JP2000517499A - 量子暗号装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 量子暗号のための干渉システムを用いて２つのステーション（１，２）間で鍵を通信するシステムと方法。本方法は、少なくとも２つの光パルスを量子チャンネル（３）を通して送るステップ、および、一方のステーション（ボブ）で上記パルスでつくられた干渉を検出するステップを含む。干渉するパルス（複数）は上記干渉を起こす干渉計の同じ腕を走行し、他のシーケンスでは、上記量子チャンネルを走行するとき、それらは遅延されている。パルス（複数）は、少なくとも、上記量子チャンネルの両端にあるファラデーミラー（１４、１６、２２）で偏光の影響が相殺されるように反射される。利点：システムは干渉計の腕間で、整列やバランスの調整をとる必要がない。ステーションをプラグ・アンド・プレイ（プラグをつなぐだけで動作）式で使うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】 量子暗号装置および方法 本発明は量子暗号を用いて鍵の配送を行うための光通信システムおよび方法に 関する。 従来技術 量子暗号の目的は、通常、この分野で慣習的に、アリスとボブと呼ばれている ２人のユーザー間で、完全な秘密保持性を保持しながらメッセージを交換するこ とである。暗号法では、しばしば、公開鍵暗号化ならびに解読アルゴリズムが用 いられる。その場合、情報の信頼性は、もっぱら、受け取ったメッセージの解読 のための解読アルゴリズムに対して入力として用いられなければならない鍵に依 存している。 鍵は、通常、ランダムに選ばれた充分長いビットの並びである。一旦鍵がつく られると、それ以後に送信されるメッセージを公衆チャンネル上でも安全に送信 することができる。しかし、通信しようとする２人のユーザーは、ある段階で、 その鍵を共有しなければならないので、それを送るために安全の保障されたチャ ンネルを用いなければならない。通常の鍵の伝送法では盗聴者による受動的なモ ニタリングの危険性にさらされているために、 安全を保証できる秘密鍵の伝送は不可能であり、非常に面倒くさい物理的な秘密 保持の対策が必要となる。しかし、安全な鍵の配送は、量子的な技術を使えば可 能である。量子暗号では、鍵は量子チャンネルを通じて交換することができる。 その安全保証は、適切に選ばれた量子系においては、いかなる測定も、不可避的 に、この系の量子状態に変形をもたらすとい量子力学の基本にもとづいている。 したがって、通常、イブと呼ばれている盗聴者が、測定を実行することによって 量子チャンネルから情報を得ることはできるだろうが、正当な方のユーザーはこ のイブの盗聴を検出できるので、この盗まれた鍵を使わないだろう。実際には、 ここで言う量子系は、1９８４年に、インド、バンガロールで開催された国際コ ンピューター、システムならびに信号処理国際シンポジウムのプロシーディング （IEEE,ニューヨーク，１９８４）の１７５ページから１７９ページに記載され ている、「量子暗号：公開鍵配送とコイン投げ」でC.H.BennettとG.Brassardが 提案したように、光ファイバーを通して伝搬する単一光子で実現でき、鍵は光子 の偏光または位相で符号化することができる。 干渉計形の量子鍵配送システムは通常、２重のマッハ・ツェンダー形干渉計に もとづいており、その一方はアリス用であり、もう一方はボブ用である（図１参 照）。干渉している両パルスは、アリスとボブとの間では同一の 経路を若干の時間差をもって通る。しかしアリスのとボブのそれぞれの干渉計内 では異なった経路を通るので、これらの干渉計で時間多重が実行されることにな る。良好な干渉を得るためには、両ユーザーは、各腕（うで）に対して同一の結 合比と同一の腕長を持つ同一の干渉計を備えていることが必要でり、また伝送の 期間中、それら２本の腕を数１０ナノメーター以内のゆらぎに安定に保つことが 必要となる。したがって、熱的なドリフトを打ち消すために、数秒ごとに、一方 の干渉計を他方の干渉計に対して調節しなければならない。その上、位相変調器 のような光構成部品には偏光依存性があるので、伝送線と各干渉計内の両方につ いて偏光制御が必要となる。偏光にもとづくシステムでは、アリスとボブの両方 で偏光を揃えて保持するために、偏光を数十キロメーターにわたって安定に保た なければならない。このようなことは、明らかに、実際的な応用には不都合であ る。 本発明が解決しようとする技術的な問題は、したがって、量子暗号の改良され た装置と改良された方法を発見することである。 これらの改良点は、本発明の種々の側面にもとづいて、独立請求項を特性づけ る特徴から導出される。 もっと具体的にはこれらの改良は、干渉するパルスが 干渉計の同じブランチを走行するが、別のシーケンスでは、それらのパルスは上 記の量子チャンネルを通って走行するときには時間的に遅延する、というあるシ ステムで実現される。 本発明のシステムは、したがって、干渉計の配列調整やバランスをとる必要の ないシステムを構成することを可能にする。