JP2000101570A - 量子暗号通信システム - Google Patents
量子暗号通信システムInfo
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- JP2000101570A JP2000101570A JP10270149A JP27014998A JP2000101570A JP 2000101570 A JP2000101570 A JP 2000101570A JP 10270149 A JP10270149 A JP 10270149A JP 27014998 A JP27014998 A JP 27014998A JP 2000101570 A JP2000101570 A JP 2000101570A
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/70—Photonic quantum communication
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
- H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
- H04L9/0852—Quantum cryptography
- H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
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- Optics & Photonics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 伝送信号の量子力学的な状態の測定が可能に
なるとともに実質的に高い量子効率で伝送信号の検出が
可能な量子暗号通信システムを提供する。 【解決手段】 送信者と受信者の装置は、ビームスプリ
ッター２，６と、鏡３，５とを有し、送信者はレーザー
光源１と光減衰器４とを、受信者は増幅器及び電圧測定
器８を備えている。信号光Ｓを反射する鏡３，５は光の
波長程度の微少な距離の移動が可能で信号光Ｓの位相を
変化させる。信号光Ｓは光減衰器４により強度が減少
し、典型的な強度が光子１個程度となるようにし、量子
力学的な状態変化を検出できる微弱な信号にしている。
参照光Ｌの典型的な強度は光子１千万個程度であり、信
号光Ｓと参照光Ｌの強度は著しく異なるように調節して
いる。受信者は位相差を付与された信号光Ｓと参照光Ｌ
との差信号を測定し、この頻度分布に基づいて受信側と
送信側の秘密鍵を共有する。
なるとともに実質的に高い量子効率で伝送信号の検出が
可能な量子暗号通信システムを提供する。 【解決手段】 送信者と受信者の装置は、ビームスプリ
ッター２，６と、鏡３，５とを有し、送信者はレーザー
光源１と光減衰器４とを、受信者は増幅器及び電圧測定
器８を備えている。信号光Ｓを反射する鏡３，５は光の
波長程度の微少な距離の移動が可能で信号光Ｓの位相を
変化させる。信号光Ｓは光減衰器４により強度が減少
し、典型的な強度が光子１個程度となるようにし、量子
力学的な状態変化を検出できる微弱な信号にしている。
参照光Ｌの典型的な強度は光子１千万個程度であり、信
号光Ｓと参照光Ｌの強度は著しく異なるように調節して
いる。受信者は位相差を付与された信号光Ｓと参照光Ｌ
との差信号を測定し、この頻度分布に基づいて受信側と
送信側の秘密鍵を共有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は通信の安全性を確
保するための秘密鍵の配布に利用し、特に伝送信号の量
子力学的な状態を測定し、実質的に高い量子効率で伝送
信号の検出をするための量子暗号通信システムに関す
る。
保するための秘密鍵の配布に利用し、特に伝送信号の量
子力学的な状態を測定し、実質的に高い量子効率で伝送
信号の検出をするための量子暗号通信システムに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】通信の安全性を確保するための従来の暗
号技術には、正規の通信者のみが知っている共通の秘密
鍵を用いる秘密鍵暗号方式と、秘密鍵と公開鍵という一
対の鍵を用いる公開鍵暗号方式とがある。公開鍵暗号方
式の暗号は、その秘蔵性を、例えば非常に大きな正数の
因数分解が計算困難であるといったことに依っている
が、計算機の性能の進歩やネットワークを使った分散処
理の発達等によりその安全性は必ずしも万全とはいえな
い。
号技術には、正規の通信者のみが知っている共通の秘密
鍵を用いる秘密鍵暗号方式と、秘密鍵と公開鍵という一
対の鍵を用いる公開鍵暗号方式とがある。公開鍵暗号方
式の暗号は、その秘蔵性を、例えば非常に大きな正数の
因数分解が計算困難であるといったことに依っている
が、計算機の性能の進歩やネットワークを使った分散処
理の発達等によりその安全性は必ずしも万全とはいえな
い。
【０００３】これに対して、正規の通信者のみが知って
いる秘密鍵を送り手と受け手のみで共有することができ
れば絶対的に安全な通信が可能になる。このような中で
秘密鍵の配布方法の秘蔵性を量子力学の原理にもとめる
通信方法である量子暗号が提案されている（Ｊ．Ｃｒｙ
ｐｔｏｌｏｇｙ、５、３−２８（１９９２）Ｃ．Ｈ．Ｂ
ｅｎｎｅｔｔ ｅｔａｌ）。
いる秘密鍵を送り手と受け手のみで共有することができ
れば絶対的に安全な通信が可能になる。このような中で
秘密鍵の配布方法の秘蔵性を量子力学の原理にもとめる
通信方法である量子暗号が提案されている（Ｊ．Ｃｒｙ
ｐｔｏｌｏｇｙ、５、３−２８（１９９２）Ｃ．Ｈ．Ｂ
ｅｎｎｅｔｔ ｅｔａｌ）。
【０００４】量子力学の原理によれば、測定行為は必然
的に被測定対象に擾乱を与えるので、盗聴者による盗聴
の試みは必ず信号に変化を与える。したがって、信号の
変化を監視することにより盗聴者の存在を暴くことがで
きる。つまり、量子暗号を用いると距離的に離れた２点
間で秘蔵性の非常に高い秘密鍵を共有することができ
る。従来の量子暗号は伝送信号の担い手として光を用
い、かつ、光の検出に光子計数法を用いている。光子計
数法とは１個以上の光子が検出器に入射したとき、ある
確率（量子効率という）で電気パルスが発生する光の検
出方法である。
的に被測定対象に擾乱を与えるので、盗聴者による盗聴
の試みは必ず信号に変化を与える。したがって、信号の
変化を監視することにより盗聴者の存在を暴くことがで
きる。つまり、量子暗号を用いると距離的に離れた２点
間で秘蔵性の非常に高い秘密鍵を共有することができ
る。従来の量子暗号は伝送信号の担い手として光を用
い、かつ、光の検出に光子計数法を用いている。光子計
数法とは１個以上の光子が検出器に入射したとき、ある
確率（量子効率という）で電気パルスが発生する光の検
出方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の方法では、光の検出に光子計数法を用いてい
るため、そのことに起因する原理的及び技術的な解決す
べき課題がある。まず、原理的な課題は、伝送された後
の信号の量子力学的な状態を調べることが出来ないの
で、盗聴者が量子非破壊測定等の高度な手段をとった場
合、それを検知することができない。すなわち、盗聴者
が光子数の情報を信号の光子数に変化を与えずに読み出
すことが可能なので（測定の影響は位相の変化に現れ
る）、伝送後の光子数のみを測定していても盗聴に気が
つかないことになる。
うな従来の方法では、光の検出に光子計数法を用いてい
るため、そのことに起因する原理的及び技術的な解決す
べき課題がある。まず、原理的な課題は、伝送された後
の信号の量子力学的な状態を調べることが出来ないの
で、盗聴者が量子非破壊測定等の高度な手段をとった場
合、それを検知することができない。すなわち、盗聴者
