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편광 부호화, 偏光符號化, polarization encoding

빛의 진행 방향에 수직인 평면상의 빛의 편광 특성을 이용하여 데이터를 송수신하거나 저장하기 위한 목적 등으로 부호화 규칙에 따라 다른 형태로 변환하는 것 또는 변환하는 과정.

진행 방향에 따라 편광면이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 원형 편광(circular polarization)이나 수평 또는 수직인 선형 편광(linear polarization)의 방향을 부호화한다. 

 

편광 부호화를 사용하는 대표적인 예로 양자 암호 통신의 BB84 프로토콜이 있다.양자 암호 통신에서 가장 많이 사용하는 BB84 프로토콜은 위상 부호화(phase encoding) 방식과 편광 부호화(polarization encoding) 방식으로 구현할 수 있다. 편광 부호화를 이용한 BB84 프로토콜은 1984년 찰스 베넷(Charles Bennett)과 질 브라사드(Gilles Brassard)가 발표한 Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing 을 통해 소개되었다. 

BB84 프로토콜 과정에서 편광 부호화를 사용하는 예시는 다음과 같다. 

1) 송수신자는 0°(↑), 45°(↗)인 편광은 비트 0으로 부호화하고, 90°(→), 135°(↘)인 편광은 비트 1로 부호화하기로 사전에 약속한다. 

2) 송신자는 십자편광필터(+)와 대각편광필터(×) 기저를 각각 비트 0과 비트 1로 부호화하고, 기저 2개 중에서 1개의 기저를 무작위로 사용하여 편광을 수신자에게 전송한다. 이때, 송신자가 수신자에게 전달하는 광신호는 단일 광자이다. 

3) 수신자는 십자편광필터(+)와 대각편광필터(×) 기저를 각각 비트 0과 비트 1로 부호화하고, 기저 2개 중에서 1개의 기저를 무작위로 선택하여 수신된 편광을 측정한다. 

4) 측정 결과를 사전에 약속된 규칙으로 부호화하여 로우 키(raw key)를 생성한다. 

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

 

편광 부호화 방식 BB84 프로토콜을 사용하는 양자 암호 키 분배 시스템(QKD system)은 크게 송신부, 양자 채널, 수신부로 구성된다. 송신부는 단일 광자 생성부와 편광제어부, 수신부는 단일 광자 검출부, 편광 제어부, 편광 광분할기(polarization beam splitter)로 구성된다. 

편광 부호화는 디지털 광통신(digital optical communication), 원편광을 이용한 정보교환, 홀로그램(hologram) 등 다양한 분야에서 사용한다.

 

 

 

 

< BB84 protocol 과정에서 편광 부호화를 사용한 예 >

 

 

 

 

< 편광 부호화 방식 QKD system 기본구성 >