CN108604425B - 随机数序列生成装置、量子密码发送机以及量子密码通信系统 - Google Patents

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Abstract

随机数序列生成装置(1)包括：半导体激光装置(11)，反复生成每一个脉冲的相位无序的脉冲激光；干涉仪(12)，具有：有互不相同的传输路径长度的第1传输路径(22)和第2传输路径(23)，与输入端(20)一侧连接、输入脉冲激光的第1端口(24)，与输出端(21)一侧连接，输出经由任一的传输路径的脉冲激光的第2端口(25)，以及与输入端(20)一侧连接的第3端口(26)；法拉第镜(50)，与第2端口连接，反射脉冲激光；光电二极管(51)，与第3端口(26)连接，根据由法拉第镜(50)反射的、经由任一的传输路径的脉冲激光的干扰光，输出电信号；以及AD变换单元(53)，基于电信号的信号强度和阈值的大小关系，生成随机数序列。

Description

随机数序列生成装置、量子密码发送机以及量子密码通信 系统
技术领域
本发明的一个方式涉及随机数序列生成装置、量子密码发送机和量子密码通信系统。
背景技术
以往，已知用于在信息理论上安全地传输信息的量子密码通信系统。在量子密码通信系统中，信息的发送者通过基于光子的量子密钥分发(QKD：Quantum KeyDistribution)，对于接收者传输密钥。据此，发送者和接收者能够共享与密钥有关的信息而不被第三者获取(窃听)。发送者将应传输给接收者的信息使用密钥进行加密。然后，发送者将加密的信息通过任意的通信方式传输给接收者。接收者将加密的信息使用密钥进行解码。
基于随机数序列来获取密钥。作为类似这样的随机数序列，需要使用信息理论上的不可预测的物理随机数，并且不能够使用基于算法生成的伪随机数。此外，为了对应信息通信的高速化，对于随机数序列来说，存在要求生成速度达到例如数Gb/s以上的情况。
在量子密钥分发中，如果第三者从光子窃听与密钥有关的信息，则光子的量子状态根据不确定性原理而发生变化，并且留下窃听的痕迹。因此，发送者和接收者能够可靠地检测到窃听。作为能够执行类似这样的量子密钥分发的量子密码通信系统，例如在专利文献1中记载了具有包括半导体激光装置、干涉仪、以及随机数源的量子密码发送机的系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-233123号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1中记载的量子密码通信系统中，除被用于进行量子密钥分发的半导体激光装置以及干涉仪等之外，还独立设置了用于生成随机数序列的随机数源。在这里，在能够生成信息理论上不可预测的物理随机数的、且能够按例如数Gb/s以上的生成速度来生成随机数序列的随机数源中，存在装置结构变得复杂的情况。在使用类似这样的随机数源的情况下，使作为量子密码通信系统整体的装置结构复杂。
本发明的一个方式是鉴于上述课题而完成的，目的在于提供能够通过简单的结构而高速地生成信息理论上安全的随机数序列的随机数序列装置、量子密码发送机以及量子密码通信系统。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的一个方式的随机数序列生成装置包括：半导体激光装置，反复生成脉冲振荡的、每一个脉冲的相位无序的脉冲激光；干涉仪；光反射单元，与第2端口连接，反射从第2端口输出的脉冲激光，再次输入到第2端口；光电二极管，与第3端口连接，被输入通过光反射单元输入到第2端口、经由第1传输路径或第2传输路径的脉冲激光的干扰光，并且根据干扰光的输入而输出电信号；以及AD变换单元，基于电信号的信号强度和被预先设定的阈值之间的大小关系，生成随机数序列。所述干涉仪具有：第1传输路径和第2传输路径，有互不相同的传输路径长度；第1端口，与第1传输路径和第2传输路径的输入端一侧连接，被输入脉冲激光；第2端口，与第1传输路径和第2传输路径的输出端一侧连接，输出被输入到第1端口、且经由第1传输路径或第2传输路径的各个脉冲激光；第3端口，与输入端一侧连接。
