JPWO2018159656A1 - Method, apparatus, and program for adjusting timing of single photon detector in quantum key distribution system - Google Patents

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Abstract

メインパルスの検出効率が最大となるタイミングに設定でき、かつ、調整時間の短縮が可能な、タイミング調整方法、装置、および記録媒体を提供するため、量子鍵配送(QKD)システムにおいて微弱な光子パルスを検出するための単一光子検出器での検出するタイミングを調整する方法は、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録し、記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出し、抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価し、誤り率の低い方のピークに、上記検出するタイミングを設定する。In order to provide a timing adjustment method, an apparatus, and a recording medium that can be set to the timing at which the detection efficiency of the main pulse is maximized and the adjustment time can be reduced, a weak photon pulse in a quantum key distribution (QKD) system is provided. The method of adjusting the detection timing with a single photon detector for detecting is to scan the gate application timing in a predetermined scan range, record the number of photons detected at each timing, and At least two adjacent peaks are extracted, the error rates of the extracted at least two peaks are evaluated, and the detection timing is set to the lower error rate peak.

Description

本発明は、量子暗号に関し、特に、量子鍵配送(QKD:Quantum Key Distribution)システムにおける単一光子検出器(SPD:single photon detector)のタイミング調整方法、装置、および記録媒体に関する。   The present invention relates to quantum cryptography, and more particularly, to a method, an apparatus, and a recording medium for adjusting the timing of a single photon detector (SPD) in a quantum key distribution (QKD) system.

量子鍵配送(QKD)は、「量子チャネル」を通して伝送される弱い光信号(例えば、平均で0.1光子)を用いて、送信者(「アリス」)と受信者(「ボブ」)との間で、鍵を確立することを含む。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原理に基づいている。その結果として、光信号を傍受あるいは測定しようとする盗聴者(「イブ」)は、伝送される信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかとなる。   Quantum key distribution (QKD) uses a weak optical signal (eg, 0.1 photons on average) transmitted through a “quantum channel” to communicate between a sender (“Alice”) and a receiver (“Bob”). Including establishing a key between them. The security of key distribution is based on the principle of quantum mechanics, that any quantum system in an uncertain state changes its state when measured. As a result, an eavesdropper ("Eve") trying to intercept or measure an optical signal will manifest itself because it will cause errors in the transmitted signal.

非特許文献1は、量子暗号の一般的な原理を記載している。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保障が可能となる。現在多く検討されている量子鍵配送(QKD)システムでは、一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、光子が他の量子系に比べると環境による擾乱に強いと同時に、既存の光ファイバ通信技術により長距離の暗号鍵配布が期待できるためである。   Non-Patent Document 1 describes a general principle of quantum cryptography. Quantum cryptography is based on the laws of physics to guarantee the security of cryptography, so that ultimate security can be guaranteed without depending on the limit of computer capability. In a quantum key distribution (QKD) system which is currently being studied, one bit of information is encoded into a single photon state and transmitted. This is because photons are more resistant to environmental disturbances than other quantum systems, and at the same time, long-distance encryption key distribution can be expected using existing optical fiber communication technology.

理論的にその安全性が証明されている量子鍵配送(QKD)システムでは、非特許文献1に記載されているように、量子力学的2自由度系の2つの区別可能な状態とそれに共役な状態(その重ね合わせ状態)を利用して秘密鍵が安全に伝送される。換言すれば、非特許文献1に開示された量子鍵配送プロトコルでは、光子一個につき1ビットの乱数情報を載せて、遠く離れた送受信者が光ファイバを介して秘密鍵を共有する。盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。   In a quantum key distribution (QKD) system whose security has been proved theoretically, as described in Non-Patent Document 1, two distinguishable states of a quantum mechanical two-degree-of-freedom system and a conjugate The secret key is securely transmitted using the state (the superimposed state). In other words, in the quantum key distribution protocol disclosed in Non-Patent Document 1, one bit of random number information is loaded for each photon, and a remote transmitter / receiver shares a secret key via an optical fiber. The eavesdropping action disturbs the quantum mechanical state, and the protocol is designed so that the amount of leaked information can be estimated from errors in the data of the authorized sender and receiver.

上記のような情報通信に用いられる量子状態は、しばしば「量子情報」と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的2自由度系は「量子ビット」と呼ばれ、それは数学的にはスピン1/2系と等価である。   A quantum state used for information communication as described above is often called "quantum information". A quantum mechanical two-degree-of-freedom system that carries quantum information is called a "qubit", which is mathematically equivalent to a spin 1/2 system.

特許文献1は、具体的な量子鍵配送(QKD)システムを記載している。特許文献1は、一方向型QKDシステムを説明している。一方向型QKDシステムとは、アリスが単一光子の偏光又は位相をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をランダムに測定するものである。特許文献1において従来技術(図1)として述べられている一方向型QKDシステムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリスとボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計の各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号(パルス)は、時分割され、異なった経路をたどる。
従って、干渉計は、熱ドリフトを補正するために、伝送中は動的に安定化している必要がある。
Patent Document 1 describes a specific quantum key distribution (QKD) system. Patent Document 1 describes a one-way QKD system. In a one-way QKD system, Alice randomly encrypts the polarization or phase of single photons and Bob randomly measures the polarization or phase of those photons. The one-way QKD system described as prior art in FIG. 1 (FIG. 1) is based on a two-beam Mach-Zehnder interferometer. Alice and Bob can access each part of the interferometer so that they can control the phase of the interferometer. The signal (pulse) transmitted from Alice to Bob is time-divided and follows different paths.
Therefore, the interferometer needs to be dynamically stabilized during transmission to compensate for thermal drift.

一方向型QKDシステムは、コヒーレント微弱光パルスを用いた位相コーディングによるQKDシステムを示している。このQKDシステムでは、2つの非対称マッハ・ツェンダー干渉計を光ファイバ伝送路で直列に接続した構造の光学干渉計が用いられる。   The one-way QKD system indicates a QKD system based on phase coding using coherent weak optical pulses. In this QKD system, an optical interferometer having a structure in which two asymmetric Mach-Zehnder interferometers are connected in series by an optical fiber transmission line is used.

QKDシステムは、送信機と、受信機と、それらの間を接続する光ファイバ伝送路とから成る。   The QKD system includes a transmitter, a receiver, and an optical fiber transmission line connecting them.

送信機は、微弱レーザ光源を含む発光部と、非対称マッハ・ツェンダー干渉計と位相変調器とを含む変調器とを備える。微弱レーザ光源で発生した微弱な短光パルスを、非対称マッハ・ツェンダー干渉計に入射することにより、非対称マッハ・ツェンダー干渉計の出力端にはその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント2連微弱光パルスを生成(準備)する。この2連微弱光パルスは、位相変調器で変調された後、光ファイバ伝送路を介して、受信機へ送信される。   The transmitter includes a light emitting unit including a weak laser light source, and a modulator including an asymmetric Mach-Zehnder interferometer and a phase modulator. A weak short light pulse generated by a weak laser light source is incident on the asymmetric Mach-Zehnder interferometer, and the output end of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer is spatially separated by the long-short optical path difference. Generate (prepare) a weak light pulse. After being modulated by the phase modulator, the two weak light pulses are transmitted to the receiver via the optical fiber transmission line.

ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハ・ツェンダー干渉計より2連微弱光パルスの2つのパルスの間に相対位相が明確に定義できることを意味する。   Here, the term coherent means that the relative phase can be clearly defined between two pulses of two weak light pulses by an asymmetric Mach-Zehnder interferometer with clearly defined long and short optical path differences.

変調された2連微弱光パルスは、光ファイバ伝送路上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。   The modulated double weak optical pulse is disturbed during transmission on the optical fiber transmission line, but their relative phase relationship and polarization relationship are preserved.

受信機は、2つの光子検出器を含む受光部と、位相変調器と非対称マッハ・ツェンダー干渉計とを含む復調器とを備える。位相変調器で位相変調された2連微弱光パルスは、非対称マッハ・ツェンダー干渉計により、3連パルス的光子出力に変換され、その下流側の2つの出力ポートに出力される。2つの光子検出器は、それぞれ、非対称マッハ・ツェンダー干渉計の下流側の2つの出力ポートに出力される3連パルス的光子出力の中央の光パルス中に含まれる光子の有無を識別し、記録装置に記録する。   The receiver includes a light receiving unit including two photon detectors, and a demodulator including a phase modulator and an asymmetric Mach-Zehnder interferometer. The two weak light pulses phase-modulated by the phase modulator are converted into triple-pulse photon outputs by an asymmetric Mach-Zehnder interferometer, and output to two output ports on the downstream side. The two photon detectors respectively identify and record the presence or absence of a photon contained in the central light pulse of the triple-pulse photon output to two output ports downstream of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer. Record on device.

ここで、3連パルス的光出力の中央の光パルスは、「メインパルス」と呼ばれ、識別に使用されるパルスである。これに対して、3連パルス的光子出力の両サイドの光パルスは、「サテライトパルス」と呼ばれ、識別には使用されないパルスである。   Here, the central light pulse of the triple pulse light output is called a “main pulse” and is a pulse used for identification. On the other hand, the optical pulses on both sides of the triple-pulse photon output are called "satellite pulses" and are not used for identification.

