CN101401350A - 量子密码装置 - Google Patents

Abstract

本发明的量子密码装置的特征是具有：发生成为量子比特的信息载体的光子的微弱激光光源；由平面光路构成的三个以上的非对称马赫曾德尔干涉系统；传输该光子的光传输通路；光子检测器；记录发送者的发送数据和接收者的观测数据的装置；以及用于在正规利用者间进行古典的通信的古典通信通路。

Description

量子密码装置

技术领域

本发明涉及一种量子密码装置，尤其涉及通过光纤通信来进行共用加密密钥的量子加密密钥分发的装置。

背景技术

随着因特网的爆发性普及和电子商务的实用化，通信的保密、防篡改及个人的认证等密码技术的社会需要性提高。当前，广泛应用着如DES密码的公共密钥方式及以RSA密码为首的公开密钥方式。但是，这些方式是以“计算量的安全性”为基础的。即，现行的密码方式时常威胁着计算机硬件和密码解读算法的进步。尤其在银行间交易或与军事、外交相关的信息等的需要极高安全性的领域中，如果实施原理上安全的密码方式，则其影响较大。

在利用信息理论来证明无条件安全性的密码方式中存在一次性密钥法。一次性密钥法的特征是采用与通信文相同的长度的密码密钥，并将密码密钥使用1次后弃用。在贝内特(Bennett)、布拉萨德(Brassard)著，IEEE计算机、系统、信号处理国际会议(IEEE Int.Conf.on Computers，Systems，and Signal Processing，Bangalore，India，P.175(1984))(非专利文献1)中，以贝内特(Bennett)为首提出了当前作为BB84协议而被广泛公知的、安全分发在一次性密钥法中使用的密码密钥的具体协议。以此为契机开始了对量子密码的广泛研究。量子密码中，因为物理法则保证密码的安全性，所以可构成不依靠计算机能力界限的究极安全性保证。在当前主要研究的量子密码装置中，将一比特信息以单一光子的状态进行编码后传输。这是因为光子与其他量子系统相比耐受环境的干扰较强，同时通过灵活应用现有的光纤通信技术可以期待长距离的密码密钥分发。

在理论上证明其安全性的量子密码装置，如非专利文献1所述，利用量子力学的2自由度系统的两个可区别的状态和与其共轭的状态(其叠加状态)来安全地传输密钥。窃听行为在量子力学的状态中给予干扰，从而以根据正规收发者收发数据中的错误可估计漏洩信息量的方式来设计协议。这样的信息通信所采用的量子状态常常被称为量子信息。担负量子信息的量子力学的2自由度系统被称为量子比特，其在数学上与自旋1/2系统等价。以下，对于构成信息载体的物理系统为光子的情况以现有技术进行记述。

以下，利用现有技术对本发明所涉及的将光子作为量子比特载体、为了长距离传输而将光纤用作传输通路的密码密钥分发装置进行说明。关于使用了光子的量子密码装置，在斯宾登(Zbinden)等著“ExperimentalQuantum Cryptography”、“INTRODUCTI ON TOQUANTUMCOMPUTATION AND INORMATION(娄(Lo)等编著)”(World Scientific、1998年出版)，120页(非专利文献2)，埃克特(Ekert)等著「QuantumCryptography」，「The Physics of Quantum lnformation(玻密斯特(Bouwmeester)等编著)」(Springer，2000年出版)，15页(非专利文献3)，吉辛(Gisin)等著「Quantum Cryptography」“Review of modern Physics”(Rev.Mod.Phys.)，74号(2002年出版)，145—195页(非专利文献4)中有详细的说明。在非专利文献1中提出了在光子可具有的两个偏振基础状态下，对信息进行编码的、称为偏振编码的量子密码装置的安装。但是，因为偏振编码需要传输通路中的偏振旋转的实时控制以及补偿，所以不怎么使用将光纤用作传输通路的长距离密码密钥分发系统的安装方法。作为长距离密码密钥分发系统，仍旧由贝内特等提出并实现了在2连式微弱光脉冲之间的相对相位编码信息的、被称为相位编码的量子密码装置的安装。

图5表示非专利文献2～4中所记载的基于相位编码的量子密码装置的代表性安装例。在该装置中采用了经由光纤传输通路串联连结两个非对称马赫曾德尔干涉系统的构造的光学干涉系统。将装備在发送侧的微弱激光光源51所发生的微弱短光脉冲入射到发送侧的非对称马赫曾德尔干涉系统52，由此在光纤传输通路上准备空间分离了该长短边光路差的相干2连式微弱光脉冲58。这里，所谓相干就是通过明确定义了长短边光路差的非对称马赫曾德尔干涉系统52，可在2连式微弱脉冲的两个脉冲之间明确地定义相对相位。虽然2连式微弱光脉冲58在光纤传输通路53上的传输中受到干扰，不过保存这些相对的相位关系和偏振面的关系，并给予接收侧的非对称马赫曾德尔干涉系统54。