本発明のシステムによれば、アリス とボブは、通常の標準的な通信チャンネルを通して、たとえば、暗号解読用の鍵 などの情報を交換することができる。１本のチャンネルの両端のユーザーは、本 発明の送受信ステーションおよび本発明の鍵符号化ステーションをチャンネルに 接続し、互いの信号の同期をとるだけで、情報の交換ををはじめることができる 。 本発明のもう１つの側面によれば、偏光の影響のキャンセルを、ファイバー端 に取り付けたファラデーミラーを用いることによって得ることができる。 本発明の詳細を、以下の図面を参照しながら、例を示すことによって説明する ： 図１は従来技術による、従来形のマッハ・ツェンダー形干渉計の模式図である 。 図２は本発明による装置の第１実施例の模式図である。 図３は本発明による装置の第２実施例の模式図である。 図４は本発明による装置の第３実施例の模式図である。 図１は、たとえば、米国特許５３０７４１０（Benett）に述べられているよう な在来の量子暗号用のマッハ・ツェンダー形干渉計のブロック図を示している。 アリスの装置内にあるレーザー光源４０は、ボブに向かって短いレーザーパルス を放射する。レーザーパルスは、アリスによって互いに時間シフトされた２つの パルスＰ１とＰ２に分割される。１方のパルスは短い方の経路を通り、位相変調 器４２を通過する；もう１方のパルスは長い方の経路４３で遅延される。２つの カップラー（ビームスプリッター）４１と４４はレーザーパルスを分割するのに 必要である。鍵についての情報は、位相変調器４２によって導入される位相シフ トで符号化される。 光ファイバー３を伝搬した後、互いに時間シフトされた２つのパルスＰ１とＰ ２はボブ側にある同様の干渉計に到着し、３つのパルスが生じる。第１のパルス は、ボブ側の位相変調器５１を含む短いブランチを走行したＰ１からつくられる 。最後のパルスはボブ側の遅延部５２を走行したＰ２からつくられる。これら２ つのパルスは 位相を設定するような情報は何も運んでいない。真ん中のパルスはボブ側の位相 変調器５１を走行したＰ１とボブ側の遅延線５２を走行したＰ２の間の干渉の結 果として得られる。これら２つのパルス間の相対的な位相の設定の結果として、 検出器５５と５６中に相加的あるいは相殺的な干渉が生じる。 良好な明瞭度を得るためには、２つの干渉計４と５は同一に保たれていて、し かも偏光状態が保存されていなければならない。特に、両干渉計内の遅延線４３ 、５２の長さは正確に同じでなければならない。これは、従来技術によって、数 秒ごとに一方の干渉計を他方の干渉計に対して調整して、熱的なドリフトを補償 することによって行われる。 本発明による量子暗号鍵配送のために構成された光通信システムの第１の実施 例は、時間多重化にもとづいて位相で符号化された量子鍵配送を実行するもので あるが、その構成を図２に示す。この実施例は、２×２のカップラー１２を含ん でいることが特徴である。原理的には、ボブ側（１）に、アリス側へと出てゆく 長い腕を持つアンバランス形マイケルソン干渉計があるということである。ボブ 側では、送受信ステーション１はパルスレーザー１０、第１のカップラー１１、 ファラデーミラー１６、第２のカップラー１２、位相変調器１３、第２のファラ デーミラー１４、および単一光子検出器１７を含んでいる。レーザー１０は、た とえば、DFB（分布帰還形）レーザーであって、たとえば、１３００ｎｍで３０ ０ｐｓの時間幅を持つパルスを、たとえば、繰り返し率１ｋＨｚで発生する。ア リス側では、鍵符号化ステーション２は、カップラー２０、検出器２３、位相変 調器２１、ファラデーミラー２２、および検出器２３で制御される減衰器２４を 含んでいる。アリスとボブの装置は量子チャンネル３、たとえば、単一モード光 ファイバーを含む光チャンネルの両端に結合されている。 ボブがアリスに向かって短いレーザーパルスを送ることによって伝送をはじめ る。しばらくの間、ファラデーミラー１６、１４、２２の効果を無視し、これら を通常のミラーと見なすこととしよう。アリス側の腕にあるカップラー２０と検 出器２３の必要性は後で説明する。カップラー１２に到着したパルスは２つの部 分に分割される。第１の部分Ｐ１は直接アリスに向かい、一方、第２の部分は先 ず（遅延線としての）ミラー１４での、つぎに１６での、それぞれ１回の反射に よって遅延される。２つのパルスＰ１とＰ２はアリスへと向かってファイバーを 伝搬する。アリスは彼女のビットを符号化するため、第１のパルスをミラー２２ で反射させるだけだが、第２のパルスＰ２の位相をミラー２２の直前に設けた位 相変調器２１(位相シフトφ_A)によって変調する。そこで、 ２つのパルスはボブへと逆行する。ボブ側での検出は同じ遅延線１４−１６中で のＰ１の遅延を受けた方の部分について行われる。ボブはパルスＰ２を変調なし に通過させるが、ミラー１４の直前に設けられた変調器１３で第１のパルスＰ１ の位相を変調する(位相シフトφ_B)。このパルスはＰ２と干渉を起こす。