3連パルス的光子出力のうち、中央の光パルス(メインパルス)には、次に述べる2つの光パルスが寄与する。これら2つの光パルスの一方を第1の光パルスと呼び、他方を第2の光パルスと呼ぶことにする。第1の光パルスは、送信機で非対称マッハ・ツェンダー干渉計の長尺を通り、受信機で非対称マッハ・ツェンダー干渉計の短尺を通ってきた光パルスである。第2の光パルスは、送信機で非対称マッハ・ツェンダー干渉計の短尺を通り、受信機で非対称マッハ・ツェンダー干渉計の長尺を通ってきた光パルスである。それ故、これら2つの寄与の干渉により、受信機の非対称マッハ・ツェンダー干渉計の2つの出力ポートへの中央の光パルスの強度比は、2連微弱光パルスの光学遅延(相対的な位相)に正弦波関数的に依存する。   The following two light pulses contribute to the central light pulse (main pulse) of the triple pulse-like photon output. One of these two light pulses will be referred to as a first light pulse, and the other will be referred to as a second light pulse. The first optical pulse is an optical pulse that has passed the length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer at the transmitter and the short length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer at the receiver. The second optical pulse is an optical pulse that has passed the short length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer at the transmitter and has passed the long length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer at the receiver. Therefore, due to the interference of these two contributions, the intensity ratio of the central light pulse to the two output ports of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer of the receiver is the optical delay (relative phase) of the two weak light pulses Sine wave function.

このような構成の一方向型QKDシステムにおいて、2連微弱光パルスに光学遅延(相対的な位相)に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配送を行うことができる。この目的のため、先ず、光パルスが送信機の位相変調器で{0、π/2、π、3π/2}の4個の位相変調を行う。そして、光ファイバ伝送路の伝送後の2連パルスが受信機の位相変調器で{0、π/2}の2値の位相変調を行う。   In the one-way QKD system having such a configuration, by modulating the optical delay (relative phase) to the two weak light pulses, encryption key distribution based on the principle of quantum cryptography can be performed. For this purpose, the optical pulse first performs four phase modulations of {0, π / 2, π, 3π / 2} in the phase modulator of the transmitter. Then, the binary pulse after transmission through the optical fiber transmission line performs binary phase modulation of {0, π / 2} by the phase modulator of the receiver.

送信機および受信機の非対称マッハ・ツェンダー干渉計における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献1に提案された非直交4状態を用いる量子暗号鍵配送プロトコルを実行し、安全な鍵配送を行うことが可能である。   By properly adjusting the optical delay in the asymmetric Mach-Zehnder interferometer of the transmitter and the receiver, the quantum key distribution protocol using non-orthogonal four states proposed in Non-Patent Document 1 is executed, and secure key distribution is performed. It is possible to do.

このような量子鍵配送(QKD)システムにおいて、弱い光子パルスを検出するための光子検出器として、単一光子検出器(SPD:single-photon detector)が用いられる。
単一光子検出器(SPD)としては、一般的に、アバランシェ・フォトダイオード(APD:avalanche photodiode)が使用される(例えば、特許文献2参照)。
In such a quantum key distribution (QKD) system, a single-photon detector (SPD) is used as a photon detector for detecting a weak photon pulse.
As a single photon detector (SPD), an avalanche photodiode (APD) is generally used (for example, see Patent Document 2).

尚、特許文献2は、駆動タイミングをシフトさせることで計数手段により計数された光子数に基づいて光パルス列の光パワーを測定する技術を開示している。   Patent Document 2 discloses a technique for measuring the optical power of an optical pulse train based on the number of photons counted by a counting unit by shifting a drive timing.

一般的に、p−n又はn−pフォトダイオードに十分大きい逆バイアスを印加すると、光子の吸収により発生したキャリアが、空乏層内の大きな電界により加速され、impact ionizationにより電子・正孔対を発生する。アバランシェ・フォトダイオード(APD)では、この現象がなだれ的に発生することにより、光電子増倍管と同様に光電流が増幅される。   In general, when a sufficiently large reverse bias is applied to a pn or np photodiode, carriers generated by absorption of photons are accelerated by a large electric field in a depletion layer, and electron-hole pairs are formed by impact ionization. appear. In an avalanche photodiode (APD), a photocurrent is amplified in the same manner as a photomultiplier tube due to avalanche occurrence of this phenomenon.

単一光子検出においては、APDは、以下に示すガイガーモード(Geiger mode)と呼ばれる動作条件で用いられる。まず、アバランシェ・フォトダイオード(APD)に、ブレークダウン電圧を超える電圧(降伏電圧より大きな逆バイアス)を印加する。このとき、APDは熱的に励起されたキャリアもしくは光子の吸収によって生じたキャリアがない場合には、なだれ降伏の起こらない「オフ」状態となっている。ここで、APDに光子が入力されると、なだれ降伏が引き起こされる。この動作条件では、1個の光子の入力によってもなだれ降伏を引き起こすことができるため、APDを単一光子検出器として使用することができる。   In single-photon detection, the APD is used under an operating condition called Geiger mode described below. First, a voltage exceeding a breakdown voltage (a reverse bias larger than a breakdown voltage) is applied to an avalanche photodiode (APD). At this time, when there is no thermally excited carrier or carrier generated by absorption of photons, the APD is in an "off" state in which avalanche breakdown does not occur. Here, when photons are input to the APD, avalanche breakdown is caused. Under these operating conditions, the APD can be used as a single-photon detector because avalanche breakdown can be caused by the input of one photon.

ブレークダウン電圧を超える電圧(降伏電圧より大きな逆バイアス)を印加することは、Gated ガイガーモードと呼ばれる。詳述すると、ノイズ低減のために、光子の入射タイミングのみAPDをガイガーモードにしている。   Applying a voltage exceeding the breakdown voltage (a reverse bias greater than the breakdown voltage) is called Gated Geiger mode. More specifically, in order to reduce noise, the APD is set to the Geiger mode only at the photon incidence timing.

上記ガイガーモード動作を光子の検出が予測される時間にのみ間欠的に行う動作を、ゲートモード動作(gated mode)又はゲート動作と呼ぶ。周期的に光子検出を行うことでゲート動作が実現する。   An operation in which the Geiger mode operation is performed intermittently only at a time when photon detection is predicted is referred to as a gate mode operation (gated mode) or a gate operation. The gate operation is realized by performing photon detection periodically.

通常、光子吸収で電子・正孔対が生成される確率を量子効率と呼ぶ。光子検出器では更になだれが発生しなければ光子を検出できないから、量子効率になだれ発生率を掛けたものが光子検出効率(光子検出率)となる。   Normally, the probability that an electron-hole pair is generated by photon absorption is called quantum efficiency. A photon detector cannot detect a photon unless further avalanche occurs, and the photon detection efficiency (photon detection rate) is obtained by multiplying the quantum efficiency by the avalanche generation rate.

アバランシェ・フォトダイオード(APD)を用いて光子を検出するためには、ゲート印加タイミングが最適となるように、光子の入射タイミングとゲートの印加タイミングとを合わせる必要がある。換言すれば、光パルスの検出を予測したパルス到着時間で同期させる必要がある。そのために、現状のQKDシステムでは、1以上の単一光子検出器は、コントローラからのゲート信号でゲート制御される。   In order to detect photons using an avalanche photodiode (APD), it is necessary to match the photon incidence timing with the gate application timing so that the gate application timing is optimized. In other words, it is necessary to synchronize the detection of the optical pulse with the predicted pulse arrival time. To that end, in current QKD systems, one or more single photon detectors are gated with a gate signal from a controller.

しかしながら、システムを一旦セットアップしても、タイミングは種々のシステム的・環境的要因により、変動(ドリフト)する。このことは、光子カウントを低下させ、その結果、システムの転送レートが低下して、さらにビット誤り率(BER)も増加する。つまり、最適なシステム性能以下になる。   However, once the system is set up, the timing fluctuates (drifts) due to various system and environmental factors. This lowers the photon count and consequently lowers the transfer rate of the system and also increases the bit error rate (BER). That is, the performance is lower than the optimum system performance.

このような問題を解決する方法が種々提案されている。   Various methods for solving such a problem have been proposed.

例えば、特許文献3は、ゲートタイミングをある範囲でスキャンして、検出数が最大となる点を探すようにした「オート・キャリブレーション方法」を開示している。   For example, Patent Literature 3 discloses an “auto calibration method” in which a gate timing is scanned in a certain range to search for a point where the number of detections is maximum.

また、特許文献4は、ゲートタイミングをある範囲でスキャンして、ビット誤り率が最小となる点を探すようにした「自動較正方法」を開示している。   Patent Document 4 discloses an “automatic calibration method” in which a gate timing is scanned in a certain range to search for a point where the bit error rate is minimized.

特許第4095672号公報Japanese Patent No. 4095672 特開2007−124484号公報JP 2007-124484 A 特許第4663651号公報Japanese Patent No. 4663651 特表2008−538678号公報JP 2008-538678 A

Bennett, C.H. and G. Brassard, “Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing,” Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, December 1984, pp.175−179 (IEEE, New York, 1984)Bennett, C .; H. and G. Brassard, “Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing,” Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, December 1984, pp. 175-179 (IEEE, New York, 1984)

しかしながら、上述した特許文献2〜4に開示した方法には、それぞれ、次に述べるような問題がある。   However, the methods disclosed in Patent Documents 2 to 4 have the following problems.

特許文献2は、単に、駆動タイミングをシフトさせることで計数手段により計数された光子数に基づいて光パルス列の光パワーを測定する技術を開示しているに過ぎない。   Patent Document 2 merely discloses a technique of measuring the optical power of an optical pulse train based on the number of photons counted by the counting means by shifting the drive timing.