在类似这样的随机数序列生成装置中，脉冲激光从第1端口经由第1传输路径或第2传输路径传输到第2端口，由光反射单元反射之后从第2端口经由第1传输路径或第2传输路径传输到第3端口。第1传输路径和第2传输路径有互不相同的传输路径长度。因此，在脉冲激光分别从第1端口被传输到第2端口时，以及从第2端口被传输到第3端口时，1个脉冲被分离成保持干扰性的2个脉冲(双脉冲)。在形成双脉冲的2个脉冲内，经由传输路径的长度更长的传输路径传输的脉冲比其它的脉冲延迟到达传输目的地的端口。因此，如果适当地设定第1传输路径和第2传输路径的传输路径长度的差，则从通过半导体激光装置在互不相同的时机而生成的2个脉冲激光中分离的脉冲将大致同时到达第3端口，且在第3端口中互相干扰并生成干扰光。在这里，由于脉冲激光的每个脉冲的相位无序，因此干扰光的干扰峰值的光强度为无序的值。如果该干扰光被输入到光电二极管，则光电二极管将输出与干扰峰值对应的峰值的信号强度无序的电信号。如果该电信号被输入到AD变换单元，则AD变换单元基于电信号的峰值的信号强度和被预先设定的阈值之间的大小关系，输出被2值化的随机数序列。因此，能够通过简单的结构，高速地生成信息理论上安全的随机数序列。
本发明的一个方式的量子密码发送机包括上述的随机数序列生成装置，干涉仪还具有与输出端一侧连接、输出被输入到第1端口、经由第1传输路径或第2传输路径的各个脉冲激光的第4端口，并且所述随机数序列生成装置也可以包括基于随机数序列存储单元中存储的随机数序列，调制从第4端口被输出的脉冲激光的光强度以及相位的调制单元。在这种情况下，由于将量子密码发送机所包括的半导体激光装置以及干涉仪也当作随机数序列生成装置的半导体激光装置以及干涉仪来利用，因此能够简化结构。
本发明的一个方式的量子密码通信系统包括上述的量子密码发送机，也可以包括将通过调制单元调制了光强度以及相位的脉冲激光，与量子密码发送机之间进行量子通信的量子密码接收机。在这种情况下，由于将量子密码发送机所包括的半导体激光装置以及干涉仪也当作随机数序列生成装置的半导体激光装置以及干涉仪来使用，因此能够简化结构。
发明效果
根据本发明的一个方式，能够提供通过简单的结构，能够高速地生成信息理论上安全的随机数序列的随机数序列生成装置、量子密码发送机以及量子密码通信系统。
附图说明
图1是表示本实施方式的量子密码通信系统的功能结构的概略图。
图2是表示图1的干涉仪的结构的图。
图3是用于说明脉冲激光的干扰的图。
图4是表示光电二极管根据干扰光的输入而输出的电信号的一例子。
图5是表示根据有无随机性的验证的密钥信息的传输距离和密钥生成速率之间的关系的图表。
图6是表示前提结构的量子密码通信系统的功能结构的概略图。
图7是表示图6的干涉仪的结构的图。
具体实施方式
以下一边参照附图一边对本发明涉及的随机数序列生成装置、量子密码发送机以及量子密码通信系统的优选的实施方式进行详细的说明。另外，在附图的说明中，对相同或者相当的部分附加相同的标号，并省略重复的说明。
(前提的结构)
首先，说明作为本实施方式的前提的量子密码通信系统的结构。
图6是表示前提结构的量子密码通信系统200的功能结构的概略图。如图6所示，量子密码通信系统200包括量子密码发送机210、包括光纤等的光传输路径80、以及量子密码接收机90。量子密码通信系统200是在量子密码发送机210和量子密码接收机90之间，不被第三者窃听地共享与密钥有关的信息(以下称为“密钥信息”)的系统。即，根据量子密码通信系统200，能够信息理论上安全地传输从量子密码发送机210要传输到量子密码接收机90的信息(以下称为“消息”)。
量子密码发送机生成随机数序列，并通过基于生成的随机数序列获取的密钥来加密消息。此外，量子密码发送机210使光子携带密钥信息，并将该光子输出到光传输路径80。另外，加密的消息例如通过网络等的任意的通信方式从量子密码发送机210传输到量子密码接收机90。光传输路径80将光子从量子密码发送机210传输到量子密码接收机90。量子密码接收机90从光传输路径80输入的光子所携带的密钥信息中获取密钥，并且将加密的消息基于密钥进行解码。
量子密码发送机210包括半导体激光装置11、干涉仪12、调制单元13、以及随机数源40。如果随机数源40能够生成信息理论上不可预测的物理随机数、且能够按例如数Gb/s以上的生成速度生成随机数序列，则不限定于规定的结构。另外，随机数源40被设置为独立于半导体激光装置11以及干涉仪12。
