(A) study on detection and estimation in continuous variable quantum communication systems using coherent states

김영준 Korea University 2017 국내박사

From the invention of quantum computers, the classical cryptosystem, which is based on computational complexity, faces a fundamental crisis. The quantum secret key distribution system based on true randomness, superposition, and non-cloning theory is a new technique that provides unconditional security that is not depend on the computational power nor time of eavesdroppers. Although the first quantum key distribution system was implemented through single photon generators and single photon detectors, active cooling was necessary to suppress the dark count rate, and the receiver complexity was very high. The continuous variable quantum key distribution system that can operate at room temperature using homodyne detectors has been proposed. In this thesis, we consider various problems of detection and estimation in continuous variable quantum key distribution systems using coherent states. In the process of exchanging the coherent states using random Gaussian modulation, the transmission signal generation, the noise of the receiver due to the attack of the eavesdroppers, and the excess noise of the receiver can all be modeled as zero-mean. The mean values do not carry any information. Taking this into account, we propose a way to load classical information on the mean values. Since the channel parameters are estimated in the process of transmitting and receiving secret key, the channel capacity of the classical information that can be sent based on the channel capacity is calculated and channel coding is applied so that error-free information can be loaded based on the channel capacity theory. Channel coding allows the classical information to be completely removed and the receiver Bob can receive the same random Gaussian modulated signal as the conventional system by subtracting the channel decoded information part from the received signal. We calculate the secret key rate and confirme that the transmitter can send the same secret key rate as the conventional system. The secret key rate of the quantum key distribution system using coherent states is greatly affected by the channel parameter estimation performance. Since the security can not be guaranteed when transmitting and receiving at a rate higher than the given secret key rate as a function of the channel parameter, the transmission rate must be lowered according to the worst case at all times. Therefore, the larger the variance of the channel parameter estimator reduces the secret key rate. The channel parameter estimation procedure is accomplished by revealing a part of the key elements. As the number of key elements revealed increases, the variance of the channel parameters estimator decreases, but the number of key elements delivering the secret key decreases and the secret key rate decreases. Therefore, it is necessary to fabricate a channel parameter estimator with a lower variance with a given number of key elements. In this paper, we propose an accurate maximal likelihood estimator. The proposed channel estimator has a much lower variance than the conventional channel estimator. In particular, the Cramer-Rao lower bound, the lower limit of the estimator variance, is very close. Cramer-Rao lower bound is also calculated in this paper. Coherent states are used to transmit not only secret key but also classical information. The square root measurement method is known to provide low detection complexity and, in some cases, the lowest detection error rate. It is known that the detection error is not minimized when a quadrature amplitude modulation type coherent state set is transmitted with the square root measurement detection, but the detection error rate is lower in a given average number of photons than in a conventional phase shift keying method. In this paper, we pointed out that the detection error rate in detection using square root measurement is greatly affected by the minimum Euclidean distance among the coherent states in the transmitted coherent state set. A hexagonal quadrature amplitude modulation technique is proposed to maximize the minimum Euclidean distance in a given number of photons. The detection error rate was calculated from the square root measurement. We show that the detection error rate is much lower than that of the conventional rectangular quadrature amplitude modulation.

Study of dual anode single photon detector for quantum key distribution system

박철우 Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

This dissertation presents significant advancements in the development and utilization of single photon detectors operating in the telecommunications wavelength range. The primary focus is on the development of gated Geiger mode single photon detectors with high-speed, high-efficiency, and low-noise characteristics for their application in commercial quantum cryptography communication systems. To overcome the limitations of high-speed single photon avalanche diodes (SPADs), such as the capacitive response and after-pulse probability, a novel solution called Dual-Anode SPAD (DA-SPAD) is proposed. The DA-SPAD features a unique chip design with two separate anode output ports, enabling efficient removal of the capacitive response and the discrimination of weak avalanche signals. This greatly reduces the after-pulse probability and enables high-efficiency high-speed operation under the same DC bias condition. The performance of the DA-SPAD is thoroughly analyzed, including its behavior in gated Geiger mode operation. Experimental results demonstrate a detection efficiency of 20.4% and an after-pulse probability of 3.5% at a gating frequency of 1 GHz and a temperature of -20˚C. The DA-SPAD operates at high speed, maintaining reasonable after-pulse probabilities, thereby confirming its capability to detect weak avalanche signals and simplifying SPAD-based single photon detection systems for quantum sensing and communication applications. A compact single photon detector (DA-SPD) is also developed by integrating all necessary circuits based on DA-SPAD. DA-SPD shows high efficiency and low noise characteristics compared to previous studies in the GHz range, especially at relatively high temperatures. This result will help ensure the stable operation of the system despite changes in ambient temperature. To validate the practical performance of the developed DA-SPD, it is applied to a commercial quantum cryptography communication system (QKD) for testing quantum key distribution. The experiment demonstrates the reliable operation of the DA-SPD within a real-world quantum cryptography communication system and confirms the ability to encrypt all data transmitted over fiber-to-node links using the end-to-end security provided by the commercialized quantum cryptography communication system. In summary, this dissertation contributes to the development of high-speed, high-efficiency, and low-noise single photon detectors, enabling their integration into applications, quantum sensing, and quantum cryptography networks.

