CN109661793A - 量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法 - Google Patents

Abstract

量子加密密钥输出装置(1)具有：半导体激光装置(10)，反复生成脉冲激光L；编码器(11)，基于量子加密密钥对脉冲激光进行编码；光分支部(12)，使分脉冲激光L进行分支；以及衰减器(13)，使第1脉冲激光L1的光强度衰减，以使第1脉冲激光L1的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个。此外，量子加密密钥输出装置(1)还具有：光强度判定部(15)，判定第2脉冲激光L2的光强度是否在规定的范围内；以及信息输出部(16)，将用于确定与光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的确定信息，输出到量子加密密钥输入装置(2)。

Description

量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密 密钥输出方法

技术领域

本发明的一方式涉及量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法。

背景技术

用于在信息理论上安全地传输信息的量子加密密钥通信系统是已知的。在量子加密密钥通信系统中，信息的发送者通过量子密钥分发(QKD：Quantum Key Distribution)将由光子构成的量子加密密钥传输给接收者。此外，发送者通过量子加密密钥将要发送给接收者的信息进行加密，并通过任意的通信手段将被加密的信息发送给接收者。之后，接收者通过量子加密密钥来解码被加密的信息。由此，信息从发送者传输到接收者。在这里，若量子加密密钥从发送者传输到接收者时被第三者窃听，则构成量子加密密钥的光子的量子状态根据不确定性原理而发生变化。因此，在构成被窃听的量子加密密钥的光子中一定残留窃听的痕迹，发送者和接收者能够切实地检测出量子加密密钥的窃听。

在量子密钥分发中，对从发送者传输到接收者的量子加密密钥执行密钥蒸馏处理。密钥蒸馏处理包括：纠错，其纠正由窃听、噪声等引起的量子加密密钥的错误；以及隐匿性增强，其从存在由于窃听等而信息泄露的可能性的量子加密密钥，生成能够视为信息未泄露的量子加密密钥。在隐匿性增强中，通过估计与存在信息泄露的可能性的量子加密密钥有关的信息的量(泄漏信息量)的上限，并且根据所估计的泄漏信息量的上限来减少与量子加密密钥有关的信息的量，从而提高量子加密密钥的安全性。由上，在量子密钥分发中，能够在信息理论上安全地传输信息。

作为能够执行这样的量子密钥分发的量子加密密钥通信系统，已知如下量子加密密钥通信系统。该量子加密密钥通信系统具备：光源，采用诱骗态BB84协议并具有反复生成脉冲激光；编码器，对脉冲激光进行编码而生成携带了与加密密钥有关的信息的光脉冲；以及衰减部，使脉冲激光的光强度进行衰减，以使脉冲激光的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-46557号公报

发明内容

发明要解决的课题

另外，在这样的量子加密密钥通信系统中，构成量子加密密钥的脉冲激光的平均光子数设为与候选值一致，从而估计泄漏信息量的上限。但是，构成量子加密密钥的脉冲激光的实际的光子数相对于候选值包含有误差。作为光子数的误差的原因，例如考虑在光源的输出强度的波动、提供给编码器的电压的变动等。在这里，在评价信息的传输中的信息理论的安全性时，估计为在光子数的误差的范围内泄露的信息量变为最大，即使存在误差也能够确保安全性。因此，光子数的误差越大，泄漏信息量的上限被估计得越大，并且在隐匿性增强中与应减少的量子加密密钥有关的信息的量也变多。其结果为，存在量子加密密钥的生成率降低的问题。

本发明的一方式是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供能够提高量子加密密钥的生成率的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法。

用于解决课题的手段

本发明的一方式涉及的量子加密密钥输出装置用于生成在量子加密密钥生成中使用的、被编码的脉冲激光，并且将由该脉冲激光构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置，所述量子加密密钥输出装置具有：光源，反复生成脉冲激光；编码器，基于量子加密密钥对脉冲激光进行编码；光分支部，使被编码的脉冲激光分支到第1光路和第2光路以成为规定的光强度比；衰减部，使第1脉冲激光的光强度衰减，以使被分支到第1光路的脉冲激光即第1脉冲激光的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个；光输出部，将通过衰减部而光强度被衰减的第1脉冲激光输出到量子加密密钥输入装置；光强度判定部，判定被分支到第2光路的脉冲激光即第2脉冲激光的光强度是否在规定的范围内；以及信息输出部，将用于确定与由光强度判定部判定为光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的确定信息，输出到量子加密密钥输入装置。