特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法では、QKDの方式によっては、これだけでは不十分である。詳述すると、一方向型QKDシステムでは、前述したように、不要なサテライトパルスが存在する。特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法において、パルス繰り返し周波数(クロック)を最大で使用すると、光子検出数は、メインパルス、サテライトパルス(2つ重なる)で、ほぼ同じになる。その結果、特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法では、サテライトパルスを最も効率良く検出するタイミングに調整されてしまうことがあるという課題がある。その確率は1/2である。   In the auto-calibration method disclosed in Patent Document 3, this alone is not sufficient depending on the QKD method. Specifically, in the one-way QKD system, as described above, there are unnecessary satellite pulses. In the auto-calibration method disclosed in Patent Document 3, when the pulse repetition frequency (clock) is used at the maximum, the number of detected photons becomes almost the same for the main pulse and the satellite pulse (two overlapping). As a result, the auto-calibration method disclosed in Patent Document 3 has a problem that the timing may be adjusted to the most efficient detection of satellite pulses. The probability is 1/2.

一方、特許文献4に開示された自動較正方法は、ビット誤り率が最小となる点を検出数が最大であると推定している。特許文献4に開示された自動較正方法では、サテライトパルスはビット誤り率が高いので排除され、メインパルスが選択される。しかしながら、誤り率を精度よく評価するためには、多数のデータが必要となる。その結果、特許文献4に開示された自動較正方法では、特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法において光子検出数を評価する場合に比べて、100倍程度のデータ点が必要となってしまう。その為、特許文献4に開示された自動較正方法は、調整(最適値の発見)に時間がかかるという課題がある。   On the other hand, the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4 estimates that the number of detections is the maximum at the point where the bit error rate is the minimum. In the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4, the satellite pulse is excluded because the bit error rate is high, and the main pulse is selected. However, in order to accurately evaluate the error rate, a large amount of data is required. As a result, the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4 requires about 100 times the number of data points as compared with the case where the number of photons detected is evaluated in the auto calibration method disclosed in Patent Literature 3. I will. Therefore, the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4 has a problem that it takes time to adjust (find an optimum value).

本発明の目的は、上記問題を解決する量子鍵配送システムにおける単一光子検出器のタイミング調整方法、装置、および記録媒体を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method, an apparatus, and a recording medium for adjusting the timing of a single photon detector in a quantum key distribution system that solves the above problem.

上記課題を解決するための本発明の一実施形態は、量子鍵配送(QKD)システムにおいて、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録し、該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出し、該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価し、送信機にて生成された光パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する、タイミング調整方法である。   In one embodiment of the present invention for solving the above-described problems, in a quantum key distribution (QKD) system, a gate application timing is scanned in a predetermined scan range, and the number of photons detected at each timing is recorded. At least two adjacent peaks in the number of detected photons are extracted, an error rate at the extracted at least two peaks is evaluated, and a double photon obtained by modulating an optical pulse generated by the transmitter is obtained. The timing at which the single-photon detector detects the main pulse at the center of the triplet photon pulse obtained by demodulating the pulse at the receiver that receives the pulse via the optical fiber transmission line is determined by the lower error rate. This is a timing adjustment method for setting the peak at

また、本発明の他の一実施形態は、量子鍵配送(QKD)システムにおいて、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録する記録手段と、該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出する抽出手段と、該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価する評価手段と、送信機にて生成された光パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する設定手段と、を備えたタイミング調整装置である。   According to another embodiment of the present invention, in a quantum key distribution (QKD) system, a gate application timing is scanned in a predetermined scan range, and recording means for recording the number of photons detected at each timing is provided. Extracting means for extracting at least two adjacent peaks in the number of detected photons, evaluating means for evaluating an error rate at the extracted at least two peaks, and modulating an optical pulse generated by the transmitter. The timing at which the single-photon detector detects the main pulse at the center of the three-photon pulse obtained by demodulating the obtained two-photon pulse via the optical fiber transmission line with a receiver, Setting means for setting the peak at the lower error rate.

さらに、本発明の他の一実施形態は、量子鍵配送(QKD)システムにおいて、コンピュータに、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録する手順と、該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出する手順と、該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価する手順と、送信機にて生成された光パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する手順と、を実行させるためのタイミング調整プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。   Further, in another embodiment of the present invention, in a quantum key distribution (QKD) system, a computer scans a gate application timing within a predetermined scan range and records the number of photons detected at each timing. Extracting at least two adjacent peaks in the recorded number of detected photons, evaluating the error rate at the extracted at least two peaks, and modulating an optical pulse generated by the transmitter. The timing at which the single-photon detector detects the main pulse at the center of the three-photon pulse obtained by demodulating the obtained two-photon pulse via the optical fiber transmission line with a receiver, A step of setting the peak to the lower error rate, and a computer-readable recording medium recording a timing adjustment program for executing the procedure. .

本発明によれば、メインパルスの検出効率が最大となるタイミングに設定でき、かつ、調整時間の短縮が可能な、タイミング調整方法、装置、および記録媒体を提供し得る。   According to the present invention, it is possible to provide a timing adjustment method, an apparatus, and a recording medium that can be set to a timing at which the detection efficiency of the main pulse is maximized and that the adjustment time can be reduced.

関連技術における一方向型量子鍵配送(QKD)システムを示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing a one-way quantum key distribution (QKD) system in the related art. 図1に示したQKDシステムにおける送信機内の発光部および変調器の詳細を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating details of a light emitting unit and a modulator in a transmitter in the QKD system illustrated in FIG. 1. 図1に示したQKDシステムにおける受信機内の受光部および復調器の詳細を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating details of a light receiving unit and a demodulator in a receiver in the QKD system illustrated in FIG. 1. 単一光子検出器(SPD)として使用される、アバランシェ・フォトダイオード(APD)に印加される印加電圧と、光子の入射タイミングとを示すタイムチャートである。5 is a time chart showing an applied voltage applied to an avalanche photodiode (APD) used as a single photon detector (SPD), and a photon incident timing. ゲート印加タイミングと光子検出効率との関係を示すタイミングチャートである。5 is a timing chart showing a relationship between gate application timing and photon detection efficiency. パルス繰り返し周波数(クロック)を最大で使用したときの、光パルス波形の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an optical pulse waveform when a pulse repetition frequency (clock) is used at a maximum. 本発明の一実施形態に係るタイミング調整装置を含むコントローラと、単一光子検出器との構成を示すブロック及び回路図である。FIG. 2 is a block diagram and a circuit diagram illustrating configurations of a controller including a timing adjustment device according to an embodiment of the present invention and a single photon detector. 単一光子検出器(SPD)として使用される、アバランシェ・フォトダイオード(APD)に印加される印加電圧、光子の入射タイミング、および印加タイミングが最適でない場合のゲートパルスを示すタイムチャートである。4 is a time chart showing an applied voltage applied to an avalanche photodiode (APD) used as a single photon detector (SPD), an incident timing of a photon, and a gate pulse when the applied timing is not optimal. 図7に示したタイミング調整装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a timing adjustment device illustrated in FIG. 7. 図9に示したタイミング調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。10 is a flowchart for explaining the operation of the timing adjustment device shown in FIG. ゲート印加タイミングと光子検出数との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a gate application timing and the number of photons detected. 図9に示したタイミング調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。10 is a flowchart for explaining the operation of the timing adjustment device shown in FIG. 図7に示したコントローラ上のメモリに記録されたゲート検出タイミングtと光子検出数Nとの一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a gate detection timing t and a photon detection number N recorded in a memory on the controller illustrated in FIG. 7.

[関連技術]
最初に本発明の理解を容易にするために、図面を参照して関連技術について説明する。
[Related technology]
First, related art will be described with reference to the drawings to facilitate understanding of the present invention.

図1は関連技術に係る一方向型QKDシステムを示す図である。図示の一方向型QKDシステムは、コヒーレント微弱光パルスを用いた位相コーディングによるQKDシステムを示している。このQKDシステムでは、2つの非対称マッハ・ツェンダー干渉計を光ファイバ伝送路で直列に接続した構造の光学干渉計が用いられる。   FIG. 1 is a diagram showing a one-way QKD system according to the related art. The illustrated one-way QKD system is a QKD system based on phase coding using coherent weak optical pulses. In this QKD system, an optical interferometer having a structure in which two asymmetric Mach-Zehnder interferometers are connected in series by an optical fiber transmission line is used.

図示のQKDシステムは、送信機10と、受信機20と、それらの間を接続する光ファイバ伝送路30とから成る。   The illustrated QKD system includes a transmitter 10, a receiver 20, and an optical fiber transmission line 30 connecting them.

送信機10は、発光部11と、変調器12と、コントローラ13とを有する。図2は、送信機10内の発光部11および変調器12の詳細を示す図である。発光部11は、1つの微弱レーザ光源112から成る。変調器12は、非対称マッハ・ツェンダー干渉計122と、位相変調器124から成る。微弱レーザ光源112で発生した微弱な短光パルスを、非対称マッハ・ツェンダー干渉計122に入射することにより、非対称マッハ・ツェンダー干渉計122の出力端にはその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント2連微弱光パルスを生成(準備)する。この2連微弱光パルスは、位相変調器124で位相変調された後、光ファイバ伝送路30を介して、受信機20へ送信される。   The transmitter 10 includes a light emitting unit 11, a modulator 12, and a controller 13. FIG. 2 is a diagram illustrating details of the light emitting unit 11 and the modulator 12 in the transmitter 10. The light emitting unit 11 includes one weak laser light source 112. The modulator 12 includes an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 and a phase modulator 124. The weak short light pulse generated by the weak laser light source 112 is incident on the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122, so that the output end of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 is spatially separated by the long and short optical path difference. Generate (prepare) a coherent dual weak light pulse. The two consecutive weak light pulses are phase-modulated by the phase modulator 124 and then transmitted to the receiver 20 via the optical fiber transmission line 30.

