JPH08505019A - 量子暗号を使用したキー分配用システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 通信方法は信号のエンコードとデコードをするために量子暗号を使用する。キーは量子チャンネル上で分配され、情報はキーが傍受されているか否かを決定するため公共チャンネル上で送信機（１）と受信機（２）との間でそれと続いて通信する。共通の伝送媒体（３）は量子チャンネルと公共チャンネル用に使用される。較正信号は量子チャンネル上でキーを結果的に送信するためのシステムを較正するように共通の伝送媒体上の公共チャンネルで送信される。伝送媒体は光ファイバであってもよく、送信機は量子チャンネルと公共チャンネルとをそれぞれ与えるため単一光子の出力と多重光子の出力との間で切換えられてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 量子暗号を使用したキー分配用システムおよび方法 技術分野 本発明は暗号データを通信するシステム、特に量子暗号方式として知られてい る技術に関する。 量子暗号方式では、権限を与えられていても与えられていなくてもデータは送 信機でエンコードされ、システムの全ての使用者に自由に利用できると想定され るいくつかの特定されたアルゴリズムを使用して受信機でデコードされる。シス テムの秘密性は権限を与えられた使用者のみに利用可能なアルゴリズムに対する キーに依存する。結局、キーは秘密量子チャンネルにわたって分配される。送信 機と受信機は送信されたデータと受信されたデータを比較するため公共チャンネ ルとして知られる別のチャンネル上で通信する。送信されるキーを傍受する盗聴 器の存在により検出されることができる受信データの統計値に変化が生じる。従 って、データの統計値のこのような変化がなければキーは安全であることが知ら れる。 通常、量子暗号方式を使用した通信システムは以下のステップを含んでいる。 （ａ）異なった交換されていない量子機械オペレータに対応する複数のコード 化アルファベットの１つをランダムに選択し、選択されたオペレータを使用して 量子チャンネル上で送信するための信号をエンコードし、 （ｂ）異なった量子機械オペレータの１つをランダムに選択し、ステップ（ａ ）で送信された信号を検出するためにこのオペレータを使用し、 （ｃ）後続する多数の信号のそれぞれに対してステップ（ａ）および（ｂ）を 反復し、 （ｄ）送信信号が共通のオペレータが送信および検出のために選択されるかを 決定するため送信機と受信機の間で暗号アルファベットを別々に通信し、 （ｅ）盗聴器の存在により生じる不一致を検出するため送信された信号とステ ップ（ａ）と（ｂ）で検出される信号とを比較し、 （ｆ）ステップ（ｅ）で盗聴器が検出されない場合、続いての送信の暗号／解 読のためのキーとしてステップ（ａ）と（ｂ）で送信された少なくとも幾つかの データを使用する。 発明の要約 本発明によると、量子暗号方式を使用する通信方法は量子チャンネルと公共チ ャンネルが共通の伝送媒体上で送信され、較正信号が量子チャンネル上のキーの 伝送用のシステムを較正するために公共チャンネル上で送信されることを特徴と する。 従来、異なった伝送媒体が通常公共チャンネルと量子チャンネル用に使用され ている。量子チャンネルは典型的に光ファイバリンク上で伝送され、公共チャン ネルでは標準的な電話通信リンクが典型的に使用されている。対称的に、本発明 は共通の伝送媒体を使用し、量子チャンネル上の次の送信の 前にシステムを較正するために公共チャンネル上の伝送を使用することにより顕 著な効果を達成する。例えば較正ステップは送信機から受信機までの伝送媒体を 横切って偏光、位相またはタイミングにおけるシフトの影響に対抗するために使 用されることができる。これは他の方法で可能な距離よりもさらに遠距離まで量 子チャンネルを効率的に維持することを可能にする。 好ましくはシステムの較正ステップは公共チャンネル上で通信する信号の位相 および／または偏光と、予め定められた値の位相および／または偏光とを比較し 、送信機と受信機の位相または偏光との予め定められた関係を生成するために伝 送媒体と一直線に接続された位相または偏光補償手段を制御することを含んでい る。 