[논문 리뷰] The DARPA Quantum Network

Chip Elliott|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 03.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 6인용 수 49

한 줄 요약

DARPA 양자 네트워크는 매사추세츠주 캠브리지에서 구축된 세계 최초의 기능성 양자 키 분배(QKD) 네트워크로, 어둠침 펄스를 통해 연결된 6개의 QKD 노드와 광학 스위치를 활용하여 운영된다. 이 네트워크는 상호운용 가능한 약한 공진기 QKD 시스템과 고속 자유공간 QKD를 통해 24시간 연속으로 작동하는 양자 암호화를 가능하게 하며, 지속적으로 운영되는 메트로 지역 QKD 구현 사례로 기록된다.

ABSTRACT

To a surprising extent, however, these limitations can be mitigated or even completely removed by building QKD networks instead of the traditional stand-alone QKD links. Accordingly, a team of participants from BBN Technologies, Boston University, and Harvard University has recently built and begun to operate the world’s first quantum key distribution network under Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sponsorship.∗The DARPA Quantum Network became fully operational on October 23, 2003, in BBN’s laboratories, and in June 2004 it was fielded through dark fiber underneath the streets of Cambridge, Massachusetts, to link our campuses with nonstop quantum cryptography, 24 hours per day. It is the world’s first quantum cryptography network and indeed probably the first metro-area QKD deployment in continuous operation. As of December 2004, it consists of six QKD nodes. Four are used in BBN-built, interoperable weak-coherent QKD systems running at a 5-MHz pulse rate through telecommunications fiber and inter-connected via a photonic switch. Two are electronics built by the National Institute of Standards and Technology (NIST) for a high-speed free-space QKD system. All run BBN’s full suite of production-quality QKD protocols. In the near future, we plan to add four more quantum cryptographic nodes based on a variety of physical phenomena and start testing the resulting network against sophisticated attacks.

연구 동기 및 목표

• 단일 QKD 링크의 한계를 극복하기 위해 네트워크 기반의 양자 암호화 인fra를 구현하기 위해.
• 실제 도시 환경에서 다중 노드 기반 기능성 QKD 네트워크의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 섬유 기반 및 자유공간 QKD 기술을 모두 활용하여 연속적이고 신뢰할 수 있는 양자 키 분배를 실현하기 위해.
• 복잡한 사이버 공격에 대응하여 QKD 네트워크의 성능을 평가하기 위한 시험기반 환경을 마련하기 위해.
• 다양한 물리적 구현 방식을 가진 QKD 노드들을 하나의 상호운용 가능한 네트워크 아키텍처에 통합하기 위해.

제안 방법

• BBN의 약한 공진기 QKD 시스템 기반 4개의 QKD 노드를 구축하여 통신사 섬유를 통해 5 MHz 펄스 속도로 운영.
• 광학 스위치를 통해 섬유 기반 노드를 연결하여 양자 채널의 동적 라우팅을 가능하게 하였다.
• NIST에서 개발한 고속 자유공간 QKD 시스템 2개를 활용하여 시야 범위 내에서의 양자 키 교환을 실현.
• 모든 노드에 BBN의 생산 수준의 QKD 프로토콜 전체를 적용하여 상호운용성을 확보.
• 캠브리지 지하에 위치한 어둠침 펄스 인프라를 활용하여 안정적이고 손실이 적은 전송 매체 확보.
• 2003년 10월 23일부터 24시간 연속 운영을 시작하였으며, 2004년 6월 현장 구축을 완료.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 섬유 인프라를 활용하여 도시 환경에서 다중 노드 QKD 네트워크를 신뢰성 있게 구축하고 운영할 수 있는가?
• RQ2 다양한 하드웨어 플랫폼 간에 상호운용 가능한 QKD 프로토콜이 공유 네트워크에서 얼마나 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ3 장기간에 걸쳐 지속적으로 운영되는 QKD 네트워크의 성능 및 안정성 특성은 어떠한가?
• RQ4 네트워크 기반 QKD 아키텍처는 점대점 QKD 시스템의 한계를 어떻게 완화하는가?
• RQ5 통합된 네트워크에서 자유공간 QKD를 섬유 기반 QKD와 통합하는 데 실질적인 과제는 무엇인가?

주요 결과

• DARPA 양자 네트워크는 2003년 10월 23일에 완전히 기능하기 시작하여 QKD 네트워크가 24시간 연속 운영된 최초의 사례로 기록되었다.
• 2004년 6월 어둠침 펄스를 통해 현장 구축이 완료되어 지속적으로 운영되는 세계 최초의 메트로 지역 QKD 구현 사례로 인정받았다.
• 2004년 12월 기준으로 네트워크는 6개의 기능성 QKD 노드로 구성되어 있었으며, 이 중 4개는 섬유 기반, 2개는 자유공간 시스템이었다.
• BBN의 약한 공진기 QKD 시스템과 NIST의 고속 자유공간 QKD 시스템 간의 상호운용성이 성공적으로 입증되었다.
• 광학 스위치와 어둠침 펄스를 기반으로 한 네트워크 아키텍처는 다수의 노드를 통해 안정적이고 연속적인 양자 키 분배를 가능하게 하였다.
• 다양한 물리적 현상에 기반한 4개의 추가 양자 암호화 노드를 추가할 계획을 포함하여 향후 확장 기반을 마련하였다.