JP2007116216A - Quantum authentication method and system - Google Patents

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JP2007116216A JP2005302431A JP2005302431A JP2007116216A JP 2007116216 A JP2007116216 A JP 2007116216A JP 2005302431 A JP2005302431 A JP 2005302431A JP 2005302431 A JP2005302431 A JP 2005302431A JP 2007116216 A JP2007116216 A JP 2007116216A
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史郎 太田
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尚宜 佐藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum authentication apparatus required for preventing impersonation and leakage of information in a network adopting quantum communication. <P>SOLUTION: A quantum sequence which cannot correctly be generated by an apparatus without any authentication key and correctly be measured by an apparatus without any authentication key is generated, transmitted, and received by using an authentication shared key and a random number generated by each session, and secure inter-authentication can be attained by collating results of the generation, transmission, and reception between a transmission apparatus and a reception apparatus through classical communication lines. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子通信装置を用いた相互認証の方法とシステムに関する。   The present invention relates to a method and system for mutual authentication using a quantum communication device.

量子暗号は、Heisenbergの不確定性原理に安全性の根拠を置いており、いくら強力な計算機を想定しても盗聴に対して安全である暗号として近年注目を浴びている。量子暗号の中でも、特に、二者間で鍵を共有するために使われる技術を量子鍵配送という。   Quantum cryptography is based on Heisenberg's uncertainty principle and has gained attention in recent years as a cipher that is safe against eavesdropping no matter how powerful a computer is assumed. Among quantum cryptography, a technique used to share a key between two parties is called quantum key distribution.

量子鍵配送を実現するプロトコルとしては、1984年にBennett, Brassardが提案したBB84プロトコル(非特許文献1参照)、1991年にEkertが提案したE91プロトコル(非特許文献2参照)、1992年にBennettが提案したB92プロトコル(非特許文献3参照)が代表的である。   BB84 protocol proposed by Bennett and Brassard in 1984 (see Non-Patent Document 1), E91 protocol proposed by Ekert in 1991 (see Non-Patent Document 2), and Bennett in 1992. The B92 protocol proposed by (see Non-Patent Document 3) is representative.

非特許文献1に記載されているBB84プロトコルに従えば、一対の装置間で行われる通信に対する盗聴行為を検知でき、盗聴者の盗聴成功確率は無限の計算力を駆使しても無視できる程度しかない。この意味で、量子鍵配送は、従来の、計算量に安全性の根拠をおく公開鍵暗号技術を用いた鍵共有方法に対して、それを真に上回る安全性を有する。   According to the BB84 protocol described in Non-Patent Document 1, it is possible to detect an eavesdropping action for communication performed between a pair of devices, and the eavesdropping success probability of an eavesdropper can only be ignored even by making use of infinite computational power. Absent. In this sense, quantum key distribution has a security level that exceeds that of a conventional key sharing method that uses a public key encryption technique whose security is based on a calculation amount.

C. H. Bennett, G. Brassard, "Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing", Proc. of IEEE Int. Conf. On Comp. Sys. And Signal Proc., Bangalore, India, 175-179, 1984.C. H. Bennett, G. Brassard, "Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing", Proc. Of IEEE Int. Conf. On Comp. Sys. And Signal Proc., Bangalore, India, 175-179, 1984. C. H. Bennett, "Quantum Cryptography Using Any Two Nonorthogonal States", Physical Review Letters, vol.68, no.21, 3121-3124, 1992.C. H. Bennett, "Quantum Cryptography Using Any Two Nonorthogonal States", Physical Review Letters, vol.68, no.21, 3121-3124, 1992. A. K. Ekert, "Quantum Cryptography Based on Bell's Theorem", Physical Review Letter, vol.67, no.6, 661-663, 1991.A. K. Ekert, "Quantum Cryptography Based on Bell's Theorem", Physical Review Letter, vol.67, no.6, 661-663, 1991. C. Crepeau and L. Salvail, "Quantum Oblivious Mutual Identification", EuroCrypto '95, Springer-Verlag, 133-146, 1996.C. Crepeau and L. Salvail, "Quantum Oblivious Mutual Identification", EuroCrypto '95, Springer-Verlag, 133-146, 1996.

非特許文献1、2、3が提案する量子鍵配送方法は、量子通信路の使用を前提とし、量子通信路の両端に接続された二つの量子通信可能な装置(量子通信装置という)の正当性を仮定した上で、安全な鍵配送が可能であることを主張するものである。しかしながら、将来予想される、複数の量子通信装置が混在するネットワーク環境においては、任意の2個の量子通信装置間で鍵を共有する前に、相手の正当性を相互に確かめる相互認証が、安全性を確保する上で不可欠である。   The quantum key distribution methods proposed by Non-Patent Documents 1, 2, and 3 are based on the premise that two quantum communication devices (called quantum communication devices) connected to both ends of the quantum communication channel are premised on the use of the quantum communication channel. It is asserted that secure key distribution is possible with the assumption of security. However, in a network environment in which multiple quantum communication devices are expected in the future, mutual authentication that mutually verifies the validity of the other party is safe before sharing a key between any two quantum communication devices. It is indispensable to secure sex.

従来の暗号技術を用いることにより相互認証を行うことは可能であるが、その安全性は計算量に依存したものであるから、量子鍵配送と組み合わせた場合、全体的な安全性は計算量的安全性に依存してしまい、量子鍵配送の存在価値が下がってしまう。非特許文献4は、量子通信装置の相互認証について述べているが、理論的な考察に留まっており、具体的な構成方法を開示していない。したがって、量子鍵配送と組み合わせても、全体的な安全性が計算量的安全性を真に上回る相互認証方法を構築することが必要となる。   Although it is possible to perform mutual authentication by using conventional encryption technology, its security depends on the computational complexity, so when combined with quantum key distribution, the overall security is computationally intensive. It depends on security and the existence value of quantum key distribution is lowered. Non-Patent Document 4 describes mutual authentication of quantum communication devices, but is limited to theoretical considerations and does not disclose a specific configuration method. Therefore, even in combination with quantum key distribution, it is necessary to construct a mutual authentication method in which the overall security truly exceeds the computational security.

また、実際の量子通信路では、装置の性能が原因であったり、自然に発生したりする、不可避なノイズにより、送信した量子が、受信側に届かなかったり、また状態が変化するなど、理想的環境を構築することは困難である。そのため、量子通信装置や量子通信路の改良ではなく、ノイズの影響を受けない相互認証方法が望まれている。   Also, in an actual quantum communication channel, it is ideal that the transmitted quantum does not reach the receiving side or the state changes due to inevitable noise caused by the performance of the device or naturally occurring. It is difficult to build a dynamic environment. Therefore, there is a need for a mutual authentication method that is not affected by noise, rather than an improvement in quantum communication devices and quantum communication paths.

本発明は、計算量的安全性を真に上回る相互認証方法を構築するため、量子暗号、量子鍵配送に用いられている、量子原理に基づいた方法を採用する。特に、将来、量子鍵配送方式として主流になると考えられているBB84プロトコルで用いられている、二種類の二値物理量を利用した量子通信を相互認証のためにも用いることを特徴とする。これにより、相互認証とBB84プロトコルによる鍵配送とで用いる量子装置を変える必要がなくなる。   The present invention adopts a method based on the quantum principle used in quantum cryptography and quantum key distribution in order to construct a mutual authentication method that truly exceeds computational security. In particular, the present invention is characterized in that quantum communication using two kinds of binary physical quantities, which is used in the BB84 protocol, which is considered to become a mainstream quantum key distribution method in the future, is also used for mutual authentication. This eliminates the need to change the quantum device used for mutual authentication and key distribution using the BB84 protocol.

