파동의 한 주기인 360°(2라디안)를 균일하게 나눈 각도만큼 위상 차이를 만들어 부호화하는 것.

파동과 같은 신호의 위상 정보를 이용하여 데이터를 송수신하거나 저장하기 위한 목적 등으로 부호화 규칙에 따라 다른 형태로 변환하는 것을 말한다. 

대표적인 예로 디지털 통신에서 위상 편이 방식(PSK: Phase shift keying)이 있다. 일정한 주파수를 갖는 기준 신호의 주기를 균일한 각도로 분할한 후 분할한 각도만큼 위상을 변경하여 각 신호에 디지털 신호로 부호화하여 전송하는 방식이다. 이진 위상 편이 방식(BPSK: Binary Phase Shift Keying)을 예로 들면 한 주기인 360°(2라디안)를 2등분하여 0°(0)는 비트 0, 180°()는 비트 1로 부호화 하여 1bit 신호를 전송한다. 직교 위상 편이 방식(QPSK: Quadrature phase shift keying)은 위상을 4등분한 0°(0), 90°(/2), 180°(), 270°(3/2)로 위상 차이를 만들고 각각 00, 01, 10, 11의 디지털 신호로 부호화하여 2bit 정보를 전송한다. 여러 개로 위상을 나누어 부호화할수록 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양은 많아지지만 잡음이 섞일 경우 신호 대 잡음비의 크기가 더 커야한다. 

디지털 통신의 위상 편이 방식에서 위상 부호화를 사용하는 것과 마찬가지로 양자 암호 통신의 BB84 프로토콜에도 위상 부호화가 사용된다.양자 암호 통신에서 가장 많이 사용하는 BB84 프로토콜은 위상 부호화 방식(phase encoding)과 편광 부호화 방식(polarization encoding)으로 구현할 수 있다. 이 중 광섬유를 양자 채널로 사용하는 QKD system은 주로 위상 부호화 방식을 사용하는데 광섬유에서는 편광이 회전하여 편광 부호화 방식의 구현이 어렵기 때문이다. 따라서 QKD system에서 양자 채널이 공기(air, 무선)일 때는 편광 부호화를 주로 사용하고 광섬유를 사용할 때는 위상 부호화 방식을 주로 사용한다.위상 부호화 방식 BB84 프로토콜을 사용하는 QKD system은 크게 송신부, 양자 채널, 수신부로 구성된다. 송신부는 단일 광자 생성부와 광위상 변조기를 포함하는 광 간섭부, 수신부는 단일 광자 검출부와 광위상 변조기를 포함하는 광 간섭부로 구성된다. 

BB84 프로토콜 과정에서 위상 부호화 방식을 사용하는 예시는 다음과 같다. 

- 송수신자 간 위상이 0, /2인 광자는 비트 0으로 부호화하고, 위상이 , 3/2인 신호는 비트 1로 부호화하기로 사전에 약속한다. 

- 송신자는 4개 기저의 위상 0, /2, , 3/2를 각각 2비트 신호 00, 01, 10, 11로 부호화하고, 위상 4개 중에서 1개의 위상을 무작위로 선택하여 광자를 위상 변조하여 수신자에게 전송한다. 

- 수신자는 2개 기저의 위상 0, /2를 비트 0과 비트 1로 부호화하고, 위상 2개 중에서 1개의 위상을 무작위로 선택하여 수신된 광자를 측정한다. 

- 측정 결과는 광 간섭에 의해 단일 광자 검출기 1과 단일 광자 검출기 2에서 검출되며 결과를 사전에 약속된 규칙으로 부호화하여 로우 키(raw key)를 생성한다. 

- 송수신자는 서로 부호화된 기저를 주고받아 일치하는 기저의 결과만 저장한다.양자 비트 오류율(QBER)을 확인하고 걸러진 키(shifted key)를 생성하며, 후처리 과정을 거쳐 최종적으로 비밀키(secret key)를 생성한다. 

위상 부호화는 디지털 통신, 양자 암호 통신 이외에도 자기공명영상(MRI), 압축 센싱(compressive sensing) 등 다양한 분야에서 사용하고 있다.

< 위상 부호화 방식 QKD system 기본구성 >