위상안정화 광섬유를 이용한 단일방향 양자암호시스템에 관한 연구

박준범 연세대학교 대학원 2007 국내석사

A One-Way Quantum Cryptography System, which is based on unbalanced time-division (time-multiplexing) interferometers and a Phase-Stabilized Optical Fiber (PSOF), is proposed in this paper. In contrast to the previous QKD system, the PSOF is used in this system without any precise temperature control system. A ~0.00238 π/sec phase drift was obtained. This drift is enough to perform a stable key distribution. If PSFO is adopted in the all of the unbalanced interferometer, this drift will be better. We also obtained the 91% of visibility. Concerning the key distribution parameter, 802bps of sift key rate and 9.4% of QBER were estimated in the condition of the 25km of quantum channel, 15% of quantum efficiency and 8×10-5 c/gate of dark count probability. In the case of the 50km of quantum channel, 606bps of sift key rate and 10.5% of QBER were estimated. From these records, it is possible to perform a key distribution in the 50km of quantum channel. 본 논문에서는 단일방향 구조의 양자암호 시스템 안정성 향상을 위해서 위상안정화 광섬유를 적용한 단일방향 양자암호 시스템을 제안한다. 양자암호시스템의 기본 구조인 단순 간섭계를 구현하여 위상안정화 광섬유의 안정성의 특성을 파악하였으며 비대칭 Mach-Zehnder 간섭계 구간에 위상안정화 광섬유를 적용하여 정밀한 온도 제어 시스템 없이 단순 단열을 통해 단일방향 양자암호 시스템을 구현하였다. 또한 단일광자검출기를 구현하여 이의 특성을 파악하였다. 제안된 시스템의 위상 변이는 평균 0.00153 π/sec, 최대 0.0024 π/sec가 측정 되었으며 이는 0.00027 π/sec의 위상 변이를 보인 다른 연구진의 결과와 비교하여 불안정한 결과이지만 여타 연구진의 단일방향 시스템의 위상 변이보다는 안정한 결과이다. 간섭계 구성에 전체적으로 위상안정화 광섬유를 사용하지 않았다는 점을 고려할 때, 전체적인 위상안정화 광섬유를 적용하게 되면 안정성이 더욱 향상 될 것으로 보인다. 또한 정교한 광학계 구성과 단열을 통해 plug & play 수준의 안정성을 단일방향 시스템에서 보일 수 있을 것으로 기대 되며 나아가 상용화 수준의 시스템 제작이 가능할 것으로 예상된다. 구현된 시스템의 간섭계 정확성을 측정하기 위해서 visibility를 측정하였으며 전송거리 25km에서 91%의 visibility를 나타내었다. 제안된 시스템의 양자암호 키분배 관련 parameter는 전송거리 25km, 0.1 photon, 15% quantum efficiency(Dark Count Probability 8×10-5 c/gate) 조건에서 802bps의 Rsift, 9.4%의 QBER을 전송거리 50km에서는 606bps의 Rsift, 10.5%의 QBER을 나타냈다. 구현된 시스템은 50km까지 양자암호 키 분배가 가능하다. 시스템 광학계의 정밀한 구성으로 visibility를 향상시킨다면 50km 이상의 장거리 전송이 가능할 것이다.

