WO2023003054A1 - 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2023003054A1
WO2023003054A1 PCT/KR2021/009420 KR2021009420W WO2023003054A1 WO 2023003054 A1 WO2023003054 A1 WO 2023003054A1 KR 2021009420 W KR2021009420 W KR 2021009420W WO 2023003054 A1 WO2023003054 A1 WO 2023003054A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
time state
information
encoding
time
state
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/009420
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
안병규
이상림
이호재
김자영
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to PCT/KR2021/009420 priority Critical patent/WO2023003054A1/ko
Priority to CN202180100788.1A priority patent/CN117693924A/zh
Priority to EP21951002.1A priority patent/EP4376351A1/en
Priority to KR1020247001128A priority patent/KR20240023595A/ko
Publication of WO2023003054A1 publication Critical patent/WO2023003054A1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • 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
    • 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
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/85—Protection from unauthorised access, e.g. eavesdrop protection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/20—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received using signal quality detector
    • 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
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • 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
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0869—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords involving random numbers or seeds
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/34—Encoding or coding, e.g. Huffman coding or error correction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/46—Secure multiparty computation, e.g. millionaire problem

Definitions

  • the present specification relates to a quantum communication system, and more particularly, to a method and apparatus for performing high-dimensional quantum security direct communication in a quantum communication system.
  • a wireless communication system is widely deployed to provide various types of communication services such as voice and data.
  • a wireless communication system is a multiple access system capable of supporting communication with multiple users by sharing available system resources (bandwidth, transmission power, etc.).
  • Examples of the multiple access system include a Code Division Multiple Access (CDMA) system, a Frequency Division Multiple Access (FDMA) system, a Time Division Multiple Access (TDMA) system, a Space Division Multiple Access (SDMA) system, and an Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) system.
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • FDMA Frequency Division Multiple Access
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • SDMA Space Division Multiple Access
  • OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
  • SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access
  • IDMA Interleave Division Multiple Access
  • An object of the present specification is to provide a method and apparatus for performing quantum secure direct communication in a quantum communication system.
  • an object of the present specification is to provide a method and apparatus for transmitting classical information of 2 bits or more based on a single photon in a quantum communication system.
  • an object of the present specification is to provide a method and apparatus for transmitting classical information of 2 bits or more without information loss based on a single photon in a quantum communication system.
  • an object of the present specification is to provide a method and apparatus for configuring an initial state for information transmission in consideration of dead time in a single photon detector of a receiving end in a quantum communication system.
  • the present specification provides a method and apparatus for performing quantum secure direct communication in a quantum communication system.
  • the present specification provides a quantum secure direct communication (QSDC) method for a transmitter to transmit a message based on differential time coding in a quantum communication system, from a receiver to a quantum channel On a quantum channel, (i) at least one initial time state including a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end, and (ii) at least one initial time state.
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the initial time state and the initial phase state of some of the at least one initial time state and the at least one initial phase state, for the at least one initial time state and the at least one initial phase state It may be characterized in that it is used to determine whether or not to eavesdrop on the quantum channel.
  • the present specification further comprises receiving, from the receiving end, information on the initial time state and initial phase state of the part used for determining whether or not eavesdropping on the quantum channel is eavesdropping on the classical channel. can do.
  • the present specification includes the step of determining whether or not to eavesdrop on the quantum channel based on the information on the initial time state and the initial phase state of the part based on Quantum Bit Error Rate (QBER) estimation. It may be characterized by further including.
  • QBER Quantum Bit Error Rate
  • the present specification may further include requesting retransmission of the initial time state and the initial phase state based on the value of QBER being greater than or equal to a specific value as a result of the eavesdropping determination.
  • the present specification may be characterized in that the selection and encoding of the specific initial time state is performed based on a QBER value smaller than a specific value as a result of the eavesdropping determination.
  • the present specification may be characterized in that the receiving of the time state location information is performed after receiving (i) the at least one initial time state and (ii) the at least one initial phase state. there is.
  • the generating of the encoding time state includes adding a random number used to determine whether or not wiretapping in a backward quantum channel is eavesdropping to the information, and adding the random number to the information.
  • the method may further include generating a codeword by encoding the added information.
  • the present specification may further include transmitting, to the receiving end, random number information including information about (i) the position of the random number and (ii) the value of the random number on the classical channel.
  • the generating of the encoding time state may further include combining the specific initial time state and the codeword by applying the time shift to the codeword.
  • the encoding time state may be characterized in that different time shift values are applied based on the value of the encoded information.
  • the present specification is characterized in that the application of the different time shift values is performed based on a predefined mapping table, and the mapping table is associated with a mapping relationship between the values of the encoded information and the time shift values.
  • the specific initial time state and the encoding time state are composed of at least one time bin, and the specific initial time state has the same dimension as the encoding time state. Based on this, the time bin constituting the specific initial time state and the length of the time bin constituting the encoding time state may be the same.
  • the length of the time bin constituting the encoding time state is the length of the time bin constituting the specific initial time state. It may be characterized as being shorter than the length.
  • the present specification relates to a dimension applied to the generation of the encoding time state before the generation of the encoding time state, to the receiving end, based on the difference between the dimension of the specific initial time state and the dimension of the encoding time state. It may be characterized in that it further comprises the step of transmitting information.
  • the present specification provides a transmitter performing quantum secure direct communication (QSDC) for transmitting a message based on differential time coding in a quantum communication system, for transmitting a radio signal transmitter; a receiver for receiving a radio signal; at least one processor; and at least one computer memory operably connectable to the at least one processor and storing instructions that, when executed by the at least one processor, perform operations, the operations being transmitted from a receiving end to: , on a quantum channel (i) at least one initial time state consisting of a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end, and (ii) at least receiving one initial phase state; receiving, from the receiving end, time state location information for selecting a specific initial time state for encoding information transmitted to the receiving end on a classical channel; based on the time state location information, selecting the particular initial time state for the encoding; generating an encoding time state by encoding the information based on the selected specific initial time state, wherein the encoding time state is generated by applying a quantum channel
  • a quantum secure direct communication (QSDC) method for a receiving end to receive a message based on differential time coding in a quantum communication system is a quantum channel (quantum channel) (i) at least one initial time state including a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end and (ii) at least one initial phase state Transmitting (initial phase state); transmitting, to the transmitting end, time state location information for selecting a specific initial time state for encoding of information transmitted by the transmitting end on a classical channel; the specific initial time state is selected based on the time state location information; receiving, from the transmitter, a message including an encoding time state generated by applying a time shift based on a value of the information encoded based on the specific initial time state; and restoring the information based on a time difference between the at least one piece of initial time state information stored in the receiving end and the encoding time state information.
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the present specification provides a receiving end performing quantum secure direct communication (QSDC) for receiving a message based on differential time coding in a quantum communication system, for transmitting a radio signal transmitter; a receiver for receiving a radio signal; at least one processor; and at least one computer memory operably connectable to the at least one processor and storing instructions for performing operations when executed by the at least one processor, the operations comprising: , on a quantum channel (i) at least one initial time state consisting of a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end, and (ii) at least Transmitting one initial phase state; transmitting, to the transmitting end, time state location information for selecting a specific initial time state for encoding of information transmitted by the transmitting end on a classical channel; the specific initial time state is selected based on the time state location information; receiving, from the transmitter, a message including an encoding time state generated by applying a time shift based on a value of the information encoded based on the specific initial time state; and
  • a non-transitory computer readable medium storing one or more instructions
  • one or more instructions executable by one or more processors are transmitted by a transmitter, from a receiver, through a quantum channel (quantum channel).
  • quantum channel quantum channel
  • channel (i) at least one initial time state including a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end and (ii) at least one initial phase state (initial phase state), and to receive, from the receiving end, time state position information for selecting a specific initial time state for encoding of information transmitted to the receiving end on a classical channel.
  • the time state is generated by applying a time shift based on the value of the encoded information, and transmits a message including the encoding time state to the receiving end through the quantum channel, wherein the message is the receiving end characterized in that it is restored based on a time difference between the at least one piece of initial time state information stored in and the encoding time state information.
  • the one or more processors enable the apparatus to transmit, from a receiving end, a quantum channel (i) at least one initial time state comprising a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end, and (ii) at least one initial phase state (initial phase state, and receive, from the receiving end, time state position information for selecting a specific initial time state for encoding of information transmitted to the receiving end on a classical channel; based on the time state location information, select the particular initial time state for encoding, and based on the selected particular initial time state, encode the information to generate an encoding time state; Is generated by applying a time shift based on the value of the encoded information, and transmits a message including the encoding time state to the receiving end through the quantum channel, wherein the message is stored in the receiving end Characterized in that it is characterized in that it is restored based on the time difference between
  • the present specification has the effect of performing quantum secure direct communication in a quantum communication system.
  • the present specification has an effect of improving the data rate in a quantum communication system by transmitting classical information of 2 bits or more based on a single photon.
  • the present specification has an effect of transmitting classical information of 2 bits or more without information loss based on a single photon in a quantum communication system.
  • the present specification has an effect of minimizing information loss at the receiving end by configuring an initial state for information transmission in consideration of dead time in a single photon detector at the receiving end in a quantum communication system.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a communication system applicable to the present specification.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a wireless device applicable to the present specification.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of processing a transmission signal applicable to the present specification.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of a wireless device applicable to the present specification.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a portable device applicable to the present specification.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating physical channels applicable to the present specification and a signal transmission method using them.
  • FIG. 7 is a diagram showing the structure of a radio frame applicable to this specification.
  • FIG. 8 is a diagram showing a slot structure applicable to the present specification.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system applicable to the present specification.
  • FIG. 10 is a diagram showing performance comparison results of several types of commercial SPDs.
  • 11 to 13 are diagrams to help understand the problem that the detection efficiency of the time state and the phase state decreases as the dimension of transmission information increases when the high-dimensional quantum information transmission technique using the time state and the phase state is applied to QSDC. to be.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of the overall configuration and overall performance process of the existing single photon-based DL04 QSDC technique.
  • 15 is a diagram showing an example of the overall configuration and overall performance process of a single photon-based N-dimensional QSDC method using time difference coding proposed in this specification.
  • 16 is a diagram illustrating an example of a method for generating an N-dimensional time state proposed in this specification.
  • 17 is a diagram illustrating an example of a process of generating a time state.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a method for constructing an N-dimensional time state proposed in this specification.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a method for generating an N-dimensional phase state proposed in the present specification.
  • 20 is a diagram illustrating an example of a process of generating a phase state.
  • 21 is a diagram illustrating an example of a phase state configuration method proposed in the present specification.
  • 22 is a diagram illustrating an example of a method for detecting quantum information of an N-dimensional time state and a phase state proposed in this specification.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of a method for generating a time state and a phase state proposed in the present specification.
  • 24 is a diagram illustrating an example of time states and phase states generated by a method for generating time states and phase states proposed in the present specification.
  • 25 is a diagram illustrating an example of a method for determining eavesdropping in an initial state proposed in the present specification.
  • 26 is a diagram illustrating an example of an initial time state selection method proposed in this specification.
  • 27 is a diagram illustrating an example of a message coding method proposed in this specification.
  • 28 is a diagram illustrating an example of a method of combining an initial time state and encoding information proposed in this specification.
  • 29 is a diagram illustrating an example of a rule for encoding a message through time delay allocation using N delay lines having different lengths in an initial time state.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating another example of a method for combining a time state and encoding information proposed in this specification.
  • FIG. 31 is a diagram showing an example of a QBER estimation method in a reverse quantum channel proposed in this specification.
  • 32 is a diagram illustrating an effect of improving a transmission amount when high-dimensional quantum information is generated by increasing the signal generation speed of a light source compared to the maximum detection speed of an SPD.
  • 33 is a diagram showing an example of a quantum state generation time in an existing quantum information transmission technique and a method proposed in this specification.
  • 34 is a diagram showing the result of comparing the improvement effect of the data rate aspect of the inventive technique according to the dimension increase with the data rate of the existing QSDC technique.
  • 35 is a diagram showing data rate simulation results according to a change in transmission distance.
  • 36 is a flowchart illustrating an example of a quantum secure direct communication method for transmitting a message based on differential time coding proposed in this specification.
  • each component or feature may be considered optional unless explicitly stated otherwise.
  • Each component or feature may be implemented in a form not combined with other components or features.
  • the embodiments of the present specification may be configured by combining some components and/or features. The order of operations described in the embodiments of this specification may be changed. Some components or features of one embodiment may be included in another embodiment, or may be replaced with corresponding components or features of another embodiment.
  • a base station has meaning as a terminal node of a network that directly communicates with a mobile station.
  • a specific operation described herein as being performed by a base station may be performed by an upper node of the base station in some cases.
  • the 'base station' is a term such as a fixed station, Node B, eNode B, gNode B, ng-eNB, advanced base station (ABS), or access point. can be replaced by
  • a terminal includes a user equipment (UE), a mobile station (MS), a subscriber station (SS), a mobile subscriber station (MSS), It may be replaced with terms such as mobile terminal or advanced mobile station (AMS).
  • UE user equipment
  • MS mobile station
  • SS subscriber station
  • MSS mobile subscriber station
  • AMS advanced mobile station
  • the transmitting end refers to a fixed and/or mobile node providing data service or voice service
  • the receiving end refers to a fixed and/or mobile node receiving data service or voice service. Therefore, in the case of uplink, the mobile station can be a transmitter and the base station can be a receiver. Similarly, in the case of downlink, the mobile station may be a receiving end and the base station may be a transmitting end.
  • Embodiments of the present specification are wireless access systems, such as an IEEE 802.xx system, a 3rd Generation Partnership Project (3GPP) system, a 3GPP Long Term Evolution (LTE) system, a 3GPP 5G (5th generation) NR (New Radio) system, and a 3GPP2 system. It may be supported by at least one disclosed standard document, and in particular, the embodiments of the present specification are supported by 3GPP TS (technical specification) 38.211, 3GPP TS 38.212, 3GPP TS 38.213, 3GPP TS 38.321 and 3GPP TS 38.331 documents It can be.
  • 3GPP TS technical specification
  • embodiments of the present specification may be applied to other wireless access systems, and are not limited to the above-described systems.
  • it may also be applicable to a system applied after the 3GPP 5G NR system, and is not limited to a specific system.
  • CDMA code division multiple access
  • FDMA frequency division multiple access
  • TDMA time division multiple access
  • OFDMA orthogonal frequency division multiple access
  • SC-FDMA single carrier frequency division multiple access
  • LTE is 3GPP TS 36.xxx Release 8 or later
  • LTE technology after 3GPP TS 36.xxx Release 10 is referred to as LTE-A
  • xxx Release 13 may be referred to as LTE-A pro.
  • 3GPP NR may mean technology after TS 38.xxx Release 15.
  • 3GPP 6G may mean technology after TS Release 17 and/or Release 18.
  • "xxx" means a standard document detail number.
  • LTE/NR/6G may be collectively referred to as a 3GPP system.
  • a communication system 100 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 NR, LTE), and may be referred to as a communication/wireless/5G device.
  • the wireless device includes a robot 100a, a vehicle 100b-1 and 100b-2, an extended reality (XR) device 100c, a hand-held device 100d, and a home appliance. appliance) 100e, Internet of Thing (IoT) device 100f, and artificial intelligence (AI) device/server 100g.
  • a radio access technology eg, 5G NR, LTE
  • XR extended reality
  • AI artificial intelligence
  • 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 vehicles 100b-1 and 100b-2 may include an unmanned aerial vehicle (UAV) (eg, a drone).
  • UAV unmanned aerial vehicle
  • the XR device 100c includes augmented reality (AR)/virtual reality (VR)/mixed reality (MR) devices, and includes a head-mounted device (HMD), a head-up display (HUD) installed in a vehicle, a television, It may be implemented in the form of smart phones, computers, wearable devices, home appliances, digital signage, vehicles, robots, and the like.
  • the mobile device 100d may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, a smart glass), a computer (eg, a laptop computer), and the like.
  • the home appliance 100e may include a TV, a refrigerator, a washing machine, and the like.
  • the IoT device 100f may include a sensor, a smart meter, and the like.
  • the base station 120 and the network 130 may also be implemented as a wireless device, and a specific wireless device 120a may operate as a base station/network node to other wireless devices.
  • the wireless devices 100a to 100f may be connected to the network 130 through the base station 120 .
  • AI technology may be applied to the wireless devices 100a to 100f, and the wireless devices 100a to 100f may be connected to the AI server 100g through the network 130.
  • the network 130 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 120/network 130, but communicate directly without going through the base station 120/network 130 (e.g., sidelink communication). You may.
  • the vehicles 100b-1 and 100b-2 may perform direct communication (eg, vehicle to vehicle (V2V)/vehicle to everything (V2X) communication).
  • the IoT device 100f eg, sensor
  • the IoT device 100f may directly communicate with other IoT devices (eg, sensor) 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 120 and the base station 120/base station 120.
  • wireless communication/connection includes various types of uplink/downlink communication 150a, sidelink communication 150b (or D2D communication), and inter-base station communication 150c (eg relay, integrated access backhaul (IAB)). This can be done through radio access technology (eg 5G NR).
  • radio access technology eg 5G NR
  • a wireless device and a base station/wireless device, and a base station can transmit/receive radio signals to each other.
  • the wireless communication/connections 150a, 150b, and 150c may transmit/receive signals through various physical channels.
  • various configuration information setting processes for transmitting / receiving radio signals various signal processing processes (eg, channel encoding / decoding, modulation / demodulation, resource mapping / demapping, etc.) At least a part of a resource allocation process may be performed.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a wireless device applicable to the present specification.
  • a first wireless device 200a and a second wireless device 200b may transmit and receive radio signals through various wireless access technologies (eg, LTE and NR).
  • ⁇ the first wireless device 200a, the second wireless device 200b ⁇ denotes the ⁇ wireless device 100x and the base station 120 ⁇ of FIG. 1 and/or the ⁇ wireless device 100x and the wireless device 100x.
  • ⁇ can correspond.
  • the first wireless device 200a includes one or more processors 202a and one or more memories 204a, and may further include one or more transceivers 206a and/or one or more antennas 208a.
  • the processor 202a controls the memory 204a and/or the transceiver 206a and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein.
  • the processor 202a may process information in the memory 204a to generate first information/signal, and transmit a radio signal including the first information/signal through the transceiver 206a.
  • the processor 202a may receive a radio signal including the second information/signal through the transceiver 206a and store information obtained from signal processing of the second information/signal in the memory 204a.
  • the memory 204a may be connected to the processor 202a and may store various information related to the operation of the processor 202a.
  • memory 204a may perform some or all of the processes controlled by processor 202a, 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 202a and the memory 204a may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 206a may be coupled to the processor 202a and may transmit and/or receive wireless signals through one or more antennas 208a.
  • the transceiver 206a may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 206a 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 200b includes one or more processors 202b, one or more memories 204b, and may further include one or more transceivers 206b and/or one or more antennas 208b.
  • the processor 202b controls the memory 204b and/or the transceiver 206b and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein.
  • the processor 202b may process information in the memory 204b to generate third information/signal, and transmit a radio signal including the third information/signal through the transceiver 206b.
  • the processor 202b may receive a radio signal including the fourth information/signal through the transceiver 206b and store information obtained from signal processing of the fourth information/signal in the memory 204b.
  • the memory 204b may be connected to the processor 202b and may store various information related to the operation of the processor 202b. For example, memory 204b may perform some or all of the processes controlled by processor 202b, 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 202b and the memory 204b may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • a wireless communication technology eg, LTE, NR
  • the transceiver 206b may be coupled to the processor 202b and may transmit and/or receive wireless signals through one or more antennas 208b.
  • the transceiver 206b may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 206b 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 202a, 202b.
  • the one or more processors 202a and 202b may include one or more layers (eg, PHY (physical), MAC (media access control), RLC (radio link control), PDCP (packet data convergence protocol), RRC (radio resource) control) and functional layers such as service data adaptation protocol (SDAP).
  • One or more processors 202a, 202b may generate one or more protocol data units (PDUs) and/or one or more service data units (SDUs) according to the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flow charts disclosed herein.
  • PDUs protocol data units
  • SDUs service data units
  • processors 202a, 202b 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 202a, 202b 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. , may be provided to one or more transceivers 206a and 206b.
  • One or more processors 202a, 202b may receive signals (eg, baseband signals) from one or more transceivers 206a, 206b, 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 202a, 202b may be referred to as a controller, microcontroller, microprocessor or microcomputer.