もしア リスの変調器とボブの変調器とがいずれもオフ状態にあるか、それらの位相シフ トの差がφ_A−φ_B＝０（２つのパルスＰ１とＰ２に同じ位相シフトが加えられた ）であるなら、干渉は相加的である（２つのパルスは正確に同じ経路を通ってい る）。しかし、もし、アリスとボブが２つのパルス間の位相についての彼等の設 定を別のものにとるならば、干渉は相殺的となるだろう。完全な相殺干渉は、φ_A 、φ_Bをそれぞれアリスとボブによってそれぞれに加えられたトータルの位相シ フト、すなわち、帰途に位相変調器を通して経験する位相シフトとして、φ_A− φ_B＝πのときに得られる。この場合には、単一光子検出器１７で光は検出され ない。位相シフトが異なるときに、得られる干渉が完全に相殺的になることが本 質的に欠かせないことであることに注意すべきである。このことが、ボブが検出 という事象を得るとき、彼は、アリスが異なる位相を使わなかった、したがって 、彼女が彼自身のと同じ位相を使ったのだということを確信できることを保証し ているのである。 このことは相対位相の設定が検出器１７での強度を変調していること、したが って、アリスからボブへの情報の移送に使うことができるということを示してい る。この構成の第１の魅力的な特徴は、干渉計が自動的に調節整列されること（ 両方のパルスが同じ遅延線で遅延される）と、干渉縞の明瞭度がカップラー１２ の透過/反射係数に依存していないことである。 もちろん、光の大部分はこれら２つの経路を通るのではなく、システム内の多 くのカップラーで、いろいろに分割される（たとえば、検出器１７へ向かう前に 、14-1６間、あるいは、１６−２２間で数回の振動を繰り返す）。これらのパル スは最終的には、検出器１７に到達するが、到着時間が異なるので、これらを選 別することは容易である。したがって、そのことが明瞭度を低下させることはな い。特に興味のある事は、アリスからボブに戻ってきて、２つの干渉パルスの前 に直接検出器に向かうＰ１の割合である。以下に、このパルスがある種のタイプ の盗聴防止対策に必要であることを示そう。アリスとボブの間の距離がボブの干 渉計の長さよりずっと長いので、ボブの設定において到着する２つのパルス間の 時間遅延（すなわち、Ｐ２の出発とＰ１の帰還の間の時間）がアリスの設定にお けるパルス間の時間よりもずっと長いことに注意すべきである。アリスとボブ間 の１０ｋｍの距離は０．１ｍｓに対応する。このことはボブのステーシ ョンがこれよりも長い時間安定に保持できなければならないが、短い干渉計シス テムに対しては問題にならないことをことを意味している。ところで、ミラー１ ４と１６との間の距離を３ｍと仮定すると、アリスに到着するパルス間の時間遅 延は３０ｎｓに過ぎない。このことは、非常に長い伝送線に対しても、安定性に ついては、何の問題もないことを意味している。しかし、パルス間の時間遅延が 短いので、アリスが彼女のビットを符号化しようとすると、アリスが、Ｐ１の位 相に影響を与えることなく、アリスに届くパルスＰ２の位相を変調するために、 高速な位相変調器２１（約１００ＭＨｚ）を必要とすることになる。しかし、こ れは、現在入手可能なニオブ酸リチウム（LiNbO₃）変調器を用いれば、何の問題 もない。ボブ側では、同様な変調器で、もっと遅いものを用いることができる。 その他の変調器についてはＷＯ９６/０７９５１に述べられている。 上の構成は複屈折性をもたない理想的なファイバーに対しては完璧に働くだろ う、しかし、残念ながら、現存する如何なるファイバーも複屈折性を持っている ので、光の偏光状態は変えられてしまい、必ず干渉の明瞭度は減少する。干渉を 保存するために、通常のミラーを使うかわりに、本発明では、いわゆるファラデ ーミラー１４、１６、２２を使う。ファラデーミラーというのは、通常のミラー 上に偏光を４５°分回転するにファラデー回 転子を接着しただけのものである。 ファラデーミラーの効果はどのような偏光状態でも、それをその直交状態に変 換することである。したがって、光ファイバーの各点での反射パルスの偏光状態 は受信パルスの偏光状態に直交している。通常のミラー１４と１６をファラデー ミラーに置き直すこと（すなわち、ファラデー回転子をつけ加えること）は、遅 延線１４-１６中の複屈折の存在に関わらず、パルスＰ１とＰ２が同じ偏光を持 つことを保証している。したがって、パルスＰ２の偏光状態はファラデーミラー １４と１６上の２回の反射によって変化することはなく、同様に、Ｐ１の状態に ついても、検出器１７へと出てゆく際のファラデーミラー１６と１４上の反射に よっても変化することはない。上に述べたことは、長いファイバー（数キロメー ター長）を伝搬するパルスＰ１とＰ２については、必ずしも成り立たないという ことに注意してほしい。ファイバー自体の中で小さなファラデー効果をつくりだ す地磁気の影響や、複屈折性の速い変動があり得るために、戻ってくるパルスの 偏光状態は必ずしも入力の偏光状態に直交しているとは言えなくなる。しかし、 本発明の構成について重要なことは、２つの干渉するパルスＰ１とＰ２が同じ偏 光を持っているということである。 アリス側でのファラデーミラー２２の使用は、位相変 調器２１の偏光依存性や偏光依存形の損失の相殺を可能としている。 