[논문]양자암호시스템을 위한 단일광자검출기

이민수; 김용수; 한상욱; 문성욱

양자암호시스템을 위한 단일광자검출기 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.32 no.8, 2015년, pp.62 - 68

이민수 (한국과학기술연구원) , 김용수 (한국과학기술연구원) , 한상욱 (한국과학기술연구원) , 문성욱 (한국과학기술연구원)

초록
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본고에서는 차세대 보안통신 기술로 주목 받고 있는 양자암호시스템의 핵심 모듈인 단일광자 검출기의 최신 연구동향과 KIST 연구개발 내용에 대해 기술한다. 현재 상용화 수준으로까지 발전한 유선 양자암호 시스템에서는 성능, 소형화, 가격 등의 장점으로 인해 주로 InGaAs/InP avalanche photo diode (APD)를 이용한 단일광자검출기가 사용되고 있다. 유선 양자암호에서 사용하는 1550nm 통신 파장대의 단일광자가 갖는 에너지는 0.8 eV로 매우 미약한 수준이기 때문에 신호 검출을 위해 APD소자를 내부 증폭 이득이 무한대인 가이거모드(Geiger mode)에서 동작시킨다. 매우 높은 증폭비는 신호 검출뿐만 아니라 노이즈에도 동일하게 영향을 미치기 때문에 주변환경 노이즈에 의한 검출기 오동작 문제가 심각하게 발생한다. 따라서 단일광자검출기 구현에서 가장 중요한 기술은 소자 및 검출기 모듈에서 발생하는 노이즈의 영향을 최소화 시켜주는 것이다. 전세계적으로 검출기의 대표적인 노이즈인 after pulse를 저감 시키기 위한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있는데 대표적으로 self-differencing, auxiliary signal, integrating, double balanced 등의 방법이 제시되고 있다. 본고에서는 각각의 최신 기술들에 대한 비교 분석 및 이를 바탕으로 현재 KIST에서 진행하고 있는 양자암호시스템을 위한 단일광자검출기 기술 개발에 대해 서술한다.

AI 본문요약
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문제 정의

KIST에서는 현재 양자암호 시스템을 위한 고속, 저잡음 단일광자 검출기를 개발하고 있다. Balanced APDs 방법을 기반으로 양자암호 시스템으로의 적용시 발생하는 문제를 분석하고 이를 해결하는 방법을 제안하고 검증을 위한 연구를 진행하고 있다.
현재 유선 양자암호 시스템에서는 성능, 소형화, 가격 등의 장점으로 인해 주로 InGaAs/InP APD를 이용한 단일광자검출기가 사용되고 있으나 주변환경 노이즈에 의한 검출기 오동작 문제가 심각하게 발생한다. 따라서 단일광자검출기 구현에서 가장 중요한 기술은 소자 및 검출기 모듈에서 발생하는 노이즈의 영향을 최소화 시켜주는 것이다. 전세계적으로 검출기의 대표적인 노이즈인 after pulse를 저감시키기 위한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다.
본고에서는 양자암호시스템의 핵심 모듈인 단일광자 검출기의 최신 연구동향과 KIST의 단일광자검출기 연구현황에 대해서 기술하였다. 현재 유선 양자암호 시스템에서는 성능, 소형화, 가격 등의 장점으로 인해 주로 InGaAs/InP APD를 이용한 단일광자검출기가 사용되고 있으나 주변환경 노이즈에 의한 검출기 오동작 문제가 심각하게 발생한다.

