JP2004064513A - 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法を提供する。
【解決手段】光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【選択図】 図２
【解決手段】光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子力学の不確定性原理を利用して暗号の秘密鍵を通信する方法に関し、特に、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような量子暗号通信方法としては、例えば４状態暗号が知られている。この量子暗号通信方法では、送信者はビット”０”および”１”を光子にエンコードするときに、二種類のコード表を用いる。例えば、第１のコード表では、直線偏光の横偏光を”０”、縦偏光を”１”に対応させ、第２のコード表では、円偏光の左回りを”０”、右回りを”１”に対応させる。この取り決めは送信者と受信者とで予め決めておく。送信者は、二進数で書かれた乱数表を用意する。これは、受信者と共有する秘密鍵の生成の元になるものである。送信者は、乱数表のビット列の各ビットに対して、二つのコード表の内の一方をランダムに選択し、そのコード表から定まる偏光方向を持つ光子を受信者へ送る。受信者は、直線偏光と円偏光との両方を読みとることはできないので（不確定性原理）、二つのコード表の内一つをランダムに選択し、それに対応した方向で光子の偏光方向を読み取る。受信者が送信者と同一のコード表を選択する確率、および異なるコード表を選択する確率は共に５０％である。受信者の選択したコード表が送信者と一致していれば、乱数表の値が正しく受信者に伝わるが、コード表が異なる場合は、受信するビット値はランダムになるため、送信者と受信者とが同一のビット値を共有できるとは限らない。このような送受信をある程度行った後に、送信者と受信者は、毎回どちらのコード表を選択したかを電話回線などの公開チャンネルで照合する。そして、選択したコード表が一致した部分だけを採用し、他は捨てる。送信者と受信者は残ったビットの内適当な割合で照合ビットを抽出し、それぞれを公開チャンネルで照合する。十分な数の照合ビットが一致すれば、１に近い確率で盗聴されていないことになる。そして、照合ビットを除いたビット列を秘密鍵として共有する。このような量子暗号通信方法については、西野哲朗「量子コンピュータと量子暗号」ｐｐ．５３−５７、（株）岩波書店（２００２−３−１５）、日本物理学会誌、Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１，２００１，ｐｐ．１７−２４などに記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の量子暗号の通信方法は、ビット”０”および”１”により光子の偏光方向を定めるものであるため、１つの光子により伝送できる情報量は１ビットだけであった。
【０００４】
そこで、本発明は１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の量子暗号通信方法は、直線偏光の方向により光子に１ビットのコーディングを行う第１のコーディング方法と、円偏光の回転方向により光子に１ビットのコーディングを行う第２のコーディング方法と、エルミートガウスモードの配列方向により光子に１ビットのコーディングを行う第３のコーディング方法と、ラゲールガウスモードの回転方向により光子に１ビットコーディングを行う第４のコーディング方法とを予め定めておき、送信側は、１つの光子に対して、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とに従ってビット列により光子に対して２ビット毎のエンコードを行って送信し、受信側は、前記光子を受信し、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とにより２ビット毎のデコードを行うことを特徴とする。
【０００６】
この構成により、偏光および横モードのそれぞれで１ビットずつエンコードすることで、１つの光子により２ビットの情報伝送が可能となる。
【０００７】
また、本発明の横モード分離装置は、第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた光路長調整部材と、前記光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーとを具備し、横偏光あるいは縦偏光の光子が前記第１のハーフミラーに入射されたときに、前記第２のハーフミラーにおいてエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とが分離されることを特徴とする。
【０００８】
この構成により、横偏光あるいは縦偏光の光子から横並びの光子と縦並びの光子とを分離することができる。
【０００９】
さらに、本発明の受信装置は、受信光の光路に対して挿脱自在に設けられた１／４波長板と、前記光路における１／４波長板の下流に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路に対して挿脱自在に設けられた第１のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路に対して挿脱自在に設けられた第２のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路の前記第１のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた第１の光路長調整部材と、前記第１の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路の前記第２のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第３のハーフミラーと、前記第３のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第４のミラーと、前記第３のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第５のミラーと、前記第５のミラーの反射光の光路に設けられた第６のミラーと、前記第４のミラーの反射光の光路に設けられた第２の光路長調整部材と、前記第２の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第６のミラーの反射光の光路に設けられた第４のハーフミラーとを具備することを特徴とする。
【００１０】
この構成により、１つの光子に対して、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択されたコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択されたコーディング方法とに従ってビット列により２ビット毎のエンコードが行われた光子を受信し、第２のハーフミラーの二つの出力および第４のハーフミラーの二つの出力からデコードしたビット列を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。この量子暗号通信システムは、送信装置１と、受信装置２と、送信装置１と受信装置２との間に接続された伝送路３とからなる。伝送路３は光ファイバである。
【００１２】