較正ステップは好ましくは、量子チャンネル上で送信されたキーのそれに続く デコード用のタイミング情報を与えるため公共チャンネル上で送信機から受信機 へクロックを送信することを含む。 好ましくは伝送システムは光ファイバリンクを具備し、公共チャンネルは多重 光子の光信号でエンコードされ、量子チャンネルは単一光子の光信号でエンコー ドされる。 好ましくは別々のソース出力が多重光子と単一光子用に使用され、送信機は異 なった出力の間で切換えられる。好ましくは単一光子および多重光子出力は共通 のソースから得られる。 本発明の第２の観点によると、量子暗号方式を使用する通 信方法が与えられており、量子チャンネルと公共チャンネルは共通の伝送媒体上 で伝送され、クロック信号は量子チャンネル上で送信されたキーの後続したデコ ード用のタイミング信号を与えるため送信機から受信機へ公共チャンネル上で送 信されることを特徴とする。 本発明はまた本発明の第１または第２の観点に応じた方法により使用に適した 通信システムを含んでいる。 図面の説明 本発明によるシステムの実施例を添付図面を参照にして例によりさらに詳細に 説明する。 図１は本発明の例示の実施例で使用される単一光子のマッハツェンダ干渉計の 概略図であり、相対的な位相シフトの関数として示されている２つの出力腕の光 子伝送の確率Ｔは送信機および受信機の位相変調器により設定される。 図２は時分割用に修正された図１の干渉計を示している。 図３のａとｂは図２の干渉計のタイミング図である。 図４はファイバベースの公共／量子チャンネル通信システムを示した図である 。 図５は単一光子源を示している。 図６は本発明を実施した多重アクセスネットワークを示している。 図７は本発明を実施したリングネットワークを示している。 実施例の説明 通信システムは送信機１、受信機２、送信機と受信機を結合する伝送媒体３と を具備している。本発明の例では伝送媒 体３は光伝送ファイバである。 図４を参照すると、送信機１は例えばＤＦＢレーザのようなパルス半導体レー ザを含んでいる。適切な装置の１例は１２９０乃至１３３０ｎｍで５ｍＷの光パ ワーで動作する日立シリーズのＨＬ１３６１ ＤＦＢレーザダイオードである。 使用において、レーザからの光信号は暗号データにより変調される。信号は伝送 ファイバ３に出力され、続いて受信機２で検出される。 本発明の実施例では、データはベネットブラサードプロトコールを使用して暗 号化される。この方式はC．H．Bennett，G．Brassard，S．Breidbart，S．Wiesn erによる文献（“Advances in Cryptology：Proceedings of Crypto′82”（Ple num、ニューヨーク、1983年）；C．H．Bennett，G，Brassard、IBM Technical D isclosure Bulletin，28 3153´1985年）に記載されている。特にこの例は文献 （C．H．Bennett，Phys．Review Lett.，68 3121（1992年））に記載されている ようにベネットの干渉計部分のプロトコールを使用している。 量子チャンネルは単一光子のマッハツェンダ干渉計に基づいており、この一般 的な形態が図１に示されている。送信機では個々の光子が異なった整数の位相シ フト（例えば０およびπラジアン）または異なった半数位相シフト（例えばπ／ ２および３π／２ラジアン）に対応する異なったエンコードアルファベットの間 でランダムに切換えられる位相変調器を通過する。相補型構造は受信機において 使用され、整数（即ち０ラジアンに設定された位相）または半数位相シフト（即 ちπ／２ラジアンに設定された位相）のいずれかをデコードするために光子はラ ンダムに切換えられる位相変調器を再度通過する。図１で示されている光子伝送 の確率から分かることは、総位相シフトΔφ（即ち送信機位相シフトマイナス受 信機位相シフト）がπラジアンの多整数であるならば光子は決定的に動作し、値 Δφに応じて干渉計出力ポートの一方または他方で検出される。光子が登録され る実際の出力ポートはキービットが“１”または“０”として解釈されるか否か を決定する。反対に、総位相シフトが例えばπ／２または３π／２であるように 受信機および送信機が異なったタイプの位相シフトを選択する場合、光子は一方 の干渉計出力ポートから放出する確率が５０％で、最終的なビームスプリッタに おいて確率的に動作する。