레퍼런스 프레임에 독립적인 양자 키 분배 시스템

Abstract

본 논문에서는 레퍼런스 프레임에 독립적인 프로토콜을 무선양자암호 시스템 기반에서 구현하고 실험을 통해 기존의 프로토콜과 비교한다. 레퍼런스 프레임의 편차가 고정적인 조건과 레퍼런스 프레임의 편차가 일정 범위 내에서 변동하는 조건에서 각각의 프로토콜을 비교 및 분석하였다. 무선 양자 암호 통신 시스템의 경우, 주로 편광으로 광자를 인코딩하고, 그것을 차량, 위성 등 먼 거리에서 이동하면서 송수신하기 때문에 송신부에서 보낼 때와 다르게 수신부에서 편광 축(레퍼런스 프레임)이 회전하는 경우가 발생하게 된다. 이 경우 시스템의 오류를 증가시키고, 안전성에 영향을 주어 키 분배를 할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 제안된 프로토콜이 Reference Frame Independent (RFI) QKD protocol이다. 우선, 레퍼런스 프레임의 편차가 고정적인 조건과 레퍼런스 프레임의 편차가 일정 범위 내에서 변동하는 조건에서의 기존의 BB84, six-state 프로토콜과 RFI 프로토콜의 구동 특성을 이론적으로 계산하여 분석 하였다. 이를 실험적으로 입증할 수 있는 토대를 마련하기 위해서 가장 기본이 되는 BB84 프로토콜로 무선 양자 암호 시스템을 구성하였다. 송신부의 광원, 수신부의 검출기, 안전성 강화를 위한 모드 필터링, 편광 인코딩 및 디코딩을 위한 광학부를 구성하였다. 그리고 오류없는 안정적인 구동을 위해 송수신부의 시각동기를 맞추었다. 또한 이것들을 제어하기 위한 FPGA에서의 임베디드 프로그래밍과 PC상의 GUI 개발까지 함께 진행하였다. 이렇게 만든 시스템을 검증하기 위해서 실내와 실외에서 구동시험을 거쳤다. 이렇게 검증이 완료된 무선 양자 키 분배 시스템을 수정하여 레퍼런스 프레임의 회전과 그 변동이 있는 조건에서 BB84, six-state, RFI QKD protocol을 각각 구현하고 분석할 수 있었다. 레퍼런스 프레임의 회전값이 고정되어 있는 조건과 회전값이 변동하는 조건에서 BB84, six-state 프로토콜보다 RFI 프로토콜이 일정한 QBER과 높은 Secret key rate 특성을 보이며 안정적으로 구동하였다. 이러한 결과를 통해서 레퍼런스 프레임이 회전하고 변하는 조건에서 각 프로토콜의 동작 특성을 분석하였고, RFI 프로토콜이 가장 우수한 동작 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 실험 검증을 위해서 구성한 무선 양자 키 분배 시스템과 얻어낸 결과들을 기반으로 하여서 추후 이동, 장거리 등 다양한 영역으로 연구를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.