送信装置１は、光源１１と、光源１１の出力光からエルミートガウスモードの光を生成するエルミートモード生成素子１２と、それぞれがエルミートモード生成素子１２の出力光の光路に挿脱（出し入れ）可能であり、その光路の上流側から順に配置されたエルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６を具備する。以下、本明細書では、エルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６が光路に挿入されている状態を”オン”、光路から出ている状態を”オフ”という。
【００１３】
光源１１はレーザ発振器と光減衰器とからなり、レーザ発振器が発生した直線偏光の光の強度を光子１個程度にして出力する。エルミートモード生成素子１２は例えばホログラムで構成されており、光源１１から出力された光よりエルミートガウスモードの光を生成する。エルミートモード変換素子１３はダブプリズムで構成されており、エルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードのパターンを変換する。すなわち、エルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードが横並びのパターンであれば縦並びのパターンに変換し、逆にエルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードが縦並びのパターンであれば横並びのパターンに変換する。１／２波長板１４は直線偏光の方向を横から縦または縦から横に変換する。１／４波長板１５は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する。π／２モードコンバータ１６は円筒レンズで構成されており、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換し、ラゲールガウスモードの光をエルミートガウスモードの光に変換する。エルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６のオン／オフの組み合わせにより、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）、およびエルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路３へ送出することができる。
【００１４】
図２に示すように、送信装置１は、光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。すなわち、図２（ａ）に示すように、偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【００１５】
図３および図４は、送信装置１により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。ここでは、光源１１が横偏光の光子を発生し、エルミートモード生成素子１２が横並びエルミートガウスモードの光子を生成し、エルミートモード変換素子１３が横並びを縦並びに変換する構成を採用する。また１／２波長板１４は横偏光を縦偏光に変換し、１／４波長板１５は横偏光を左回り円偏光に、縦偏光を右回り円偏光に変換し、π／２モードコンバータ１６は横並びエルミートガウスモードを左回りラゲールガウスモードに、縦並びエルミートガウスモードを右回りラゲールガウスモードに変換する構成を採用する。
【００１６】
上記構成の送信装置１において、光源１１から出力される横偏光の光子はエルミートモード生成素子１２に入力され、横偏光であり、かつ横並びのエルミートガウスモード（横偏光・横並びエルミートガウスモード）の光子となる。この光子はエルミートモード変換素子１３がオンのときには縦偏光・縦並びエルミートガウスモードに変換され、エルミートモード変換素子１３がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／２波長板１４の方向へ進む。ここで、エルミートモード変換素子１３はダブプリズムであるため、エルミートガウスモードの並びだけでなく直線偏光の方向も変化する。
【００１７】
図３は横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板１４の入力側からπ／２モードコンバータ１６の出力側まで進む間に変化する様子を示し、図４は縦偏光・縦並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板１４の入力側からπ／２モードコンバータ１６の出力側まで進む間に変化する様子を示す。
【００１８】
図３に示すように、横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／２波長板１４がオンのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／２波長板１４がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／４波長板１５の方向へ進む。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板１５がオンのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板１５がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ１６の方向へ進む。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板１５がオンのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板１５がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ１６の方向へ進む。
【００１９】
右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには右回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには縦偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには左回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには横偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。
【００２０】
図４の場合も同様に、π／２モードコンバータ１６の出力として、左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、左回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、横偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、横偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、右回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、右回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）からなる８通りの組み合わせが得られる。
【００２１】