利用接收侧的非对称马赫曾德尔干涉系统54，将2连式微弱光脉冲58转换为3连式微弱光脉冲59，并输出至下游侧的两个端口。利用光子检测器55来识别有无向非对称马赫曾德尔干涉系统54的两个下游端口输出的3连式微弱光脉冲59的中央的光脉冲中所包含的光子并进行记录。

在3连式微弱光脉冲59中的中央的光脉冲内，在发送侧非对称马赫曾德尔干涉系统的长边通过、在接收侧的短边通过的光脉冲和在发送侧的短边通过、在接收侧的长边通过的光脉冲有用，通过这些有用的两个光脉冲的干涉，使到达向两个输出端口的输出光强度比与2连式微弱光脉冲58的光学迟延(相对的相位)以正弦波函数的模式相依存。

在该光学干涉系统中，对2连式微弱光脉冲58的光学迟延(相对的相位)给予调制，由此可进行基于量子密码原理的加密密钥分发。

为了此目的，利用在通过发送侧的非对称马赫曾德尔干涉系统52的过程中含有光脉冲的相位调制器56来进行{0、π/2、π、3π/2}的4值的相位调制，利用在通过接收侧的非对称马赫曾德尔干涉系统54的过程中含有传输至光纤53后的2连式脉冲的相位调制器57来进行{0，π/2}的2值的相位调制。

通过适当调节非对称马赫曾德尔干涉系统52和54中的光学迟延，可执行非专利文献1所提出的采用非正交4状态的量子密码密钥分发协议，并进行安全的密钥分发。

基于这样的相位编码的量子密码装置有与光纤传输通路53的相性良好、可进行长距离密钥分发这样的优点，但是，也存在必须以每一光波长的精度来维持收发者分别具有的非对称马赫曾德尔干涉系统52、54的相对光学迟延这样的问题。

分散地配置于这些收发者的非对称马赫曾德尔干涉系统52、54的光学迟延，由于温度变化等其他原因而独立地摇动或漂移，所以光干涉效果容易消失。

为了解决该问题，而需要测量两个非对称马赫曾德尔干涉系统52、54的相对光学迟延变化、并反馈测定结果以恒定维持相对光学迟延的有源的控制装置。这样的测定装置不仅其自身的系统复杂、而且用于测量的参照光使系统噪音增加，这成为量子密码装置性能恶化的原因。

近年，为了解决这样的问题，如在南部等著“BB84 Quantum KeyDistribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits”“JapanJournal of Applide Physicd”(Jpn J.Appl.Phys.)，43号(2004年出版)，L1109页(非专利文献5)，木村等著“Single-Photon lnterference over 150kmTransmission Using Sirica-basedlntegrated-optic lnterferometers for QuantumCryptography”Japan Journal of Applide Physicd(Jpn J.Appl.Phys.)，43号(2004年出版)，L1217页(非专利文献6)中所记载的那样，研究并开发了应用平面光路(PLC：Photonic Lightwave Circuit)技术的量子密码装置。该量子密码装置利用在硅基板上由图案结构形成的光波导路来制作非对称马赫曾德尔干涉系统，从而，具有如下的优点，即，可仅通过温度控制这样的无源控制来实现不受干扰影响的稳定的光学干涉系统，并能够建立低噪声的系统。

但是，在采用了PLC的安装的情况下，利用现有技术难以制作含有如之前所示的相位调制器的低损失的非对称马赫曾德尔干涉系统。即使由于在PLC包含相位调制器而导致的成本增加不成为问题，但由于设备的光学损失增加与将微弱光用作信息载体的量子密码装置的性能恶化直接相关，所以是不能允许的。

为了解决该问题，研究、开发了在非对称马赫曾德尔干涉系统的外部配置有相位调制器的如图6所示的量子密码装置。

在该装置中，将装備在发送侧的微弱激光光源61所发生的微弱短光脉冲入射到由发送侧的PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统62，由此在光纤传输通路上准备空间分离了该长短边光路差的相干2连式微弱光脉冲69。2连式微弱光脉冲69在光纤传输通路63上传输。通过由PLC构成的接收侧的非对称马赫曾德尔干涉系统64，将2连式微弱光脉冲69变换为3连式光脉冲70，并向下游侧的两个端口输出。通过光子检测器65来识别有无向非对称马赫曾德尔干涉系统64的两个下游端口输出的3连式脉冲70的中央光脉冲中所包含的到达光子并进行记录。