量子の不確定原理のこの効果は、使用する測定の型式 のランダムな選択を盗聴器が行わせられるのでシステムの安全性を基礎としてい る。この過程は必然的に誤った選択になり、これは盗聴器が時折、受信機に誤っ たタイプのビットを送信することになり、従って、検出可能なエラー率を起こす 。量子通信の完了後、個々の測定（即ち０または１が得られる）結果ではなく、 同一のタイプの位相シフトを使用してエンコードされた光子とデコードされた光 子とを比較するために公共チャンネルを使用することによって受信機および送信 機は盗聴器の存在を試験する。この過程は盗聴器誘発エラーを試験するためにこ のデータのランダムなサブセットに対して実際に測定されたビットを比較するこ とにより完了される。何も検出されないならば、チャンネル の合法的な使用者はデータの残りの秘密性が安全であることを確認でき、暗号通 信を確信するキーとして安全に使用されることができる。多数の実際のシステム では通常、未加工のキーのエラー率は盗聴器がなくてもゼロではない。これは例 えばデコード雑音または周波数依存性変調器応答特性等のシステムの不完全によ るものである。この場合、送信機および受信機は文献（C．H．Bennett，J．Cryp tology5,3（1992年））に記載されているようにエラー補正とプライバシー増幅 の付加的なステップを行うために公共チャンネルを使用して通信する。 単一の伝送路の場合に対するこの方式の適切な一般化が図２に示されている。 ここで、標準的なマッハツェンダ干渉計の光子に有効な異なった空間通路が単一 の通路に結合されるが、時間スロット分割により区別可能である。例えば干渉計 への入力は送信機の第１のビームスプリッタにより２つに分離されるパルス流か ら構成される。 これらの２つのパルス流は異なる長さの通路を横切り、従って通路の長さの差 により設定される時間遅延を有する第２のビームスプリッタでインターリーブさ れる。図３のａで示されているように伝送リンクは時間遅延Δｔにより分離され るパルス流の対を伝送する。受信機ではこれらのパルス対は再度２つに分離され 、その一方は送信機の遅延と同一の遅延を受ける。従って、最終的なビームスプ リッタへの入力は図３のｂで示されており、一時的に一致したパルス間の干渉は 量子のキー暗号に対する基礎として使用されることができる。 チャンネルの量子特性と秘密の安全性は伝送ファイバ中のパルスがせいぜい１つ の光子を含んでいることを確実にすることにより得られる。パルスが１以上の光 子を含んでいるならば、盗聴器は、検出不可能な“ビームスプリット”攻撃を行 い、１以上の光子は受信機により検出される妨害されていない少なくとも１つの 光子を離れる各パルスから分離される。 本発明の実施例では、この方式は光ファイバベース形態（図４）で構成され、 量子チャンネルと公共チャンネルとの両者は送信機１を受信機に連結する伝送フ ァイバ３上で送信される。送信機ではパルス半導体レーザ48は光源を与える。レ ーザ48と位相変調器41の変調器駆動装置49はマイクロプロセッサ50により制御さ れる。受信機２は変調器駆動装置52を経て各位相変調器42を制御する固有の局部 制御マイクロプロセッサ54を具備する。受信機制御プロセッサはまた２つの検出 器43,44用の検出器バイアス電源53を制御する。送信機と受信機の両者において 信号路分岐融着ファイバ50／50結合器が使用される。適切な結合器はＰ２Ｓ １ ３ＡＡ５０型としてＳＩＦＡＭから市販されている。 データのエンコードとデコード用の適切な変調器41,42はリチウムニオブ酸塩 または例えば１００ＭＨｚで動作する半導体位相変調器である。適切な単一光子 検出器は例えば文献（B．F．Levine，C．G．BetheaとJ．C．Campbell，Electron ics Letters，20 596（1984年））に記載されているような半導体電子雪崩フォ トダイオードである。これらは逆方向破壊電圧を越えてバイアスされ、文献（RG W Brown，KD Ridley ，JG Rarity；Appl．opt．25 4122（1986年）とAppl．opt．26，2383（1987年） ）に記載されているように受動または能動的クェンチングでガイガーモードで動 作する。