受信装置２は、伝送路３から入力された光の光路に対して挿脱可能な１／４波長板２１と、伝送路３から入力された光の光路における１／４波長板２１の下流に配置された偏光ビームスプリッタ２２と、偏光ビームスプリッタ２２の透過光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ２３と、偏光ビームスプリッタ２２の反射光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ２４と、偏光ビームスプリッタ２２の透過光の光路におけるπ／２モードコンバータ２３の下流に配置されたハーフミラー２５と、ハーフミラー２５の透過光の光路に配置されたミラー２６と、ハーフミラー２５の反射光の光路に配置されたミラー２７と、ミラー２７の反射光の光路に配置されたミラー２８と、ミラー２６の反射光の光路に配置された光路長調整部材２９と、光路長調整部材２９の透過光の光路であり、かつミラー２８の反射光の光路に配置されたハーフミラー３０と、偏光ビームスプリッタ２２の反射光の光路におけるπ／２モードコンバータ２４の下流に配置されたハーフミラー３１と、ハーフミラー３１の透過光の光路に配置されたミラー３２と、ハーフミラー３１の反射光の光路に配置されたミラー３３と、ミラー３３の反射光の光路に配置されたミラー３４と、ミラー３２の反射光の光路に配置された光路長調整部材３５と、光路長調整部材３５の透過光の光路であり、かつミラー３４の反射光の光路に配置されたハーフミラー３６とを具備する。
【００２２】
光路長調整部材２９を透過しハーフミラー３０を透過した光と、ミラー２８で反射されハーフミラー３０で反射された光とが出力＃１となり、光路長調整部材２９を透過しハーフミラー３０で反射された光と、ミラー２８で反射されハーフミラー３０を透過した光とが出力＃２となる。また、光路長調整部材３５を透過しハーフミラー３６を透過した光と、ミラー３４で反射されハーフミラー３６で反射された光とが出力＃３となり、光路長調整部材３５を透過しハーフミラー３６で反射された光と、ミラー３４で反射されハーフミラー３６を透過した光とが出力＃４となる。光路長調整部材２９および３５はガラス板で構成されている。
【００２３】
この受信装置２において、ハーフミラー２５、ミラー２６〜２８、光路長調整部材２９、およびハーフミラー３０からなる第１の検出部と、ハーフミラー３１、ミラー３２〜３４、光路長調整部材３５、およびハーフミラー３６からなる第２の検出部とは、いずれもマッハツェンダー干渉計の一方の光路にミラーを１枚追加した構成を有している。そして、横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合は出力＃１のみで検知され、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合、出力＃２のみで検知される。つまり、直線偏光の方向が指定されている場合、横並びエルミートガウスモードと縦並びエルミートガウスモードとを分離することができる。
【００２４】
この点について説明する。縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射した場合、透過光と反射光とに分かれる。そして、反射光については位相が９０度変化する。透過光はミラー２６で反射され、光路長調整部材２９を経てハーフミラー３０に入射する。ハーフミラー２５の反射光はミラー２７およびミラー２８で反射され、ハーフミラー３０に入射する。ハーフミラー３０においては、光路長調整部材２９の側から入射した光の透過光とミラー２８の側から入射した光の反射光とが合成され、出力＃１となる。ここで、光路長調整部材２９がハーフミラー２５からハーフミラー３０までの二つの光路の光路長を等しくするように設定されている場合、合成される二つの光は位相が１８０度異なるので相殺されてしまい、出力は現れない。これに対して、光路長調整部材２９の側から入射した光の反射光とミラー２８の側から入射した光の透過光とが合成される出力＃２については、合成される二つの光は位相が一致するので出力が現れる。横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射した場合は、ミラーで反射する毎に位相が反転するため、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードや横偏光・横並びエルミートガウスモードの場合とは逆に出力＃１から光が検知され、出力＃２からは検知されない。第２の検出部についても同様である。ラゲールガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合は、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃２で検知されることになり確定しない。
【００２５】
以上のように構成された量子暗号通信システムの動作について説明する。図５は図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【００２６】
送信者は送信装置１を用いて図５の最上段に示す乱数表を送るものとする。ここで、送信者と受信者は、予め図２に示した割当で光子をエンコードすることを事前に決めておく。
【００２７】
送信者は、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。そして、図２で示した割当に従って信号を送る。図５では、”０１”を送るので、最初の”０”を偏光で、次の”１”を横モードで送るとすると、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子を１個送ることになる。
受信者も、受信方法として、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。
【００２８】
ここで、受信装置２において、１／４波長板２１は右回り円偏光が入射されたときは縦偏光に変換し、左回り円偏光が入射されたときは横偏光に変換する。また、縦偏光が入射されたときは左回り円偏光に変換し、横偏光が入射されたときは右回り円偏光に変換する。そして、受信者は、直線偏光を選ぶときは１／４波長板２１をオフにし、円偏光を選ぶときは１／４波長板２１をオンにする。偏光ビームスプリッタ２２は、直線偏光が入射されたときは横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。また、偏光ビームスプリッタ２２は、円偏光が入射されたときは５０％ずつの確率で横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。π／２モードコンバータ２３、２４は、右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。また、π／２モードコンバータ２３、２４は、縦並びエルミートガウスモードが入射されたときは左回りラゲールガウスモードに変換し、横並びエルミートガウスモードが入射されたときは右回りラゲールガウスモードに変換する。右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。そして、受信者は、エルミートガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ２３、２４をオフにし、ラゲールガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ２３、２４をオンにする。これにより、送信者の送信方法と受信者の受信方法とが一致した場合には、出力＃１から光子が検知されたときは”０１”、出力＃２から光子が検知されたときは”００”、出力＃３から光子が検知されたときは”１０”、出力＃４から光子が検知されたときは”１１”であると判定することができる。
【００２９】