或者，本发明的一方式涉及的量子加密密钥通信系统具有：上述的量子加密密钥输出装置、以及输入由量子加密密钥输出装置所输出的光脉冲序列的量子加密密钥输入装置，量子加密密钥输入装置具有：光输入部，输入由光输出部输出的第1脉冲激光；信息输入部，输入由信息输出部输出的确定信息；以及密钥蒸馏部，从光输入部输入的第1脉冲激光中，排除根据信息输入部输入的确定信息而被确定的第1脉冲激光，并设为新的量子加密密钥。

或者，本发明的一方式涉及的量子加密密钥输出方法用于生成在量子加密密钥生成中使用的、被编码的脉冲激光，并且将由该脉冲激光构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置，量子加密密钥输出方法具有：反复生成脉冲激光的发光步骤；基于量子加密密钥对脉冲激光进行编码的编码步骤；将被编码的脉冲激光分支到第1光路和第2光路以成为规定的光强度比的光分支步骤；使第1脉冲激光的光强度衰减，以使被分支到第1光路的脉冲激光即第1脉冲激光的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个的衰减步骤；将光强度被衰减的第1脉冲激光输出到量子加密密钥输入装置的光输出步骤；判定被分支到第2光路的脉冲激光即第2脉冲激光的光强度是否在规定的范围内的光强度判定步骤；以及将用于确定与被判定为光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的确定信息，输出到量子加密密钥输入装置的信息输出步骤。

在这样的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统或量子加密密钥输出方法的任何一个中，基于量子加密密钥通过编码器将由光源反复生成的脉冲激光进行编码，并通过光分支部使该脉冲激光分支到第1光路和第2光路以成为规定的光强度比。然后，通过衰减部使被分支到第1光路的脉冲激光即第1脉冲激光的光强度衰减，并通过光输出部将由该第1脉冲激光构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置。在这里，在由光强度判定部判定为被分支到第2光路的脉冲激光即第2脉冲激光的光强度不在规定的范围内的情况下，用于确定与该第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的确定信息通过信息输出部被输出到量子加密密钥输入装置。由于第1脉冲激光和第2脉冲激光是同一个脉冲激光通过光分支部而被分支以使成为规定的光强度比的脉冲激光，因此在判定为第2脉冲激光的光强度不在规定的范围内的情况下，能够判定为与该第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的光子数的误差大于规定值。因此，输入了光脉冲序列和确定信息的量子加密密钥输入装置能够在生成量子加密密钥时，根据确定信息确定误差大于规定值的第1脉冲激光并将其排除。由此，能够提高量子加密密钥的生成率。

发明效果

根据本发明的一方式，能够提供能够提高量子加密密钥的生成率的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法

附图说明

图1是表示本实施方式的量子加密密钥系统的功能结构的概要图。

图2是表示构成量子加密密钥的脉冲激光的实际的光子数的分布的模拟结果的图表。

图3是表示与脉冲激光的实际的光子数的误差相应的加密密钥的生成率的一例的图表。

图4是表示对于加密密钥的脉冲排除处理的流程图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明涉及的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法的优选的实施方式。另外，在本实施方式中，“前级”表示脉冲激光的传输方向的相反侧，“后级”表示脉冲激光的传输方向侧。

图1是表示本实施方式的量子加密密钥通信系统的功能结构的概要图。如图1所示，量子加密密钥通信系统100具有作为发送者侧的量子加密密钥输出装置1、作为接收者侧的量子加密密钥输入装置2、以及包含光纤等的光传输路径3。量子加密密钥通信系统100是通过在量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2之间将被编码的脉冲激光L进行通信，从而将与由数字比特序列构成的加密密钥有关的信息(以下称为“加密密钥信息”)对于基于第三者的窃听而言在信息理论上安全地共享的系统。量子加密密钥输出装置1生成在量子加密密钥的生成中使用的、被编码的脉冲激光L，并经由光传输路径3将由该脉冲激光L构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入部2。也就是说，量子加密密钥输出装置1将光脉冲进行编码，并经由光传输路径3将编码后的光脉冲输出到量子加密密钥输入装置2。量子加密密钥输入装置2输入由通过量子加密密钥输出装置1输出的脉冲激光L构成的光脉冲序列。

量子加密密钥输出装置1生成随机数序列，并通过基于生成的随机数序列而获取的加密密钥信息将消息进行加密。此外，量子加密密钥输出装置1对脉冲激光L进行编码而使其携带加密密钥信息，并将该脉冲激光L输出到光传输路径3。另外，被加密的消息例如通过因特网等的任意的通信手段而从量子加密密钥输出装置1传输到量子加密密钥输入装置2。光传输路径3将脉冲激光L从量子加密密钥输出装置1传输到量子加密密钥输入装置2。量子加密密钥输入装置2从由光传输路径3输入的脉冲激光L所携带的加密密钥信息中获取加密密钥，并通过加密密钥对被加密的消息进行解码。由此，根据量子加密密钥通信系统100，能够在信息理论上安全地传输应从量子加密密钥输出装置1传输给量子加密密钥输入装置2的信息(以下称为“消息”)。

