【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーを伝送路として使用し、必要となる送受信機間における光クロック共有、及び、位相変調器や単一光子検出器を備える量子暗号通信システム、および前記システムを動作させるタイミング信号作成方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、単一光子、又は、極微弱光を送受信することで暗号（乱数）鍵を共有する量子暗号通信システムにおいて、鍵送信者が二進の乱数値を信号光の位相（又は、偏光）状態に変換し、鍵受信者がその信号光の位相（又は、偏光）を解読することが行われていた。その際、タイミング信号に基づいて信号光（単一光子、又は、極微弱光）を検出していた。
【０００３】
従来の前記タイミング信号作成方法としては、以下のものがある。
信号光を単一光子検出器（下記特許文献１では「ＡＰＤ：なだれ効果フォトダイオード」が相当する）で受信した検出信号から、直接、タイミング信号を作成するタイミング信号作成方法は、下記特許文献１および下記特許文献２に示されている。代表して下記特許文献１について説明する。図５は下記特許文献１に示される量子暗号通信システムの説明図である。図５の量子暗号通信システムは、送信機４０、偏波制御器３５および３５’、単一光子検出器３１および３１’、これら偏波制御器および単一光子検出器を制御する受信機コントロール回路３０から構成される。送信機４０は、レーザー４１からの光を、コントロール回路４４により制御される減衰器４２および位相変調器４３を介して単一光子として光ファイバーへ出力する。光ファイバーは、２経路に分かれる箇所で分岐率５０：５０（どちらの経路をとるかは確率５０パーセント）に構成され、分岐後の経路中には偏波制御器３５、３５’と単一光子検出器３１、３１’が設けられている。受信機コントロール回路３０、３０’は、単一光子検出器３１、３１’の出力をフィルター３２、３２’で抽出し、その出力で発振器３３、３３’の局部発振周波数を設定してマイクロプロセッサコントロールユニット３４、３４’を駆動するように構成されている。他方、単一光子検出器３１、３１’の出力は弁別増幅器３７、３７’を介して弁別され、マイクロプロセッサコントロールユニット３４、３４’で検出される。各機器のバイアス電源３６、３６’、３８、３８’はマイクロプロセッサコントロールユニット３４、３４’で制御される。
【０００４】
図５の量子暗号通信システムでは、例えばアバランシフォトダイオードからなる単一光子検出器３１、３１’の出力を狭帯域フィルター３２、３２’に入力し，前記フィルター３２、３２’の出力を発振器３３、３３’の局発信号とするマイクロプロセッサコントロールユニット３４、３４’により偏波制御器（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３５、３５’を動作させるタイミング信号を作成する。フィルター３２、３２’はクロック周波数と等しい周波数成分を持つ電気信号（基本周波数成分）のみを通過させる。このとき、単一光子検出器３１、３１’が単一光子を受信する。前述の通り、従来、単一光子、又は、極微弱光を送受信することで暗号（乱数）鍵を共有する量子暗号通信システムにおいて、鍵送信機が二進の乱数値を信号光の位相（又は、偏光）状態に変換し、鍵受信機がその信号光の位相（又は、偏光）を解読することが行われていた。図５では、鍵送信機となる送信機４０が二進の乱数値を信号光の偏光状態に変換し、鍵受信機となる受信機コントロール回路がその信号光の偏光状態を解読することで暗号（乱数）鍵を共有する。尚、鍵送信機、鍵受信機とも単一光子の再送信や再受信は行わない。
一方、タイミング信号作成のために信号光の他に、光クロックも送受信するタイミング信号作成法は、下記特許文献３に示されている。
【０００５】
図６は従来の他の量子暗号通信システムの例を示す。
図６の量子暗号通信システムは、送受信部５０とエンコード部（鍵解読部）６０とそれらをつなぐ光ファイバーからなる。送受信部５０は、ボブと名付けられ、レーザー５２、ファラデー回転鏡５１および５５、単一光子検出器５４および５６をカプラー５３で光学的に分離結合して構成されている。エンコード部６０は、アリスと名付けられ、カプラー６４を介して一方の系に減衰器６３、位相変調器６２およびファラデー回転鏡６１が直列接続され、また、他方の系に光検出器６５が接続され、減衰器６３、位相変調器６２および光検出器６５が相互に接続されている。ボブ（光クロックの送信者機）が所持する光パルスレーザー５２を出射する光クロックを光ファイバー経由でアリス（光クロックの受信機名）に送り、光検出器６５で光クロックを受信し、光クロックの検出信号を、直接、位相変調器（ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）６２の動作タイミング信号として使用する。
下記非特許文献１には、送受信機間が２本の光ファイバーで接続され信号光と光クロックがそれぞれ別々に伝搬する例（図７参照）、及び、１本の光ファイバーを使用して、信号光と光クロックがそれぞれ別々の波長で伝搬する例（図８参照）の２種類のタイミング信号作成法が示されている。
【０００６】
図７のシステムは、送信機７０と、受信機８０と、それらを接続する光ファイバー７４、７５とから構成されている。送信機７０は、光源（例えば、１．５５μｍ）となる分布帰還型（ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ））半導体レーザー７１、光強度変調器７２、減衰器７３からなる。受信機８０は、偏光コントローラ８１、偏光ビームスプリッター８２、単一光子検出器８３，エルビウム・ドープ・ファイバー増幅器８４、光検出器８５、ゲートジェネレータ８６からなる。図７の例では、信号光と光クロックを別々の光ファイバーで伝送し、エルビウム・ドープ・ファイバー増幅器８４および光検出器８５を介して検出した検出信号を直接タイミング信号として使用している。
【０００７】
図８のシステムは、送信機７０と、受信機８０と、それらを接続する光ファイバー７４とから構成されている。送信機７０は、２種類の光源（例えば、１．５５μｍ）と光源（例えば、１．３μｍ）となる分布帰還型（ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ））半導体レーザー７１と７５、光強度変調器７２、減衰器７３、波長分離結合器７６からなる。受信機８０は、偏光コントローラ８１、偏光ビームスプリッター８２、単一光子検出器８３，ゲートジェネレータ８６、波長分離結合器８７、半導体光増幅器８８、光検出器８９からなる。図８の例では、半導体増幅器８４および光検出器８５を介して検出した検出信号を直接タイミング信号として使用している。図８の例では、信号光と光クロックを同じ光ファイバーで伝送し、光クロックを波長分離結合器８７で分離し、半導体光増幅器８８および光検出器８９を介して検出した検出信号を直接タイミング信号として使用している。
【０００８】
下記非特許文献２には、バースト方式の量子暗号通信システムに関するタイミング信号作成法が記述されている。バースト方式では、鍵送信者は鍵受信者に信号光をパルス列の塊として間欠的に送信する。
尚、非特許文献３および４は、単一光子、又は、極微弱光を信号光に使用する量子暗号通信において、鍵送信者が、信号光の偏光状態（非特許文献３）や位相状態（非特許文献４）に二進の乱数値を記述し、鍵受信者が単一光子検出器を使用して信号光の偏光（又は、位相）状態を測定することで鍵送信者が送った乱数値を鍵受信者が解読し、その乱数値を利用して暗号鍵を共有するために必要な具体的な通信手順が記載されている。本発明では、通信手順は下記非特許文献４を使用する。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許番号５６７５６４８
