key Distribution: QKD)을 위한 수신장치에 있어서,
    광 펄스를 반사(reflection) 또는 투과(transmission)시킴으로써 단경로(short path)의 신호와 장경로(long path)의 신호를 생성하는 빔 분할기;
    상기 단경로와 장경로 간의 시간 간격을 유지한 채로 상기 단경로의 신호와 장경로의 신호가 결합된 신호를 생성하는 빔 결합기, 여기서 상기 단경로와 장경로 중 하나의 경로에 HWP(Half Wave Plate) 포함하여, 상기 HWP가 포함된 경로를 45 도만큼 편광시킴;
    상기 빔 결합기가 생성한 신호를 편광 필터링한 신호를 생성하는 편광기(Polarizing Beam Splitter: PBS), 상기 편광기는 상기 단경로 또는 상기 장경로와 결합하여 수평수직(horizontal/vertical) 또는 대각(diagonal) 편광기로 동작함으로써 베이시스(basis)를 형성함;
    상기 편광기가 필터링한 신호로부터 비트의 제1 상태에 대한 정보를 추출하는 제1 검출기; 및
    상기 편광기가 필터링한 신호로부터 상기 비트의 제2 상태에 대한 정보를 추출하는 제2 검출기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
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