[논문 리뷰] Quantum key distribution based on a Sagnac loop interferometer and polarization-insensitive phase modulators

Bing Qi, Leilei Huang외 2명|CERN Bulletin|2006. 04. 25.

Photonic and Optical Devices인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 사인락 루프 간섭계와 음향-광학 모듈레이터(AOM) 기반의 위상 변조를 사용한 편광에 민감하지 않은 양자 키 분배(QKD) 시스템을 제안한다. 여기서 위상 이동은 반대 방향으로 전파되는 펄스의 주파수 이동을 통해 인코딩된다. 이 방법은 40 km의 광섬유에서 96%의 간섭 시야도를 달성하였고, 한 시간 동안 QBER가 2%에서 5% 사이로 안정되어 있어 피드백이 없는 고안정성 BB84 QKD 운영을 입증한다.

ABSTRACT

We present a design for a quantum key distribution(QKD) system in a Sagnac loop configuration, employing a novel phase modulation scheme based on frequency shift, and demonstrate stable BB84 QKD operation with high interference visibility and low quantum bit error rate (QBER). The phase modulation is achieved by sending two light pulses with a fixed time delay (or a fixed optical path delay) through a frequency shift element and by modulating the amount of frequency shift. The relative phase between two light pulses upon leaving the frequency-shift element is determined by both the time delay (or the optical path delay) and the frequency shift, and can therefore be controlled by varying the amount of frequency shift. To demonstrate its operation, we used an acousto-optic modulator (AOM) as the frequency-shift element, and vary the driving frequency of the AOM to encode phase information.The interference visibility for a 40km and a 10km fiber loop is 96% and 99%, respectively, at single photon level. We ran BB84 protocol in a 40-km Sagnac loop setup continuously for one hour and the measured QBER remained within the 2%~5% range. A further advantage of our scheme is that both phase and amplitude modulation can be achieved simultaneously by frequency and amplitude modulation of the AOM's driving signal, allowing our QKD system the capability of implementing other protocols, such as the decoy-state QKD and the continuous- variable QKD. We also briefly discuss a new type of Eavesdropping strategy ("phaseremapping" attack) in bidirectional QKD system.

연구 동기 및 목표

• 장거리 사인락 QKD 시스템에서 편광에 민감한 위상 변조기의 불안정성과 복잡성을 해결하기 위해.
• 복잡한 편광 제어가 필요 없는 편광에 민감하지 않은 위상 변조 기술을 개발하기 위해.
• 고해상도 간섭 시야도와 낮은 양자 비트 오류율(QBER)을 확보하면서 40 km 광섬유에서 피드백이 없는 안정적인 BB84 QKD 운영을 입증하기 위해.
• 동시 다중 진폭 및 위상 변조를 통해 복잡한 QKD 프로토콜(예: 디코이 스테이트 및 연속 변수 QKD)과의 호환성을 확보하기 위해.
• 이중 방향 QKD 시스템에서 발생하는 새로운 해킹 위협—위상 재맵핑 공격—을 규명하고 분석하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 반대 방향으로 전파되는 펄스에 고정된 시간 지연를 적용하여 AOM를 통과시키며, 상대적 위상 이동은 AOM의 구동 주파수로 제어된다.
• 펄스 간의 상대적 위상 차이는 Δφ = 2πnLf/C로 주어지며, 여기서 n은 섬유의 효과적 굴절률, L은 섬유 길이, f는 AOM의 구동 주파수, C는 빛의 속도이다.
• 순수 주파수 이동을 제거하고 광학 주파수를 유지하면서도 위상 변조를 가능하게 하기 위해 이중 AOM 구성(업-샤프터 및 다운-샤프터)을 사용한다.
• 시스템은 단일 AOM를 사인락 루프 내의 위상 변조기로 사용하며, AOM 구동기의 주파수 변조를 통해 위상 인코딩을 수행한다.
• 균형형 하모닉 탐지 장치와 고속 데이터 수집 카드를 사용하여 단일 광자 수준에서 간섭 시야도를 측정한다.
• BB84 프로토콜은 무작위 위상 인코딩(0, π/2, π, 3π/2)을 사용하며, QBER는 앨리스의 위상 선택과 Bob의 측정 결과를 비교하여 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사인락 QKD에 적합한 편광에 민감하지 않은 위상 변조 기술을 설계하여 복잡한 편광 제어 장치의 필요성을 제거할 수 있는가?
• RQ2 피드백 제어 없이 장거리 광섬유(예: 40 km)에서 어떤 정도의 간섭 시야도와 QBER 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 AOM 기반 위상 변조 기술이 고속 운영을 지원하고, 디코이 스테이트 및 연속 변수 QKD와 같은 다른 QKD 프로토콜에 적합하게 변형될 수 있는가?
• RQ4 주파수 이동 기반 위상 변조를 사용하는 이중 방향 QKD 시스템에서 발생하는 새로운 해킹 취약점은 무엇인가?
• RQ5 이러한 시스템에서 위상 재맵핑 공격를 정량화하고 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 사인락 QKD 시스템은 40 km 광섬유 루프에서 단일 광자 수준에서 96%의 간섭 시야도를 달성하였고, 10 km 루프에서는 99%를 기록하였다.
• 피드백 제어 없이도 1시간 동안 지속적인 운영 중 QBER가 2%에서 5% 사이로 안정되어 있었다.
• 시스템은 최대 200 kHz의 위상 변조 속도를 구현하였으며, 몇 MHz까지 확장 가능하여 고속 QKD와의 호환성을 입증하였다.
• 위상 재맵핑 공격가 존재하며, 이는 애널리스트(Eve)가 인코딩된 위상을 제어 가능한 값으로 매핑함으로써 전체 키를 탈취하면서도 QBER를 14.6%로 유도할 수 있다.
• 이중 AOM 구성(그림 1b)을 사용함으로써 순수 주파수 이동을 제거하고 위상 재맵핑 취약성을 제거함으로써 무조건적 보안성을 복원하였다.