  • One or more processors 202a, 202b 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 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 202a, 202b or stored in one or more memories 204a, 204b. It can be driven by the above processors 202a and 202b.
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein may be implemented using firmware or software in the form of codes, instructions and/or sets of instructions.
  • One or more memories 204a, 204b may be coupled to one or more processors 202a, 202b and may store various types of data, signals, messages, information, programs, codes, instructions and/or instructions.
  • One or more memories 204a, 204b may include read only memory (ROM), random access memory (RAM), erasable programmable read only memory (EPROM), flash memory, hard drive, registers, cache memory, computer readable storage media, and/or It may consist of a combination of these.
  • One or more memories 204a, 204b may be located internally and/or externally to one or more processors 202a, 202b.
  • one or more memories 204a, 204b may be connected to one or more processors 202a, 202b through various technologies such as wired or wireless connections.
  • One or more transceivers 206a, 206b may transmit user data, control information, radio signals/channels, etc. referred to in the methods and/or operational flow charts herein, etc. to one or more other devices.
  • One or more transceivers (206a, 206b) 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 206a and 206b may be connected to one or more processors 202a and 202b and transmit and receive radio signals.
  • one or more processors 202a, 202b may control one or more transceivers 206a, 206b to transmit user data, control information, or radio signals to one or more other devices.
  • one or more processors 202a, 202b may control one or more transceivers 206a, 206b to receive user data, control information, or radio signals from one or more other devices.
  • one or more transceivers 206a, 206b may be coupled with one or more antennas 208a, 208b, and one or more transceivers 206a, 206b may be connected to one or more antennas 208a, 208b, as described herein. , procedures, proposals, methods and / or operation flowcharts, 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 (206a, 206b) in order to process the received user data, control information, radio signal / channel, etc. using one or more processors (202a, 202b), the received radio signal / channel, etc. in the RF band signal It can be converted into a baseband signal.
  • One or more transceivers 206a and 206b may convert user data, control information, and radio signals/channels processed by one or more processors 202a and 202b from baseband signals to RF band signals.
  • one or more transceivers 206a, 206b may include (analog) oscillators and/or filters.
  • the transmitted signal may be processed by a signal processing circuit.
  • the signal processing circuit 300 may include a scrambler 310, a modulator 320, a layer mapper 330, a precoder 340, a resource mapper 350, and a signal generator 360.
  • the operation/function of FIG. 3 may be performed by the processors 202a and 202b and/or the transceivers 206a and 206b of FIG. 2 .
  • the hardware elements of FIG. 3 may be implemented in the processors 202a and 202b and/or the transceivers 206a and 206b of FIG.
  • blocks 310 to 350 may be implemented in the processors 202a and 202b of FIG. 2 and block 360 may be implemented in the transceivers 206a and 206b of FIG. 2 , but are not limited to the above-described embodiment.
  • the codeword may be converted into a radio signal through the signal processing circuit 300 of FIG. 3 .
  • a codeword is an encoded bit sequence of an information block.
  • Information blocks may include transport blocks (eg, UL-SCH transport blocks, DL-SCH transport blocks).
  • the radio signal may be transmitted through various physical channels (eg, PUSCH, PDSCH) of FIG. 6 .
  • the codeword may be converted into a scrambled bit sequence by the scrambler 310.
  • a scramble sequence used for scrambling is generated based on an initialization value, and the initialization value may include ID information of a wireless device.
  • the scrambled bit sequence may be modulated into a modulation symbol sequence by modulator 320.
  • the modulation method may include pi/2-binary phase shift keying (pi/2-BPSK), m-phase shift keying (m-PSK), m-quadrature amplitude modulation (m-QAM), and the like.
  • the complex modulation symbol sequence may be mapped to one or more transport layers by the layer mapper 330. Modulation symbols of each transport layer may be mapped to corresponding antenna port(s) by the precoder 340 (precoding).
  • the output z of the precoder 340 can be obtained by multiplying the output y of the layer mapper 330 by the N*M precoding matrix W.
  • N is the number of antenna ports and M is the number of transport layers.
  • the precoder 340 may perform precoding after transform precoding (eg, discrete fourier transform (DFT)) on complex modulation symbols. Also, the precoder 340 may perform precoding without performing transform precoding.
  • transform precoding eg, discrete fourier transform (DFT)
  • the resource mapper 350 may map modulation symbols of each antenna port to time-frequency resources.
  • the time-frequency resource may include a plurality of symbols (eg, CP-OFDMA symbols and DFT-s-OFDMA symbols) in the time domain and a plurality of subcarriers in the frequency domain.
  • the signal generator 360 generates a radio signal from the mapped modulation symbols, and the generated radio signal can be transmitted to other devices through each antenna.
  • the signal generator 360 may include an inverse fast fourier transform (IFFT) module, a cyclic prefix (CP) inserter, a digital-to-analog converter (DAC), a frequency uplink converter, and the like.
  • IFFT inverse fast fourier transform
  • CP cyclic prefix
  • DAC digital-to-analog converter
  • the signal processing process for the received signal in the wireless device may be configured in reverse to the signal processing process 310 to 360 of FIG. 3 .
  • a wireless device eg, 200a and 200b of FIG. 2
  • the received radio signal may be converted into a baseband signal through a signal restorer.
  • the signal restorer may include a frequency downlink converter, an analog-to-digital converter (ADC), a CP remover, and a fast fourier transform (FFT) module.
  • ADC analog-to-digital converter
  • FFT fast fourier transform
  • the baseband signal may be restored to a codeword through a resource de-mapper process, a postcoding process, a demodulation process, and a de-scramble process.
  • a signal processing circuit for a received signal may include a signal restorer, a resource demapper, a postcoder, a demodulator, a descrambler, and a decoder.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another example of a wireless device applied to the present specification.
  • a wireless device 400 corresponds to the wireless devices 200a and 200b of FIG. 2, and includes various elements, components, units/units, and/or modules. ) can be configured.
  • the wireless device 400 may include a communication unit 410, a control unit 420, a memory unit 430, and an additional element 440.
  • the communication unit may include communication circuitry 412 and transceiver(s) 414 .
  • communication circuitry 412 may include one or more processors 202a, 202b of FIG. 2 and/or one or more memories 204a, 204b.
  • transceiver(s) 414 may include one or more transceivers 206a, 206b of FIG.
  • the control unit 420 is electrically connected to the communication unit 410, the memory unit 430, and the additional element 440 and controls overall operations of the wireless device. For example, the controller 420 may control electrical/mechanical operations of the wireless device based on programs/codes/commands/information stored in the memory 430 . In addition, the control unit 420 transmits the information stored in the memory unit 430 to the outside (eg, another communication device) through the communication unit 410 through a wireless/wired interface, or transmits the information stored in the memory unit 430 to the outside (eg, another communication device) through the communication unit 410. Information received through a wireless/wired interface from other communication devices) may be stored in the memory unit 430 .
  • the additional element 440 may be configured in various ways according to the type of wireless device.
  • the additional element 440 may include at least one of a power unit/battery, an input/output unit, a driving unit, and a computing unit.
  • the wireless device 400 may be a robot (FIG. 1, 100a), a vehicle (FIG. 1, 100b-1, 100b-2), an XR device (FIG. 1, 100c), a mobile device (FIG. 1, 100d) ), home appliances (FIG. 1, 100e), IoT devices (FIG.
  • Wireless devices can be mobile or used in a fixed location depending on the use-case/service.
  • various elements, components, units/units, and/or modules in the wireless device 400 may be entirely interconnected through a wired interface or at least partially connected wirelessly through the communication unit 410 .
  • the control unit 420 and the communication unit 410 are connected by wire, and the control unit 420 and the first units (eg, 430 and 440) are connected wirelessly through the communication unit 410.
  • each element, component, unit/unit, and/or module within wireless device 400 may further include one or more elements.
  • the control unit 420 may be composed of one or more processor sets.
  • the controller 420 may include a set of a communication control processor, an application processor, an electronic control unit (ECU), a graphic processing processor, a memory control processor, and the like.
  • the memory unit 430 may include RAM, dynamic RAM (DRAM), ROM, flash memory, volatile memory, non-volatile memory, and/or combinations thereof. can be configured.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a portable device applied to the present specification.
  • a portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, smart watch, smart glasses), and a portable computer (eg, a laptop computer).
  • a mobile device may be referred to as a mobile station (MS), a user terminal (UT), a mobile subscriber station (MSS), a subscriber station (SS), an advanced mobile station (AMS), or a wireless terminal (WT).
  • MS mobile station
  • UT user terminal
  • MSS mobile subscriber station
  • SS subscriber station
  • AMS advanced mobile station
  • WT wireless terminal
  • a portable device 500 includes an antenna unit 508, a communication unit 510, a control unit 520, a memory unit 530, a power supply unit 540a, an interface unit 540b, and an input/output unit 540c. ) may be included.
  • the antenna unit 508 may be configured as part of the communication unit 510 .
  • Blocks 510 to 530/540a to 540c respectively correspond to blocks 410 to 430/440 of FIG. 4 .
  • the communication unit 510 may transmit/receive signals (eg, data, control signals, etc.) with other wireless devices and base stations.
  • the controller 520 may perform various operations by controlling components of the portable device 500 .
  • the controller 520 may include an application processor (AP).
  • the memory unit 530 may store data/parameters/programs/codes/commands necessary for driving the portable device 500 . Also, the memory unit 530 may store input/output data/information.
  • the power supply unit 540a supplies power to the portable device 500 and may include a wired/wireless charging circuit, a battery, and the like.
  • the interface unit 540b may support connection between the portable device 500 and other external devices.
  • the interface unit 540b may include various ports (eg, audio input/output ports and video input/output ports) for connection with external devices.
  • the input/output unit 540c may receive or output image information/signal, audio information/signal, data, and/or information input from a user.
  • the input/output unit 540c may include a camera, a microphone, a user input unit, a display unit 540d, a speaker, and/or a haptic module.
  • the input/output unit 540c acquires information/signals (eg, touch, text, voice, image, video) input from the user, and the acquired information/signals are stored in the memory unit 530.
  • the communication unit 510 may convert the information/signal stored in the memory into a wireless signal, and directly transmit the converted wireless signal to another wireless device or to a base station.
  • the communication unit 510 may receive a radio signal from another wireless device or a base station and then restore the received radio signal to original information/signal. After the restored information/signal is stored in the memory unit 530, it may be output in various forms (eg, text, voice, image, video, or haptic) through the input/output unit 540c.
  • a terminal may receive information from a base station through downlink (DL) and transmit information to the base station through uplink (UL).
  • Information transmitted and received between the base station and the terminal includes general data information and various control information, and there are various physical channels according to the type/use of the information transmitted and received by the base station and the terminal.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating physical channels applied to this specification and a signal transmission method using them.
  • the terminal may receive a primary synchronization channel (P-SCH) and a secondary synchronization channel (S-SCH) from the base station to synchronize with the base station and obtain information such as a cell ID. .
  • P-SCH primary synchronization channel
  • S-SCH secondary synchronization channel
  • the terminal may acquire intra-cell broadcast information by receiving a physical broadcast channel (PBCH) signal from the base station. Meanwhile, the terminal may check the downlink channel state by receiving a downlink reference signal (DL RS) in the initial cell search step.
  • PBCH physical broadcast channel
  • DL RS downlink reference signal
  • the UE receives a physical downlink control channel (PDCCH) and a physical downlink control channel (PDSCH) according to the physical downlink control channel information in step S612, Specific system information can be obtained.
  • PDCCH physical downlink control channel
  • PDSCH physical downlink control channel
  • the terminal may perform a random access procedure such as steps S613 to S616 in order to complete access to the base station.
  • the UE transmits a preamble through a physical random access channel (PRACH) (S613), and RAR for the preamble through a physical downlink control channel and a physical downlink shared channel corresponding thereto (S613). random access response) may be received (S614).
  • the UE transmits a physical uplink shared channel (PUSCH) using scheduling information in the RAR (S615), and performs a contention resolution procedure such as receiving a physical downlink control channel signal and a physical downlink shared channel signal corresponding thereto. ) can be performed (S616).
  • the terminal After performing the procedure as described above, the terminal performs reception of a physical downlink control channel signal and/or a physical downlink shared channel signal as a general uplink/downlink signal transmission procedure (S617) and a physical uplink shared channel (physical uplink shared channel).
  • channel (PUSCH) signal and/or physical uplink control channel (PUCCH) signal may be transmitted (S618).
  • UCI uplink control information
  • HARQ-ACK/NACK hybrid automatic repeat and request acknowledgment/negative-ACK
  • SR scheduling request
  • CQI channel quality indication
  • PMI precoding matrix indication
  • RI rank indication
  • BI beam indication
  • UCI is generally transmitted periodically through PUCCH, but may be transmitted through PUSCH according to an embodiment (eg, when control information and traffic data are to be simultaneously transmitted).
  • the UE may aperiodically transmit UCI through the PUSCH according to a request/instruction of the network.
  • FIG. 7 is a diagram showing the structure of a radio frame applicable to this specification.
  • Uplink and downlink transmission based on the NR system may be based on a frame as shown in FIG. 7 .
  • one radio frame has a length of 10 ms and may be defined as two 5 ms half-frames (half-frame, HF).
  • One half-frame may be defined as five 1ms subframes (subframes, SFs).
  • One subframe is divided into one or more slots, and the number of slots in a subframe may depend on subcarrier spacing (SCS).
  • SCS subcarrier spacing
  • each slot may include 12 or 14 OFDM(A) symbols according to a cyclic prefix (CP).
  • CP cyclic prefix
  • each slot When a normal CP is used, each slot may include 14 symbols.
  • each slot may include 12 symbols.
  • the symbol may include an OFDM symbol (or CP-OFDM symbol) and an SC-FDMA symbol (or DFT-s-OFDM symbol).
  • Table 1 shows the number of symbols per slot, the number of slots per frame, and the number of slots per subframe according to SCS when a normal CP is used
  • Table 2 shows the number of slots according to SCS when an extended CSP is used. Indicates the number of symbols, the number of slots per frame, and the number of slots per subframe.
  • Nslotsymb may represent the number of symbols in a slot
  • Nframe, ⁇ slot may represent the number of slots in a frame
  • Nsubframe, ⁇ slot may represent the number of slots in a subframe
  • OFDM(A) numerology eg, SCS, CP length, etc.
  • OFDM(A) numerology eg, SCS, CP length, etc.
  • SFs, slots, or TTIs time resources
  • TTIs time units
  • NR may support multiple numerologies (or subcarrier spacing (SCS)) to support various 5G services. For example, 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 larger than 24.25 GHz can be supported to overcome phase noise.
  • SCS subcarrier spacing
  • the NR frequency band is defined as a frequency range of two types (FR1 and FR2).
  • FR1 and FR2 can be configured as shown in the table below.
  • FR2 may mean millimeter wave (mmW).
  • the above-described numerology may be set differently in a communication system to which this specification is applicable.
  • a Terahertz wave (THz) band may be used as a frequency band higher than the aforementioned FR2.
  • the SCS may be set larger than that of the NR system, and the number of slots may be set differently, and is not limited to the above-described embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a slot structure applicable to the present specification.
  • One slot includes a plurality of symbols in the time domain. For example, in the case of a normal CP, one slot includes 7 symbols, but in the case of an extended CP, one slot may include 6 symbols.
  • a carrier includes a plurality of subcarriers in the frequency domain.
  • a resource block (RB) may be defined as a plurality of (eg, 12) consecutive subcarriers in the frequency domain.
  • a bandwidth part is defined as a plurality of consecutive (P)RBs in the frequency domain, and may correspond to one numerology (eg, SCS, CP length, etc.).
  • a carrier may include up to N (eg, 5) BWPs. Data communication is performed through an activated BWP, and only one BWP can be activated for one terminal. Each element in the resource grid is referred to as a resource element (RE), and one complex symbol may be mapped.
  • RE resource element
  • 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 4 below. That is, Table 4 is a table showing the requirements of the 6G system.
  • the 6G system is enhanced mobile broadband (eMBB), ultra-reliable low latency communications (URLLC), mMTC (massive machine type communications), AI integrated communication, tactile Internet (tactile internet), high throughput, high network capacity, high energy efficiency, low backhaul and access network congestion and improved data security ( can have key factors such as enhanced data security.
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • URLLC ultra-reliable low latency communications
  • mMTC massive machine type communications
  • AI integrated communication e.g., AI integrated communication
  • tactile Internet tactile internet
  • high throughput high network capacity
  • high energy efficiency high backhaul and access network congestion
  • improved data security can have key factors such as enhanced data security.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system applicable to the present specification.
  • a 6G system is expected to have 50 times higher simultaneous wireless communication connectivity than a 5G wireless communication system.
  • URLLC a key feature of 5G, is expected to become a more mainstream technology by providing end-to-end latency of less than 1 ms in 6G communications.
  • the 6G system will have much better volume spectral efficiency, unlike the frequently used area spectral efficiency.
  • 6G systems can provide very long battery life and advanced battery technology for energy harvesting, so mobile devices in 6G systems may not need to be charged separately.
  • 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 communications system could be critical for 6G.
  • AI can be applied at each step of the communication procedure (or each procedure of signal processing to be described later).
  • 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 transmitter mainly generates a quantum state to be transmitted based on the property (characteristic) of a photon, and attenuates the signal to a single photon level through an attenuator (VOA) and transmits the signal to the receiver through a quantum channel.
  • the property (characteristic) of the photon may include polarization, phase, time information, and the like.
  • the receiving end detects the signal transmitted by the transmitting end with a single photon detector (SPD). At this time, the information transmitted through photons may not be completely detected by the receiving end due to various factors, and loss may occur. The various factors may include loss due to a channel, low measurement accuracy of an SPD, and the like.
  • the loss of the received signal may further increase.
  • a loss of the received signal may occur due to dead time, which is the time required for the SPD to return to a ready state for detecting the next signal (photon) after detecting a signal at a specific point in time.
  • the dead time is such that many electrons and holes are generated and emitted due to light coming in, and after the occurrence of avalanche breakdown based on the generation and emission of the electrons and holes, the power of the detector is reduced. It means the time during which no signal received from the SPD is detected while it is turned off and recharged.
  • FIG. 10 is a diagram showing performance comparison results of several types of commercial SPDs. Referring to 1010 of FIG. 10 , it can be seen that a dead time of at least several tens of ns is consumed based on a commercial SPD. Due to such dead time, the maximum transmission rate of quantum information transmission techniques including QKD currently remains at a low Mbps unit compared to conventional communication technologies.
  • the optical quantum information generation speed in the LD is up to 1 ps or less, it can be seen that the quantum information generation speed in the LD is 10 4 times or more compared to the maximum detection speed of the SPD. Due to the dead time of SPD, in quantum communication technology, high-speed quantum information generation technology can be applied only within the range within the maximum detection speed of SPD. Due to this, there is a data rate limitation problem in quantum communication technology, but the data rate limitation problem can be solved by applying a method capable of applying high-speed light source generation technology even in a situation where the dead time of SPD exists. there is.
  • the QSDC technique which is one of quantum communication techniques for directly transmitting quantum information through a quantum channel. More specifically, the present specification proposes a method for improving the transmission efficiency of QSDC through a high-dimensional quantum information transmission technique using a time state and a phase state among the high-dimensional quantum information transmission techniques do.
  • the loss rate in the process of detecting transmitted information should be minimized.
  • the detection efficiency of time state and phase state decreases as the dimension of transmission information increases.
  • 11 to 13 are diagrams to help understand the problem that the detection efficiency of the time state and the phase state decreases as the dimension of transmission information increases when the high-dimensional quantum information transmission technique using the time state and the phase state is applied to QSDC. to be.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a case in which high-dimensional quantum information is transmitted using a time state. Referring to FIG. 11 , it can be seen that the signal 1120 transmitted later is not detected by the SPD because the time interval between the signals 1110 and 1120 transmitted from the transmitter is shorter than the dead time in the SPD.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating detection probabilities of a time state and a phase state according to an increase in the dimension of transmission information. Referring to FIG. 13, based on a 4-dimensional technique capable of transmitting 2 bits of information per photon, when consecutive time states enter the same SPD, the probability that a signal transmitted later cannot be detected is about 37.5% (3/4 * 100 %) can be seen.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a case in which high-dimensional quantum information is transmitted using phase states.
  • a time delay interferometer is used for signal detection in the SPD.
  • the present specification applies a high-dimensional quantum information transmission technique to a single photon-based QSDC technique, while solving the problem that the detection probability of a transmitted quantum state decreases as the dimension of transmission information increases. Suggest. More specifically, in the present specification, in the single photon-based QSDC technique, a method of configuring transmission information in N dimensions using time difference information of a time state is proposed. To this end, an N-dimensional QSDC technique based on differential time coding is proposed.
  • the time difference coding-based N-dimensional QSDC technique transmits information based on the time difference between (i) an initial time state and (ii) an encoding time state including information, and the transmitted information is It is a method of restoring based on the time difference.
  • a method of generating an initial state including a time interval considering the dead time of the SPD is proposed.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of the overall configuration and overall performance process of the existing single photon-based DL04 QSDC technique.
  • the single-photon-based DL04 QSDC technique directly transmits the message (information) to be transmitted through a quantum channel, and 1-bit classical information can be transmitted per photon. there is.
  • the DL04 QSDC protocol in which the DL04 QSDC technique is performed may be composed of transceivers 1401 and 1402, a quantum channel 1403, and a classical channel 1404.
  • the receiver (Bob) 1402 configures a single photon column based on polarization information. Each single photon included in the configured column of photons is Can be generated with randomness in one of four states.
  • the transmitter 1401 randomly selects some of the single photons included in the received single photon column, selects an orthogonal or diagonal basis, and performs measurement. At this time, the transmitter 1401 may inform the receiver 1402 of the selected location, the measurement base value, and the measurement result over the public channel.
  • the receiving end 1402 can determine whether an eavesdropper exists by estimating an error rate, QBER, based on the information received from the transmitting end 1401 . If the value of QBER is higher than the reference value for determining eavesdropping, the receiving end 1402 determines that the quantum channel is not secure and stops communication. In the opposite case, the receiving end 1402 may perform subsequent operations.
  • the transmitter 1401 encodes a message (information) to be transmitted based on the single photon sequence excluding the single photon used for QBER estimation among all the single photons included in the single photon sequence received in step S1420.
  • the encoding may be performed through an identity operation denoted by I that does not cause any change when the information included in the message is 0, and may be performed through a unitary operation defined by U when the information is 1.
  • the unitary operation is can include
  • the transmitter 1401 transmits the encoded single-photon sequence to the receiver 1402.
  • the receiving end 1402 measures each single photon using the same basis information as the initial measurement basis in order to read a message (information) from the received single photon train.
  • Some of the basis information identical to the initial measurement basis is used for QBER estimation, and the receiving end 1402 transmits the position of the photon and the value of the encoding bit to be used for QBER estimation from the transmitting end 1401 on a public channel. can be received as
  • the receiving end 1402 may determine values of parameters to be used for decoding based on the measured QBER value, and may perform decoding on the received message.
  • the message information generated by the transmitting end can be safely transmitted to the receiving end through the quantum channel. That is, since the transmitter performs QBER estimation on the initial state generated by the receiver and determines whether the initial state is safe from an eavesdropper based on the QBER estimate, the initial state is guaranteed to be safe from an eavesdropper. You can encode message information in a state. Therefore, even if an eavesdropper exists in the backward quantum channel, an eavesdropper who does not know the value of the initial state cannot obtain meaningful message information from the encoded message even if the eavesdropper eavesdrops on the encoded message, and through this, safety can be guaranteed.