불연속 변수 양자 키 분배 시스템과 불연속 시간 양자 걸음에 대한 연구 : The study of discrete-variable quantum key distribution systems and discrete-time quantum walks

정연창 포항공과대학교 일반대학원 2013 국내박사

양자 키 분배는 양자 암호에 속하는 한 분야로 서로 멀리 떨어진 두 사람이 비밀 키를 나눠 갖는 것을 그 목적으로 하는 것으로 양자 정보 분야에서 가장 먼저 실용화가 될 것으로 예상되는 것이며, 양자 걸음은 양자 정보에 분야에 많은 응용 가능성을 갖고 있는 것이다. 본 논문은 양자 키 분배 시스템을 구축하여 여러 프로토콜을 실험적으로 구현 및 비교 하였으며, 양자 키 분배 시스템의 중요한 구성 요소인 양자 채널에 대해 연구하였고, 마지막으로 다 차원 양자 걸음에 대해 연구하였다. 먼저 오늘날 정보 보안의 중요성을 날로 커지고 있다. 그렇지만 현재 널리 사용되고 있는 공개키 암호방식의 암호는 수학적인 계산상의 어려움을 이용하여 그 안전성을 보장 받고 있다. 이것은 새로운 효율적 방식의 계산방법이나 양자 컴퓨터가 나와 이러한 계산상의 어려움을 해결한다면 공개키 암호 방식의 안전성은 큰 위협을 받게 된다. 그렇지만 양자 암호는 양자 물리에 기초하여 무조건적인 안전성을 보장 받아 현재 많은 곳에서 연구되고 있다. 본 논문에서는 양자 암호에서 두 사람간의 통신을 다루는 양자 키 분배 시스템을 구축하고, 여러 프로토콜들을 실험적으로 구현 및 비교를 하였다. 양자 키 분배 시스템은 보내는 사람, 받는 사람, 양자 채널 그리고 고전 채널로 나눌 수 있다. 이 중에서 양자 채널은 양자 상태가 지나다니는 통로이다. 양자 상태가 양자 채널을 통과할 때는 외부와의 상호작용으로 양자 상태의 변화가 생길 수 있다. 이러한 변화를 연구하기 위해서는 양자 채널에서 생길 수 있는 현상을 묘사하는 여러 양자 작용을 실험적으로 구현 할 수 있어야 한다. 현재까지 bit flip, phase flip, bit-phase flip, amplitude damping, phase damping은 완전히 구현되었지만, depolarization은 완벽하게 구현되지 않았다. 본 논문에서는 들어오는 양자 상태에 상관없이 depolarization의 정도를 연속적으로 조절 가능한 장치를 제안하였으며 그것의 특성이 잘 나타나는지 quantum state tomography와 quantum process tomography를 통해 확인해보았다. 다음으로, 양자 키 분배 시스템에서 BB84와 SARG04 양자 키 분배 프로토콜을 구현 하였으며 실험적으로 비교하였다. BB84 프로토콜은 가장 처음 제안되었으면 가장 잘 알려진 프로토콜이다. 이 프로토콜을 완벽하게 구현하기 위해서는 단일 광자 광원이 있어야 하는데, 고효율의 단일 광자 광원의 부재로 인하여 여러 실험에서 약한 레이저 펄스를 대신 사용하고 있다. 그런데 약한 레이저 펄스는 펄스 안에 다 광자가 들어가 있을 확률이 있어 도청자의 광자 수 분리 공격(PNS attack)을 받을 수 있다. 이것을 막기 위해 제안된 것이 decoy state method와 SARG04 프로토콜이다. SARG04 프로토콜은 양자 채널을 이용한 양자 통신 과정이 BB84 프로토콜과 동일하고, 오직 고전 채널을 이용한 통신만이 다르다. 이러한 이유로 BB84와 SARG04 프로토콜은 동일한 시스템에서 구현 할 수 있고 실험적으로 비교할 수 있다. 본 논문에서는 두 프로토콜을 각각 실험적으로 구현하였고, 동일한 조건에서 만들어지는 비밀 키의 양의 비교해 보았다. 실험 결과 비록 SARG04 프로토콜이 BB84 보다 PNS attack에 좀 더 안전하다고 알려져 있지만, 공격자의 coherent attack에 대해서는 BB84가 SARG04보다 더 많은 비밀 키를 생성할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. BB84와 SARG04 프로토콜은 동일한 양자 상태와 양자 채널을 이용한다. 그러므로 양자 채널에 depolarization 효과가 나타났을 때 두 프로토콜이 어떤 영향을 받는지 알아 보는 것은 두 프로토콜의 차이를 확인 할 수 있다. 본 논문에서는 동일하게 구현된 BB84와 SARG04 프로토콜에서 depolarization 효과가 있을 때 각 프로토콜에서 생성되는 양자 비트 에러 비율, sifted key rate, 예상되는 비밀 키의 양을 비교해 보았다. 그 결과 SARG04가 BB84 보다 채널의 depolarization 효과에 민감하게 반응하는 것을 확인 할 수 있었다. Decoy state method는 SARG04처럼 도청자의 PNS attack에 대응하기 위해 제안되었다. Decoy state method는 프로토콜이 아니라 프로토콜과 함께 사용하는 방법이다. 이것은 보내는 사람이 약한 레이저를 보낼 때 다른 세기를 갖는 약한 레이저를 무작위로 섞어서 보내는 방법으로 실제 키로 사용하는 신호를 signal이라고 하고 signal과 다른 세기를 갖는 신호를 decoy라고 한다. 이때 다른 세기의 개수가 1개이면 one decoy state method, 2개이면 two decoy state method라고 한다. two decoy state method에서 두 개의 다른 세기의 decoy중 하나를 vacuum으로 사용한다면 one decoy state method와 two decoy state method을 비교할 수 있다. 본 논문에서는 BB84 프로토콜에 one- and two-decoy state method를 사용하여 양자 키 분배를 구현하였으며 두 가지 방법을 통해 얻어지는 실험결과를 비교하였다. 그 결과 이론적으로만 알려져 있던 two decoy state method 가 one decoy state method보다 많은 비밀 키를 생성한다는 것을 실험적으로 확인을 하였다. 마지막으로 양자 정보 분야에서 많은 응용 가능성을 갖고 있는 2D 양자 걸음을 단일 광자 광원과 얽힘 광자 광원을 이용하여 구현 하였다. 다 차원 양자 걸음은 복잡한 양자 시스템의 동작을 시뮬레이션 하는데 가 Quantum key distribution (QKD) is one of the most important quantum information applications, and quantum walk has interesting applications in the field of quantum information. In this thesis, I present the demonstration of various quantum channels, the study of several quantum key distribution protocols, and the implementation of multi-dimensional quantum walk. First, I implement various quantum channels. In QKD system, Alice sends quantum states to Bob through the quantum channel. The transmitted quantum states become transformed into unknown quantum state because of the unwanted interactions with environment. Such unwanted quantum state transformation can be described by the quantum operation due to a noisy quantum channel. To understand the transformation, it is necessary to implement various quantum operations. I implement bit flip, phase flip, bit-phase flip, amplitude damping, phase damping, and depolarizing quantum operation. In particular, the depolarizing