前提として、相互に認証する装置が、あらかじめ安全な方法で、通信相手との認証用鍵Rと、認証用鍵Rのビット列から、上記二値物理量の種類の系列(以下、系統列という)を生成するための変換規則F(関数Fともいう)および、二種類の二値物理量における四つの状態とビット値との対応を示す対応表と、を共有する。なお、変換規則Fは、予め決定した、認証用鍵Rのビット値と本発明に用いる二値物理量の種類との対応を示すものとする。これらの共有は一回行うだけでよく、以降の相互認証実行時ではこの認証用鍵Rと変換規則Fと対応表を繰り返し用いることができる。   As a premise, devices that mutually authenticate each other in a secure manner in advance from the authentication key R with the communication partner and the bit string of the authentication key R, the series of binary physical quantity types (hereinafter referred to as a system string) A conversion rule F (also referred to as a function F) for generation and a correspondence table indicating correspondence between four states and bit values in two types of binary physical quantities are shared. The conversion rule F indicates the correspondence between the predetermined bit value of the authentication key R and the type of binary physical quantity used in the present invention. These shares only need to be shared once, and this authentication key R, conversion rule F, and correspondence table can be used repeatedly in the subsequent mutual authentication execution.

上記前提の元で、相互認証する方法の概要を以下に述べる。   Based on the above assumptions, the outline of the mutual authentication method is described below.

前提として、相互に認証する装置が、あらかじめ安全な方法で、通信相手との認証用鍵Rと、量子の種類を示す量子種類と、それぞれの量子種類における前記二値物理量と、ビット値と、の対応を示す対応表と、入力ビット列から、対応する量子種類の系列(系統列ともいう)を生成する変換規則F(関数Fともいう)を共有する。これらの共有は一回行うだけでよく、以降の相互認証実行時ではこの認証用鍵Rと変換規則Fと対応表を繰り返し用いることができる。   As a premise, the mutually authenticating device is a secure method in advance, the authentication key R with the communication partner, the quantum type indicating the quantum type, the binary physical quantity in each quantum type, the bit value, And a conversion rule F (also referred to as a function F) for generating a corresponding quantum type sequence (also referred to as a systematic sequence) from the input bit string. These shares only need to be shared once, and this authentication key R, conversion rule F, and correspondence table can be used repeatedly in the subsequent mutual authentication execution.

さらに、相互に認証する装置は、量子通信路と、古典通信路と、により接続されているものとする。本明細書において、量子通信とは、量子一つ一つに情報を乗せて送信または受信する通信を指し、古典通信とは、量子通信に対して、従来の通信全般を意味する。   Furthermore, devices that authenticate each other are connected by a quantum communication channel and a classical communication channel. In this specification, quantum communication refers to communication in which information is transmitted or received by placing information on each quantum, and classical communication refers to conventional communication in general with respect to quantum communication.

上記前提の元で、相互認証する方法の概要を以下に述べる。   Based on the above assumptions, the outline of the mutual authentication method is described below.

送信装置は、変換規則Fに従って、認証用鍵Rを入力として物理量の系列を生成し、
送信装置認証用情報生成規則に従って、認証の度に生成する乱数rから送信装置認証用ビット列を生成し、送信装置認証用ビット列と物理量の系列とから、対応表に従って、量子列を生成し、生成した量子列を、量子通信路を用いて、受信装置へ送信する。
In accordance with the conversion rule F, the transmitting device generates a physical quantity sequence using the authentication key R as an input,
Generates a transmission device authentication bit string from a random number r generated at each authentication according to a transmission device authentication information generation rule, generates a quantum string from a transmission device authentication bit string and a physical quantity sequence according to a correspondence table, and generates The quantum string thus transmitted is transmitted to the receiving device using the quantum communication path.

受信装置は、変換規則Fに従って、認証用鍵Rを入力とした、受信するはずの物理量の系列を生成し、生成した系列に対応する測定器により、量子列を測定する。 もし送信装置、受信装置が正当(両方とも正しい認証用鍵Rを持つ)であり、盗聴者が居なかった場合は、受信装置による測定結果は、送信された量子列と同じとなる。
さらに、受信装置は、対応表に従って、測定結果を送信装置認証用ビット列に変換し、送信装置認証用ビット列を、送信装置認証用規則に従って検査することにより、送信装置の正当性を検証する。
In accordance with the conversion rule F, the receiving device generates a sequence of physical quantities that should be received with the authentication key R as an input, and measures the quantum string by a measuring device corresponding to the generated sequence. If the transmitting device and the receiving device are valid (both have the correct authentication key R) and there is no eavesdropper, the measurement result by the receiving device is the same as the transmitted quantum string.
Furthermore, the receiving apparatus verifies the validity of the transmitting apparatus by converting the measurement result into a transmitting apparatus authentication bit string according to the correspondence table, and inspecting the transmitting apparatus authentication bit string according to the transmitting apparatus authentication rule.

より具体的な本発明の一態様は、量子の、二種類の二値物理量に対応した四種類の量子状態を利用して、送信装置と受信装置とが行う、量子通信における相互認証方法であって、
送信装置と受信装置は、認証用鍵Rと、二値物理量における二つの状態とビット値との対応を、二種類の二値物理量それぞれについて定めた対応表と、入力ビット列から、対応する物理量の種類の系列を生成する変換規則Fを共有し、送信装置は、変換規則Fに従って、認証用鍵Rを入力として物理量の種類の系列を生成し、乱数rを生成し、送信装置認証用量子列生成規則に従って、乱数rから送信装置認証用ビット列を生成し、送信装置認証用ビット列と物理量の種類の系列とから、対応表に従って、量子状態の系列である量子列を生成し、生成した量子列を、量子通信路を用いて、受信装置へ送信し、受信装置は、変換規則Fに従って、認証用鍵Rを入力として物理量の種類の系列を生成し、生成した系列が示す物理量の種類に対応する測定器により、量子列を測定し、対応表に従って、測定結果を送信装置認証用ビット列に変換し、送信装置認証用ビット列を、送信装置認証用規則に従って検査することにより、送信装置の正当性を検証し、送信装置を認証した場合に、送信装置認証用ビット列から、受信装置認証用ビット列生成規則に従って、受信装置認証用ビット列を生成し、受信装置認証用ビット列を、古典通信路を用いて、送信装置へ送信し、送信装置は、受信装置認証用ビット列を、受信装置認証用規則に従って検査することにより、送信装置を認証することを特徴とするものである。
A more specific aspect of the present invention is a mutual authentication method in quantum communication performed by a transmission device and a reception device using four types of quantum states corresponding to two types of binary physical quantities. And
The transmission device and the reception device have the corresponding physical quantity based on the input key string and the correspondence table that defines the correspondence between the two states and the bit values of the authentication key R, the binary physical quantity, and the two types of binary physical quantities. Sharing a conversion rule F that generates a sequence of types, the transmission device generates a sequence of physical quantity types by inputting the authentication key R according to the conversion rule F, generates a random number r, and generates a quantum string for authentication of the transmission device Generate a transmission device authentication bit string from the random number r according to the generation rule, generate a quantum sequence that is a quantum state sequence from the transmission device authentication bit string and the physical quantity type sequence according to the correspondence table, and generate the quantum sequence Is transmitted to the receiving device using the quantum communication channel, and the receiving device generates a sequence of physical quantity types by inputting the authentication key R according to the conversion rule F, and corresponds to the physical quantity type indicated by the generated sequence. To the measuring instrument The validity of the transmitter is verified by measuring the quantum string, converting the measurement result into a bit string for transmitting device authentication according to the correspondence table, and examining the bit string for transmitting device authentication according to the rules for authenticating the transmitting device. When the transmitting device is authenticated, the receiving device authentication bit string is generated from the transmitting device authentication bit string according to the receiving device authentication bit string generation rule, and the receiving device authentication bit string is generated using the classical communication path. The transmitting device authenticates the transmitting device by examining the receiving device authentication bit string in accordance with the receiving device authentication rule.