  • the single-photon-based QSDC technique described in FIG. 14 can have high security without using a quantum secret key, but can only transmit classical information of 1 bit per photon, and the maximum data rate is SPD due to the dead time of SPD. It has a limit that does not exceed the maximum detection speed of .
  • 15 is a diagram showing an example of the overall configuration and overall performance process of a single photon-based N-dimensional QSDC method using time difference coding proposed in this specification.
  • the QSDC protocol in which the single-photon-based N-dimensional QSDC method using time difference coding proposed in this specification is performed includes transceiver terminals 1510 and 1520, forward/reverse quantum channels 1501 and 1502, and forward/reverse It can consist of reverse classical channels 1503 and 1504.
  • the process of performing the single photon-based N-dimensional QSDC method using time difference coding will be reviewed through S1510 to S1580 of FIG. 15 .
  • the time state and the phase state may be at least one or more.
  • the receiving end 1520 transmits (i) position information of the time state and the phase state used for QBER estimation at the transmitting end 1510 to the transmitting end 1510 over the forward classical channel 1503. .
  • the time state and phase state used for QBER estimation in the transmitter 1510 may be part of the total time state and phase state generated in the receiver 1520.
  • the receiving end 1520 transmits the location information of the time state generated by the receiving end 1520 to the transmitting end 1510 through the forward classical channel 1503. At this time, the receiving end 1520 may store the value (bit information) of the generated time state.
  • the transmitter 1510 determines whether or not to eavesdrop based on the time state and phase state used for QBER estimation received from the receiver 1520.
  • the eavesdropping determination may be to determine whether an initial state including a time state and a phase state generated by the receiving end 1520 is eavesdropping on the forward quantum channel 1501 from the eavesdropper.
  • the transmitting end 1510 When the transmitting end 1510 confirms that the initial state including the time state and the phase state generated by the receiving end 1520 is not being eavesdropped, the transmitting end 1510 excludes the initial state used to determine whether or not to eavesdrop. Encoding is performed on a message (information) by selecting only a time state from among initial states, and the encoded message is transmitted to the receiving end 1520 through the reverse quantum channel 1502. When performing encoding, the transmitter 1510 may encode the message information by adding random number information used to determine eavesdropping based on QBER estimation in the receiver 1520.
  • the receiving end 1520 detects a time state from the encoded message received from the transmitting end.
  • the time state detected from the encoded message may be a time state to which a time delay is applied to an initial time state, and may be referred to as an encoded time state.
  • the transmitter 1510 transmits random number information including (i) the value of the random number and (ii) information about the position of the random number used for determining whether or not wiretapping based on the QBER estimation in the receiver 1520 to the reverse classical channel 1504 ) to the receiving end 1520.
  • the receiving end 1520 performs QBER estimation based on the time state detected in step S1550 and the random number information received in step S1560, and determines whether the reverse quantization channel 1502 is eavesdropped by an eavesdropper.
  • the receiving end 1520 restores the message (information) transmitted from the transmitting end 1510 through comparison between the initial time state and the encoded time state.
  • 16 is a diagram illustrating an example of a method for generating an N-dimensional time state proposed in the present specification.
  • an N-dimensional time state 1610 to 16N0 is a form in which a single state is divided into N time bins, and then an optical wave packet is present in the i-th time bin among the N time bins constituting the time state.
  • the value of the classical information to be transmitted may be determined based on which position of the time bin among the N time bins constituting the time state the optical packet exists.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a process of generating a time state.
  • the creation process of the time state can be summarized as follows. (1) A wave pulse is generated using the continuous laser 1710. (2) An initial time state is created using the IM 1720. (3) The generated initial time state is converted into a single-photon level signal using the VOA 1730.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a method for constructing an N-dimensional time state proposed in the present specification. More specifically, FIG. 18 is a diagram showing an example of a time state generated in consideration of the dead time of the SPD.
  • 1810 denotes a time domain used for initial time state allocation, and ⁇ denotes time corresponding to the width of one time bin.
  • 1810 may be composed of N time bins, and the time length of 1810 may be N* ⁇ .
  • 1820 indicates a time domain used for allocating a time state of information encoding information to be transmitted by a transmitter.
  • a time state assigned to information encoded by a transmitter to transmit information may be referred to as an encoding time state.
  • 1820 may consist of (2N-1) time bins.
  • 1830 indicates a time domain corresponding to the dead time of the SPD that can ensure that the encoding time state transmitted to the receiving end is detected by the SPD of the receiving end.
  • the time length of 1830 can be defined as exactly matching the dead time of the SPD of the receiving end.
  • 1830 may be composed of 2 (N-1) time bins. In this case, the length of time corresponding to 2 (N-1) time bins may coincide with the dead time of the SPD. That is, according to the time state generation method proposed in this specification, the time state includes a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end.
  • the first transmitted encoding time state of the two encoding time states includes a wave packet in the 2N-1 th time bin of 1820, and the later transmitted encoding time state
  • the encoding time state may include a wave packet in the first time bin of 1820. This case corresponds to the case where the time interval between the wave packet of the encoding time state transmitted first and the wave packet of the encoding time state transmitted later is the shortest. If the two encoding time states do not include the time domain corresponding to 1830, the SPD of the receiving end fails to detect the wave packet included in the later transmitted encoding time state. On the other hand, since the time state proposed in FIG.
  • 18 includes 1830, which is a time domain corresponding to the dead time of SPD, the time interval between the wave packet of the encoding time state transmitted first and the wave packet of the encoding time state transmitted later is the largest. Even if it is short, it is possible to succeed in detecting the wave packet of the later transmitted encoding time state.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a method for generating an N-dimensional phase state proposed in the present specification.
  • the N-dimensional phase state 1910 to 19N0 are configured such that N time bins in a single state each include wave packets of the same size, and each wave packet has a relative phase.
  • phase state may be understood as a superposition of time states, and may be expressed as Equation 1 below.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a process of generating a phase state.
  • the process of generating a phase state can be summarized as follows. (1) A wave pulse is generated using a continuous laser (2010). (2) By using the IM 2020, wave packets of N time bins are matched with the same intensity and generated. (3) By applying PM, different phases are applied to each time bin to generate an initial phase state. (4) The generated initial phase state is converted into a single-photon level signal using the VOA 1740.
  • 21 is a diagram illustrating an example of a phase state configuration method proposed in the present specification.
  • 2110 denotes a time domain used for initial phase state allocation, and ⁇ denotes a time corresponding to the width of one time bin.
  • 2110 may be composed of N time bins, and the time length of 2110 may be N* ⁇ .
  • 2120 indicates a time domain corresponding to a delay time required for phase state measurement using an interferometer. If the information to be transmitted by the transmitting end consists of N dimensions, 2120 may consist of (N-1) time bins.
  • 2130 indicates the time domain required to match the time length of the phase state with the time length of the time state.
  • the time length of 2130 may be configured the same as that of 1830 of FIG. 18 .
  • 2130 may be composed of 2 (N-1) time bins. According to the phase state generation method proposed in this specification, it can be understood that the phase state includes a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiving end.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a method for detecting a time state and a phase state of a receiving terminal SPD proposed in this specification.
  • one SPD 2210 and N SPDs 2220 are used to detect N-dimensional time state and phase state information, respectively.
  • transmission information is detected through measurement of the time state corresponding to the timing of the signal detected by SPD1. , transmission information of a phase state corresponding to one path in which constructive interference occurs is detected.
  • This step may correspond to step S1510 of FIG. 15 .
  • 23 is a diagram illustrating an example of a method for generating a time state and a phase state proposed in the present specification.
  • the receiving end 1520 generates an initial time state and an initial phase state through intensity modulation (IM) and phase modulation (PM), and then attenuates the intensity to a single photon level in the forward direction. It is transmitted to the transmitter 1510 through the quantum channel 1501.
  • IM intensity modulation
  • PM phase modulation
  • 24 is a diagram illustrating an example of time states and phase states generated by a method for generating time states and phase states proposed in the present specification.
  • the time state can be used for (i) QBER estimation for anti-eavesdropping of initial quantum information and (ii) transmission of message information.
  • the message information is composed of N+1 dimensions, N+1 time states are generated, and the indexes of the generated time states may be assigned from 0 to N.
  • 24(b) is a diagram illustrating an example of a phase state generated by a phase state generation method proposed in this specification.
  • the topological state can only be used for QBER estimation purposes to prevent eavesdropping of initial quantum information.
  • This step may correspond to step S1520 of FIG. 15 .
  • the receiving end transmits the initial quantum state to the transmitting end over the quantum channel, some of the generated initial states can be used for QBER estimation to determine the presence or absence of an eavesdropper that may exist in the quantum channel.
  • the receiving end may transmit the location of an initial state (information) used for QBER estimation, measurement basis information, and measurement values to the transmitting end through a classical channel.
  • This step may correspond to step S1520 of FIG. 15 .
  • the receiving end may transmit location information about the position of a time state used for message coding to the transmitting end through a classical channel so that the sending end can select only an initial time state used for message coding. More specifically, the transmitter may select a specific time state used for message coding from among an initial time state and a phase state stored in an optical delay (acting as a quantum memory) based on the location information.
  • an operation of a receiving end transmitting location information must be performed after an operation in which the receiving end transmits an initial state to a transmitting end through a quantum channel. This is because, when the location information in the initial state is transmitted later than the initial state, the eavesdropper cannot secure the location information in the initial state in advance and cannot secure time to prepare an accurate measurement based on the location information. Therefore, an eavesdropper must perform a random basis measurement in order to know the information of the initial state, and in this process, an error of 11% or more in QBER must occur, so that eavesdropping can be discovered.
  • the transmitting end may proceed with the next process only when it is determined that the QBER value is equal to or less than the reference value for determining eavesdropping. If it is determined that the QBER value exceeds the reference value for determining eavesdropping, the transmitting end may discard all previously received initial states and request the receiving end to retransmit a new initial state.
  • the receiving end performs a process of comparing the initial time state and the time state after encoding in the sending end to recover the message.
  • the information included in the initially generated time state can be stored in memory.
  • This step may correspond to step S1530 of FIG. 15 .
  • 25 is a diagram illustrating an example of a method for determining eavesdropping in an initial state proposed in the present specification.
  • a transmitter 1510 may perform QBER estimation to determine whether an initial state transmitted through a quantum channel 1501 is eavesdropped.
  • SPD1 2510 of FIG. 25 is used for time state measurement (time state detection based on position information corresponding to the measured timing), and SPDs 2 to (N+1) 2520 are used for phase state measurement.
  • the transmitter 1510 may estimate the QBER by comparing the measured result with the information for QBER estimation received from the receiver 1520 through the classical channel. When it is determined that the estimated QBER value is smaller than the reference value for determining eavesdropping, the transmitter 1510 performs subsequent operations. In the opposite case, it is determined that there is an eavesdropper, and the receiver 1520 returns to the initial state. can request retransmission.
  • step S1540 may correspond to step S1540 of FIG. 15 . It can be understood that step S1540 is divided into an initial time state selection step (S1541) and an encoding step (S1542).
  • 26 is a diagram illustrating an example of an initial time state selection method proposed in this specification.
  • the 1:9 coupler may store initial states (time state and phase state) not used for QBER estimation at the transmitter in an optical delay line (or quantum memory).
  • initial states time state and phase state
  • the stored phase state since the stored phase state has low detection efficiency and is not suitable for message coding, it may be filtered. More specifically, since the phase state is detected by a structure that continuously passes through an interferometer, a problem arises in that the detection efficiency of the phase state is greatly reduced as higher-dimensional information is generated due to the structure for detecting the phase state, and this is a problem in that the quantum information When used as a transmission technique, undetected message information greatly increases, so the stored phase state must be excluded from message transmission. That is, the stored phase state can be filtered.
  • the transmitter may select only the initial time state information to be used for message encoding based on the location information of the time state received in step S1520.
  • the time state can be connected to the path of the location where encoding is to be performed using a 1:N optical switch only at the timing when the time state is extracted from the optical delay.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a message coding method proposed in this specification.
  • the transmitting end mixes (after adding) random number information to be used for determining whether the reverse quantum channel is wiretapped at the receiving end with the message information to be transmitted to the receiving end, and then encodes the codeword ( codeword).
  • the transmitting end is in the initial time state
  • a process of applying a time delay is performed to combine information corresponding to message information and message information.
  • the time delay may be expressed differently in the same or similarly expressed range, such as time shift.
  • FIG. 28 is a diagram illustrating an example of a method for combining a time state and encoding information proposed in this specification.
  • FIG. 28 relates to a case in which dimensions of an initial time state and a time state after encoding are the same.
  • the encoding information may refer to a code word encoded by adding random number information used for determining eavesdropping based on QBER estimation at the receiving end to information to be transmitted by the transmitting end.
  • the transmitter selects an initial time state 2810 stored in an optical delay line as an OSW 2820. After that, the selected initial time state In step 2810, a time delay corresponding to message information is allocated. At this time, time delay allocation to the message information may be performed based on a predefined mapping rule.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating an example of a mapping rule defined for time delay allocation to message information. More specifically, FIG. 29 shows a mapping relationship between encoding information, which is a code word encoded by adding random number information used for determining eavesdropping based on QBER estimation at the receiving end to information to be transmitted by the transmitting end, and time shift. It is about.
  • a time delay generation 2830 process may be composed of N multi-paths having different lengths. At this time, N paths can be created at intervals from the shortest length (corresponding to path 1 in the figure above, and the length is 0) to the longest length (N-1). Here, is the interval between time bins, and is the speed of the optical signal. Based on the mapping rule of FIG.
  • the initial time states of 2810 by N are converted to encoding time states corresponding to (2N-1) parts of 2840.
  • the encoding time state means that an initial time state and encoding information are combined in time bins 1 through 2N-1. At this time, even if the eavesdropper can observe and know the encoding time state transmitted from the transmitting end to the receiving end through the reverse quantum channel, the eavesdropper cannot know the information of the initial time state. The transmitted message information cannot be known, and through this, the safety of the encoding time state can be guaranteed.
  • the dimensions of the initial time state and the encoding time state may be different. That is, the initial state is N-dimensional and the time state after encoding is M-dimensional.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating another example of a method for combining a time state and encoding information proposed in this specification. More specifically, FIG. 30 relates to a case in which dimensions of an initial time state and a time state after encoding are different from each other.
  • the transmitter selects an initial time state 3010 stored in the optical delay line as an OSW 3020.
  • the time domain that can be reached after the initial time state 3010 is encoded is may consist of here, is the time required to create the initial time state,
  • the time domain of represents the length of the time domain in which a wave packet can exist in a time state after encoding when M-dimensional encoding is performed.
  • the receiving end may restore message information by considering the dimensional transformation before and after encoding.
  • This step may correspond to step S1550 of FIG. 15 .
  • the receiving end receives encoding time state information through a backward quantum channel and detects it through an SPD.
  • This step may correspond to step S1560 of FIG. 15 .
  • the transmitting end may transmit information about the position of the random number and the value of the random number added to the message information to the receiving part over the classical channel for QBER estimation of the encoding time state information in the receiving end.
  • This step may correspond to step S1570 of FIG. 15 .
  • 31 is a diagram showing an example of a QBER estimation method in a reverse quantum channel proposed in this specification.
  • the receiving end compares the encoding time state measured in step S1550 with the information of the initial time state stored in step S1520 to restore the encoded information, and then restores the restored information and the transmitting end in step S1560.
  • QBER is determined by comparing the value/position of the random number used for the QBER received from The QBER estimation value obtained in this step can be used to determine the main parameter used in the decoding process of the error correction code used in step S1580 of FIG. 15 .
  • This step may correspond to step S1580 of FIG. 15 .
  • the receiving end receives the encoding time state from the transmitting end over the quantum channel and measures it. Thereafter, the receiving end restores encoded information through a time difference between the measured encoding time state information and the initial time state information stored in the memory of the receiving end at step S1520.
  • the temporal state initially created in a 4-dimensional QSDC is And, in step S1520, the receiving unit Assuming that 00, which is the classical information included in , is stored, the transmitter transmits information of 10 Given a time delay as much as 2 time bins in order to encode can be converted to Next, the transmitter transmits the converted time state information to the receiver, and the receiver Wow 10, which is encoding information corresponding to a time difference of , can be restored. Thereafter, the receiving end may decode measurement information of an encoding time state to restore original message information.
  • the existing single photon-based QSDC technique can transmit information of 1bit/photon at the maximum detection speed of SPD.
  • the QSDC technique based on differential time coding proposed in this specification is configured in k dimension, at the maximum detection speed of SPD It is possible to transmit bits/photon information.
  • 32 is a diagram illustrating an effect of improving a transmission amount when high-dimensional quantum information is generated by increasing the signal generation speed of a light source compared to the maximum detection speed of an SPD.
  • the dead time T of the SPD shown in FIG. 32 corresponds to the generation time of 2k-1 time bins based on the number of time bins of the proposed method. means Also, the time corresponding to the length of a single time bin represents the signal generation time of the laser. Looking at the result of FIG. 32, in the method proposed in this specification, since more time bins can be formed within the same dead time as the light source generation speed of the laser is faster, high-dimensional information transmission is possible, and the faster the light source generation speed is, the more time bins can be formed. It can be seen that the improvement effect in terms of information transmission compared to the QSDC technique is larger.
  • 33 is a diagram showing an example of a quantum state generation time in an existing QSDC technique and a method proposed in this specification.
  • 33(a) is a diagram illustrating a quantum state generation time in an existing single photon-based QSDC technique.
  • the existing single photon-based QSDC technique it is possible to transmit information of 1 bit per single state based on the dead time of SPD.
  • the time required to construct each polarization-based quantum state is equal to the dead time of the SPD.
  • 33(b) is a diagram illustrating quantum state generation time in the k-dimensional QSDC method based on time-difference coding proposed in this specification.
  • the method proposed in this specification in order to eliminate information loss occurring in the process of detecting a time state, every time corresponding to about twice the dead time of the SPD It can be seen that information transmission of bits is possible. Since the time interval between time states received from the SPD must be secured at least as much as the time corresponding to the dead time of the SPD to accurately detect information from the SPD, the method proposed in this specification has a longer delay time than the existing techniques in need.
  • 34 is a diagram showing the result of comparing the improvement effect of the data rate aspect of the inventive technique according to the dimension increase with the data rate of the existing QSDC technique.
  • the method of the present invention has a higher data rate than the existing single-photon-based QSDC method when transmitting 4-dimensional or higher quantum information.
  • LD frequency stabilized continuous laser
  • Coupler Marki Microwave PD30R412
  • phase state is Phase state chosen with probability
  • Coupler 90% of N sent as optical delay, remaining 10% sent for QBER estimation
  • the data rate of the method proposed in this specification can be calculated according to Equation 2 below.
  • the total number of detection events in Bob's time basis measurement device of the receiving end can be calculated according to Equation 3 below.
  • the data rate in the high-dimensional QKD technique can be calculated according to Equation 5 below.
  • FIG. 35 is a diagram showing data rate simulation results according to a change in transmission distance. More specifically, FIG. 35 (a) shows data rate simulation results according to transmission distance changes when the method proposed in this specification is applied, and FIG. Data rate simulation results according to transmission distance change when quantum information transmission and measurement method is applied are shown. Looking at the results of FIGS. 35(a) and 35(b), when the k-dimensional quantum information transmission method is used, compared to the two-dimensional method of transmitting 1-bit information per photon It can be seen that a higher data rate can be expected.
  • a 16-dimensional (4-bit classical information transmission technique per single photon) when a 16-dimensional (4-bit classical information transmission technique per single photon) is applied, a high data rate of about 172Mbps can be secured based on a 5km transmission distance, and a data rate improvement effect of about 70% compared to the existing technique can be expected.
  • 36 is a flowchart illustrating an example of a quantum secure direct communication method for transmitting a message based on differential time coding proposed in this specification.
  • the transmitter transmits, from the receiver, on a quantum channel (i) at least one initial time state configured to include a time interval equal to the dead time of the single photon detector of the receiver. ) and (ii) at least one initial phase state is received (S3610).
  • the transmitting end receives time state location information for selecting a specific initial time state for encoding information transmitted to the receiving end from the receiving end on a classical channel (S3620).
  • the transmitter selects the specific initial time state for the encoding based on the time state location information (S3630).
  • the transmitter generates an encoding time state by encoding the information based on the selected specific initial time state (S3640).
  • the encoding time state is generated by applying a time shift based on the value of the encoded information.
  • the transmitting end transmits the message including the encoding time state to the receiving end through the quantum channel (S3650).
  • the message is restored based on a time difference between the at least one piece of initial time state information stored in the receiving end and the encoding time state information.
  • An embodiment according to the present invention may be implemented by various means, for example, hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • one embodiment of the present invention provides one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), FPGAs ( field programmable gate arrays), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, etc.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • processors controllers, microcontrollers, microprocessors, etc.
  • an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a module, procedure, or function that performs the functions or operations described above.
  • the software code can be stored in memory and run by a processor.
  • the memory may be located inside or outside the processor and exchange data with the processor by various means known in the art.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 명세서는 양자 통신 시스템에서 송신단이 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC) 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 방법은, 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하는 단계; 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하는 단계; 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하는 단계; 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고; 및 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하는 단계를 포함하되, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 한다.