キー分配プロトコールは各受信光子が所定のクロック期間と関連され、 それが検出されるＡＰＤに基づいて０または１として識別されることを必要とす る。これらの機能は時間間隔アナライザ45（例えばヒューレット−パッカード社 の53310Ａ）により行われる。この装置の開始信号は各出力に直列に接続されて いる増幅器および弁別装置と、弁別装置（例えばLecroy 612A，812と622）に接 続されている排他的オアゲートとを具備している回路46により処理された後、Ａ ＰＤ出力により与えられる。停止信号は後述するクロック再発生器により与えら れる。検出手順は文献（P．D．Townsend，J．G．RarityとP．R．Tapster，Elect ronic Letters，29,634（1993年）と29,1291（1993年））に記載されている。Ｓ ＰＣＭ−１００−ＰＱ（ＧＥカナダ電子光学社）等のシリコンＡＰＤは４００乃 至１０６０ｎｍ波長範囲で使用されることができ、ＮＤＬ５１０２ＰまたはＮＤ Ｌ５５００Ｐ（ＮＥＣ）等のゲルマニウムまたはＩｎＧａＡｓ装置は１０００乃 至１５５０ｎｍ範囲で使用されることができる。 前述したように、理想的に量子チャンネルはせいぜい１つの光子を含んだパル スを使用する。この状態は１パルス当りの光子の平均数μが約０．１であるよう なレベルに強度を減少するためにレーザ源と一直線で減衰器55を結合することに より近似される。μ＜＜１を有するポアッソンレーザ源では ２以上の光子を有するパルスを得る確率は約μ²／２であり、これはμ＝０．１ では非常に小さい。減衰は従って検出されていないビームスプリットのアタック の可能性を減少するがしかしながら受信ビット速度は本当の単一光子パルスの場 合と比較して１０の係数により減少される。従って、システムの安全性とデータ 速度の間に妥協が存在する。実際に、受信ビット速度を最適化するために単一光 子パルスを発生するようにパラメータ下方向変換を使用することが望ましい。図 ５は単一の光子源に適切な装置を示している。例えば７５０ｎｍにおけるＴｉ： サファイヤのレーザ４はＫＤＰ等の非線型結晶５をポンプするために使用される 。結晶により行われるバラメータ下方向変換は１．５μｍで相関された２つの光 子ビームを発生する。１つのビームの光子は光検出器６により検出され、これは 単一の光子が通過するようにシャッターを開くゲート７をトリガーする。 図４で示されているように、代わりの機械的に切換えられた通路８がレーザか らの出力に対して設けられ、これは減衰器または単一の光子源をバイパスする。 スイッチは例えばＪＤＳ−フィテル社のＳＷ12型であってもよい。これは量子チ ャンネルと同一の波長で公共チャンネルを提供するが、明るい多重光子パルスを 使用する。これらのパルスの大きな強度は単一光子検出器を飽和状態にし、電流 熱効果を導く。これが起きないようにするためにＡＰＤ上の逆バイアスは装置が 標準的なアナログモードで著しく減少された感度で動作するようにブレークダウ ンより充分に下に減少される。代わりに、 ＡＰＤは送信機で使用されるものと類似した電子機械的光スイッチにより、また は電子光スイッチを使用することにより分離されてもよく、これは多重光パルス をｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオード等の付加的な標準検出器に導く。 このチャンネルは単位パルス当り多数の光子で動作するので、本質的に一般的 でありそれ故、盗聴器による攻撃に対して無防備である。このチャンネルはエン コードされたプロトコール用の公共チャンネルを与える。送信機および受信機は エンコード／デコードアルファベットが所定の信号バルスで使用されている情報 を交換するためにこの公共チャンネル上で通信する。このデータに基づいて受信 機で受信された信号の統計はキーが安全に受信されているか否か、または盗聴器 がキー部分を傍受しているか否かを決定するように解析されることができる。 プロトコールのこの公共議論段階上の使用に加えて、公共チャンネルはまた送 信システムの較正にも使用される。例えば５０ｋｍもの長さの長い光ファイバリ ンクにわたって、温度の変動等のファイバ上の回避不可能な環境上の影響は送信 パルスの偏光と位相との両者をゆっくりと時間と共にランダムに変化させる。較 正ステップは後述するようにこれらの変化を補正することを可能にする。 