受信装置２に入力された”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２を透過し、ハーフミラー２５から第１の検出部へ入力される。第１の検出部は、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子が入力されたときは、出力＃１のみで検知され”０１”と確定する。
【００３０】
送信者は、送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送る。図５の２番目の２ビットについては、直線偏光およびラゲールガウスモードを選び、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子により”１１”を送っている。これに対して、受信者は円偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子は、１／４波長板２１を透過して”左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード”となり、偏光ビームスプリッタ２２で５０％ずつの確率で”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光と”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力され、出力＃１で検出される。また、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ２４により、”縦偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力され、出力＃４ で検出される。つまり、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃４ で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３１】
３番目の２ビットについては、円偏光およびエルミートガウスモードを選び、”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”１０”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２で５０％ずつの確率で”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光と”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ２４により、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力される。このため、２５％ずつの確率で出力＃１〜＃４で検知されることになり、”００”，”０１”，”１０”，”１１”のいずれとも確定しない。
【００３２】
４番目の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードを選び、”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”００”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２を透過し、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。このため、５０％ずつの確率で出力＃１、＃２で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３３】
以下、送信者は送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送り、受信者も受信方法をランダムに変更し、受信する。
【００３４】
全ての信号を送信した後に、送信者と受信者は送信方法と受信方法を開示する。そして、送信方法と受信方法とが、偏光および横モード共に一致した光子の情報だけを残し、他は捨てる。送信した乱数表のデータ量が十分大きければ、残った部分を暗号の秘密鍵として使用することができる。残った部分の一部はそのビット情報も開示して比較する。もし、一致していなければ盗聴者がいることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、乱数を２ビット毎に送るものとしたが、例えば偏光で送るビット値はパリティとし、乱数については１ビット毎に送るように構成することもできる。また、以上の説明では、２ビットの内前の１ビットを偏光で送り、後の１ビットを横モードで送るようにしたが、順序を逆にしても良い。さらに、送信装置１における、エルミートモード生成素子１２乃至π／２モードコンバータ１６の配置は前記した順序以外の順序でも良いし、レーザ発振器の出力を光子１個まで減衰させる光減衰器の配置も前記した位置以外でも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供することができる。そして、本発明によれば、１つの光子の偏光と横モードにより情報伝送を行うので、盗聴に対する安全性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。
【図２】光子をエンコードするための偏光と横モードの割当を示す図である。
【図３】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図４】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図５】図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 送信装置
２ 受信装置
３ 伝送路
１１ 光源
１２ エルミートモード生成素子
１３ エルミートモード変換素子
１４ １／２波長板
１５、２１ １／４波長板
１６、２３、２４ π／２モードコンバータ
２２ 偏光ビームスプリッタ
２５、３０、３１、３６ ハーフミラー
２６〜２８、３２〜３４ ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子力学の不確定性原理を利用して暗号の秘密鍵を通信する方法に関し、特に、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような量子暗号通信方法としては、例えば４状態暗号が知られている。この量子暗号通信方法では、送信者はビット”０”および”１”を光子にエンコードするときに、二種類のコード表を用いる。例えば、第１のコード表では、直線偏光の横偏光を”０”、縦偏光を”１”に対応させ、第２のコード表では、円偏光の左回りを”０”、右回りを”１”に対応させる。この取り決めは送信者と受信者とで予め決めておく。送信者は、二進数で書かれた乱数表を用意する。これは、受信者と共有する秘密鍵の生成の元になるものである。送信者は、乱数表のビット列の各ビットに対して、二つのコード表の内の一方をランダムに選択し、そのコード表から定まる偏光方向を持つ光子を受信者へ送る。受信者は、直線偏光と円偏光との両方を読みとることはできないので（不確定性原理）、二つのコード表の内一つをランダムに選択し、それに対応した方向で光子の偏光方向を読み取る。受信者が送信者と同一のコード表を選択する確率、および異なるコード表を選択する確率は共に５０％である。受信者の選択したコード表が送信者と一致していれば、乱数表の値が正しく受信者に伝わるが、コード表が異なる場合は、受信するビット値はランダムになるため、送信者と受信者とが同一のビット値を共有できるとは限らない。このような送受信をある程度行った後に、送信者と受信者は、毎回どちらのコード表を選択したかを電話回線などの公開チャンネルで照合する。そして、選択したコード表が一致した部分だけを採用し、他は捨てる。送信者と受信者は残ったビットの内適当な割合で照合ビットを抽出し、それぞれを公開チャンネルで照合する。十分な数の照合ビットが一致すれば、１に近い確率で盗聴されていないことになる。そして、照合ビットを除いたビット列を秘密鍵として共有する。このような量子暗号通信方法については、西野哲朗「量子コンピュータと量子暗号」ｐｐ．５３−５７、（株）岩波書店（２００２−３−１５）、日本物理学会誌、Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１，２００１，ｐｐ．１７−２４などに記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の量子暗号の通信方法は、ビット”０”および”１”により光子の偏光方向を定めるものであるため、１つの光子により伝送できる情報量は１ビットだけであった。