コントローラ13は、微弱レーザ光源112と位相変調器124とを制御する。尚、図2では、位相変調器124は非対称マッハ・ツェンダー干渉計122の出力端側に設けられているが、非対称マッハ・ツェンダー干渉計122の内部に設けられてもよい。   The controller 13 controls the weak laser light source 112 and the phase modulator 124. Although the phase modulator 124 is provided on the output end side of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 in FIG. 2, it may be provided inside the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122.

ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハ・ツェンダー干渉計122より2連微弱光パルスの2つのパルスの間に相対位相が明確に定義できることを意味する。   Here, the term coherent means that the relative phase can be clearly defined between two pulses of two weak optical pulses by the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 having a clearly defined long and short optical path difference.

変調された2連微弱光パルスは、光ファイバ伝送路30上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。   The modulated two weak light pulses are disturbed during transmission on the optical fiber transmission line 30, but their relative phase relations and polarization plane relations are preserved.

受信機20は、受光部21と、復調器22と、コントローラ23とを有する。図3は、受信機20内の受光部21および復調器22の詳細を示す図である。受光部21は、2つの光子検出器212、214を含む。復調器22は、非対称マッハ・ツェンダー干渉計222と、位相変調器224とから成る。位相変調器224は、光ファイバ伝送路30から受信した2連微弱光パルスを位相変調する。この位相変調器224で位相変調された2連微弱光パルスは、非対称マッハ・ツェンダー干渉計222により、3連パルス的光子出力に変換され、その下流側の2つの出力ポート222out1、222out2に出力される。2つの光子検出器212、214は、それぞれ、非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の下流側の2つの出力ポート222out1、222out2に出力される3連パルス的光子出力の中央の光パルス中に含まれる光子の有無を識別し、コントローラ23内の記録装置であるメモリ(図示せず)に記録する。   The receiver 20 has a light receiving unit 21, a demodulator 22, and a controller 23. FIG. 3 is a diagram illustrating details of the light receiving unit 21 and the demodulator 22 in the receiver 20. The light receiving unit 21 includes two photon detectors 212 and 214. The demodulator 22 includes an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222 and a phase modulator 224. The phase modulator 224 modulates the phase of the dual weak light pulse received from the optical fiber transmission line 30. The dual weak optical pulse phase-modulated by the phase modulator 224 is converted into a triple-pulse photon output by the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222 and output to two downstream output ports 222out1 and 222out2. You. The two photon detectors 212 and 214 respectively include the photons included in the central light pulse of the triple pulsed photon output output to the two output ports 222out1 and 222out2 downstream of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222. Is identified and recorded in a memory (not shown) which is a recording device in the controller 23.

コントローラ23は、2つの光子検出器212、214と位相変調器224とを制御する。尚、図3では、位相変調器224は非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の入力端側に設けられているが、非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の内部に設けられてもよい。   The controller 23 controls the two photon detectors 212 and 214 and the phase modulator 224. In FIG. 3, the phase modulator 224 is provided on the input end side of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222, but may be provided inside the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222.

送信機10のコントローラ13と受信機20のコントローラ23とは、古典通信路40を介して互いに接続されている。この古典通信路40は、光ファイバでも電気回線でもどちらでもよく、通常のインターネット通信路であってよい。   The controller 13 of the transmitter 10 and the controller 23 of the receiver 20 are connected to each other via a classical communication path 40. The classical communication path 40 may be an optical fiber or an electric line, and may be a normal Internet communication path.

ここで、3連パルス的光出力の中央の光パルスは、「メインパルス」と呼ばれ、識別に使用されるパルスである。これに対して、3連パルス的光子出力の両サイドの光パルスは、「サテライトパルス」と呼ばれ、識別には使用されないパルスである。   Here, the central light pulse of the triple pulse light output is called a “main pulse” and is a pulse used for identification. On the other hand, the optical pulses on both sides of the triple-pulse photon output are called "satellite pulses" and are not used for identification.

3連パルス的光子出力のうち、中央の光パルス(メインパルス)には、次に述べる2つの光パルスが寄与する。これら2つの光パルスの一方を第1の光パルスと呼び、他方を第2の光パルスと呼ぶことにする。第1の光パルスは、送信機10で非対称マッハ・ツェンダー干渉計122の長尺を通り、受信機20で非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の短尺を通ってきた光パルスである。第2の光パルスは、送信機10で非対称マッハ・ツェンダー干渉計122の短尺を通り、受信機20で非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の長尺を通ってきた光パルスである。それ故、これら2つの寄与の干渉により、非対称マッハ・ツェンダー干渉計222の2つの出力ポート222out1、222out2への中央の光パルスの強度比は、2連微弱光パルスの光学遅延(相対的な位相)に正弦波関数的に依存する。   The following two light pulses contribute to the central light pulse (main pulse) of the triple pulse-like photon output. One of these two light pulses will be referred to as a first light pulse, and the other will be referred to as a second light pulse. The first optical pulse is an optical pulse that has passed through the length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 at the transmitter 10 and has passed through the length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222 at the receiver 20. The second optical pulse is an optical pulse that has passed through the short length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 122 at the transmitter 10 and has passed through the long length of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222 at the receiver 20. Therefore, due to the interference of these two contributions, the ratio of the intensity of the central light pulse to the two output ports 222out1, 222out2 of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222 will be the optical delay (relative phase ) Sinusoidally.

図1に示した一方向型QKDシステムにおいて、2連微弱光パルスに光学遅延(相対的な位相)に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配送を行うことができる。この目的のため、先ず、光パルスが送信機10の位相変調器124で{0、π/2、π、3π/2}の4個の位相変調を行う。そして、光ファイバ伝送路30の伝送後の2連パルスが受信機20の位相変調器224で{0、π/2}の2値の位相変調を行う。   In the one-way type QKD system shown in FIG. 1, by modulating the optical delay (relative phase) to the two weak light pulses, encryption key distribution based on the principle of quantum cryptography can be performed. For this purpose, the optical pulse first performs four phase modulations of {0, π / 2, π, 3π / 2} in the phase modulator 124 of the transmitter 10. Then, the binary pulse after transmission through the optical fiber transmission line 30 performs binary phase modulation of {0, π / 2} by the phase modulator 224 of the receiver 20.

非対称マッハ・ツェンダー干渉計122および222における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献1に提案された非直交4状態を用いる量子暗号鍵配送プロトコルを実行し、安全な鍵配送を行うことが可能である。   Properly adjusting the optical delay in the asymmetric Mach-Zehnder interferometers 122 and 222 to execute the quantum key distribution protocol using non-orthogonal four states proposed in Non-Patent Document 1 and perform secure key distribution Is possible.

図1に示したような量子鍵配送(QKD)システムにおいて、弱い光子パルスを検出するための光子検出器212、214として、単一光子検出器(SPD:single-photon detector)が用いられる。単一光子検出器(SPD)としては、前述したように、一般的に、アバランシェ・フォトダイオード(APD:avalanche photodiode)が使用される。   In a quantum key distribution (QKD) system as shown in FIG. 1, a single-photon detector (SPD) is used as the photon detectors 212 and 214 for detecting a weak photon pulse. As described above, an avalanche photodiode (APD) is generally used as the single photon detector (SPD).

一般的に、p−n又はn−pフォトダイオードに十分大きい逆バイアスを印加すると、光子の吸収により発生したキャリアが、空乏層内の大きな電界により加速され、impact ionizationにより電子・正孔対を発生する。アバランシェ・フォトダイオード(APD)では、この現象がなだれ的に発生することにより、光電子増倍管と同様に光電流が増幅される。   In general, when a sufficiently large reverse bias is applied to a pn or np photodiode, carriers generated by absorption of photons are accelerated by a large electric field in a depletion layer, and electron-hole pairs are formed by impact ionization. appear. In an avalanche photodiode (APD), a photocurrent is amplified in the same manner as a photomultiplier tube due to avalanche occurrence of this phenomenon.

図4は、単一光子検出器(SPD)として使用される、アバランシェ・フォトダイオード(APD)に印加される印加電圧と、光子の入射タイミングとを示すタイムチャートである。図4において、(A)は印加電圧のタイムチャートであり、(B)は光子の入射タイミングのタイムチャートである。   FIG. 4 is a time chart showing an applied voltage applied to an avalanche photodiode (APD) used as a single-photon detector (SPD), and a photon incident timing. 4A is a time chart of the applied voltage, and FIG. 4B is a time chart of the incident timing of the photons.

単一光子検出においては、APDは、以下に示すガイガーモード(Geiger mode)と呼ばれる動作条件で用いられる。まず、図4(A)に示されるように、アバランシェ・フォトダイオード(APD)に、ブレークダウン電圧を超える電圧(降伏電圧より大きな逆バイアス)を印加する。このとき、APDは熱的に励起されたキャリアもしくは光子の吸収によって生じたキャリアがない場合には、なだれ降伏の起こらない「オフ」状態となっている。ここで、APDに光子が入力されると、なだれ降伏が引き起こされる。この動作条件では、1個の光子の入力によってもなだれ降伏を引き起こすことができるため、APDを単一光子検出器として使用することができる。   In single-photon detection, the APD is used under an operating condition called Geiger mode described below. First, as shown in FIG. 4A, a voltage exceeding a breakdown voltage (a reverse bias larger than a breakdown voltage) is applied to an avalanche photodiode (APD). At this time, when there is no thermally excited carrier or carrier generated by absorption of photons, the APD is in an "off" state in which avalanche breakdown does not occur. Here, when photons are input to the APD, avalanche breakdown is caused. Under these operating conditions, the APD can be used as a single-photon detector because avalanche breakdown can be caused by the input of one photon.

