1980년대에 처음 제안된 양자 키 분배(QKD)는 기존 방식보다 훨씬 안전하게 정보를 전송할 수 있는 방법을 제공합니다. 일반적인 QKD 방식에서 송신자(앨리스)는 고전 정보를 양자 상태로 인코딩합니다. 이 정보는 양자 채널을 통해 수신자(밥)에게 전송됩니다. 양자 역학의 복제 불가능 정리에 따라 이 상태 정보는 복제할 수 없습니다. 따라서 도청자(이브)는 앨리스와 밥에게 알리지 않고는 전송된 정보를 탈취하거나 복제할 수 없으므로, 이 채널은 도청에 매우 강건합니다. 이처럼 QKD는 정보 가로채기 없이 민감한 정보를 안전하게 전송할 수 있습니다.
이미 확립된 양자 키 분배(QKD) 프로토콜과 방법들이 많이 있습니다. 최근에는 광섬유 케이블, 연속파 레이저, 코히런트 수신기 등을 사용하는 기존 통신 인프라와의 호환성 덕분에 연속변수 QKD(CV-QKD)가 인기를 얻고 있습니다[1]. 이는 일반적으로 개별 광자의 편광에 정보를 인코딩하는 단일 광자 수준에서 작동하는 다른 방법들과는 대조적입니다. CV-QKD에서는 정보가 코히런트 광 신호의 직교 성분에 인코딩되고 수신기에서 복조됩니다.
CV-QKD 체계 구현을 지원하기 위해 연구진은 다음과 같은 노력을 기울였습니다. 함부르크 대학 익숙한 Moku:ProLiquid Instruments의 FPGA 기반 장치로, 빠르고 유연한 신호 처리 및 분석을 위한 재구성 가능한 테스트 및 측정 계측기 제품군을 제공합니다. PID 컨트롤러, 락인 증폭기예산 및 레이저 락 박스그 결과, 연구팀은 국부 발진기의 위상을 안정화시켜 시스템의 잡음 성능을 크게 향상시킬 수 있었습니다. 그들의 연구 결과는 다음과 같습니다. 최근에 출판 됨 in 옵티카 퀀텀 [2].
난제
함부르크 팀은 설정을 위해 소위 말하는 방식을 사용했습니다. 압축된 진공 상태 1550 nm 통신 파장에서, ppKTP 결정에 775 nm 레이저 빔을 조사하여 생성된 스퀴즈드 상태는 한 직교 위상에서 신호 대 잡음비를 향상시키지만, 직교 위상에서는 잡음이 증가합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 스퀴즈드 상태의 잡음은 레이저의 샷 노이즈보다 낮지만, 반대 직교 위상에서는 잡음이 더 높습니다. 스퀴즈드 상태의 위상 변조에 정보를 인코딩함으로써 더 나은 잡음 성능을 얻을 수 있습니다. 그러나 기존 통신 기술과 마찬가지로, 수신기에서 위상 정보를 디코딩하기 위해서는 LO(Local Oscillator) 기준 신호가 필요합니다.
이 구성에서 국부 발진기(LO)는 별도의 병렬 채널을 통해 소스에서 수신기로 전송됩니다(그림 2 참조). 신호가 이동하는 거리(1km 이상)를 고려할 때, 온도 변화 및 진동과 같은 환경적 영향은 신호와 LO 모두에 왜곡을 일으켜 위상 변동을 유발합니다. 이는 그림 1에서 볼 수 있듯이, 전송 후 압축 잡음 전력이 훨씬 높아졌다가 결국 샷 노이즈 수준으로 돌아가는 것을 통해 확인할 수 있습니다. 연구팀은 신호와 LO 사이의 상관 잡음을 상쇄하는 평형 호모다인 검출기 방식을 사용했는데, 이는 압축 상태를 검출할 때 일반적으로 사용되는 기술입니다. 추가적인 잡음을 상쇄하기 위해 수신단에 능동 피드백 메커니즘을 추가했으며, 이는 LO의 위상을 지속적으로 조정하고 보상하기 위해 일련의 직렬 PID 제어기를 필요로 합니다.