半导体激光装置11反复生成脉冲振荡、每个脉冲的相位无序的脉冲激光。例如，半导体激光装置11以在量子密码发送机210与量子密码接收机90所共享的同步信号的时钟频率，反复生成脉冲激光。在图中举例说明的是在相当一时钟互不相同的定时(timing)生成的脉冲激光L1、L2。半导体激光装置11将脉冲激光L1、L2输入到干涉仪12。
图7是表示图6的干涉仪12的结构的图。如图7所示，干涉仪12是非对称马赫曾德干涉仪。干涉仪12具有输入端20、输出端21、连接输入端20和输出端21的第1传输路径22以及第2传输路径23、与输入端20一侧连接的第1端口24及第3端口26、和与输出端21一侧连接的第2端口25及第4端口27。各端口用于在干涉仪12中脉冲激光L1、L2的输入输出。第1端口24与半导体激光装置11连接。半导体激光装置11将生成的脉冲激光L1、L2经由第1端口24输入到干涉仪12。
第1波束分离器28配置在输入端20。例如，由半导体激光装置11生成的脉冲激光L1被第1波束分离器分离成反射光和透射光。将在脉冲激光L1内由第1波束分离器28反射的脉冲激光的分量设为第1脉冲P1。此外，将在脉冲激光L1内透射了第1波束分离器28的脉冲激光的分量设为第2脉冲P2。第1脉冲P1和第2脉冲P2形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。
第1传输路径22是第1脉冲P1从输入端20被传输到输出端21的传输路径。第1传输路径22在其中途包括镜子29、30。另一方面，第2传输路径23是第2脉冲P2从输入端20被传输到输出端21的传输路径。第1传输路径22以及第2传输路径23有互不相同的传输路径长度。在这里，第1传输路径22的传输路径长度长于第2传输路径23的传输路径长度。
第2波束分离器31配置在输出端21。经由第1传输路径22的第1脉冲P1被第2波束分离器31分离成反射光和透射光。将在第1脉冲P1内由第2波束分离器31反射的脉冲激光的分量设为第3脉冲P3。此外，将在第1脉冲P1内透射了第2波束分离器31的脉冲激光的分量设为第4脉冲P4。第3脉冲P3和第4脉冲P4形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。
此外，经由第2传输路径23的第2脉冲P2被第2波束分离器31分离成反射光和透射光。将在第2脉冲P2内由第2波束分离器31反射的脉冲激光的分量设为第5脉冲P5。此外，将在第2脉冲内透射了第2波束分离器31的脉冲激光的分量设为第6脉冲P6。第5脉冲P5和第6脉冲P6形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。
这样一来，由输入到第1端口24的一个脉冲构成的脉冲激光L1，从第4端口27输出，作为保持干扰性并在时间上以及空间上分离的双脉冲的第3脉冲P3以及第6脉冲P6。
如图6所示，第4端口27与调制单元13连接。调制单元13具有强度调制单元32、状态生成单元33、以及衰减单元(衰减器)34。调制单元13对形成双脉冲的脉冲激光的光强度(即平均光子数)以及相位进行随机调制并生成发送用脉冲激光。调制单元13将生成的发送用脉冲激光输出到光传输路径80。另外，第2端口25以及第3端口26上什么都没有连接。
作为强度调制单元32，能够应用在通常的光通信中使用的公知的调制器。例如，强度调制单元32可以是使用了铌酸锂(LN：LiNbO3)晶体的马赫曾德型调制器。强度调制单元32在被输入第3脉冲P3以及第6脉冲P6后对光强度进行调制，以成为基于在随机数源40中生成的随机数而随机选择的期望的平均光子数。另外，强度调制单元32进行光强度调制，以成为与通过衰减单元34衰减光强度的衰减量相匹配的上述期望的平均光子数。
作为状态生成单元33，例如能够应用公知的相位调制器。状态生成单元33在第3脉冲P3以及第6脉冲的P6被输入之后，对第3脉冲P3以及第6脉冲的P6的相位进行调制，以成为基于在随机数源40中生成的随机数而选择的量子状态。