本例では、ブレークダウン電圧(降伏電圧)は60V程度である。ブレークダウン電圧を超える電圧(降伏電圧より大きな逆バイアス)を印加することは、Gated ガイガーモードと呼ばれる。詳述すると、ノイズ低減のために、光子の入射タイミングのみAPDをガイガーモードにしている。   In this example, the breakdown voltage (breakdown voltage) is about 60V. Applying a voltage exceeding the breakdown voltage (a reverse bias greater than the breakdown voltage) is called Gated Geiger mode. More specifically, in order to reduce noise, the APD is set to the Geiger mode only at the photon incidence timing.

上記ガイガーモード動作を光子の検出が予測される時間にのみ間欠的に行う動作を、ゲートモード動作(gated mode)又はゲート動作と呼ぶ。図4に示されるように、周期的に光子検出を行うことでゲート動作が実現する。   An operation in which the Geiger mode operation is performed intermittently only at a time when photon detection is predicted is referred to as a gate mode operation (gated mode) or a gate operation. As shown in FIG. 4, the gate operation is realized by performing photon detection periodically.

図5は、ゲート印加タイミングと光子検出効率との関係を示すタイミングチャートである。図5において、横軸はゲート印加タイミングを示し、縦軸は光子検出効率を示す。   FIG. 5 is a timing chart showing the relationship between gate application timing and photon detection efficiency. In FIG. 5, the horizontal axis indicates gate application timing, and the vertical axis indicates photon detection efficiency.

通常、光子吸収で電子・正孔対が生成される確率を量子効率と呼ぶ。光子検出器212、214では更になだれが発生しなければ光子を検出できないから、量子効率になだれ発生率を掛けたものが光子検出効率(光子検出率)となる。   Normally, the probability that an electron-hole pair is generated by photon absorption is called quantum efficiency. Since photons cannot be detected by the photon detectors 212 and 214 without further avalanche, the photon detection efficiency (photon detection rate) is obtained by multiplying the quantum efficiency by the avalanche generation rate.

図5から明らかなように、アバランシェ・フォトダイオード(APD)を用いて光子を検出するためには、ゲート印加タイミングが最適となるように、光子の入射タイミングとゲートの印加タイミングとを合わせる必要がある。換言すれば、光パルスの検出を予測したパルス到着時間で同期させる必要がある。そのために、現状のQKDシステムでは、1以上の単一光子検出器212、214は、コントローラ23からのゲート信号でゲート制御される。   As is apparent from FIG. 5, in order to detect a photon using an avalanche photodiode (APD), it is necessary to match the incident timing of the photon with the application timing of the gate so that the gate application timing is optimized. is there. In other words, it is necessary to synchronize the detection of the optical pulse with the predicted pulse arrival time. Therefore, in the current QKD system, one or more single photon detectors 212 and 214 are gate-controlled by a gate signal from the controller 23.

しかしながら、システムを一旦セットアップしても、タイミングは種々のシステム的・環境的要因により、変動(ドリフト)する。このことは、光子カウントを低下させ、その結果、システムの転送レートが低下して、さらにビット誤り率(BER)も増加する。つまり、最適なシステム性能以下になる。   However, once the system is set up, the timing fluctuates (drifts) due to various system and environmental factors. This lowers the photon count and consequently lowers the transfer rate of the system and also increases the bit error rate (BER). That is, the performance is lower than the optimum system performance.

上述したように、このような問題を解決する方法が種々提案されている。   As described above, various methods for solving such a problem have been proposed.

前述したように、特許文献3は、ゲートタイミングをある範囲でスキャンして、検出数が最大となる点を探すようにした「オート・キャリブレーション方法」を開示している。   As described above, Patent Document 3 discloses an “auto calibration method” in which a gate timing is scanned in a certain range to search for a point where the number of detections is maximum.

また、特許文献4は、ゲートタイミングをある範囲でスキャンして、ビット誤り率が最小となる点を探すようにした「自動較正方法」を開示している。   Patent Document 4 discloses an “automatic calibration method” in which a gate timing is scanned in a certain range to search for a point where the bit error rate is minimized.

しかしながら、前述したように、特許文献3および特許文献4に開示した方法には、それぞれ、次に述べるような問題がある。   However, as described above, the methods disclosed in Patent Literature 3 and Patent Literature 4 have the following problems, respectively.

特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法では、QKDの方式によっては、これだけでは不十分である。詳述すると、図1〜図3に示した一方向型QKDシステムでは、前述したように、不要なサテライトパルスが存在する。特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法において、パルス繰り返し周波数(クロック)を最大で使用すると、光子検出数は、図6に示されるように、メインパルス、サテライトパルス(2つ重なる)で、ほぼ同じになる。その結果、特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法では、サテライトパルスを最も効率良く検出するタイミングに調整されてしまうことがある。その確率は1/2である。   In the auto-calibration method disclosed in Patent Document 3, this alone is not sufficient depending on the QKD method. More specifically, in the one-way QKD system shown in FIGS. 1 to 3, as described above, unnecessary satellite pulses exist. In the auto-calibration method disclosed in Patent Document 3, when the pulse repetition frequency (clock) is used at the maximum, the number of detected photons is, as shown in FIG. 6, a main pulse and a satellite pulse (two overlapping). Will be almost the same. As a result, in the auto-calibration method disclosed in Patent Literature 3, the timing may be adjusted to a timing at which satellite pulses are detected most efficiently. The probability is 1/2.

一方、特許文献4に開示された自動較正方法は、ビット誤り率が最小となる点を光子検出数が最大であると推定している。特許文献4に開示された自動較正方法では、サテライトパルスはビット誤り率が高いので排除され、メインパルスが選択される。しかしながら、ビット誤り率を精度よく評価するためには、多数のデータが必要となる。その結果、特許文献4に開示された自動較正方法では、特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法において光子検出数を評価する場合に比べて、100倍程度のデータ点が必要となってしまう。その為、特許文献4に開示された自動較正方法は、調整(最適値の発見)に時間がかかるという課題がある。   On the other hand, the automatic calibration method disclosed in Patent Document 4 estimates that the number of photon detections is the maximum at the point where the bit error rate is the minimum. In the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4, the satellite pulse is excluded because the bit error rate is high, and the main pulse is selected. However, in order to accurately evaluate the bit error rate, a large amount of data is required. As a result, the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4 requires about 100 times the number of data points as compared with the case where the number of photons detected is evaluated in the auto calibration method disclosed in Patent Literature 3. I will. Therefore, the automatic calibration method disclosed in Patent Literature 4 has a problem that it takes time to adjust (find an optimum value).

[実施形態]
以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、それらの実施形態によって限定されるものではなく、請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited by those embodiments, and should be interpreted based on the description in the claims.

図7を参照して、本発明の一実施形態に係るタイミング調整装置60を含むコントローラ23と、単一光子検出器212との構成について説明する。   With reference to FIG. 7, the configurations of the controller 23 including the timing adjustment device 60 according to the embodiment of the present invention and the single photon detector 212 will be described.

図7は、受光部21内の単一光子検出器212での検出するタイミングを調整する例について図示しているが、単一光子検出器214での検出するタイミングの調整も同様であるので、その図示を省略している。   FIG. 7 illustrates an example in which the detection timing of the single photon detector 212 in the light receiving unit 21 is adjusted. However, the adjustment of the detection timing of the single photon detector 214 is the same. Its illustration is omitted.

最初に、単一光子検出器212の回路構成について説明する。前述したように、単一光子検出器212は、アバランシェ・フォトダイオードAPDを含む。アバランシェ・フォトダイオードAPDのカソードには、ブレークダウン電圧(降伏電圧)よりも小さな電圧がバイアス電圧として負荷抵抗器R1を介して印加されている。ここで、ブレークダウン電圧(降伏電圧)は、例えば、60V程度である。アバランシェ・フォトダイオードAPDのアノードは、抵抗器R2を介して接地されている。アバランシェ・フォトダイオードAPDのカソードは、キャパシタC1を介して後述するコントローラ23が接続されている。換言すれば、コントローラ23は、キャパシタC1を介してゲートパルスをアバランシェ・フォトダイオードAPDのカソードに印加する。これにより、バランシェ・フォトダイオードAPDに、ブレークダウン電圧を超える電圧(降伏電圧よりも大きな逆バイアス)が印加される。   First, the circuit configuration of the single photon detector 212 will be described. As described above, the single photon detector 212 includes the avalanche photodiode APD. A voltage smaller than the breakdown voltage (breakdown voltage) is applied to the cathode of the avalanche photodiode APD as a bias voltage via the load resistor R1. Here, the breakdown voltage (breakdown voltage) is, for example, about 60V. The anode of the avalanche photodiode APD is grounded via the resistor R2. The controller 23 described later is connected to the cathode of the avalanche photodiode APD via the capacitor C1. In other words, the controller 23 applies a gate pulse to the cathode of the avalanche photodiode APD via the capacitor C1. As a result, a voltage exceeding the breakdown voltage (a reverse bias larger than the breakdown voltage) is applied to the valanche photodiode APD.

アバランシェ・フォトダイオードAPDのアノードは、キャパシタC2および増幅器A1を介して、単一光子検出器212の出力端子に接続されている。単一光子検出器212の出力端子は、コントローラ23に接続されている。   The anode of the avalanche photodiode APD is connected to the output terminal of the single photon detector 212 via the capacitor C2 and the amplifier A1. The output terminal of the single photon detector 212 is connected to the controller 23.