が光子数の情報を信号の光子数に変化を与えずに読み出
すことが可能なので（測定の影響は位相の変化に現れ
る）、伝送後の光子数のみを測定していても盗聴に気が
つかないことになる。
【０００６】さらに技術的な課題として、光通信で通常
用いられる１．３μｍや１．５μｍの光に対して、高い
量子効率を有する検出器が現存しないことがある。検出
の際の損失はデータの転送レートを低下させるだけでな
く、原理的には盗聴者による盗聴の試みと区別できな
い。
用いられる１．３μｍや１．５μｍの光に対して、高い
量子効率を有する検出器が現存しないことがある。検出
の際の損失はデータの転送レートを低下させるだけでな
く、原理的には盗聴者による盗聴の試みと区別できな
い。
【０００７】そこで、本発明は伝送信号の量子力学的な
状態の測定が可能になるとともに、実質的に高い量子効
率で伝送信号の検出が可能な量子暗号通信システムを提
供することを目的とする。
状態の測定が可能になるとともに、実質的に高い量子効
率で伝送信号の検出が可能な量子暗号通信システムを提
供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の量子暗号通信システムのうち請求項１記載
の発明は、光信号を用いる量子暗号通信において、盗聴
の操作によって生じる信号光の振幅と位相とで規定され
る量子力学的な確率分布の変化に基づいて盗聴を検出す
ることを特徴とする。また請求項２記載の発明は、量子
暗号通信において、送信側からの光信号を強度の強い参
照信号と量子力学的状態変化を検出できる微弱な伝送信
号とに分離し、送信過程で参照信号と伝送信号とに位相
差を付与し、これらの２信号を受信側で重ね合わせ、得
られる相互に逆位相の関係にある２つの出力光の差を求
め、伝送信号の量子状態の揺らぎに依存した出力光の差
の頻度分布に基づいて送信側と受信側との秘密鍵を共有
するとともに、伝送信号の量子状態の揺らぎを直接測定
することを特徴とするとするものである。
に、本発明の量子暗号通信システムのうち請求項１記載
の発明は、光信号を用いる量子暗号通信において、盗聴
の操作によって生じる信号光の振幅と位相とで規定され
る量子力学的な確率分布の変化に基づいて盗聴を検出す
ることを特徴とする。また請求項２記載の発明は、量子
暗号通信において、送信側からの光信号を強度の強い参
照信号と量子力学的状態変化を検出できる微弱な伝送信
号とに分離し、送信過程で参照信号と伝送信号とに位相
差を付与し、これらの２信号を受信側で重ね合わせ、得
られる相互に逆位相の関係にある２つの出力光の差を求
め、伝送信号の量子状態の揺らぎに依存した出力光の差
の頻度分布に基づいて送信側と受信側との秘密鍵を共有
するとともに、伝送信号の量子状態の揺らぎを直接測定
することを特徴とするとするものである。
【０００９】さらに請求項３記載の発明は、出力光の差
の信号に正負それぞれにしきい値を設定し、このしきい
値を基準にして伝送信号の状態を判別することを特徴と
している。また請求項４記載の発明は、位相差の付与が
ランダムな位相変調の他に予め定めた位相変調を与える
ことによって外的な要因による参照信号と伝送信号との
光路差の変動を補正することを特徴とするものである。
さらに請求項５記載の発明は、参照信号と伝送信号とを
時間及び偏光状態で分離して同一の経路を伝送したこと
を特徴とする。
の信号に正負それぞれにしきい値を設定し、このしきい
値を基準にして伝送信号の状態を判別することを特徴と
している。また請求項４記載の発明は、位相差の付与が
ランダムな位相変調の他に予め定めた位相変調を与える
ことによって外的な要因による参照信号と伝送信号との
光路差の変動を補正することを特徴とするものである。
さらに請求項５記載の発明は、参照信号と伝送信号とを
時間及び偏光状態で分離して同一の経路を伝送したこと
を特徴とする。
【００１０】また請求項６記載の発明は、光源からの光
を伝送信号と参照信号とに分割する第１のビームスプリ
ッターと、伝送信号に位相変調を与える位相変調手段
と、伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱
な信号にする光減衰器と、参照信号に位相変調を与える
位相変調手段とを備え、位相変調した微弱な伝送信号と
位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせ出力す
る第２のビームスプリッターと、第２のビームスプリッ
ターの２つの出力光を電気変換する第１及び第２の光電
変換素子と、第１及び第２の光電変換素子の逆位相の差
信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを有するもので
ある。
を伝送信号と参照信号とに分割する第１のビームスプリ
ッターと、伝送信号に位相変調を与える位相変調手段
と、伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱
な信号にする光減衰器と、参照信号に位相変調を与える
位相変調手段とを備え、位相変調した微弱な伝送信号と
位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせ出力す
る第２のビームスプリッターと、第２のビームスプリッ
ターの２つの出力光を電気変換する第１及び第２の光電
変換素子と、第１及び第２の光電変換素子の逆位相の差
信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを有するもので
ある。
【００１１】さらに請求項７記載の発明は、光源からの
光を伝送信号と参照信号とに分割するビームスプリッタ
ーと、伝送信号を一方の長い経路を通し偏光する第１の
偏光素子と、伝送信号を量子力学的な状態で検出できる
微弱な信号にする光減衰器と、伝送信号に所定の位相変
調を与える第１の位相変調手段と、他方の短い経路に通
した強度の強い参照信号と伝送信号とを同一光軸上に戻
す第１の偏光ビームスプリッターとを備え、一本の光フ
ァイバーを伝送してきた伝送信号及び参照信号を分離す
る第２の偏光ビームスプリッターと、分離した伝送信号
を一方の短い経路に通し位相変調を与える第２の位相変
調手段と、分離した参照信号を他方の長い経路に通し偏
光する第２の偏光素子とを有しており、時間及び偏光状
態が一致した伝送信号と参照信号とを重ね合わせ出力す
る無偏向ビームスプリッターと、無偏向ビームスプリッ
ターの２つの出力光を電気変換する第１及び第２の光電
変換素子と、第１及び第２の光電変換素子の逆位相の差
信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを有するもので
ある。
光を伝送信号と参照信号とに分割するビームスプリッタ
ーと、伝送信号を一方の長い経路を通し偏光する第１の
偏光素子と、伝送信号を量子力学的な状態で検出できる
微弱な信号にする光減衰器と、伝送信号に所定の位相変
調を与える第１の位相変調手段と、他方の短い経路に通
した強度の強い参照信号と伝送信号とを同一光軸上に戻
す第１の偏光ビームスプリッターとを備え、一本の光フ
ァイバーを伝送してきた伝送信号及び参照信号を分離す
る第２の偏光ビームスプリッターと、分離した伝送信号
を一方の短い経路に通し位相変調を与える第２の位相変
調手段と、分離した参照信号を他方の長い経路に通し偏
光する第２の偏光素子とを有しており、時間及び偏光状
態が一致した伝送信号と参照信号とを重ね合わせ出力す
る無偏向ビームスプリッターと、無偏向ビームスプリッ
ターの２つの出力光を電気変換する第１及び第２の光電
変換素子と、第１及び第２の光電変換素子の逆位相の差
信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを有するもので