在这里，用于描述第3脉冲P3以及第6脉冲的P6的状态的基底，优选如以下那样选择。首先，在第3脉冲P3以及第6脉冲的P6内，将先行传输的第6脉冲P6的量子状态记载为|0>，将延迟传输的第3脉冲P3的量子状态记载为|1>。在这种情况下，双脉冲的量子状态用下述的式(1)表示。
Figure BDA0001751772920000061
在量子密钥分发中，在将使用诱饵态BB84协议作为前提的情况下，也可以将X基底以及Y基底采用为基底。这时，用下述的式(2)、式(3)、式(4)表示对于诱饵态BB84协议需要的4个状态。
Figure BDA0001751772920000071
|0>···(3)
|1>···(4)
如上，调制单元13随机地调制脉冲激光的量子状态，并分配进行了0或1的2值化的比特。这时，通过被随机地选择为X基底或Z基底的任一基底来描述各比特。
半导体激光装置11反复生成脉冲激光。因此，调制单元13生成随机地排列了进行了0或1的2值化的各比特的比特序列。该比特序列成为密钥的源。
量子密码通信系统200对密钥执行以下说明的密钥蒸馏处理。
量子密码发送机210将成为密钥的源的比特序列传输到量子密码接收机90。由于传输中的损耗，仅一部分发送的脉冲激光到达量子密码接收机90。量子密码接收机90包括解码器91、光子检测单元92。解码器91基于接收到的发送用脉冲激光，将构成作为密钥的源的比特序列的各比特的脉冲激光分配给与X基底或Z基底对应的光子检测单元92的各端口。其结果，在光子检测单元92中生成进行了0或1的2值化的各比特。即，调制单元13中生成的一部分比特序列在量子密码接收机90中被再现。之后，量子密码接收机90向量子密码发送机210通知检测出脉冲激光的光子检测单元92的端口(位置)。然后，量子密码接收机90中再现的比特序列被当作原始密钥。
接着，量子密码发送机210执行基底核对。即，量子密码发送机210将在量子密码发送机210中使用的基底(发送基底)和在量子密码接收机90中使用的基底(接收基底)进行核对。由除了发送基底和接收基底互不相同的比特之外的其它的比特构成的比特序列被当作移位密钥。
接着，量子密码接收机90对量子密码发送机120公开移位密钥的一部分。量子密码发送机210基于公开的移位密钥，估计量子密码接收机90对于量子密码发送机210发送的比特接收到错误的比特的比例即错误率。
接着，量子密码发送机210以及量子密码接收机90执行纠错。作为纠错，能够使用与在通常的通信中所执行的方法同样的手法。
接着，量子密码发送机210以及量子密码接收机90执行隐匿性增强。首先，量子密码发送机210以及量子密码接收机90基于估计出的错误率，估计在N比特的移位密钥内的有可能被第三者窃听的比特数(泄漏信息量)的上限值M。然后，量子密码发送机210以及量子密码接收机90从N比特的移位密钥中随机舍弃将常数s相加了上限值M后的M+s比特，并将剩余的移位密钥作为最终密钥。其结果，能够将窃听者能够获取最终密钥的几率降低到2-s以下。
顺便说明一下，通过使用通用散列函数来选择从移位密钥中随机舍弃的比特。作为通用散列函数，能够基于由随机数源生成的随机数，使用随机地选择了各分量的值(0,1)的矩阵。
此外，在隐匿性增强中所估计的泄漏信息量，因半导体激光装置11反复生成的脉冲激光之间的相位相关而不同。与假定没有相位相关的情况比较，在假定有相位相关的情况下，泄漏信息量被估计为大的值。
使用如上方法获取的最终密钥，量子密码接收机90将加密的消息进行解码。
[本实施方式的结构]
下面，说明本实施方式的随机数序列生成装置1、量子密码发送机10以及量子密码通信系统100的结构。
图1是表示本实施方式的量子密码通信系统100的结构组成的概略图。如图1所示，对于图6的量子密码通信系统200的量子发送机210，量子密码通信系统100的量子密码发送机10不同点在于：不包括随机数源40，以及包括法拉第镜(光反射单元)50、光电二极管51、处理电路52。另外，包含在量子密码发送机10中构成的随机数序列生成装置1，包含半导体激光装置11、干涉仪12、法拉第镜50、光电二极管51、处理电路52。
图2是表示干涉仪12的结构的概略图。如图2所示，干涉仪12的第2端口25上连接法拉第镜50。此外，第3端口26上连接光电二极管51。