次に、図7を参照して、コントローラ23の構成について説明する。コントローラ23は、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを用いた、コンピュータで実現することが可能である。図示の例では、コントローラ23は、光子カウンタ51と、タイミング制御回路52と、バイアス印加回路53と、メモリ54と、プログラムメモリ55と、本実施形態に係るタイミング調整装置60とを有する。   Next, the configuration of the controller 23 will be described with reference to FIG. The controller 23 can be realized by a computer using a combination of hardware and software. In the illustrated example, the controller 23 includes a photon counter 51, a timing control circuit 52, a bias application circuit 53, a memory 54, a program memory 55, and a timing adjustment device 60 according to the present embodiment.

タイミング制御回路52は、タイミング調整装置60からのタイミングシフト制御によりクロック信号CLKの位相を時間軸上で0から2πまで2π/nずつ自由にシフトさせることができる。図示の例では、nは32に等しい。ここでは、クロック信号CLKの周期Tが入射する光子パルスの周期とほぼ一致する。しかしながら、どの位相で光子パルスが到達しているのか分からないものとする。本例では、送信機10のレーザ光源112は、1.25GHzの周波数で光子パルスを出射しているとする。この場合、クロック信号CLKの周期Tは、800p秒に等しい。上述したように、nは32に等しいので、タイミング制御回路52は、25p秒ずつクロック信号CLKをシフトすることができる。   The timing control circuit 52 can freely shift the phase of the clock signal CLK from 0 to 2π by 2π / n on the time axis by the timing shift control from the timing adjustment device 60. In the example shown, n is equal to 32. Here, the cycle T of the clock signal CLK substantially coincides with the cycle of the incident photon pulse. However, it is not known at which phase the photon pulse arrives. In this example, it is assumed that the laser light source 112 of the transmitter 10 emits photon pulses at a frequency of 1.25 GHz. In this case, the cycle T of the clock signal CLK is equal to 800 psec. As described above, since n is equal to 32, the timing control circuit 52 can shift the clock signal CLK by 25 p seconds.

位相シフトされたクロック信号(ゲートパルス)の印加タイミングが、図8(A)および(B)に示すように、光子の入射タイミングと同じであれば、単一光子検出器212は、光子を効率よく検出することができる。しかしながら、実際には、図8(C)および(D)に示されるように、ゲートパルスの印加タイミングが最適でない場合がある。単一光子検出器212により光子が検出されると、その光子検出数が光子カウンタ51でカウントされる。光子カウンタ51は、タイミング調整装置60の制御の下で、カウントした光子検出数をメモリ54に格納する。   If the application timing of the phase-shifted clock signal (gate pulse) is the same as the incident timing of the photon as shown in FIGS. 8A and 8B, the single-photon detector 212 converts the photon into efficiency. It can be detected well. However, actually, as shown in FIGS. 8C and 8D, the timing of applying the gate pulse may not be optimal. When a single photon detector 212 detects a photon, the number of detected photons is counted by the photon counter 51. The photon counter 51 stores the counted number of detected photons in the memory 54 under the control of the timing adjustment device 60.

タイミング調整装置60は、後述するように、クロック信号CLKの位相を0から2πまで2π/32ずつ順次シフトさせるように、タイミング制御回路52を制御する。これにより、バイアス印加回路53は、それぞれのクロック位相に対応した印加タイミングで、ゲートパルスを単一光子検出器212に印加する。タイミング調整装置60は、その際のクロック位相(ゲート印加タイミング)と光子カウンタ51で計数された光子検出数とをメモリ54に格納する。クロック信号CLKの周期Tに相当する時間間隔をタイムスロットと呼ぶとする。この場合、クロック信号CLKの位相を0から2πまで2π/32ずつシフトすることは、ゲートパルスの印加タイミングをタイムスロットTの全範囲にわたって時間的に25p秒ずつ移動させることに相当する。尚、本例において、タイムスロットTは、スキャン範囲に等しい。   The timing adjustment device 60 controls the timing control circuit 52 so that the phase of the clock signal CLK is sequentially shifted from 0 to 2π by 2π / 32 as described later. Thereby, the bias application circuit 53 applies the gate pulse to the single photon detector 212 at the application timing corresponding to each clock phase. The timing adjusting device 60 stores the clock phase (gate application timing) at that time and the number of photons detected by the photon counter 51 in the memory 54. A time interval corresponding to the cycle T of the clock signal CLK is called a time slot. In this case, shifting the phase of the clock signal CLK from 0 to 2π in increments of 2π / 32 is equivalent to shifting the application timing of the gate pulse by 25 p seconds over the entire range of the time slot T. In this example, the time slot T is equal to the scan range.

タイミング調整装置60は、送信機10のコントローラ13から古典通信路40を介して、暗号鍵の情報を受ける。タイミング調整装置60は、後述するように、この暗号鍵の情報に基づいて、誤り訂正前の量子ビット誤り率を評価する。   The timing adjustment device 60 receives information on the encryption key from the controller 13 of the transmitter 10 via the classical communication path 40. The timing adjustment device 60 evaluates the quantum bit error rate before error correction based on the information of the encryption key, as described later.

なお、タイミング調整装置60は、CPU(central processing unit)や演算処理装置等のプロセッサで実現することが可能である。すなわち、タイミング調整装置60は、プログラムメモリ55に格納されたタイミング調整プログラムに基づいてCPU等のハードウェアを動作させて、各種手段として実現可能である。また、このタイミング調整プログラムは、有線、無線、又は記録媒体そのものを介して、プログラムメモリ55に読込まれ、タイミング調整装置60のハードウェアを動作させる。尚、記録媒体を例示すれば、オプティカルディスクや磁気ディスク、半導体メモリ装置、ハードディスクなどが挙げられる。   The timing adjustment device 60 can be realized by a processor such as a CPU (central processing unit) or an arithmetic processing device. That is, the timing adjustment device 60 can be realized as various means by operating hardware such as a CPU based on the timing adjustment program stored in the program memory 55. Further, the timing adjustment program is read into the program memory 55 via a cable, wirelessly, or via the recording medium itself, and operates the hardware of the timing adjustment device 60. In addition, examples of the recording medium include an optical disk, a magnetic disk, a semiconductor memory device, and a hard disk.

図9は、図7に示したタイミング調整装置60の概略構成を示すブロック図である。タイミング調整装置60は、記録回路部62と、抽出回路部64と、評価回路部66と、設定回路部68とから成る。   FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of the timing adjustment device 60 shown in FIG. The timing adjustment device 60 includes a recording circuit unit 62, an extraction circuit unit 64, an evaluation circuit unit 66, and a setting circuit unit 68.

図10および図11をも参照して、図9に示したタイミング調整装置60の概略の動作について説明する。図10は、タイミング調整装置60の動作を説明するためのフローチャートである。図11は、ゲート印加タイミングと光子検出数との関係を示す図である。   The general operation of the timing adjusting device 60 shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a flowchart for explaining the operation of the timing adjustment device 60. FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the gate application timing and the number of detected photons.

記録回路部62は、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲Tでスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録する(ステップS101)。具体的には、図11に示されるように、記録回路部62は、最初にゲート印加タイミングtを0に設定して、所定の期間(例えば、1秒の間)、光子カウンタ51で計数し、その計数された光子検出数をメモリ54に記録する。その後、記録回路部62は、25p秒ずつクロック信号CLKをシフトするようにタイミング制御回路52を制御して、ゲート印加タイミングtが800p秒に等しいスキャン範囲Tになるまで、上記動作を繰り返す。   The recording circuit unit 62 scans the gate application timing in a predetermined scan range T and records the number of photons detected at each timing (step S101). Specifically, as shown in FIG. 11, the recording circuit unit 62 first sets the gate application timing t to 0, and counts the photon counter 51 for a predetermined period (for example, for 1 second). The number of detected photons is recorded in the memory 54. After that, the recording circuit unit 62 controls the timing control circuit 52 so as to shift the clock signal CLK by 25 psec, and repeats the above operation until the gate application timing t becomes the scan range T equal to 800 psec.

抽出回路部64は、記録した光子検出数における隣接する2カ所のピークを抽出する(ステップS102)。具体的には、図11において、ゲート印加タイミングt1での光子検出数N1と、ゲート印加タイミングt2での光子検出数N2とを抽出する。   The extraction circuit unit 64 extracts two adjacent peaks in the recorded number of detected photons (step S102). Specifically, in FIG. 11, the number of photons N1 detected at the gate application timing t1 and the number N2 of photons detected at the gate application timing t2 are extracted.

評価回路部66は、抽出した2カ所のピークでの誤り率を評価する(ステップS103)。具体的には、評価回路部66は、送信機10のコントローラ13から受信した上記暗号鍵の情報に基づいて、誤り訂正前の量子ビット誤り率を評価する。ここで、2カ所のピークの内、一方はメインパルスによるピークであり、他方はサテライトパルスによりピークである。不要なサテライトパルスでは、量子ビット誤り率は約50%で高くなる。   The evaluation circuit unit 66 evaluates the error rates at the extracted two peaks (step S103). Specifically, the evaluation circuit unit 66 evaluates the quantum bit error rate before error correction based on the encryption key information received from the controller 13 of the transmitter 10. Here, one of the two peaks is a peak due to the main pulse, and the other is a peak due to the satellite pulse. For unnecessary satellite pulses, the qubit error rate increases at about 50%.