ある。
【００１２】また請求項８記載の発明は、上記構成に加
え、光ファイバーの出力側に参照信号の偏光の乱れを補
正する第３の偏光素子を設けたことを特徴とする。さら
に請求項９記載の発明は、２つの出力光をフォトダイオ
ードで電気変換することを特徴とする。また請求項１０
記載の発明は、光の波長が６００ｎｍ〜９００ｎｍのと
きシリコンフォトダイオードを用い、光の波長が１００
０ｎｍ〜１５００ｎｍのときＩｎＧａＡｓフォトダイオ
ードを用いることを特徴とするものである。
え、光ファイバーの出力側に参照信号の偏光の乱れを補
正する第３の偏光素子を設けたことを特徴とする。さら
に請求項９記載の発明は、２つの出力光をフォトダイオ
ードで電気変換することを特徴とする。また請求項１０
記載の発明は、光の波長が６００ｎｍ〜９００ｎｍのと
きシリコンフォトダイオードを用い、光の波長が１００
０ｎｍ〜１５００ｎｍのときＩｎＧａＡｓフォトダイオ
ードを用いることを特徴とするものである。
【００１３】このような構成により、請求項１記載の発
明では、伝送信号の量子状態をモニターすることによ
り、従来は困難であった量子非破壊測定のような高度な
盗聴の検出ができる。また請求項２記載の発明では、参
照信号の強度が強いことにより、理論的な上限に近い効
率で伝送信号を検出することができる。さらに請求項３
記載の発明では、しきい値を設定することにより、伝送
信号の強度に応じて実効的な検出効率と誤り率とを自由
に選ぶことが出来る。また請求項４記載の発明では、ラ
ンダムな位相変調と予め定めた位相変調を与えることに
より、光路差の変動の補正と量子状態の測定とを量子暗
号と同時に行うことができる。さらに請求項５記載の発
明では、伝送路として１本の光ファイバーで伝送するの
で、長距離の量子暗号通信システムが提供できる。
明では、伝送信号の量子状態をモニターすることによ
り、従来は困難であった量子非破壊測定のような高度な
盗聴の検出ができる。また請求項２記載の発明では、参
照信号の強度が強いことにより、理論的な上限に近い効
率で伝送信号を検出することができる。さらに請求項３
記載の発明では、しきい値を設定することにより、伝送
信号の強度に応じて実効的な検出効率と誤り率とを自由
に選ぶことが出来る。また請求項４記載の発明では、ラ
ンダムな位相変調と予め定めた位相変調を与えることに
より、光路差の変動の補正と量子状態の測定とを量子暗
号と同時に行うことができる。さらに請求項５記載の発
明では、伝送路として１本の光ファイバーで伝送するの
で、長距離の量子暗号通信システムが提供できる。
【００１４】また請求項６記載の発明では、送信側から
の光信号を強度の強い参照信号と量子力学的状態変化を
検出できる微弱な伝送信号とに分離し、送信過程で参照
信号と伝送信号とに位相差を付与し、この２信号を受信
側で重ね合わせ、得られる相互に逆位相の関係にある２
つの出力の差を求め、伝送信号の量子状態の揺らぎに依
存した出力の差の頻度分布に基づいて送信側と受信側の
秘密鍵を共有し、伝送信号の量子状態の揺らぎを測定す
る。したがって、高効率の検出ができるとともに信号光
の量子状態を測定することができる。
の光信号を強度の強い参照信号と量子力学的状態変化を
検出できる微弱な伝送信号とに分離し、送信過程で参照
信号と伝送信号とに位相差を付与し、この２信号を受信
側で重ね合わせ、得られる相互に逆位相の関係にある２
つの出力の差を求め、伝送信号の量子状態の揺らぎに依
存した出力の差の頻度分布に基づいて送信側と受信側の
秘密鍵を共有し、伝送信号の量子状態の揺らぎを測定す
る。したがって、高効率の検出ができるとともに信号光
の量子状態を測定することができる。
【００１５】さらに請求項７記載の発明では、伝送信号
と参照信号とが異なる経路を進むのは送信者と受信者側
の短い距離だけで、大部分の伝送路は同一の経路を進む
ので、長距離の量子暗号伝送であっても２つの光の相対
的な光路差の変動を小さくすることができる。また請求
項８記載の発明では、光ファイバー伝送中の偏光の乱れ
を強度の強い参照信号で行うので、偏光の乱れを効果的
に補正することができる。さらに請求項９及び１０記載
の発明では、高い量子効率かつ十分なＳ／Ｎ比で信号の
測定ができる。
と参照信号とが異なる経路を進むのは送信者と受信者側
の短い距離だけで、大部分の伝送路は同一の経路を進む
ので、長距離の量子暗号伝送であっても２つの光の相対
的な光路差の変動を小さくすることができる。また請求
項８記載の発明では、光ファイバー伝送中の偏光の乱れ
を強度の強い参照信号で行うので、偏光の乱れを効果的
に補正することができる。さらに請求項９及び１０記載
の発明では、高い量子効率かつ十分なＳ／Ｎ比で信号の
測定ができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明による量
子暗号通信システムの第１の実施形態の模式図である。
図１を参照して本実施形態を説明すると、この量子暗号
通信システムは送信者の装置１０、伝送路１４，１６及
び受信者の装置１２からなり、送信者の装置１０は、レ
ーザー光源１と、ビームスプリッター２と、鏡３と、光
減衰器４とを備えている。レーザー光源１から出た光
は、ビームスプリッター２で参照光Ｌと信号光Ｓとに分
割される。信号光Ｓを反射する鏡３は光の波長程度の微
少な距離の移動が可能で信号光Ｓの位相を変化させる。
づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明による量
子暗号通信システムの第１の実施形態の模式図である。
図１を参照して本実施形態を説明すると、この量子暗号
通信システムは送信者の装置１０、伝送路１４，１６及
び受信者の装置１２からなり、送信者の装置１０は、レ
ーザー光源１と、ビームスプリッター２と、鏡３と、光
減衰器４とを備えている。レーザー光源１から出た光
は、ビームスプリッター２で参照光Ｌと信号光Ｓとに分
割される。信号光Ｓを反射する鏡３は光の波長程度の微
少な距離の移動が可能で信号光Ｓの位相を変化させる。
【００１７】信号光Ｓは光減衰器４により強度が減少
し、典型的な強度が光子１個程度となるようにし、量子
力学的な状態変化を検出できる微弱な信号にしている。
参照光Ｌの典型的な強度は光子１千万個程度であり、信
号光Ｓと参照光Ｌの強度は著しく異なるように調節され
ている。したがって、参照光Ｌの光の強度が信号光Ｓの
光の強度よりも著しく大きいため、高効率の検出が可能
になるとともに、信号光Ｓの量子状態の測定が可能にな
る。
し、典型的な強度が光子１個程度となるようにし、量子
力学的な状態変化を検出できる微弱な信号にしている。
参照光Ｌの典型的な強度は光子１千万個程度であり、信
号光Ｓと参照光Ｌの強度は著しく異なるように調節され
ている。したがって、参照光Ｌの光の強度が信号光Ｓの
光の強度よりも著しく大きいため、高効率の検出が可能
になるとともに、信号光Ｓの量子状態の測定が可能にな
る。
【００１８】受信者の装置１２は、光の波長程度の微少
な距離の移動が可能な鏡５と、光の透過率と反射率とが
等しいビームスプリッター６と、フォトダイオード７
ａ，７ｂと、増幅器及び電圧測定器８とを備えている。
受信者は鏡５を移動することにより参照光Ｌと信号光Ｓ
との相対的な位相差を変化させたあと、ビームスプリッ
ター６上で２つの光を重ね合わせる。ビームスプリッタ
ー６からの２つの出力光はフォトダイオード７ａ，７ｂ
によりそれぞれ電気信号に変換する。さらに、その差信
号を増幅し電圧を測定する。増幅器８にはチャージセン
シティブアンプを用い、その典型的な利得は３０Ｖ／ｐ
Ｃ（ピコクーロン）なので、差信号に１万個の電子が含
まれているときの出力電圧は５０ｍＶ程度となる。
な距離の移動が可能な鏡５と、光の透過率と反射率とが
等しいビームスプリッター６と、フォトダイオード７