ここまでは、ただ単に巨視的なパルスについて議論してきた。量子暗号による 安全保証を実現するためには、１９９２年、C.H.Bennett、G.BrassardおよびA.K .Ekertによって、サイエンテイフィックアメリカン誌、２６７巻、５０−５７ペ ージの「量子暗号」で説明されているように、情報を運んでいるパルスは、パル スあたり１個の光子を含む程度に、非常に弱くなければならない。このことは、 通常、この分野で慣習上、イブと呼ばれている悪意の盗聴者がパルスの一部を取 り出して、鍵の情報を得ようとすることを防止するためである。実際には、強く 減衰させたレーザーパルスを使う。このような光の、光子の個数についての分布 はポアソン分布なので、パルスが１個以上の光子を含む確率を十分低くとるため には、平均として、パルスあたり約０．１個の光子を使うことになる。このよう な減衰は、アリス側の腕に透過係数ｔ₃〜１の特別強い透過係数を持つカップラ ー２０を挿入することによって得られる。これによって、ボブに送り返される単 一光子的なパルスを得るに充分な減衰をミラー２２からの反射ビームに与え、同 時に、検出器２３への強度を大きくするので、検出器２３には、単一光子検出器 ではなく、通常の検出器が使える。もし、この減衰が十分でなければ、アリスは 、検出器２３で制御され る付加的な減衰器２４を彼女の構成の直前に挿入してもよい。こうすると、アリ スは検出器２３を用いて、入ってくるパルスの強度をモニターできるので、ボブ ヘ返送されるパルスＰ２が実際に正しい強度を持つように制御することができる 。（ボブからアリスへのパルスはまだ位相情報を持っていないことを思い出して ほしい：アリスが選んだ位相でパルスＰ２が符号化されるのは、パルスがボブへ の帰途にある間だけである。） 入ってくる強度をモニターすることは、盗聴者イブが、システム中により強い パルスを送り込んで、アリスの与えた位相シフト値を得ようとする意図を、アリ ス側で検出できるという付加的な利点も持っている。 ボブ側での光検出器１７は、たとえば、逆耐電圧以上にバイアスされガイガー カウンターモードで動作している液体窒素冷却アバランシェフォトダイオードな どの単一光子検出器でなければならない。ダイオードのバイアス電圧はしきい値 より充分低い直流部分と、光子の入来が予想されるときに、しきい値をたとえば １．０Ｖ上回ってダイオードを押し上げるような短い、たとえば、幅が２ｎｓの 矩形波パルスとの和である。この時間のウインドウによって、ダークカウントの 数を大幅に減らし、不必要なパルスを弁別除外することが可能となる。更に、検 出器１７上でできるだけ多くの光を得るために、カッ プラー１１は、透過係数ｔ₁〜１の強い透過係数のものでなければならない。 以上述べてきたシステムは、Ｂ９２プロトコール、すなわちC.H.Bennettによ って、「任意の２非直交状態を用いた量子暗号」、Physical Review Letters、 ６８巻、３１２１−３１２４ページ、１９９２年、で提案された２状態プロトコ ールを実施するのに使うことができる。アリスとボブの両人は、ビット値、０か １、に対応するように位相変調器１３と２１でのトータルの位相シフトが０かπ となるところの位相の設定をアトランダムに選ぶ。この位相シフトがパルスの帰 途に対応する位相シフトであることに注意してほしい。したがって、１つの検出 事象があるならば、すなわち、相加的な干渉が起こったならば、アリスとボブは 、彼等が同じ位相シフトを印加したことを、したがって、彼等が同じビット値を 送ったことを知る。すなわち、もしボブがビット０を選んで、その結果、彼の検 出器上で１つのカウントを得たならば、彼は、アリスもビット０を送ったことを 知るし、そうでなければ、アリスがビット１を送ったことを知ることになる。 もしアリスとボブが異なる位相シフトを送ったとすればそれらの差は常にπで あり、そのことは単一光子検出器１７上での干渉が常に相殺的で、カウントの登 録が起 こらないことを意味する。もちろん、ここでは非常に弱いパルスを用いているの で、ボブが検出器１７でカウントを得ない瞬間は多い。したがって、このような 場合、ボブはアリスが何を送ったかを推論することはできない。すなわち、アリ スが異なった位相を使ったかも知れないし、ただ単に、パルス中に光子がなかっ たのかも知れない。ここで、なぜ、われわれが非常に弱いパルスを必要としてい るかを理解することができる。すなわち、もしアリスとボブが強いパルスを使っ たとすれば、パルスは常に１個以上の光子を運んでいるので、ボブは常にアリス によって送られたビットを知ることができ、１つのカウントがあれば、同じ位相 が選ばれ、カウントがなければ、異なった位相が選ばれたことを知ることができ るだろう。ところが、そうすると、まずいことに、イブも同じことをすることが できることになってしまう。たとえば、イブは、ただ単に臨時のカップラーを線 路に取り付けるだけで、パルスを分割してアリスからのパルスの位相を測ること ができる。すなわち、イブによる盗聴が可能となる。