quantum operation plays an important role in studying the quantum noise effect. I report a scheme which implements a fully controllable input-state independent depolarizing quantum operation for a photonic polarization qubit. Second, I study the several quantum key distribution protocols: BB84, SARG04, and decoy state method. The goal of quantum key distribution is sharing the secret keys between two authorized partners against eavesdropping attacks. One of the key components of the original BB84 quantum key distribution protocol is a single photon source, but the lack of highly efficient single-photon sources resulted in experimental implementations with weak laser pulses. The weak pulse implementation is practical but is susceptible to photon number splitting (PNS) attacks by an eavesdropper. To avoid this weak point, SARG04 protocol and decoy state method were proposed against PNS attack. SARG04 protocol allows to oppose the PNS attack and can generate the secret key from two photon pulses even if the whole quantum communication in SARG04 protocol is identical to BB84 protocol. In this thesis, real-world performances of BB84 and SARG04 protocols are experimentally studied using the polarization-encoded weak-pulse implementation of the protocols with an optical fiber quantum channel. I experimentally investigate the secret key rate on BB84 and SARG04 and show that BB84 performs better than SARG04. I also report experimental study of the effect of the depolarizing quantum channel on weak-pulse BB84 and SARG04 protocol. In free-space, the depolarization effect on the quantum channel might come from changing weather conditions and, in fiber, it can be caused by uncontrolled polarization and phase changes in a long optical fiber. Also, any imperfections of the optical components can give rise to the effective depolarization effect. Since all types of errors on the quantum channel should be assumed to be caused by an eavesdropper, it is important to consider how the depolarization effect affects the performance of a quantum cryptography system. Particularly, BB84 and SARG04 use identical quantum state and quantum channel. It is interesting how the depolarization effect in the quantum channel affects the secret key generation performances for the weak-pulse BB84 and SARG04 quantum cryptography systems. In this thesis, the experimental results show that BB84 performs better than SARG04 on depolarizing quantum channel under the most general eavesdropping attack. Since decoy state method was proposed against PNS attack in 2003, it has been rapidly developed theoretically and experimentally. In decoy state method, if Alice and Bob use two (one) different intensities of photon state from the signal, it is called two (one) decoy state method and usually used with BB84. Theoretically, two decoy state method can generate more secret keys than one decoy state method. In this thesis, I have successfully performed an experimental implementation of one decoy state and two (vacuum + weak) decoy state QKD on 3.1 km quantum channel. I experimentally confirm that two decoy state method can generate more secret keys than one decoy state method. Finally, I implement multi-dimensional quantum walk with a single-photon source. Multi-dimensional quantum walks are a very powerful tool for simulating the behaviors of complex quantum systems, due to their versatility. They also present interesting applications in the field of quantum information and computation. However, their experimental realization is extremely challenging with the current state-of-the-art technology. Here, I report the implementation of a two-dimensional quantum walk exploiting a scheme that is able to reduce the resources required. This is the first experiment realizing a multi-dimensional quantum walk with a single-photon source. Moreover, by means of this setting, I present the experimental simulation of the Grover walk, a model that can be used to implement the Grover quantum search algorithm.