【特許文献２】
米国特許番号５９５３４２１
【特許文献３】
米国特許番号６４３８２３４Ｂ１
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌｕｍｅ４８， Ｎｕｍｂｅｒ１３， ｐｐ．１９５７ １９６６（２００１）
【非特許文献２】
Ｎｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ４，ｐｐ．４１．１ ４１．８（２００２）
【非特許文献３】
Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ， Ｉｎｄｉａ （ＩＥＥＥ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９８４）， ｐ．１７５（１９８４）
【非特許文献４】
Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡｍｅｒｉｃａ）， Ｖｏｌｕｍｅ４， Ｎｕｍｂｅｒ１０， ｐｐ．３８３
３８７ （１９９９）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１および２記載のタイミング信号作成方法は、光クロックを信号光とは別に送受信する作成法と異なり、信号光を単一光子検出器３１，３１’で受信した検出信号から、直接、タイミング信号を作成する。フィルター３２，３２’は信号光の繰り返し周波数と等しい周波数成分を持つ電気信号（基本周波数成分）のみを通過させる。このとき、単一光子検出器３１，３１’が毎回確実に単一光子を受信できれば大きな出力の基本周波数成分を得るが、通常、光ファイバーの伝送損失により大部分の単一光子は鍵受信者まで到達せず、且つ、単一光子検出器３１，３１’の受信感度限界などにより、光子検出率は非常に小さくなる。この結果、十分な出力強度を持つ基本周波数成分を得ることができず、（局部）発振器３３、３３’の出力信号としての使用が困難になる。それに伴って、マイクロプロセッサコントロールユニット３４、３４’によるタイミング信号作成も困難になる。従って、下記特許文献１または２によるタイミング信号作成法は光ファイバー伝送による長距離量子暗号通信システムには不向きである。
【００１１】
前記特許文献３には、具体的なタイミング信号作成法が述べられていない。
前記非特許文献１では、光クロックを光検出器で受信した検出信号を狭帯域フィルター経由で周波数シンセサイザーの局発信号として利用する方式と異なり、光クロックを光検出器で受信した検出信号を直接、タイミング信号として使用している。この場合、検出信号が毎回確実に受信されれば問題はないが、光クロックも長距離伝搬後、損失により減衰し、波形が歪むこともある。このような波形が歪む状況下では、光クロックを毎回確実に受信することが困難となり、タイミング信号の発生が歯抜け状態になる危険性や、発生のタイミングが乱れる可能性もある。信号光と光クロックがそれぞれ別々の波長で伝搬する場合、図８に示すように波長分離結合器を送受信者側に設置する必要がある。
【００１２】
特許文献１および２、非特許文献１では、鍵送信機が、単一光子、又は、極微弱光を信号光パルス列としてある一定の時間間隔毎に規則正しく送信し、鍵受信機も同一の時間間隔毎に規則正しく受信することを想定しているが、バースト方式では、鍵送信機は鍵受信機に信号光をパルス列の塊として間欠的に送信する。非特許文献２で記載されているタイミング信号作成法は、バースト方式の量子暗号通信システムにのみ有効である。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、単一光子、又は、極微弱光を送受信することで暗号（乱数）鍵を共有する量子暗号通信システムにおいて、鍵送信機が二進の乱数値を信号光の位相状態に変換するために使用する位相変調器、及び、鍵受信機がその信号光の位相状態を解読するために使用する単一光子検出器を動作させるために必要なタイミング信号を簡単に、且つ、確実に作成する受信兼再送信機および送信兼再受信機からなる量子暗号通信システムおよびそのタイミング作成方法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決しようとする手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の解決手段を採用する。
本発明は、受信した光クロックを光検出器で検出し、前記光検出器の出力を中心周波数がクロック周波数に等しい狭帯域フィルターを介して周波数シンセサイザーの局発信号として入力し、信号光の繰り返し周波数に等しい電気信号を前記シンセサイザーが出力し、前記シンセサイザーの出力をタイミング信号として前記信号光を位相変調し、信号光の繰り返し周波数で前記信号光を検出するように構成した送信兼再受信機と受信兼再送信機からなる量子暗号通信システム及びそのタイミング信号作成方法に特徴を有する。
尚、本発明では、送受信機間で、極微弱光の再送信や再受信を行うため、前記送受信機を「送信兼再受信機」と「受信兼再送信機」と称して両者を区別する。具体的には、以下の解決手段を採用する。
【００１５】
（１） 送信兼再受信機において、少なくとも極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と、光クロックを発生するパルス光源と、前記両パルス光源の動作タイミング信号を発生する遅延発生器とからなることを特徴とする。
（２） 送信兼再受信機において、極微弱光を二分割して、信号光と参照光を作成し、信号光と参照光の間に時間差を設け、信号光を参照光より遅延させて光ファイバー経由で送信することを特徴とする。
【００１６】
（３） 受信兼再送信機において、極微弱光を光ファイバー経由で受信し、二進の乱数値を発生する乱数発生器と、前記乱数発生器の乱数値に基づき前記信号光の位相を変調する位相変調器と、光クロックを受信する光検出器と、前記光検出器の出力をろ波して中心周波数をクロック周波数とした出力信号として周波数シンセサイザーに入力する狭帯域フィルターと、前記出力信号を局発信号として、その局発信号と同期した任意の周波数の電気信号を出力する周波数シンセサイザーとからなり、信号光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させることにより、信号光の到着と同期したタイミング信号を作成することを特徴とする。
【００１７】
（４） 受信兼再送信機において、信号光の到着と同期したタイミング信号で乱数発生器を動作させて、二進の乱数値を発生させ、その出力値に応じて、出力が二進値の０とき無変調、出力が二進値の１のとき１８０°の位相変調を信号光に与えることを特徴とする。
（５） 受信兼再送信機において、位相変調をした後、信号光と参照光の平均光子数がともに単一光子レベルとなるように減衰させる減衰器を備え、光クロックを除く減衰後の信号光と参照光を光ファイバー経由で送信兼再受信機に再送信することを特徴とする。
【００１８】
（６） 送信兼再受信機であって、再送信された信号光と参照光に対して、参照光に遅延を与え、信号光と参照光を合波し、合波光の偏光状態から、信号光の位相状態に記述された二進の乱数値を判別する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の０であることを検出する単一光子検出器と、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の１であることを検出する単一光子検出器と、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と光クロックを発生するパルス光源の動作タイミング信号を発生する遅延発生器からなり、信号光および参照光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させることにより、合波光の前記両単一光子検出器への到着と同期したタイミングで両単一光子検出器を動作させるタイミング信号を作成することを特徴とする。