首先，说明量子加密密钥通信系统100的量子加密密钥输出装置1。量子加密密钥输出装置1具有半导体激光装置(光源)10、编码器11、光分支部12、衰减器(衰减部)13、光输出部14、光强度判定部15、信息输出部16和随机数序列生成部(不图示)。随机数序列生成部并不限定于特定的机构，只要能够生成在信息理论上不能预测的物理随机数且能够以例如数Gb/s以上的生成速度生成随机数序列即可。

半导体激光装置10对适合于光纤传输的波长(例如，1.55μm)的光进行脉冲振荡，并且反复生成每个脉冲的相位为随机的脉冲激光L。半导体激光装置10例如以由量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2共享的同步信号的时钟频率，反复生成脉冲激光L。半导体激光装置10将脉冲激光L输入到编码器11。

编码器11基于量子加密密钥而对从半导体激光器装置10反复输入的脉冲激光L进行编码。编码器11具有干涉仪20、相位调制部21和强度调制部22。相位调制部21配置在比干涉仪20更后级，强度调制部22配置在比相位调制部21更后级。

干涉仪20将各脉冲激光L分割为相互具有干涉性的双脉冲(一对脉冲)。干涉仪20由非对称马赫曾德干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)构成。干涉仪20具有输入端20a、输出端20b、连接输入端20a和输出端20b的第1传输路径20c和第2传输路径20d。第1传输路径20c的传输路径长度比第2传输路径20d的传输路径长度长。

此外，干涉仪20具有与输入端20a侧连接的第1端口20e和与输出端20b侧连接的第2端口20f。半导体激光装置10连接到第1端口20e的前级。另一方面，相位调制部21连接到第2端口20f的后级。另外，虽然干涉仪20在输入端20a侧和输出端20b侧分别具有不同于第1端口20e和第2端口20f的端口，但这些端口上未连接任何东西。

由半导体激光装置10生成的脉冲激光L经由第1端口20e到达输入端20a，并被分割为由通过第1传输路径20c传输的脉冲、和通过第2传输路径20d传输的脉冲所构成的双脉冲。构成双脉冲的各脉冲相互保持干涉性且在时间上和空间上分离。各脉冲到达输出端20b并经由第2端口20f被输出到相位调制部21。

相位调制部21随机调制用于形成双脉冲的脉冲激光L的相位。更具体地，若用于形成双脉冲的脉冲激光L被输入，则相位调制部21对该脉冲激光L的相位进行调制，以使其成为基于在随机数序列生成部中生成的随机数而随机选择的量子状态。作为相位调制部21，例如能够应用公知的相位调制器。相位调制部21将用于形成双脉冲并且相位被调制后的脉冲激光L输出到强度调制部22。

在这里，用于描述形成双脉冲的脉冲激光L的量子状态的基底优选按以下方式进行选择。首先，在形成双脉冲的脉冲激光L中，将先行传输的脉冲的量子状态描述为|0>，将延后传输的脉冲的量子状态描述为|1>。在这种情况下，脉冲激光L的量子状态由以下的式(1)来表示。

[数1]

在这里，由于在量子密钥分发中以使用诱骗态BB84协议为前提，因此也可以采用X基底和Z基底作为基底。此时，诱骗态BB84协议所需要的4个状态由以下的式(2)、式(3)和式(4)来表示。

[数2]

[数3]

|0>…(3)

[数4]

|1>…(4)

如上，相位调制部21对脉冲激光L的量子状态随机地进行调制，并分配进行了0或1的2值化的比特。此时，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10反复生成脉冲激光L。因此，相位调制部21生成随机地排列了被0或1的2值化后的各比特的比特序列。该比特序列成为加密密钥的源。

强度调制部22对形成双脉冲并且相位被调制后的脉冲激光L的光强度(光子数)随机地进行调制。更具体地说，若用于形成双脉冲并且相位被调制后的脉冲激光L被输入，则强度调制部22对该脉冲激光L的光强度进行调制，以使其成为基于在随机数生成部中生成的随机数而随机选择的期望的平均光子数。另外，强度调制部22对光强度进行调制，以使通过该脉冲激光L进一步通过光分支部12和衰减器13，该脉冲激光L的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个。作为强度调制部22，能够应用在通常光通信中所使用的公知的调制器。例如，强度调制部22也可以是使用了铌酸锂(LN：LiNbO₃)晶体的马赫曾德型调制器。强度调制部22将用于形成双脉冲并且相位被调制后的脉冲激光L(即，基于量子加密密钥而被编码后的脉冲激光L)输出到光分支部12。

