Quantum cryptography key distribution (QKD) is a technique for distributing a completely secure key using quantum mechanics such as Heisenberg's uncertainty principle and the impossibility of duplicating quantum states. Among them, the continuous variable quantum cryptographic key distribution (CV QKD) protocol encodes the key information into the amplitude and phase of the quantum state. CV QKD utilizes homodyne detection which requires phase-synchronized local oscillator. In general, local oscillator pulses are transmitted along with a quantum state having information. Here, the role of the local oscillator pulses is to provide the phase reference of a transmitter (Alice) to a receiver (Bob). During transmission, phase between the quantum state and the local oscillator can be varied by a channel or device imperfections, which provides corrupted information to Bob. This can severely degrade the performance of a CVQKD system. This paper presents two methods for synchronizing the phase between the local oscillator and the data signal, which affect the performance of CV QKD. Both methods generate a local oscillator pulse at the receiving end and synchronize the phase difference with the data signal through post-processing. As a first method, we propose a method to synchronize the phase by homodyne detection using pilot pulse of a specific pattern. It eliminates the requirement for phase locking for an interferometer, while the previous works required critically precise phase control between I and Q detection paths. For validation of the proposed scheme, we conduct experiments using a high-performance laser and a low-performance telecom-grade laser with the proposed scheme. As a second method, we proposed a phase synchronization method using multidimensional reconciliation (MDR). The above method also has an advantage that stabilization of the interferometer is unnecessary, and there is no security threat that arises because the pilot pulse is not used. The second method also shows that the key can be generated through experiments and simulations.
양자 암호 키 분배 (QKD)는 하이젠베르그의 불확정성 원리와 양자 상태의 복제 불가능 등의 양자 역학적 특성을 이용하여 완전히 안전한 키를 분배하는 기술이다. 그 중 연속 변수 양자 암호 키 분배 (CV QKD) 프로토콜은 키 정보를 양자 상태의 진폭과 위상으로 부호화한다. 수신된 상태를 검출하기 위해 CV QKD에서는 로컬 오실레이터 (LO)를 이용한 호모다인 또는 헤테로 다인 검출을 사용한다. LO 펄스의 역할은 송수신자간의 데이터 사이의 위상 기준을 제공하며, 검출 시 신호를 증폭해주는 역할을 한다. LO와 데이터 신호 사이의 위상이 동기화되어 있지 않으면 검출 시 손상된 정보를 제공하며 CV QKD 시스템 성능 저하를 가져온다. 하지만 광의 위상을 동기화 시키는 것이 쉽지 않으며 채널 또는 장치의 불완전성에도 취약하다. 또한 동기화 방법이 도청자에게 추가적인 정보를 주지 않아야 좋은 성능의 CV QKD 시스템이 됨도 고려해야 한다. 때문에, CV QKD구현시 LO와 데이터 신호 사이의 위상을 동기화하는 연구가 중요한 성과로써 인정받고 있다. 본 논문은 연속 변수 양자 암호 키 분배 (CV QKD) 성능에 영향을 끼치는 로컬 오실레이터 (LO)와 데이터 신호간의 위상을 동기화하는 두 가지 방법을 제시한다. 두 방법 모두 수신단에서 LO 펄스를 생성하고 후처리를 통해 데이터 신호와의 위상차를 동기화해주는 방법이다. 첫 번째 방법으로 특정 패턴의 파일럿 펄스를 이용하여 호모다인 검출 만으로 위상을 동기화 할 수 있는 방법을 제시한다. 이 방법을 사용하면 간섭계의 안정화가 불필요하며, 기존의 파일럿 펄스를 이용한 기술 대비 헤테로다인 검출을 이용하지 않아도 되기 때문에 두 쿼드라쳐의 위상을 유지할 필요가 없다는 이점을 가진다. 이 방법을 검증하기 위해 성능이 좋지 않은 레이저로 실험을 하고 키를 생성해 낼 수 있음을 실험과 시뮬레이션을 통해 보였다. 두 번째 방법으로 다중 차원 조정 (MDR)을 사용한 위상 보정 방법을 제안하였다. 위 방법 역시 간섭계의 안정화가 불필요하며, 파일럿 펄스를 사용하지 않기 때문에 이 때문에 발생하는 보안상의 위협이 없다는 이점을 가진다. 두 번째 방법 또한 실험과 시뮬레이션을 통해 키를 생성할 수 있음을 보였다.