【００１９】
（７） 量子暗号通信システムにおいて、光ファイバーの終端にファラデー回転鏡からなる偏波分散補償器を設置し、信号光と参照光の偏光状態が、受信兼再送信機と送信兼再受信機を往復後、もとの偏光状態と比較して、偏波面を９０°回転させて、光ファイバーの偏波分散により受けた信号光と参照光の偏光状態の揺らぎを補償することを特徴とする。
（８） 量子暗号通信システムにおいて、請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機を光ファイバーで接続する量子暗号通信システムであって、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と減衰器が光ファイバーを介して接続され、光クロックを発生するパルス光源と光クロックを受信する光検出器が前記光ファイバーと別の光ファイバーを介して接続されたことを特徴とする。
【００２０】
（９） 量子暗号通信システムにおいて、請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機を光ファイバーで接続する量子暗号通信システムであって、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と減衰器が波長分離結合器を介して光ファイバーとして接続し、光クロックを発生するパルス光源と光クロックを受信する光検出器が前記波長分離結合器を介して前記光ファイバーとして接続したことを特徴とする。
【００２１】
（１０） 量子暗号通信システムにおいて、請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機間で秘密鍵を共有するように、極微弱光を信号光および参照光として送受信する量子暗号通信システムにおいて、受信兼再送信機には、送信兼再受信機から信号・参照光とは別に送信される光クロックを受信するための光検出器を設け、前記光検出器の出力を狭帯域フィルターに入力し，前記フィルターの出力を周波数シンセサイザーの局発信号として入力し，前記信号光の繰り返し周波数に等しい電気信号を前記シンセサイザーが出力し、前記出力をタイミング信号として前記信号光を位相変調し、送信兼再受信機には、前記遅延発生器から信号・参照光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させることにより、前記遅延発生器の出力をタイミング信号として前記両単一光子検出器を動作させることを特徴とする。
【００２２】
（１１） 上記（１０）記載の量子暗号通信システムにおいて、送信兼再受信機から送信される信号光および参照光と光クロックをそれぞれ光パルス列で構成し、両者の繰り返し周波数が同一または異なることを特徴とする。
（１２） 量子暗号通信システムにおいて、狭帯域フィルターを光クロックのクロック周波数で透過率が最大となるように構成し、狭帯域フィルターの出力を周波数シンセサイザーの局発信号とし、シンセサイザーを信号光の繰り返し周波数と一致する繰り返し周波数で電気パルス信号を発生するように構成したことを特徴とする。
【００２３】
（１３） 上記（７）乃至（１２）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記送信兼再受信機と受信兼再送信機間を２本の光ファイバーで接続し、信号光および参照光と光クロックがそれぞれ別々の光ファイバーで伝搬されるようにしたことを特徴とする。
（１４） 上記（７）乃至（１２）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記送信兼再受信機と受信兼再送信機間が波長分離器を介して１本の光ファイバーで接続され、信号光および参照光と光クロックをそれぞれ別々の波長としたことを特徴とする。
【００２４】
（１５） 上記（７）乃至（１４）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記受信兼再送信機に位相変調器、及び、前記送信兼再受信機に信号光および参照光の合波光を受信する単一光子検出器を設け、前記受信兼再送信機が前記信号光を二進数の乱数値に比例する位相状態に変換して送信し、前記送信兼再受信機が前記単一光子検出器により前記信号光の位相状態を判別して前記二進の乱数値を解読し、前記二進の乱数値を前記光ファイバーで接続された送受信機間で秘密鍵として共有することを特徴とする。
（１６） タイミング信号作成方法において、受信兼再送信機が光クロックを光検出器で検出し、光検出器の出力を中心周波数がクロック周波数に等しい狭帯域フィルターを介して周波数シンセサイザーの局発信号として入力し、信号光の繰り返し周波数で前記信号光を位相変調することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下図を用いて詳細に説明する。
本発明は、暗号鍵生成の通信手順には、従来技術である非特許文献３および４を使用することを前提としている。そこで、以下の説明では、通信手順に関しては、極微弱光の二位相状態を利用する通信プロトコル（非特許文献４参照）を用いるが、本発明は、他の通信プロトコル（非特許文献３参照）にも有効なタイミング信号作成法を提供する。
図１は、２本の光ファイバーを用いた、極微弱光の二位相状態を利用する量子暗号通信システム及びそのタイミング信号作成法の概略図を示す。図中では、送信兼再受信機と受信兼再送信機間が２本の光ファイバーで接続され、信号光と光クロックがそれぞれ別々の光ファイバーを伝搬する。
図４は、１本の光ファイバーを信号光と光クロックに共通に用いた、極微弱光の二位相状態を利用する量子暗号通信システム及びそのタイミング信号作成法の概略図を示す。図４では、送信兼再受信機と受信兼再送信機間が１本の光ファイバーで接続され、信号光と光クロックパルスがそれぞれ別々の波長で伝搬する。
【００２６】
（第１実施例）
図１の量子暗号通信システムは、鍵送信者側の受信兼再送信機（Ａｌｉｃｅ（アリス）と称する）と鍵受信者側の送信兼再受信機（Ｂｏｂ（ボブ）と称する）で構成される。アリスが二進の乱数値を信号光（極微弱光）の位相状態に変換し、ボブがその信号光の位相状態を解読することで、光ファイバーで接続されたアリスとボブ間で秘密鍵を共有する。図１では、秘密鍵の鍵受信機であるボブが光クロックの鍵送信機となり、秘密鍵の鍵送信機であるアリスが光クロックの鍵受信機となる。
【００２７】
ボブ側は信号光となる極微弱光を一定の時間間隔で発生させる半導体レーザー１、極微弱光の偏光状態を調整する偏波制御器２、光の進行方向を図１記載の矢印の向きに限定する光サーキュレーター３、偏光ビームスプリッター４、半波長板５、偏光ビームスプリッター６、四分の一波長板７、全反射鏡８、光ファイバー遅延器９、偏波分散補償器としてのファラデー回転鏡１０、光クロックを発生する半導体レーザー１１、半導体レーザー１と１１の繰り返し周波数を設定するシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２、二進値の０であることを検出する単一光子検出器１３と、二進値の１であることを検出する単一光子検出器１４、遅延発生器１５から構成される。遅延発生器１５は極微弱光の繰り返し周波数に等しい電気信号を出力し、この出力信号は単一光子検出器１３、１４の動作タイミング信号として使用される。ボブ側は半導体レーザー１から発生する極微弱光が偏光ビームスプリッター４を透過するように偏波制御器２で偏波面を調整する。このとき、極微弱光の偏波面は紙面に平行である。極微弱光はさらに半波長板５を透過後、偏波面は４５゜傾くが、偏光ビームスプリッター６により、透過光と反射光に二分される。反射光は、四分の一波長板７の透過と全反射鏡８による反射後、偏波面が垂直から平行に変化して、偏光ビームスプリッター６を透過した後、光ファイバー１６経由でアリス側に送られる。便宜上、参照光と呼ぶ。このとき、参照光の偏波面は平行である。これに対して、透過光は、光ファイバー遅延器９を通過後、ファラデー回転鏡１０で反射され、偏波面が平行から垂直に変化して、偏光ビームスプリッター６を反射した後、光ファイバー１６経由でアリス側に送られる。便宜上、信号光と呼ぶ。このとき、信号光の偏波面は水平である。信号光は光ファイバー遅延器９による遅延を受けるため参照光より遅れて送信される。