光分支部12使被编码后的脉冲激光L分支到第1光路P1和第2光路P2以成为规定的光强度比。在第1光路P1中，衰减器13连接到光分支部12的后级。在第2光路P2中，光强度判定部15连接到光分支部12的后级。作为光分支部分12，例如能够使用光纤耦合器。在这里，光分支部12使脉冲激光L进行分支，以使被分支到第1光路P1的脉冲激光L即第1脉冲激光L1与被分支到第2光路P2的脉冲激光L即第2脉冲激光L2的光强度比成为例如1：9。

衰减器13使第1脉冲激光L1的光强度衰减，以使第1脉冲激光L1的平均光子数成为1以下的值的多个候选值(例如，0光子、0.1光子、和0.5光子)中的任意一个。在这里，在各候选值中，0.1光子对应于诱骗态脉冲的平均光子数，0.5光子对应于信号脉冲的平均光子数。例如在从强度调制部22出来的信号脉冲的平均功率为0.32mW时，衰减器13使第1脉冲激光L1的光强度衰减约60dB左右。然而，通过衰减器13而被衰减后的第1脉冲激光L1的平均光子数有时相对于上述的多个候选值的任意一个包含例如5％～10％左右的误差。作为衰减器13，能够应用公知的衰减器，并且不限定于特定的结构。衰减器13将衰减了光强度的第1脉冲激光L1输出到光输出部14。

光输出部14经由光传输路径3将通过衰减器13输入的第1脉冲激光L1输出到量子加密密钥输入装置2。光输出部14的结构不限定于特定的结构，只要是用于将被编码后的第1脉冲激光L1从量子加密密钥输出装置1输出到后级的结构即可，例如也可以仅是第1光路P1和光传输路径3的连接部位等。

光强度判定部15判定第2脉冲激光L2的光强度是否在规定的范围内。在这里，所谓规定的范围是指，在光分支部12中被分支为相对于该第2脉冲激光L2成为规定的光强度比的第1脉冲激光L1在通过衰减器13而被进一步衰减的情况下，使该第1脉冲激光L1的光子数成为相对于多个候选值的规定的误差范围这样的范围。作为一例，在第2脉冲激光L2的光强度在275μW以上300μW以下的范围内的情况下，光强度判定部15判定为第1脉冲激光L1的光子数相对于候选值0.5光子处于5％的误差范围内。另一方面，在第2脉冲激光L2的光强度不在规定的范围内的情况下，与该第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1在比衰减器13更后级处的光子数变得不在相对于多个候选值的规定的误差范围内。

在这里，说明相对于多个候选值的规定的误差范围。图2是表示构成量子加密密钥的脉冲激光的实际的光子数的分布的图表。图2的横轴表示相对于平均光子数的候选值的实际的光子数的偏差，图2的纵轴表示每个实际的光子数的概率密度。在图2中，表示构成量子加密密钥的脉冲激光的实际的光子数大致为正态分布的例子。图中的线B1表示相对于平均光子数的候选值，在光子数少的一侧误差为5％的阈值。此外，图中的线B2表示相对于平均光子数的候选值，在光子数多的一侧误差为5％的阈值。如图2所示，构成量子加密密钥的脉冲激光的实际的光子数包含5％以上的误差。

图3是通过与传输距离的关系来表示与脉冲激光的实际的光子数的误差相应的加密密钥的生成率的一例的模拟结果的图表。图3的横轴表示加密密钥信息的传输距离，图3的纵轴表示在一个脉冲激光L从量子加密密钥输出装置1被传输到了量子加密密钥输入装置2的情况下，能够生成保证了安全性的加密密钥的比特数(每个脉冲的密钥生成率)。图3中的图表G1表示在设脉冲激光L的实际的光子数的误差为0％的情况下的模拟结果。图3的图表G2表示在设脉冲激光L的实际的光子数的误差为5％的情况下的模拟结果。图3的图表G3表示在设脉冲激光L的实际的光子数的误差为10％的情况下的模拟结果。比较图表G1和G2可知，例如在传输距离为120km左右以下的范围内，若误差为5％，与误差为0％的情况相比，加密密钥的生成率仅降低到50％左右，此外，最大传输距离也仅从150km左右缩短到130km左右。另一方面，比较图表G1、G3可知，如果误差为10％，与误差为0％的情况相比，加密密钥的生成率大幅降低，此外，最大传输距离也大幅缩短到20km左右。由上可知，在构成量子加密密钥的脉冲激光L中，实际的光子数相对于实际的光子数的候选值的误差范围优选为5％以下。

返回到图1，光强度判定部15具有光电二极管(光电变换部)23、比较器(比较部)24。光电二极管23输入第2脉冲激光L2，并将与输入的第2脉冲激光L2的光强度相应的电信号输出到比较器24。作为光电二极管23，优选使用响应性特别优异的高速光电二极管。