しかし、もしアリスの送っ たパルスが、最大でも１個の光子を持つ程度に弱ければ、このような簡単な盗聴 法では完全に見破られる。なぜなら、もしイブが光子を測ると、ボブはそれを受 け取らないことになり、それに対応する情報伝送を棄却すればよいからである。 ２状態システムについての、イブにとって可能なもう 一つの盗聴法は、イブが伝送を全部ストップして、可能な限りの多くのパルスを 測り、イブが得ることのできた一つだけをあらためてボブに送ることである。こ れを防ぐためには、アリスは、参照パルスとしての強いパルスＰ１と、位相情報 を含む弱いパルスＰ２を送る必要がある。イブが強いパルスを抑圧すると、盗聴 はすぐに見つかってしまう。また、もしイブが弱いパルスだけを抑圧すると、イ ブは位相情報を得なかったことになり、強いパルスだけでは検出器１７にノイズ が誘起される。本発明のシステムでは、このことが、透過係数ｔ₂〜１で、反射 係数ｒ₂〜０の強い非対称性を持つカップラー１２を使うことによって容易に実 行することができる。この場合には、ボブの方に戻るパルスＰ１は、すでに１４ −１６の遅延線を通っており、したがって強く減衰されており、パルスＰ２より もずっと強い。ボブは、干渉を見る前に、パルスＰ１の検出器１７に直接向かう 部分を検出することができる。また、アリスの構成と同じように、ファラデーミ ラー１６の直前に余分のカップラーと検出器を挿入することも可能である。 同じ構成を用いて、アリスとボブに対する位相の、以上に述べたのとは違った 選択を、他のプロトコール、たとえば、インドのバンガロールで開催された国際 コンピューター、システムならびに信号処理国際シンポジウムのプロシーディン グ（ニューヨーク、１９８４発行のIE EE）の１７５ページから１７９ページの「量子暗号：公開鍵配送とコイン投げ（ Quantum Cryptograp hy:Public Key distribution and coin tossing）」でC.H. BennettとG.Brassardが述べているようなプロトコール、すなわち、ＢＢ８４プ ロトコールを実行するのに使うことができる。このプロトコールによれば、アリ スは４つの可能な状態のなかから選ぶ。また別の例として、もし、アリスの位相 シフトが０とかπ/２でなく、０とか角度αであれば、ボブの方がπ−αやπを 用いることにより、ボブが不一致の位相シフトを用いるとき干渉が完全な相殺状 態になるように埋め合わせることは難しいことではない。 図３は、量子暗号を用いて位相で符号化された量子鍵配送システムを実施する よう構成された本発明による光通信システムの第２の実施例のブロック図を示し ている。この実施例は３×３のカップラー１２’含むことを特徴としている。ア リス側では、第１実施例と同じ鍵符号化ステーション２を使うことができる。ボ ブ側では、送受信ステーション１が、レーザー１０、３×３カップラー１２’、 第１ファラデーミラー１４、第２ファラデーミラー１６、および単一光子検出器 １７ならびに１８を含んでいる。 第１のパルスＰ１は以下のブランチのシーケンスに従う： レーザー１０→ミラー１６→ミラー２２（アリス側の）→ミラー１６（ボブ側 の）→ミラー１４→検出器１７、１８。 次のパルスＰ２は以下のブランチのシーケンスに従う： レーザー１０→ミラー１６→ミラー１４→ミラー１６→ミラー２２（アリス側 の）→検出器１７、１８。 パルスＰ１とＰ２との間の位相差に依存して、検出器１７上または検出器１８ 上のいずれかで相加的な干渉が検出される。アリスによる位相の選択が、π/３ または−π/３のとき、検出器１７または検出器１８のいずれかに光子が送られ る。 ２個の検出器１７と１８を使うことの主な利点は、Ｂ９２プロトコールを実施 するのにボブ側に第２の位相変調器を必要としないことである。欠点は２個の単 一光子検出器１７と１８を必要とすることである。 ファラデーミラー１４の前に、先のシステムのように第２の位相変調器を加え ると、ＢＢ８４システムを効率よく実施することが可能になる。アリスは、次の ４つの 可能な位相、π/３、-π/３、２π/３、および−２π/３のなかから選ぶことが でき、一方、ボブは０（これはボブがπ/３と−π/３を区別することを可能とす る）とπ（これはボブが２π/３と−２π/３の間を区別することを可能とする） の間だけから選ぶことになる。 図４は、量子暗号を用いて偏光で符号化された量子鍵配送システムを実施する よう構成された本発明による光通信システムの第３実施例のブロック図を示して いる。この実施例は、ボブ側で偏光依存カップラー１２”を含むことを特徴とし ている。 アリス側では、第１実施例と同じ鍵符号化ステーション２を使うことができる 。ボブ側では、送受信ステーション１が、レーザー１０、偏光制御器１００、第 １カップラー１１、偏光依存カップラー１２”、第１ファラデーミラー１４、第 ２ファラデーミラー１６、および単一光子検出器１７’を含んでいる。ここでも 、ボブ側には位相変調器を必要としない。 レーザー１０は、光を、たとえば右まわり円偏光で送るために偏光制御器１０ ０を用いている。偏光依存カップラー１２”は垂直と水平偏光を分離する。