送信機と受信機との間の通信は伝送ファイバ３からの出力偏光を測定するため 公共チャンネルを使用することにより開始される。受信機２の偏光補償装置10（ 例えばＪＤＳ−Ｆｉｔｅｌ ＰＲ２０００）は出力偏光を線形し、これを受信機 の好ましい偏光軸に一致させるためにフィードバックループを経て調節される。 ある場合では、伝送ファイバが偏光を維持する場合、または干渉計部品が偏光に 不感度であるならばこのステップは必要とされない。位相エンコードの場合に対 しては送信機と受信機は干渉計で相対的な位相シフトを較正するため公共チャン ネルを使用する。これを行うためマイクロプロセッサ制御装置は変調駆動装置か らの時間変化信号をオフに切換える。受信機の制御装置は変調駆動装置からのＤ Ｃオフセット電圧を変化することによって、または変調器がＡＣ結合されている ならばＰＺＴベースのファイバの伸長装置などの変調器と一直線に接続されてい る付加的な位相シフト部品により干渉計の位相を設定する。位相シフトはＡＰＤ 信号レベルにより監視され、これは例えば最大化または最小化されてもよい。こ れはシステムの較正を完了する。送信機の光スイッチは低い強度の光源の接続に より量子チャンネルを設けるように設定され、受信機（例えばKeithley 230）の バイアス電源53は単一光子感度を達成するためブレークダウンを越えてＡＰＤを 逆バイアスする。送信機と受信機は秘密の安全な通信を基礎として信号の相対的 な位相変調を使用することができる。ある特性時間の後、システムは再度較正さ れる必要があり、前述のように概論された較正ステップが反復される。キーが量 子チャンネル上で通信された後、公共チャンネルはキー分配プロトコールを完了 するために使用される。このステップは２方向の通信を可能にするために受信機 における付加的な光源と送信機における付加的な検出器（図 ４では示されていない）の使用を必要とする。プロトコールのこの議論段階期間 中に公共チャンネル上で送信されるデータはまたシステムの位相変調を使用して 量子データの場合のように位相シフトキーにより変調されることができる。実際 には、このプロトコールのこの段階期間中にシステムの周期的較正を継続するこ とが望ましい。 この実施例で使用される量子キー分配システムは共通のパルスレーザ源を有し 、ここから量子チャンネルと公共チャンネル源との両者が得られ、プロトコール は送信機と受信機が各パルスの時間スロットの送信および受信データを相関しな ければならない。従って、システムクロックはタイミングエラーを避けることを 必要とする。この機能は前述した較正処理期間中に公共チャンネルにより行われ ることができる。この処理期間中、公共チャンネル検出器からの増幅された出力 はクロック再生器ジュールに入力される。これは局部発振器を光源またはマスタ ークロック周波数にロックするために使用されるパルス反復周波数で発振信号を 発生する電子フィルタを含んでいる。この局部発振器はプロトコールの量子伝送 段階の期間中に受信機により必要とされるタイミング情報を提供するために使用 される。送信システムが公共チャンネルを経て較正される度に、局部発振器はタ イミングエラーの累積を避けるため再度時間設定される。再較正の実行を必要と される周波数が局部発振器と伝送チャンネルの安定性と関連する２つの時定数の うち短い方によって決定される。 前述の例では公共チャンネルおよび量子チャンネルは単一 の共通の波長を使用するが、代りに異なった波長が使用されてもよい。異なった チャンネルは波長依存性フィルタ結合器と光フィルタにより分離されることがで きる。この場合、クロックと較正情報は量子伝送期間中に継続して送信されるこ とができる。これは受信機の局部発振器の必要性を除去し、それによってこのよ うな発振器に関連する不安定性の問題を除去する。さらに最も広い技術的範囲内 のシステムは光ファイバ上の伝送に限定されないが、適切な伝送媒体を使用して 電磁気スペクトルの領域内で動作するキー分配システムに応用されることが可能 である。 図６で示されている代りの実施例では、量子伝送チャンネルと公共チャンネル との両者に使用される光ファイバ回路網は多重アクセス回路網である。欧州特許 出願第93307120.1号明細書で記載されているように基本的な量子暗号プロトコー ルはこのような回路網での使用に拡張されることができる。