比较器24基于由光电二极管23输出的电信号，判定该电信号所涉及的第2脉冲激光L2的光强度是否在规定的范围内。在判定为第2脉冲激光L2的光强度不在规定的范围内的情况下，比较器24将确定信息输出到信息输出部16，该确定信息包含关于由半导体激光装置10反复生成的脉冲激光L所涉及的第1脉冲激光之中的、与被判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的顺序的信息。确定信息例如是关于多个第1脉冲激光L1之中的、与被判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的位置的信息。作为比较器24，能够应用公知的比较器，并且不限定于特定的结构。

信息输出部16具有用于存储确定信息的存储器25、和用于将存储在存储器25中的确定信息输出到量子加密密钥输入装置2的确定信息输出部26。存储器25只要能够临时存储确定信息即可，不限定于特定的结构。确定信息输出部26从存储器25提取确定信息，并通过例如因特网等的任意的通信手段将该确定信息传输到量子加密密钥输入装置2。确定信息输出部26不限于特定的结构，能够采用公知的装置。

接着，说明量子加密密钥输入装置2。量子加密密钥输入装置2具有光输入部30、解码器31、光子检测部32、信息输入部33和密钥蒸馏部34。

光输入部30输入由光输出部14输出的第1脉冲激光L1。光输入部30将输入的第1脉冲激光L1输出到解码器31。解码器31基于输入的第1脉冲激光L1将构成作为加密密钥的源的比特序列的各比特的脉冲激光分配到与X基底或Z基底对应的光子检测部32的各端口。光子检测部32基于从解码器31输入的脉冲激光来生成被0或1的2值化后的各比特。另外，在本实施方式中，“加密密钥”表示由数字的比特序列构成的密钥。

信息输入部33输入由信息输出部16的确定信息输出部26输出的确定信息。密钥蒸馏部34从由光输入部30输入的第1脉冲激光L1中排除根据由信息输入部33输入的确定信息而确定的第1脉冲激光L1，并设为新的加密密钥(脉冲排除处理)。此外，密钥蒸馏部34基于新的加密密钥进行密钥蒸馏处理。光输入部30、解码器31、光子检测部32、和信息输入部33不限定于特定的结构，能够分别采用公知的装置。

量子加密密钥通信系统100执行以下说明的脉冲排除处理。图4是表示对于加密密钥的脉冲排除处理的流程图。首先，在步骤S1中，通过半导体激光装置10反复生成脉冲激光L(发光步骤)。

接着，在步骤S2中，脉冲激光L通过编码器11而被编码，并且生成携带加密密钥信息的脉冲激光L(编码步骤)。接着，在步骤S3中，被编码的脉冲激光L通过光分支部12被分支到第1光路P1和第2光路P2，以成为规定的光强度比(光分支步骤)。

接着，在步骤S4中，第1脉冲激光L1的光强度通过衰减器13而被衰减，以使第1脉冲激光L1的光子数成为1以下的值的上述多个候选值中的任意一个(衰减步骤)。接着，在步骤S5中，光强度被衰减后的第1脉冲激光L1通过光输出部14被输出到量子加密密钥输入装置2(光输出步骤)。

接着，在步骤S6中，光强度判定部15判定第2脉冲激光L2的光强度是否在规定的范围内(光强度判定步骤)。在判定为第2脉冲激光L2的光强度不在规定范围内的情况下，处理进入步骤S7。另一方面，在判定为第2脉冲激光L2的光强度在规定范围内的情况下，处理进入步骤S10。

接着，在步骤S7中，信息输出部16获取确定信息，该确定信息用于确定与被判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1。接着，在步骤S8中，获取到的确定信息通过信息输出部16被输出到量子加密密钥输入装置2(信息输出步骤)。以上是通过量子加密密钥输出装置1生成量子加密密钥，并将该量子加密密钥输出到量子加密密钥输入装置2的量子加密密钥输出方法。

接着，在步骤S9中，通过密钥蒸馏部34，从在光输入步骤中输入的第1脉冲激光L1中排除根据在信息输入步骤中输入的确定信息而确定的第1脉冲激光L1。接着，在步骤S10中，密钥蒸馏部34将在该第1脉冲激光L1的编码中使用的量子加密密钥所涉及的加密密钥采用为新的加密密钥。由上，量子加密密钥通信系统100中的脉冲排除处理结束。