【０００４】
そこで、本発明は１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の量子暗号通信方法は、直線偏光の方向により光子に１ビットのコーディングを行う第１のコーディング方法と、円偏光の回転方向により光子に１ビットのコーディングを行う第２のコーディング方法と、エルミートガウスモードの配列方向により光子に１ビットのコーディングを行う第３のコーディング方法と、ラゲールガウスモードの回転方向により光子に１ビットコーディングを行う第４のコーディング方法とを予め定めておき、送信側は、１つの光子に対して、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とに従ってビット列により光子に対して２ビット毎のエンコードを行って送信し、受信側は、前記光子を受信し、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とにより２ビット毎のデコードを行うことを特徴とする。
【０００６】
この構成により、偏光および横モードのそれぞれで１ビットずつエンコードすることで、１つの光子により２ビットの情報伝送が可能となる。
【０００７】
また、本発明の横モード分離装置は、第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた光路長調整部材と、前記光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーとを具備し、横偏光あるいは縦偏光の光子が前記第１のハーフミラーに入射されたときに、前記第２のハーフミラーにおいてエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とが分離されることを特徴とする。
【０００８】
この構成により、横偏光あるいは縦偏光の光子から横並びの光子と縦並びの光子とを分離することができる。
【０００９】
さらに、本発明の受信装置は、受信光の光路に対して挿脱自在に設けられた１／４波長板と、前記光路における１／４波長板の下流に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路に対して挿脱自在に設けられた第１のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路に対して挿脱自在に設けられた第２のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路の前記第１のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた第１の光路長調整部材と、前記第１の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路の前記第２のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第３のハーフミラーと、前記第３のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第４のミラーと、前記第３のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第５のミラーと、前記第５のミラーの反射光の光路に設けられた第６のミラーと、前記第４のミラーの反射光の光路に設けられた第２の光路長調整部材と、前記第２の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第６のミラーの反射光の光路に設けられた第４のハーフミラーとを具備することを特徴とする。
【００１０】
この構成により、１つの光子に対して、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択されたコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択されたコーディング方法とに従ってビット列により２ビット毎のエンコードが行われた光子を受信し、第２のハーフミラーの二つの出力および第４のハーフミラーの二つの出力からデコードしたビット列を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。この量子暗号通信システムは、送信装置１と、受信装置２と、送信装置１と受信装置２との間に接続された伝送路３とからなる。伝送路３は光ファイバである。
【００１２】
送信装置１は、光源１１と、光源１１の出力光からエルミートガウスモードの光を生成するエルミートモード生成素子１２と、それぞれがエルミートモード生成素子１２の出力光の光路に挿脱（出し入れ）可能であり、その光路の上流側から順に配置されたエルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６を具備する。以下、本明細書では、エルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６が光路に挿入されている状態を”オン”、光路から出ている状態を”オフ”という。
【００１３】
光源１１はレーザ発振器と光減衰器とからなり、レーザ発振器が発生した直線偏光の光の強度を光子１個程度にして出力する。エルミートモード生成素子１２は例えばホログラムで構成されており、光源１１から出力された光よりエルミートガウスモードの光を生成する。エルミートモード変換素子１３はダブプリズムで構成されており、エルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードのパターンを変換する。すなわち、エルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードが横並びのパターンであれば縦並びのパターンに変換し、逆にエルミートモード生成素子１２が生成したエルミートガウスモードが縦並びのパターンであれば横並びのパターンに変換する。１／２波長板１４は直線偏光の方向を横から縦または縦から横に変換する。１／４波長板１５は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する。π／２モードコンバータ１６は円筒レンズで構成されており、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換し、ラゲールガウスモードの光をエルミートガウスモードの光に変換する。エルミートモード変換素子１３、１／２波長板１４、１／４波長板１５、およびπ／２モードコンバータ１６のオン／オフの組み合わせにより、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）、およびエルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路３へ送出することができる。