此时，如图6所示，在发送侧的非对称马赫曾德尔干涉系统62的下流串联插入相位调制器(PMA1、PMA2)66、67。对这些相位调制器(PMA1、PMA2)66、67与各自调制器的2连式微弱光脉冲69通过时刻同步地施加脉冲性调制信号，从而，对2连式微弱光脉冲69的一个脉冲选择地给予{0、π/2、π、3π/2}的4值的相位调制，并且对2连式微弱光脉冲69的光学迟延(相对相位)给予4值调制。

另一方面，还向发送侧的非对称马赫曾德尔干涉系统64的上流串联插入相位调制器(PMB1)68，对该相位调制器(PMB1)68与2连式微弱光脉冲69通过时刻同步地施加脉冲性调制信号，从而，对2连式微弱光脉冲69的一一方的脉冲选择地给予{0、π/2}的2值的相位调制，并且对2连式微弱光脉冲69的光学迟延(相对相位)给予2值调制。

通过适当地调节发送侧以及接收侧的非对称马赫曾德尔干涉系统62及64中的光学迟延，可以与图5的量子密码装置同样地执行采用了非专利文献1提出的非正交4状态的量子密码密钥分发协议，并进行安全的密钥分发。

虽然确认采用了上述PLC的量子密码装置发挥作用，不过为了进行2连式微弱光脉冲的相位调制，需要进行脉冲的相位调制，装置变得复杂。例如，非对称马赫曾德尔干涉系统的长短边光路差典型地为5毫微秒左右，为了对2连式微弱光脉冲的一个脉冲有选择地给予相位调制，需要1毫微秒等级脉冲的调制装置。

因而，还需要用于与光脉冲通过同步地给予脉冲调制的高精度信号同步系统，这样该调节操作变得复杂。另外，当考虑插入的相位调制器的光学损失时，希望减少或去除相位调制器。

如上所述，在上述非专利文献2～4及非专利文献5～6所公开的量子密码装置中，非对称马赫曾德尔干涉计及相位调制器都存在问题。而且，在非专利文献1～4所示的现有的基于相位编码的量子密码装置中，需要在长时间内维持两个非对称马赫曾德尔干涉系统的光路长的相对差，因此，需要有源的控制装置，使装置复杂化。

如非专利文献5～6所示，可通过由PLC构成两个非对称马赫曾德尔干涉系统来避免该问题，不过为了进行信号调制而需要与脉冲性相位调制高精度同步的信号系统，使装置及其调节复杂化。即，无论选择哪种安装方法都难以避免装置的复杂化。

发明内容

本发明是鉴于上述现有技术存在的问题点而作出的，其目的是提供使正规使用者应该具有的装置构成为比现有技术简单的装置的量子密码装置。

第一本发明的量子密码装置的特征是具有：发生成为量子比特的信息载体的光子的微弱激光光源；由平面光路构成的三个以上的非对称马赫曾德尔干涉系统；传输该光子的光传输通路；光子检测器；记录发送者的发送数据和接收者的观测数据的装置；以及用于在正规利用者间进行古典的通信的古典通信通路。

第二本发明的量子密码装置的特征是具有：发生成为量子比特的信息载体的光子的微弱激光光源；由平面光路构成的两个以上的非对称马赫曾德尔干涉系统；切换偏振分束器或偏振面的偏振开关；扰乱光传输通路上的偏振面扰频器或偏振片；传输该光子的光传输通路；光子检测器；记录发送者的发送数据和接收者的观测数据的装置；以及用于在正规利用者间进行古典的通信的古典通信通路。

本发明的量子密码装置的特征是，通过采用由PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统，来排除可维持非对称马赫曾德尔干涉系统的光路长度的相对差的有源控制装置，同时还能排除高速且高精度的信号调制装置。

在本发明的第一发明中，通过采用由三个以上的由PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统，来排除发送者、接收者或两者的信号调制装置。

在本发明的第二发明中，通过与由PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统一起并用90度切换偏振分束器或偏振面的偏振开关以及偏振面扰频器或偏振片，可将发送者、接收者或两者所需的高速、高精度的相位调制装置置换为更低速、更低精度的偏振面调制器。

通过本发明可使正规使用者应该具有的装置的构造简单化，其操作变得容易。因此，与非专利文献1～6所公开的量子密码装置相比，能够显著地减轻正规使用者的装置以及装置运用的经济上及技术上的负担。