之后，量子加密密钥通信系统100对加密密钥执行以下说明的密钥蒸馏处理。量子加密密钥输出装置1通过上述的脉冲排除处理中的步骤S1～S5，将作为加密密钥的源的比特序列传输到量子加密密钥输入装置2。由于传输中的损失，被发送的脉冲激光L的仅一部分到达量子加密密钥输入装置2。因此，在量子加密密钥输入装置2中，在编码器11中生成的比特序列的仅一部分被进行重建。之后，量子加密密钥输入装置2向量子加密密钥输出装置1通知检测出脉冲激光L的光子检测部32的端口(位置)。然后，在量子加密密钥输入装置2中被重建的比特序列被作为原始密钥(加密密钥)。

接着，量子加密密钥输出装置1执行基底核对。即，量子加密密钥输出装置1将量子加密密钥输出装置1中使用的基底(发送基底)和在量子加密密钥输入装置2中使用的基底(接收基底)进行核对。由从原始密钥中除去发送基底和接收基底互不相同的比特后的其它的比特构成的比特序列被作为移位密钥(shift key)。

接着，量子加密密钥输入装置2对量子加密密钥输出装置1公开移位密钥的一部分。量子加密密钥输出装置1基于公开的移位密钥，估计错误率，即相对于量子加密密钥输出装置1发送的比特而言量子加密密钥输入装置2接收到错误的比特的比例。

接着，量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2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方法。

接着，量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2执行隐匿性增强。首先，量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2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，量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2从N比特的移位密钥中随机丢弃对上限值M加上常数s后的M+s比特，并将剩余部分作为最终密钥。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。

另外，使用通用散列(universal hashing)函数来选择从移位密钥中随机丢弃的比特。作为通用散列函数，能够使用基于由随机数序列生成部所生成的随机数而随机选择各分量的值(0,1)的矩阵。

使用如上方法获取的最终密钥，量子加密密钥输入装置2将加密的消息进行解码。

如上所述，在量子加密密钥输出装置1、量子加密密钥通信系统100或量子加密密钥输出方法的任意一个中，通过编码器11基于量子加密密钥而将由半导体激光装置10反复生成的脉冲激光L进行编码，并通过光分支部将该脉冲激光L分支到第1光路P1和第2光路P2以成为规定的光强度比。然后，通过衰减部13使被分支到第1光路P1的脉冲激光即第1脉冲激光L1的光强度衰减，并通过光输出部14将由该第1脉冲激光L1构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置2。在这里，在由光强度判定部15判定为被分支到第2光路P2的脉冲激光即第2脉冲激光L2的光强度不在规定的范围内的情况下，用于确定与该第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的确定信息通过信息输出部16被输出到量子加密密钥输入装置2。由于第1脉冲激光L1和第2脉冲激光L2是同一个脉冲激光通过光分支部12而以成为规定的光强度比的方式分支后的脉冲激光，因此在判定为第2脉冲激光L2的光强度不在规定的范围内的情况下，能够判定为与该第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的光子数的误差大于规定值。因此，被输入了由第1脉冲激光L1构成的光脉冲序列和确定信息的量子加密密钥输入装置2在生成量子加密密钥时，能够根据确定信息确定误差大于规定值的第1脉冲激光L1，并将其排除。由此，能够提高量子加密密钥的生成率。

在量子加密密钥输出装置1中，光强度判定部15具有输入第2脉冲激光L2并输出与输入的第2脉冲激光L2的光强度相应的电信号的光电二极管23、和基于由光电二极管23输出的电信号来判定该电信号所涉及的第2脉冲激光L2的光强度是否在规定的范围内的比较器24。因此，能够适当地实现上述作用效果。

此外，在量子加密密钥输出装置1中，确定信息包含关于由半导体激光装置10反复生成的脉冲激光L所涉及的第1脉冲激光L1之中的、与由光强度判定部15判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的顺序的信息。因此，当第2脉冲激光L2之中，由光强度判定部15判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2的比例小于由光强度判定部15判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光L2的比例时，能够减少确定信息的信息量。

此外，在量子加密密钥输出装置1中，编码器11具有将脉冲激光L分割为相互具有干涉性的一对脉冲的干涉仪20、用于调制脉冲激光L的相位的相位调制部21、和用于调制脉冲激光L的光强度的强度调制部22，通过干涉仪20将脉冲激光L分割为一对脉冲，并且通过相位调制部21调制该脉冲激光L的相位，并且通过强度调制部22调制该脉冲激光L的光强度，从而对该脉冲激光L进行编码。因此，采用time-bin编码的方式，能够适当地实现上述作用效果。

此外，在量子加密密钥输出装置1中，相位调制部21配置在比干涉仪20更后级处。因此，能够适合地实现上述作用效果。

以上的实施方式说明了本发明所涉及的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法的一实施方式。因此，本发明所涉及的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法不限定于上述的量子加密密钥输出设备1、量子加密密钥通信系统100和量子加密密钥输出方法，在不变更各项权利要求的主旨的范围内能够任意地对它们进行变形。

