Quantum Key Distribution (QKD) is a cryptography method that makes two parts share the same keys over quantum channel. These keys are employed to one-time-pad encryption, which is proven to provide secure communication. Recently, QKD has drawn interest as a popular research topic because it guarantees unconditional security based on the laws of physics instead of mathematical complexity.
Improvement for security of QKD means increase of key generation rate or(and) transmission distance. Many protocols are proposed to enhance the aforementioned two factors since BB84 protocol has been proposed. For example, a QKD system using subcarrier-multiplexing can improve a secure key rate by encoding photons with several wavelengths. There is also a new protocol extending communication distance by adding two quantum states to original BB84 protocol.
In recently proposed multi-qubit protocol, it encodes multi-qubit information on a single photon and conducts sifting and post-processing by multi-qubit unit. As a result, it increases error tolerance bound, the maximum error rate QKD system can stand. There are few researches to implement a multi-qubit protocol. In this thesis, we propose a practical QKD system to realize a multi-qubit protocol.
We divide a single photon pulse into a number of short pulses called as chips by phase-modulating in complex domain and each chip is modulated to 0, 90, 180 or 270 degree based on predetermined codes. We describe 2-chip coding can implement to BB84 protocol and find that increasing the number chips can make the system to be vulnerable to an eavesdropper if we use a single photon as an one-qubit state. To solve the problem, we encode multi-qubit information on a single photon depending on the number of chips. Additionally, we suggest a new detection model to complement implementation problems of our proposed protocol such as degraded detection efficiency of single photon detectors.
양자 암호 키분배(Quantum Key Distribution, QKD)는 암호 방식 중 하나로 양자 채널을 통해 서로 인증된 두 명이 정보를 변조와 복조 하는데 필요한 키를 나눠 갖는 것을 말한다. 이 키는 완전한 보안성이 검증된 1회용 암호키로 사용되어 안전한 데이터 통신을 할 수 있게 해주며 기존에 수학적 복잡도에 의존하는 키분배 방식과는 다르게 위배되지 않는 물리학의 기본 법칙에 보안성을 기반하기 때문에 최근 많은 주목을 받고 있다.
양자 암호 키분배에서 보안성은 두 가지 관점으로 볼 수 있다. 암호키 전송률과 전송거리가 좋을수록 좋은 보안성을 갖는다고 말할 수 있다. 많은 새로운 프로토콜이나 시스템 구현 방법이 이 두 가지를 향상시키기 위해 개발되었다. 한 가지 예로, 서브-캐리어 멀티플렉싱 기술을 이용한 양자 암호 키분배 시스템은 기존의 BB84 프로토콜에서 사용된 방식을 여러 개의 파장에 나누어 적용함으로써 암호키 전송률을 높인다. 또 다른 선행 연구로는 기존 BB84 프로토콜에서 4개의 양자상태 외에 2개의 양자상태를 추가하여 전송거리를 증가시켰다.
최근에 제안된 멀티-큐빗 프로토콜의 경우 하나의 광자에 여러 개의 큐빗 정보를 암호화하고 거르기 과정(Sifting)과 후처리 과정 (post-processing)을 다수의 큐빗 단위로 적용함으로써 허용 가능한 오류율의 한계값 (Error Tolerance Bound), 시스템이 견딜 수 있는 오류의 최대값, 을 증가시키고 전송거리를 늘렸다. 이 프로토콜의 경우, 실제 구현하는 방식에 있어 제안된 것이 거의 없다. 본 논문에서는 위상 변조 BB84 시스템을 기반으로 멀티-큐빗 프로토콜을 실제로 구현할 수 있는 시스템을 제안하였다.
우리는 하나의 광자 펄스를 복소 도메인에서 고속 위상 변조를 함으로써 짧은 주기의 칩 단위의 펄스로 나누고 각 칩의 위상을 유효한 정보를 갖도록 정해진 코드에 따라 변조한다. 2개의 칩을 통해 일반적인 BB84 프로토콜을 구현하는 방법을 보이고 칩을 개수 4개로 늘림에 따라 기존의 코딩 방식을 사용하여 단일 광자에 1-큐빗 정보를 전달할 경우, 도청자의 공격에 취약해지는 점을 보완하여 2-큐빗 정보를 단일 광자에 암호화하여 이 문제를 해결하였다. 제안한 방법을 단일 광자에 N개의 큐빗 정보를 담을 수 있는 방법으로 일반화하였고 앞에서 제안한 시스템에서 실제 실험 환경에서 발생하는 문제인 검출 효율의 감소와 많은 검출기를 필요로 하는 점을 보완하는 새로운 수신부 구조를 제안하였다.