【００１４】
図２に示すように、送信装置１は、光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。すなわち、図２（ａ）に示すように、偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【００１５】
図３および図４は、送信装置１により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。ここでは、光源１１が横偏光の光子を発生し、エルミートモード生成素子１２が横並びエルミートガウスモードの光子を生成し、エルミートモード変換素子１３が横並びを縦並びに変換する構成を採用する。また１／２波長板１４は横偏光を縦偏光に変換し、１／４波長板１５は横偏光を左回り円偏光に、縦偏光を右回り円偏光に変換し、π／２モードコンバータ１６は横並びエルミートガウスモードを左回りラゲールガウスモードに、縦並びエルミートガウスモードを右回りラゲールガウスモードに変換する構成を採用する。
【００１６】
上記構成の送信装置１において、光源１１から出力される横偏光の光子はエルミートモード生成素子１２に入力され、横偏光であり、かつ横並びのエルミートガウスモード（横偏光・横並びエルミートガウスモード）の光子となる。この光子はエルミートモード変換素子１３がオンのときには縦偏光・縦並びエルミートガウスモードに変換され、エルミートモード変換素子１３がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／２波長板１４の方向へ進む。ここで、エルミートモード変換素子１３はダブプリズムであるため、エルミートガウスモードの並びだけでなく直線偏光の方向も変化する。
【００１７】
図３は横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板１４の入力側からπ／２モードコンバータ１６の出力側まで進む間に変化する様子を示し、図４は縦偏光・縦並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板１４の入力側からπ／２モードコンバータ１６の出力側まで進む間に変化する様子を示す。
【００１８】
図３に示すように、横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／２波長板１４がオンのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／２波長板１４がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／４波長板１５の方向へ進む。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板１５がオンのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板１５がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ１６の方向へ進む。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板１５がオンのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板１５がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ１６の方向へ進む。
【００１９】
右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには右回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには縦偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには左回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ１６がオンのときには横偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ１６がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。
【００２０】
図４の場合も同様に、π／２モードコンバータ１６の出力として、左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、左回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、横偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、横偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、右回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、右回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）からなる８通りの組み合わせが得られる。
【００２１】
受信装置２は、伝送路３から入力された光の光路に対して挿脱可能な１／４波長板２１と、伝送路３から入力された光の光路における１／４波長板２１の下流に配置された偏光ビームスプリッタ２２と、偏光ビームスプリッタ２２の透過光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ２３と、偏光ビームスプリッタ２２の反射光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ２４と、偏光ビームスプリッタ２２の透過光の光路におけるπ／２モードコンバータ２３の下流に配置されたハーフミラー２５と、ハーフミラー２５の透過光の光路に配置されたミラー２６と、ハーフミラー２５の反射光の光路に配置されたミラー２７と、ミラー２７の反射光の光路に配置されたミラー２８と、ミラー２６の反射光の光路に配置された光路長調整部材２９と、光路長調整部材２９の透過光の光路であり、かつミラー２８の反射光の光路に配置されたハーフミラー３０と、偏光ビームスプリッタ２２の反射光の光路におけるπ／２モードコンバータ２４の下流に配置されたハーフミラー３１と、ハーフミラー３１の透過光の光路に配置されたミラー３２と、ハーフミラー３１の反射光の光路に配置されたミラー３３と、ミラー３３の反射光の光路に配置されたミラー３４と、ミラー３２の反射光の光路に配置された光路長調整部材３５と、光路長調整部材３５の透過光の光路であり、かつミラー３４の反射光の光路に配置されたハーフミラー３６とを具備する。
【００２２】
光路長調整部材２９を透過しハーフミラー３０を透過した光と、ミラー２８で反射されハーフミラー３０で反射された光とが出力＃１となり、光路長調整部材２９を透過しハーフミラー３０で反射された光と、ミラー２８で反射されハーフミラー３０を透過した光とが出力＃２となる。また、光路長調整部材３５を透過しハーフミラー３６を透過した光と、ミラー３４で反射されハーフミラー３６で反射された光とが出力＃３となり、光路長調整部材３５を透過しハーフミラー３６で反射された光と、ミラー３４で反射されハーフミラー３６を透過した光とが出力＃４となる。光路長調整部材２９および３５はガラス板で構成されている。