附图说明

图1是表示本发明第一实施例的量子密码装置的结构图。

图2是表示本发明第二实施例的量子密码装置的结构图。

图3是表示本发明第三实施例的量子密码装置的结构图。

图4是表示本发明第四实施例的量子密码装置的结构图。

图5是表示现有的量子密码装置的一例的结构图。

图6是表示现有的量子密码装置的其他例的结构图。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。

以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。在以下实施例中说明在使装置简单化以及制造成本降低这样的思路下可由收发者共用具有大致相同结构的装置的、在收发者侧对称构成的量子密码装置，不过本发明完全不受这种结构上的制约。不言而喻，还同样可以实施以下所示的四个实施例的组合了任意发送装置和任意接收装置的量子密码装置。

图1是表示本发明第一实施例的量子密码装置的结构图。发送装置具有：光源部11，其由产生成为量子比特信息载体的光子的四组微弱激光光源组成；以及干涉部12，其由利用两组PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成，另一方面，接收装置具有：干涉部12，其由利用两组PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成；以及检测部13，其由四组光子检测器(D00、D01、D10、D11)组成。另外，利用传输微弱光的光传输通路14来连接发送装置和接收装置。即，图1所示的量子密码装置的特征是，在发送侧具有四个微弱激光光源，并且在收发侧各设有两组、合计四组的马赫曾德尔干涉系统，由此，不需要相位调制器。

图2是本发明第二实施例的量子密码装置的结构图。发送装置具有：光源部21，其由产生成为量子比特信息载体的光子的四组微弱激光光源组成；偏振部22，由两组偏振分束器组成；干涉部23，其由利用PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成；以及偏振面扰频器24，其扰乱偏振面。

一方面，接收装置由：干涉部23，其由利用PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成；由两组偏振分束器组成的偏振部22；以及由四组光子检测器组成的检测部25构成，发送装置和接收装置通过传输微弱光的光传输通路26进行连接。从附图中可以明确地了解，第二实施例的特征是，在发送装置侧以及接收装置侧共计具有两个非对称马赫曾德尔干涉系统，并且在发送装置侧以及接收装置侧分别具备具有两组偏振分束器的偏振部22，排除相位调制器。

图3是本发明第三实施例的量子密码装置的结构图。发送装置具有：光源部31，其由产生成为量子比特信息载体的光子的两组微弱激光光源组成；由两组偏振面开关组成的开关部32；干涉部33，其由利用PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成；以及偏振面扰频器34，其扰乱偏振面。

另一方面，接收装置具有：干涉部33，其由利用PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成；开关部32，其由两组偏振面开关组成；以及光子检测部35，其由两组光子检测器组成。发送装置和接收装置经由传输微弱光的光传输通路36进行连接。从图3中可以明确地了解，第三的实施例的特征是，在发送装置侧以及接收装置侧共计具有两个非对称马赫曾德尔干涉系统，并且在发送装置侧以及接收装置侧分别具有由两组偏振面开关组成的开关部32，排除相位调制器。

图4是本发明第四实施例的量子密码装置的结构图。发送装置具有：光源部41，其由产生成为量子比特信息载体的光子的两组微弱激光光源组成；偏振控制部42，其由两组偏振控制器组成；干涉部43，其由利用PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成；开关部44，其由单个偏振面开关组成；以及偏振面扰频器45，其扰乱偏振面。

接收装置具有：开关部44，其由单个偏振面开关组成；干涉部43，其由利用PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成；以及检测部46，其由两组光子检测器组成。发送装置以及接收装置经由传输微弱光的光传输通路47进行连接。在图4所示的例子中，在发送装置侧以及接收装置侧都设有共计由两个PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统43、偏振面开关44以及偏振面扰频器45，由此，不需要相位调制器。

虽然在图1～4中未图示，但收发者的记录装置可由个人计算机来构成，而且在分发了量子加密密钥后，经由通常的因特网等古典通信路径进行通信。

以下，参照图对本发明的四个实施例的动作依次进行说明。

在图1所示的本发明第一实施例中，正规发送者从由发生同一波长λ的相干光的四组微弱激光光源构成的光源部11中随机地选择光源，由选出的光源射出微弱的短光脉冲。向各非对称马赫曾德尔干涉系统的两个输入端口入射短光脉冲后，可根据输入端口的选择在输出端口上准备相对相位仅相差π的相干2连式微弱光脉冲(明确定义了相对相位的两个光脉冲)。