さらに、変換規則Fは、ビット0に対し物理量の種類Aを、ビット1に対し物理量の種類Bを対応させる関数であり、送信装置認証用量子列生成規則は、入力ビット列xを結合したx||xを送信装置認証用ビット列とし、送信装置認証用ビット列と物理量の種類の系列とから、対応表に従って、量子状態の系列である量子列を生成するものであり、送信装置認証用規則は、送信装置認証用ビット列の前半ビット列と後半ビット列が一致するならば、送信装置を認証するものであり、受信装置認証用ビット列生成規則は、送信装置認証用ビット列の前半ビット列または後半ビット列を、受信装置認証用ビット列とするものであり、受信装置認証用規則は、受信装置認証用ビット列が乱数rと一致するならば、受信装置を認証するものであってもよい。   Further, the conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with the bit 0 and the physical quantity type B with the bit 1, and the transmission device authentication quantum string generation rule is a combination of the input bit string x x | | x is a bit string for transmitting device authentication, and a quantum sequence that is a quantum state sequence is generated according to the correspondence table from the bit sequence for transmitting device authentication and the type of physical quantity, and the rule for transmitting device authentication is: If the first half bit string and the second half bit string of the transmission apparatus authentication bit string match, the transmission apparatus is authenticated, and the reception apparatus authentication bit string generation rule sets the first half bit string or the second half bit string of the transmission apparatus authentication bit string as the reception apparatus. The receiving device authentication rule may be to authenticate the receiving device if the receiving device authentication bit string matches the random number r.

また、変換規則Fは、ビット0に対し物理量の種類Aを、ビット1に対し物理量の種類Bを対応させる関数であり、送信装置認証用量子列生成規則は、二つのビット列x、yと、物理量の系列Pが入力されたとき、yの結合(y||y)のi番目のビットに対し、それとxとP、およびiに依存した、固定長nの量子列を生成し、(y||y)のすべてのビットに対して生成された量子列を結合した量子列を出力するものであり、送信装置認証用規則は、請求項1に記載の受信装置が生成するビット列sに対して、sをnビットのブロックに分割し、各i番目のブロックに対し、xとP、およびiを用いて、ビット0、1を特定することによりビット列Yを生成し、Yの前半ビット列と後半ビット列が一致するならば送信装置を認証するものであり、受信装置認証用ビット列生成規則は、ビット列Yの前半ビット列または後半ビット列を、受信装置認証用ビット列とするものであってもよい。   The conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with the bit 0 and the physical quantity type B with the bit 1, and the transmission apparatus authentication quantum string generation rule includes two bit strings x and y, When a physical quantity series P is input, for the i-th bit of the combination of y (y || y), a quantum string of fixed length n depending on it, x, P, and i is generated, and (y || y) outputs a quantum string obtained by combining the quantum strings generated for all the bits, and the transmitter authentication rule is based on the bit string s generated by the receiver according to claim 1. Then, s is divided into n-bit blocks, and for each i-th block, a bit string Y is generated by specifying bits 0 and 1 using x, P, and i, and the first half bit string of Y If the latter half bit string matches, the transmitting device is authenticated, and the receiving device authentication bit string generation rule is bit string Y The first half bit string or the second half bit string may be one of a receiving device authentication bits.

さらに、送信装置は、乱数rの代わりに、入力ビット列xを用い、受信装置は、送信装置認証用量子列生成規則と、送信装置認証用規則と、を用いて、送信装置を認証した場合に、ビット列Yの前半ビット列を送信された入力ビット列xとして出力することにより、送信装置と、入力ビット列xを共有してもよい。   Further, when the transmission device uses the input bit string x instead of the random number r, and the reception device authenticates the transmission device using the transmission device authentication quantum string generation rule and the transmission device authentication rule. The input bit string x may be shared with the transmission device by outputting the first half bit string of the bit string Y as the transmitted input bit string x.

上記認証方法を用いれば、もし送信装置、受信装置が正当(両方とも正しい認証用鍵Rを持つ)であり、盗聴者が居る場合は、受信装置による測定結果は、送信された量子列と異なるものとなり、受信装置は送信装置が不正であるか、盗聴者が居るものと判断することができる。盗聴者の存在により認証に失敗する機能は、以降の通信の盗聴を防ぐことができるという、従来の認証方法にはない特徴を備えるもので、これにより通信の安全性を高めることができる。   If the above authentication method is used, if the transmitting device and the receiving device are valid (both have the correct authentication key R) and there is an eavesdropper, the measurement result by the receiving device is different from the transmitted quantum string. Therefore, the receiving apparatus can determine that the transmitting apparatus is illegal or that there is an eavesdropper. The function of failing in authentication due to the presence of an eavesdropper has a feature that the conventional authentication method can prevent from preventing eavesdropping of subsequent communication, thereby improving the safety of communication.

本発明により、量子暗号または量子暗号通信の装置が複数混在するネットワーク上の任意の2個の装置が、計算量的安全性を真に上回る安全性を持って、一回の量子通信により、相互認証することが可能となる。   According to the present invention, any two devices on a network in which a plurality of devices for quantum cryptography or quantum cryptography communication coexist can be compared with each other by a single quantum communication with a safety that truly exceeds the computational security. It becomes possible to authenticate.

さらに、本発明と量子鍵配送と組み合わせた場合であっても、全体的な安全性が計算量的安全性を真に上回ることが可能となる。   Furthermore, even when the present invention is combined with quantum key distribution, the overall security can truly exceed the computational security.

本発明の量子認証方法では、BB84プロトコルと同様、二種の二値物理量を用いる。その一態様においては量子として、0度、45度、90度、135度の偏光という四種類の量子状態からなる光子を取り扱うこととし、光子の0度または90度の偏光を+系統の偏光と呼び、一つの種類の二値物理量として扱い、光子の45度または135度の偏光を×系統の偏光と呼び、もう一つの種類の二値物理量として扱う。   In the quantum authentication method of the present invention, as in the BB84 protocol, two types of binary physical quantities are used. In one aspect, quantum is handled as photons consisting of four types of quantum states of polarization of 0 degree, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees. It is treated as one type of binary physical quantity, and the 45-degree or 135-degree polarization of a photon is called x-type polarization, and is treated as another kind of binary physical quantity.

また、Heisenbergの不確定性原理に依れば、これら4種類の偏光の全てを一度の測定で判別する測定器は存在しない。光子の0度または90度の偏光(+系統の偏光)を判別する測定器を+型測定器とし、光子の45度または135度の偏光(×系統の偏光)を判別する測定器を×型測定器と呼ぶ。+型測定器では+系統の偏光を正しく測定できるが、×系統の偏光を測定すると{45度、135度}の偏光を判別できないだけでなく、光子の状態が、{0度、90度}のどちらかの偏光になるような変化を与えてしまう。どちらの偏光になるかは全くランダムであり、予測不能である。   Also, according to Heisenberg's uncertainty principle, there is no measuring device that can discriminate all four types of polarized light in one measurement. The measuring device that discriminates the 0 degree or 90 degree polarization (+ polarization) of the photon is a + type measuring device, and the measuring device that discriminates the 45 degree or 135 degree polarization (× polarization) of the photon Called a measuring instrument. The + -type measuring instrument can correctly measure the + system polarization, but measuring the x system polarization not only discriminates {45 degrees, 135 degrees} but also the photon state is {0 degrees, 90 degrees} It will change to become either of the polarized light. Which polarization is obtained is completely random and unpredictable.

同様に、×型測定器では×系統の偏光を正しく測定することができるが、+系統の偏光を測定すると偏光の状態を判別できない上に、偏光の状態を45度または135度の偏光にランダムに変化させる。   Similarly, the x-type measuring instrument can correctly measure the x system polarization, but if the + system polarization is measured, the polarization state cannot be discriminated and the polarization state is randomly changed to 45 degrees or 135 degrees polarization. To change.

