다중 모드 광섬유를 사용한 메트로 스케일 양자 키 분배 (QKD) 구현 및 성능 분석

Основні поняття

본 연구는 기존에 설치된 다중 모드 광섬유(MMF) 네트워크에서도 고성능 양자 키 분배(QKD) 기술을 적용하여 메트로 스케일의 안전한 통신 연결을 구축할 수 있음을 실험적으로 증명했습니다.

Анотація

다중 모드 광섬유 기반 양자 키 분배 연구 논문 요약

참고문헌: Brzosko, A., Woodward, R. I., Lo, Y. S., Pittaluga, M., Smith, P. R., Dynes, J. F., & Shields, A. J. (2024). Metro-scale QKD using multimode fiber. Optica Quantum, 2(5/25), 5/25. https://doi.org/10.1364/OPTICAQ.534258

본 연구는 기존에 널 widely 사용되고 있는 다중 모드 광섬유(MMF)를 양자 키 분배(QKD) 시스템에 적용하여 메트로 스케일 네트워크에서의 실용 가능성을 실험적으로 검증하는 것을 목표로 합니다.

본 연구에서는 1550nm 파장에서 작동하는 두 개의 분산 피드백 레이저 다이오드(LD) 기반 QKD 송신기를 개발했습니다. 송신기는 위상 인코딩(X 기반) 및 시간 기반 인코딩(Z 기반)을 사용하여 약한 결맞음 광 펄스에 정보를 인코딩합니다. 수신기는 비대칭 마赫-젠더 간섭계(AMZI)와 초전도 나노 와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)로 구성됩니다. 송신기와 수신기는 1km, 2km, 5km, 10km 길이의 OM3 광섬유 스풀과 패치 케이블을 사용하여 최대 17km까지 연결되었습니다. 실험은 직접 연결 방식과 모드 매칭 어댑터를 사용한 방식, 두 가지로 진행되었습니다. 각 구성에 대해 양자 비트 오류율(QBER)과 신호 이득을 측정하고, 이를 기반으로 2-디코이 방식의 점근 키 분석을 통해 안전 키율(SKR)을 추정했습니다. 또한, 실험실 환경에서 온도 변화 및 진동에 따른 시스템 안정성을 평가하기 위해 장시간 동안 QBER과 신호 이득의 변화를 측정했습니다.

Ключові висновки, отримані з

Metro-scale QKD using multimode fiber

by Adam Brzosko... о arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18646.pdf

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MMF 기반 QKD 시스템의 성능 향상을 위한 추가 연구 방향

MMF 기반 QKD 시스템의 성능을 향상시키기 위한 추가 연구는 다음과 같은 방향으로 진행될 수 있습니다.

더 높은 차원의 양자 상태 활용: 현재 연구는 주로 단일 광자를 사용하는 2차원 양자 상태 기반의 QKD 프로토콜을 다루고 있습니다. 더 높은 차원의 양자 상태, 예를 들어 광자의 궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM) 모드를 이용하면 단일 광자당 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 이는 QKD 시스템의 키 전송 속도를 향상시키고, 더 복잡한 양자 정보 처리 작업을 가능하게 합니다. 하지만 높은 차원의 양자 상태를 생성하고 검출하는 기술, 그리고 MMF 환경에서 높은 차원의 양자 상태를 안정적으로 전송하는 기술 개발이 필요합니다.

양자 오류 수정 기술 적용: MMF는 SMF에 비해 손실과 모드 간 결합이 크기 때문에 양자 정보 전송 과정에서 오류 발생 가능성이 높습니다. 양자 오류 수정 기술은 이러한 오류를 효과적으로 수정하여 QKD 시스템의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 특히, MMF 환경에서 발생하는 특징적인 오류 유형을 분석하고 이에 최적화된 양자 오류 수정 코드 및 디코딩 알고리즘 개발이 중요합니다.

모드 분할 다중화 (Mode Division Multiplexing, MDM) 기술과의 결합: MDM 기술은 MMF의 여러 공간 모드를 이용하여 데이터 전송 용량을 증가시키는 기술입니다. QKD 시스템에 MDM 기술을 적용하면 여러 개의 QKD 채널을 동시에 운영하여 전체 키 전송 속도를 향상시킬 수 있습니다. 이를 위해서는 각 모드에서 안정적인 QKD 동작을 보장하고 모드 간 간섭을 최소화하는 기술 개발이 필요합니다.