送信プロトコールの ステップ（ａ）乃至（ｃ）では送信された各エンコードされたビットはシステム から損失されるかまたは複数の受信機の１つで受信される。送信機は十分な数の ビットを出力し、各受信機がｒビットキーを設定するように各ビットは単一の光 子信号により伝送され、ｒは予め定められた整数である。必要な送信ビット数は 回路網の各分岐と減衰における結合比により決定される。各受信機は個々の単一 光子パルスにより取られる通路によりランダムに決定されたビットの異なったシ ーケンスを受信する。それ故、公共議論位相と、プロトコールのステップ（ｅ） と（ｆ）に応じて盗 聴器が存在しないことを確認する試験の完了後、各受信機は送信機に知られてい る異なったｒビットキーを有する。このキーは両方向即ち送信機から受信機およ び受信機から送信機へ回路網での多重光子信号放送を使用して送信機と、異なっ た受信機との間の安全な通信のために結果的に使用されることができる。 量子チャンネルの送信において、較正が回路網機能を通常の一般的な多重アク セス回路網として処理するために光子は非一般的に動作するものとして扱われな ければならず、多重光子信号は異なった分岐で分離される。従って、送信機によ り出力される多重光子較正信号は回路網上で全ての異なった受信機を同時に較正 するために使用されることができる。 図６の例ではただ２つの受信機が示されているが、実際にはより多数の受信機 を使用する回路網がしばしば使用される。選択される数は使用分野により変化す る。単一の場所における局部設置では、回路網は１０のみの受信機または送信機 を具備する。対照的に公共回路網では数十または百以上の受信機が回路網に接続 され単一のサーバから分配される量子キーを受信するであろう。例えばツリー、 バス、リングまたはスター回路網等またはこれらの組合わせを含んだ多数の異な った構造が回路網に使用される。 図６は２つの受信機と送信機を含んだ放送回路網の特定の例を示している。送 信機は前述のタイプの利得切換え半導体レーザ９と、減衰器または強度変調器67 と偏光変調器68と制御電子装置70から構成されている。受信機の単一光子検出器 は前述の第１の実施例で説明されているものと同一の装置であってもよい。各受 信機はマイクロプロセッサ制御ユニット62を含んでおり、これは弁別装置／増幅 器回路63を経てＡＰＤの出力を受信する。制御ユニット62はまたＡＰＤバイアス 電源66と共に電子フィルタ64と局部発振器65とを制御する。電子フィルタ64は回 路網を経て受信される同期パルスに応答してＡＰＤにより出力される信号の周波 数スペクトルの第１の高調波を分離する。これは局部発振器65をロックするパル ス周波数で正弦信号を発生する。局部発振器65の出力は量子伝送期間中にタイミ ング基準を与えるために制御ユニット62で受信される。 キー分配処理は多重光子タイミングパルス流を回路網に送信する送信機により 開始される。送信機の減衰器はこの時点では結合されない。パルスは両方の端子 により受信される。この前に、受信機は内部の利得が低いようにブレークダウン より十分下であるように検出器に逆バイアスを設定する。このモードではＡＰＤ は飽和を受けることなく多重光子タイミングパルスを検出することができる。各 ＡＰＤ出力信号はパルス源の基本的な反復速度で周波数成分を含み、これは前述 したように受信機の局部発振器をクロックするのに使用される。 同期処理の後、送信機の減衰器は結合され、従って出力パルスは平均約０．１ 個の光子を含む。さらに、受信機のＡＰＤは内部利得が単一光子レベルでの検出 感度を達成するのに十分な高さであるようにブレークダウンを越えてバイアスさ れる。伝送は前述したように量子チャンネル上で実行される。 異なった初期タイミング／構成位相の使用の代り、またはそれに加えて、タイ ミングと較正情報は量子キー情報と同時に送信されてもよい。これは例えば毎Ｐ 番目パルスごとの強度を増加するため減衰器を制御することにより行われる。こ のパルスは回路網上の全ての受信機によりこれが検出されることを保証するのに 十分な光子を含んでいる。量子伝送の完了後、受信機は定期的に間隔のある基準 事象を識別するために受信データセットを分析する。これらの事象は、多分、事 象周波数をパルス周波数に変換するため係数ｐにより乗算した後、対照的に基準 事象の間で非常に低周波数で不規則に量子チャンネル検出事象のタイムスロット を識別するために使用される。