这里，设有由长短边光路差仅相差(m+1/2)λ/2n的两组干涉系统组成的干涉部12，其中，将m设为整数，将n设为PLC波导路的实际折射率。即，如果将构成干涉部12的一个干涉系统的长短边光路差设为L1、另一个干涉系统的长短边光路差设为L2，则L1—L2＝(m+1/2)λ/2n。利用光耦合器将两组干涉系统12的输出端口与共用的光传输通路结合。

构成干涉部12的两组干涉系统可分别根据输入端口的选择在光传输通路上准备0基底系统：{0、π}以及π/2基底系统：{π/2、3π/2}的属于相互共扼的基底系统的2连式微弱光脉冲。因此，通过随机地选择微弱激光光源11，可在光传输通路上随机地准备使用非正交4状态的量子密码所需的相对相位偏置到{0、π/2、π、3π/2}的4种相干2连式微弱光脉冲15。

另一方面，接收装置具备由具有与发送装置同样的长短边光路差的利用两组PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部12，其输入端口利用光耦合器与传输微弱光的光传输通路14结合。利用四组光子检测端13来检测有无来自各个干涉系统的3连式微弱光脉冲输出16的中央的脉冲所包含的到达光子。

此时，在发光部11中的光源(LD00～LD11)的选择是{LD00或LD01}、且检测部13中的光子检测器(D00～D11)的光子检测是{D00或D01}时(全事件的1/4)，以及在发光部11中的微弱激光光源(LD00～LD11)的选择是{LD10或LD11}、且光子检测部13的光子检测是{D10或D11}时(全事件的1/4)，可通过温度控制等的方法来控制干涉部12，以使光源选择和光子检测后的检测器完全相关。

关于这个以外的光源选择和已光子检测的检测器的组合，在两者之间不完全相关，从而在密钥生成中不采用。以上的动作满足使用了非正交4状态的量子密码装置的充分必要条件，按照已提出的协议可在收发者间共有无条件安全的密钥。

根据该装置结构，完全不需要如现有技术那样选择地调制2连式微弱光脉冲的一个脉冲的高速的信号调制器，仅选择构成光源部11的微弱激光光源进行驱动既可，从而可简便地构成量子密码装置。虽然必需进行干涉部12的精密控制，但利用PLC技术可容易地解决。由于光子检测器增加到2倍，所以暗计数的噪声增加到2倍，不过因为不需要调制器，从而通过排除其光学损失可几乎抵消。

接着，对图2所示的第二本发明的第一实施例进行说明。正规发送者从发生同一波长λ的相干光的四组微弱激光光源(LD00～LD11)组成的光源部21中随机选择光源，由选出的光源射出微弱的短光脉冲。构成光源部21的四组微弱激光光源LD00及LD01、LD10及LD11发生相互正交的直线偏振微弱脉冲光。这里，微弱激光光源LD00及LD10产生TE偏振，另一方面，微弱激光光源LD01及LD11产生TM偏振。

四组微弱激光光源LD00及LD10、LD01及LD11所产生的微弱脉冲光经由构成偏振部22的两组偏振分束器，入射到由单个PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统的两个输入端口。

具体而言，从光源部21的微弱激光光源LD00及LD10出射的短脉冲光(TE偏振)具有与构成干涉部23的基板面平行的偏振面，另一方面，从微弱激光光源LD01及LD11出射的短脉冲光(TM偏振)具有与干涉系统23的基板面垂直的偏振面。已图示的干涉部23利用硅波导路的双折射特性，通过剧烈的温度调节来进行控制，以使针对TE偏振光和TM偏振光，长短边光路差相差(m+1/2)λ/2n。从而，通过选择干涉部23的输入脉冲光的偏振面，可以从相对相位0基底系统：{0，π}及π/2基底系统{π/2、3π/2}中自由地选择准备的2通微弱光脉冲所属的基底系统。

同时，可通过输入端口的选择从{0，π}中选择输出2连式微弱光脉冲的相对相位来进行控制。2连式微弱光脉冲在通过偏振面扰频器24，由此在消去了2连式微弱光脉冲的偏振面和选择基底之间的相关之后，向传输微弱光的光传输通路26输出。通过以上的装置结构来随机地选择构成光源部21的微弱激光光源(LD00～LD11)，可以在光传输通路上随机地准备采用非正交4状态的量子密码所需的、相对相位偏置了{0、π/2、π、3π/2}的4种相干2连式微弱光脉冲27。

另一方面，接收装置具备由具有与发送装置同样的长短边光路差的利用PLC构成的单个的非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部23，其输入端口的一个与传输微弱光的光传输通路26结合。利用与输出端口下游连接的构成偏振部22的两个偏振分束器，将干涉部23的TE偏振光导入检测部25的光子检测器D00及D10，将TM偏振光导入光子检测器D01及D11。