量子として光子を取り扱う例においては、4種類の偏光各々にビット値を対応付けて、その内容を事前に共有する。例えば、図1の対応表に示すように、+系統の0度偏光には0を、90度偏光には1を割り当て、×系統の45度偏光には0を、135度偏光には1を割り当てる。   In an example in which photons are handled as quanta, a bit value is associated with each of the four types of polarized light, and the contents are shared in advance. For example, as shown in the correspondence table of FIG. 1, 0 is assigned to 0-degree polarized light in the + system, 1 is assigned to 90-degree polarized light, 0 is assigned to 45-degree polarized light in the x system, and 1 is assigned to 135-degree polarized light. assign.

また、二値物理量の種類(光子の場合は偏光の系統)そのものに対しても、ビット値を対応付けて、その対応づけを変換規則Fとして、量子通信に先立ち共有する。例えば、+系統にはビット0を、×系統にはビット1を割り当てる。   In addition, a bit value is also associated with the type of binary physical quantity (polarization system in the case of photons) itself, and the association is shared as a conversion rule F prior to quantum communication. For example, bit 0 is assigned to the + system and bit 1 is assigned to the x system.

これらの対応付けはこの限りではないし、秘密にする必要もない。さらに、共有に際しては、古典通信路を用いて行うことも可能である。   These associations are not limited to this and need not be kept secret. Furthermore, sharing can be performed using a classical communication channel.

また、以下に説明する各実施例では、光子の偏光に情報を対応させた量子通信を用いて説明するが、BB84プロトコルと同様、二種の二値物理量を用いるものであれば、任意の量子通信を用いて、本発明の相互認証を実施することができる。   In each example described below, description is made using quantum communication in which information is associated with the polarization of a photon. However, as in the BB84 protocol, any quantum can be used as long as two types of binary physical quantities are used. The mutual authentication of the present invention can be implemented using communication.

本発明の量子認証方法の実施例を図2、図3を用いて説明する。   An embodiment of the quantum authentication method of the present invention will be described with reference to FIGS.

図2は量子通信路219と古典通信路220で接続された送信装置201と受信装置202が相互認証を行う手順を表したものである。送信装置201は乱数生成器を有しているとする。また、送信装置201と受信装置202は、予め、ビット列である、認証用鍵R(203)を秘密裏に共有しているものとする。   FIG. 2 shows a procedure in which the transmission apparatus 201 and the reception apparatus 202 connected by the quantum communication path 219 and the classical communication path 220 perform mutual authentication. It is assumed that the transmission device 201 has a random number generator. In addition, it is assumed that the transmitting device 201 and the receiving device 202 secretly share an authentication key R (203), which is a bit string, in advance.

秘密裏に共有するための方法としては、例えば、認証用鍵R(203)を記憶媒体に格納して一方が他方に持って行き、周知の方法で装置の正当性を確認した後、相手装置内に認証用鍵R(203)を移す方法などが挙げられる。   As a method for secretly sharing, for example, the authentication key R (203) is stored in a storage medium, one is taken to the other, the validity of the device is confirmed by a known method, and then the other device And a method of transferring the authentication key R (203).

相互認証を行う場合、送信装置201は認証用鍵R(203)から、後述する変換規則F(204)に従い、物理量の種類である光子の偏光(+系統または×系統)の系列(以下、光子系列という)を決定する(ステップ205、以下、ステップをSと略す)。   When performing mutual authentication, the transmission apparatus 201 uses a series of photon polarization (+ system or x system), which is the type of physical quantity, from the authentication key R (203) according to a conversion rule F (204) described later (hereinafter, photon (Referred to as a sequence) (step 205, hereinafter, step is abbreviated as S).

次に乱数rを生成し(S206)、認証用鍵R(203)と乱数r、およびS205で決定した光子系列から、送信装置認証用情報生成規則として後述する、変換規則G(207)に従い、二値物理量の系列として光子列を決定する(S208)。   Next, a random number r is generated (S206), from an authentication key R (203) and a random number r, and a photon sequence determined in S205, according to a conversion rule G (207), which will be described later as a transmission device authentication information generation rule, A photon string is determined as a sequence of binary physical quantities (S208).

受信装置202は、光子を受信する準備として、認証用鍵R(203)から、変換規則F(204)に従って、量子種類の系列として光子系列(受信装置202にとっては、+型、×型いずれの光子測定器を用いるかを示す測定器系列でもある)を決定する(S210)。   In preparation for receiving a photon, the receiving device 202 prepares a photon sequence as a quantum type sequence from the authentication key R (203) according to the conversion rule F (204) (for the receiving device 202, either + type or x type). (Also a measuring instrument series indicating whether to use a photon measuring instrument) is determined (S210).

送信装置201は、決定した光子列を量子通信路219を用いて受信装置202に送信する(S209)。   The transmitting device 201 transmits the determined photon sequence to the receiving device 202 using the quantum communication path 219 (S209).

受信装置202はS209で送信装置201から送信された光子列を測定して(S211)、測定結果と、S210で認証用鍵Rに基づき決定した測定器系列から、送信装置認証用規則としてのチェック規則Hによって、送信装置201の正当性をチェックする(S212)。チェック結果がNGならば通信を終了(S214)し、OKならば、受信装置202は送信装置201を正当であると判断する。   The receiving device 202 measures the photon sequence transmitted from the transmitting device 201 in S209 (S211), and checks the measurement result and the measuring instrument sequence determined based on the authentication key R in S210 as a transmitting device authentication rule. The validity of the transmitter 201 is checked according to the rule H (S212). If the check result is NG, the communication is terminated (S214), and if OK, the receiving apparatus 202 determines that the transmitting apparatus 201 is valid.

ここまでのステップにより、受信装置202が送信装置201の正当性をチェックする片方向認証が可能となる。さらに相互認証を行う場合には、受信装置202は測定結果に関するデータxを、古典通信路220を用いて送信装置201に送信する(S213)。   The steps so far enable one-way authentication in which the receiving apparatus 202 checks the validity of the transmitting apparatus 201. When performing mutual authentication, the receiving device 202 transmits data x related to the measurement result to the transmitting device 201 using the classical communication path 220 (S213).

送信装置201は古典通信路220を用いて送信されたデータxを受信し(S215)、認証用鍵R(203)、S206で生成した乱数r、およびデータxを用いて、受信装置認証用規則に従って受信装置202の正当性をチェックする(S216)。チェック結果がNGならば通信を終了し(S218)、OKならば受信装置202を正当であると判断して相互認証手順を終了し(S217)、その後の通信に移行する。   The transmitting device 201 receives the data x transmitted using the classical communication path 220 (S215), uses the authentication key R (203), the random number r generated in S206, and the data x, and the receiving device authentication rule. Accordingly, the validity of the receiving apparatus 202 is checked (S216). If the check result is NG, the communication is terminated (S218), and if OK, the receiving apparatus 202 is determined to be valid, the mutual authentication procedure is terminated (S217), and the subsequent communication is started.

認証成功後に、上記構成をそのまま利用して、送信装置201から受信装置202への量子鍵配送(例えばBB84プロトコル)を行うことができる。逆の方向で量子鍵配送を行う場合には、送信装置201は、上記に加え、量子検出器を、受信装置202は、量子生成器と乱数生成器を用意すればよい。   After successful authentication, the above configuration can be used as it is to perform quantum key distribution (for example, BB84 protocol) from the transmission apparatus 201 to the reception apparatus 202. When quantum key distribution is performed in the reverse direction, in addition to the above, the transmission device 201 may prepare a quantum detector, and the reception device 202 may prepare a quantum generator and a random number generator.

上記変換規則F(204)として、+系統にはビット0を、×系統にはビット1を割り当てる対応により、ビット列である認証用鍵R(203)、あるいはその一部から光子系統列、すなわち測定器系列を生成するものを選択してもよい。   As the conversion rule F (204), the bit 0 is assigned to the + system and the bit 1 is assigned to the x system, so that the authentication key R (203), which is a bit string, or a part thereof is used as a photon system string, that is, measurement. You may select what produces a device series.