在量子密码通信系统100中，从第2端口25对法拉第镜50输出上述的第4脉冲P4以及第5脉冲P5，并由法拉第镜50反射。由法拉第50反射的第4脉冲P4以及第5脉冲P5再次输入到第2端口25。
再次输入到第2端口25的第4脉冲P4被第2波束分离器31分离成反射光和透射光。将在第4脉冲P4内被第2波束分离器31反射的脉冲激光的分量设为第6脉冲P6。此外，将在第4脉冲P4内透射了第2波束分离器31的脉冲激光的分量设为第7脉冲P7。第6脉冲P6和第7脉冲P7形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。
此外，再次输入到第2端口25的第5脉冲P5被第2波束分离器31分离成反射光和透射光。将在第5脉冲P5内被第2波束分离器31反射的脉冲激光的分量设为第8脉冲P8。此外，将在第5脉冲P5内透射了第2波束分离器31的脉冲激光的分量设为第9脉冲P9。第8脉冲P8和第9脉冲P9形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。
第7脉冲P7在第1传输路径22传输而至第1波束分离器28，并被第1波束分离器28分离成透射光和反射光。将在第7脉冲P7内透射了第1波束分离器28的脉冲激光的分量设为第10脉冲P10。第10脉冲P10从第3端口26被输出到光电二极管51。
此外，第8脉冲P8在第2传输路径23传输而至第1波束分离器28，并被第1波束分离器28分离成透射光和反射光。将在第8脉冲P8内被第1波束分离器28反射的脉冲激光的分量设为第11脉冲P11。第11脉冲P11从第3端口26被输出到光电二极管51。
第10脉冲P10和第11脉冲P11形成保持干扰性并且在时间上以及空间上分离的双脉冲。第10脉冲P10比第11脉冲P11延迟到达第3端口26。在这里，第10脉冲P10比第11脉冲P11延迟的时间，由第1传输路径22和第2传输路径23的传输路径长度之差确定。
以上，说明了由半导体激光装置11生成的脉冲激光L1被法拉第镜50反射并到达光电二极管51为止的举动。同样，在由半导体激光装置11比脉冲激光L1延迟一时钟生成的脉冲激光L2中，脉冲也进行上述的举动。在这里，在脉冲激光L2中，将相当于脉冲激光L1的第10脉冲P10的脉冲(即，在从脉冲激光L2分离的脉冲内，从第1端口24经由第1传输路径22至第2端口25，被法拉第镜50反射后，经由第1传输路径22到达第3端口26的脉冲)设为第12脉冲P12。此外，在脉冲激光L2中，将相当于脉冲激光L1的第11脉冲P11的脉冲(即，在从脉冲激光L2分离的脉冲内，从第1端口24经由第2传输路径23至第2端口25，被法拉第镜50反射后，经由第2传输路径23到达第3端口26的脉冲)设为第13脉冲P13。
图3是用于说明脉冲激光的干扰的图。图3的状态A表示了各脉冲激光分别从第3端口26被输出到光电二极管51的定时的一例子。另外，在图3中，省略了第10脉冲P10、第11脉冲P11、第12脉冲P12、第13脉冲P13以外的脉冲。
在这里，如果适当地设定第1传输路径22以及第2传输路径23的传输路径长度之差，则第10脉冲P10、第11脉冲P11、第12脉冲P12、第13脉冲P13在如图3的状态B所示的定时从第3端口26被输出到光电二极管51。在状态B中，从脉冲激光L1分离出的第10脉冲P10和从脉冲激光L2分离出的第13脉冲P13，大致同时从第3端口26输出到光电二极管51。因此，如图3的状态C所示，在输入到光电二极管51时，第10脉冲P10和第13脉冲P13互相干扰并生成第14脉冲P14(干扰光)。
光电二极管51根据输入的干扰光而将电信号输出到处理电路52。作为光电二极管51，优选使用响应性特别良好的光电二极管。
由半导体激光装置生成的脉冲激光，每个脉冲的相位是无序的。因此，第14脉冲P14光强度为无序的值。图4是表示光电二极管51根据输入的干扰光而输出的电信号的一例子的图。如图4所示，若第14脉冲P14被输入到光电二极管51，则光电二极管51输出信号强度无序的电信号，对应第14脉冲P14的光强度。
处理电路52是处理从光电二极管51输出的电信号并获取随机数序列的电路。处理电路52具有AD变换单元53、随机数抽出单元54、随机性检定单元55、以及随机数序列存储单元56。