利用四组光子检测器(D00～D11)来检测有无偏振部22的偏振分束器的3连式微弱光脉冲输出28的中央的脉冲所包含的到达光子。构成接收侧的干涉部23的单个非对称马赫曾德尔干涉系统与发送侧同样，利用剧烈的温度调节来进行控制，以使其长短边光路差依据TE/TM偏振面选择而相差(m+1/2)λ/2n。此时，在光源21的选择是微弱激光光源{LD00或LD01}且检测部25的光子检测是光子检测器{D00或D01}时(全事件的1/4)、以及在光源21的选择是微弱激光光源{LD10或LD11}且检测部25的光子检测是光子检测器{D10或D11}时(全事件的1/4)，可通过微小的温度控制来控制干涉系统23，以使光源选择与光子检测后的检测器完全相关。关于这个以外的光源选择和光子检测后的检测器的组合，在两者之间不完全相关，从而在密钥生成中不采用。

以上的动作满足使用了非正交4状态的量子密码装置的充分必要条件，根据已提出的协议可在收发者间共有无条件安全的密钥。

根据该装置结构，完全不需要如现有技术那样有选择地调制2连式微弱光脉冲的一个脉冲的高速的信号调制器，仅选择微弱激光光源11来进行驱动即可，从而可简便地构成量子密码装置。虽然与上述实施例相比可减少构成干涉部23的非对称马赫曾德尔干涉系统的个数，但基于偏振分束器22的光学损失增加。另外，由于光子检测器增加到2倍，所以暗计数的噪声增加到2倍。

接着，对图3所示的实施例进行说明。正规发送者从发生同一波长λ的相干光的光源部31的两组微弱激光光源中随机的选择光源，从选出的光源射出微弱的短光脉冲。构成光源部31的微弱激光光源发生明确定义了偏振的直线偏振微弱脉冲光，其偏振面可通过构成偏振部32的两组偏振开关来切换为由干涉部33定义的TE及TM偏振。构成偏振部32的偏振开关可由偏振调制器以及偏振片构成。其输出光入射到由利用单个PLC构成的单个非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部33的两个输入端口。

构成干涉部33的非对称马赫曾德尔干涉系统通过剧烈的温度调节来进行控制，以使针对TE偏振光和TM偏振光，长短边光路差相差(m+1/2)λ/2n。由此，利用构成偏振部32的偏振开关(POLSW)来选择非对称马赫曾德尔干涉系统的输入脉冲光的偏振面，从而可以从相对相位0基底系统：{0，π}及π/2基底系统{π/2、3π/2}中自由地选择准备的2通微弱光脉冲所属的基底系统。同时，可通过输入端口的选择从{0，π}中选择输出2连式微弱光脉冲的相对相位来进行控制。2连式微弱光脉冲通过偏振面扰频器34，由此在消去了2连式微弱光脉冲的偏振面和选择基底之间的相关之后，向传输微弱光的光传输通路36输出。

通过以上的装置结构来随机地选择构成微弱激光光源以及偏振开关的动作，由此可以在光传输通路上随机地准备采用非正交4状态的量子密码所需的、相对相位偏置了{0、π/2、π、3π/2}的4种相干2连式微弱光脉冲15。

另一方面，接收装置具备由具有与发送装置同样的长短边光路差的利用PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部33，其输入端口的一个与传输微弱光的光传输通路36结合。利用与输出端口下流连接的构成偏振部32的偏振开关，来选择干涉部33的输出光的TE偏振分量或TM偏振分量，并导入检测部35的光子检测器D0、D1。利用检测部35的两组光子检测器来检测有无接收装置的偏振开关(POLSW)的3连式脉冲输出38的中央的脉冲所包含的到达光子。接收装置的干涉部33与发送侧同样，利用剧烈的温度调节来进行控制，以使其长短边光路差通过TE/TM偏振面选择而相差(m+1/2)λ/2n。

此时，在构成收发装置中的偏振部32的偏振开关的选择为同一偏振时(全事件的1/2)，可通过微小的温度控制来控制干涉系统33，以使光源选择与已光子检测的检测器完全相关。另一方面，在收发装置的偏振部32的偏振开关的选择为不同的偏振时(全事件的1/2)，光源选择和已光子检测的检测器之间不完全相关，从而在密钥生成中不采用。