例如，确定信息也可以包含关于由半导体激光装置10反复生成的脉冲激光所涉及的第1脉冲激光L1之中的、与由光强度判定部15判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光L2对应的第1脉冲激光L1的顺序的信息。在这种情况下，当在第2脉冲激光L2之中，由光强度判定部15判为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光L2的比例大于由光强度判定部15判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光L2的比例时，能够减少确定信息的信息量。

此外，干涉仪20、相位调制部21、强度调制部22、光分支部12和衰减器13的顺序不限定于上述实施方式所涉及的顺序。更具体地，只要光分支部12位于比强度调制部22更后级并且比衰减器13更前级，且相位调制部21位于比干涉仪20更后级即可，这些顺序能够变更为其之外的顺序。

此外，在上述实施方式中，编码器11采用time-bin编码的方式。然而，编码器11只要是能够基于量子加密密钥对脉冲激光L进行编码的结构即可，不限定于上述的结构。例如，编码器11也可以是采用使用了偏振光的编码的方式的结构。

此外，光传输路径3也可以不包含光纤。在这种情况下，量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2也可以例如经由空间来传输携带加密密钥信息的光子。此外，干涉仪11也可以是例如非对称的迈克尔逊(Michelson)干涉仪等的其它种类的干涉仪。

在上述实施方式中，在隐匿性增强中，在从移位密钥中随机丢弃的比特的选择中，设为利用了通用散列函数，该通用散列函数使用了基于由随机数序列生成部生成的随机数而随机选择了各分量的值(0，1)的矩阵。然而，在从移位密钥中随机丢弃的比特的选择中，也可以将多个通用散列函数预先存储在量子加密密钥输出装置1和量子加密密钥输入装置2中，并且基于由随机数序列生成部生成的随机数来选择应用哪一个通用散列函数。

此外，在上述实施方式中，虽然采用了X基底和Z基底作为双脉冲的量子状态的基底，但也可以采用X基底和Y基底作为双脉冲的量子状态的基底。此时，诱骗态BB84协议所需的四个状态通过以下的式(5)和(6)表示。

[数5]

[数6]

在这里，在本发明的一方式涉及的量子加密密钥生成装置中，光强度判定部也可以具有：光电变换部，输入第2脉冲激光，并输出与被输入的第2脉冲激光的光强度相应的电信号；以及比较部，基于由光电变换部输出的电信号，判定与该电信号所涉及的第2脉冲激光的光强度是否在规定的范围内。在这种情况下，能够适合地实现上述作用效果。

在本发明的一方式涉及的量子加密密钥生成装置中，确定信息也可以包含关于由光源反复生成的脉冲激光所涉及的所述第1脉冲激光之中的、与由光强度判定部判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的顺序的信息。在这种情况下，当第2脉冲激光L2之中，由光强度判定部判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光的比例小于由光强度判定部判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光的比例时，能够减少确定信息的信息量。

在本发明的一方式涉及的量子加密密钥生成装置中，确定信息也可以包含关于由光源反复生成的脉冲激光所涉及的所述第1脉冲激光之中的、与由光强度判定部判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光对应的第1脉冲激光的顺序的信息。在这种情况下，当第2脉冲激光L2之中，由光强度判定部判定为其光强度不在规定的范围内的第2脉冲激光比例大于由光强度判定部判定为其光强度在规定的范围内的第2脉冲激光的比例时，能够减少确定信息的信息量。

在本发明的一方式所涉及的量子加密密钥生成装置中，编码器也可以具有：干涉仪，将脉冲激光分割为相互具有干涉性的一对脉冲；相位调制部，调制脉冲激光的相位；以及强度调制部，调制脉冲激光的光强度，通过干涉仪将脉冲激光分割为一对脉冲，并且通过相位调制部调制该脉冲激光的相位，且通过强度调制部调制该脉冲激光的光强度，从而对该脉冲激光进行编码。在这种情况下，采用time-bin编码的方式，能够适合地实现上述作用效果。

在本发明的一方式所涉及的量子加密密钥生成装置中，相位调制部也可以配置在比干涉仪更后级处。在这种情况下，能够适当地实现上述

作用效果。

产业上的利用可能性

能够提供能够使量子加密密钥的生成率提高的量子加密密钥输出装置、量子加密密钥通信系统和量子加密密钥输出方法。

标号说明

1···量子加密密钥输出装置、2···量子加密密钥输入装置、10···半导体激光装置(光源)、11···编码器、12···光分支部、13···衰减器(衰减部)、14···光输出部、15···光强度判定部、16···信息输出部、20···干涉仪、21···相位调制部、22···强度调制部、23···光电二极管(光电变换部)、24···比较器(比较部)、30···光输入部、33···信息输入部、34···密钥蒸馏部、100···量子加密密钥通信系统、L···脉冲激光、L1···第1脉冲激光、L2···第2脉冲激光、P1···第1光路、P2···第2光路。