Description

양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치
본 명세서는 양자 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 양자 통신 시스템에서 고차원 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템이 음성이나 데이터 등과 같은 다양한 종류의 통신 서비스를 제공하기 위해 광범위하게 전개되고 있다. 일반적으로 무선통신 시스템은 가용한 시스템 자원(대역폭, 전송 파워 등)을 공유하여 다중 사용자와의 통신을 지원할 수 있는 다중 접속(multiple access) 시스템이다. 다중 접속 시스템의 예들로는 CDMA(Code Division Multiple Access) 시스템, FDMA(Frequency Division Multiple Access) 시스템, TDMA(Time Division Multiple Access) 시스템, SDMA(Space Division Multiple Access), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템, SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 시스템, IDMA (Interleave Division Multiple Access) 시스템 등이 있다.
본 명세서는 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 양자 통신 시스템에서 단일 광자에 기초하여 2비트 이상의 고전 정보를 전송하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 양자 통신 시스템에서 단일 광자에 기초하여 정보 손실 없이 2비트 이상의 고전 정보를 전송하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 양자 통신 시스템에서 수신단의 단일 광자 검출기에서의 불감시간을 고려하여 정보 전송을 위한 초기 상태를 구성하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공함에 목적이 있다.
본 명세서에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서는 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 명세서는, 양자 통신 시스템에서 송신단이 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC) 방법은, 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하는 단계; 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하는 단계; 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하는 단계; 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고; 및 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하는 단계를 포함하되, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서는, 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태 중 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태는, 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태에 대한 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단에 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 수신단으로부터, 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단에 사용되는 상기 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태에 대한 정보를 상기 고전 채널 상으로 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태에 대한 정보에 기초하여, 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단을 QBER(Quantum Bit Error Rate) 추정(estimation)에 기초하여 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 도청 여부 판단 결과 QBER의 값이 특정 값 이상인 것에 기초하여, 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태의 재전송을 요청하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 특정 초기 시간 상태의 선택 및 인코딩은, 상기 도청 여부 판단 결과 QBER의 값이 특정 값보다 작은 것에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 시간 상태 위치 정보를 수신하는 단계는 (i) 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 (ii) 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태를 수신하는 단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계는, 역방향 양자 채널(backward quantum channel)에서의 도청 여부 판단을 위해 사용되는 난수(random number)를 상기 정보에 추가하는 단계, 및 상기 난수가 추가된 상기 정보를 인코딩하여 코드워드(codeword)를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 수신단으로, (i) 상기 난수의 위치 및 (ii) 상기 난수의 값에 대한 정보를 포함하는 난수 정보를 상기 고전 채널 상으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계는, 상기 코드워드에 상기 시간 이동을 적용하여, 상기 특정 초기 시간 상태와 상기 코드워드를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 서로 다른 시간 이동 값이 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 서로 다른 시간 이동 값의 적용은 사전 정의된 맵핑 테이블에 기초하여 수행되고, 상기 맵핑 테이블은 상기 인코딩 되는 정보의 값들과 시간 이동 값들 간의 맵핑 관계와 관련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 특정 초기 시간 상태와 상기 인코딩 시간 상태는 적어도 하나 이상의 시간 빈(time bin)으로 구성되고, 상기 특정 초기 시간 상태의 차원(dimension)과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 동일한 것에 기초하여, 상기 특정 초기 시간 상태를 구성하는 시간 빈과 상기 인코딩 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이는 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 특정 초기 시간 상태의 차원과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 서로 다른 것에 기초하여, 상기 인코딩 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이는 상기 특정 초기 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 상기 특정 초기 시간 상태의 차원과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 서로 다른 것에 기초하여, 상기 수신단으로, 상기 인코딩 시간 상태의 생성 전에 상기 인코딩 시간 상태의 생성에 적용되는 차원에 대한 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 명세서는, 양자 통신 시스템에서 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC)을 수행하는 송신단은, 무선 신호를 전송하기 위한 전송기(transmitter); 무선 신호를 수신하기 위한 수신기(receiver); 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며, 상기 동작들은, 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하는 단계; 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하는 단계; 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하는 단계; 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고; 및 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하는 단계를 포함하되, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서는, 양자 통신 시스템에서 수신단이 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 수신하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC) 방법은, 송신단으로, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 전송하는 단계; 상기 송신단으로, 상기 송신단이 전송하는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 전송하는 단계, 상기 송신단에서의 상기 인코딩을 위한 상기 특정 초기 시간 상태는 상기 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여 선택되고; 상기 송신단으로부터, 상기 특정 초기 시간 상태에 기초하여 인코딩되는 상기 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성된 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 수신하는 단계; 및 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 상기 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서는, 양자 통신 시스템에서 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 수신하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC)을 수행하는 수신단은, 무선 신호를 전송하기 위한 전송기(transmitter); 무선 신호를 수신하기 위한 수신기(receiver); 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며, 상기 동작들은, 송신단으로, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 전송하는 단계; 상기 송신단으로, 상기 송신단이 전송하는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 전송하는 단계, 상기 송신단에서의 상기 인코딩을 위한 상기 특정 초기 시간 상태는 상기 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여 선택되고; 상기 송신단으로부터, 상기 특정 초기 시간 상태에 기초하여 인코딩되는 상기 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성된 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 수신하는 단계; 및 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 상기 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서는, 하나 이상의 명령어들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(computer readable medium, CRM)에 있어서, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행 가능한 하나 이상의 명령어들은 송신단이, 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하도록 하고, 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하도록 하고, 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하도록 하고, 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하도록 하고, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고, 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하도록 하되, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서는, 하나 이상의 메모리들 및 상기 하나 이상의 메모리들과 기능적으로 연결되어 있는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 장치에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서들은 상기 장치가, 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하도록 하고, 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하도록 하고, 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하도록 하고, 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하도록 하고, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고, 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하도록 하되, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서는 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서는 단일 광자에 기초하여 2비트 이상의 고전 정보를 전송함으로써, 양자 통신 시스템에서의 데이터율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서는 양자 통신 시스템에서 단일 광자에 기초하여 정보 손실 없이 2비트 이상의 고전 정보를 전송할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서는 양자 통신 시스템에서 수신단의 단일 광자 검출기에서의 불감시간을 고려하여 정보 전송을 위한 초기 상태를 구성함으로써, 수신단에서의 정보 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 명세서에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 명세서에 대한 실시 예들을 제공할 수 있다. 다만, 본 명세서의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 적용 가능한 통신 시스템 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 명세서에 적용 가능한 무선 기기의 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서에 적용 가능한 전송 신호를 처리하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서에 적용 가능한 무선 기기의 다른 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 명세서에 적용 가능한 휴대 기기의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서에 적용 가능한 물리 채널들 및 이들을 이용한 신호 전송 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서에 적용 가능한 무선 프레임의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 명세서에 적용 가능한 슬롯 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 명세서에 적용 가능한 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은 여러 종류의 상용 SPD들의 성능 비교 결과를 나타낸 도이다.
도 11 내지 도 13은 시간 상태와 위상 상태를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 QSDC에 적용되는 경우, 시간 상태와 위상 상태의 검출 효율이 전송 정보의 차원이 증가할수록 낮아지는 문제의 이해를 돕기 위한 도이다.
도 14는 기존 단광자 기반의 DL04 QSDC 기법의 전체적인 구성 및 전체적인 수행 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
도 15는 본 명세서에서 제안하는 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법의 전체적인 구성 및 전체적인 수행 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
도 16은 본 명세서에서 제안하는 N 차원 시간 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 17은 시간 상태의 생성 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
도 18은 본 명세서에서 제안하는 N 차원 시간 상태 구성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 19는 본 명세서에서 제안하는 N차원 위상 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 20은 위상 상태의 생성 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
도 21은 본 명세서에서 제안하는 위상 상태 구성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 22는 본 명세서에서 제안하는 N차원 시간 상태 및 위상 상태의 양자 정보 검출 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 23은 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 및 위상 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 24는 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 및 위상 상태 생성 방법에 의하여 생성된 시간 상태 및 위상 상태의 일 예를 나타낸 도이다.
도 25는 본 명세서에서 제안하는 초기 상태의 도청 여부 판단 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 26은 본 명세서에서 제안하는 초기 시간 상태 선택 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 27은 본 명세서에서 제안하는 메시지 코딩 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 28은 본 명세서에서 제안하는 초기 시간 상태와 인코딩 정보의 결합 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 29는 초기 시간 상태에 서로 다른 길이를 가지는 N개의 지연 라인을 이용한 시간 지연 할당을 통하여 메시지를 인코딩하는 규칙의 일 예를 나타낸 도이다.
도 30은 본 명세서에서 제안하는 시간 상태와 인코딩 정보의 결합 방법의 또 다른 일 예를 나타낸 도이다.
도 31은 본 명세서에서 제안하는 역방향 양자 채널에서의 QBER 추정 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 32는 SPD의 최대 검출 속도 대비 광원의 신호 생성 속도를 높이는 방식으로 고차원의 양자 정보를 생성하는 경우에 대한 전송량 개선 효과를 나타낸 도이다.
도 33은 기존 양자 정보 전송 기법 및 본 명세서에서 제안하는 방법에서의 양자 상태 생성 시간의 일 예를 나타낸 도이다.
도 34는 차원 증가에 따른 발명 기법의 data rate 측면의 개선 효과를 기존 QSDC 기법에서의 데이터 율과 비교한 결과를 나타낸 도이다.
도 35는 전송 거리 변화에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 36은 본 명세서에서 제안하는 차동 시간 코딩에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
이하의 실시 예들은 본 명세서의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 명세서의 실시 예를 구성할 수도 있다. 본 명세서의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시 예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시 예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
도면에 대한 설명에서, 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"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", "...기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 명세서를 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 기지국과 이동국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 이동국과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미가 있다. 본 명세서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.
즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 이동국과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있다. 이때, '기지국'은 고정국(fixed station), Node B, eNB(eNode B), gNB(gNode B), ng-eNB, 발전된 기지국(advanced base station, ABS) 또는 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들에서 단말(terminal)은 사용자 기기(user equipment, UE), 이동국(mobile station, MS), 가입자국(subscriber station, SS), 이동 가입자 단말(mobile subscriber station, MSS), 이동 단말(mobile terminal) 또는 발전된 이동 단말(advanced mobile station, AMS) 등의 용어로 대체될 수 있다.
또한, 송신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 제공하는 고정 및/또는 이동 노드를 말하고, 수신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 수신하는 고정 및/또는 이동 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크의 경우, 이동국이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크의 경우, 이동국이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802.xx 시스템, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 시스템, 3GPP LTE(Long Term Evolution) 시스템, 3GPP 5G(5th generation) NR(New Radio) 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있으며, 특히, 본 명세서의 실시 예들은 3GPP TS(technical specification) 38.211, 3GPP TS 38.212, 3GPP TS 38.213, 3GPP TS 38.321 및 3GPP TS 38.331 문서들에 의해 뒷받침 될 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 다른 무선 접속 시스템에도 적용될 수 있으며, 상술한 시스템으로 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 3GPP 5G NR 시스템 이후에 적용되는 시스템에 대해서도 적용 가능할 수 있으며, 특정 시스템에 한정되지 않는다.
즉, 본 명세서의 실시 예들 중 설명하지 않은 자명한 단계들 또는 부분들은 상기 문서들을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다.
이하, 본 명세서에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 명세서의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 명세서의 기술 구성이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
또한, 본 명세서의 실시 예들에서 사용되는 특정 용어들은 본 명세서의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 명세서의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 적용될 수 있다.
하기에서는 이하 설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP 통신 시스템(e.g.(예, LTE, NR 등)을 기반으로 설명하지만 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. LTE는 3GPP TS 36.xxx Release 8 이후의 기술을 의미할 수 있다. 세부적으로, 3GPP TS 36.xxx Release 10 이후의 LTE 기술은 LTE-A로 지칭되고, 3GPP TS 36.xxx Release 13 이후의 LTE 기술은 LTE-A pro로 지칭될 수 있다. 3GPP NR은 TS 38.xxx Release 15 이후의 기술을 의미할 수 있다. 3GPP 6G는 TS Release 17 및/또는 Release 18 이후의 기술을 의미할 수 있다. "xxx"는 표준 문서 세부 번호를 의미한다. LTE/NR/6G는 3GPP 시스템으로 통칭될 수 있다.
본 명세서에 사용된 배경기술, 용어, 약어 등에 관해서는 본 발명 이전에 공개된 표준 문서에 기재된 사항을 참조할 수 있다. 일 예로, 36.xxx 및 38.xxx 표준 문서를 참조할 수 있다.
본 명세서에 적용 가능한 통신 시스템
이로 제한되는 것은 아니지만, 본 명세서에 개시된 다양한 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 기기들 간에 무선 통신/연결(예, 5G)을 필요로 하는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 보다 구체적으로 예시한다. 이하의 도면/설명에서 동일한 도면 부호는 다르게 기술하지 않는 한, 동일하거나 대응되는 하드웨어 블록, 소프트웨어 블록 또는 기능 블록을 예시할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 적용되는 통신 시스템 예시를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(100)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR, LTE)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(home appliance)(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI(artificial intelligence) 기기/서버(100g)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, 차량(100b-1, 100b-2)은 UAV(unmanned aerial vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기(100c)는 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 기기(100d)는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전(100e)은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기(100f)는 센서, 스마트 미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국(120), 네트워크(130)는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(120a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(120)을 통해 네트워크(130)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(130)를 통해 AI 서버(100g)와 연결될 수 있다. 네트워크(130)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크 또는 5G(예, NR) 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(120)/네트워크(130)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국(120)/네트워크(130)를 통하지 않고 직접 통신(예, 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(예, V2V(vehicle to vehicle)/V2X(vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(100f)(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(120), 기지국(120)/기지국(120) 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)(예, 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.