AD变换单元53将电信号从模拟值变换成数字值。AD变换单元53存储预先设定的阈值。AD变换单元53将电信号的峰值中的信号强度和阈值进行比较，基于它们之间的大小关系来输出2值化的随机数。另外，在从一个电信号的峰值中获取n比特的随机数序列的情况下，预先设定阈值T0、T1、···、Tu(其中，u＝2n-2)，在电信号的峰值中的信号强度V是Ti-1以上、小于Ti时，以二进制表示的i的值被当作n比特的随机数序列。另外，在信号强度V是Tu以上时，以二进制表示的u的值被当作n比特的随机数序列。此外，在信号强度V小于T0时，0被当作随机数的值。阈值T0、T1、···、Tu可以被设定为各随机数的值以大致等几率出现，由此，在想获取均匀随机数的情况下，能够提高随机数的生成效率。
随机数抽出单元54计算从m个电信号的峰值中获取的m×n比特的随机数序列中的min-熵Hmin。在这里，所谓的min-熵Hmin是在将作为随机数序列I(其中，I是以二进制表示的i的值)所出现的几率P(I)内的最大几率设为Pmax＝max×P(I)时，以Hmin＝-log2Pmax表示的值。随机数抽出单元54使用通用散列函数从m×n比特的随机数序列中随机地取出Hmin比特的随机数序列并输出。此外，随机数抽出单元54将Hmin和随机数序列的大小之比R＝Hmin/mn输出。
随机性检定单元55创建相当规定量(例如1M比特)收集了由随机数抽出单元54获取的随机数序列的随机数序列，并执行例如“块单位的频度检定”等的多个测试来进行随机性的验证。在随机数的验证中，对多个随机数序列执行各项测试，在全部的随机数序列符合全部的测试时，输出1(符合)，除此之外的情况下输出0(不符合)。此外，随机性检定单元55在Hmin和随机数序列的大小之比R大于与各协议中所要求的无序性对应的min-熵Hmin和随机数序列的大小之比Rc的情况下，输出1(符合)，除此之外的情况下输出0(不符合)。随机性检定单元55将符合随机性的验证的随机数序列输出到随机数序列存储单元56。
随机数序列存储单元56存储从随机性检定单元55输入的随机数序列。然后，在量子密钥分发的各进程中需要随机数序列时，随机数序列存储单元56输出存储的随机数序列。例如，在为了进行强度调制单元32中的光强度的选择、状态生成单元33中的光脉冲的状态的选择、隐匿性增强中从移位密钥中被舍弃的比特的选择等时，随机数序列存储单元56输出随机数序列。
如以上说明的那样，根据实施方式涉及的随机数序列生成装置1，在脉冲激光L1、L2从第1端口24经由第1传输路径或第2传输路径传输到第2端口25，由法拉第镜50反射后，从第2端口25经由第1传输路径22或第2传输路径23传输到第3端口26。第1传输路径22以及第2传输路径23有互不相同的传输路径长度。因此，在脉冲激光L1、L2分别从干涉仪12的第1端口24传输到第2端口25，以及从第2端口25传输到第3端口26时，一个脉冲被分离成保持干扰性的2个脉冲(双脉冲)。在形成双脉冲的2个脉冲内，经由传输路径长度长的第1传输路径传输的脉冲比经由第2传输路径23传输的脉冲延迟到达传输目的地端口。因此，如果适当地设定第1传输路径22以及第2传输路径23的传输路径长度之差，则从由半导体激光装置11以互不相同的定时生成的2个脉冲激光L1、L2中分离的脉冲大致同时地到达第3端口26，且在第3端口26中互相干扰并生成干扰光。在这里，由于脉冲激光L1、L2的每个脉冲的相位是无序的，因此干扰光的干扰峰值的光强度变为无序的值。若该干扰光输入到光电二极管51，则光电二极管51输出与干扰光峰值对应的峰值的信号强度无序的电信号。若该电信号输入到AD变换单元53，则AD变换单元53基于电信号的峰值的信号强度和被预先设定的阈值之间的大小关系，输出2值化的随机数序列。因此，能够根据简单的结构，高速地生成信息理论上安全的随机数序列。
此外，随机数序列生成装置1还包括存储在AD变换单元53中生成的随机数序列的随机数序列存储单元56。因此，能够在需要随机数序列时立即输出随机数序列。
此外，随机数序列生成装置1还包括对AD变换单元53中生成的随机数序列执行随机性的验证，并将符合验证的随机数序列输出到随机数序列存储单元56的随机性检定单元55。因此，能够保证在由半导体激光装置11生成的脉冲激光L1、L2之间不存在相位相关。