偏光 成分の１つ、たとえば、垂直成分は、以下のブランチ・シーケ ンスに従う（ただし、垂直から水平へ、また、その逆の偏光スイッチを使い、そ の都度、いずれか１つのファラデーミラーから反射される）： レーザー１０→ミラー２２（アリス側の）→ミラー１６（ボブ側の）→ミラー １４→検出システム１７’。 一方、他の偏光成分（水平成分）は、以下のシーケンスに従う： レーザー１０→ミラー１４→ミラー１６→ミラー２２（アリス側の）→検出シ ステム１７’。 ２つの互いに直交するパルスが偏光依存カップラー１２’で再び混合されるの で、そこから出てゆくパルスの偏光はそれらの間の相対的な位相に依存する。た とえば、ゼロの位相シフトは右回り円偏光（はじめの偏光と同じ）に対応し、一 方、πの位相シフトは左周りの円偏光に対応する。また、±π/３の位相シフト は、それぞれ±４５°の直線偏光を与える。位相変調器における位相変化は、し たがって、種々の出力偏光に対応する。その結果、本実施例では、ＢＢ８４プロ トコールに対しても、ボブ側での第２の位相変調器を必要としない。その上、位 相変調器２１における４つの異なる位相の選択を用いることによって、４つの異 なる状態が符号化できる。この実 施例の欠点は、これら種々の偏光を分離できるより複雑な検出システム１７’を 必要とすることである。その上、この実施例では、戻ってくるパルスの偏光を入 ってくるパルスの偏光と直交させることが必要である。したがって、速い偏光の 変動と地磁気の影響が伝送線３の長さを制限することになる。 よい単一光子検出器でも誤りは避けられない。すなわち、ときに、光子を見逃 してしまったり、逆に実際に光子を受けていないのに１個の光子をカウントした り（ダークカウント）する。これに対して、たとえば、サイクリックな冗長度チ ェックなどの誤り訂正手段をボブ側に設けてもよい。 以上、送受信ステーション１と鍵通信ステーション２は２つの別々の装置と して示してきたが、送受信ステーションと鍵通信ステーションとを同じ装置中に ま一体化しまうことも有用である。この一体化装置はボブとアリスの役割を交互 に果たすこと、すなわち、鍵送信を開始することも、他方の装置にその返事を送 ってから鍵を送信することもできる。 本発明のシステムのいずれの実施例も、たとえば、ＷＯ９５/０７５８３に述 べられているように、容易に、多ステーションシステム、すなわち、いくつかの 相互に接 続されたステーションに１つの鍵を同時に配送するためのシステム、に拡張する ことができる。 図４の実施例は、この観点から、量子チャンネルに送り出される遅延パルスが 少なくなる点で、特に有利である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ズビンデン，ユーゴー スイス，ジユネーブ ルー デ デリセ 12Ａ (72)発明者 ペルニー，ベアト スイス，クレインベージンゲン グリユネ ンブルグ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 量子チャンネル（３）を通して少なくとも２つの光パルス送出し、一方の ステーションで上記パルスによってつくられた干渉を検出するステップを具備し 、上記の干渉しているそれぞれのパルス（複数）は、上記干渉のための干渉計の 同じブランチを走行するが、他のシーケンスでは、それらそれぞれが上記量子チ ャンネル上を走行する時は遅延されていることを特徴とする２つのステーション （１，２）間の通信方法。 ２．上記パルス（複数）が、上記量子チャンネルの少なくとも一方の端にある少 なくとも１つのファラデーミラーによって反射されることを特徴とする先行請求 項による方法。 ３．干渉しているパルス（複数）中の平均光子数が１以下であることを特徴とす る先行請求項の１つによる方法。 ４．上記遅延パルス（複数）が送受信ステーション（１）中の光源（10）から送 出され、そこで、第２のパルスが遅延線（１４‐１６）で遅延され、少なくとも １つの鍵符号化ステーション（２）によって受信され、そこで、第2のパルスが 位相変調され、それら両パルスは上記送受信ステーション（１）に向かって送り 返され、そこで、上記第１のパルスが遅延され位相変調されることを特徴とする 先行請求項の１つによる方法。 ５．上記送受信ステーション（１）に向かって送り返される上記第2のパルス中 の平均光子数が１以下となるように上記第2のパルスが上記鍵符号化ステーショ ン（2）で減衰されることを特徴とする先行請求項による方法。 ６．両ステーション（１,２）が上記第１と第２のパルスに加えられる位相シフ トをランダムに選ぶことを特徴とする請求項４又は５による方法。 ７．上記位相シフトが値０か値πのいずれかに選ばれ、両方のステーションで同 一の位相シフトが加えられたとき、上記第１のパルスと上記第２のパルスの間の 干渉が相加的となり、両方のステーションが異なる位相シフト を加えたときには、完全に相殺的となることを特徴とする先行の請求項による方 法。 ８．