제안 방법

차동증폭기 출력에는 어떤 APD의 애벌런치 신호인지 판별하기 위해 2개의 다른 기준레벨(Threshold level)을 선정한 비교기를 연결한다. 각각의 APD 판별신호 2개와 차동증폭기와 연결된 2개의 비교기 출력신호까지 하여 총 4개의 출력신호를 FPGA에 입력해주고 FPGA 내부에서 논리회로를 통하여 3가지 경우의 신호 소거를 양자키 분배 시스템에 알려준다. 여기서 예상 되어질 수 있는 문제는 각각의 APD의 강한 애벌런치 신호 판별 시 판별이 불가능한 약한 애벌런치 신호에 대한 이슈가 있을 수 있다.
그리고 신호 소거가 발생했을 경우 양자암호 시스템에서 신호소거 발생을 감지할 수 있도록와 같은 modified B-APDs scheme을 제안하였다.
그리고 180° 위상차가 있는 위쪽 APD에서 애벌런치가 발생할 경우 양의출력이 발생하고 아래쪽 APD 에 애벌런치가 발생할 경우 음의 출력이 발생한다. 그리고 어떤 APD의 클릭인지를 판단하기 위해 2개 판별기를 사용하여 각각 양의문턱전압과 음의 문턱전압을 설정해준다. 본 방법의 단점으로는 2개 APD의 특성 차이로 인해 발생할 수 있는 노이즈와 신호 소거(Signal cancellation) 현상이다.

대상 데이터

그리고 어떤 APD의 클릭인지를 판단하기 위해 2개 판별기를 사용하여 각각 양의문턱전압과 음의 문턱전압을 설정해준다. 본 방법의 단점으로는 2개 APD의 특성 차이로 인해 발생할 수 있는 노이즈와 신호 소거(Signal cancellation) 현상이다. 신호 소거 현상이란 양쪽 APDs에 애벌런치가 발생 할 경우, 한쪽에는 dark count가 다른 쪽에는 애벌런치 발생할 경우, 그리고 양쪽에 dark count가 발생할 경우에 애벌런치를 검출하지 못하는 현상을 일컫는다.

성능/효과

앞에서 나왔던 사인파 게이팅 방법과 SD 방법을 동시에 적용하여 구성하는 방법이 제안되어 after pulse 노이즈를 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있었다. 그러나 반면에 2가지 방법을 결합하면서 발생할 수 있는 전기적인 노이즈 및 사인파 게이트 펄스 사용에 의한 타이밍 지터(Timing jiter) 영향에 민감하다는 단점을 가지고 있는 방법이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	APDs의 after pulse를 줄이는 단일광자 검출기 연구방법은 어떻게 구분되는가?	After pulse를 줄이는 단일광자 검출기 연구는 크게 single APD를 이용한 방법과 double APDs를 이용한 방법으로 구분지을 수 있다. Single APD를 이용한 방법들은 <표 1>과 같이 after pulse를 제거하기 위한 구동 및 검출회로의 구현 위치에 따라 분류할 수 있다.
	양자암호시스템의 성능을 평가하는 요인은 무엇인가?	그 중에서도 양자암호시스템은 현재의 보안 통신 기술을 한 단계 뛰어넘을 수 있는 차세대 기술로써 전세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는데 양자정보 분야 중 가장 상용화에 가까운 기술적 성숙도를 보이고 있다. 양자암호시스템의 성능은 양자키 분배 속도, 양자키 분배 오류율 (Quantum bit error rate, QBER)등으로 평가할 수 있는데 전체 시스템 성능에 가장 크게 영향을 미치는 모듈이 단일광자 검출기이다. 따라서 양자암호시스템을 연구하는 대부분의 선진 연구기관들은 단일광자검출기 연구를 병행하고 있다.
	빛의 최소단위인 단일광자를 검출할 수 있는 검출기는 어느 분야에 사용되고 있는가?	빛의 최소단위인 단일광자를 검출할 수 있는 검출기는 양자암호시스템(Quantum key distribution), 라이다센서(LIDAR), 광 시간 영역 반사 측정법(OTDR)등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그 중에서도 양자암호시스템은 현재의 보안 통신 기술을 한 단계 뛰어넘을 수 있는 차세대 기술로써 전세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는데 양자정보 분야 중 가장 상용화에 가까운 기술적 성숙도를 보이고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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