해법
로만 슈나벨 교수 연구실의 대학원생인 소피 베르클라스는 그림 2에 나타낸 능동 피드백 루프를 아날로그 PID 컨트롤러를 사용하여 처음 구현하려고 시도했습니다. 그러나 아날로그 PID 컨트롤러는 실험 요구 사항을 충족하지 못했고 잡음 성능을 개선하는 데 실패했습니다.
Moku:Pro를 빌려서 테스트해본 후, 그녀는 자신의 시스템에 Moku를 도입하기로 결정했습니다. Moku는 다중 장비 모드 이를 통해 그녀는 아날로그 PID 컨트롤러를 교체했을 뿐만 아니라, 록인 증폭기와 레이저 록 박스를 함께 사용할 수 있었습니다. 광섬유 EOM을 통해 LO를 천천히 변조함으로써, 록인 증폭기를 사용하여 오차 신호를 검출하고 추출할 수 있었습니다. 계단식으로 연결된 PID 컨트롤러는 제어 루프가 여러 자릿수에 걸친 주파수 범위에서 작동할 수 있도록 해주었으며, 각 컨트롤러는 서로 다른 구성 요소에 피드백 신호를 제공했습니다. 광섬유 EOM, 피에조 미러, 위상 시프터를 정밀하게 조작함으로써, 그녀는 kHz에서 서브헤르츠 범위에 이르는 위상 변동을 보정할 수 있었습니다.
소피는 Moku 앱을 사용하여 PID 컨트롤러를 수동으로 튜닝하고 각 컨트롤러의 매개변수를 특정 주파수 범위에 맞게 조정할 수 있었습니다. 이를 통해 측정 과정에서 발생하는 장거리 노이즈에 대한 시스템의 안정성을 확보할 수 있었습니다.
결과
연구팀은 발표된 결과에서 캠퍼스 내 두 건물 사이 1km 광섬유를 통해 압축 진공 상태를 전송하여 시스템을 테스트했습니다. 잠금 방식 없이 측정한 잡음(그림 1)은 수신 지점에서 신호 품질이 크게 저하되는 것을 보여주었지만, 위상 보상을 추가하자 잡음 성능이 크게 향상되었습니다. Moku:Pro로 제어 및 조정되는 잠금 설정은 1GHz가 넘는 전체 신호 대역폭에 걸쳐 위상 잡음을 보상할 수 있었습니다. 넓은 대역폭은 CV-QKD 프로토콜 구현 시 높은 키 전송률을 가능하게 하므로 필수적입니다. 연구 결과는 압축 상태를 사용하는 CV-QKD 프로토콜이 수 킬로미터 정도의 짧은 양자 채널을 통해 인코딩된 키 정보를 전송하는 효과적인 방법이 될 수 있음을 보여줍니다.
연구 결과 발표 후, 해당 그룹은 Moku:Pro의 더 많은 활용법을 찾기 시작했는데, 예를 들면 다음과 같습니다. 파형 발생기 변조 신호를 생성하는 장비를 사용하기 시작했습니다. 또한 사용하기 시작했습니다. 모쿠 컴파일 사용자 정의 HDL 모듈을 생성하고 Custom Instrument를 사용하여 배포했습니다. 결국 Custom Instrument 모듈은 자체 제작한 엔벨로프 검출기를 대체했을 뿐만 아니라 지연 생성기도 추가했습니다. 소피는 앞으로 연구실에서 Moku를 활용할 수 있는 더 많은 방법을 계속해서 찾아낼 것이라고 예상합니다.
참고자료
[1] 장 et al. 연속변수 양자 키 분배 시스템: 과거, 현재, 그리고 미래. 응용물리학 리뷰 11 011318 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0179566
[2] S. Verclas et al. 두 건물 사이에서 위상 안정화된 GHz 대역폭의 압축된 진공 상태 광의 광섬유 분배. 옵티카 퀀텀 4, 1-6(2026). https://doi.org/10.1364/OPTICAQ.567418