Twin-field quantum key distribution network system

박창훈 아주대학교 2022 국내박사

Quantum cryptosystem, in particular, quantum key distribution (QKD), provides physically-guaranteed security against quantum computers, thus attracting significant attention. The recent studies of QKD have directed toward beating distance limits and network expansion for implementing real-world quantum cryptosystems. Considering the remarkable report on a quantum communication network spanning over 4,600 km, it seems that QKD networks using conventional protocols have been sufficiently studied. However, twin-field QKD (TF-QKD) networks have been researched only for a ring-type network over a 10-km fiber in a laboratory, although a point-to-point TF-QKD has been studied enough to succeed in field demonstrations over 428- and 511-km fiber. In this thesis, we propose a star-type 2×N TF-QKD network scheme, where the coherence maintenance, being the primary challenge to TF-QKD implementation, can be easily achieved by a mode-matching advantage of the Sagnac-based plug-and-play (PnP) architecture. Due to the PnP architecture, implementing the proposed network scheme requires fewer active controllers in comparison with building a network comprising one-way TF-QKDs. Moreover, a cost-effective configuration that allows the entire network system to operate with only a single pair of single-photon detectors is applied. We present an experimental proof-of-principle demonstration over a 50-km fiber in a laboratory, obtaining 1.31×10-4 bit per pulse (1.52 bit per second) as an average secret key rate with the finite-size effect. We organized the contents as follows. In Chapter 1, we introduce the background information on QKD including implementation challenges. In Chapter 2, we present the core techniques for implementing the proposed TF-QKD network. Besides, we report the corresponding experimental demonstrations. In Chapter 3, we propose a new TF-QKD network scheme. Moreover, we describe several variants of TF-QKD and explain why we choose a sending or not-sending TF-QKD protocol for our experiment via comparison of the variants. In Chapter 4, we show the experimental setup and result. In addition, we explain how to stabilize the experimental setup. In Chapter 5, we conclude our works and discuss future works. 양자 암호 시스템, 특히 QKD(quantum key distribution)는 양자 컴퓨터에 대한 물리적인 보안성을 제공할 방법으로 크게 주목받고 있다. 최근의 QKD에 관한 연구는 통신 거리와 네트워크 확장 연구를 통한 실제의 양자암호 통신망 구축을 지향하고 있다. 4,600km의 양자 네트워크 구축사례와 현존 최장 거리 프로토콜로 평가받는 TF-QKD(twin-field QKD)의 500km 실 환경 검증사례 등을 고려하면, 거리 확장과 네트워크 운용 각각에 관한 연구는 순조롭게 진행되고 있는 것으로 보인다. 하지만, 둘이 결합한 형태, 즉 TF-QKD 네트워크에 관한 연구는 링 네트워크 구조에 대해서만 10km 광섬유를 활용한 실험실 검증이 이루어진 상태로 아직 미진한 상황이다. 본 논문에서는 Sagnac interferometer 기반의 PnP(plug-and-play) 구조를 적용하여 TF-QKD 구현의 주요 장애물이었던 광 모드매칭 문제를 실용적으로 해결하고 더 나아가 2×N 네트워크까지 확장할 수 있게 하는 새로운 TF-QKD 네트워크 구조를 제안한다. 제안하는 네트워크 구조는 PnP 구조에 기반하여 일반적인 TF-QKD 네트워크 구조보다 더 적은 수의 제어장치들로 구현될 수 있기 때문에 구현이 실용적이며, 한 쌍의 단일 광자 검출기로 전체 네트워크 시스템을 구동할 수 있는 구조가 적용되어 구현 비용 절감의 장점도 가지고 있다. 또한, 실험실 환경에서 50km 광섬유를 사용하여 제안하는 구조를 구현하였으며, 펄스 당 1.31×10-4비트(초당 1.52비트)라는 타당한 수준의 비밀키 생성률을 달성하여 제안하는 구조의 구현 가능성을 증명했다.