본 명세서에 적용 가능한 통신 시스템
도 2는 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기의 예시를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 무선 기기(200a)와 제2 무선 기기(200b)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(200a), 제2 무선 기기(200b)}은 도 1의 {무선 기기(100x), 기지국(120)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(200a)는 하나 이상의 프로세서(202a) 및 하나 이상의 메모리(204a)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206a) 및/또는 하나 이상의 안테나(208a)을 더 포함할 수 있다. 프로세서(202a)는 메모리(204a) 및/또는 송수신기(206a)를 제어하며, 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202a)는 메모리(204a) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206a)을 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202a)는 송수신기(206a)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204a)에 저장할 수 있다. 메모리(204a)는 프로세서(202a)와 연결될 수 있고, 프로세서(202a)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204a)는 프로세서(202a)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202a)와 메모리(204a)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206a)는 프로세서(202a)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208a)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206a)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(206a)는 RF(radio frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 명세서에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200b)는 하나 이상의 프로세서(202b), 하나 이상의 메모리(204b)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206b) 및/또는 하나 이상의 안테나(208b)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202b)는 메모리(204b) 및/또는 송수신기(206b)를 제어하며, 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202b)는 메모리(204b) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206b)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202b)는 송수신기(206b)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204b)에 저장할 수 있다. 메모리(204b)는 프로세서(202b)와 연결될 수 있고, 프로세서(202b)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204b)는 프로세서(202b)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202b)와 메모리(204b)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206b)는 프로세서(202b)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208b)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206b)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206b)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 명세서에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(200a, 200b)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 계층(예, PHY(physical), MAC(media access control), RLC(radio link control), PDCP(packet data convergence protocol), RRC(radio resource control), SDAP(service data adaptation protocol)와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 본 명세서에 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(202a, 202b)는 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 본 명세서에 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(206a, 206b)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)로부터 신호(예, 베이스밴드 신호)를 수신할 수 있고, 본 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 획득할 수 있다.
하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)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(202a, 202b)에 포함될 수 있다. 본 명세서에 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 명세서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 수행하도록 설정된 펌웨어 또는 소프트웨어는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(204a, 204b)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)에 의해 구동될 수 있다. 본 명세서에 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(204a, 204b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory), EPROM(erasable programmable read only memory), 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 다른 장치에게 본 명세서의 방법들 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 전송할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 다른 장치로부터 본 명세서에 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(206a, 206b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)를 통해 본 명세서에 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 명세서에서, 하나 이상의 안테나는 복수의 물리 안테나이거나, 복수의 논리 안테나(예, 안테나 포트)일 수 있다. 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
도 3은 본 명세서에 적용되는 전송 신호를 처리하는 방법을 도시한 도면이다. 일 예로, 전송 신호는 신호 처리 회로에 의해 처리될 수 있다. 이때, 신호 처리 회로(300)는 스크램블러(310), 변조기(320), 레이어 매퍼(330), 프리코더(340), 자원 매퍼(350), 신호 생성기(360)를 포함할 수 있다. 이때, 일 예로, 도 3의 동작/기능은 도 2의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 송수신기(206a, 206b)에서 수행될 수 있다. 또한, 일 예로, 도 3의 하드웨어 요소는 도 2의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 송수신기(206a, 206b)에서 구현될 수 있다. 일 예로, 블록 310~350은 도 2의 프로세서(202a, 202b)에서 구현되고, 블록 360은 도 2의 송수신기(206a, 206b)에서 구현될 수 있으며, 상술한 실시 예로 한정되지 않는다.
코드워드는 도 3의 신호 처리 회로(300)를 거쳐 무선 신호로 변환될 수 있다. 여기서, 코드워드는 정보블록의 부호화된 비트 시퀀스이다. 정보블록은 전송블록(예, UL-SCH 전송블록, DL-SCH 전송블록)을 포함할 수 있다. 무선 신호는 도 6의 다양한 물리 채널(예, PUSCH, PDSCH)을 통해 전송될 수 있다. 구체적으로, 코드워드는 스크램블러(310)에 의해 스크램블된 비트 시퀀스로 변환될 수 있다. 스크램블에 사용되는 스크램블 시퀀스는 초기화 값에 기반하여 생성되며, 초기화 값은 무선 기기의 ID 정보 등이 포함될 수 있다. 스크램블된 비트 시퀀스는 변조기(320)에 의해 변조 심볼 시퀀스로 변조될 수 있다. 변조 방식은 pi/2-BPSK(pi/2-binary phase shift keying), m-PSK(m-phase shift keying), m-QAM(m-quadrature amplitude modulation) 등을 포함할 수 있다.
복소 변조 심볼 시퀀스는 레이어 매퍼(330)에 의해 하나 이상의 전송 레이어로 매핑될 수 있다. 각 전송 레이어의 변조 심볼들은 프리코더(340)에 의해 해당 안테나 포트(들)로 매핑될 수 있다(프리코딩). 프리코더(340)의 출력 z는 레이어 매퍼(330)의 출력 y를 N*M의 프리코딩 행렬 W와 곱해 얻을 수 있다. 여기서, N은 안테나 포트의 개수, M은 전송 레이어의 개수이다. 여기서, 프리코더(340)는 복소 변조 심볼들에 대한 트랜스폼(transform) 프리코딩(예, DFT(discrete fourier transform) 변환)을 수행한 이후에 프리코딩을 수행할 수 있다. 또한, 프리코더(340)는 트랜스폼 프리코딩을 수행하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다.
자원 매퍼(350)는 각 안테나 포트의 변조 심볼들을 시간-주파수 자원에 매핑할 수 있다. 시간-주파수 자원은 시간 도메인에서 복수의 심볼(예, CP-OFDMA 심볼, DFT-s-OFDMA 심볼)을 포함하고, 주파수 도메인에서 복수의 부반송파를 포함할 수 있다. 신호 생성기(360)는 매핑된 변조 심볼들로부터 무선 신호를 생성하며, 생성된 무선 신호는 각 안테나를 통해 다른 기기로 전송될 수 있다. 이를 위해, 신호 생성기(360)는 IFFT(inverse fast fourier transform) 모듈 및 CP(cyclic prefix) 삽입기, DAC(digital-to-analog converter), 주파수 상향 변환기(frequency uplink converter) 등을 포함할 수 있다.
무선 기기에서 수신 신호를 위한 신호 처리 과정은 도 3의 신호 처리 과정(310~360)의 역으로 구성될 수 있다. 일 예로, 무선 기기(예, 도 2의 200a, 200b)는 안테나 포트/송수신기를 통해 외부로부터 무선 신호를 수신할 수 있다. 수신된 무선 신호는 신호 복원기를 통해 베이스밴드 신호로 변환될 수 있다. 이를 위해, 신호 복원기는 주파수 하향 변환기(frequency downlink converter), ADC(analog-to-digital converter), CP 제거기, FFT(fast fourier transform) 모듈을 포함할 수 있다. 이후, 베이스밴드 신호는 자원 디-매퍼 과정, 포스트코딩(postcoding) 과정, 복조 과정 및 디-스크램블 과정을 거쳐 코드워드로 복원될 수 있다. 코드워드는 복호(decoding)를 거쳐 원래의 정보블록으로 복원될 수 있다. 따라서, 수신 신호를 위한 신호 처리 회로(미도시)는 신호 복원기, 자원 디-매퍼, 포스트코더, 복조기, 디-스크램블러 및 복호기를 포함할 수 있다.
본 명세서에 적용 가능한 무선 기기 구조
도 4는 본 명세서에 적용되는 무선 기기의 다른 예시를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 기기(400)는 도 2의 무선 기기(200a, 200b)에 대응하며, 다양한 요소(element), 성분(component), 유닛/부(unit), 및/또는 모듈(module)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(400)는 통신부(410), 제어부(420), 메모리부(430) 및 추가 요소(440)를 포함할 수 있다. 통신부는 통신 회로(412) 및 송수신기(들)(414)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 회로(412)는 도 2의 하나 이상의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 하나 이상의 메모리(204a, 204b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기(들)(414)는 도 2의 하나 이상의 송수신기(206a, 206b) 및/또는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)을 포함할 수 있다. 제어부(420)는 통신부(410), 메모리부(430) 및 추가 요소(440)와 전기적으로 연결되며 무선 기기의 제반 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(420)는 메모리부(430)에 저장된 프로그램/코드/명령/정보에 기반하여 무선 기기의 전기적/기계적 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(420)는 메모리부(430)에 저장된 정보를 통신부(410)을 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로 무선/유선 인터페이스를 통해 전송하거나, 통신부(410)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로부터 무선/유선 인터페이스를 통해 수신된 정보를 메모리부(430)에 저장할 수 있다.
추가 요소(440)는 무선 기기의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 추가 요소(440)는 파워 유닛/배터리, 입출력부(input/output unit), 구동부 및 컴퓨팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기(400)는 로봇(도 1, 100a), 차량(도 1, 100b-1, 100b-2), XR 기기(도 1, 100c), 휴대 기기(도 1, 100d), 가전(도 1, 100e), IoT 기기(도 1, 100f), 디지털 방송용 단말, 홀로그램 장치, 공공 안전 장치, MTC 장치, 의료 장치, 핀테크 장치(또는 금융 장치), 보안 장치, 기후/환경 장치, AI 서버/기기(도 1, 140), 기지국(도 1, 120), 네트워크 노드 등의 형태로 구현될 수 있다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 이동 가능하거나 고정된 장소에서 사용될 수 있다.
도 4에서 무선 기기(400) 내의 다양한 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 전체가 유선 인터페이스를 통해 상호 연결되거나, 적어도 일부가 통신부(410)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(400) 내에서 제어부(420)와 통신부(410)는 유선으로 연결되며, 제어부(420)와 제1 유닛(예, 430, 440)은 통신부(410)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 또한, 무선 기기(400) 내의 각 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 하나 이상의 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(420)는 하나 이상의 프로세서 집합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(420)는 통신 제어 프로세서, 어플리케이션 프로세서(application processor), ECU(electronic control unit), 그래픽 처리 프로세서, 메모리 제어 프로세서 등의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리부(430)는 RAM, DRAM(dynamic RAM), ROM, 플래시 메모리(flash memory), 휘발성 메모리(volatile memory), 비-휘발성 메모리(non-volatile memory) 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
본 명세서가 적용 가능한 휴대 기기
도 5는 본 명세서에 적용되는 휴대 기기의 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 명세서에 적용되는 휴대 기기를 예시한다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트 워치, 스마트 글래스), 휴대용 컴퓨터(예, 노트북 등)을 포함할 수 있다. 휴대 기기는 MS(mobile station), UT(user terminal), MSS(mobile subscriber station), SS(subscriber station), AMS(advanced mobile station) 또는 WT(wireless terminal)로 지칭될 수 있다.
도 5를 참조하면, 휴대 기기(500)는 안테나부(508), 통신부(510), 제어부(520), 메모리부(530), 전원공급부(540a), 인터페이스부(540b) 및 입출력부(540c)를 포함할 수 있다. 안테나부(508)는 통신부(510)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 510~530/540a~540c는 각각 도 4의 블록 410~430/440에 대응한다.
통신부(510)는 다른 무선 기기, 기지국들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(520)는 휴대 기기(500)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(520)는 AP(application processor)를 포함할 수 있다. 메모리부(530)는 휴대 기기(500)의 구동에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(530)는 입/출력되는 데이터/정보 등을 저장할 수 있다. 전원공급부(540a)는 휴대 기기(500)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 인터페이스부(540b)는 휴대 기기(500)와 다른 외부 기기의 연결을 지원할 수 있다. 인터페이스부(540b)는 외부 기기와의 연결을 위한 다양한 포트(예, 오디오 입/출력 포트, 비디오 입/출력 포트)를 포함할 수 있다. 입출력부(540c)는 영상 정보/신호, 오디오 정보/신호, 데이터, 및/또는 사용자로부터 입력되는 정보를 입력 받거나 출력할 수 있다. 입출력부(540c)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부(540d), 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 데이터 통신의 경우, 입출력부(540c)는 사용자로부터 입력된 정보/신호(예, 터치, 문자, 음성, 이미지, 비디오)를 획득하며, 획득된 정보/신호는 메모리부(530)에 저장될 수 있다. 통신부(510)는 메모리에 저장된 정보/신호를 무선 신호로 변환하고, 변환된 무선 신호를 다른 무선 기기에게 직접 전송하거나 기지국에게 전송할 수 있다. 또한, 통신부(510)는 다른 무선 기기 또는 기지국으로부터 무선 신호를 수신한 뒤, 수신된 무선 신호를 원래의 정보/신호로 복원할 수 있다. 복원된 정보/신호는 메모리부(530)에 저장된 뒤, 입출력부(540c)를 통해 다양한 형태(예, 문자, 음성, 이미지, 비디오, 햅틱)로 출력될 수 있다.
물리 채널들 및 일반적인 신호 전송
무선 접속 시스템에서 단말은 하향링크(downlink, DL)를 통해 기지국으로부터 정보를 수신하고, 상향링크(uplink, UL)를 통해 기지국으로 정보를 전송할 수 있다. 기지국과 단말이 송수신하는 정보는 일반 데이터 정보 및 다양한 제어 정보를 포함하고, 이들이 송수신 하는 정보의 종류/용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
도 6은 본 명세서에 적용되는 물리 채널들 및 이들을 이용한 신호 전송 방법을 도시한 도면이다.
전원이 꺼진 상태에서 다시 전원이 켜지거나, 새로이 셀에 진입한 단말은 S611 단계에서 기지국과 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색(initial cell search) 작업을 수행한다. 이를 위해 단말은 기지국으로부터 주 동기 채널(primary synchronization channel, P-SCH) 및 부 동기 채널(secondary synchronization channel, S-SCH)을 수신하여 기지국과 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득할 수 있다.
그 후, 단말은 기지국으로부터 물리 방송 채널(physical broadcast channel, PBCH) 신호를 수신하여 셀 내 방송 정보를 획득할 수 있다. 한편, 단말은 초기 셀 탐색 단계에서 하향링크 참조 신호 (DL RS: Downlink Reference Signal)를 수신하여 하향링크 채널 상태를 확인할 수 있다. 초기 셀 탐색을 마친 단말은 S612 단계에서 물리 하향링크 제어 채널(physical downlink control channel, PDCCH) 및 물리 하향링크 제어 채널 정보에 따른 물리 하향링크 공유 채널(physical downlink control channel, PDSCH)을 수신하여 조금 더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다.
이후, 단말은 기지국에 접속을 완료하기 위해 이후 단계 S613 내지 단계 S616과 같은 임의 접속 과정(random access procedure)을 수행할 수 있다. 이를 위해 단말은 물리 임의 접속 채널(physical random access channel, PRACH)을 통해 프리앰블 (preamble)을 전송하고(S613), 물리 하향링크 제어 채널 및 이에 대응하는 물리 하향링크 공유 채널을 통해 프리앰블에 대한 RAR(random access response)를 수신할 수 있다(S614). 단말은 RAR 내의 스케줄링 정보를 이용하여 PUSCH(physical uplink shared channel)을 전송하고(S615), 물리 하향링크 제어채널 신호 및 이에 대응하는 물리 하향링크 공유 채널 신호의 수신과 같은 충돌 해결 절차(contention resolution procedure)를 수행할 수 있다(S616).
상술한 바와 같은 절차를 수행한 단말은 이후 일반적인 상/하향링크 신호 전송 절차로서 물리 하향링크 제어 채널 신호 및/또는 물리 하향링크 공유 채널 신호의 수신(S617) 및 물리 상향링크 공유 채널(physical uplink shared channel, PUSCH) 신호 및/또는 물리 상향링크 제어 채널(physical uplink control channel, PUCCH) 신호의 전송(S618)을 수행할 수 있다.
단말이 기지국으로 전송하는 제어정보를 통칭하여 상향링크 제어정보(uplink control information, UCI)라고 지칭한다. UCI는 HARQ-ACK/NACK(hybrid automatic repeat and request acknowledgement/negative-ACK), SR(scheduling request), CQI(channel quality indication), PMI(precoding matrix indication), RI(rank indication), BI(beam indication) 정보 등을 포함한다. 이때, UCI는 일반적으로 PUCCH를 통해 주기적으로 전송되지만, 실시 예에 따라(예, 제어정보와 트래픽 데이터가 동시에 전송되어야 할 경우) PUSCH를 통해 전송될 수 있다. 또한, 네트워크의 요청/지시에 의해 단말은 PUSCH를 통해 UCI를 비주기적으로 전송할 수 있다.
도 7은 본 명세서에 적용 가능한 무선 프레임의 구조를 도시한 도면이다.
NR 시스템에 기초한 상향링크 및 하향링크 전송은 도 7과 같은 프레임에 기초할 수 있다. 이때, 하나의 무선 프레임은 10ms의 길이를 가지며, 2개의 5ms 하프-프레임(half-frame, HF)으로 정의될 수 있다. 하나의 하프-프레임은 5개의 1ms 서브프레임(subframe, SF)으로 정의될 수 있다. 하나의 서브프레임은 하나 이상의 슬롯으로 분할되며, 서브프레임 내 슬롯 개수는 SCS(subcarrier spacing)에 의존할 수 있다. 이때, 각 슬롯은 CP(cyclic prefix)에 따라 12개 또는 14개의 OFDM(A) 심볼들을 포함할 수 있다. 일반 CP(normal CP)가 사용되는 경우, 각 슬롯은 14개의 심볼들을 포함할 수 있다. 확장 CP(extended CP)가 사용되는 경우, 각 슬롯은 12개의 심볼들을 포함할 수 있다. 여기서, 심볼은 OFDM 심볼(또는, CP-OFDM 심볼), SC-FDMA 심볼(또는, DFT-s-OFDM 심볼)을 포함할 수 있다.
표 1은 일반 CP가 사용되는 경우, SCS에 따른 슬롯 별 심볼의 개수, 프레임 별 슬롯의 개수 및 서브프레임 별 슬롯의 개수를 나타내고, 표 2는 확장된 CSP가 사용되는 경우, SCS에 따른 슬롯 별 심볼의 개수, 프레임 별 슬롯의 개수 및 서브프레임 별 슬롯의 개수를 나타낸다.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000001
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000002
상기 표 1 및 표 2에서, Nslotsymb 는 슬롯 내 심볼의 개수를 나타내고, Nframe,μslot는 프레임 내 슬롯의 개수를 나타내고, Nsubframe,μslot는 서브프레임 내 슬롯의 개수를 나타낼 수 있다.
또한, 본 명세서가 적용 가능한 시스템에서, 하나의 단말에게 병합되는 복수의 셀들간에 OFDM(A) 뉴모놀로지(numerology)(예, SCS, CP 길이 등)가 상이하게 설정될 수 있다. 이에 따라, 동일한 개수의 심볼로 구성된 시간 자원(예, SF, 슬롯 또는 TTI)(편의상, TU(time unit)로 통칭)의 (절대 시간) 구간이 병합된 셀들 간에 상이하게 설정될 수 있다.
NR은 다양한 5G 서비스들을 지원하기 위한 다수의 numerology(또는 SCS(subcarrier spacing))를 지원할 수 있다. 예를 들어, SCS가 15kHz인 경우, 전통적인 셀룰러 밴드들에서의 넓은 영역(wide area)를 지원하며, SCS가 30kHz/60kHz인 경우, 밀집한-도시(dense-urban), 더 낮은 지연(lower latency) 및 더 넓은 캐리어 대역폭(wider carrier bandwidth)를 지원하며, SCS가 60kHz 또는 그보다 높은 경우, 위상 잡음(phase noise)를 극복하기 위해 24.25GHz보다 큰 대역폭을 지원할 수 있다.
NR 주파수 밴드(frequency band)는 2가지 type(FR1, FR2)의 주파수 범위(frequency range)로 정의된다. FR1, FR2는 아래 표와 같이 구성될 수 있다. 또한, FR2는 밀리미터 웨이브(millimeter wave, mmW)를 의미할 수 있다.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000003
또한, 일 예로, 본 명세서가 적용 가능한 통신 시스템에서 상술한 뉴모놀로지(numerology)가 다르게 설정될 수 있다. 일 예로, 상술한 FR2보다 높은 주파수 대역으로 테라헤르츠 웨이브(Terahertz wave, THz) 대역이 사용될 수 있다. THz 대역에서 SCS는 NR 시스템보다 더 크게 설정될 수 있으며, 슬롯 수도 상이하게 설정될 수 있으며, 상술한 실시 예로 한정되지 않는다.
도 8은 본 명세서에 적용 가능한 슬롯 구조를 도시한 도면이다.
하나의 슬롯은 시간 도메인에서 복수의 심볼을 포함한다. 예를 들어, 보통 CP의 경우 하나의 슬롯이 7개의 심볼을 포함하나, 확장 CP의 경우 하나의 슬롯이 6개의 심볼을 포함할 수 있다. 반송파(carrier)는 주파수 도메인에서 복수의 부반송파(subcarrier)를 포함한다. RB(Resource Block)는 주파수 도메인에서 복수(예, 12)의 연속한 부반송파로 정의될 수 있다.
또한, BWP(Bandwidth Part)는 주파수 도메인에서 복수의 연속한 (P)RB로 정의되며, 하나의 뉴모놀로지(numerology)(예, SCS, CP 길이 등)에 대응될 수 있다.
반송파는 최대 N개(예, 5개)의 BWP를 포함할 수 있다. 데이터 통신은 활성화된 BWP를 통해서 수행되며, 하나의 단말한테는 하나의 BWP만 활성화될 수 있다. 자원 그리드에서 각각의 요소는 자원요소(Resource Element, RE)로 지칭되며, 하나의 복소 심볼이 매핑될 수 있다.
6G 통신 시스템
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 connectivity"와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 하기 표 4와 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 4는 6G 시스템의 요구 사항을 나타낸 표이다.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000004