上記変換規則G(207)として、例えば、乱数rをビット列とみなし、送信装置認証用ビット列としてその結合(r||r)を作り、S205で決定した光子系統列と、図1に示す対応付けに基づき、上記(r||r)から光子列を生成する。上述の通り、図1に示す対応は一例であって、この限りではない。   As the conversion rule G (207), for example, the random number r is regarded as a bit string, and the combination (r || r) is created as a bit string for transmitting device authentication, and the photon system string determined in S205 is associated with the correspondence shown in FIG. Based on the above, a photon string is generated from the above (r || r). As described above, the correspondence shown in FIG. 1 is an example and is not limited to this.

このように変換規則Gを決定した場合、チェック規則Hは、まず、S211で得た測定結果と、S210で決定した測定器系列(またはそれに対応する光子系統列)と、図1に示す対応表と、に基づき送信装置認証用ビット列になるはずのビット列sを復元するものとする。さらに、送信装置認証用ビット列の生成に用いた上記結合に対応して、sの前半ビット列と後半ビット列が一致する場合にOKを、しない場合にNGを出力するものとする。   When the conversion rule G is determined in this way, the check rule H is first obtained from the measurement result obtained in S211, the measuring instrument sequence determined in S210 (or the corresponding photon system string), and the correspondence table shown in FIG. Based on the above, the bit string s that should be the bit string for transmitting device authentication is restored. Further, in response to the above-described combination used for generating the bit string for transmitting apparatus authentication, OK is output when the first half bit string and the second half bit string of s match, and NG is output when it does not.

また、OKの場合、S213で送信するデータxはsの前半ビット列とする。   If OK, the data x transmitted in S213 is the first half bit string of s.

S216の受信装置202の正当性チェックステップでは、s=rが成り立てばOKを、成り立たない場合はNGを出力するものとする。   In the validity checking step of the receiving apparatus 202 in S216, it is assumed that OK is output if s = r holds, and NG is output if it does not hold.

上記手順を具体例を用いて説明する。   The above procedure will be described using a specific example.

認証用鍵R(203)が長さ6のビット列「100110」の場合、例示した上記変換規則F(204)により、S205で生成される光子系統列は「×++××+」となる。   When the authentication key R (203) is a bit string “100110” having a length of 6, the photon system string generated in S205 is “× ++ xxx” according to the above-described conversion rule F (204).

S206で生成された乱数rが「101」であったとすると、例示した上記変換規則G(207)により、S208において、まず結合「101101」が作られ、図1の対応表に従い、「135度、0度、90度、135度、45度、90度」の光子列が決定される。   Assuming that the random number r generated in S206 is “101”, the above-described conversion rule G (207) first creates a combination “101101” in S208, according to the correspondence table of FIG. Photon sequences of “0 degree, 90 degree, 135 degree, 45 degree, 90 degree” are determined.

S209で、送信装置201は上記光子列を量子通信路219を用いて受信装置202に送信する。   In step S209, the transmission apparatus 201 transmits the photon sequence to the reception apparatus 202 using the quantum communication path 219.

受信装置202は認証用鍵R(203)「100110」から、上記変換規則F(204)により、S210で測定器系列「×++××+」を決定する。   The receiving apparatus 202 determines the measuring instrument series “× ++ xxx” in S210 from the authentication key R (203) “100110” according to the conversion rule F (204).

S211での受信装置202による測定結果は、送信装置201、受信装置202が正当(両方とも正しい認証用鍵R(203)を持つ)であり、盗聴者が居なかった場合は、送信した光子列と同じ「135度、0度、90度、135度、45度、90度」となる。   The measurement result by the reception device 202 in S211 shows that the transmission device 201 and the reception device 202 are valid (both have the correct authentication key R (203)), and if there is no eavesdropper, the transmitted photon sequence Is the same as “135 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 135 degrees, 45 degrees, 90 degrees”.

受信装置202はこれをチェック規則Hに従い、まず、図1の対応表に従って、ビット列s「101101」に変換し、次にビット列sの前半ビット列「101」と後半ビット列「101」が一致することを確認し、ここまでのステップで送信装置201の正当性を確認する(S212)。   The receiving device 202 converts this to the bit string s “101101” according to the check rule H, first according to the correspondence table of FIG. 1, and then confirms that the first half bit string “101” and the second half bit string “101” of the bit string s match. Confirmation is performed, and the validity of the transmission apparatus 201 is confirmed through the steps so far (S212).

さらにS213で、受信装置202はビット列sの前半ビット列(=後半ビット列)の「101」をデータxとして送信装置201に古典通信路220を用いて送信する(S213)。   Further, in S213, the receiving apparatus 202 transmits “101” of the first half bit string (= second half bit string) of the bit string s as data x to the transmitting apparatus 201 using the classical communication path 220 (S213).

送信装置201は送られてきたデータx=「101」と、S206で生成した乱数r=「101」が一致することを確認し、受信装置202の正当性を受理する(S216)。   The transmitting apparatus 201 confirms that the transmitted data x = “101” matches the random number r = “101” generated in S206, and accepts the validity of the receiving apparatus 202 (S216).

上記具体例では、説明のため短い鍵長で説明したが、実際には鍵長は数百ビットであることが望ましい。   In the above specific example, the short key length has been described for the sake of explanation. However, in practice, the key length is preferably several hundred bits.

量子通信路219において、ノイズが多く、送信した光子のいくつかが届かない場合や、偏光状態が変化してしまう場合には、変換規則Gとして、(r||r)のi番目のビットに対し、認証用鍵R(203)からある固定長の光子列を生成し、これらを結合して光子列を生成するもの(これをG’という)を選択してもよい。   In the quantum channel 219, if some of the transmitted photons do not reach or the polarization state changes, the conversion rule G is set to the i-th bit of (r || r). On the other hand, a photon sequence having a fixed length may be generated from the authentication key R (203) and combined to generate a photon sequence (referred to as G ′).

この変換規則G'は、(r||r)の各ビットを、より冗長な光子列に変換させる変換規則であり、いくつかの光子がノイズの影響を受けて、受信できなかったり、状態が変化したりしても、他の冗長部分から(r||r)の各ビットを復元できるよう工夫したものである。   This conversion rule G ′ is a conversion rule that converts each bit of (r || r) into a more redundant photon sequence. Some photons are affected by noise and cannot be received or the state is changed. Even if it is changed, each bit of (r || r) can be restored from other redundant parts.

このように変換規則G'を決定した場合、チェック規則Hは、S211で得た測定結果と、S210で決定した測定器の型(またはそれに対応する光子系統)と、図1に示す対応表と、に基づき、ビット列sを生成し、これを固定長のブロックに分割して、i番目のブロックに対し、認証用鍵R(203)とiから、ビット0、または1を、Gの光子列の生成方法に依存した方法で決定し、これらを結合してビット列tを生成、tの前半ビット列と後半ビット列が一致する場合にOKを、しない場合にNGを出力するものとする。   When the conversion rule G ′ is determined in this way, the check rule H includes the measurement result obtained in S211, the type of measuring instrument determined in S210 (or the corresponding photon system), and the correspondence table shown in FIG. Based on, a bit string s is generated and divided into fixed-length blocks, and for the i-th block, bits 0 or 1 are obtained from the authentication key R (203) and i, and the G photon string The bit string t is generated by combining them and generated, and OK is output when the first half bit string and the second half bit string of t match, and NG is output when not.

上記のノイズ対策用の変換規則G'において、具体的に、
(r||r)のi番目のビットbiと、認証用鍵R(203)に対して、
RはR=R11||R21||...||Ri1||Ri2||...のように分割されているとし、Ri1から変換規則F(204)によって光子系統列Piを決定し、
Ri2をハッシュ関数hに入力し、その出力ビット列hiに対し、biが0ならばh'i=hi、biが1ならばその反転ビット列をh'iとし、h'iと、Piから図1に示す対応により光子列を生成するも(これをG''という)のを選択することもできる。
In the conversion rule G ′ for noise suppression above, specifically,
For the i-th bit bi of (r || r) and the authentication key R (203),
Assume that R is divided as R = R11 || R21 || ... Ri1 || Ri2 || ..., the photon system sequence Pi is determined from Ri1 by the conversion rule F (204),
Ri2 is input to the hash function h, and for the output bit string hi, if bi is 0, h'i = hi, if bi is 1, the inverted bit string is h'i, and from h'i and Pi, FIG. It is possible to select a photon sequence (this is called G ″) by the correspondence shown in FIG.