ａ，７ｂと、増幅器及び電圧測定器８とを備えている。
受信者は鏡５を移動することにより参照光Ｌと信号光Ｓ
との相対的な位相差を変化させたあと、ビームスプリッ
ター６上で２つの光を重ね合わせる。ビームスプリッタ
ー６からの２つの出力光はフォトダイオード７ａ，７ｂ
によりそれぞれ電気信号に変換する。さらに、その差信
号を増幅し電圧を測定する。増幅器８にはチャージセン
シティブアンプを用い、その典型的な利得は３０Ｖ／ｐ
Ｃ（ピコクーロン）なので、差信号に１万個の電子が含
まれているときの出力電圧は５０ｍＶ程度となる。
【００１９】フォトダイオードとしては波長が６００〜
９００ｎｍの光に対してはＳｉを、波長が１０００〜１
５００ｎｍの光に対してはＩｎＧａＡｓを使用すれば量
子効率９０％以上、最適な場合では９９％以上の量子効
率を実現できる。つまり、最適な場合、参照光Ｌの強度
が強いということから例えば１万個の光子を９９００個
以上の電子に変換し、その電子数を十分にＳ／Ｎ比で測
定することが可能である。
９００ｎｍの光に対してはＳｉを、波長が１０００〜１
５００ｎｍの光に対してはＩｎＧａＡｓを使用すれば量
子効率９０％以上、最適な場合では９９％以上の量子効
率を実現できる。つまり、最適な場合、参照光Ｌの強度
が強いということから例えば１万個の光子を９９００個
以上の電子に変換し、その電子数を十分にＳ／Ｎ比で測
定することが可能である。
【００２０】次に受信者の信号処理について説明する。
以下の説明では簡単のためフォトダイオードの量子効率
を１００％とし、また増幅器の雑音は無視できるとし
た。図１を参照して、信号光Ｓと参照光Ｌはビームスプ
リッター２で分割された後、別の経路を通りビームスプ
リッター６上で重なり合うので、２つの経路の光路差に
より干渉を起こす。ただし、２つの光の強度が著しく異
なるので干渉稿の明瞭度は低い。
以下の説明では簡単のためフォトダイオードの量子効率
を１００％とし、また増幅器の雑音は無視できるとし
た。図１を参照して、信号光Ｓと参照光Ｌはビームスプ
リッター２で分割された後、別の経路を通りビームスプ
リッター６上で重なり合うので、２つの経路の光路差に
より干渉を起こす。ただし、２つの光の強度が著しく異
なるので干渉稿の明瞭度は低い。
【００２１】図２は信号光の量子状態の揺らぎを考慮し
ない場合の受信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）
は参照光と信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイ
オードに入射する光子数との関係図であり、挿入図は光
路差がゼロ付近の拡大図である。図２（ｂ）は参照光と
信号光との差信号を示す図である。
ない場合の受信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）
は参照光と信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイ
オードに入射する光子数との関係図であり、挿入図は光
路差がゼロ付近の拡大図である。図２（ｂ）は参照光と
信号光との差信号を示す図である。
【００２２】図２（ａ）に示すように、ビームスプリッ
ター６は信号光Ｓがないときに参照光Ｌを１対１に分割
するよう調整するので、２つのフォトダイオード７ａ，
７ｂに入射する光子数は共に参照光Ｌの光子数ｎ0 の半
分程度である。それを中心として２つの経路の相対的な
光路差に応じて微少な干渉稿が現れる。干渉稿の強弱は
２つのフォトダイオード７ａ，７ｂで逆位相なので、両
者の差信号をとると、図２（ｂ）に示すように干渉稿の
部分のみを取り出すことができる。このとき干渉稿の振
幅は信号光Ｓの光子数ｎ1 と参照光Ｌの光子数ｎ0 の積
の平方根の２倍、すなわち２√ｎ1 √ｎ0 である。な
お、信号光Ｓと参照孔Ｌの振幅は強度の平方根、つまり
√ｎ1 と√ｎ0 であり、フォトダイオード７ａとフォト
ダイオード７ｂとの差の最大値は｛（√ｎ1 ＋√ｎ0 ）
2 ／２−（√ｎ1 −√ｎ0 ）2 ／２｝＝２√ｎ1 √ｎ0
となる。
ター６は信号光Ｓがないときに参照光Ｌを１対１に分割
するよう調整するので、２つのフォトダイオード７ａ，
７ｂに入射する光子数は共に参照光Ｌの光子数ｎ0 の半
分程度である。それを中心として２つの経路の相対的な
光路差に応じて微少な干渉稿が現れる。干渉稿の強弱は
２つのフォトダイオード７ａ，７ｂで逆位相なので、両
者の差信号をとると、図２（ｂ）に示すように干渉稿の
部分のみを取り出すことができる。このとき干渉稿の振
幅は信号光Ｓの光子数ｎ1 と参照光Ｌの光子数ｎ0 の積
の平方根の２倍、すなわち２√ｎ1 √ｎ0 である。な
お、信号光Ｓと参照孔Ｌの振幅は強度の平方根、つまり
√ｎ1 と√ｎ0 であり、フォトダイオード７ａとフォト
ダイオード７ｂとの差の最大値は｛（√ｎ1 ＋√ｎ0 ）
2 ／２−（√ｎ1 −√ｎ0 ）2 ／２｝＝２√ｎ1 √ｎ0
となる。
【００２３】さらに上述したのは多数回の平均値であ
り、１回ごとの差信号の測定結果には信号光Ｓの量子揺
らぎにより標準偏差√ｎ0 の揺らぎが存在する。図３は
信号光の量子状態の揺らぎを考慮した場合の受信者側の
測定信号の模式図であり、（ａ）は光路差が０度の場
合、（ｂ）は光路差が９０度（λ／４）の場合、（ｃ）
は光路差が１８０度（λ／２）の場合、（ｄ）は光路差
が２７０度（３λ／４）の場合であり、それぞれ横軸は
差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出される確
率を示す。なおλは光の波長を示し、横軸は差信号を２
√ｎ0 で割って規格化してある。
り、１回ごとの差信号の測定結果には信号光Ｓの量子揺
らぎにより標準偏差√ｎ0 の揺らぎが存在する。図３は
信号光の量子状態の揺らぎを考慮した場合の受信者側の
測定信号の模式図であり、（ａ）は光路差が０度の場
合、（ｂ）は光路差が９０度（λ／４）の場合、（ｃ）
は光路差が１８０度（λ／２）の場合、（ｄ）は光路差
が２７０度（３λ／４）の場合であり、それぞれ横軸は
差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出される確
率を示す。なおλは光の波長を示し、横軸は差信号を２
√ｎ0 で割って規格化してある。
【００２４】図３（ａ）に示すように、信号光Ｓと参照
光Ｌとの相対的な光路差が０度の場合、信号光Ｓが平均
光子数１のコヒーレント状態の場合に得られる差信号の
頻度分布は平均値が１で、標準偏差が０．５のガウス分
布となる。図３の（ｂ）〜（ｄ）の場合は、それぞれ
０，−１，０となる。したがって、量子暗号を実行する
ためには、受信者は１回ごとの測定について光路差が０
度であったのか、あるいは１８０度であったのかを差信
号の測定結果から判断することが可能になる。つまり、
図３の（ａ）と（ｃ）とを区別すればよいので、しきい
値Ｘ−、Ｘ＋を定めて、差信号がＸ＋以上であれば０
度、Ｘ−以下であれば１８０度と判断することができ
る。
光Ｌとの相対的な光路差が０度の場合、信号光Ｓが平均
光子数１のコヒーレント状態の場合に得られる差信号の
頻度分布は平均値が１で、標準偏差が０．５のガウス分
布となる。図３の（ｂ）〜（ｄ）の場合は、それぞれ
０，−１，０となる。したがって、量子暗号を実行する
ためには、受信者は１回ごとの測定について光路差が０
度であったのか、あるいは１８０度であったのかを差信
号の測定結果から判断することが可能になる。つまり、
図３の（ａ）と（ｃ）とを区別すればよいので、しきい
値Ｘ−、Ｘ＋を定めて、差信号がＸ＋以上であれば０
度、Ｘ−以下であれば１８０度と判断することができ
る。
【００２５】このようにＸ−とＸ＋とを設定することに
より実効的な検出効率と誤り率を自由に設定できる。例