以上的动作满足使用了非正交4状态的量子密码装置的充分必要条件，根据已提出的协议可在收发者间共有无条件安全的密钥。

根据该装置结构，不需要如现有技术那样选择地调制2连式微弱光脉冲的一个脉冲的高速的信号调制器，仅利用以系统反复周可动作的低速的两组偏振开关来选择来自两组微弱激光光源的偏振面既可。在该实施例中，构成干涉部33的非对称马赫曾德尔干涉系统的个数只要有两个就足够了，不过基于构成偏振部32的偏振开关的光学损失增加。但是，在该实施例中，因为光子检测器有2个就足够了，所以基于暗计数的噪声没有增加。

最后，对图4所示的实施例进行说明。正规发送者从发生同一波长λ的相干光的光源部41的两组微弱激光光源中随机选择光源，从选出的光源射出微弱的短光脉冲。光脉冲利用构成偏振控制部42的偏振控制器转换为由干涉部43的非对称马赫曾德尔干涉系统所定义的TE及TM偏振的等权重率的重合状态、例如圆偏振。

控制部42的输出光入射到由利用单个PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部43的两个输入端口。干涉部43利用剧烈的温度调节进行控制，以使针对TE偏振光和TM偏振光，长短边光路差相差(m+1/2)λ/2n。利用偏振部44的偏振开关来选择其输出光的TE或TM偏振分量，并使其通过偏振面扰频器45，由此在消去2连式微弱光脉冲的偏振面与选择基底之间的相关后，输出至传输微弱光的光传输通路47。通过以上的装置结构，利用偏振开关来选择干涉部43的输出脉冲光的偏振面，从而可从相对相位0基底系统：(0、π)及π/2基底系统：(π/2、3π/2)中自由选择准备的2连式微弱光脉冲所属的基底系统。同时，根据输入端口的选择可从(0、π)中选择输出2连式微弱光脉冲的相对相位来进行控制。因此，通过随机地选择光源部41的微弱激光光源(LD0、LD1)以及偏振部44的偏振开关的动作，可将使用非正交4状态的量子密码所需的、相对相位偏置{0、π/2、π、3π/2}的4种相干2连式微弱光脉冲48随机准备到光传输通路47上。

另一方面，接收装置具备由具有与发送装置同样的长短边光路差的利用PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统组成的干涉部43，其输入端口选择干涉部43所定义的TE及TM偏振分量，经由透过的偏振开关44与传输微弱光的光传输通路47结合。利用偏振开关44来选择2连式微弱光脉冲48的TE或TM偏振分量，为了与发送装置同样地根据TE/TM偏振面选择使长短边光路差相差(m+1/2)λ/2n，而入射到通过剧烈的温度调节来控制的构成干涉部43的单个非对称马赫曾德尔干涉系统。将干涉部43的输出光的TE偏振分量或TM偏振分量导入检测部46的光子检测器(D0、D1)，并利用检测部46的两组光子检测器(D0、D1)来检测有无其3连式脉冲输出49的中央的脉冲所包含的到达光子。

此时，可通过微小的温度控制来控制干涉部43，以使在收发装置的偏振部44中的偏振开关(POLSW)的选择为同一偏振时(全事件的1/2)，光源选择与光子检测后的检测器完全相关。

在收发装置的偏振部44的偏振开关(POLSW)的选择为不同的偏振时(全事件的1/2)，光源选择与已光子检测的检测器之间不完全相关，从而在密钥生成中不采用。

以上的动作满足使用了非正交4状态的量子密码装置的充分必要条件，按照已提出的协议可在收发者间共有无条件安全的密钥。

根据该装置结构，不需要如现有技术那样有选择地调制2连式微弱光脉冲的一个脉冲的高速的信号调制器，仅利用可以以系统反复周期进行动作的低速的偏振开关44选择光源部41的微弱激光光源的偏振面即可。虽然干涉部43的个数有2个就足够了，不过基于偏振部44的偏振开关(POLSW)的光学损失增加。在该实施例中，因为光子检测器(D0、D1)有2个就足够了，所以没有暗计数的噪声增加。此外，说明了第一～第四实施例的发送装置分别与第一～第四实施例的接收装置组合地进行使用的情况，不过第一～第四实施例的发送装置可与其他实施例的接收装置组合地进行使用。

以上本发明的共有的特征在于不需要现有技术那样的高速的信号调制器，仅利用可以以系统反复周期内进行动作的低速的信号调制就足够了，与利用PLC构成的非对称马赫曾德尔干涉系统的应用相互结合，可使正规使用者应该具有的装置的构造简单化，其操作容易化。因此，与非专利文献1～6所公开的量子密码装置相比，可显著减轻正规使用者的装置及用于装置运用的经济上及技术上的负担。