通常、ｐ番目のパルスの時間平均強度は飽和問題 を避けるように十分低くされているが、選択的に単一光子検出器は各タイミング パルススロット期間中にブランクされてもよい。これは検出器の感度の減少、例 えばＡＰＤに対する逆バイアスを減少し、単一の光子検出器と一直線に接続され ている第２の切換え可能な減衰器のいずれかにより行われる。従って、理想的に 単一の光子検出器が各タイミングパルスで単一の光子パルスを受信するのでｐに ついて下限が存在する。ｐの上限は各受信機の局部発振器の安定性によって決定 される。 同時発生のタイミング／較正信号の送信に対するさらに別の方法として、信号 は、量子および較正チャンネルを分離するのに使用するＷＤＭ結合器およびフィ ルタのような量子チ ャンネルおよび波長感度部品に使用される信号から別の波長でエンコードされて もよい。 本発明の較正方式はループ構造を有する回路網でも使用されることもできる。 このような構造を使用して、多重アクセスキー分配に対する価格および複雑性の 顕著な減少を達成することが可能である。各受信機またはノードにおける破壊的 単一光子検出器を使用する代りに、変調器は入来する単一光子信号を変調する各 受信機またはノードに設けられており、送信機／交換機の単一光子検出器に送っ て戻すために転送する。明白なように、このような構造は異なったノード間で分 配される多重の単一光子検出器よりも送信機／交換器で１つの単一光子検出器を 必要とするのみである。図７はリング形状を有する受動的な光回路網Ｎを経て３ 個の受信機Ｒ１乃至Ｒ３に接続されている送信機／交換器Ｔを具備する通信シス テムの例を示している。送信機Ｔは量子暗号方式によりキーを設定するために使 用される量子チャンネル源71と、較正位相用の多重光信号の出力および通常の通 信の伝送をするための通常の強度変調源との両者を含んでいる。量子チャンネル 源71と標準的光源74はそれぞれ異なった波長λ_qとλ_aで動作する。量子源１から の出力は切換え可能な減衰器79と、偏光装置と、量子チャンネル波長λ_qに同調 される帯域通過フィルタ78とを通過する。 各受信機またはノードはチャンネルλ_aの信号用の第１の多重光子検出器75と 、量子チャンネル波長λ_qの多重光子タイミング信号用の検出器80と、本発明の 例では偏光変調器で ある変調器72とを具備している。クロック検出器80はλ_qで弱いタップを提供す るファイバ結合器81により回路網Ｎに接続されている。これらのタップは量子チ ャンネルで過剰な減衰を導入しないように低い結合比（例えば１％程度）を有す る。代りに、別の波長λ_cが較正信号に対して使用されるならば、λ_cで有限の結 合比を有し理想的にはλ_qでゼロ結合比を有するＷＤＭ結合器が使用されること ができる。信号波長用の検出器75はＷＤＭ（波長分割マルチプレクサ）結合器77 により回路網に接続される。ＷＤＭは波長依存性の結合特性を有するファイバ結 合器である。本発明の例ではＷＤＭは量子チャンネル用の一直線の貫通経路を提 供し、即ちループからの結合比はλ_qにおいては小さく、一方信号波長λ_sでは結 合比は非常に大きい値Ｆ_sである。 公共チャンネルがシステムの較正用と、タイミング信号の送信用との両者に使 用されるべきであることが非常に好ましいが、代りにこれらの２つの機能は独立 して行われてもよい。例えば、公共チャンネル上の多重光子信号よりも量子チャ ンネルで送信される信号を使用して較正が行われるシステムでは公共チャンネル は前述の方法でクロック信号の送信に有効に使用されることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９３３０７１２０．１ (32)優先日 1993年９月９日 (33)優先権主張国 欧州特許機構（ＥＰ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，Ｎ Ｚ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．量子チャンネルと公共チャンネルが共通の伝送媒体（３）上で伝送され、較 正信号が量子チャンネル上のキー送信のためシステムを較正するように公共チャ ンネル上で伝送されることを特徴とする量子暗号方式を使用する通信方法。 ２．システムの較正ステップにおいて、公共チャンネル上で通信され受信機（２ ）で受信された信号の位相および／または偏光を予め定められた値の位相および ／または偏光と比較し、送信機と受信機の位相および／または偏光の間の予め定 められた関係を生じるように伝送媒体（３）と一直線に接続されている位相また は偏光補償手段（10）を制御する請求項１記載の方法。 ３．較正ステップにおいて、量子チャンネル上で送信されたキーを続いてデコー ドするためのタイミング情報を提供するために公共チャンネル上で送信機（１） から受信機（２）へクロックを送信する請求項１または２記載の方法。 ４．量子チャンネルと公共チャンネルが共通の光ファイバリンク上で伝送され、 公共チャンネルが多重光子の光信号でエンコードされ、量子チャンネルが単一光 子の光信号でエンコードされる請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。 ５．別々の光源出力が多重光子および単一光子用に使用され、送信機が異なった 出力の間で切換えられる請求項４記載の方法。 ６．較正信号を送信するステップが量子チャンネル上のキーの送信期問中に断続 的に反復される請求項１乃至５のいずれ か１項記載の方法。 ７．較正信号を送信するステップが、公共チャンネル上のデータの後続する送信 期間中に反復される請求項６記載の方法。 ８．量子チャンネルおよび公共チャンネルが共通の伝送媒体上で伝送され、クロ ック信号が量子チャンネル上で送信されるキーを続いてデコードするためにタイ ミング情報を提供するように送信機から受信機へ公共チャンネル上で送信される ことを特徴とする量子暗号を使用する通信方法。 ９．クロック信号が量子チャンネル上でのキーの送信前に初期的なタイミング位 相で送信される請求項８記載の方法。 １０．クロック信号が量子チャンネルまたは公共チャンネル上での他の伝送と同 時に送信される請求項８記載の方法。 １１．送信機（Ｔ）と、１以上の受信機（Ｒ１乃至Ｒ３）と、送信機を受信機に 連結する回路網とを具備している量子暗号方法で使用される通信システムにおい て、送信機（Ｔ）は回路網により提供される共通の伝送媒体上で量子チャンネル と公共チャンネルを伝送するように配置され、共通の伝送媒体上で伝送するため の較正信号を発生する手段を含んでいるシステム。 １２．量子チャンネル上で送信および受信された信号の位相および／または偏光 の間に予め定められた関係を生成するために伝送媒体と一直線に接続された位相 または偏光補償手段を制御するための共通の伝送媒体上で送信される較正信号に 応答する手段を含んでいる請求項１１記載のシステム。 １３．量子チャンネル上で送信されたキーを続いてデコード するためのタイミング情報を提供するように、送信機がクロックを含み、前記較 正信号の一部としてクロック信号を出力する請求項１１または１２記載のシステ ム。 １４．量子チャンネルと公共チャンネル用の共通の伝送媒体を提供する回路網が 光ファイバ回路網であり、送信機が公共チャンネル上で送信するための多重光子 の光信号と、量子チャンネル上で送信するための単一光子信号とを発生するよう に配置されている請求項１１乃至１３のいずれか１項記載のシステム。 １５．送信機が一方または他方の別々の光源出力を回路網に接続するように配置 されている光スイッチにおいて多重光子と単一光子用の別々の光源出力を含んで いる請求項１４記載のシステム。 １６．送信機（Ｔ）と、１以上の受信機（Ｒ１乃至Ｒ３）と、送信機を受信機に 連結する回路網とを具備している量子暗号方法で使用される通信システムにおい て、送信機（Ｔ）は回路網により与えられる共通の伝送媒体上で量子チャンネル および公共チャンネルを伝送するように配置され、送信機（Ｔ）はクロックを含 み、量子チャンネル上で送信されるキーを続いてデコードするためのタイミング 情報を提供するように公共チャンネルにクロック信号を出力することを特徴とす るシステム。 １７．回路網が多重アクセス回路網である請求項１１乃至１６のいずれか１項記 載のシステム。 １８．１以上の受信機から送信機までのループバック通路を 含み、送信機はループバック通路を経て戻される量子チャンネル上の信号を検出 するための単一光子検出器を含んでいる請求項１１乃至１７のいずれか１項記載 のシステム。