MMF 기반 QKD 시스템의 보안성을 저해하는 요소와 극복 방안

MMF 기반 QKD 시스템의 보안성을 저해하는 주요 요소는 다음과 같습니다.

모드 간 결합: MMF는 여러 개의 공간 모드를 지원하기 때문에 전송 중에 모드 간 결합이 발생할 수 있습니다. 이는 양자 신호의 손실을 증가시키고 도청자가 모드 결합을 이용하여 정보를 탈취할 수 있는 가능성을 제공합니다. 모드 간 결합을 최소화하기 위해서는 낮은 차동 모드 지연 (Differential Mode Delay, DMD) 특성을 갖는 MMF를 사용하거나, 모드 스크램블링 기술을 적용하여 모드 결합의 영향을 줄일 수 있습니다.

측 채널 공격: MMF 기반 QKD 시스템은 측 채널 공격에 취약할 수 있습니다. 예를 들어, 도청자는 MMF의 굽힘이나 온도 변화에 따른 양자 신호의 변화를 감지하여 정보를 탈취할 수 있습니다. 이러한 공격을 방지하기 위해서는 측 채널 정보를 최소화하는 시스템 설계 및 구현이 중요하며, 양자 신호 전송과 동시에 측 채널 정보를 모니터링하여 공격 여부를 탐지하는 기술 개발이 필요합니다.

불완전한 소자: QKD 시스템은 단일 광자 검출기, 변조기 등 다양한 광학 소자로 구성됩니다. 이러한 소자의 불완전성은 시스템의 보안성을 저해하는 요소가 될 수 있습니다. 예를 들어, 단일 광자 검출기의 불완전성은 도청자가 검출되지 않고 정보를 탈취할 수 있는 가능성을 제공합니다. 따라서, 보안성을 강화하기 위해서는 소자의 불완전성을 고려한 QKD 프로토콜 설계 및 구현이 필요하며, 더 나아가 높은 성능과 안정성을 갖는 양자 소자 개발이 중요합니다.

MMF 기반 양자 통신 기술의 미래 적용 분야 및 기대 효과

본 연구 결과를 바탕으로 MMF 기반 양자 통신 기술은 향후 다양한 분야에 적용되어 우리 삶에 큰 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.

스마트 도시: 스마트 도시는 다양한 센서와 기기들이 연결되어 방대한 양의 데이터를 주고받는 환경입니다. MMF 기반 양자 통신 기술은 스마트 도시 센서 네트워크의 보안성을 강화하여 도시 정보 관리 시스템의 안전성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, CCTV 카메라, 교통 관제 시스템, 환경 감시 시스템 등 중요 인프라의 데이터를 안전하게 보호하는 데 활용될 수 있습니다.

자율 주행 자동차: 자율 주행 자동차는 차량 간 통신, 센서 데이터 처리 등을 위해 높은 수준의 보안성이 요구됩니다. MMF 기반 양자 통신 기술은 자율 주행 시스템의 통신 채널을 보호하여 해킹이나 데이터 조작으로 인한 사고를 예방하고 안전한 자율 주행 환경 구축에 기여할 수 있습니다.

의료 정보 보안: 의료 정보는 개인 정보 중에서도 매우 민감한 정보에 속하며, 안전한 저장 및 전송이 중요합니다. MMF 기반 양자 통신 기술은 병원 내 또는 병원 간 의료 정보 네트워크를 보호하여 환자 정보 유출 및 위변조를 방지하고, 안전한 원격 의료 서비스 제공을 가능하게 합니다.

금융 보안: 금융 거래 정보는 높은 수준의 보안성이 요구되는 중요 정보입니다. MMF 기반 양자 통신 기술은 금융 기관 간 또는 금융 기관과 고객 간 통신 채널을 보호하여 해킹이나 데이터 위변조를 방지하고 안전한 금융 거래 환경을 구축하는 데 기여할 수 있습니다.
이 외에도 MMF 기반 양자 통신 기술은 국방, 항공 우주, 데이터 센터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 양자 컴퓨팅 기술과의 결합을 통해 더욱 강력한 보안 시스템 구축이 가능해질 것으로 예상됩니다.