えば図３のｎ1 ＝１の場合に、Ｘ−＝Ｘ＋＝０とする
と、光路差が０度のときに０度と判断する確率（実効的
な検出確率）は、ガウス分布を｛（平均値）−（標準偏
差の２倍）｝から無限大まで積分すればよいので、９
７．７％となる。逆に光路差が１８０度であるのに０度
と判断してしまう確率（誤り率）はガウス分布を｛（平
均値）＋（標準偏差の２倍）｝から無限大まで積分した
ものなので２．２８％となる。またＸ−＝−０．５、Ｘ
＋＝０．５とすると、同様の計算により実効的な検出確
率が８４．１％まで低下するが、誤り率が０．１３％と
非常に小さくなり、従来より優れた性能が得られる。
より実効的な検出効率と誤り率を自由に設定できる。例
えば図３のｎ1 ＝１の場合に、Ｘ−＝Ｘ＋＝０とする
と、光路差が０度のときに０度と判断する確率（実効的
な検出確率）は、ガウス分布を｛（平均値）−（標準偏
差の２倍）｝から無限大まで積分すればよいので、９
７．７％となる。逆に光路差が１８０度であるのに０度
と判断してしまう確率（誤り率）はガウス分布を｛（平
均値）＋（標準偏差の２倍）｝から無限大まで積分した
ものなので２．２８％となる。またＸ−＝−０．５、Ｘ
＋＝０．５とすると、同様の計算により実効的な検出確
率が８４．１％まで低下するが、誤り率が０．１３％と
非常に小さくなり、従来より優れた性能が得られる。
【００２６】図４は第１の実施形態の測定結果の例であ
り、（ａ）は５０００回測定したときの差信号の頻度分
布図であり、横軸は実際の測定電圧である。（ｂ）は
（ａ）のような測定を３０回行って得たデータから計算
機トモグラフィーにより求めた信号光のウィグナー分布
関数の図である。ウィグナー分布関数は信号光の量子状
態の表現方法の一つであり、ウィグナー分布関数が得ら
れたことは信号光の量子状態の測定が実際に可能である
ことを示している。本実施形態の測定では５０００個の
光パルスに対して差信号の電圧値を測定し頻度分布を求
めたものであり、図４（ａ）に示すように頻度分布はガ
ウス関数に従っている。なお、図４（ａ）の横軸は実際
の測定電圧であるので、分布の幅を図３の場合と直接比
較するには、増幅器の利得と参照光の強度を使って補正
する必要がある。このような補正をすれば、測定された
分布の幅（差信号の揺らぎの大きさ）は量子揺らぎで予
測される幅と一致することが確かめられる。
り、（ａ）は５０００回測定したときの差信号の頻度分
布図であり、横軸は実際の測定電圧である。（ｂ）は
（ａ）のような測定を３０回行って得たデータから計算
機トモグラフィーにより求めた信号光のウィグナー分布
関数の図である。ウィグナー分布関数は信号光の量子状
態の表現方法の一つであり、ウィグナー分布関数が得ら
れたことは信号光の量子状態の測定が実際に可能である
ことを示している。本実施形態の測定では５０００個の
光パルスに対して差信号の電圧値を測定し頻度分布を求
めたものであり、図４（ａ）に示すように頻度分布はガ
ウス関数に従っている。なお、図４（ａ）の横軸は実際
の測定電圧であるので、分布の幅を図３の場合と直接比
較するには、増幅器の利得と参照光の強度を使って補正
する必要がある。このような補正をすれば、測定された
分布の幅（差信号の揺らぎの大きさ）は量子揺らぎで予
測される幅と一致することが確かめられる。
【００２７】図４（ｂ）は光路差を変化させながら５０
００回の測定を３０組、計１５万パルス分のデータから
求めたウィグナー分布関数である。このように本発明の
第１の実施形態では、光路差を変化させながら測定を行
うことにより、信号光の量子力学的な状態の測定が可能
である。ウィグナー分布関数は信号光について理論上知
りうる全ての情報を含んでいるので、盗聴者の存在によ
る信号光の変化を、より簡単に見いだすことが可能にな
る。
００回の測定を３０組、計１５万パルス分のデータから
求めたウィグナー分布関数である。このように本発明の
第１の実施形態では、光路差を変化させながら測定を行
うことにより、信号光の量子力学的な状態の測定が可能
である。ウィグナー分布関数は信号光について理論上知
りうる全ての情報を含んでいるので、盗聴者の存在によ
る信号光の変化を、より簡単に見いだすことが可能にな
る。
【００２８】次に量子暗号の手順について説明する。図
５は本発明による量子暗号の手順を示す表であり、左欄
の１は送信者の位相変調、２は受信者の位相変調、３は
送信者と受信者の位相変調の合計、４は受信者の測定結
果、５は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に公衆
回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、０度又は１８
０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受信者
に通知したこと、６は受信者が＋にビット１を、−にビ
ット０を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵とした
こと、７は送信者が自分の位相変調が、０度又は９０度
のときはビット１を、１８０度又は２７０度のときはビ
ット０を当てはめ秘密鍵としたことを示す。なお、ここ
では簡単のため誤り率を０とする。
５は本発明による量子暗号の手順を示す表であり、左欄
の１は送信者の位相変調、２は受信者の位相変調、３は
送信者と受信者の位相変調の合計、４は受信者の測定結
果、５は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に公衆
回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、０度又は１８
０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受信者
に通知したこと、６は受信者が＋にビット１を、−にビ
ット０を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵とした
こと、７は送信者が自分の位相変調が、０度又は９０度
のときはビット１を、１８０度又は２７０度のときはビ
ット０を当てはめ秘密鍵としたことを示す。なお、ここ
では簡単のため誤り率を０とする。
【００２９】まず送信者は図１中の鏡３を制御すること
により、０度、９０度、１８０度及び２７０度の位相の
変化をランダムに信号光に加える（図５の左欄１）。一
方受信者は鏡５により、０度又は９０度のランダムな位
相変化を参照光に加える（同左欄２）。このとき合計の
光路差は送信者と受信者の位相変調の差となる（同左欄
３）。さらに受信者は測定結果に対して上述したＸ−、
Ｘ＋の設定に従い、差信号がＸ−以下であれば「−」
を、Ｘ＋以上であれば「＋」を割り当てる（同左欄
４）。このとき左欄３が０度のときは必ず＋、１８０度
のときは−、９０度と２７０度のときは＋と−とが等確
率で現れる（同左欄４）。
により、０度、９０度、１８０度及び２７０度の位相の
変化をランダムに信号光に加える（図５の左欄１）。一
方受信者は鏡５により、０度又は９０度のランダムな位
相変化を参照光に加える（同左欄２）。このとき合計の
光路差は送信者と受信者の位相変調の差となる（同左欄
３）。さらに受信者は測定結果に対して上述したＸ−、
Ｘ＋の設定に従い、差信号がＸ−以下であれば「−」
を、Ｘ＋以上であれば「＋」を割り当てる（同左欄
４）。このとき左欄３が０度のときは必ず＋、１８０度
のときは−、９０度と２７０度のときは＋と−とが等確
率で現れる（同左欄４）。
【００３０】次に受信者はビットが０か１であった場合
について、０度と９０度のどちらの位相変調を加えたか
を例えば公衆回線を通じて送信者に連絡する（同左欄
５）。送信者は合計の光路差が０度か１８０度であった
ものについて、秘密鍵として採用することを受信者に連