이때, 6G 시스템은 향상된 모바일 브로드밴드(enhanced mobile broadband, eMBB), 초-저지연 통신(ultra-reliable low latency communications, URLLC), mMTC (massive machine type communications), AI 통합 통신(AI integrated communication), 촉각 인터넷(tactile internet), 높은 스루풋(high throughput), 높은 네트워크 능력(high network capacity), 높은 에너지 효율(high energy efficiency), 낮은 백홀 및 접근 네트워크 혼잡(low backhaul and access network congestion) 및 향상된 데이터 보안(enhanced data security)과 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 9는 본 명세서에 적용 가능한 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 핵심 요소(key feature)인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것으로 예상된다. 이때, 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 수 있다. 또한, 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 중요할 수 있다.
- 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 3-dimemtion 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 커뮤니케이션
6G 네트워크의 맥락에서 네트워크의 감독되지 않은 강화 학습이 유망하다. 지도 학습 방식은 6G에서 생성된 방대한 양의 데이터에 레이블을 지정할 수 없다. 비지도 학습에는 라벨링이 필요하지 않다. 따라서, 이 기술은 복잡한 네트워크의 표현을 자율적으로 구축하는 데 사용할 수 있다. 강화 학습과 비지도 학습을 결합하면 진정한 자율적인 방식으로 네트워크를 운영할 수 있다.
용어 정의
설명의 편의를 위해, 본 명세서에서는 아래와 같은 기호/약어/용어가 혼용될 수 있다.
- QSDC: 양자 보안 직접 통신(Quantum Secure Direct Communication)
- QBER: 양자 비트 오류율(Quantum Bit Error Rate)
- QKD: 양자 키 분배(Quantum Key Distribution)
- OSW: 광 스위치(Optical Switch)
- LD: 레이저 다이오드(Laser Diode)
- SPD: 단일 광자 검출기(Single Photon Detector)
- AWG: 임의 파형 생성기(Arbitrary Waveform Generator)
- IM: 강도 변조기(Intensity modulator)
- PM: 위상 변조기(Phase Modulator)
- VOA: 가변 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator)
- MZI: 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)
양자 정보 전송 시스템에서는, 주로 송신단이 광자의 속성(특성)에 기초하여 전송할 양자 상태를 생성하고, 신호를 감쇄기(VOA)를 통하여 단광자 수준으로 약화시켜 양자 채널 상으로 수신단으로 전송한다. 여기서, 상기 광자의 속성(특성)은 편광, 위상, 시간 정보 등을 포함할 수 있다. 수신단은 송신단이 전송한 신호를 단일 광자 검출기(SPD)에서 검출한다. 이 때, 광자를 통해 전송된 정보는 다양한 요인들로 인하여 수신단에서 모두 검출되지 못하고 손실이 발생할 수 있다. 상기 다양한 요인들로는 채널로 인한 손실, SPD의 낮은 측정 정확성 등이 있을 수 있다.
특히, 광원(LD)에서의 신호 생성 속도가 검출기에서의 최대 신호 검출 속도를 초과하는 경우, 수신 신호의 손실은 더 증가할 수 있다. 이와 같은 수신 신호의 손실은 SPD가 특정 시점에 신호를 검출 한 후 다음 신호(광자)를 검출하기 위한 준비 상태로 돌아가기 위해 필요한 시간인 불감 시간(dead time)으로 인하여 발생할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 불감 시간은, 빛이 들어옴으로 인해 수많은 전자와 정공이 생성 및 방출되고, 상기 전자와 정공이 생성 및 방출에 기초한 아발란치 항복(Avalanche breakdown)의 발생 후, 검출기의 전원을 차단(off)하고 다시 충전하는 동안 SPD에서 수신되는 어떠한 신호도 검출이 되지 않는 시간을 의미한다.
도 10은 여러 종류의 상용 SPD들의 성능 비교 결과를 나타낸 도이다. 도 10의 1010을 참조하면, 상용 SPD를 기준으로 최소 수십 ns 이상의 불감 시간이 소모됨을 알 수 있다. 이와 같은 불감 시간으로 인하여, 현재 QKD를 비롯한 양자 정보 전송 기법의 최대 전송 속도는 기존 통신 기술에 비해 낮은 Mbps 단위에 머물러 있다.
LD에서의 광학적인 양자 정보 생성 가능한 속도가 1ps이하까지인 점을 고려하면, SPD의 최대 검출 속도 대비 LD에서의 양자 정보 생성 속도가 104배 이상임을 알 수 있다. SPD의 불감 시간으로 인해, 양자 통신 기술에서는 고속 양자 정보 생성 기술이 SPD의 최대 검출 속도 이내의 범위에서만 적용될 수 있다. 이로 인하여, 양자 통신 기술에서는 데이터율(data rate) 제약 문제가 존재하는데, SPD의 불감 시간이 존재하는 상황에서도 고속 광원 생성 기술의 적용이 가능한 방법의 적용을 해 상기 데이터율 제약 문제가 해결될 수 있다.
기존 단광자 기반의 QSDC 기법에서는 광자당 1bit의 고전 정보만 전송이 가능하므로, 단광자 기반의 QSDC 기법에서의 데이터 율은 SPD의 불감 시간에 해당하는 데이터율 이상으로 개선이 불가능하다. QSDC 기법에 대한 연구는 2천년대 초반부터 단광자 광원 기반의 편광 코딩을 이용하는 방식으로 이루어져왔으나, 관련 양자 정보 전송 기술인 QKD 기법에 비해서 정보 전송 속도가 낮은 것으로 보고 되었다. QSDC 기법이 QKD 기법에 비해서 정보 전송 속도가 낮은 주된 이유 중 하나는, QKD 기법에서 전송 속도 개선을 위해 사용되는 기법인 고차원 양자 정보 전송 기법이 QSDC에서는 적용되지 못함으로 인하여, QSDC 기법에서는 광자당 1 bit 이상의 고전 정보 전송을 하지 못하는 점이다. 고차원 양자 정보 전송 기법은 하나의 광자에 2bit 이상의 고전 정보를 포함시켜 전송하는 데이터율 개선 기법으로, 몇 가지 방법으로 구성이 가능한 것으로 알려져 있다.
본 명세서에서는 양자 정보를 직접 양자 채널로 전송하는 양자 통신 기법 중 하나인 QSDC 기법을 다룬다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 상기 고차원 양자 정보 전송 기법들 중 시간 상태(time state)와 위상 상태(phase state)를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법을 통해, QSDC의 전송 효율을 개선할 수 있는 방법을 제안한다.
양자 암호 통신의 비밀 키 공유 기법으로 사용되는 QKD 프로토콜에서의 고차원 정보 전송을 위해, 시간 상태(time state)와 위상 상태(phase state)를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 적용된 사례가 있다. 시간 상태(time state)와 위상 상태(phase state)를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 QKD 프로토콜에서의 고차원 정보 전송을 위해 적용된 경우에도 검출 효율이 낮은 문제가 존재할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 송수신단 사이에 양자 비밀 키만 공유된다면 낮은 검출 효율은 QKD에서의 키 레이트(key rate)를 저하시키는 요인일 뿐이므로, 시간 상태와 위상 상태를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법은 양자 키 분배 기술로 사용될 수 있다. 반면, 양자 통신 기법인 QSDC에서는 메시지 정보의 정확한 전송을 목적으로 한다. 따라서, 이를 위해서는 전송된 정보의 검출 과정에서의 손실 비율이 최소화 되어야 한다. 그러나, 시간 상태와 위상 상태를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 QSDC에 적용되는 경우, 시간 상태와 위상 상태의 검출 효율은 전송 정보의 차원이 증가할수록 낮아지는 것으로 알려져 있다.
시간 상태와 위상 상태를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 QSDC에 적용되는 경우, 시간 상태와 위상 상태의 검출 효율이 전송 정보의 차원이 증가할수록 낮아지는 이유를 도 11 내지 도 13을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 11 내지 도 13은 시간 상태와 위상 상태를 이용한 고차원 양자 정보 전송 기법이 QSDC에 적용되는 경우, 시간 상태와 위상 상태의 검출 효율이 전송 정보의 차원이 증가할수록 낮아지는 문제의 이해를 돕기 위한 도이다.
보다 구체적으로, 도 11은 시간 상태를 이용하여 고차원 양자 정보가 전송되는 경우를 나타낸 도이다. 도 11을 참조하면, 송신단에서 전송되는 신호들(1110 및 1120) 간의 시간 간격이 SPD에서의 불감 시간보다 짧음으로 인해, 나중에 전송된 신호(1120)가 SPD에서 검출되지 않는 것을 알 수 있다.
도 13은 전송 정보의 차원 증가에 따른 시간 상태와 위상 상태의 검출 확률을 나타낸 도이다. 도 13을 참조하면, 광자 당 2bits 정보를 전송할 수 있는 4차원 기법 기준으로, 연속한 시간 상태가 동일한 SPD로 들어올 때, 나중에 전송된 신호가 검출되지 못할 확률은 37.5% 정도(3/4 * 100%)임을 알 수 있다.
도 12는 위상 상태를 이용하여 고차원 양자 정보가 전송되는 경우를 나타낸 도이다. 도 12를 참조하면, 위상 상태의 경우, SPD에서의 신호 검출을 위해서 시간 지연 간섭계(time delay interferometer)가 사용되는데, 전송 정보의 차원이 증가할수록 도 12의 1210 및 1220에서와 같이 더 많은 time bin의 위치에서 간섭계를 통과한 신호가 확률적으로 분포되어 나타나므로 SPD에서의 검출 효율이 저하될 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, 위상 상태를 이용하여 고차원 양자 정보가 전송되는 경우, 1bit 정보가 전송되는 2차원의 경우, 50%, 2 bits 정보가 전송되는 4차원의 경우, 25%의 확률로 정보 검출에 사용되는 가운데 시간 빈(time bin)에서의 검출 가능성이 존재하므로 검출 과정의 정보 손실이 매우 크게 발생하며, 이로 인해 양자 통신 목적으로 사용이 어렵게 된다. 결론적으로, 시간 상태를 이용하여 고차원 양자 정보가 전송되는 경우 및 위상 상태를 이용하여 고차원 양자 정보가 전송되는 경우 모두 전송 정보의 차원이 증가할수록 전송되는 양자 상태(quantum state)의 검출 확률이 낮아지는 문제가 존재하는 것을 알 수 있다.
양자 통신 기법을 위한 QSDC 프로토콜에서의 신뢰성 있는 정보 전송을 위해서는, 전송 정보의 차원이 증가할수록 전송되는 양자 상태(quantum state)의 검출 확률이 낮아지는 문제가 해결되어야 한다. 이를 위해, 본 명세서는 단 광자 기반의 QSDC 기법에 고차원 양자 정보 전송 기법을 적용하면서도, 전송 정보의 차원이 증가할수록 전송되는 양자 상태(quantum state)의 검출 확률이 낮아지는 문제의 해결을 위한 방법을 제안한다. 보다 구체적으로, 본 명세서에서는, 단 광자 기반의 QSDC 기법에서, 시간 상태(time state)의 시간 차 정보를 이용하여 전송 정보를 N차원으로 구성하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 시간차 코딩(Differential time coding) 기반의 N차원 QSDC기법이 제안된다. 상기 시간차 코딩 기반의 N차원 QSDC기법은 (i) 초기 시간 상태(time state)와 (ii) 정보가 포함된 인코딩 시간 상태(encoding time state) 간의 시간차에 기초하여 정보를 전송하고, 전송된 정보는 상기 시간차에 기초하여 복원되는 방법이다. 또한, 전송 정보의 차원이 증가할수록 검출 효율이 저하되는 문제의 해결을 위해, SPD의 불감 시간(dead time)을 고려한 시간 간격을 포함하여 초기 상태(initial state)를 생성하는 방법이 제안된다. 본 명세서 제안되는 상기의 방법들을 통해 시간 상태 당
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000005
bits의 고전 정보가 안전하게 전송될 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 방법들을 설명하기에 앞서 본 명세서에서 제안하는 방법들의 이해를 돕기 위해, 단광자 기반의 QSDC 기법의 기본 구성 및 특징을 먼저 살펴보도록 한다.
도 14는 기존 단광자 기반의 DL04 QSDC 기법의 전체적인 구성 및 전체적인 수행 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
단광자 기반의 DL04 QSDC 기법은 양자 암호 통신 시스템의 비밀 키 공유 프로토콜인 QKD 기법과 달리 양자 채널을 통하여 전송하고자 하는 메시지(정보)를 직접 전송하는 기법이며, 광자당 1bit의 고전 정보가 전송될 수 있다.
도 14를 참조하면, DL04 QSDC 기법이 수행되는 DL04 QSDC 프로토콜은 송수신단(1401 및 1402), 양자채널(1403) 및 고전 채널(1404)로 구성될 수 있다.
S1410: 수신단(Bob)(1402)은 편광 정보 기반의 단광자 열을 구성한다. 상기 구성된 당광자 열에 포함된 각각의 단광자는
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000006
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000007
4가지 상태들 중 하나로 무작위성을 가지고 생성될 수 있다.
S1420: 다음, 수신단(1402)는 생성한 단광자 열을 송신단(Alice) (1401)에게 전송한다.
S1430: 이후, 송신단(1401)은 수신한 단광자 열에 포함된 단광자들 중 일부를 랜덤(random)하게 선택한 후, 직교 또는 대각 기저(basis)를 선택하고 측정을 수행한다. 이 때, 송신단(1401)은 선택한 위치, 측정 기저 값 및 측정 결과를 수신단(1402)으로 공개 채널 상으로 알려줄 수 있다. 수신단(1402)은 송신단(1401)으로부터 수신된 정보에 기초하여, 오류 비율인 QBER을 추정하여 도청자의 존재 여부를 파악할 수 있다. QBER의 값이 도청을 판단을 위한 기준 값보다 높은 경우, 수신단(1402)은 양자 채널이 안전하지 않은 것으로 판단하고 통신을 중단한다. 반대의 경우, 수신단(1402)은 이후 동작들을 수행할 수 있다.
S1440-S1450: 송신단(1401)은 S1420단계에서 수신한 단광자 열에 포함된 전체 단광자들 중 QBER 추정에 사용된 단광자를 제외한 나머지 단광자 열에 기초하여 전송하고자 하는 메시지(정보)를 인코딩한다. 여기서, 상기 인코딩은 메시지에 포함된 정보가 0인 경우, 아무런 변화를 일으키지 않는 I로 표기된 identity operation을 통해 수행되고, 정보가 1인 경우, U로 정의된 unitary operation을 통해 수행될 수 있다. 상기 unitary operation은
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000008
을 포함할 수 있다.
S1460: 다음, 송신단(1401)은 인코딩을 수행한 단광자 열을 수신단(1402)으로 전송한다. 여기서, 수신단(1402)은 전송 받은 단광자 열로부터 메시지(정보)를 읽어내기 위해서 초기 측정 기저와 동일한 기저 정보를 이용하여 각 단광자를 측정한다. 상기 초기 측정 기저와 동일한 기저 정보 중 일부의 정보는 QBER 추정을 위해 사용되며, 수신단(1402)은 송신단(1401)으로부터 QBER 추정에 사용할 광자의 위치와 인코딩 비트(encoding bit)의 값을 공개 채널 상으로 수신할 수 있다.
S1470-S1480: 수신단(1402)은 측정된 QBER 값에 기초하여 디코딩(decoding)에 사용할 파라미터들의 값을 결정하고, 수신된 메시제에 대한 디코딩을 수행할 수 있다.
상기 S1410 내지 S1480 단계를 통해, QSDC 기법에서는 송신단에서 생성한 메시지 정보를 양자 채널을 통하여 수신단으로 안전하게 전송할 수 있다. 즉, 송신단은 수신부에서 생성한 초기 상태(initial state)에 대한 QBER 추정을 수행하고, QBER 추정에 기초하여 초기 상태가 도청자로부터 안전한지 여부를 확인할 수 있으므로, 도청자로부터의 안전성이 보장된 초기 상태에 메시지 정보를 인코딩할 수 있다. 따라서, 역방향(backward) 양자 채널에 도청자가 존재하더라도, 초기 상태의 값을 알 수 없는 도청자는 인코딩된 메시지를 도청하더라도 이로부터 유의미한 메시지 정보를 획득할 수 없고, 이를 통해 안전성이 보장 될 수 있다.
도 14에서 설명된 단광자 기반의 QSDC 기법은 양자 비밀 키를 사용하지 않고도 높은 안전성을 가질 수 있지만, 광자 당 1비트의 고전 정보 전송만이 가능하고, SPD의 불감 시간으로 인해 최대 데이터 율이 SPD의 최대 검출 속도를 초과하지 못한다는 한계점을 가진다.
시간차 코딩(Differential time coding) 기반의 N차원 QSDC기법
이하에서는, 본 명세서에서 제안하는 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 15는 본 명세서에서 제안하는 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법의 전체적인 구성 및 전체적인 수행 과정의 일 예를 나타낸 도이다.
도 15를 참조하면, 본 명세서에서 제안하는 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법이 수행되는 QSDC 프로토콜은 송수신단(1510 및 1520), 순방향/역방향 양자채널(1501 및 1502) 및 순방향/역방향 고전 채널(1503 및 1504)로 구성될 수 있다. 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법의 수행 과정을 도 15의 S1510 내지 S1580을 통해 살펴보도록 한다.
S1510: 먼저, 수신단(1520)은 N(N>=2)차원의 시간 상태(time state) 또는 위상 상태(phase state)를 무작위(random)로 생성하고, 이를 순방향 양자 채널(1501) 상으로 송신단에게 전송한다. 여기서, 상기 시간 상태 및 위상 상태는 적어도 하나 이상일 수 있다.
S1520: 다음, 수신단(1520)은 (i) 송신단(1510)에서의 QBER 추정(estimation)에 사용되는 시간 상태 및 위상 상태의 위치 정보를 순방향 고전 채널(1503)상으로 송신단(1510)에게 전송한다. 이 때, 송신단(1510)에서의 QBER 추정(estimation)에 사용되는 시간 상태 및 위상 상태는 수신단(1520)에서 생성된 전체 시간 상태 및 위상 상태의 일부일 수 있다. 또한, 수신단(1520)은 자신이 생성한 시간 상태의 위치 정보를 순방향 고전 채널(1503)상으로 송신단(1510)에게 전송한다. 이 때, 수신단(1520)은 생성된 시간 상태의 값(비트 정보)을 저장할 수 있다.
S1530: 송신단(1510)은 수신단(1520)으로부터 수신한 QBER 추정에 사용되는 시간 상태 및 위상 상태에 기초하여 도청 여부 판단을 수행한다. 상기 도청 여부 판단은 수신단(1520)에서 생성된 시간 상태 및 위상 상태를 포함하는 초기 상태가 순방향 양자 채널(1501)상에서 도청자로부터 도청되고 있는 지 여부를 판단하는 것일 수 있다.
S1540: 송신단(1510)이, 수신단(1520)에서 생성된 시간 상태 및 위상 상태를 포함하는 초기 상태가 도청되지 않고 있음을 확인한 경우, 송신단(1510)은 도청 여부 판단에 사용된 초기 상태를 제외한 나머지 초기 상태들 중 시간 상태만을 선별하여 메시지(정보)에 대한 인코딩을 수행하고, 상기 인코딩된 메시지를 역방향 양자 채널(1502) 상으로 수신단(1520)에게 전송한다. 송신단(1510)은 인코딩 수행 시, 메시지 정보에 수신단(1520)에서의 QBER 추정에 기초한 도청 여부 판단에 사용되는 난수(random number) 정보를 추가하여 인코딩할 수 있다.
S1550: 수신단(1520)은 송신단으로부터 수신한 인코딩된 메시지로부터 시간 상태를 검출한다. 상기 인코딩된 메시지로부터 검출된 시간 상태는 초기 시간 상태에 시간 지연(time delay)가 적용된 시간 상태일 수 있고, 인코딩된 시간 상태로 호칭될 수 있다.
S1560: 송신단(1510)은 수신단(1520)에서의 QBER 추정에 기초한 도청 여부 판단에 사용되는 (i) 난수의 값과 (ii) 난수의 위치에 대한 정보를 포함하는 난수 정보를 역방향 고전 채널(1504)상으로 수신단(1520)에게 전송한다.
S1570: 이후, 수신단(1520)은 S1550단계에서 검출된 시간 상태 및 S1560 단계에서 수신한 난수 정보에 기초하여 QBER 추정을 수행하고, 역방향 양자화 채널(1502)의 도청자로부터의 도청 여부를 판단한다.
S1580: 수신단(1520)은 초기 시간 상태와 인코딩된 시간 상태 간의 비교를 통해 송신단(1510)으로부터 전송된 메시지(정보)를 복원한다.
앞서 도 15를 참조하여 설명한 S1510 내지 S1580의 단계들은 시간차 코딩을 이용한 단광자 기반의 N차원 QSDC 방법의 수행 과정을 개략적으로 보여주기 위한 것이고, 이하에서, S1510 내지 S1580의 단계들 각각에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 도 15의 S1510 단계에 대응되는 시간 상태 및 위상 상태의 생성 방법을 설명하도록 한다.
시간 상태(Time state) 생성 방법
도 16은 본 명세서에서 제안하는 N차원 시간 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 16을 참조하면, N차원의 시간 상태인
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000009
(1610 내지 16N0)는 단일 상태를 N개의 시간 빈(time bin)으로 나눈 후, 시간 상태를 구성하는 N개의 시간 빈들 중 i번째에 위치하는 시간 빈에 광학적 파동 패킷(wave packet)이 존재하는 형태로 표현될 수 있다. 전송되는 고전 정보의 값은 시간 상태를 구성하는 N개의 시간 빈들 중 어느 위치의 시간 빈에 광학 패킷이 존재하는지에 기초하여 결정될 수 있다.
도 17은 시간 상태의 생성 과정의 일 예를 나타낸 도이다. 도 17을 참조하면, 시간 상태의 생성 과정은 다음과 같이 정리될 수 있다. (1) continuous laser(1710)를 이용하여 파동 펄스(wave pulse)가 생성된다. (2) IM(1720)을 이용하여 초기 시간 상태가 생성된다. (3) 생성된 초기 시간 상태는 VOA(1730)을 이용하여 단광자 레벨의 신호로 변환된다.
도 18은 본 명세서에서 제안하는 N차원 시간 상태 구성 방법의 일 예를 나타낸 도이다. 보다 구체적으로, 도 18은 SPD의 불감 시간을 고려하여 생성된 시간 상태의 일 예를 나타낸 도이다. 도 18에서, 1810은 초기 시간 상태 할당에 사용되는 시간 영역을 나타내고, τ는 시간 빈 하나의 폭에 해당하는 시간을 나타낸다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 1810은 N개의 시간 빈으로 구성될 수 있고, 1810의 시간 길이는 N*τ가 될 수 있다. 도 18에서, 1820은 송신단이 전송하고자 하는 정보를 인코딩한 정보의 시간 상태 할당에 사용되는 시간 영역을 나타낸다. 송신단이 전송하고자 하는 정보를 인코딩한 정보에 할당되는 시간 상태는 인코딩 시간 상태로 호칭될 수 있다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 1820은 (2N-1)개의 시간 빈으로 구성될 수 있다. 1830은 수신단으로 전송된 인코딩 시간 상태가 수신단의 SPD에서 검출되는 것을 보장할 수 있는 SPD의 불감 시간에 해당하는 시간 영역을 나타낸다. 여기서, 1830의 시간 길이는 수신단의 SPD의 불감 시간과 정확히 일치하는 것으로 정의될 수 있다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 1830은 2(N-1)개의 시간 빈으로 구성될 수 있다. 이 때, 2(N-1)개의 시간 빈에 해당하는 시간 길이는 SPD의 불감 시간과 일치할 수 있다. 즉, 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 생성 방법에 따르면, 시간 상태는 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간만큼의 시간 간격을 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 송신단이 2개의 인코딩 시간 상태를 수신단으로 전송하는 경우, 2개의 인코딩 시간 상태들 중 먼저 전송된 인코딩 시간 상태는 1820의 2N-1번째 시간 빈에 파동 패킷을 포함하고, 나중에 전송된 인코딩 시간 상태는 1820의 1번째 시간 빈에 파동 패킷을 포함할 수 있다. 이 경우는 먼저 전송된 인코딩 시간 상태의 파동 패킷과 나중에 전송된 인코딩 시간 상태의 파동 패킷 사이의 시간 간격이 가장 짧은 경우에 해당한다. 만약 상기 2개의 인코딩 시간 상태들이 1830에 해당하는 시간 영역을 포함하지 않는 경우, 수신단의 SPD는 나중에 전송된 인코딩 시간 상태에 포함된 파동 패킷 검출에 실패하게 된다. 반면, 도 18에서 제안하는 시간상태는 SPD의 불감 시간에 해당하는 시간 영역인 1830을 포함하므로, 먼저 전송된 인코딩 시간 상태의 파동 패킷과 나중에 전송된 인코딩 시간 상태의 파동 패킷 사이의 시간 간격이 가장 짧은 경우에도 나중에 전송된 인코딩 시간 상태의 파동 패킷 검출에 성공할 수 있다. 도 18에서 도시된 방법에 따라 시간 상태를 생성함으로써, SPD의 불감 시간으로 인한 시간 상태의 미검출이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
위상 상태(Phase state) 생성 방법
도 19는 본 명세서에서 제안하는 N차원 위상 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 19를 참조하면, N차원의 위상 상태인
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000010
(1910 내지 19N0) 은 단일 상태 내에 있는 N개의 시간 빈에 각각 동일한 크기의 파동 패킷이 포함되고, 각 파동 패킷이 상대적인 위상을 갖는 형태로 구성된다.
위상 상태는 시간 상태들이 중첩(superposition)된 형태로 이해될 수 있으며, 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000011
도 20은 위상 상태의 생성 과정의 일 예를 나타낸 도이다. 도 20을 참조하면, 위상 상태의 생성 과정은 다음과 같이 정리될 수 있다. (1) continuous laser(2010)를 이용하여 파동 펄스(wave pulse)가 생성된다. (2) IM(2020)을 이용하여 N개의 시간 빈의 파동 패킷을 동일 세기로 일치시켜 생성하고, (3) PM을 적용하여 각 시간 빈에 서로 다른 위상을 적용시켜 초기 위상 상태를 생성한다. (4) 생성된 초기 위상 상태는 VOA(1740)을 이용하여 단광자 레벨의 신호로 변환된다.
도 21은 본 명세서에서 제안하는 위상 상태 구성 방법의 일 예를 나타낸 도이다. 도 21에서, 2110은 초기 위상 상태 할당에 사용되는 시간 영역을 나타내고, τ는 시간 빈 하나의 폭에 해당하는 시간을 나타낸다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 2110은 N개의 시간 빈으로 구성될 수 있고, 2110의 시간 길이는 N*τ가 될 수 있다. 도 21에서, 2120은 간섭계를 이용한 위상 상태 측정에 필요한 지연 시간(delay time)에 해당하는 시간 영역을 나타낸다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 2120은 (N-1)개의 시간 빈으로 구성될 수 있다. 2130은 위상 상태의 시간 길이를 시간 상태의 시간 길이와 일치시키기 위해 필요한 시간 영역을 나타낸다. 도 21의 2110 및 2120의 시간 길이를 합한 길이가 도 18의 1820과 동일하므로, 2130의 시간 길이는 도 18의 1830과 동일하게 구성될 수 있다. 송신단이 전송하고자 하는 정보가 N차원으로 구성되는 경우, 2130은 2(N-1)개의 시간 빈으로 구성될 수 있다. 본 명세서에서 제안하는 위상 상태 생성 방법에 따르면, 위상 상태는 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 것으로 이해될 수 있다.
시간 상태 및 위상 상태의 검출 방법
이하에서, 수신단 SPD의 시간 상태 및 위상 상태의 검출 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 22는 본 명세서에서 제안하는 수신단 SPD의 시간 상태 및 위상 상태의 검출 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 22를 참조하면, N차원 시간 상태와 위상 상태 정보의 검출을 위해서는 각각 1개의 SPD(2210)와 N개의 SPD(2220)가 사용되는 것을 알 수 있다. 또한, 위상 상태의 검출에는 시간 지연 간섭계(Time delay interferometer)가 N-1개 사용되며(2231 내지 223k) N=2k차원에서 사용되는 간섭계들 각각의 경로차와 변이 정도는 2231 내지 223k 각각에 포함된 간섭계 내부에 각각 도시된 것과 같이 정의된다. 시간 상태의 경우, SPD1에서 검출되는 신호의 타이밍에 해당하는 시간 상태의 측정을 통하여 전송 정보가 검출되고, 위상 상태의 경우 트리(Tree) 구조의 간섭계를 연속 통과한 위상 상태의 N개의 출력 경로 중, 보강 간섭이 일어나는 하나의 경로에 해당하는 위상 상태의 전송 정보가 검출된다.
시간 차 코딩 기반의 N 차원 QSDC 방법의 세부 동작
앞서 설명한 시간 상태 및 위상 상태 생성 방법 및 검출 방법을 바탕으로, 상기 도 15의 S1510 내지 S1580 단계들 각각에 대해 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