この変換規則G''を決定した場合、チェック規則Hは、S211で得た測定結果をブロック分割し、i番目のブロックに対し、変換規則G''の内部手順と同様に生成したハッシュ値hiとの比較で、一致箇所が不一致箇所より多い場合にはビット0を、そうでない場合にはビット1を生成し、これらを結合したビット列Yを生成、その前半ビット列と後半ビット列が一致するならばOKを、そうでないならNGを出力するものとする。   When this conversion rule G '' is determined, the check rule H divides the measurement result obtained in S211 into blocks, and generates a hash value hi generated for the i-th block in the same manner as the internal procedure of the conversion rule G ''. If the number of matching points is greater than the number of unmatching points, bit 0 is generated. Otherwise, bit 1 is generated, and a bit string Y is generated by combining these. If the first half bit string and the second half bit string match, Output OK, otherwise output NG.

S206で生成する乱数rの代わりに、送信装置201が任意に選択したビット列xを用い、受信装置202はS212のチェックでOKの場合、S213でデータを送信せず、そのデータから送信装置の送信したデータxを取り出して通信を終了することで、送信装置と受信装置の間でデータxを安全に送信する暗号通信が可能である。   If the bit string x arbitrarily selected by the transmission device 201 is used instead of the random number r generated in S206, and the reception device 202 is OK in the check of S212, the data is not transmitted in S213, and the transmission device transmits data from that data. The encrypted data x can be safely transmitted between the transmitting device and the receiving device by extracting the data x and terminating the communication.

具体的には、ノイズ対策用の変換規則G''を用いた場合には、対応する変換規則Hによるチェック後、OKの場合に、生成したビット列Yの前半ビット列を送信装置201が送信したデータxであるとみなすことにより暗号通信が可能となる。   Specifically, when the conversion rule G '' for noise suppression is used, the data transmitted by the transmission apparatus 201 in the first half bit string of the generated bit string Y in the case of OK after checking with the corresponding conversion rule H Cryptographic communication is possible by regarding x.

図3は図2の手順を実施する場合の装置構成図である。   FIG. 3 is an apparatus configuration diagram when the procedure of FIG. 2 is performed.

図2に示す送信装置201は、光子生成送信装置(301)とそれに接続された計算装置(308)で構成され、図2に示す受信装置202は、光子受信測定装置(302)とそれに接続された計算装置(309)で構成される。   The transmission device 201 shown in FIG. 2 includes a photon generation transmission device (301) and a calculation device (308) connected thereto, and the reception device 202 shown in FIG. 2 is connected to the photon reception measurement device (302). The computer (309).

光子生成送信装置(301)は光子生成器(304)と、コントローラ(305)を装備し、光子受信測定装置(302)は光子測定器(306)と、コントローラ(307)を装備している。   The photon generation / transmission device (301) includes a photon generator (304) and a controller (305), and the photon reception measurement device (302) includes a photon measurement device (306) and a controller (307).

光子生成送信装置(301)に接続された計算装置(308)は内部に、CPU(310)、記憶部(313)および、光子生成送信装置(301)とのインターフェース(311)、古典通信路(220)とのインターフェース(312)を装備し、記憶部(313)には量子認証用のプログラム(314)と、認証用鍵R(203)が記憶されている。さらに計算装置(308)は、乱数生成器(319)と接続されている。   The calculation device (308) connected to the photon generation / transmission device (301) includes a CPU (310), a storage unit (313), an interface (311) with the photon generation / transmission device (301), a classical communication path ( 220), and a storage unit (313) stores a quantum authentication program (314) and an authentication key R (203). Further, the computing device (308) is connected to a random number generator (319).

光子受信測定装置(302)に接続された計算装置(309)内部に、CPU(310)、記憶部(313)および、光子受信測定装置(302)とのインターフェース(311)、古典通信路(220)とのインターフェース(312)を装備し、記憶部(313)には量子認証用のプログラム(316)と、認証用鍵R(203)が記憶されている。   Inside the calculation device (309) connected to the photon reception measurement device (302), the CPU (310), the storage unit (313), the interface (311) with the photon reception measurement device (302), the classical communication path (220 ) And an authentication key R (203) are stored in the storage unit (313).

本実施例による相互認証を、図2に示す手順で行う場合、光子生成送信装置(201)に接続された計算装置(308)の記憶部(313)に記憶されたプログラム(314)には上記変換規則G、および受信装置(202)の正当性チェック(216)を行うプログラムが含まれており、手順に応じて呼び出され、CPU(310)により実行される。   When the mutual authentication according to the present embodiment is performed according to the procedure shown in FIG. 2, the program (314) stored in the storage unit (313) of the computing device (308) connected to the photon generating / transmitting device (201) A program for performing the conversion rule G and the validity check (216) of the receiving device (202) is included, and is called according to the procedure and executed by the CPU (310).

光子受信測定装置(202)に接続された計算装置(309)の記憶部(313)に記憶されたプログラム(316)には上記チェック規則Hを行うプログラムが含まれており、手順に応じて呼び出され、CPU(310)により実行される。   The program (316) stored in the storage unit (313) of the calculation device (309) connected to the photon reception measurement device (202) includes a program for performing the above check rule H, and is called according to the procedure. And executed by the CPU (310).

計算装置(308、309)の記憶部(313)は、記憶されている認証用鍵R(203)が第三者に漏洩しないよう、耐タンパ処理を施すことが望ましい。   The storage unit (313) of the computing devices (308, 309) is preferably subjected to tamper-proof processing so that the stored authentication key R (203) does not leak to a third party.

以上説明したように、本実施例によれば、複数の量子鍵配送装置が混在する状況で、鍵配送を行う前に本実施例による相互認証を行うことで、不正な送受信装置によるなりすましや、その後の暗号通信での通信内容漏洩を高い安全性で防ぐことができる。   As described above, according to the present embodiment, in a situation where a plurality of quantum key distribution devices coexist, by performing mutual authentication according to the present embodiment before performing key distribution, impersonation by an unauthorized transmission / reception device, It is possible to prevent leakage of communication contents in subsequent encrypted communication with high security.

したがって、量子鍵配送と組み合わせても、全体的な安全性が計算量的安全性を真に上回ることが可能となる。   Therefore, even when combined with quantum key distribution, the overall security can truly exceed the computational security.

ビット値、光子系統と光子偏光との対応表である。It is a correspondence table of bit values, photon systems, and photon polarization. 送信装置と受信装置が相互認証を行う手順の一例である。It is an example of a procedure in which a transmission device and a reception device perform mutual authentication. 図2の手順を実施する場合の装置構成例である。FIG. 3 is an example of a device configuration when the procedure of FIG. 2 is performed. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

201:送信装置、202:受信装置、301:光子生成送信装置、302:光子受信測定装置、303:量子通信路、308:計算装置、309:計算装置、317:古典通信路、319:乱数生成器。
201: Transmitter, 202: Receiver, 301: Photon generator / transmitter, 302: Photon reception and measurement device, 303: Quantum channel, 308: Calculator, 309: Calculator, 317: Classical channel, 319: Random number generator vessel.