图5是表示对应有无随机性的验证的密钥信息的传输距离和密钥生成速率之间的关系的图表。在图5中，横轴表示密钥信息的传输距离，纵轴表示在一个脉冲激光从量子密码发送机10被发送到量子密码接收机90的情况下，能够生成保证了安全性的密钥的比特数(各脉冲的密钥生成速率)。图5表示了已验证随机性的随机数序列、以及未验证随机性的随机数序列的各自中密钥信息的传输距离和各脉冲的密钥生成速率之间的关系。在这里，所谓的“已验证随机性的随机数序列”是指在随机性检定单元55中执行了随机性的验证，并符合验证的随机数序列。另一方面，所谓的“随机性未被验证的随机数序列”是指在随机性检定单元55中未执行随机性验证的随机数序列。在量子密钥分发中，如果传输距离变长，则在传输路径中光强度衰减，所以由量子密码接收机90检测出的光子的比例下降。此外，如果传输距离变长，则传输路径中的噪音的影响变大，所以错误率增大。由此，随着传输距离变长，各脉冲的密钥生成速率下降，所以产生传输距离上的限制。
在这里，在随机数序列生成装置1中，在由半导体激光装置11反复生成的脉冲激光间不存在相位相关的情况下，光电二极管51中反复生成的干扰光的干扰峰值的光强度为无序的值。另一方面，在存在相位相关的情况下则失去该无序性。根据以上所述，通过验证获取到的随机数序列的随机性，从而变为验证脉冲激光的相位相关的有无。在保证不存在相位相关的情况下，能够将对于错误率的泄漏信息量预估得少。因此，能够进一步增加传输距离。
此外，根据实施方式涉及的量子密码发送机10，其包括随机数序列生成装置1，干涉仪12还具有与输出端21一侧连接、输出被输入到第1端口24、经由第1传输路径22或第2传输路径23的各个脉冲激光的第4端口27，并且该量子密码发送机10包括基于存储在随机数序列存储单元56中的随机数序列，对从第4端口27被输出的脉冲激光的光强度以及相位进行调制的调制单元13。因此，将量子密码发送机10包括的半导体激光装置11以及干涉仪12当作随机数序列生成装置1的半导体激光装置11以及干涉仪12来利用，从而能够简化结构。
此外，根据实施方式涉及的量子密码通信系统100，其包括量子密码发送机10，且包括将由调制单元13调制了光强度以及相位的脉冲激光与量子密码发送机10之间进行量子通信的量子密码接收机90。因此，将量子发送机10包括的半导体激光装置11以及干涉仪12当作随机数序列生成装置1的半导体激光装置以及干涉仪12来利用，从而能够简化结构。
另外，本发明不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，设量子密码通信系统100包括了包含光纤等的光传输路径80。因此，量子密码发送机10和量子密码接收机90经由光纤来传输携带密钥信息的光子。但是，光传输路径80也可以不包含光纤，在这种情况下，量子密码发送机10和量子密码接收机90例如也可以经由空间来传输携带密钥信息的光子。
此外，在上述实施方式中，设随机数序列生成装置1包括了处理电路52，但随机数序列生成装置1的处理电路52内至少包括AD变换单元53即可。
此外，在上述实施方式中，设干涉仪12是非对称马赫曾德干涉仪干，但干涉仪12例如也可以是非对称的迈克尔逊干涉仪等的其它种类的干涉仪。在将非对称的迈克尔逊干涉仪用作干涉仪12的情况下，需要追加用于反射干涉仪12的一部分输出的波束分离器等的光学部件。
此外，在上述实施方式中，设第2端口25与法拉第镜50连接，但第2端口25也可以与通常的镜连接。
此外，在上述实施方式中，设调制单元13将形成双脉冲的脉冲激光的光强度以及相位随机地进行调制。但是，不限于各脉冲激光的相位，调制单元13也可以对双脉冲之间的振幅比以及相位差进行调制(即双脉冲的状态)。具体来说，调制单元13内的状态生成单元33也可以将双脉冲间的振幅比以及相位差进行调制。另外，在这种情况下，状态生成单元33可以使用公知的相位调制器和公知的强度调制器的组合，或者使用了铌酸锂晶体的双电极型马赫曾德型调制器。特别地，在诱饵态BB84协议的状态中，调制单元13对双脉冲间的振幅比以及相位差进行调制。