設定回路部68は、誤り率の低い方のピークに、検出するタイミングを設定する(ステップS104)。すなわち、サテライトパルスよりもメインパルスの方が誤り率が低いので、設定回路部68は、メインパルスに対応するタイミングに、検出するタイミングを設定する。   The setting circuit unit 68 sets the detection timing at the lower error rate peak (step S104). That is, since the error rate of the main pulse is lower than that of the satellite pulse, the setting circuit 68 sets the detection timing to the timing corresponding to the main pulse.

次に、図12および図13を参照して、図9に示したタイミング調整装置60の動作について更に詳細に説明する。図12は、タイミング調整装置60の動作を説明するためのフローチャートである。図13は、図7のメモリ54に記録されたゲート印加タイミングtと光子検出数Nとの一例を示す図である。   Next, the operation of the timing adjustment device 60 shown in FIG. 9 will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 12 is a flowchart for explaining the operation of the timing adjustment device 60. FIG. 13 is a diagram showing an example of the gate application timing t and the photon detection number N recorded in the memory 54 of FIG.

後述する評価時に、受信機20のコントローラ23のタイミング調整装置60は、送信機10のコントローラ13から、古典通信路40を介して暗号鍵の情報を受信する。タイミング調整装置60は、この暗号鍵の情報をメモリ54に記憶する。   At the time of evaluation, which will be described later, the timing adjustment device 60 of the controller 23 of the receiver 20 receives the encryption key information from the controller 13 of the transmitter 10 via the classical communication path 40. The timing adjustment device 60 stores the information of the encryption key in the memory 54.

最初に、記録回路部62は、ゲート印加タイミングtを0秒に設定する(ステップS201)。これにより、タイミング制御回路52は、クロック信号CLKの位相をシフトすることなく(すなわち、位相が0のままで)、クロック信号CLKをバイアス印加回路53へ供給する。記録回路部62は、ゲート印加タイミングtが0秒の状態で、1秒の期間の間、光子カウンタ51で計数された光子検出数Nを測定する。本例では、図13に示されるように、ゲート印加タイミングt=0秒のときの光子検出数Nは29,654個であった。記録回路部62は、「0」のゲート印加タイミングtと、「29,654個」の光子検出数Nを、メモリ54に保存する(ステップS202)。   First, the recording circuit unit 62 sets the gate application timing t to 0 seconds (Step S201). As a result, the timing control circuit 52 supplies the clock signal CLK to the bias application circuit 53 without shifting the phase of the clock signal CLK (that is, while keeping the phase at 0). The recording circuit unit 62 measures the number N of photon detections counted by the photon counter 51 during a period of 1 second with the gate application timing t being 0 second. In this example, as shown in FIG. 13, the number N of photons detected at the gate application timing t = 0 seconds was 29,654. The recording circuit unit 62 stores the gate application timing t of “0” and the detected photon number N of “29,654” in the memory 54 (step S202).

次に、記録回路部62は、ゲート印加タイミングtが予め設定されたスキャン範囲Tより大きいか否か判断する(ステップS203)。本例では、スキャン範囲Tは、クロック信号CLKの周期(タイムスロット)Tに等しく、800p秒である。ここでは、ゲート印加タイミングtは0秒であるので、記録回路部62は、ゲート印加タイミングtをdだけインクリメントして(ステップS204)、ステップS201に戻る。ここで、dは予め設定されたゲート印加タイミングの増分値であって、本例では、25p秒である。   Next, the recording circuit unit 62 determines whether or not the gate application timing t is larger than a preset scan range T (Step S203). In this example, the scan range T is equal to the period (time slot) T of the clock signal CLK, and is 800 psec. Here, since the gate application timing t is 0 second, the recording circuit unit 62 increments the gate application timing t by d (step S204), and returns to step S201. Here, d is a preset increment value of the gate application timing, and is 25 psec in this example.

記録回路部62は、ステップS201〜S204の動作を、ゲート印加タイミングtが800p秒に等しいスキャン範囲Tより大きくなるまで(t>T)、繰り返す。   The recording circuit unit 62 repeats the operations of steps S201 to S204 until the gate application timing t becomes larger than the scan range T equal to 800 psec (t> T).

図13は、上記増分値dを「1」に正規化して、記録回路部62によってメモリ54に保存された、ゲート印加タイミングtと光子検出数Nとの一例を示している。ゲート印加タイミングtは、「0」から「32」まで移動(シフト)するので、メモリ54に保存される光子検出数Nの総数は33となる。   FIG. 13 shows an example of the gate application timing t and the number of detected photons N stored in the memory 54 by the recording circuit unit 62 by normalizing the increment value d to “1”. Since the gate application timing t moves (shifts) from “0” to “32”, the total number of detected photons N stored in the memory 54 is 33.

次に、抽出回路部64は、メモリ54に保存されたゲート印加タイミングtと光子検出数Nとから、ピークを2カ所(t1、N1)、(t2、N2)抽出する(ステップS205)。本例では、図13に示されるように、抽出回路部64は、ゲート印加タイミングtが「9」で、そのときの光子検出数Nである「101,245個」を、それぞれ、第1のゲート印加タイミングt1および第1の光子検出数N1として抽出する。また、抽出回路部64は、ゲート印加タイミングtが「25」で、そのときの光子検出数Nである「99,854個」を、それぞれ、第2のゲート印加タイミングt2および第2の光子検出数N2として抽出する。   Next, the extraction circuit unit 64 extracts two peaks (t1, N1) and (t2, N2) from the gate application timing t and the photon detection number N stored in the memory 54 (step S205). In the present example, as shown in FIG. 13, the extraction circuit unit 64 sets the gate application timing t to “9” and the photon detection number N at that time, “101, 245”, to the first It is extracted as the gate application timing t1 and the first detected number of photons N1. In addition, the extraction circuit unit 64 determines that the gate application timing t is “25” and the number N of photons detected at that time is “99,854”. Extract as number N2.

なお、「9」の第1のゲート印加タイミングt1は、225p秒に等しく、「25」の第2のゲート印加タイミングt2は、625p秒に等しい。   Note that the first gate application timing t1 of “9” is equal to 225 psec, and the second gate application timing t2 of “25” is equal to 625 psec.

評価回路部66は、先ず、ゲート印加タイミングtを第1のゲート印加タイミングt1である、225p秒に設定して、上記暗号鍵の情報に基づいて、誤り訂正前の第1の量子ビット誤り率E1を測定して、その第1の量子ビット誤り率E1をメモリ54に保存する(ステップS206)。   The evaluation circuit unit 66 first sets the gate application timing t to 225 psec, which is the first gate application timing t1, and based on the encryption key information, sets the first quantum bit error rate before error correction. E1 is measured, and the first quantum bit error rate E1 is stored in the memory 54 (step S206).

同様に、評価回路部66は、ゲート印加タイミングtを第2のゲート印加タイミングt2である、625p秒に設定して、上記暗号鍵の情報に基づいて、誤り訂正前の第2の量子ビット誤り率E2を測定して、その第2の量子ビット誤り率E2をメモリ54に保存する(ステップS207)。   Similarly, the evaluation circuit unit 66 sets the gate application timing t to 625 psec, which is the second gate application timing t2, and based on the encryption key information, the second quantum bit error before error correction. The rate E2 is measured, and the second quantum bit error rate E2 is stored in the memory 54 (step S207).

設定回路部68は、第1の量子ビット誤り率E1と第2の量子ビット誤り率E2とを比較する(ステップS208)。   The setting circuit unit 68 compares the first quantum bit error rate E1 with the second quantum bit error rate E2 (step S208).

第1の量子ビット誤り率E1が第2の量子ビット誤り率E2より小さい場合(ステップS208のYES)、設定回路部68は、第1の量子ビット誤り率E1を持つ第1のゲート印加タイミングt1を、検出するゲート印加タイミングとして設定する(ステップS209)。逆に、第1の量子ビット誤り率E1が第2の量子ビット誤り率E2以上である場合(ステップS208のNO)、設定回路部68は、第2の量子ビット誤り率E2を持つ第2のゲート印加タイミングt2を、検出するゲート印加タイミングとして設定する(ステップS210)。   When the first quantum bit error rate E1 is smaller than the second quantum bit error rate E2 (YES in step S208), the setting circuit unit 68 sets the first gate application timing t1 having the first quantum bit error rate E1. Is set as the gate application timing to be detected (step S209). Conversely, when the first quantum bit error rate E1 is equal to or greater than the second quantum bit error rate E2 (NO in step S208), the setting circuit unit 68 sets the second quantum bit error rate E2 to the second The gate application timing t2 is set as the gate application timing to be detected (Step S210).

以上によって、単一光子検出器212の検出するタイミングを調整することが可能となる。この単一光子検出器212の調整後に、図示しないスイッチにより単一光子検出器214を選択して、同様の動作を行うことで、単一光子検出器214の検出するタイミングも調整することが可能となる。このように別々の時間で、単一光子検出器212、214の検出するタイミングを調整することが可能であるが、単一光子検出器212、214の検出するタイミングを、並行して(時分割で)調整してもよいのは勿論である。   As described above, it is possible to adjust the detection timing of the single photon detector 212. After the adjustment of the single photon detector 212, the timing of detection by the single photon detector 214 can be adjusted by selecting the single photon detector 214 with a switch (not shown) and performing the same operation. It becomes. As described above, the detection timings of the single photon detectors 212 and 214 can be adjusted at different times, but the detection timings of the single photon detectors 212 and 214 are adjusted in parallel (time division). Of course, it may be adjusted.