단일 광자를 이용한 양자암호시스템에 대한 연구

박철우 연세대학교 대학원 2007 국내석사

In this thesis, a quantum cryptography system based on single photon was investigated. Today, commercially, based cryptography is actively employed on the internet and for other communications system. After a short introduction to classic cryptography(secret and public key cryptography), quantum cryptography is thoroughly explained. This thesis describes experimental and demonstration of single photon source, detection module(SPCM) and quantum cryptography module.Very weak optical pulse by variable attenuator was made from faint single photon for single photon source(mean photon = 0.1) in quantum cryptography system. This thesis report the measured performance of an InGaAs avalanche photodiode (APD) Module fabricated for single-photon counting. I measured the dark current noise, the after-pulse noise, and the quantum efficiency of the single- photon detector for different temperatures. A quantum efficiency of 15% with a dark count probability of 1x10-5 is obtained.In the quantum key transmission system, main control board and phase modulation driving board are fabricated for auto controlling quantum key distribution(QKD). Quantum bit error rate of 3.5% in 25km QKD is obtained.Finally, for multi-user 1xN quantum cryptography network system using on 50:50 beam splitter is proposed. 본 논문은 단일 광자를 이용한 암호화 시스템의 설계와 상용화를 위한 시스템구현 및 특성 분석에 대한 연구이다.현재 암호체계인 비밀키 암호 방식과 공개키 암호방식의 고전암호체계는 암호의 도청을 근본적으로 불가능하게 하는 것이 아니라 수학적으로 그 접근이 어렵게 만든 것이므로 원천적으로 도청을 막을 수 있는 시스템이라 할 수 없다. 반면 양자암호는 단일 광자의 양자적 원리를 응용하여 불확정성의 원리를 이용하였기 때문에 물리학 법칙을 위반하지 않는 한 원천적으로 도청을 막을 수 있는 시스템이다.양자암호시스템의 광원으로 사용되는 단일 광자 광원은 optical variable attenuator를 이용하여 faint single photon을 만들어 사용하고 평균광자 수를 0.1photon 수준으로 단일광자의 확률을 높였다.양자암호에서 핵심 기술인 단일 광자 감지 센서(avalanche photodiode)의 감지 특성을 파악하기 위하여 회로 노이즈, 열적 노이즈, after pulse 노이즈 등 성능 저해 요소들에 대한 특성 파악을 하여 각각 임피던스 매칭, 소자 냉각, 100kHz 광원 반복률 등 성능 저해 요소를 해결하였다. 이를 통해 dark counts 10-5, quantum efficiency 15%로 향상시켜 single photon count module(SPCM)의 성능을 개선하였다.단일 광자 광원, 단일 광자 감지 모듈, 마하젠더간섭계, faraday mirror 등을 이용하여 위상변조 방식의 Plug&Play 양자암호시스템을 설계하고 특성 파악을 하였다. 단일 광자 광원을 직접 송신자가 발생하는 것이 아니라 수신자의 강한 광원을 송신자가 받아 이를 단일 광자 광원으로 변환하여 위상변조하는 방식으로 간섭계에서 있을 수 있는 편광 뒤틀림 및 온도 변화를 보상할 수 있었다. 이를 통해 fringe visibility 값을 개선하였고 양자암호 시스템의 전송거리 25km에서 QBER을 3.5%로 보안에 안전하고 안정적인 양자암호 시스템을 개발하였고, 이를 송신자(Alice)와 수신자(Bob) 그리고 단일 광자 감지기로 각각 모듈화 하여 컴퓨터와 자동으로 인터페이싱할 수 있게 main control board와 Phase modulator driving board 등 제어 보드를 오류 없이 동작하도록 설계하고 제작하였다.단일 광자의 복제 불가능 및 나눠가짐의 한계로 양자암호 네트워크는 어려운 일이였으나 50:50 beam splitter를 이용하여 multi-user를 위한 passive optical network가 가능한 양자암호 시스템을 제안하였다. 이를 적용한다면 건물 내부에서 혹은 도시 내에서의 네트워크가 가능 것이다.