(초기 양자 상태 생성 및 전송 단계)
본 단계는 도 15의 S1510 단계에 대응될 수 있다. 도 23은 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 및 위상 상태 생성 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 23을 참조하면, 수신단(1520)은 초기 시간 상태와 초기 위상 상태를 IM(intensity modulation)과 PM(phase modulation)을 통해 생성한 후, 단일 광자 수준(single photon level)으로 세기를 감쇄시켜 순방향 양자 채널(1501)을 통해 송신단(1510)으로 전송한다.
도 24는 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 및 위상 상태 생성 방법에 의하여 생성된 시간 상태 및 위상 상태의 일 예를 나타낸 도이다.
도 24(a)는 본 명세서에서 제안하는 시간 상태 생성 방법에 의하여 생성된 시간 상태의 일 예를 나타낸 도이다. 시간 상태는 (i) 초기 양자 정보의 도청 방지를 위한 QBER 추정 및 (ii) 메시지 정보의 전송을 위해 사용될 수 있다. 메시지 정보가 N+1차원으로 구성되는 경우, N+1개의 시간 상태가 생성되며, 생성된 시간 상태들의 인덱스는 0부터 N까지 부여될 수 있다.
도 24(b)는 본 명세서에서 제안하는 위상 상태 생성 방법에 의하여 생성된 위상 상태의 일 예를 나타낸 도이다. 위상 상태는 초기 양자 정보의 도청 방지를 위한 QBER 추정 목적으로만 사용될 수 있다.
(도청 감지에 사용되는 QBER 추정에 사용될 정보를 고전 채널을 통해 전송하는 단계)
본 단계는 도 15의 S1520 단계에 대응될 수 있다. 수신단이 초기 양자 상태를 양자 채널 상으로 송신단에게 전송한 후, 생성된 초기 상태들 중 일부는 양자 채널에 존재할 수 있는 도청자의 존재 유무를 파악하기 위한 QBER 추정에 사용될 수 있다. 수신단은 QBER 추정에 사용되는 초기 상태(정보)의 위치, 측정 기저(basis) 정보 및 측정 값을 고전 채널을 통해 송신단으로 전송할 수 있다.
(초기 time state의 위치 정보를 송신부로 전송 및 time state의 값을 저장하는 단계)
본 단계는 도 15의 S1520 단계에 대응될 수 있다. 수신단은 송신단이 메시지 코딩(message coding)에 사용되는 초기 시간 상태(time state)만을 선별할 수 있도록 메시지 코딩에 사용되는 시간 상태의 위치에 대한 위치 정보를 고전 채널을 통해 상기 송신단으로 전송할 수 있다. 보다 구체적으로, 송신단은 상기 위치 정보에 기초하여 optical delay(양자 메모리 역할을 수행)에 저장된 초기 시간 상태와 위상 상태 중 메시지 코딩에 사용되는 특정한 시간 상태를 선택할 수 있다.
안전성 확보를 위해, 위치 정보를 전송하는 수신단의 동작은 반드시 수신단이 양자 채널을 통해 초기 상태를 송신단으로 전송하는 동작 이후에 수행되어야 한다. 왜냐하면, 초기 상태의 위치 정보가 초기 상태보다 늦게 전송되는 경우, 도청자는 초기 상태의 위치 정보를 미리 확보할 수 없고, 위치 정보를 기반으로 한 정확한 측정을 준비할 시간을 확보할 수 없기 때문이다. 따라서, 도청자는 초기 상태의 정보를 알기 위해서 랜덤 basis 측정을 해야만 하고, 이 과정에서 QBER 11% 이상의 오류가 반드시 발생하게 되어, 도청이 발각될 수 있다.
송신단은 QBER 추정 결과, QBER 값이 도청 여부 판단을 위한 기준 값 이하인 것으로 판단된 경우에만 다음 과정을 진행할 수 있다. 만약, QBER 값이 도청 여부 판단을 위한 기준 값을 초과하는 것으로 판단된 경우, 송신단은 기 수신한 초기 상태는 모두 버리고, 수신단으로 새로운 초기 상태를 재전송해줄 것을 요청할 수 있다.
또한, 수신단은 이후 메시지 정보를 복원하는 단계에서, 메시지 복원을 위해 초기 시간 상태와 송신단에서의 인코딩 후의 시간 상태를 비교하는 과정을 수행하게 되는데, 이를 위해 초기에 생선한 시간 상태에 포함된 정보들을 메모리에 저장할 수 있다.
(초기 state의 도청 여부 확인 단계)
본 단계는 도 15의 S1530 단계에 대응될 수 있다. 도 25는 본 명세서에서 제안하는 초기 상태의 도청 여부 판단 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
도 25를 참조하면, 송신단(1510)은 양자 채널(1501)로 전송된 초기 상태에 대한 도청 여부를 판단하기 위해 QBER 추정을 수행할 수 있다. 도 25의 SPD1(2510)은 시간 상태 측정(측정되는 타이밍에 해당하는 위치 정보에 기초하여 시간 상태 검출)에 사용되며, SPD 2~(N+1)(2520)은 위상 상태 측정에 사용된다.
송신단(1510)은 측정된 결과와 고전 채널을 통해 수신단(1520)으로부터 수신한 QBER 추정을 위한 정보를 비교하여 QBER을 추정할 수 있다. 추정된 QBER의 값이 도청여부 판단을 위한 기준 값보다 작은 것으로 판단된 경우, 송신단(1510)은 이후 동작을 수행하고, 반대의 경우, 도청자가 존재하는 것으로 판단하고, 수신단(1520)으로 초기 상태를 재전송을 요청할 수 있다.
(초기 시간 상태 선택 및 인코딩 단계)
본 단계는 도 15의 S1540 단계에 대응될 수 있다. S1540 단계는 초기 시간 상태 선택 단계(S1541)와 인코딩 단계(S1542)단계로 구분되어 동작하는 것으로 이해될 수 있다.
도 26은 본 명세서에서 제안하는 초기 시간 상태 선택 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
S1541: 1:9 Coupler는 송신단에서의 QBER 추정에 사용되지 않는 초기 상태(시간 상태 및 위상 상태)를 Optical delay line(또는 양자 메모리)에 저장할 수 있다. 이 때, 저장된 위상 상태는 검출 효율이 낮아 메시지 코딩(message coding)에 적절하지 않으므로 필터링(filtering)될 수 있다. 보다 구체적으로, 위상 상태는 interferometer를 연속 통과시키는 구조로 검출되므로, 이러한 위상 상태 검출을 위한 구조로 인해 차원이 높은 정보를 생성할수록 위상 상태의 검출 효율이 크게 감소하는 문제가 발생하고, 이를 양자 정보 전송 기법으로 사용할 경우, 검출이 되지 않는 메시지 정보가 크게 증가하므로, 저장된 위상 상태는 메시지 전송에서 배제되어야 한다. 즉, 저장된 위상 상태는 필터링 될 수 있다. 이후, 송신단은 S1520 단계에서 수신한 시간 상태의 위치 정보에 기초하여 메시지 인코딩에 사용할 초기 시간 상태 정보만을 선별할 수 있다. 송신단의 초기 시간 상태 정보 선별 과정에서, 시간 상태는 시간 상태가 optical delay에서 추출되는 시점(timing)에만 1: N optical switch를 이용하여 인코딩이 수행될 위치의 경로와 연결될 수 있다.
다음으로, 인코딩 단계, 즉 메시지 코딩 단계(S1542)를 살펴보도록 한다. 도 27은 본 명세서에서 제안하는 메시지 코딩 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
S1542-a: 송신단은 수신단으로 전송하고자 하는 메시지 정보에 수신단에서의 역방향 양자 채널(backward quantum channel)의 도청 여부 판단을 위해 사용될 난수 정보를 섞은 후(추가한 후), 이를 인코딩하여 코드워드를(codeword)를 생성한다.
S1542-b: 이후, 송신단은 초기 시간 상태
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000012
와 메시지 정보에 해당하는 정보의 결합을 위해 시간 지연(time delay)을 적용하는 과정을 수행한다. 여기서, 시간 지연은 시간 이동(time shift) 등 이와 동일 유사하게 표현되는 범위에서 댜앙하게 표현될 수 있다.
상기 S1542-a 및 S1542-b 두 단계로 이루어진 초기 시간 상태와 인코딩 정보의 결합 과정을 도 28 내지 도 30을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 28은 본 명세서에서 제안하는 시간 상태와 인코딩 정보의 결합 방법의 일 예를 나타낸 도이다.
보다 구체적으로, 도 28은 초기 시간 상태와 인코딩 후의 시간 상태의 차원이 동일한 경우에 관한 것이다. 여기서, 상기 인코딩 정보는 송신단이 전송하고자 하는 정보에 수신단에서의 QBER 추정에 기초한 도청 여부 판단을 위해 사용되는 난수 정보가 추가되어 인코딩된 코드 워드를 의미하는 것일 수 있다. 도 28을 참조하면, 송신단은 optical delay line에 저장된 초기 시간 상태(2810)를 OSW(2820)로 선별한다. 이후, 선별된 초기 시간 상태인
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000013
(2810)에 메시지 정보에 해당하는 시간 지연을 할당한다. 이 때, 상기 메시지 정보에의 시간 지연 할당은 사전 정의된 맵핑 규칙에 기초하여 수행될 수 있다.
도 29는 메시지 정보에의 시간 지연 할당을 위해 정의되는 맵핑 규칙의 일 예를 나타낸 도이다. 보다 구체적으로, 도 29는 송신단이 전송하고자 하는 정보에 수신단에서의 QBER 추정에 기초한 도청 여부 판단을 위해 사용되는 난수 정보가 추가되어 인코딩된 코드 워드인 인코딩 정보와 시간 지연(time shift) 간의 맵핑 관계에 관한 것이다. 도 29를 참조하면, 시간 지연 생성(Time delay generation)(2830) 과정은 서로 길이가 다른 N개의 다중 경로로 구성될 수 있다. 이 때, 가장 짧은 길이(위 그림의 1번 경로에 해당하며 길이는 0임)부터 가장 긴 길이인 (N-1)까지 의 간격으로 N개의 경로가 생성될 수 있다. 여기서, 는 시간 빈(time bin)간의 간격, 는 광 신호의 속도를 의미한다. 도 29의 맵핑 규칙에 기초하여, 2810의 N만큼의 초기 시간 상태는 2840의 (2N-1) 만큼의 부분에 해당하는 인코딩 시간 상태로 변환된다. 인코딩 시간 상태는 1부터 2N-1번째의 시간 빈에 초기 시간 상태와 인코딩 정보가 결합된 것을 의미한다. 이 때, 도청자가 역방향 양자 채널을 통해 송신단에서 수신단으로 전송되는 인코딩 시간 상태를 관측하여 알 수 있다고 하더라도, 도청자는 초기 시간 상태의 정보를 알 수 없으므로, 인코딩 시간 상태에 대한 정보만으로는 송신단이 수신단으로 전송하는 메시지 정보를 알 수 없고, 이를 통해 인코딩 시간 상태의 안전성이 보장될 수 있다.
본 방법에서, 초기 시간 상태와 인코딩 시간 상태의 차원이 다를 수도 있다. 즉, 초기 상태가 N차원이고 인코딩 후의 시간 상태가 M차원
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000014
일 수 있다.
도 30은 본 명세서에서 제안하는 시간 상태와 인코딩 정보의 결합 방법의 또 다른 일 예를 나타낸 도이다. 보다 구체적으로, 도 30은 초기 시간 상태와 인코딩 후의 시간 상태의 차원이 서로 다른 경우에 관한 것이다. 도 30을 참조하면, 송신단은 optical delay line에 저장된 초기 시간 상태(3010)를 OSW(3020)로 선별한다. 여기서, 도 28과는 달리, 초기 시간 상태(3010)가 인코딩 된 후에 도달할 수 있는 시간 영역이
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000015
로 구성될 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000016
는 초기 시간 상태 생성에 필요한 시간이며,
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000017
의 시간 영역은 M차원의 인코딩 수행 시 인코딩 후의 시간 상태에서 파동 패킷이 존재할 수 있는 시간 영역의 길이를 나타낸다. 이 때, 인코딩 전후의 시간 상태의 차원이 동일한 경우와의 차이점은 인코딩 전의 시간 빈 하나의 간격
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000018
에 비해 인코딩 후의 시간 빈 하나의 시간 간격
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000019
는 더 작다는 것이다. 그러나, (M-1)t=(N-1)
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000020
라는 조건이 만족하는 경우, 인코딩 전후의 시간 상태의 차원이 서로 다른 경우는, 인코딩 전후의 시간 상태의 차원이 동일한 경우와 동일한 시간에 시간 상태를 생성함에도,
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000021
bits보다 많은 고전 정보인
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000022
bits의 고전 정보를 인코딩하여 전송할 수 있다는 이점이 있다.
초기 시간 상태와 인코딩 후의 시간 상태의 차원이 서로 다른 경우, 초기 시간 상태에 대한 인코딩 전에 송수신부 사이에 인코딩 시간 상태에서 적용되는 차원의 정보가 미리 공유될 수 있다. 이를 통해, 수신단에서의 역방향 양자 채널 상으로 전송된 인코딩 시간 상태의 복원 시, 수신단은 인코딩 전 후의 차원 변형을 고려하여 메시지 정보를 복원할 수 있다.
(시간 상태 감지[Time state detection] 단계)
본 단계는 도 15의 S1550 단계에 대응될 수 있다. 수신단은 역방향 양자 채널(Backward quantum channel)을 통해 인코딩 시간 상태(encoding time state)정보를 수신하고, 이를 SPD를 통해 검출한다.
(QBER 추정에 사용될 난수의 정보 전송 단계)
본 단계는 도 15의 S1560 단계에 대응될 수 있다. 송신단은 수신단에서의 인코딩 시간 상태 정보에 대한 QBER 추정을 위해 메시지 정보에 추가한 난수의 위치와 난수의 값에 대한 정보를 고전 채널 상으로 수신부에게 전송할 수 있다.
(QBER 추정 단계)
본 단계는 도 15의 S1570 단계에 대응될 수 있다. 도 31은 본 명세서에서 제안하는 역방향 양자 채널에서의 QBER 추정 방법의 일 예를 나타낸 도이다. 도 31을 참조하면, 수신단은 S1550 단계에서 측정한 인코딩 시간 상태(encoding time state)와 S1520 단계에서 저장된 초기 시간 상태의 정보를 비교하여 인코딩된 정보를 복원한 후, 복원된 정보와 S1560 단계에서 송신단으로부터 수신한 QBER을 위해 사용되는 난수의 값/위치를 비교하여 QBER을 결정한다. 본 단계에서 획득한 QBER 추정 값은 도 15의 S1580 단계에서 사용되는 오류 정정 부호의 디코딩 과정에서 사용되는 주요 파라미터 결정에 사용될 수 있다.
(인코딩 전후의 시간 상태 비교를 통한 원본 메시지 복원 단계)
본 단계는 도 15의 S1580단계에 대응될 수 있다. 수신단은 인코딩 시간 상태를 양자 채널상으로 송신단으로부터 수신하고 이를 측정한다. 이후, 수신단은 측정된 인코딩 시간 상태 정보와 S1520 단계에서 수신단의 메모리에 저장된 초기 시간 상태 정보 간의 시간 차이를 통해 인코딩된 정보를 복원한다. 예를 들어, 4차원 QSDC에서 초기에 생성한 시간 상태가
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000023
이고, S1520 단계에서 수신부가
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000024
가 포함하는 고전 정보인 00을 저장했다고 할 때, 송신부에서는 10이라는 정보를
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000025
에 인코딩하기 위하여 2칸의 시간 빈(time bin)만큼의 시간 지연을 주어
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000026
로 변환할 수 있다. 다음, 송신단은 변환된 시간 상태(time state) 정보를 수신단으로 전송하고 수신단에서는
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000027
와
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000028
의 시간 차이에 해당하는 인코딩 정보인 10을 복원할 수 있다. 이후, 수신단은 인코딩 시간 상태의 측정 정보를 디코딩하여 원본 메시지 정보를 복원할 수 있다.
기대 효과
이하에서는, 본 명세서에서 제안하는 방법의 기대 효과를 세 가지 측면에서 검증한 결과에 대해 설명하도록 한다.
보다 구체적으로, (1) 정보 전송량 측면에서, 광자당 1bit의 정보를 보낼 수 있는 기존 QSDC 기법과 본 명세서에서 제안된 방법의 비교를 통한 기대 효과에 대한 검증 결과, (2) 데이터 율(data rate) 측면에서, 기존 QSDC 기법과 본 명세서에서 제안된 방법의 비교를 통한 기대 효과에 대한 검증 결과를 설명하도록 한다. 또한, (3) 상용 소자로 실험 구성을 한 후 데이터 율을 전송 거리와 차원을 증가시키며 시뮬레이션하여, 기존 고차원 양자 정보 전송 기법인 시간 위상 코딩(time phase coding)을 적용한 QSDC 기법과 본 명세서에서 제안된 방법의 비교를 통한 기대 효과에 대한 검증 결과를 설명하도록 한다.
차원 증가에 따른 광자 당 정보 전송량 개선 효과 검증
기존 단광자 기반 QSDC 기법은 SPD의 최대 검출 속도에서 1bit/photon의 정보를 전송할 수 있다. 반면, 본 명세서에서 제안하는 시간차 코딩(differential time coding) 기반의 QSDC 기법은 k 차원으로 구성될 경우, SPD의 최대 검출 속도에서
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000029
bits/photon 정보 전송이 가능하다.
또한, 현재 레이저(Laser)의 신호 최대 생성 속도가 SPD의 최대 검출 속도보다 104배 이상 높음을 고려하여, SPD의 최대 검출 속도 대비 광원의 신호 생성 속도를 높여 더욱 고차원의 양자 정보가 생성될 수 있다. 이 때, 정보 전송량 개선 효과는 도 32에 나타난 것과 같다.
도 32는 SPD의 최대 검출 속도 대비 광원의 신호 생성 속도를 높이는 방식으로 고차원의 양자 정보를 생성하는 경우에 대한 전송량 개선 효과를 나타낸 도이다.
도 32에서 표시된 SPD의 불감 시간 T는 제안 방법의 시간 빈(time bin) 생성 개수 기준으로는 2k-1개의 시간 빈 생성 시간에 해당하는
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000030
를 의미한다. 또한, 단일 시간 빈의 길이에 해당하는 시간
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000031
는 레이저의 신호 생성 시간을 나타낸다. 도 32의 결과를 살펴보면, 본 명세서에서 제안한 방법에서는, 레이저의 광원 생성 속도가 빠를수록 동일 불감 시간 내에 더 많은 시간 빈이 형성될 수 있으므로, 고차원 정보 전송이 가능해지고, 광원의 생성 속도가 빠를수록 기존 QSDC 기법 대비 정보 전송량 측면의 개선 효과가 더욱 커짐을 알 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 방법의 데이터 율(data rate) 개선효과 검증
도 33은 기존 QSDC 기법 및 본 명세서에서 제안하는 방법에서의 양자 상태 생성 시간의 일 예를 나타낸 도이다.
도 33(a)는 기존 단광자 기반 QSDC 기법에서의 양자 상태 생성 시간을 나타낸 도이다. 기존 단광자 기반 QSDC 기법에서는 SPD의 불감 시간 기준으로 단일 상태당 당 1 bit의 정보 전송이 가능하다. 또한, 도 33(a)에 도시된 바와 같이, 각 편광 기반의 양자 상태 구성에 요구되는 시간은 SPD의 불감 시간과 같다.
도 33(b)는 본 명세서에서 제안하는 시간 차 코딩 기반 k차원 QSDC 방법에서의 양자 상태 생성 시간을 나타낸 도이다. 도 33(b)를 참조하면, 본 명세서에서 제안하는 방법에서는, 시간 상태의 검출과정에서 발생하는 정보 손실을 제거하기 위해서 SPD의 불감 시간의 약 2배 해당하는 시간마다
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000032
bits의 정보 전송이 가능함을 알 수 있다. SPD에서 수신되는 시간 상태들 간의 시간 간격은 최소한 SPD의 불감 시간에 해당하는 시간만큼이 확보되어야 SPD에서의 정확한 정보 검출이 가능하므로, 본 명세서에서 제안하는 방법은 기존 기법에 비해 더 긴 지연 시간을 필요로 한다.
도 34는 차원 증가에 따른 발명 기법의 data rate 측면의 개선 효과를 기존 QSDC 기법에서의 데이터 율과 비교한 결과를 나타낸 도이다.
도 34의 결과를 살펴보면, 단일 양자 상태를 만드는데 요구되는 시간을 고려했을 때, 본 발명 기법은 4차원 이상의 양자 정보 전송 시 기존 단광자 기반 QSDC 기법보다 더 높은 데이터 율을 가짐을 알 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 방법과 기존 고차원 양자 전송 기법을 QSDC에 적용한 방법의 데이터 율 비교
(상용 소자를 이용한 차원 및 전송 거리 증가에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과 비교)
차원 및 양자 채널의 전송 거리를 증가시켜가며, (i) QKD 기법에서 이용되는 고차원 양자 정보 전송 방법인 시간 위상 상태 기반의 양자 정보 생성 및 검출 기법을 동일한 QSDC 시스템에 적용한 방법에서의 데이터 율과 (ii) 본 명세서에서 제안하는 방법의 데이터 율을 비교하였다.
상기 시뮬레이션을 위해 아래의 상용소자들이 고려되었다.
LD: frequency stabilized continuous laser (Clarity-NLL-1550-HP)
IM 및 PM: EOSpace
Coupler: Marki Microwave PD30R412
Superconducting nanowire single photon detector (SN-SPD, Quantum Opus): high detection efficiency(~70%)
Time to digital converter: Agilent, Acqiris U1051A
Time delay interferometer: L. Fulop, Kylia
Ultra fast 1: N optical switch: EPS010
상기 시뮬레이션을 위해 아래의 파라미터들이 요구된다.
순방향 및 역방향 양자 채널 손실(Forward and backward quantum channel loss):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000033
광학 지연 라인 손실(Optical delay line loss):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000034
다크 카운트 확률(Dark count probability):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000035
시간 기반의 고유 오류(Intrinsic error in time basis):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000036
SPD 효율(Efficiency of the SPD):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000037
수신단이 전송한 총 신호 수(The total number of signals transmitted by Bob):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000038
625MHz)
평균 광자 수(Mean photon number):
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000039
시간 상태는
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000040
확률로 선택됨(Time state chosen with probability
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000041
)
위상 상태는
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000042
확률로 선택됨(Phase state chosen with probability
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000043
)
M차원에서 위상 상태와 시간 상태 검출 확률:
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000044
1 : 9 Coupler(N 중에서 90% optical delay로 보냄, 나머지 10% QBER 추정에 사용하도록 보냄)
Coupler에서 optical delay로 quantum state가 보내질 확률
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000045
본 명세서에서 제안하는 방법의 데이터율은 아래의 수학식 2에 따라 계산될 수 있음.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000046
수신단의 시간 상태 측정 장치의 총 감지 이벤트 수(The total number of detection events in Bob’s time basis measurement device)는 아래의 수학식 3에 따라 계산될 수 있음.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000047
시간 상태 오류 이벤트는 아래의 수학식 4에 따라 계산될 수 있음(The error event in the time basis=
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000048
)
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000049
고차원 QKD 기법에서의 데이터율은 아래의 수학식 5에 따라 계산될 수 있음.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000050
수신단의 위상 상태 측정 장치의 총 감지 이벤트 수(The total number of detection events in Bob’s phase basis measurement device=
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000051
)는 아래의 수학식 6에 따라 계산될 수 있음.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000052
수신단의 시간 상태 측정 장치의 총 감지 이벤트 수(The total number of detection events in Bob’s time basis measurement device=
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000053
)는 아래의 수학식 7에 따라 계산될 수 있음.
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000054
위상 상태 오류 이벤트는 아래의 수학식 8에 따라 계산될 수 있음(The error event in the phase basis=
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000055
)
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000056
시간 상태 오류 이벤트는 아래의 수학식 8에 따라 계산될 수 있음(The error event in the time basis=
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000057
)
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000058
전송 거리 변화에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과
도 35는 전송 거리 변화에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다. 보다 구체적으로, 도 35(a)는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용된 경우의 전송 거리 변화에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 35(b)는 기존 시간 및 위상 상태 기반의 QKD 기법에서 사용하는 양자 정보 전송 및 측정 방법이 적용된 경우의 전송 거리 변화에 따른 데이터율 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 35(a) 및 도 35(b)의 결과를 살펴보면, k 차원 양자 정보 전송 방법이 사용되는 경우, 광자 당 1bit 정보를 전송하는 2 차원 기법에 비해
Figure PCTKR2021009420-appb-img-000059
배 더 높은 데이터 율을 기대할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 16 차원(단일 광자당 4비트 고전정보 전송 기법) 적용 시 5km 전송거리 기준 172Mbps 정도의 높은 데이터 율이 확보될 수 있으며 기존 기법 대비 70 % 정도의 데이터율 개선 효과를 기대할 수 있다.
도 36은 본 명세서에서 제안하는 차동 시간 코딩에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
먼저, 송신단은 수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신한다(S3610).
이후, 상기 송신단은 상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신한다(S3620).
다음, 상기 송신단은 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택한다(S3630).
이후, 상기 송신단은 상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성한다(S3640).
여기서, 상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성된다.
상기 송신단은 상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송한다(S3650).
여기서, 상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되된다.
이상에서 설명된 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리는 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
ㅇ