【００２８】
アリス側は、位相変調器１７、減衰器１８、ファラデー回転鏡１９、光検出器２１、光クロック周波数に等しい中心周波数を持つ狭帯域フィルター２２、周波数シンセサイザー２３から構成される。
アリス側では、減衰器１８を介して受信した信号光に対してのみ位相変調器１７を使用して、二進の乱数値が０である場合、無変調、１である場合、１８０゜の位相変化を与える。但し、参照光は乱数値に無関係に無変調とする。前記の二進の乱数値を信号光の位相状態に変換した後、両光を減衰器１８で減衰させてボブ側に再送信する。この時点で、信号光の平均光子数は単一光子レベルにまで減衰される。アリス側の光ファイバー１６の終端にはファラデー回転鏡１９が設置され、光ファイバーの偏波分散により受けた偏光状態の揺らぎは、両光がファラデー回転鏡１９まで往復する間に自動的に補償される。ファラデー回転鏡１９による反射のため、参照光の偏波面は往復前の平行から往復後の垂直になり、偏光ビームスプリッター６を反射した後、光ファイバー遅延器９を通過、ファラデー回転鏡１０で反射され、偏波面が垂直から水平に変化、偏光ビームスプリッター６を透過し、半波長板５へ進む。信号光の偏波面は往復前の垂直から往復後の水平になり、偏光ビームスプリッター６を透過、四分の一波長板７の透過と全反射鏡８による反射後、垂直偏光になり、偏光ビームスプリッター６を反射した後、半波長板５へ進む。この時点で、信号光と参照光の遅延による時間差は解消され、信号光と参照光は合波され、半波長板５を透過後、アリスが信号光に対して無変調であった場合、二進値の０であることを検出する単一光子検出器１３の方向へ進み、１８０゜の位相変調を与えた場合、二進値の１であることを検出する単一光子検出器１４へ進み、それぞれの単一光子検出器の出力値から、ボブはアリスの乱数値を知ることができる。
【００２９】
半導体レーザー１１の繰り返し周波数は、半導体レーザー１と１１の繰り返し周波数を設定するシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２により半導体レーザー１と同期するように設定されている。光クロックとなる半導体レーザー１１からの光パルス列を光ファイバー２０経由でボブ側からアリス側に送信し、アリスは光検出器２１で光パルス列を検出後、光クロック周波数に等しい中心周波数を持つ狭帯域フィルター２２でろ波し、狭帯域フィルター２２の出力を周波数シンセサイザー２３の局発信号として使用し、信号光の繰り返し周波数と等しい繰り返し周波数を持つ電気信号を出力させ、周波数シンセサイザー２３の出力信号を乱数発生器２４の駆動タイミング信号として使用する。この結果、ボブとアリスは信号光と同期したタイミング信号を共有することができるので、タイミング信号を乱数発生器２４に入力することによって、アリスは、信号光が位相変調器１７を通過するタイミングで位相変調を行うことができる。つまり、周波数シンセサイザー２３の局発信号から信号光の繰り返し周波数と一致した電気信号が得られるので、これを、アリスは、位相変調器１７の変調タイミング信号として使用する。尚、ボブ側には、光クロックを発生する半導体レーザー１１、及び、その繰り返し周波数を設定するシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２があり、遅延発生器１５をシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２と接続することで、遅延発生器１５の出力信号を単一光子検出器１３、１４の動作タイミング信号として使用することができる。
【００３０】
前述の通り、アリスとボブ間は、２本の光ファイバーで接続され、信号・参照光と光クロックは別々のファイバーで伝搬されている。さらに、信号・参照光と光クロックの繰り返し周波数は同一でも異なっていても構わない。但し、信号・参照光の繰り返し周波数は常に一致している。また、信号・参照光と光クロックの波長も同一であっても異なっていても構わないが、損失が最も低い１５５０ｎｍ帯に波長を設定することが望ましい。
【００３１】
図２に、信号・参照光の繰り返し周波数を５ＭＨｚ、光クロックの繰り返し周波数を１ＭＨｚに設定して得られた、暗号鍵共有の実験結果を示す。信号光と光クロックの波長はともに１５５０ｎｍ帯にある。また、２本の光ファイバーはそれぞれ１０．５ｋｍであり、アリス−ボブ間に接続されている。図２では、乱数値１（Ｂｉｔ１と記載）に対しては正電圧パルスが、乱数値０（Ｂｉｔ０と記載）に対しては負電圧パルスが発生するように量子暗号通信システムが調整されている。但し、通常、大部分の信号光は送受信機を往復する間に光ファイバーの伝送損失により消失し、且つ、単一光子検出器１３，１４の受信感度限界などにより、光子検出率が非常に小さくなるため、電圧パルスが発生しない。図２では、光子検出率は０．５％程度である。非検出時の電圧値は零であり、図２では、黒丸で示されている。但し、送受信機間でタイミング信号が共有されているために、ボブ−アリス間での乱数値の不一致割合は２％程度である。不一致割合は、単一光子検出器１３，１４の内部雑音によるものが主であり、ボブ−アリス間でタイミング信号が乱れたために生じたものではない。図２の測定時間は１０ｍｓであり、２００ｎｓ毎に単一光子検出器１３，１４が単一光子の有無を検出している。つまり、ボブ−アリス間では、測定時間１０ｍｓの範囲内で非常に精度良くタイミング信号が共有されている。但し、実際には、測定時間が数時間を超えても精度良くタイミング信号が共有されていることを確認している。図３は、１時間後に測定した暗号鍵共有の実験結果である。図２と同様に、ボブ−アリス間での乱数値の不一致割合は２％程度である。不一致割合は、単一光子検出器１３，１４の内部雑音によるものが主であり、ボブ−アリス間でタイミング信号が乱れたために生じたものではない。
【００３２】
以上、実際に実験を行ない、本発明が提供するタイミング信号作成法において、極微弱光（信号・参照光）を送受信することで暗号（乱数）鍵を共有する量子暗号通信システムにおいて、鍵送信者が二進の乱数値を信号光の位相状態に変換するために使用する位相変調器、鍵受信者がその信号光の位相状態を解読するために使用する単一光子検出器を動作させるために必要なタイミング信号を、簡単に、且つ、確実に作成する受信兼再送信機（Ａｌｉｃｅ（アリス）と称する）と鍵受信者側の送信兼再受信機（Ｂｏｂ（ボブ）と称する）からなる量子暗号通信システムおよびそのタイミング作成方法の有効性が実験的に確認された。
【００３３】
（第２実施例）
図４の量子暗号通信システムでも、鍵送信者側の受信兼再送信機（Ａｌｉｃｅ（アリス）と称する）と鍵受信者側の送信兼再受信機（Ｂｏｂ（ボブ）と称する）で構成される。アリスが二進の乱数値を信号光（極微弱光）の位相状態に変換し、ボブがその信号光の位相状態を解読することで、光ファイバーで接続された送受信機間で秘密鍵を共有する。但し、図２では、１本の光ファイバーで送受信機間が接続されている。秘密鍵の鍵受信者であるボブが光クロックの鍵送信者となり、秘密鍵の鍵送信者であるアリスが光クロックの鍵受信者となる。