【００２３】
この受信装置２において、ハーフミラー２５、ミラー２６〜２８、光路長調整部材２９、およびハーフミラー３０からなる第１の検出部と、ハーフミラー３１、ミラー３２〜３４、光路長調整部材３５、およびハーフミラー３６からなる第２の検出部とは、いずれもマッハツェンダー干渉計の一方の光路にミラーを１枚追加した構成を有している。そして、横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合は出力＃１のみで検知され、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合、出力＃２のみで検知される。つまり、直線偏光の方向が指定されている場合、横並びエルミートガウスモードと縦並びエルミートガウスモードとを分離することができる。
【００２４】
この点について説明する。縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射した場合、透過光と反射光とに分かれる。そして、反射光については位相が９０度変化する。透過光はミラー２６で反射され、光路長調整部材２９を経てハーフミラー３０に入射する。ハーフミラー２５の反射光はミラー２７およびミラー２８で反射され、ハーフミラー３０に入射する。ハーフミラー３０においては、光路長調整部材２９の側から入射した光の透過光とミラー２８の側から入射した光の反射光とが合成され、出力＃１となる。ここで、光路長調整部材２９がハーフミラー２５からハーフミラー３０までの二つの光路の光路長を等しくするように設定されている場合、合成される二つの光は位相が１８０度異なるので相殺されてしまい、出力は現れない。これに対して、光路長調整部材２９の側から入射した光の反射光とミラー２８の側から入射した光の透過光とが合成される出力＃２については、合成される二つの光は位相が一致するので出力が現れる。横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射した場合は、ミラーで反射する毎に位相が反転するため、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードや横偏光・横並びエルミートガウスモードの場合とは逆に出力＃１から光が検知され、出力＃２からは検知されない。第２の検出部についても同様である。ラゲールガウスモードの光子がハーフミラー２５に入射された場合は、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃２で検知されることになり確定しない。
【００２５】
以上のように構成された量子暗号通信システムの動作について説明する。図５は図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【００２６】
送信者は送信装置１を用いて図５の最上段に示す乱数表を送るものとする。ここで、送信者と受信者は、予め図２に示した割当で光子をエンコードすることを事前に決めておく。
【００２７】
送信者は、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。そして、図２で示した割当に従って信号を送る。図５では、”０１”を送るので、最初の”０”を偏光で、次の”１”を横モードで送るとすると、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子を１個送ることになる。
受信者も、受信方法として、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。
【００２８】
ここで、受信装置２において、１／４波長板２１は右回り円偏光が入射されたときは縦偏光に変換し、左回り円偏光が入射されたときは横偏光に変換する。また、縦偏光が入射されたときは左回り円偏光に変換し、横偏光が入射されたときは右回り円偏光に変換する。そして、受信者は、直線偏光を選ぶときは１／４波長板２１をオフにし、円偏光を選ぶときは１／４波長板２１をオンにする。偏光ビームスプリッタ２２は、直線偏光が入射されたときは横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。また、偏光ビームスプリッタ２２は、円偏光が入射されたときは５０％ずつの確率で横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。π／２モードコンバータ２３、２４は、右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。また、π／２モードコンバータ２３、２４は、縦並びエルミートガウスモードが入射されたときは左回りラゲールガウスモードに変換し、横並びエルミートガウスモードが入射されたときは右回りラゲールガウスモードに変換する。右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。そして、受信者は、エルミートガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ２３、２４をオフにし、ラゲールガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ２３、２４をオンにする。これにより、送信者の送信方法と受信者の受信方法とが一致した場合には、出力＃１から光子が検知されたときは”０１”、出力＃２から光子が検知されたときは”００”、出力＃３から光子が検知されたときは”１０”、出力＃４から光子が検知されたときは”１１”であると判定することができる。
【００２９】
受信装置２に入力された”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２を透過し、ハーフミラー２５から第１の検出部へ入力される。第１の検出部は、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子が入力されたときは、出力＃１のみで検知され”０１”と確定する。
【００３０】
送信者は、送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送る。図５の２番目の２ビットについては、直線偏光およびラゲールガウスモードを選び、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子により”１１”を送っている。これに対して、受信者は円偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子は、１／４波長板２１を透過して”左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード”となり、偏光ビームスプリッタ２２で５０％ずつの確率で”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光と”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力され、出力＃１で検出される。また、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ２４により、”縦偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力され、出力＃４ で検出される。つまり、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃４ で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３１】