送出される光が少なくとも2つの直交する偏光成分（複数）を含み、上記成 分（複数）が上記干渉計の同一ブランチ上を走行し、それらが他のシーケンスで は互いに他のブランチ上を走行することを特徴とすることを特徴とする請求項１ から５による方法。 ９．上記ステーションの１つ（２）が、上記偏光成分の一方の位相を第２の偏光 成分の位相に対してランダムに選ぶことによって、ランダムな偏光出力をつくり 出すことを特徴とする先行請求項による方法。 １０．いずれもが量子チャンネル（３）に接続された少なくとも１つの送受信ス テーション（１）と少なくとも１つの鍵符号化ステーション、 少なくとも2つのパルスを上記量子チャンネル（３）を通して少なくとも他の １つのステーションに送るため上記ステーション（１）の少なくとも１つにある 手段（１０，１２，１４，１６）、 上記ステーション（１）の少なくとも１つにあって、上記ステーション内の上 記パルス（複数）によってつくられた干渉を検出するための検出器（１７；１７ ，１８；17’）、 を含み、 上記の干渉しているパルス（複数）は、上記干渉のための干渉計の同じブランチ を走行するが、他のシーケンスでは、それらは上記量子チャンネル上を走行する 時、遅延されていることを特徴とする、 量子暗号を用いた鍵配布のための量子チャンネル（３）上に構成された干渉シス テム。 １１．上記ステーション（１，２）の少なくとも１つが、上記量子チャンネルの 少なくとも１端において少なくとも１つのファラデーミラーを含むことを特徴と する先行請求項による方法。 １２．上記ステーション（１，２）の少なくとも１つが、干渉しているパルス（ 複数）中の平均光子数が１よりも 小さくなるように上記光パルスの強度を減衰するための手段（２０，２４，１２ ）を含むことを特徴とする請求項１０あるいは１１の１つによる方法。 １３．少なくとも１つの送受信ステーション（１）と少なくとも１つの鍵符号化 ステーション（２）を含み、 上記送受信ステーション（１）が、上記第１のパルスを、それが量子チャンネ ル（３）に送出される前に遅延させ、上記量子チャンネル（３）を通して受信さ れた第２のパルスを遅延させる遅延線（１２，１４，１６）と、上記第１のパル スと第２のパルスの間の干渉を検出するための少なくとも１つの単一光子検出器 （１７；１７−１８；17’）を含み、 上記鍵符号化ステーション（２）が上記第１と第２のパルスを反射するための ミラー（複数）（２２）及び、上記パルス（複数）の少なくとも１つの位相を変 調するための少なくとも１つの位相変調器（２１）を含む ことを特徴とする請求項１０から１２の１つによる方法。 １４．上記鍵符号化ステーション（２）が上記パルス （複数）の少なくとも１つを、上記送受信ステーション（１）に反射返送される 上記第２のパルス中の平均光子数が１以下となるように減衰するための手段（２ ０；２４）を含むことを特徴とする請求項１０から１３の１つによる方法。 １５．両ステーション（１,２）が上記第１と第２のパルスに加えられる位相シ フトをランダムに選ぶことを特徴とする請求項１０から１４の１つによる方法。 １６．上記位相シフトが値０か値πのいずれかに選ばれ、両方のステーションで 同一の位相シフトが加えられたとき、上記第１のパルスと上記第２のパルスの間 の干渉が相加的となり、両方のステーションが異なる位相シフトを加えたときに は、完全に相殺的となることを特徴とする請求項１０から１５の１つによる方法 。 １７．送受信ステーション（１）によって送出される光が少なくとも2つの直交 する偏光成分を含み、上記成分が上記干渉計の同一ブランチ上を走行し、他のシ ーケンスでは、そうではないことを特徴とする請求項１０から１４の１つによる 方法。 １８． 上記ステーションの１つ（２）が、上記偏光成分の一方の位相を第２の 偏光成分の位相に対してランダムに選ぶことによって、ランダムな偏光の出力を つくり出すことを特徴とする先行請求項による方法。 １９．受信ステーション（１）によって送出され、再び前記受信ステーション（ １）に返送される第１のパルスを反射させるための反射ミラー（２２）、 前記第１のパルスの直後に受信ステーション（１）によって送出され、再び前 記受信ステーション（１）に返送される第２のパルスを反射させるための反射ミ ラー（２２）、 上記第１のパルスに対して上記第２のパルスの位相を変調するための変調手段 （２１）、 によって特徴づけられる、少なくとも１つの送受信ステーション（１）に量子チ ャンネル（３）を通して鍵を通信で送るための鍵符号化ステーション（２）。 ２０．上記第１のパルスを検出するための検出手段（２３）によって特徴づけら れる先行請求項による鍵符号化ステーション。 ２１．上記第１のパルスと第２のパルスのいずれもが上記変調手段（２１）を走 行し、それらいずれもが同一の反射手段（２２）によって反射され、上記検出手 段（２３）が第１のパルスを検出した直後に、上記変調手段（２１）によって加 えられた位相シフトを、上記第２のパルスのみが上記位相変調手段（２１）によ って位相変調されるように調節することを特徴とする先行請求項による鍵符号化 ステーション。 ２２．鍵符号化ステーションが上記第２のパルスに加えられる位相シフトをラン ダムに選ぶことを特徴とする先行請求項による鍵符号化ステーション。 ２３．上記変調手段によって加えられる位相シフトが値０か値πのいずれかから ランダムに選ばれることを特徴とする先行請求項による鍵符号化ステーション。 ２４．鍵符号化ステーションが、さらに、反射返送される上記第２のパルス中の 平均光子数が１以下となるように、上記第２のパルスの強度を減衰するための減 衰手段（２０，２４）を含むことを特徴とする請求項１９から２３の１つによる 鍵符号化ステーション。 ２５．受信した光の大部分を上記検出手段（２３）に送るカップラー（２０）含 むことを特徴とする請求項２４による鍵符号化ステーション。 ２６．上記減衰手段が上記検出手段によって制御される減衰器含をむことを特徴 とする請求項２４または２５による鍵符号化ステーション。 ２７．上記反射手段（２２）がファラデーミラー含をむことを特徴とする請求項 １９から２６の１つによる鍵符号化ステーション。 ２８．上記検出手段が単一光子検出器ではないことを特徴とする請求項２０から ２７の１つによる鍵符号化ステーション。 ２９．上記変調手段（２１）がニオブ酸リチウム（LiNbO₃）変調器からなること を特徴とする請求項１９から２８の１つによる鍵符号化ステーション。 ３０．パルスレーザー光源（１０）と、 遅延線（１４，１５）と、 検出手段（１７，１８，１７’）と、 上記パルスレーザー光源によって放出されたパルス（複数）が２つのパルスに分 割され、そこで、第１のパルスは直接、上記量子チャンネルに送出され、一方、 第２のパルスは上記量子チャンネルに送出される前に上記遅延線（１４，１６） によって遅延され、上記量子チャンネル（３）から受信されたパルス（複数）は ２つのパルスに分割され、そこで、第１のパルスは直接、上記検出手段（１７， １８，１７’）に送られ、一方、第２のパルスは上記検出手段（１７，１８，１ ７’）に送られる前に上記遅延線（１４，１６）によって遅延されることを特徴 とする、１つの鍵符号化ステーションから量子チャンネル（３）を通して送られ てきた鍵を受信するための 送受信ステーション（１）。 ３１．上記遅延手段（１４，１６）によって遅延された受信パルスの位相を変調 するための変調手段（１３）を特徴とする先行請求項による送受信ステーション 。 ３２．上記変調手段（１３）が上記パルスに加えられた位相シフトをランダムに 選ぶことを特徴とする先行請求項による送受信ステーション。 ３３．上記変調手段（１３）が上記パルスに加えられた位相シフトをランダムに 値０か値πのいずれかでランダムに選ぶことを特徴とする先行請求項による送受 信ステーション。 ３４．上記変調手段（２１）がニオブ酸リチウム（LiNbO₃）変調器からなること を特徴とする請求項３１から３３の１つによる送受信ステーション。 ３５．送受信ステーションが、２つの検出器（１７，１ ８）、上記第１のカップラー（１２’）が上記検出器（１７，１８）に接続され た３×３のカップラーを含み、パルスが上記カップラー（１２’）でつくられた 干渉に応じて、上記第１の検出器（17）か第２の検出器（18）に送られることを 特徴とする請求項３０による送受信ステーション。 ３６．上記レーザー光源（１０）が円偏光をもつ光パルスを送出し、上記第１の カップラー（１２”）がパルスの垂直ならびに水平偏光を分離する偏光カップラ ーであることを特徴とする請求項３０による送受信ステーション。 ３７．上記遅延線（１４，１６）が、遅延パルス（複数）を反射させる２つのフ ァラデーミラー（１４，１６）を含むことを特徴とする請求項３０から３６の１ つによる送受信ステーション。 ３８．上記検出手段（１７，１８，１７’）が単一光子検出器であことを特徴と する請求項３０から３７の１つによる送受信ステーション。 ３９．上記単一光子検出器（１７，１８，１７’）が逆耐電圧以上にバイアスさ れ、ガイガーカウンターモードで動作しているアバランシェフォトダイオーであ ることを特徴とする先行請求項による送受信ステーション。 ４０．ダークカウントの数（かず）を減らすために、単一光子検出器が、光子が あると予測されるときときだけ電圧印加されることを特徴とする請求項３８また は３９の１つによる送受信ステーション。 ４１．上記パルスレーザー光源がＤＦＢ（分布帰還形）レーザーであることを特 徴とする請求項３０から４０の１つによる送受信ステーション。 ４２．さらにエラー訂正手段を含むことを特徴とする請求項３０から４１の１つ による送受信ステーション。 ４３．請求項３０から４２の１つによる送受信ステーションと請求項２０から２ ９の１つによる鍵符号化ステーションを含むことを特徴とする量子暗号を用いる 量子チ ャンネル（３）を通しての鍵配送のための装置。 ４４．請求項３０から４２の１つによる少なくとも１つの送受信ステーションと 請求項２０から２９の１つによる少なくとも１つの鍵符号化ステーションを含む ことを特徴とする、少なくとも１つの送受信ステーション（１）と少なくとも１ つの鍵符号化ステーション（２）との間で量子暗号を用いて量子チャンネル（３ ）を通して鍵の配送を行うための多数ステーションシステム。