【００３４】
ボブ側は信号・参照光となる極微弱光パルスを一定の時間間隔で発生させる半導体レーザー１、極微弱光パルスの偏光状態を調整する偏波制御器２、光の進行方向を図４記載の矢印の向きに限定する光サーキュレーター３、偏光ビームスプリッター４、半波長板５、偏光ビームスプリッター６、四分の一波長板７、全反射鏡８、光ファイバー遅延器９、ファラデー回転鏡１０、光クロックを発生する半導体レーザー１１、半導体レーザー１と１１の繰り返し周波数を設定するシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２、遅延発生器１５、二進値の０であることを検出する単一光子検出器１３と、二進値の１であることを検出する単一光子検出器１４で構成される。但し、図４では、１本の光ファイバー１６でボブ−アリス間が接続されている。そのため、信号・参照光と光クロックをボブ側で結合、アリス側で分離するために、両者の波長を変える必要がある。経験上、長距離伝送には光ファイバーでの損失が最も低い１５５０ｎｍ帯に信号光の波長を設定することが望ましい。この場合、光クロックは、例えば、１３１０ｎｍ帯に設定すれば良い。ボブ側、アリス側には波長分離結合器２５、２６を設置することで、ボブ側では信号光と光クロックを結合することができ、アリス側では信号・参照光と光クロックを分離することができる。これ以外の構成は、図１の実施例と同一構成であり、最終的には、アリスは光検出器２１で光パルス列を検出後、光クロック周波数に等しい中心周波数を持つ狭帯域フィルター２２を通過させ、周波数シンセサイザー２３の局発信号として使用し、信号光の繰り返し周波数を等しい繰り返しを持つ電気信号を位相変調器１７、乱数発生器２４の駆動タイミング信号として使用する。波長分離結合器２５、２６を使用するのは、非特許文献１の例と同様である。
【００３５】
尚、ボブ側には、光クロックを発生する半導体レーザー１１、及び、その繰り返し周波数を設定するシンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター１２があり、遅延発生器１５を使用して、単一光子検出器１３、１４の動作タイミング信号を発生することができる。図１の実施例と同様である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、特許請求の範囲記載の事項により、以下の効果を奏する。
受信兼再送信機と送信兼再受信機で構成される量子暗号通信システムにより、信号光の繰り返し周波数に等しいタイミング信号を鍵送受信機が、確実に、共有することができる。また、受信兼再送信機は、信号・参照光と光クロックの３種類の光パルスを送信兼再受信機に送る必要があるが、信号・参照光と光クロック間で両者の繰り返し周波数が同一でも異なっていても構わない。更に、送受信者間を接続している光ファイバーの本数も１本または２本で実現できる。通常、光ファイバーは、複数本が束ねられた状態で地中に敷設されているため、光ファイバーを２本使用することは実用上特に障害にはならない。
【００３７】
前記特許文献１および２記載のタイミング信号作成方法では、タイミング信号を、信号光を単一光子検出器で受信した検出信号から直接作成するが、通常、光ファイバーの伝送損失により大部分の単一光子は鍵受信者まで到達せず、且つ、単一光子検出器の受信感度限界などにより、光子検出率は非常に小さくなるため、十分な出力強度を持つ基本周波数成分を得ることができない。これに対して、本発明では、光クロックを信号光とは別に送受信するので、光クロックの強度を増大することで、十分な出力強度を持つ基本周波数成分を得ることができ、局部発振の出力信号として使用することが可能になる。このため、単一光子検出器が毎回確実に単一光子を受信できないような状況下でも、大きな出力の基本周波数成分を得るができる。それに伴って、測定タイミング信号作成も容易になる。
【００３８】
また、前記非特許文献１では、光クロックを受信した検出信号を直接、タイミング信号として使用している。この場合、検出信号が毎回確実に受信されれば問題はないが、光クロックも長距離伝搬後、損失により減衰し、波形が歪むこともある。このような波形が歪む状況下では、光クロックを毎回確実に受信することが困難となり、タイミング信号の発生が歯抜け状態になる危険性や、発生のタイミングが乱れる可能性もある。これに対し、本発明では、光クロックを光検出器で受信した検出信号を狭帯域フィルターでろ波することで、タイミング信号の発生が歯抜け状態になる原因となる雑音や、発生のタイミングが乱れる原因となる雑音を除去することができる。このため、雑音が除去され、周波数シンセサイザーの局発信号として十分使用できるので、上記光クロックを毎回確実に受信することが困難な状況下でも、タイミング信号の発生が歯抜け状態になる危険性が少なくなり、タイミング信号の発生のタイミングが乱れる可能性も少なくなる。
【００３９】
本発明は、非特許文献２のバースト方式だけではなく、バースト方式を含むあらゆる量子暗号通信システムに対してタイミング信号作成法に用いることができる。さらには以下の効果を奏する。
（１） 送信兼再受信機を、少なくとも極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と、光クロックを発生するパルス光源と、前記両パルス光源の動作タイミング信号を発生する遅延発生器とから構成することにより、前記極微弱光の発生と同期したタイミングで前記光クロックを発生させることができる。
（２） 送信兼再受信機を、極微弱光を二分割して、信号光と参照光を作成し、信号光と参照光の間に時間差を設け、信号光を参照光より遅延させて光ファイバー経由で送信するように構成することにより、受信兼再送信機に含まれる位相変調器が信号光の位相のみを変調することができる。
【００４０】
（３） 受信兼再送信機を、極微弱光を光ファイバー経由で受信し、二進の乱数値を発生する乱数発生器と、前記乱数発生器の乱数値に基づき前記信号光の位相を変調する位相変調器と、光クロックを受信する光検出器と、前記光検出器の出力をろ波して中心周波数をクロック周波数とした出力信号として周波数シンセサイザーに入力する狭帯域フィルターと、前記出力信号を局発信号として、周波数シンセサイザーが、前記局発信号と同期した任意の周波数の電気信号を出力するように構成することにより、信号光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させることが可能になり、信号光の到着と同期したタイミング信号を作成することができる。
（４） 受信兼再送信機を、信号光の到着と同期したタイミング信号で乱数発生器を動作させて、二進の乱数値を発生させ、その出力値に応じて、出力が二進値の０とき無変調、出力が二進値の１のとき１８０°の位相変調を信号光に与えるように構成することにより、乱数値を信号光の位相状態に変換することができる。
【００４１】
（５） 受信兼再送信機を、位相変調をした後、信号光と参照光の平均光子数がともに単一光子レベルとなるように減衰させる減衰器を備え、光クロックを除く減衰後の信号光と参照光を光ファイバー経由で送信兼再受信機に再送信するように構成することにより、信号光と参照光の中に複数個の光子が含まれる確率を減らし、盗聴者が複数個の光子の中の一個を盗んで乱数値を解読することを防ぐことができる。平均光子数が低いほど盗聴が困難になる。
【００４２】