Claims (8)

1.一种量子加密密钥输出装置，其生成在量子加密密钥生成中使用的被编码的脉冲激光，并且将由该脉冲激光构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置，所述量子加密密钥输出装置具有：

光源，反复生成所述脉冲激光；

编码器，基于所述量子加密密钥将所述脉冲激光进行编码；

光分支部，将编码后的所述脉冲激光分支到第1光路和第2光路以成为规定的光强度比；

衰减部，使所述第1脉冲激光的光强度衰减，以使被分支到所述第1光路的所述脉冲激光即第1脉冲激光的光子数成为1以下的值的多个候选值中的任意一个；

光输出部，将通过所述衰减部而光强度被衰减的所述第1脉冲激光输出到所述量子加密密钥输入装置；

光强度判定部，判定被分支到所述第2光路的所述脉冲激光即第2脉冲激光的光强度是否在规定的范围内；以及

信息输出部，将用于确定与由所述光强度判定部判定为光强度不在所述规定的范围内的所述第2脉冲激光对应的所述第1脉冲激光的确定信息，输出到所述量子加密密钥输入装置。

2.如权利要求1所述的量子加密密钥输出装置，

所述光强度判定部具有：

光电变换部，输入所述第2脉冲激光，并输出与被输入的所述第2脉冲激光的光强度相应的电信号；以及

比较部，基于由所述光电变换部输出的所述电信号，判定与该电信号所涉及的所述第2脉冲激光的光强度是否在所述规定的范围内。

3.如权利要求1或2所述的量子加密密钥输出装置，

所述确定信息包含关于由所述光源反复生成的所述脉冲激光所涉及的所述第1脉冲激光之中的、与由所述光强度判定部判定为其光强度不在所述规定的范围内的所述第2脉冲激光对应的所述第1脉冲激光的顺序的信息。

4.如权利要求1至3的任一项所述的量子加密密钥输出装置，

所述确定信息包含关于由所述光源反复生成的所述脉冲激光所涉及的所述第1脉冲激光之中的、与由所述光强度判定部判定为其光强度在所述规定的范围内的所述第2脉冲激光对应的所述第1脉冲激光的顺序的信息。

5.如权利要求1至4的任一项所述的量子加密密钥输出装置，

所述编码器具有：

干涉仪，将所述脉冲激光分割为相互具有干涉性的一对脉冲；

相位调制部，调制所述脉冲激光的相位；以及

强度调制部，调制所述脉冲激光的光强度，

通过所述干涉仪将所述脉冲激光分割为一对脉冲，并且通过所述相位调制部调制该脉冲激光的相位且通过所述强度调制部调制该脉冲激光的光强度，从而对该脉冲激光进行编码。

6.如权利要求5所述的量子加密密钥输出装置，

所述相位调制部配置在比所述干涉仪更后级。

7.一种量子加密密钥通信系统，具有：

权利要求1至6的任一项所述的量子加密密钥输出装置；以及

量子加密密钥输入装置，输入由所述量子加密密钥输出装置输出的所述光脉冲序列，

所述量子加密密钥输入装置具有：

光输入部，输入由所述光输出部输出的所述第1脉冲激光；

信息输入部，输入由所述信息输出部输出的所述确定信息；以及

密钥蒸馏部，从所述光输入部输入的所述第1脉冲激光之中，排除根据所述信息输入部输入的所述确定信息而被确定的所述第1脉冲激光，并设为新的量子加密密钥。

8.一种量子加密密钥输出方法，用于生成在量子加密密钥生成中使用的被编码的脉冲激光，并且将由该脉冲激光构成的光脉冲序列输出到量子加密密钥输入装置，所述量子加密密钥输出方法具有：

反复生成所述脉冲激光的发光步骤；

基于所述量子加密密钥将所述脉冲激光进行编码的编码步骤；

将编码后的所述脉冲激光分支到第1光路和第2光路以成为规定的光强度比的光分支步骤；

使所述第1脉冲激光的光强度衰减，以使被分支到所述第1光路的所述脉冲激光即第1脉冲激光的光子数变为1以下的值的多个候选值中的任意一个的衰减步骤；

将光强度被衰减后的所述第1脉冲激光输出到所述量子加密密钥输入装置的光输出步骤；

判定被分支到所述第2光路的所述脉冲激光即第2脉冲激光的光强度是否在规定的范围内的光强度判定步骤；以及

将用于确定与被判定为光强度不在所述规定的范围内的所述第2脉冲激光对应的所述第1脉冲激光的确定信息，输出到所述量子加密密钥输入装置的信息输出步骤。