Claims (8)

量子の、二種類の二値物理量に対応した四種類の量子状態を利用して、送信装置と受信装置とが行う、量子通信における相互認証方法であって、
前記送信装置と前記受信装置は、
認証用鍵Rと、
前記二値物理量における二つの状態とビット値との対応を、二種類の二値物理量それぞれについて定めた対応表と、
入力ビット列から、対応する前記物理量の種類の系列を生成する変換規則Fを共有し、
前記送信装置は、
前記変換規則Fに従って、前記認証用鍵Rを入力として前記物理量の種類の系列を生成し、
乱数rを生成し、
送信装置認証用量子列生成規則に従って、前記乱数rから送信装置認証用ビット列を生成し、前記送信装置認証用ビット列と前記物理量の種類の系列とから、前記対応表に従って、前記量子状態の系列である量子列を生成し、
生成した前記量子列を、量子通信路を用いて、前記受信装置へ送信し、
前記受信装置は、
前記変換規則Fに従って、前記認証用鍵Rを入力として前記物理量の種類の系列を生成し、
生成した前記系列が示す物理量の種類に対応する測定器により、前記量子列を測定し、
前記対応表に従って、前記測定結果を前記送信装置認証用ビット列に変換し、
前記送信装置認証用ビット列を、送信装置認証用規則に従って検査することにより、前記送信装置の正当性を検証し、
前記送信装置を認証した場合に、前記送信装置認証用ビット列から、受信装置認証用ビット列生成規則に従って、受信装置認証用ビット列を生成し、
前記受信装置認証用ビット列を、古典通信路を用いて、前記送信装置へ送信し、
前記送信装置は、前記受信装置認証用ビット列を、受信装置認証用規則に従って検査することにより、前記送信装置を認証する
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証方法。
A mutual authentication method in quantum communication performed by a transmitter and a receiver using four types of quantum states corresponding to two types of binary physical quantities of quantum,
The transmitting device and the receiving device are:
An authentication key R,
A correspondence table that defines the correspondence between the two states in the binary physical quantity and the bit value for each of the two types of binary physical quantities;
Sharing a conversion rule F that generates a sequence of the corresponding physical quantity type from the input bit string,
The transmitter is
According to the conversion rule F, the authentication key R is input to generate the physical quantity type sequence,
Generate a random number r
In accordance with a transmission device authentication quantum string generation rule, a transmission device authentication bit string is generated from the random number r, and from the transmission device authentication bit string and the physical quantity type sequence, in the quantum state sequence according to the correspondence table Generate a quantum sequence,
The generated quantum string is transmitted to the receiving device using a quantum communication path,
The receiving device is:
According to the conversion rule F, the authentication key R is input to generate the physical quantity type sequence,
The quantum string is measured by a measuring device corresponding to the type of physical quantity indicated by the generated sequence,
According to the correspondence table, the measurement result is converted into the transmission device authentication bit string,
By verifying the transmitting device authentication bit string according to the transmitting device authentication rules, the validity of the transmitting device is verified,
When authenticating the transmitting device, from the transmitting device authentication bit string, according to a receiving device authentication bit string generation rule, generate a receiving device authentication bit string,
The receiving device authentication bit string is transmitted to the transmitting device using a classical communication path,
The mutual authentication method using quantum communication, wherein the transmitting device authenticates the transmitting device by inspecting the receiving device authentication bit string according to a receiving device authentication rule.
請求項1に記載の、量子通信を用いた相互認証方法において、
前記変換規則Fは、ビット0に対し前記物理量の種類Aを、ビット1に対し前記物理量の種類Bを対応させる関数であり、
前記送信装置認証用量子列生成規則は、入力ビット列xを結合したx||xを前記送信装置認証用ビット列とし、前記送信装置認証用ビット列と前記物理量の種類の系列とから、前記対応表に従って、前記量子状態の系列である量子列を生成するものであり、
前記送信装置認証用規則は、前記送信装置認証用ビット列の前半ビット列と後半ビット列が一致するならば、前記送信装置を認証するものであり、
前記受信装置認証用ビット列生成規則は、前記送信装置認証用ビット列の前半ビット列または後半ビット列を、前記受信装置認証用ビット列とするものであり、
前記受信装置認証用規則は、前記受信装置認証用ビット列が前記乱数rと一致するならば、前記受信装置を認証するものである
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証方法。
The mutual authentication method using quantum communication according to claim 1,
The conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with bit 0 and the physical quantity type B with bit 1.
The transmission device authentication quantum string generation rule uses x || x combined with the input bit string x as the transmission device authentication bit string, and from the transmission device authentication bit string and the physical quantity type sequence according to the correspondence table. , Generating a quantum string that is a sequence of the quantum states,
The transmission device authentication rule is to authenticate the transmission device if the first half bit string and the second half bit string of the transmission device authentication bit string match,
The receiving device authentication bit string generation rule is such that the first half bit string or the second half bit string of the transmitting apparatus authentication bit string is the receiving apparatus authentication bit string,
The mutual authentication method using quantum communication, wherein the receiving device authentication rule authenticates the receiving device if the receiving device authentication bit string matches the random number r.
請求項1に記載の量子通信を用いた相互認証方法において、
前記変換規則Fは、ビット0に対し前記物理量の種類Aを、ビット1に対し前記物理量の種類Bを対応させる関数であり、
前記送信装置認証用量子列生成規則は、二つのビット列x、yと、物理量の系列Pが入力されたとき、yの結合(y||y)のi番目のビットに対し、それとxとP、およびiに依存した、固定長nの量子列を生成し、(y||y)のすべてのビットに対して生成された量子列を結合した量子列を出力するものであり、
前記送信装置認証用規則は、請求項1に記載の受信装置が生成するビット列sに対して、sをnビットのブロックに分割し、各i番目のブロックに対し、xとP、およびiを用いて、ビット0、1を特定することによりビット列Yを生成し、Yの前半ビット列と後半ビット列が一致するならば前記送信装置を認証するものであり、
前記受信装置認証用ビット列生成規則は、前記ビット列Yの前半ビット列または後半ビット列を、前記受信装置認証用ビット列とするものである
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証方法。
In the mutual authentication method using quantum communication according to claim 1,
The conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with bit 0 and the physical quantity type B with bit 1.
When the transmission apparatus authentication quantum string generation rule is input with two bit strings x and y and a physical quantity sequence P, x and P are added to the i-th bit of the combination (y || y) of y. , And i, a fixed-length n quantum string is generated, and a quantum string obtained by combining the generated quantum strings for all bits of (y || y) is output.
The transmitting device authentication rule divides s into n-bit blocks for the bit string s generated by the receiving device according to claim 1, and sets x, P, and i for each i-th block. And generating a bit string Y by specifying bits 0 and 1, and authenticating the transmitting device if the first half bit string and the second half bit string of Y match,
The mutual authentication method using quantum communication, wherein the reception device authentication bit string generation rule is such that the first half bit string or the second half bit string of the bit string Y is the reception device authentication bit string.
請求項3に記載の量子通信を用いた相互認証方法において、
前記送信装置は、前記乱数rの代わりに、前記入力ビット列xを用い、
前記受信装置は、前記送信装置認証用量子列生成規則と、前記送信装置認証用規則と、を用いて、前記送信装置を認証した場合に、前記ビット列Yの前半ビット列を送信された前記入力ビット列xとして出力することにより、前記送信装置と、前記入力ビット列xを共有する
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証方法。
In the mutual authentication method using quantum communication according to claim 3,
The transmitting device uses the input bit string x instead of the random number r,
The input device receives the first half bit string of the bit string Y when the receiving apparatus authenticates the transmitting apparatus using the transmitting apparatus authentication quantum string generation rule and the transmitting apparatus authentication rule. A mutual authentication method using quantum communication, characterized in that the input bit string x is shared with the transmitting device by outputting as x.
古典通信路と量子通信路とで接続された送信装置と受信装置とからなり、前記送信装置と前記受信装置とが、量子の、二種類の二値物理量に対応した四種類の量子状態を利用して相互認証を行う、量子通信を用いた相互認証システムであって、
前記送信装置と前記受信装置は、
認証用鍵Rと、
前記二値物理量における二つの状態とビット値との対応を、二種類の二値物理量それぞれについて定めた対応表と、