絡する。すなわち、送信者は位相変調の合計が０度又は
１８０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受
信者に通知する（同左欄５）。受信者は＋にビット１
を、−にビット０を、○となった場合につき当てはめ秘
密鍵とする（同左欄６）。そして送信者は自分の加えた
位相変調が０度と９０度のものはビット１を、１８０度
と２７０度のものはビット０を当てはめ秘密鍵とする
（同左欄７）。図５で示すように、このようにして生成
された秘密鍵は送信者と受信者とで必ず一致する。
について、０度と９０度のどちらの位相変調を加えたか
を例えば公衆回線を通じて送信者に連絡する（同左欄
５）。送信者は合計の光路差が０度か１８０度であった
ものについて、秘密鍵として採用することを受信者に連
絡する。すなわち、送信者は位相変調の合計が０度又は
１８０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受
信者に通知する（同左欄５）。受信者は＋にビット１
を、−にビット０を、○となった場合につき当てはめ秘
密鍵とする（同左欄６）。そして送信者は自分の加えた
位相変調が０度と９０度のものはビット１を、１８０度
と２７０度のものはビット０を当てはめ秘密鍵とする
（同左欄７）。図５で示すように、このようにして生成
された秘密鍵は送信者と受信者とで必ず一致する。
【００３１】次に盗聴を知る方法を説明する。量子的な
測定は対象に必ず影響を及ぼすという原理により、第三
者による盗聴の試みは伝送信号に必ず変化を与えるの
で、送信者と受信者とに気づかれずに第三者がこの秘密
鍵を知ることは不可能である。具体的な信号の変化は盗
聴者がどのような手段をとるかに依存する。例えば盗聴
者がいったん信号光を遮って情報を読み取り、受信者に
信号を再送するという手段をとった場合、盗聴者の情報
の読み取りに上述した受信者と同じ測定を行うとする
と、誤った位相変調のときには（送信者の位相変調との
合計が９０度や２７０度のとき）送信者の位相変調を知
ることができず、受信者に正しい信号を再送することが
できない。
測定は対象に必ず影響を及ぼすという原理により、第三
者による盗聴の試みは伝送信号に必ず変化を与えるの
で、送信者と受信者とに気づかれずに第三者がこの秘密
鍵を知ることは不可能である。具体的な信号の変化は盗
聴者がどのような手段をとるかに依存する。例えば盗聴
者がいったん信号光を遮って情報を読み取り、受信者に
信号を再送するという手段をとった場合、盗聴者の情報
の読み取りに上述した受信者と同じ測定を行うとする
と、誤った位相変調のときには（送信者の位相変調との
合計が９０度や２７０度のとき）送信者の位相変調を知
ることができず、受信者に正しい信号を再送することが
できない。
【００３２】一般に互いに９０度離れた振幅成分の両方
の情報を得ることは不確定性関係により不可能であるの
で、盗聴者がどのような手段で情報を読み取るとしても
正しい情報は得られず、必ず誤り率の増加となって現れ
る。すなわち、送信者と受信者の秘密鍵が一致しない。
例えば盗聴者が信号光をいったん遮って再送するという
手段をとった場合は、不適切な位相変調を行う確率１／
２と誤った信号を再送する確率１／２を掛け合わせた確
率１／４で、送信者と受信者との秘密鍵が一致しない。
したがって、秘密鍵の一部を照らし合わせることにより
盗聴者の存在を検出することができる。
の情報を得ることは不確定性関係により不可能であるの
で、盗聴者がどのような手段で情報を読み取るとしても
正しい情報は得られず、必ず誤り率の増加となって現れ
る。すなわち、送信者と受信者の秘密鍵が一致しない。
例えば盗聴者が信号光をいったん遮って再送するという
手段をとった場合は、不適切な位相変調を行う確率１／
２と誤った信号を再送する確率１／２を掛け合わせた確
率１／４で、送信者と受信者との秘密鍵が一致しない。
したがって、秘密鍵の一部を照らし合わせることにより
盗聴者の存在を検出することができる。
【００３３】また信号光の一部を分離して測定して情報
を部分的に得て、分離したことによる損失を増幅によっ
て補うという盗聴手段の場合、従来の量子暗号では低い
量子効率と相まって検出が困難であったが、本発明の場
合ではウィグナー分布関数の変化となって現れるので受
信者は直ぐ気付くことになる。これは増幅過程が量子揺
らぎの増減を必ず伴うので、図４（ａ）のような測定結
果において分散の増減となって現れ、ウィグナー分布関
数もピーク値のまわりの分布が全体的に太くなったり非
対称となり、また盗聴者が確定的な情報を得た場合のみ
増幅する盗聴手段をとった場合には、ピーク値をとるＸ
1 、Ｘ2 の値も変化することになるからである。
を部分的に得て、分離したことによる損失を増幅によっ
て補うという盗聴手段の場合、従来の量子暗号では低い
量子効率と相まって検出が困難であったが、本発明の場
合ではウィグナー分布関数の変化となって現れるので受
信者は直ぐ気付くことになる。これは増幅過程が量子揺
らぎの増減を必ず伴うので、図４（ａ）のような測定結
果において分散の増減となって現れ、ウィグナー分布関
数もピーク値のまわりの分布が全体的に太くなったり非
対称となり、また盗聴者が確定的な情報を得た場合のみ
増幅する盗聴手段をとった場合には、ピーク値をとるＸ
1 、Ｘ2 の値も変化することになるからである。
【００３４】次に第２の実施形態について説明する。こ
の第２の実施形態は、伝送路として１本の光ファイバー
を用いることを想定しており、上述した第１の実施形態
のままでは困難である長距離の量子暗号を可能にするた
めの実装である。そのために参照光と信号光とを時間及
び偏光状態で分離し、同一の経路を伝送させるようにし
たものであり、受信者の信号処理や量子暗号の手順は上
述した第１の実施形態と同様である。ただし、送信者と
受信者との位相変調に量子暗号の手続に加え、別に予め
定めた位相変調を与えることにより、光路差の安定性の
改善と量子状態のモニターのための操作を加えている。
の第２の実施形態は、伝送路として１本の光ファイバー
を用いることを想定しており、上述した第１の実施形態
のままでは困難である長距離の量子暗号を可能にするた
めの実装である。そのために参照光と信号光とを時間及
び偏光状態で分離し、同一の経路を伝送させるようにし
たものであり、受信者の信号処理や量子暗号の手順は上
述した第１の実施形態と同様である。ただし、送信者と
受信者との位相変調に量子暗号の手続に加え、別に予め
定めた位相変調を与えることにより、光路差の安定性の
改善と量子状態のモニターのための操作を加えている。
【００３５】安定性の改善は、予め定めた位相変調の場
合に予測される差信号と実際に測定される差信号との比
較により行う。量子状態のモニターは一様に変化する位
相変調を予め定めた位相変調として与えることにより実
行できる。
合に予測される差信号と実際に測定される差信号との比
較により行う。量子状態のモニターは一様に変化する位
相変調を予め定めた位相変調として与えることにより実
行できる。
【００３６】図６は第２の実施形態の量子暗号装置の模
式図である。図６を参照すると、第２の実施形態は送信
者側に、直線偏光のパルス光を発生するレーザー光源２
１と、このパルス光を２つに分割するビームスプリッタ
ー２２と、一方の経路の光、これを信号光として、信号
光Ｓの偏光を９０度回転する半波長板２４と、吸収媒質
により信号光Ｓの強度を弱くする光減衰器２５と、信号
光Ｓの位相を変化させる位相変調器２６と、他方の経路
の光、これを参照光Ｌとして、この参照光Ｌと信号光Ｓ
とを同一光軸上に戻す偏光ビームスプリッター２３とを
備え、参照光Ｌと信号光Ｓとを光ファイバー２７に入射
するようになっている。このとき信号光Ｓと参照光Ｌと
は互いに偏光が直交しており、かつ、時間的に離れた状