웹 보안성 및 성능 향상을 위한 양자키 분배 프로토콜에 관한 연구

김지원 연세대학교 정보대학원 2016 국내석사

With advancement information communication technology, personal information and confidential data that are stored and accessed on the web is becoming more prevalent. The valuable information when either stolen or illegally acquired by others will not only exploit those individuals involved but also can bring about social chaos and turmoil. Recently, with the emergence of security threatening issues, such as malignant code, zombie PC, etc., information security has become a critical issue causing a grave public concern. Under such situation, today quantum cryptography system is being considered as one of the advanced alternatives to address the challenge. Current internet security technology, Secure Socket Layer(SSL) is most widely used web security protocols in the world; its cryptography system is designed, mostly based on the modern password, utilizing mathematical calculation. As such, one vulnerably for SSL is the public-key based cryptographic algorithm during the Handshake Protocol. In fact, the public-key based cryptography system has proven to be easily compromised when quantum computers are introduced. This study examines the vulnerability displayed during the handshake process and suggests encrypting MD5 and hash function after key distribution by utilizing BB84 protocols and GHZ states swapping for RSA based handshake protocol with Diffie-Hellman algorithm based handshake. The suggestion implies by applying the quantum key distribution protocol only for distributing the encrypted key while preserving the existing algorithm system, and accordingly, the quantum handshake has the advantage of being highly extensible. Furthermore, the enhanced protocol with its strengthened security makes it improbable for tapping or intercepting. There are limitations in applying quantum in web security for commercial use; however, the purpose of the research when technical issues are resolved, the quantum protocol will definitely demonstrate as an outstanding feature of highly impenetrable security. 정보통신기술의 발달로 웹상에 존재하는 개인정보보호나 기밀정보도 나날이 증가되어 가고 있다. 이런 신중하게 다루어야 할 정보들을 송·수신자와 관련 없는 제 3자가 가로채거나 불법으로 취득하면 사회적으로 엄청난 피해와 혼란이 일어날 수 있다. 최근, 악성코드, 좀비PC 등 각종 정보보안 문제가 대두되고 있고 이에 대한 대안으로 양자암호를 손꼽고 있다. 현재 널리 사용되는 인터넷 네트워크 보안 기술인 SSL(Secure Socket Layer)은 웹 보안 프로토콜로 현대 암호인 수학적 계산을 근간으로 암호체계이다. 이를 바탕으로 한 SSL의 핸드셰이크 과정 중에 사용되는 공개키 기반의 암호 알고리즘은 매우 취약하고 개선이 필요한 부분이다. 사실상 공개키 기반의 암호체계는 양자 컴퓨터 도입 시 쉽게 복호화 되는 것이 증명되었다. 본 연구에서는 SSL의 RSA 기반의 핸드셰이크 프로토콜과 Diffie-Helman 기반 핸드셰이크의 취약점을 분석하고 이를 개선하는 방법으로 양자의 특성을 이용하였다. BB84 프로토콜과 GHZ 상태 얽힘 교환을 이용하여 키를 분배하고 이것을 MD5와 해시함수로 암호화 하였다. 이와 같은 과정은 기존 알고리즘 체계를 그대로 유지한 채 암호 키 분배만을 양자 키 분배 프로토콜을 적용하는 것으로 확장성을 용이하고 양자암호의 장점을 이용하여 도청이나 가로채기가 불가능한 보안성이 향상된 프로토콜이다. 아직까지는 양자암호를 웹 보안에 적용하는 것은 상용화에 한계가 있으나, 기술적인 문제만 해결된다면 웹 보안의 확장성과 보안성이 우수한 프로토콜임을 이 연구에서는 보여주었다.

