Quantum information processing based on quantum physics has researched for several decades but attracted tremendous attention in recent days due to its potentiality which provides superior performance to its classical counterpart. One of the most feasible application of the quantum information processing is a quantum cryptography whose typical research area is quantum key distribution (QKD). QKD utilizes quantum phenomena of optical light to share secret key between remote parties. Here, key difference between quantum and classical cryptography methods comes from dependence on computational complexity. In general, current classical methods rely on the computational complexity so that it prevents an eavesdropper to successfully steal in a reasonable time, while QKD can provide security without dependence on the complexity so that it is considered to provide unconditional security. Such QKD is required to achieve some level of performances to be applied into real world by integrating conventional systems. The main measure of the performances are secret key rate and distance. In order to improve the performance, a lot of approaches about QKD protocols have been proposed under a variety of situations.
In this thesis, we deal with researches about QKD protocols depending on some degree of freedom which are discrete and continuous variables. In case of the discrete variable QKD (DVQKD), we provide security analysis in point to point scenario where a multi-qubit QKD protocol is considered under incoherent attack. We also propose a simple protocol adoptable to the multi-qubit QKD protocol to improve the performance of QKD. On the one hand, we consider the case of point to multi-point scenario for end user service of QKD. In the scenario, we propose the secret key rate formula in a passive optical network by extending the secret key rate formula based on the decoy-state BB84 protocol. For a passive optical network, we provide a way that incorporates cooperation across end users. Then, we show that the way can mitigate a photon number splitting (PNS) attack which is crucial in an well known decoy BB84 protocol. Especially, the proposed scheme enables multi-photon states to serve as secret keys unlike the conventional decoy BB84 protocol.
In the case of the continuous variable QKD (CVQKD), we provide an effective way to design CVQKD protocol based on the conventional CVQKD protocol. However it does not cover photon subtracted state which requires post selection to be generated. The photon subtracted state recently attracts attentions as a non-Gaussian state, which has a potential to improve performance of CVQKD aside from Gaussian states, and is corresponding to comparably implementable non-Gaussian states. Therefore, we additionally analyze effect of photon subtraction on secret key rate by analyzing its effect on entanglement which is a resource of quantum information processing. We also provide a effective way for the photon subtraction in terms of designing a CVQKD protocol.
양자 물리학에 기반한 양자 정보 처리는 수십년간 연구되어 왔으나 고전 정보 처리의 성능을 상회하는 우수성에 대한 잠재력 때문에 최근 많은 관심을 받고 있다. 가장 실현 가능한 양자 정보 처리 중 하나는 양자 암호 키 분배 기술이다. 양자 암호 키 분배는 광의 양자 특성을 활용하여 송수신자 간 암호키 공유를 가능케 한다. 양자 암호가 기존 암호와 가장 큰 차이는 계산복잡도에 의존하지 않는 것이다. 기존 암호 체계가 높은 계산복잡도에 기반하여 공격자의 공격을 결과적으로 무의미하게 만드는 반면, 양자 암호 키 분배는 계산 복잡도에 의존하지 않고 이론적으로 무조건적인 보안을 제공할 수 있다. 이러한 양자 암호 키 분배 기술이 실제 서비를 위해 기존 암호 시스템과의 융합을 위해서는 일정 수준의 성능을 보유해야한다. 해당 성능은 주로 암호 키 생성 속도 및 전송 거리에 기반하며, 성능을 올리기 위해 다양한 상황에서의 프로토콜들이 제안되어 왔다.
본 학위 논문에서는 양자 암호 키 분배 프로토콜에 대한 내용을 다루고 있으며, 사용하는 양자 상태의 자유도에 따라 크게 이산 변수 및 연속 변수 양자 암호 키 분배에 관한 연구로 나뉜다. 이산 변수 양자 암호 키 분배에 있어서 본 저자는 일대일 시나리오에서 다중 큐비트를 활용한 프로토콜의 보안성 분석을 수행한다. 이를 기반으로 다중 큐비트 프로토콜의 성능을 향상 시킬 수 있는 프로토콜을 제안한다. 한편, 네트워크 끝단의 사용자 서비를 위한 상황을 고려하여, 일대다 네트워크에서의 양자 암호 키 분배 연구를 수행한다. 여기서 수동 광 네트워크 기반으로 기존 디코이 BB84 프로토콜을 확장하여 보안성 분석을 진행하고, 광자 수 분리 공격을 완화시킬 수 있는 프로토콜을 제안한다.
연속 변수 양자 암호 키 분배 연구에 있어서 본 저자는 우선 기존 프로토콜을 개선시킬 수 있는 효과적인 프로토콜 디자인 방법을 제안한다. 하지만 이는 후선택을 사용하여 생성되는 광자 추출 상태에 대해 적용가능 하지 않다. 광자 추출 상태는 비 가우시안 상태로서 연속 변수 양자 암호 키 분배 프로토콜의 성능을 향상시킬 것으로 기대되며, 동시에 비교적 쉽게 구현 가능한 비 가우시안 상태이기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있다. 그래서 본 저자는 양자 정보 처리의 자원으로 여겨지는 양자 얽힘이 광자 추출에 어떻게 영향을 받는지 근본적으로 살펴 봄으로써 광자 추출이 양자 암호 키 분배 성능에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 이를 기반으로 연속 변수 양자 암호 키 분배 성능을 증가시킬 수 있도록 광자 추출을 활용하는 프로토콜을 제안한다.