３番目の２ビットについては、円偏光およびエルミートガウスモードを選び、”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”１０”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２で５０％ずつの確率で”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光と”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ２４により、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力される。このため、２５％ずつの確率で出力＃１〜＃４で検知されることになり、”００”，”０１”，”１０”，”１１”のいずれとも確定しない。
【００３２】
４番目の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードを選び、”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”００”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ２２を透過し、π／２モードコンバータ２３により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。このため、５０％ずつの確率で出力＃１、＃２で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３３】
以下、送信者は送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送り、受信者も受信方法をランダムに変更し、受信する。
【００３４】
全ての信号を送信した後に、送信者と受信者は送信方法と受信方法を開示する。そして、送信方法と受信方法とが、偏光および横モード共に一致した光子の情報だけを残し、他は捨てる。送信した乱数表のデータ量が十分大きければ、残った部分を暗号の秘密鍵として使用することができる。残った部分の一部はそのビット情報も開示して比較する。もし、一致していなければ盗聴者がいることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、乱数を２ビット毎に送るものとしたが、例えば偏光で送るビット値はパリティとし、乱数については１ビット毎に送るように構成することもできる。また、以上の説明では、２ビットの内前の１ビットを偏光で送り、後の１ビットを横モードで送るようにしたが、順序を逆にしても良い。さらに、送信装置１における、エルミートモード生成素子１２乃至π／２モードコンバータ１６の配置は前記した順序以外の順序でも良いし、レーザ発振器の出力を光子１個まで減衰させる光減衰器の配置も前記した位置以外でも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供することができる。そして、本発明によれば、１つの光子の偏光と横モードにより情報伝送を行うので、盗聴に対する安全性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。
【図２】光子をエンコードするための偏光と横モードの割当を示す図である。
【図３】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図４】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図５】図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 送信装置
２ 受信装置
３ 伝送路
１１ 光源
１２ エルミートモード生成素子
１３ エルミートモード変換素子
１４ １／２波長板
１５、２１ １／４波長板
１６、２３、２４ π／２モードコンバータ
２２ 偏光ビームスプリッタ
２５、３０、３１、３６ ハーフミラー
２６〜２８、３２〜３４ ミラー
Claims (3)
- 直線偏光の方向により光子に１ビットのコーディングを行う第１のコーディング方法と、円偏光の回転方向により光子に１ビットのコーディングを行う第２のコーディング方法と、エルミートガウスモードの配列方向により光子に１ビットのコーディングを行う第３のコーディング方法と、ラゲールガウスモードの回転方向により光子に１ビットコーディングを行う第４のコーディング方法とを予め定めておき、
送信側は、１つの光子に対して、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とに従ってビット列により光子に対して２ビット毎のエンコードを行って送信し、
受信側は、前記光子を受信し、前記第１のコーディング方法または前記第２のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法と前記第３のコーディング方法または前記第４のコーディング方法の内ランダムに選択したコーディング方法とにより２ビット毎のデコードを行うことを特徴とする量子暗号通信方法。 - 第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた光路長調整部材と、前記光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーとを具備し、横偏光あるいは縦偏光の光子が前記第１のハーフミラーに入射されたときに、前記第２のハーフミラーにおいてエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とが分離されることを特徴とする横モード分離装置。
- 受信光の光路に対して挿脱自在に設けられた１／４波長板と、前記光路における１／４波長板の下流に設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路に対して挿脱自在に設けられた第１のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路に対して挿脱自在に設けられた第２のπ／２モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの透過光の光路の前記第１のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第１のミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第２のミラーと、前記第２のミラーの反射光の光路に設けられた第３のミラーと、前記第１のミラーの反射光の光路に設けられた第１の光路長調整部材と、前記第１の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第３のミラーの反射光の光路に設けられた第２のハーフミラーと、前記偏光ビームスプリッタの反射光の光路の前記第２のπ／２モードコンバータの下流に設けられた第３のハーフミラーと、前記第３のハーフミラーの透過光の光路に設けられた第４のミラーと、前記第３のハーフミラーの反射光の光路に設けられた第５のミラーと、前記第５のミラーの反射光の光路に設けられた第６のミラーと、前記第４のミラーの反射光の光路に設けられた第２の光路長調整部材と、前記第２の光路長調整部材の透過光の光路であり、かつ前記第６のミラーの反射光の光路に設けられた第４のハーフミラーとを具備することを特徴とする受信装置。
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