態となっている。なお、図６中の１８，１９は鏡を示
す。
式図である。図６を参照すると、第２の実施形態は送信
者側に、直線偏光のパルス光を発生するレーザー光源２
１と、このパルス光を２つに分割するビームスプリッタ
ー２２と、一方の経路の光、これを信号光として、信号
光Ｓの偏光を９０度回転する半波長板２４と、吸収媒質
により信号光Ｓの強度を弱くする光減衰器２５と、信号
光Ｓの位相を変化させる位相変調器２６と、他方の経路
の光、これを参照光Ｌとして、この参照光Ｌと信号光Ｓ
とを同一光軸上に戻す偏光ビームスプリッター２３とを
備え、参照光Ｌと信号光Ｓとを光ファイバー２７に入射
するようになっている。このとき信号光Ｓと参照光Ｌと
は互いに偏光が直交しており、かつ、時間的に離れた状
態となっている。なお、図６中の１８，１９は鏡を示
す。
【００３７】光ファイバー２７の出力側には光ファイバ
ー伝送中の偏光の乱れを補正する偏光素子２８が設けら
れている。本発明では参照光Ｌの強度が強いので、この
参照光Ｌを用いて補正を行っている。受信者側には、信
号光Ｓと参照光Ｌとを分離する偏光ビームスプリッター
２９と、先ほどとは逆に距離的に短い経路を通し途中で
位相変化を信号光Ｓに与える位相変調器３０と、長い経
路を通して参照光Ｌの偏光を９０度回転する半波長板３
１と、参照光Ｌと信号光Ｓとを時間的及び偏光方向も一
致させる無偏光ビームスプリッター３２とを備え、この
無偏光ビームスプリッター３２からの参照光Ｌと信号光
Ｓとをそれぞれフォトダイオード３３ａ、３３ｂにより
電気信号に変化し、その差信号を増幅器及び電圧測定器
３５で増幅し、電圧を測定するようになっている。な
お、図６中の３８，３９は鏡を示す。
ー伝送中の偏光の乱れを補正する偏光素子２８が設けら
れている。本発明では参照光Ｌの強度が強いので、この
参照光Ｌを用いて補正を行っている。受信者側には、信
号光Ｓと参照光Ｌとを分離する偏光ビームスプリッター
２９と、先ほどとは逆に距離的に短い経路を通し途中で
位相変化を信号光Ｓに与える位相変調器３０と、長い経
路を通して参照光Ｌの偏光を９０度回転する半波長板３
１と、参照光Ｌと信号光Ｓとを時間的及び偏光方向も一
致させる無偏光ビームスプリッター３２とを備え、この
無偏光ビームスプリッター３２からの参照光Ｌと信号光
Ｓとをそれぞれフォトダイオード３３ａ、３３ｂにより
電気信号に変化し、その差信号を増幅器及び電圧測定器
３５で増幅し、電圧を測定するようになっている。な
お、図６中の３８，３９は鏡を示す。
【００３８】このような構成により、信号光Ｓと参照光
Ｌとが異なる経路を進むのは送信者と受信者側の短い距
離だけで、大部分の伝送路は同一の経路を進むので、２
つの光の相対的な光路差の変動を小さくすることができ
る。
Ｌとが異なる経路を進むのは送信者と受信者側の短い距
離だけで、大部分の伝送路は同一の経路を進むので、２
つの光の相対的な光路差の変動を小さくすることができ
る。
【００３９】さらに相対的な光路差の変動の影響を除く
ために予め定めた位相変調とランダムな位相変調とを与
える。図７は本発明にかかる第２の実施形態に位相変調
を与えるタイミングチャートである。図７を参照して、
送信者側Ａは０度の位相変調と、第１の実施形態のラン
ダムな位相変調を交互に繰り返す。一方、受信者側は０
度から始まって単調に増加する位相変調と、第１の実施
形態のランダムな位相変調を繰り返す。予め定めた位相
変調の場合は差信号の平均値が予測できるので、逆に実
際に測定される差信号の平均値から相対的な光路差の変
動を見積もることができる。
ために予め定めた位相変調とランダムな位相変調とを与
える。図７は本発明にかかる第２の実施形態に位相変調
を与えるタイミングチャートである。図７を参照して、
送信者側Ａは０度の位相変調と、第１の実施形態のラン
ダムな位相変調を交互に繰り返す。一方、受信者側は０
度から始まって単調に増加する位相変調と、第１の実施
形態のランダムな位相変調を繰り返す。予め定めた位相
変調の場合は差信号の平均値が予測できるので、逆に実
際に測定される差信号の平均値から相対的な光路差の変
動を見積もることができる。
【００４０】したがって、たとえ外的な要因による相対
的な光路差の変動があったとしても、その効果を打ち消
すように補正することが可能になる。さらにいろいろな
位相での差信号のデータから計算機トモグラフィーによ
り信号光の量子状態が得られる。したがって、光路差の
変動の補正と量子状態の測定を両方を同時に行うことが
可能になる。
的な光路差の変動があったとしても、その効果を打ち消
すように補正することが可能になる。さらにいろいろな
位相での差信号のデータから計算機トモグラフィーによ
り信号光の量子状態が得られる。したがって、光路差の
変動の補正と量子状態の測定を両方を同時に行うことが
可能になる。
【００４１】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の量子暗号通信システムでは、伝送信号の量子力学的
な状態の測定ができるとともに、実質的に高い量子効率
で伝送信号の検出ができるという効果を有する。したが
って、第三者の盗聴が不可能な量子暗号通信システムを
提供することができる。
明の量子暗号通信システムでは、伝送信号の量子力学的
な状態の測定ができるとともに、実質的に高い量子効率
で伝送信号の検出ができるという効果を有する。したが
って、第三者の盗聴が不可能な量子暗号通信システムを
提供することができる。
【図１】本発明による量子暗号通信システムの第１の実
施形態の模式図である。
施形態の模式図である。
【図２】信号光の量子状態の揺らぎを考慮しない場合の
受信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）は参照光と
信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイオードに入
射する光子数との関係図であり、挿入図は光路差がゼロ
付近の拡大図である。図２（ｂ）は参照光と信号光との
差信号を示す図である。
受信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）は参照光と
信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイオードに入
射する光子数との関係図であり、挿入図は光路差がゼロ
付近の拡大図である。図２（ｂ）は参照光と信号光との
差信号を示す図である。
【図３】信号光の量子状態の揺らぎを考慮した場合の受
信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）は光路差が０
度の場合、（ｂ）は光路差が９０度（λ／４）の場合、
（ｃ）は光路差が１８０度（λ／２）の場合、（ｄ）は
光路差が２７０度（３λ／４）の場合であり、それぞれ
横軸は差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出さ
れる確率を示す。
信者側の測定信号の模式図であり、（ａ）は光路差が０
度の場合、（ｂ）は光路差が９０度（λ／４）の場合、
（ｃ）は光路差が１８０度（λ／２）の場合、（ｄ）は
光路差が２７０度（３λ／４）の場合であり、それぞれ
横軸は差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出さ
れる確率を示す。
【図４】第１の実施形態の測定結果の例であり、（ａ）
は５０００回測定したときの差信号の頻度分布図で、横
軸は実際の測定電圧である。（ｂ）は（ａ）のような測
定を３０回行って得たデータから計算機トモグラフィー
により求めた信号光のウィグナー分布関数の図である。
は５０００回測定したときの差信号の頻度分布図で、横
軸は実際の測定電圧である。（ｂ）は（ａ）のような測