入力ビット列から、対応する前記物理量の種類の系列を生成する変換規則Fを共有し、
前記送信装置は、
前記変換規則Fに従って、前記認証用鍵Rを入力として前記物理量の種類の系列を生成する手段と、
乱数rを生成する手段と、
送信装置認証用量子列生成規則に従って、前記乱数rから送信装置認証用ビット列を生成し、前記送信装置認証用ビット列と前記物理量の種類の系列とから、前記対応表に従って、前記量子状態の系列である量子列を生成する手段と、
生成した前記量子列を、前記量子通信路を用いて、前記受信装置へ送信する手段と、を備え、
前記受信装置は、
前記変換規則Fに従って、前記認証用鍵Rを入力として前記物理量の種類の系列を生成する手段と、
生成した前記系列が示す物理量の種類に対応する測定器により、前記量子列を測定する手段と、
前記対応表に従って、前記測定結果を前記送信装置認証用ビット列に変換する手段と、
前記送信装置認証用ビット列を、送信装置認証用規則に従って検査することにより、前記送信装置の正当性を検証する手段と、
前記送信装置を認証した場合に、前記送信装置認証用ビット列から、受信装置認証用ビット列生成規則に従って、受信装置認証用ビット列を生成する手段と、
前記受信装置認証用ビット列を、前記古典通信路を用いて、前記送信装置へ送信する手段と、
前記送信装置は、前記受信装置認証用ビット列を、受信装置認証用規則に従って検査することにより、前記送信装置を認証する手段と、を備える
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証システム。
It consists of a transmitter and a receiver connected by a classical channel and a quantum channel, and the transmitter and the receiver use four types of quantum states corresponding to two types of binary physical quantities. A mutual authentication system using quantum communication that performs mutual authentication,
The transmitting device and the receiving device are:
An authentication key R,
A correspondence table that defines the correspondence between the two states in the binary physical quantity and the bit value for each of the two types of binary physical quantities;
Sharing a conversion rule F that generates a sequence of the corresponding physical quantity type from the input bit string,
The transmitter is
In accordance with the conversion rule F, means for generating the physical quantity type sequence with the authentication key R as an input;
Means for generating a random number r;
In accordance with a transmission device authentication quantum string generation rule, a transmission device authentication bit string is generated from the random number r, and from the transmission device authentication bit string and the physical quantity type sequence, in the quantum state sequence according to the correspondence table Means for generating a quantum sequence;
Means for transmitting the generated quantum sequence to the receiving device using the quantum communication path;
The receiving device is:
In accordance with the conversion rule F, means for generating the physical quantity type sequence with the authentication key R as an input;
Means for measuring the quantum string by a measuring device corresponding to the type of physical quantity indicated by the generated sequence;
Means for converting the measurement result into the transmission device authentication bit string according to the correspondence table;
Means for verifying the authenticity of the transmitting device by inspecting the transmitting device authentication bit string in accordance with the rules for transmitting device authentication;
Means for generating a receiving device authentication bit string from the transmitting device authentication bit string according to a receiving device authentication bit string generation rule when the transmitting device is authenticated;
Means for transmitting the receiving device authentication bit string to the transmitting device using the classical communication path;
A mutual authentication system using quantum communication, comprising: means for authenticating the transmitting device by inspecting the receiving device authentication bit string in accordance with a receiving device authentication rule.
請求項5に記載の、量子通信を用いた相互認証システムにおいて、
前記変換規則Fは、ビット0に対し前記物理量の種類Aを、ビット1に対し前記物理量の種類Bを対応させる関数であり、
前記送信装置認証用量子列生成規則は、入力ビット列xを結合したx||xを前記送信装置認証用ビット列とし、前記送信装置認証用ビット列と前記物理量の種類の系列とから、前記対応表に従って、前記量子状態の系列である量子列を生成するものであり、
前記送信装置認証用規則は、前記送信装置認証用ビット列の前半ビット列と後半ビット列が一致するならば、前記送信装置を認証するものであり、
前記受信装置認証用ビット列生成規則は、前記送信装置認証用ビット列の前半ビット列または後半ビット列を、前記受信装置認証用ビット列とするものであり、
前記受信装置認証用規則は、前記受信装置認証用ビット列が前記乱数rと一致するならば、前記受信装置を認証するものである
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証システム。
The mutual authentication system using quantum communication according to claim 5,
The conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with bit 0 and the physical quantity type B with bit 1.
The transmission device authentication quantum string generation rule uses x || x combined with the input bit string x as the transmission device authentication bit string, and from the transmission device authentication bit string and the physical quantity type sequence according to the correspondence table. , Generating a quantum string that is a sequence of the quantum states,
The transmission device authentication rule is to authenticate the transmission device if the first half bit string and the second half bit string of the transmission device authentication bit string match,
The receiving device authentication bit string generation rule is such that the first half bit string or the second half bit string of the transmitting apparatus authentication bit string is the receiving apparatus authentication bit string,
The mutual authentication system using quantum communication, wherein the receiving device authentication rule authenticates the receiving device if the receiving device authentication bit string matches the random number r.
請求項5に記載の量子通信を用いた相互認証システムにおいて、
前記変換規則Fは、ビット0に対し前記物理量の種類Aを、ビット1に対し前記物理量の種類Bを対応させる関数であり、
前記送信装置認証用量子列生成規則は、二つのビット列x、yと、物理量の系列Pが入力されたとき、yの結合(y||y)のi番目のビットに対し、それとxとP、およびiに依存した、固定長nの量子列を生成し、(y||y)のすべてのビットに対して生成された量子列を結合した量子列を出力するものであり、
前記送信装置認証用規則は、請求項1に記載の受信装置が生成するビット列sに対して、sをnビットのブロックに分割し、各i番目のブロックに対し、xとP、およびiを用いて、ビット0、1を特定することによりビット列Yを生成し、Yの前半ビット列と後半ビット列が一致するならば前記送信装置を認証するものであり、
前記受信装置認証用ビット列生成規則は、前記ビット列Yの前半ビット列または後半ビット列を、前記受信装置認証用ビット列とするものである
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証システム。
In the mutual authentication system using quantum communication according to claim 5,
The conversion rule F is a function that associates the physical quantity type A with bit 0 and the physical quantity type B with bit 1.
When the transmission apparatus authentication quantum string generation rule is input with two bit strings x and y and a physical quantity sequence P, x and P are added to the i-th bit of the combination (y || y) of y. , And i, a fixed-length n quantum string is generated, and a quantum string obtained by combining the generated quantum strings for all bits of (y || y) is output.
The transmitting device authentication rule divides s into n-bit blocks for the bit string s generated by the receiving device according to claim 1, and sets x, P, and i for each i-th block. And generating a bit string Y by specifying bits 0 and 1, and authenticating the transmitting device if the first half bit string and the second half bit string of Y match,
The mutual authentication system using quantum communication, wherein the reception device authentication bit string generation rule is that the first half bit string or the second half bit string of the bit string Y is the reception device authentication bit string.
請求項7に記載の量子通信を用いた相互認証システムにおいて、
前記送信装置は、前記乱数rの代わりに、前記入力ビット列xを用い、
前記受信装置は、前記送信装置認証用量子列生成規則と、前記送信装置認証用規則と、を用いて、前記送信装置を認証した場合に、前記ビット列Yの前半ビット列を送信された前記入力ビット列xとして出力することにより、前記送信装置と、前記入力ビット列xを共有する手段を備える
ことを特徴とする量子通信を用いた相互認証システム。
The mutual authentication system using quantum communication according to claim 7,
The transmitting device uses the input bit string x instead of the random number r,
The input device receives the first half bit string of the bit string Y when the receiving apparatus authenticates the transmitting apparatus using the transmitting apparatus authentication quantum string generation rule and the transmitting apparatus authentication rule. A mutual authentication system using quantum communication, comprising means for sharing the input bit string x with the transmission device by outputting as x.
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