Claims (20)

  1. 양자 통신 시스템에서 송신단이 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC) 방법은,
    수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하는 단계;
    상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하는 단계;
    상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하는 단계;
    상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계,
    상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고; 및
    상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태 중 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태는, 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태에 대한 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신단으로부터, 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단에 사용되는 상기 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태에 대한 정보를 상기 고전 채널 상으로 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 일부의 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태에 대한 정보에 기초하여, 상기 양자 채널 상에서의 도청 여부 판단을 QBER(Quantum Bit Error Rate) 추정(estimation)에 기초하여 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도청 여부 판단 결과 QBER의 값이 특정 값 이상인 것에 기초하여, 초기 시간 상태 및 초기 위상 상태의 재전송을 요청하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 특정 초기 시간 상태의 선택 및 인코딩은, 상기 도청 여부 판단 결과 QBER의 값이 특정 값보다 작은 것에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간 상태 위치 정보를 수신하는 단계는 (i) 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 및 (ii) 상기 적어도 하나의 초기 위상 상태를 수신하는 단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계는,
    역방향 양자 채널(backward quantum channel)에서의 도청 여부 판단을 위해 사용되는 난수(random number)를 상기 정보에 추가하는 단계, 및
    상기 난수가 추가된 상기 정보를 인코딩하여 코드워드(codeword)를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수신단으로, (i) 상기 난수의 위치 및 (ii) 상기 난수의 값에 대한 정보를 포함하는 난수 정보를 상기 고전 채널 상으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계는,
    상기 코드워드에 상기 시간 이동을 적용하여, 상기 특정 초기 시간 상태와 상기 코드워드를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 서로 다른 시간 이동 값이 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 서로 다른 시간 이동 값의 적용은 사전 정의된 맵핑 테이블에 기초하여 수행되고,
    상기 맵핑 테이블은 상기 인코딩 되는 정보의 값들과 시간 이동 값들 간의 맵핑 관계와 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 특정 초기 시간 상태와 상기 인코딩 시간 상태는 적어도 하나 이상의 시간 빈(time bin)으로 구성되고,
    상기 특정 초기 시간 상태의 차원(dimension)과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 동일한 것에 기초하여, 상기 특정 초기 시간 상태를 구성하는 시간 빈과 상기 인코딩 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 특정 초기 시간 상태의 차원과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 서로 다른 것에 기초하여, 상기 인코딩 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이는 상기 특정 초기 시간 상태를 구성하는 시간 빈의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 특정 초기 시간 상태의 차원과 상기 인코딩 시간 상태의 차원이 서로 다른 것에 기초하여, 상기 수신단으로, 상기 인코딩 시간 상태의 생성 전에 상기 인코딩 시간 상태의 생성에 적용되는 차원에 대한 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 양자 통신 시스템에서 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 전송하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC)을 수행하는 송신단은,
    무선 신호를 전송하기 위한 전송기(transmitter);
    무선 신호를 수신하기 위한 수신기(receiver);
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며,
    상기 동작들은,
    수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하는 단계;
    상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하는 단계;
    상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하는 단계;
    상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하는 단계,
    상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고; 및
    상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 하는 송신단.
  17. 양자 통신 시스템에서 수신단이 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 수신하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC) 방법은,
    송신단으로, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 전송하는 단계;
    상기 송신단으로, 상기 송신단이 전송하는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 전송하는 단계,
    상기 송신단에서의 상기 인코딩을 위한 상기 특정 초기 시간 상태는 상기 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여 선택되고;
    상기 송신단으로부터, 상기 특정 초기 시간 상태에 기초하여 인코딩되는 상기 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성된 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 상기 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 양자 통신 시스템에서 차동 시간 코딩(Differential time coding)에 기초하여 메시지를 수신하기 위한 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication: QSDC)을 수행하는 수신단은,
    무선 신호를 전송하기 위한 전송기(transmitter);
    무선 신호를 수신하기 위한 수신기(receiver);
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며,
    상기 동작들은,
    송신단으로, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 전송하는 단계;
    상기 송신단으로, 상기 송신단이 전송하는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 전송하는 단계,
    상기 송신단에서의 상기 인코딩을 위한 상기 특정 초기 시간 상태는 상기 상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여 선택되고;
    상기 송신단으로부터, 상기 특정 초기 시간 상태에 기초하여 인코딩되는 상기 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성된 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 상기 정보를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신단.
  19. 하나 이상의 명령어들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(computer readable medium, CRM)에 있어서,
    하나 이상의 프로세서들에 의해 실행 가능한 하나 이상의 명령어들은 송신단이,
    수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하도록 하고,
    상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하도록 하고,
    상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하도록 하고,
    상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하도록 하고,
    상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고,
    상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하도록 하되,
    상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
  20. 하나 이상의 메모리들 및 상기 하나 이상의 메모리들과 기능적으로 연결되어 있는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 장치에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서들은 상기 장치가,
    수신단으로부터, 양자 채널(quantum channel) 상으로 (i) 상기 수신단의 단일 광자 검출기의 불감시간(dead time) 만큼의 시간 간격을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 초기 시간 상태(initial time state) 및 (ii) 적어도 하나의 초기 위상 상태(initial phase state)를 수신하도록 하고,
    상기 수신단으로부터, 상기 수신단으로 전송되는 정보의 인코딩(encoding)을 위한 특정 초기 시간 상태를 선택하기 위한 시간 상태 위치 정보를 고전 채널(classical channel) 상으로 수신하도록 하고,
    상기 시간 상태 위치 정보에 기초하여, 상기 인코딩을 위하여 상기 특정 초기 시간 상태를 선택하도록 하고,
    상기 선택된 특정 초기 시간 상태에 기초하여, 상기 정보를 인코딩하여 인코딩 시간 상태를 생성하도록 하고,
    상기 인코딩 시간 상태는 상기 인코딩 되는 정보의 값에 기초하여 시간 이동(time shift)이 적용되어 생성되고,
    상기 수신단으로 상기 인코딩 시간 상태를 포함하는 메시지를 상기 양자 채널을 통하여 전송하도록 하되,
    상기 메시지는 상기 수신단에 저장된 상기 적어도 하나의 초기 시간 상태 정보와 상기 인코딩 시간 상태 정보 간의 시간 차이에 기초하여 복원되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
PCT/KR2021/009420 2021-07-21 2021-07-21 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치 WO2023003054A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2021/009420 WO2023003054A1 (ko) 2021-07-21 2021-07-21 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치
CN202180100788.1A CN117693924A (zh) 2021-07-21 2021-07-21 在量子通信***中执行量子安全直接通信的方法及其装置
EP21951002.1A EP4376351A1 (en) 2021-07-21 2021-07-21 Method for performing quantum secure direct communication in quantum communication system, and apparatus therefor
KR1020247001128A KR20240023595A (ko) 2021-07-21 2021-07-21 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2021/009420 WO2023003054A1 (ko) 2021-07-21 2021-07-21 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023003054A1 true WO2023003054A1 (ko) 2023-01-26

Family

ID=84980173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2021/009420 WO2023003054A1 (ko) 2021-07-21 2021-07-21 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4376351A1 (ko)
KR (1) KR20240023595A (ko)
CN (1) CN117693924A (ko)
WO (1) WO2023003054A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116032376A (zh) * 2023-03-30 2023-04-28 国开启科量子技术(北京)有限公司 用于量子通信***的寻优方法、装置、介质和设备
CN117240354A (zh) * 2023-11-10 2023-12-15 武汉量子技术研究院 基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130069860A (ko) * 2010-11-03 2013-06-26 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드 무선 통신의 보안을 위한 시스템 및 방법
US20170317814A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Ut-Battelle, Llc Quantum-authenticated clock signal
KR20180128646A (ko) * 2017-05-24 2018-12-04 경희대학교 산학협력단 양자 네트워크에서 동기화 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130069860A (ko) * 2010-11-03 2013-06-26 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드 무선 통신의 보안을 위한 시스템 및 방법
US20170317814A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Ut-Battelle, Llc Quantum-authenticated clock signal
KR20180128646A (ko) * 2017-05-24 2018-12-04 경희대학교 산학협력단 양자 네트워크에서 동기화 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RIM KWANG-CHEOL, LIM DONG-HO: "Quantum Secure Direct Community using Time Lag ", JOURNAL OF THE KOREA INSTITUTE OF INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERING, vol. 21, no. 12, 12 January 2017 (2017-01-12), pages 2318 - 2324, XP093025741, ISSN: 1226-6981, DOI: 10.6109/jkiice.2017.21.12.2318 *
ZHANTONG QI; YUANHUA LI; YIWEN HUANG; JUAN FENG; YUANLIN ZHENG; XIANFENG CHEN: "A 15-user quantum secure direct communication network", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 25 June 2021 (2021-06-25), 201 Olin Library Cornell University Ithaca, NY 14853, XP081994876 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116032376A (zh) * 2023-03-30 2023-04-28 国开启科量子技术(北京)有限公司 用于量子通信***的寻优方法、装置、介质和设备
CN116032376B (zh) * 2023-03-30 2023-07-07 国开启科量子技术(北京)有限公司 用于量子通信***的寻优方法、装置、介质和设备
CN117240354A (zh) * 2023-11-10 2023-12-15 武汉量子技术研究院 基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法
CN117240354B (zh) * 2023-11-10 2024-01-12 武汉量子技术研究院 基于信标光强度变化的星地量子密钥分发成码量估算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117693924A (zh) 2024-03-12
KR20240023595A (ko) 2024-02-22
EP4376351A1 (en) 2024-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2023003054A1 (ko) 양자 통신 시스템에서 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치
WO2022014751A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 주파수 도메인 채널 추정을 위한 uw 생성 방법 및 장치
WO2021251523A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 단말 및 기지국의 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022025321A1 (ko) 통신 장치의 신호 랜덤화 방법 및 장치
WO2022019352A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 단말 및 기지국의 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022004914A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 단말 및 기지국의 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022010014A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 위상 잡음의 추정 방법 및 그 장치
WO2022124606A1 (ko) 통신 시스템에서 양방향 양자 키 분배 절차의 순방향에서 전달되는 보조 정보를 이용하기 위한 방법 및 장치
WO2022092815A1 (ko) 통신 시스템에서 양자 키 분배를 위한 패러데이 회전 거울의 편광 왜곡을 보정하기 위한 방법 및 장치
WO2023013794A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 ris 기반 직교 주파수 분할 다중화 신호를 전송하기 위한 방법 및 그 장치
WO2022080530A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용하여 신호를 송신 및 수신하기 위한 방법 및 장치
WO2022097850A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 재전송을 수행하기 위한 방법 및 장치
WO2021256585A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022045402A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 단말 및 기지국의 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022039287A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 단말 및 기지국의 신호 송수신 방법 및 장치
WO2022092353A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 채널 인코딩 및 디코딩을 수행하기 위한 방법 및 장치
WO2020153827A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 그 장치
WO2024122693A1 (ko) 양자 통신 시스템에서 인증 정보의 위치 선택에 사전 공유 대칭키를 사용하는 인증 방법 및 이를 위한 장치
WO2021117940A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 동기 신호의 전송 방법 및 그 장치
WO2023238972A1 (ko) 단광자 쌍 기반의 단방향 및 단일 단계 양자 직접 통신을 위한 방법 및 이를 위한 장치
WO2024034699A1 (ko) 양자 통신 시스템에서 사용자 인증을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치
WO2023068399A1 (ko) 무선 통신 시스템에서 채널 상태 정보의 송수신 방법 및 그 장치
WO2024063185A1 (ko) 사용자 인증을 포함한 양자 직접 통신 기법에서 사전 공유 키를 갱신하는 방법 및 이를 위한 장치
WO2023095933A1 (ko) 통신 시스템에서 편광 및 위상 정보 기반의 고차원 양자 상태를 이용하여 양자 안전 직접 통신을 수행하기 위한 방법 및 장치
WO2023042925A1 (ko) 무선통신 시스템에서 장치의 데이터 전송 방법 및 상기 방법을 이용하는 장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21951002

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20247001128

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020247001128

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202180100788.1

Country of ref document: CN

Ref document number: 18290639

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021951002

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021951002

Country of ref document: EP

Effective date: 20240221