Quantum key distribution (QKD) is a cryptography technology that utilizes the principles of quantum mechanics. It has gained significant attention as a potential replacement for modern cryptography systems that are vulnerable to emergence of quantum computer. Among QKD, continuous-variable quantum key distribution (CVQKD) is actively being researched due to its potential for high key transmission rates over short distances, compatibility with existing communication infrastructure, and suitability for wavelength-division multiplexing environments. This dissertation focuses on the practical implementation of CVQKD, building upon its advantages, and conducts research in two main parts.
Firstly, we introduce implementation research findings on performance improvement of CVQKD systems. So far, most CVQKD systems have been implemented based on homodyne detection. Heterodyne detection, which simultaneously measures two orthogonal quadrature components, can generate secret keys faster than homodyne detection, particularly in short-distance range. However, due to the high implementation complexity of the heterodyne detection system, we were not able to find experimental studies on CVQKD systems based on heterodyne detection where the transmitter sends the local oscillator (LO) along with the quantum signal. Therefore, we propose a new detection method named time-division dual-quadrature detection including its corresponding key technologies for the transmitter and receiver. This approach achieves equivalent performance to heterodyne detection systems while simplifying the experimental implementation of the system. Especially, we apply a Faraday-Michelson interferometer to the receiver, which is challenging to implement in conventional CVQKD systems. We show the time-division dual-quadrature detection system, capable of measuring both divided quantum signals to detect two orthogonal quadrature components, effectively resolves the problem of polarization drift that occurs for optical signals when passing through the channel without reducing detection efficiency. We experimentally demonstrated a system using the proposed detection scheme with the Gaussian-modulated coherent-states (GMCS) protocol over a 20.06 km optical fiber channel, verified that the system is able to achieve an expected secret key rate of up to 0.187 Mbps.
In the second part, we conducted research on side-channel attacks by eavesdroppers. Theoretically, CVQKD systems provide a high level of security, but various side-channel attacks exist that using vulnerabilities present in really implemented systems. Understanding these vulnerabilities is crucial for enhancing the overall security of CVQKD systems, and here, we focused on attacks exploiting the security loopholes that arise from the direct transmission of the LO. Especially, we analyze an attack utilizing the technical limitations of the dynamic polarization controller commonly used in CVQKD receivers and the wavelength dependence of the receiver beam splitter. In this attack, the eavesdropper manipulates the power of the LO arriving at the receiver by rotating LO's polarization and inserts deceptive pulses. This allows the eavesdropper to acquire the secret key without being detected in a system that includes monitoring the power of the LO. Furthermore, considering the characteristics of actual devices, we perform a security analysis of the proposed attack and examine its effectiveness in heterodyne detection systems. Based on the research findings, we propose two countermeasures. Firstly, we suggest adding an optical wavelength filter to the monitoring of the power of LO, which can defend against the proposed attack. However, in CVQKD, careful selection of wavelength filters advantageous to both the transmitter and receiver is required due to the use of narrow-bandwidth quantum signals. Secondly, we propose using the estimated transmittance value from the parameter estimation to determine the abortion of the exchanged key. Through research findings, it is observed that adjusting the power of the local oscillator can significantly reduce the estimated transmittance within middle-range transmission. Determining the presence of eavesdropping attacks by comparing the actual transmittance determined in the calibration step prior to key exchange with the transmittance calculated by the receiver in the parameter estimation step can serve as an efficient countermeasure within the mid-range transmission.
양자 암호 키 분배 (QKD) 는 양자 역학 원리를 활용한 암호 통신 기술로, 양자 컴퓨터의 출현에 가능성에 의해 위협을 받는 현대 암호체계를 대체할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 그 중 연속 변수 양자 암호 키 분배 (CVQKD) 는 단거리에서 높은 암호 키 전송률에 대한 잠재성, 기존 통신 인프라와의 호환성 그리고 파장 분할 다중화 환경의 적합성 등의 장점때문에 활발하게 연구가 진행되고 있다. 본 학위 논문은 CVQKD의 장점에 기반한 시스템의 실제 구현에 초점을 맞춰 두 갈래로 진행한 연구 결과를 소개한다.