양자 채널을 통한 터보 코드 방식의 효율적인 양자 키 정보재건 기법

윤성식 高麗大學校 大學院 2014 국내석사

본 논문은 양자 키 분배(Quantum key distribution) 과정에서 기존의 양자 키의 오류를 정정하는 과정의 단점을 개선하여 좀 더 효율적으로 오류를 정정하는 기법을 제안하고 있다. 양자 키 분배 연구가 진행 되기 전, 기존의 보안키 분배 기법들은 수학적인 계산의 복잡성을 이용하여 보안 키를 분배하였지만, 이러한 수학적인 복잡성 기반의 보안 방법들이 불완전하다는 것이 증명됨에 따라 새로운 방식의 보안 기법을 필요로 하게 되었다. 이를 달성하기 위하여 양자 역학의 물리적인 특성을 이용한 양자 키 분배에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 양자 키 분배 과정에서는 양자 채널(Quantum channel)을 통한 키의 전송과 더불어 공개 채널(Public channel)을 이용한 양자 키의 오류 정정 과정을 수행하게 되는데, 이때 공개 채널의 특성에 의하여 양자 키에 관한 많은 양의 정보가 도청자에게 누수 되게 된다. 따라서 지금까지의 양자 키 오류정정 기법들의 연구는 누수 되는 정보의 양을 가능한 줄이려는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 그리고 또한 공개채널의 사용 횟수가 증가 할 수록 지연 문제가 야기되기 때문에, 이를 극복하기 위하여 공개 채널 사용 횟수를 줄이는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이러한 노력들에도 불구하고, 현재까지 연구된 오류정정 기법들은 몇 가지 한계점들에 의하여 만족스러운 성능을 얻어내지 못하였다. 따라서 본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 터보 코드(Turbo codes)를 사용하여 오류 정정을 위한 정보를 생성하고, 이러한 정보를 공개채널이 아닌 양자 채널을 통하여 전송하여 효율적으로 오류정정의 목적을 달성하고자 하는 새로운 기법을 제안하였다. 이때 양자 키 확장 기법(Quantum key expansion)의 원리를 이용함으로써 도청자에게 누수 되는 양자 키의 정보의 양을 줄여 키의 생성율을 향상시키고, 공개채널의 사용 횟수 또한 감소시켜 지연 문제를 해결함을 보였다. 본 논문을 통하여 제안된 양자 키 오류정정 기법을 토대로 다가올 미래 보안 시대에 초석이 될 수 있는 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

Arbitrated quantum authentication with quantum key distribution based on entanglement swapping

이경진 서울대학교 대학원 2005 국내석사

Decoy state를 적용한 Plug & Play 양자 키 분배 구현

김범일 고려대학교 대학원 2021 국내석사

본 논문은 PNS(Photon-Number-Splitting) attack을 방어할 수 있는 decoy state를 25200m의 양자 채널을 가지고 있는 Plug & Play방식의 BB84 양자 키 분배 방식에 적용하고 구현 결과를 분석한다. 양자 키 분배는 중첩과 복제 불가능성의 양자 역학적 성질을 통해 무조건적인 보안성을 가진다는 특성을 가져 기존의 보안체계를 보다 발전시킬 것으로 예상되어 연구가 활발히 진행되어 왔다. 양자 키 분배는 단일 광자에 정보를 실어서 키 분배를 진행한다. 그러나, 기술적인 한계 때문에 완벽한 단일 광자를 생성하기 보다는 감쇠를 통해 단일 광자 수준을 유지하여 양자 키 분배에 이용한다. 이 경우 다중 광자가 생성되면 도청자의 PNS attack에 노출되는 문제가 발생한다. 하지만, PNS attack여부를 구분할 수 있는 decoy state 기법을 사용한다면 다중 광자가 발생했음에도 불구하고 보안성을 유지할 수 있게 된다. 본 논문에서는 실제 decoy기법을 적용하였을 때, 파라미터를 구하고 PNS attack이 발생한 경우의 시뮬레이션과 비교한다.