上述したように、本実施形態では、光子検出数のピークを2カ所探し、それぞれで誤り率を評価することで、検出するタイミングを設定しているので、次のような効果を奏する。   As described above, in the present embodiment, the detection timing is set by searching for two peaks of the number of detected photons and evaluating the error rate for each of the two peaks, so that the following effects are obtained.

第1の効果は、特許文献3に開示されたオート・キャリブレーション方法とは異なり、不要なサテライトパルスではなく、メインパルスの検出効率が最大となるタイミングに設定できることである。   The first effect is that, unlike the auto-calibration method disclosed in Patent Literature 3, it is possible to set the timing at which the detection efficiency of the main pulse is maximized instead of unnecessary satellite pulses.

第2の効果は、特許文献4に開示された自動較正方法と比較して、時間のかかる誤り率評価の回数を減らせるため、調整時間を短縮することが可能になることである。   A second effect is that the number of time-consuming error rate evaluations can be reduced as compared with the automatic calibration method disclosed in Patent Document 4, so that the adjustment time can be shortened.

上記実施の形態を別の表現で説明すれば、タイミング調整装置として動作させるプロセッサを、メモリに展開されたタイミング調整プログラムに基づき、記録回路部62、抽出回路部64、評価回路部66、および設定回路部68として動作させることで実現することが可能である。   If the above embodiment is described in another expression, a processor that operates as a timing adjustment device is configured based on a timing adjustment program developed in a memory, a recording circuit unit 62, an extraction circuit unit 64, an evaluation circuit unit 66, and a setting circuit. It can be realized by operating as the circuit unit 68.

以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。   As described above, the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, those skilled in the art can use other similar embodiments, and appropriately change the form without departing from the present invention. It should be noted that changes or additions can be made.

例えば、上記実施の形態では、記録した光子検出数における隣接する2カ所のピークを抽出しているが、隣接する3カ所以上のピークを抽出しても良いのは勿論である。すなわち、本発明は、記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出すればよい。この場合、抽出した少なくも2カ所のピークでの誤り率を評価することになる。   For example, in the above embodiment, two adjacent peaks in the recorded number of detected photons are extracted, but it is needless to say that three or more adjacent peaks may be extracted. That is, in the present invention, at least two adjacent peaks in the recorded number of detected photons may be extracted. In this case, the error rates at at least two extracted peaks are evaluated.

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。   The present invention has been described above using the above-described embodiment as a typical example. However, the invention is not limited to the embodiments described above. That is, the present invention can apply various aspects that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.

この出願は、2017年3月3日に出願された日本出願特願2017−040134を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。   This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-040134 filed on March 3, 2017, the disclosure of which is incorporated herein in its entirety.

10:送信機
11:発光部
112:レーザ光源
12:変調器
122:非対称マッハ・ツェンダー干渉計
124:位相変調器
13:コントローラ
20:受信機
21:受光部
212:単一光子検出器
214:単一光子検出器
22:復調器
222:非対称マッハ・ツェンダー干渉計
222out1:出力ポート
222out2:出力ポート
224:位相変調器
23:コントローラ
30:光ファイバ伝送路
40:古典通信路
51:光子カウンタ
52:タイミング制御回路
53:バイアス印加回路
54:メモリ
55:プログラムメモリ
60:タイミング調整装置
62:記録回路部
64:抽出回路部
66:評価回路部
68:設定回路部
10: Transmitter 11: Light emitting unit 112: Laser light source 12: Modulator 122: Asymmetric Mach-Zehnder interferometer 124: Phase modulator 13: Controller 20: Receiver 21: Light receiving unit 212: Single photon detector 214: Single One-photon detector 22: Demodulator 222: Asymmetric Mach-Zehnder interferometer 222out1: Output port 222out2: Output port 224: Phase modulator 23: Controller 30: Optical fiber transmission path 40: Classic communication path 51: Photon counter 52: Timing Control circuit 53: Bias application circuit 54: Memory 55: Program memory 60: Timing adjustment device 62: Recording circuit unit 64: Extraction circuit unit 66: Evaluation circuit unit 68: Setting circuit unit

Claims (10)

量子鍵配送(QKD)システムにおいて、
ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録し、
該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出し、
該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価し、
送信機にて生成された光子パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する、
タイミング調整方法。
In a quantum key distribution (QKD) system,
Scan the gate application timing in a predetermined scan range, record the number of photons detected at each timing,
Extracting at least two adjacent peaks in the recorded number of detected photons;
Evaluating the error rate at the extracted at least two peaks,
A main pulse at the center of a triplet photon pulse obtained by demodulating by a receiver that receives two photon pulses obtained by modulating a photon pulse generated by a transmitter through an optical fiber transmission line. Set the timing of detecting a pulse with a single photon detector to the lower peak of the error rate,
Timing adjustment method.
前記所定のスキャン範囲は、前記送信機にて生成された前記光子パルスの周期以上であることを特徴とする、請求項1に記載のタイミング調整方法。   The timing adjustment method according to claim 1, wherein the predetermined scan range is equal to or longer than a period of the photon pulse generated by the transmitter. 前記誤り率は量子ビット誤り率である、請求項1又は2に記載のタイミング調整方法。   The timing adjustment method according to claim 1, wherein the error rate is a quantum bit error rate. 量子鍵配送(QKD)システムにおいて、
ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録する記録手段と、
該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出する抽出手段と、
該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価する評価手段と、
送信機にて生成された光子パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する設定手段と、
を備えたタイミング調整装置。
In a quantum key distribution (QKD) system,
Recording means for scanning the gate application timing in a predetermined scan range and recording the number of photons detected at each timing;
Extracting means for extracting at least two adjacent peaks in the recorded number of detected photons;
Evaluation means for evaluating an error rate at the extracted at least two peaks;
A main pulse at the center of a triplet photon pulse obtained by demodulating by a receiver that receives two photon pulses obtained by modulating a photon pulse generated by a transmitter through an optical fiber transmission line. Setting means for setting the timing at which the pulse is detected by the single-photon detector to the lower peak of the error rate;
Timing adjustment device provided with.
前記所定のスキャン範囲は、前記送信機にて生成された前記光子パルスの周期以上であることを特徴とする、請求項4に記載のタイミング調整装置。   The timing adjustment device according to claim 4, wherein the predetermined scan range is equal to or longer than a period of the photon pulse generated by the transmitter. 前記誤り率は量子ビット誤り率である、請求項4又は5に記載のタイミング調整装置。   The timing adjustment device according to claim 4, wherein the error rate is a quantum bit error rate. 送信機と、受信機と、それらの間の接続する光ファイバ伝送路とを有する量子鍵配送(QKD)システムであって、
前記送信機は、
所定の周期で光子パルスを発生するレーザ光源と、
該光子パルスを変調して2連の光子パルスを生成する変調器と、
を備え、
前記光ファイバ伝送路は、前記2連の光子パルスを前記送信機から前記受信機まで伝送し、
前記受信機は、
前記2連の光子パルスを復調して、3連の光子パルスを生成する復調器と、
前記3連の光子パルスを受光する、少なくとも1つの単一光子検出器を含む受光手段と、
該受光手段を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラが、請求項4乃至6のいずれか1つに記載のタイミング調整装置を備える、
量子鍵配送(QKD)システム。
A quantum key distribution (QKD) system having a transmitter, a receiver, and an optical fiber transmission line connecting between the transmitter and the receiver,
The transmitter is
A laser light source that generates a photon pulse at a predetermined cycle,
A modulator for modulating the photon pulse to generate a series of photon pulses;
With
The optical fiber transmission line transmits the double photon pulse from the transmitter to the receiver,
The receiver,
A demodulator that demodulates the double photon pulse and generates a triple photon pulse;
Light receiving means including at least one single photon detector for receiving the triple photon pulse;
A controller for controlling the light receiving means,
With
The controller comprises the timing adjustment device according to any one of claims 4 to 6,
Quantum key distribution (QKD) system.
量子鍵配送(QKD)システムにおいて、コンピュータに、
ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲でスキャンして、各タイミングにおける光子検出数を記録する手順と、
該記録した光子検出数における隣接する少なくとも2カ所のピークを抽出する手順と、
該抽出した少なくとも2カ所のピークでの誤り率を評価する手順と、
送信機にて生成された光子パルスを変調して得られる2連の光子パルスを光ファイバ伝送路を介して受信する受信機にて復調して得られた3連の光子パルスの中央にあるメインパルスを単一光子検出器で検出するタイミングを、該誤り率の低い方のピークに設定する手順と、
を実行させるためのタイミング調整プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
In a quantum key distribution (QKD) system,
Scanning the gate application timing within a predetermined scan range and recording the number of photons detected at each timing;
Extracting at least two adjacent peaks in the recorded number of detected photons;
Evaluating the error rate at the extracted at least two peaks;
A main pulse at the center of a triplet photon pulse obtained by demodulating by a receiver that receives two photon pulses obtained by modulating a photon pulse generated by a transmitter through an optical fiber transmission line. A step of setting the timing of detecting a pulse with a single photon detector to the lower peak of the error rate;
And a computer-readable recording medium recording a timing adjustment program for executing the program.
前記所定のスキャン範囲は、前記送信機にて生成された前記光子パルスの周期以上であることを特徴とする、請求項8に記載のタイミング調整プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   The computer-readable recording medium according to claim 8, wherein the predetermined scan range is equal to or longer than a period of the photon pulse generated by the transmitter. 前記誤り率は量子ビット誤り率である、請求項8又は9に記載のタイミング調整プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   10. The computer-readable recording medium according to claim 8, wherein the error rate is a quantum bit error rate.
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