此外，在上述实施方式中，在隐匿性增强中，在用于了从移位密钥中被随机舍弃的比特的选择中，设为基于由随机数源40生成的随机数，用使用了随机地选择各分量的值(0、1)的矩阵的通用散列函数。但是，在从移位密钥中被随机舍弃的比特的选择中，也可以使量子密码发送机10以及量子密码接收机90预先存储多个通用散列函数，并基于由随机数源40生成的随机数，进行适用哪个通用散列函数的选择。
此外，在上述实施方式中，将X基底以及Z基底采用为双脉冲的量子状态的基底，但也可以将X基底以及Y基底采用为双脉冲的量子状态的基底。这时，用下述的式(5)以及式(6)表示对于诱饵态BB84协议所需要的4个状态。
Figure BDA0001751772920000141
Figure BDA0001751772920000142
在这里，随机数序列生成装置也可以还包括存储在AD变换单元中生成的随机数序列的随机数序列存储单元。在这种情况下，能够在需要随机数序列时立即输出随机数序列。
此外，随机数序列生成装置也可以还包括对于在AD变换单元中生成的随机数序列执行随机性的验证，并将符合验证的随机数序列输出到随机数序列存储单元的随机性检定单元。在这种情况下，能够保证在由半导体激光装置生成的脉冲激光间不存在相位相关。
标号说明
1 随机数序列生成装置
10 量子密码发送机
11 半导体激光装置
12 干涉仪
13 调制单元
20 输入端
21 输出端
22 第1传输路径
23 第2传输路径
24 第1端口
25 第2端口
26 第3端口
27 第4端口
50 法拉第镜(光反射单元)
51 光电二极管
53 AD变换单元
55 随机性检定单元
56 随机数序列存储单元
90 量子密码接收机
100 量子密码通信系统
L1、L2 脉冲激光

Claims (4)

1.一种量子密码发送机，是包括随机数序列生成装置和调制单元的量子密码发送机，
所述随机数序列生成装置包括：
半导体激光装置，反复生成脉冲振荡的、每一个脉冲的相位无序的脉冲激光；
干涉仪，具有：第1传输路径和第2传输路径，有互不相同的传输路径长度；第1端口，与所述第1传输路径和所述第2传输路径的输入端一侧连接，被输入所述脉冲激光；第2端口，与所述第1传输路径和所述第2传输路径的输出端一侧连接，输出被输入到所述第1端口、且经由所述第1传输路径或所述第2传输路径的各个所述脉冲激光；第3端口，与所述输入端一侧连接；以及第4端口，与所述输出端一侧连接，输出被输入到所述第1端口、且经由所述第1传输路径或所述第2传输路径的各个所述脉冲激光；
光反射单元，与所述第2端口连接，反射从所述第2端口输出的所述脉冲激光，再次输入到所述第2端口；
光电二极管，与所述第3端口连接，被输入通过所述光反射单元输入到所述第2端口、经由所述第1传输路径或所述第2传输路径的所述脉冲激光的干扰光，并且根据所述干扰光的输入而输出电信号；
AD变换单元，基于所述电信号的信号强度和被预先设定的阈值之间的大小关系，生成随机数序列；以及
随机数序列存储单元，存储在所述AD变换单元中生成的所述随机数序列，
所述调制单元基于所述随机数序列存储单元中存储的所述随机数序列，调制从所述第4端口输出的所述脉冲激光的光强度和相位。
2.如权利要求1所述的量子密码发送机，
所述随机数序列生成装置还包括：随机性检定单元，对于在所述AD变换单元中生成的所述随机数序列执行随机性的验证，并将符合所述验证的所述随机数序列输出到所述随机数序列存储单元。
3.如权利要求1所述的量子密码发送机，
所述随机数序列生成装置还包括：随机数抽出单元，计算基于m个所述电信号的信号强度而生成的m×n比特的所述随机数序列中的min-熵Hmin，并从所述m×n比特的所述随机数序列中随机地取出所述Hmin比特的所述随机数序列并输出，
所述min-熵Hmin是在将作为随机数序列I所出现的几率P(I)内的最大几率设为Pmax＝max×P(I)时，以Hmin＝-log2Pmax表示的值。
4.一种量子密码通信系统，是包括权利要求1所述的量子密码发送机的量子密码通信系统，
所述量子密码通信系统包括：
量子密码接收机，将通过所述调制单元调制了光强度和相位的所述脉冲激光，与所述量子密码发送机之间进行量子通信。
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