양자 통신이 도대체 뭐야?

양자 통신

양자 역학은 안전한 통신을 보장한다. 양자통신은 양자 정보 처리 및 양자 순간 이동과 밀접한 관련이 있는 응용 양자 물리학 분야이다. 그중에서 가장 흥미로운 응용은 양자 암호화를 통해 정보 채널을 도청으로 부터 보호 하는 것이다. 양자 암호학의 가장 잘 알려져 있고 발전된 응용은 양자 키 배포(Quatum key distribution; QKD) 이다. 

QKD는 암호화 작업을 수행하거나 암호 시스템을 파괴하기 위해 양자 역학 효과를 사용하는 것을 설명한다. QKD 시스템의 작동 원리는 매우 간단하다: 두 당사자(앨리스와 밥)는 암호 통신에서 키로 사용되는 일련의 난수 시퀀스를 전송하기 위해 1과 0을 나타내는 상태로 무작위로 편광된 단일 광자를 사용한다. 두 포인트 모두 양자 채널과 고전적인 채널로 연결되어 있다. 앨리스는 양자 채널을 통해 전송되는 임의의 큐비트 스트림을 생성한다. 고전적인 채널도 사용하는 밥과 앨리스는 스트림을 수신할 때 고전적인 연산을 수행하여 도청자가 큐비트 스트림에 대한 정보를 추출하려고 시도했는지 확인합니다. 도청자의 존재는 송신기와 수신기 사이에 큐비트를 전송한 후 얻은 두 비트 목록 사이의 불완전한 상관관계에 의해 드러난다.

적절한 암호화 체계의 중요한 한 가지 구성 요소는 양자 광학을 통해 우아하게 생성될 수 있는 진정한 무작위성이다.

 

일반적인 QKD 설정에서 광자는 단일 광자 소스에 의해 생성되어 이진 값(즉, "0"과 "1"을 나타냄)으로 인코딩된 다음 광섬유 또는 자유 공간에서 수신기로 전송된다. 그런 다음 수신기는 광자의 상태를 디코딩하고 단일 광자 민감 감지기와 시간 태그 전자 장치를 사용하여 광자를 감지한다. 광자를 인코딩하고 디코딩하는 방법은 다음과 같이 여러가지가 있다.

a) 편광을 통해: 이진 정보 "1" 또는 "0"은 단일 광자의 편광에 의해 정의된다. 예를 들어 이진 "0"은 수평 편광 광자와, 이진 "1"은 수직 편광 광자와 상관 관계가 있다.

 

b) 간섭계 시스템을 사용해야 하는 위상을 통해: 두 간섭계의 위상차 Δθ = ΔAlice - ΔBob이 이진수 값 인코딩에 사용된다. 예를 들어 위상차 Δθ=0은 이진수 "0"과, 위상차 Δθ=θ는 이진수 "1"과 상관 관계가 있다.

c) 얽힌 광자를 통해, 얽힌 광자 쌍의 송신자 한 명과 편광자가 각각 장착된 두 개의 수신기(앨리스와 밥)가 필요하다. Alice와 Bob은 각각의 편광 회전 장치(polarization rotator)에서 두 각도를 랜덤하게 설정했다. 앨리스와 밥의 각도가 일치하면 두 광자는 빔 스플리터에서 정확히 동일하게 동작한다. 즉, 전송되거나(이진 "1") 반사된다(이진 "0") .

출처: https://www.picoquant.com/applications/category/quantum-optics/quantum-communication