첫번째로 CVQKD 시스템의 성능향상을 위한 구현 연구 결과를 소개한다. 지금까지 대부분의 CVQKD 시스템은 호모다인 검출을 기반으로 구현되었다. 두 개의 수직한 쿼드러쳐 성분을 동시에 측정하는, 헤테로다인 검출은 근거리에서 호모다인 검출보다 빠른 속도로 암호키를 생성할 수 있다. 하지만, 헤테로다인 검출에 기반한 CVQKD 시스템은 구현의 난이도가 높아서 송신자가 로컬 오실레이터를 양자신호와 함께 전송하는 CVQKD 시스템에서 헤테로다인 검출 방식이 실험적으로 구현된 연구 결과를 거의 찾을 수 없었다. 따라서 본 논문에서 시분할 듀얼-쿼드러쳐 검출 방식과 그에 따른 송신부와 수신부의 핵심 기술을 새롭게 제안하고, 이를 통해 기존 헤테로다인 검출 시스템과 동등한 성능을 가지면서 실험적으로 구현이 간단함을 보인다. 특히 기존의 CVQKD 시스템에서는 볼 수 없는 패러데이-마이캘슨 간섭계를 수신부에 적용한다. 시분할 듀얼-쿼드러쳐 검출 시스템은 분할된 양자 신호를 모두 측정하여 두 개의 수직한 쿼드러쳐 성분을 검출하기 때문에, 채널을 통과하면서 빠르게 변하는 광 신호의 편광이 야기하는 문제를 검출 효율의 감소없이 효과적으로 해결할 수 있음을 보인다. 우리는 가우시안 변조된 결맞음 상태 (GMCS) 프로토콜과 제안한 검출 방법을 적용한 시스템을 실험적으로 구현하였고, 20.06km의 실제 광섬유 채널에서 최대 0.187 Mbps의 비밀 키 전송률을 가질 수 있음을 확인하였다.
두 번째로 도청자의 부채널 공격에 대한 연구 결과를 소개한다. 이론적으로, CVQKD 시스템은 높은 수준의 보안성을 제공하지만, 실제로 구현된 시스템에 존재하는 취약점을 이용한 다양한 부채널 공격들이 존재한다. 이러한 취약점을 이해하는 것은 CVQKD 시스템의 전반적인 보안성 향상에 매우 중요하므로, 본 논문에서는 로컬 오실레이터의 직접적인 전송이 도청자에게 유리하게 작용할 수 있다는 보안적 취약점을 이용한 공격에 초점을 맞추어 분석을 진행한다. 특히 CVQKD 수신부에서 일반적으로 사용되는 동적 편광 제어기의 기술적 한계와 수신부 빔 가르개의 파장 의존성 등을 활용한 공격을 제안하고 분석한다. 이 공격에서 도청자는 로컬 오실레이터의 편광 방향을 회전시켜 수신자에게 도착하는 로컬 오실레이터의 파워를 조작함과 동시에, 속임수 펄스를 삽입하여 로컬 오실레이터에 대한 파워 모니터링이 가능한 시스템에서도 들키지 않고 암호 키를 획득할 수 있다. 더 나아가서, 실제 장비 특성을 고려하여 제안된 공격에 대한 보안성 분석을 수행하고, 헤테로다인 검출 시스템에서 해당 공격의 효과를 살펴본다. 연구 결과를 바탕으로 우리는 두 가지 대응책을 제시한다. 먼저, 광학 파장 필터를 로컬 오실레이터 모니터링에 추가하여 제안한 공격을 방어할 수 있다. 단, CVQKD에서는 선폭이 좁은 양자 신호를 사용하기 때문에 송, 수신자에게 유리한 파장 필터를 신중하게 선택해야 한다. 두 번째로 우리는 교환된 키의 사용 여부를 결정하기 위해 파라미터 추정 과정에서 계산된 전송률을 활용하는 방법을 제안한다. 연구 결과를 통해 로컬 오실레이터의 파워를 조절하는 공격은 근거리와 중거리 전송에서 수신자가 추정한 전송률을 큰 폭으로 낮추는 것을 확인할 수 있다. 키를 교환하기 전 교정 단계에서 결정된 실제 전송률과 파라미터 추정 단계에서 수신자가 계산한 전송률을 비교하여 도청자의 공격 유무를 판단하는 것은 중거리 범위 내의 전송에서 본 공격에 대한 효율적인 방어 수단이 될 수 있다.