本发明的量子密码装置可利用简单的装置结构长距离地分发加密密钥，这在安全性高的通信系统中作用非常显著。

Claims (15)

1.一种量子密码装置，具有：

发送成为量子比特的信息载体的光子的发送侧；以及经由光传输通路与该发送侧连接并接收上述光子的接收侧；

在上述发送侧和上述接收侧设有由平面光路(PLC)构成的三个以上的非对称马赫曾德尔干涉系统，由此不需要上述发送侧以及接收侧双方的相位调制器。

2.根据权利要求1所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧具有：发生同一波长的相干脉冲光的四组微弱激光光源；以及由上述PLC构成的两组非对称马赫曾德尔干涉系统，

该两组非对称马赫曾德尔干涉系统具备互不相同的长短边光路差。

3.根据权利要求2所述的量子密码装置，其特征在于，

在将由上述PLC所构成的两组非对称马赫曾德尔干涉系统的长短边光路差分别设为L1和L2时，利用如下公式进行表示：

L1—L2＝(m+1/2)λ/2n(其中，m为整数，n为构成各非对称马赫曾德尔干涉系统的波导路的实际折射率，λ为上述相干光的波长)。

4.根据权利要求3所述的量子密码装置，其特征在于，

随机选择上述四组微弱激光光源的相干光，并输入到由上述PLC构成的两组非对称马赫曾德尔干涉系统，在上述光传输通路上发送具有非正交4状态的2连式微弱光脉冲。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的量子密码装置，其特征在于，

上述接收侧具有：由上述PLC构成的两组非对称马赫曾德尔干涉系统；和四组光子检测器。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的量子密码装置，其特征在于，

上述接收侧具有：由上述PLC构成的、与上述光传输通路连接的单个非对称马赫曾德尔干涉系统；与该单个非对称马赫曾德尔干涉系统的两个输出端口连接的两个偏振分束器；以及四组光子检测器。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的量子密码装置，其特征在于，

上述接收侧具有：由上述PLC构成的、与上述光传输通路连接的单个非对称马赫曾德尔干涉系统；与该单个非对称马赫曾德尔干涉系统的两个输出端口连接的、选择输出光的TE以及TM偏振分量的两个偏振开关；以及两组光子检测器。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的量子密码装置，其特征在于，

上述接收侧具有：与上述光传输通路连接且选择上述光传输通路上的光脉冲的TE或TM偏振分量的偏振开关；由上述PLC构成并与上述偏振开关连接的单个非对称马赫曾德尔干涉系统；以及两组光子检测器。

9.一种量子密码装置，具有：发送成为量子比特的信息载体的光子的发送侧；以及经由光传输通路与该发送侧连接并接收作为2连式微弱光脉冲的上述光子的接收侧；

在上述发送侧和上述接收侧设有由平面光路(PLC)构成的两个以上的非对称马赫曾德尔干涉系统、以及切换偏振分束器或偏振面的偏振开关，由此不需要上述发送侧以及接收侧双方的相位调制器。

10.根据权利要求9所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧包含：发生相互正交的同一波长的直线偏振相干脉冲光的两组(计四个)微弱激光光源；选择由上述两组光源输出的直线偏振微弱脉冲的偏振面的两个偏振分束器；以及由PLC构成的与上述两个偏振分束器连接的单个非对称马赫曾德尔干涉系统。

11.根据权利要求9所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧具有：发生同一波长的相干光的两组微弱激光光源；分别与上述两组光源连接并选择互不相同的偏振光的两组偏振开关；以及由上述PLC构成的与上述两组偏振开关连接的单个的非对称马赫曾德尔干涉系统。

12.根据权利要求9或11所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧具有连接在上述单个非对称马赫曾德尔干涉系统的单个输出端口与上述光传输通路之间的偏振扰频器。

13.根据权利要求9所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧具有：发生同一波长的相干光的两组微弱激光光源；选择来自上述两组光源的相干光，并将选出相干光的偏振面转换为圆偏振的偏振控制器；由上述PLC构成的与上述偏振控制器连接的单个的非对称马赫曾德尔干涉系统；以及与上述单个非对称马赫曾德尔干涉系统和上述光传输通路连接的偏振开关。

14.根据权利要求13所述的量子密码装置，其特征在于，

上述发送侧具有连接在上述偏振开关和上述光传输通路之间的偏振扰频器。

15.根据权利要求9～14中任意一个所述的量子密码装置，其特征在于，

上述接收侧含有由PLC构成的单个的非对称马赫曾德尔干涉系统。

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