定を３０回行って得たデータから計算機トモグラフィー
により求めた信号光のウィグナー分布関数の図である。
【図５】本発明による量子暗号の手順を示す図であり、
左欄の１は送信者の位相変調、２は受信者の位相変調、
３は送信者と受信者の位相変調の合計、４は受信者の測
定結果、５は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に
公衆回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、０度又は
１８０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受
信者に通知したこと、６は受信者が＋にビット１を、−
にビット０を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵と
したこと、７は送信者が自分の位相変調が、０度又は９
０度のときはビット１を、１８０度又は２７０度のとき
はビット０を当てはめ秘密鍵としたことを示す。
左欄の１は送信者の位相変調、２は受信者の位相変調、
３は送信者と受信者の位相変調の合計、４は受信者の測
定結果、５は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に
公衆回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、０度又は
１８０度のとき○を、９０度又は２７０度のとき×を受
信者に通知したこと、６は受信者が＋にビット１を、−
にビット０を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵と
したこと、７は送信者が自分の位相変調が、０度又は９
０度のときはビット１を、１８０度又は２７０度のとき
はビット０を当てはめ秘密鍵としたことを示す。
【図６】第２の実施形態の量子暗号装置の模式図であ
る。
る。
【図７】本発明の第２の実施形態に位相変調を与えるタ
イミングチャートである。
イミングチャートである。
１ レーザー光源 ２，６ ビームスプリッター ３，５ 鏡 ４ 光減衰器 ７ａ，７ｂ フォトダイオード ８ 増幅器及び電圧測定器 １０ 送信者の装置 １２ 受信者の装置 ２１ レーザー光源 ２２ ビームスプリッター ２３ 偏光ビームスプリッター ２４ 半波長板 ２５ 光減衰器 ２６ 位相変調器 ２７ 光ファイバー ２８ 偏光素子 ２９ 偏光ビームスプリッター ３０ 位相変調器 ３１ 半波長板 ３２ 無偏光ビームスプリッター ３３ａ，３３ｂ フォトダイオード
Claims (10)
- 【請求項１】 光信号を用いる量子暗号通信において、 盗聴の操作によって生じる信号光の振幅と位相とで規定
される量子力学的な確率分布の変化に基づいて盗聴を検
出することを特徴とする、量子暗号通信システム。 - 【請求項２】 前記量子暗号通信において、送信側から
の光信号を強度の強い参照信号と量子力学的状態変化を
検出できる微弱な伝送信号とに分離し、送信過程で上記
参照信号と上記伝送信号とに位相差を付与し、これらの
２信号を受信側で重ね合わせて得られる相互に逆位相の
関係にある２つの出力光の差を求め、上記伝送信号の量
子状態の揺らぎに依存した上記出力光の差の頻度分布に
基づいて送信側と受信側との秘密鍵を共有するととも
に、上記伝送信号の量子状態の揺らぎを直接測定するよ
うにしたことを特徴とする、請求項１に記載の量子暗号
通信システム。 - 【請求項３】 前記出力光の差の信号に正負それぞれに
しきい値を設定し、このしきい値を基準にして前記伝送
信号の状態を判別することを特徴とする、請求項１又は
２に記載の量子暗号通信システム。 - 【請求項４】 前記位相差の付与がランダムな位相変調
の他に予め定めた位相変調を与えることによって外的な
要因による前記参照信号と前記伝送信号との光路差の変
動を補正することを特徴とする、請求項１乃至３の何れ
かに記載の量子暗号通信システム。 - 【請求項５】 前記参照信号と前記伝送信号とを時間及
び偏光状態で分離して同一の経路を伝送したことを特徴
とする、請求項１乃至４の何れかに記載の量子暗号通信
システム。 - 【請求項６】 光源からの光を伝送信号と参照信号とに
分割する第１のビームスプリッターと、上記伝送信号に
位相変調を与える位相変調手段と、この伝送信号を量子
力学的な状態変化で検出できる微弱な信号にする光減衰
器と、上記参照信号に位相変調を与える位相変調手段と
を備え、 上記位相変調した微弱な伝送信号と上記位相変調した強
度の強い参照信号とを重ね合わせ出力する第２のビーム
スプリッターと、この第２のビームスプリッターの２つ
の出力光を電気変換する第１及び第２の光電変換素子
と、この第１及び第２の光電変換素子の逆位相の差信号
を増幅して電圧を出力する増幅器とを有する、量子暗号
通信システム。 - 【請求項７】 光源からの光を伝送信号と参照信号とに
分割するビームスプリッターと、上記伝送信号を一方の
長い経路を通し偏光する第１の偏光素子と、この伝送信
号を量子力学的な状態で検出できる微弱な信号にする光
減衰器と、この伝送信号に所定の位相変調を与える第１
の位相変調手段と、他方の短い経路に通した強度の強い
上記参照信号と上記伝送信号とを同一光軸上に戻す第１
の偏光ビームスプリッターとを備え、 受信側にて一本の光ファイバーを伝送してきた上記伝送
信号及び上記参照信号を分離する第２の偏光ビームスプ
リッターと、この分離した伝送信号を一方の短い経路に
通し位相変調を与える第２の位相変調手段と、上記分離
した参照信号を他方の長い経路に通し偏光する第２の偏
光素子とを有しており、 時間及び偏光状態が一致した上記伝送信号と上記参照信
号とを重ね合わせ出力する無偏向ビームスプリッター
と、この無偏向ビームスプリッターの２つの出力光を電
気変換する第１及び第２の光電変換素子と、この第１及
び第２の光電変換素子の逆位相の差信号を増幅して電圧
を出力する増幅器とを有する、量子暗号通信システム。 - 【請求項８】 前記光ファイバーの出力側に前記参照信
号の偏光の乱れを補正する第３の偏光素子を設けたこと
を特徴とする、請求項７に記載の量子暗号通信システ
ム。 - 【請求項９】 前記２つの出力光をフォトダイオードで
電気変換することを特徴とする、請求項１乃至８の何れ
かに記載の量子暗号通信システム。 - 【請求項１０】 光の波長が６００ｎｍ〜９００ｎｍの
ときシリコンフォトダイオードを用い、光の波長が１０
００ｎｍ〜１５００ｎｍのときＩｎＧａＡｓフォトダイ
オードを用いることを特徴とする、請求項１乃至９の何
れかに記載の量子暗号通信システム。
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27014998A JP4038783B2 (ja) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000101570A true JP2000101570A (ja) | 2000-04-07 |
| JP4038783B2 JP4038783B2 (ja) | 2008-01-30 |
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ID=17482234
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|---|---|---|---|
| JP27014998A Expired - Fee Related JP4038783B2 (ja) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 |
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