（６） 送信兼再受信機を、再送信された信号光と参照光に対して、参照光に遅延を与え、信号光と参照光を合波し、合波光の偏光状態から、信号光の位相状態に記述された二進の乱数値を判別する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の０であることを検出する単一光子検出器と、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の１であることを検出する単一光子検出器と、光クロックを受信する光検出器と、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と光クロックを発生するパルス光源の動作タイミング信号を発生する遅延発生器からなり、信号光および参照光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させるように構成することにより、合波光の前記両単一光子検出器への到着と同期したタイミングで両単一光子検出器を動作させることが可能になり、合波光の到着と同期したタイミング信号を作成すことができる。
【００４３】
（７） 量子暗号通信システムを、光ファイバーの終端にファラデー回転鏡からなる偏波分散補償器を設置し、光ファイバーの偏波分散により受けた信号光と参照光の偏光状態の揺らぎを補償するように構成することにより、光ファイバーの偏波分散により受けた信号光と参照光の偏光状態の揺らぎを、受信兼再送信機と送信兼再受信機を往復後、相殺することができる。
【００４４】
（８） 請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機を光ファイバーで接続する量子暗号通信システムであって、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と減衰器が光ファイバーを介して接続され、光クロックを発生するパルス光源と光クロックを受信する光検出器が前記光ファイバーと別の光ファイバーを介して接続されるように構成することにより、波長分離結合器を使用することなく、量子暗号通信システムを構築することができる。波長分離結合器の性能が不完全な場合、波長分離結合器を使用することで光クロックが信号光である極微弱光に混入し、これが、雑音の原因となる場合もある。二本の光ファイバーを使用することで、光クロックが信号光と完全に分離され、混入雑音を除去することができる。
【００４５】
（９） 請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機を光ファイバーで接続する量子暗号通信システムであって、極微弱光を一定の時間間隔で発生させるパルス光源と減衰器が波長分離結合器を介して光ファイバーとして接続し、光クロックを発生するパルス光源と光クロックを受信する光検出器が前記波長分離結合器を介して前記光ファイバーとして接続されるように構成することにより、前記受信兼再送信機と送信兼再受信機間を一本の光ファイバーで接続することができる。
【００４６】
（１０） 請求項５記載の受信兼再送信機と請求項６記載の送信兼再受信機間で秘密鍵を共有するように、極微弱光を信号光および参照光として送受信する量子暗号通信システムにおいて、受信兼再送信機には、送信兼再受信機から信号・参照光とは別に送信される光クロックを受信するための光検出器を設け、前記光検出器の出力を狭帯域フィルターに入力し，前記フィルターの出力を周波数シンセサイザーの局発信号として入力し，前記信号光の繰り返し周波数に等しい電気信号を前記シンセサイザーが出力するように構成することにより、前記出力をタイミング信号として前記信号光を位相変調することができる。また、送信兼再受信機には、前記遅延発生器から信号・参照光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させるように構成することにより、前記遅延発生器の出力をタイミング信号として、信号光と参照光を合波し、合波光の偏光状態から、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の０であることを検出する単一光子検出器と、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の１であることを検出する単一光子検出器信号光を、合波光の到着タイミングに合わせて動作させることができる。
【００４７】
（１１） 上記（１０）記載の量子暗号通信システムにおいて、送信兼再受信機から送信される信号光および参照光と光クロックをそれぞれ光パルス列で構成し、両者の繰り返し周波数が同一または異なるように構成することにより、光クロックの繰り返し周波数を信号光および参照光の繰り返し周波数より低くすることができる。繰り返し周波数は低い方が取り扱いも簡単である。
【００４８】
（１２） 量子暗号通信システムにおいて、狭帯域フィルターを光クロックのクロック周波数で透過率が最大となるように構成し、狭帯域フィルターの出力を周波数シンセサイザーの局発信号とし、シンセサイザーを信号光の繰り返し周波数と一致する繰り返し周波数で電気パルス信号を発生するように構成することにより、光クロックの繰り返し周波数を信号光および参照光の繰り返し周波数より低くすることができる。先に示した従来例では、光クロックの繰り返し周波数を信号光および参照光の繰り返し周波数に一致させる必要がある。本発明では、必ずしも一致させる必要はなく、量子暗号通信システム設計に幅ができる。
【００４９】
（１３） 上記（７）乃至（１２）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記送信兼再受信機と受信兼再送信機間を２本の光ファイバーで接続し、信号光および参照光と光クロックがそれぞれ別々の光ファイバーで伝搬されるように構成することにより、波長分離結合器の性能が不完全な場合でも、二本の光ファイバーを使用することで、光クロックが信号光と完全に分離され、混入雑音を除去することができる。
【００５０】
（１４） 上記（７）乃至（１２）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記送信兼再受信機と受信兼再送信機間が波長分離器を介して１本の光ファイバーで接続し、信号光および参照光と光クロックをそれぞれ別々の波長となるように構成することにより、前記受信兼再送信機と送信兼再受信機間を一本の光ファイバーで接続することができる。
【００５１】
（１５） 上記（７）乃至（１４）記載のいずれか１項記載の量子暗号通信システムにおいて、前記受信兼再送信機に位相変調器、及び、前記送信兼再受信機に信号光および参照光の合波光を受信する単一光子検出器を設け、前記受信兼再送信機が前記信号光を二進数の乱数値に比例する位相状態に変換して送信し、前記送信兼再受信機が前記単一光子検出器により前記信号光の位相状態を判別して前記二進の乱数値を解読するように構成することにより、前記二進の乱数値を前記光ファイバーで接続された送受信機間で秘密鍵として共有することができる。
【００５２】
（１６） タイミング信号作成方法において、受信兼再送信機が光クロックを光検出器で検出し、光検出器の出力を中心周波数がクロック周波数に等しい狭帯域フィルターを介して周波数シンセサイザーの局発信号として入力し、信号光の繰り返し周波数で前記信号光を位相変調するように構成することにより、前記出力をタイミング信号として前記信号光を位相変調することができる。また、送信兼再受信機には、前記遅延発生器から信号・参照光の繰り返し周波数に等しい電気パルスを出力させるように構成することにより、前記遅延発生器の出力をタイミング信号として、信号光と参照光を合波し、合波光の偏光状態から、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の０であることを検出する単一光子検出器と、前記偏光ビームスプリッターの出力が二進値の１であることを検出する単一光子検出器信号光を、合波光の到着タイミングに合わせて動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子暗号通信システム及びそのタイミング信号作成法である（光ファイバーを２本用いる伝送方式）
