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Enhancement of security in quantum cryptography using high-dimensional quantum systems

고차원 양자계를 이용한 양자암호 안전성 향상 연구

초록/요약

This thesis investigates efficient protocols for quantum cryptography which provide enhanced security. These protocols exploit high-dimensional quantum states to improve the security of quantum cryptography, in comparison to the conventional protocols for quantum cryptography using 2-dimensional quantum states. There have been studies of protocols for quantum key distribution using high-dimensional quantum states, but most of these studies focused on the generalization of the system’s dimension in the original BB84 protocol. It is known that the original protocol for quantum cryptography is vulnerable to side-channel attacks by an eavesdropper, by exploiting imperfections of the system’s devices. For the same reason, the generalized protocols have the same vulnerability as well. The protocols investigated in this thesis provide an improved secret key rate by exploiting high-dimensional quantum systems as an information carrier, guaranteeing semi-device-independent security, by preventing a certain type of side-channel attack. A schematic representation of the investigated protocols is drawn, and it is shown that the protocols are feasible. It is also shown that these protocols allow enhanced security, not only theoretically, but also under various experimental conditions, compared with the existing semi-device-independent quantum cryptographic protocols using 2-dimensional quantum states.

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초록/요약

본 학위 논문에서는 안전성이 향상된 양자암호 프로토콜에 대하여 논의하였다. 논의한 양자암호 프로토콜에는 효율성을 높이기 위하여 기존의 양자암호 프로토콜에서 사용되는 2차원 양자 상태가 아닌 고차원 양자 상태가 적용되었다. 고차원 양자 상태를 이용한 양자암호 프로토콜은 이미 기존에 연구된 바 있으나, 가장 기본적인 양자암호 프로토콜인 BB84 프로토콜에 고차원 양자 상태를 적용하는 연구가 주를 이루었다. 이러한 고차원 양자 상태를 적용한 BB84 프로토콜은 2차원 양자 상태를 이용한 BB84 프로토콜과 마찬가지로 기기의 결함을 이용한 도청 방법인 부채널 공격에 취약하다는 것이 알려져 있다. 본 학위 논문에서는 도청자가 시행할 수 있는 부채널 공격 중 특정 종류의 공격을 막을 수 있는 준-장치 독립적 안전성을 제공하는 고차원 양자 상태를 이용한 양자암호 프로토콜에 대하여 논의하였다. 이러한 안전성이 향상된 프로토콜들이 실험적으로 구현 가능하다는 것을 도식적인 실험 기기 구성을 통해 보였다. 논의한 프로토콜들을 기존의 2차원 양자 상태를 이용한 준-장치 독립적 양자암호 프로토콜과 비교하여 이론적인 안전성이 향상되었음을 확인하였으며, 다양한 실험 조건을 고려한 경우에도 효율성이 향상될 수 있음을 보였다.

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