Quantum key distribution is a field of research that can provide unconditionally secure communication on the basis of the law of quantum physics such as the uncertainty principle. Theoretical principles and security proofs of various protocols have been introduced and analyzed since the proposal of BB84 protocol. As technology is continuously improved, successful demonstrations of quantum key distribution have been reported actively both from academia and industry. On top of that, commercially advanced systems give positive expectations of various applications of quantum key distribution such as drone-based quantum key distribution for military use.
However, there still exist di erent kinds of technical issues which are fatal not only to performance, but its security when it comes to practical implementation. The problem that is dealt throughout this thesis is a reconciliation problem in quantum key distribution system that utilizes coherent states of light or so called continuous-variable quantum key distribution. Reconciliation refers to process that two authenticated parties extract errorless secret keys from shared quantum states.
The reconciliation problem in continuous-variable quantum key distribution is considered to be more dicult than its counterpart called discrete-variable quantum key distribution due to the fact that general environments for continuous-variable quantum key distribution make error correction more challenging. The dependencies of its performance, including secret key rate and transmission distance on the reconciliation process is signi cant. Therefore, it is crucial to practical continuous-variable quantum key distribution systems to devise and implement ecient reconciliation protocols in continuous-variable quantum key distribution.
In this paper, we propose a new reconciliation protocol with polar codes constructed by Gaussian approximation for long-distance continuous-variable quantum key distribution systems. Polar codes are linear forward error correction codes and known to be capacity-achieving. Backed up by this beautiful theory, we believe that it can help two authenticated parties achieve a secret key rate as close as to the theoretical limit. Additionally, Gaussian approximation is used in the protocol for ecient construction of polar codes by virtue of its reduced complexity. Via numerical analysis and simulations, the proposed protocol is shown to be e ective for long-distance application. Furthermore, our heterogenous successive cancellation decoder for polar codes will prevent the proposed reconciliation protocol from a potential bottleneck in terms of secret key rate to guarantee high-performance continuous-variable quantum key distribution.
양자 키 분배는 불확정성 원리와 같은 양자역학에 기반을 두어 이론적으로 도청자의 공격에도 안전한 통신을 가능하게 하는 연구 분야이다. Charles Bennett과 Gilles Brassard가 1984년에 고안한 양자 키 분배 프로토콜 BB84 이후로 다양한 프로토콜의 이론적 배경과 보안성 분석이 새롭게 소개되고, 분석되고 있다. 기술이 발전하면서 산학에서 양자 키 분배에 대한 실험들도 활발히 진행되고 있다. 또한 상업적으로도 기술이 발달하면서, 양자 키 분배에 대한 관심이 늘어나고 있다.
그럼에도 불구하고, 실질적인 시스템 구현 측면에서 양자 키 분배는 성능 뿐만 아니라 보안성에도 치명적일 수 있는 다양한 문제들이 여전히 존재한다. 본 논문을 통해서 다루고자하는 문제는 빛의 결맞음 상태를 이용한 연속 변수 양자 키 분배 시스템의 조정 문제이다. 양자 키 분배 시스템에서 조정은 두 인증된 사용자가 양자 채널을 통해 교환한 양자 상태에서 동일한 암호 키를 추출하는 과정을 말한다.
연속 변수 양자 키 분배에서 조정 문제는 빛의 결맞음 상태를 양자 채널을 보내는 물리적 환경 때문에 일반적으로 단일 광자를 이용한 이산 변수 양자 키 분배 시스템에서보다 더 까다롭다. 이는 암호 키 생성률과 전송거리와 같은 연속 변수 양자 키 분배의 전체적인 성능이 조정 시스템의 성능에 많은 영향을 받는 이유이다. 그렇기 때문에, 실제 연속 변수 양자 키 분배 시스템을 설계하는데 있어서 고효율의 조정 프로토콜 또는 시스템을 설계하는 것이 매우 중요하다.
이 논문에서는 연속 변수 기반의 암호 키 장거리 전송을 새로운 조정 프로토콜은 제안한다. 제안한 조정 프로토콜에서는 두 인증자가 오류가 없는 암호 키를 공유하기 위해 가우시안 근사로 설계한 극 부호를 사용한다. 극 부호는 이론적으로 채널용량을 달성하고, 효율적인 부호화와 복호화가 가능하기 때문에, 더 나은 조정 시스템의 성능을 기대할 수 있다. 뿐만 아니라, 가우시안 근사를 통해 특정 신호 대 잡음비에서 낮은 계산 복잡도로 극 부호를 설계할 수 있다. 제안한 조정 프로토콜이 장거리 전송에서 이득이 있을 수 있음은 수학적 시뮬레이션을 통해 보인다. 마지막으로 실제 환경에서 조정 시스템이 양자 키 분배 시스템의 성능을 저하시키는 장애물이 되지 않도록 이기종 컴퓨팅을 활용한 혼성 디코더를 적용하여, 제안한 프로토콜이 고속으로 동작할 수 있음을 보인다.