【図２】本発明の量子暗号通信システムにおける暗号鍵共有の実験結果
【図３】本発明の量子暗号通信システムにおける暗号鍵共有の実験結果（１時間後）
【図４】本発明の量子暗号通信システム及びそのタイミング信号作成法である（光ファイバーを１本用いる伝送方式）
【図５】特許文献１を説明するための量子暗号通信システムの説明図である
【図６】特許文献３記載の量子暗号通信システムである
【図７】非特許文献１記載の量子暗号通信システムである（光ファイバーを２本用いる伝送方式）
【図８】非特許文献１記載の量子暗号通信システムである（光ファイバー１本用いる伝送方式）
【符号の説明】
１ 半導体レーザー
２ 偏波制御器
３ 光サーキュレーター
４ 偏光ビームスプリッター
５ 半波長板
６ 偏光ビームスプリッター
７ 四分の一波長板
８ 全反射鏡
９ 光ファイバー遅延器
１０ ファラデー回転鏡
１１ 半導体レーザー
１２ シンセサイズド・ファンクション・ジェネレーター
１３ 単一光子検出器
１４ 単一光子検出器
１５ 遅延発生器
１６ 光ファイバー
１７ 位相変調器
１８ 減衰器
１９ ファラデー回転鏡
２０ 光ファイバー
２１ 光検出器
２２ 狭帯域フィルター
２３ 周波数シンセサイザー
２４ 乱数発生器
２５ 波長分離結合器
２６ 波長分離結合器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention uses an optical fiber as a transmission line, shares an optical clock between necessary transceivers, and a quantum cryptography communication system including a phase modulator and a single photon detector, and a timing signal generation for operating the system. About the method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a quantum cryptography communication system that shares a cryptographic (random number) key by transmitting and receiving a single photon or a very weak light, a key sender converts a binary random number value into a phase (or polarization) state of a signal light. The key receiver decrypts the phase (or polarization) of the signal light. At that time, signal light (single photon or extremely weak light) was detected based on the timing signal.
[0003]
The following is a conventional method for generating the timing signal.
A timing signal generation method for directly generating a timing signal from a detection signal received by a single-photon detector (hereinafter, “APD: an avalanche effect photodiode” in Patent Document 1) is disclosed in Patent Document 1 below. And Patent Document 2 below. The following Patent Document 1 will be described as a representative. FIG. 5 is an explanatory diagram of a quantum cryptographic communication system disclosed in Patent Document 1 below. 5 includes a transmitter 40, polarization controllers 35 and 35 ', single-photon detectors 31 and 31', and a receiver control circuit for controlling these polarization controllers and single-photon detectors. 30. The transmitter 40 outputs the light from the laser 41 as a single photon to the optical fiber via the attenuator 42 and the phase modulator 43 controlled by the control circuit 44. The optical fiber has a branching ratio of 50:50 (the probability of which route is taken is 50%) at a location where the optical fiber is split into two routes, and the polarization controllers 35 and 35 'and single photon detection are provided in the route after branching. Vessels 31, 31 'are provided. The receiver control circuits 30 and 30 'extract the outputs of the single photon detectors 31 and 31' by filters 32 and 32 'and set the local oscillation frequencies of the oscillators 33 and 33' with the outputs to control the microprocessor. It is configured to drive the units 34, 34 '. On the other hand, the outputs of the single photon detectors 31 and 31 'are discriminated through the discriminating amplifiers 37 and 37' and detected by the microprocessor control units 34 and 34 '. The bias power supplies 36, 36 ', 38, 38' of each device are controlled by a microprocessor control unit 34, 34 '.
[0004]
In the quantum cryptography communication system of FIG. 5, for example, the outputs of the single photon detectors 31 and 31 ′ composed of avalanche photodiodes are input to narrow band filters 32 and 32 ′, and the outputs of the filters 32 and 32 ′ are output to an oscillator 33. , 33 'are generated by the microprocessor control units 34, 34' to generate timing signals for operating the polarization controllers 35, 35 '. The filters 32 and 32 'pass only electric signals (fundamental frequency components) having a frequency component equal to the clock frequency. At this time, the single photon detectors 31 and 31 'receive single photons. As described above, conventionally, in a quantum cryptography communication system in which an encryption (random number) key is shared by transmitting and receiving a single photon or a very weak light, the key transmitter converts a binary random number value into a signal light phase (or , Polarization) state, and the key receiver decodes the phase (or polarization) of the signal light. In FIG. 5, a transmitter 40 serving as a key transmitter converts a binary random number value into a polarization state of signal light, and a receiver control circuit serving as a key receiver decrypts the polarization state of the signal light to encrypt the signal. Share (random) keys. Note that neither the key transmitter nor the key receiver performs single photon retransmission or retransmission.
On the other hand, a method for generating a timing signal for transmitting and receiving an optical clock in addition to a signal light for generating a timing signal is disclosed in Patent Document 3 below.
[0005]
FIG. 6 shows an example of another conventional quantum cryptographic communication system.
The quantum cryptography communication system in FIG. 6 includes a transmission / reception unit 50, an encoding unit (key decryption unit) 60, and an optical fiber connecting them. The transmission / reception unit 50 is named Bob, and is configured by optically separating and coupling a laser 52, Faraday rotating mirrors 51 and 55, and single-photon detectors 54 and 56 with a coupler 53. The encoding unit 60 is named Alice, and an attenuator 63, a phase modulator 62, and a Faraday rotating mirror 61 are connected in series to one system via a coupler 64, and a photodetector 65 is connected to the other system. , An attenuator 63, a phase modulator 62, and a photodetector 65 are mutually connected. The optical clock emitted from the optical pulse laser 52 possessed by Bob (the transmitter of the optical clock) is sent to Alice (the receiver of the optical clock) via an optical fiber, and the optical clock is received by the photodetector 65. Is directly used as an operation timing signal of the phase modulator 62.
Non-Patent Document 1 below describes an example in which a transceiver is connected by two optical fibers and signal light and an optical clock propagate separately (see FIG. 7), and signal light is transmitted using one optical fiber. And FIG. 8 show two types of timing signal generation methods in which an optical clock and an optical clock propagate at different wavelengths.
[0006]
The system shown in FIG. 7 includes a transmitter 70, a receiver 80, and optical fibers 74 and 75 connecting them. The transmitter 70 includes a distributed feedback (DFB) semiconductor laser 71 serving as a light source (for example, 1.55 μm), a light intensity modulator 72, and an attenuator 73. The receiver 80 includes a polarization controller 81, a polarization beam splitter 82, a single photon detector 83, an erbium-doped fiber amplifier 84, a photodetector 85, and a gate generator 86. In the example of FIG. 7, the signal light and the optical clock are transmitted through separate optical fibers, and the detection signal detected via the erbium-doped fiber amplifier 84 and the photodetector 85 is directly used as the timing signal.
[0007]
The system shown in FIG. 8 includes a transmitter 70, a receiver 80, and an optical fiber 74 connecting them. The transmitter 70 includes two types of light sources (for example, 1.55 μm) and a distributed feedback (DFB (Distributed feedback)) semiconductor lasers 71 and 75 that become light sources (for example, 1.3 μm), an optical intensity modulator 72, and an attenuation. And a wavelength separating / combining device 76. The receiver 80 includes a polarization controller 81, a polarization beam splitter 82, a single photon detector 83, a gate generator 86, a wavelength separation coupler 87, a semiconductor optical amplifier 88, and a photodetector 89. In the example of FIG. 8, a detection signal detected via the semiconductor amplifier 84 and the photodetector 85 is directly used as a timing signal. In the example of FIG. 8, the signal light and the optical clock are transmitted through the same optical fiber, the optical clock is separated by the wavelength separation coupler 87, and the detection signal detected via the semiconductor optical amplifier 88 and the photodetector 89 is directly converted into a timing signal. We use as.
[0008]
Non-Patent Document 2 below describes a timing signal creation method for a burst-type quantum cryptographic communication system. In the burst method, a key transmitter intermittently transmits signal light to a key receiver as a block of pulse trains.
Non-Patent Documents 3 and 4 disclose that in a key cryptographic communication using single photons or extremely weak light for signal light, the key sender determines the polarization state (Non-patent Document 3) or phase state ( Non-patent document 4) describes a binary random number value, and the key receiver measures the polarization (or phase) state of the signal light using a single-photon detector to transmit the randomness transmitted by the key sender. A specific communication procedure necessary for a key receiver to decode a numerical value and to share an encryption key using the random number value is described. In the present invention, the following non-patent document 4 is used as a communication procedure.
[0009]
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,675,648
[Patent Document 2]
US Pat. No. 5,953,421
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 6,438,234 B1
[Non-patent document 1]
Journal of Modern Optics, Volume 48, Number 13, pp. 1957 1966 (2001)
[Non-patent document 2]
New Journal of Physics, Volume 4 pp. 41.1 41.8 (2002)
[Non-Patent Document 3]
In Processes of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York 1984), p. 175 (1984)
[Non-patent document 4]
Optics Express (Optical Society of America), Volume4, Number10, pp. 383
387 (1999)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The timing signal creation methods described in Patent Documents 1 and 2 are different from the creation method in which an optical clock is transmitted and received separately from the signal light, and the signal light is directly converted from the detection signals received by the single photon detectors 31 and 31 ′. Create a timing signal. The filters 32 and 32 'pass only electric signals (fundamental frequency components) having a frequency component equal to the repetition frequency of the signal light. At this time, if the single photon detectors 31 and 31 'can reliably receive a single photon every time, a large output fundamental frequency component is obtained. However, usually, most of the single photons are transmitted to the key receiver due to transmission loss of the optical fiber. The photon detection rate becomes extremely small due to the non-reachability and the limit of the receiving sensitivity of the single photon detectors 31 and 31 '. As a result, a fundamental frequency component having a sufficient output intensity cannot be obtained, and it becomes difficult to use the (local) oscillators 33 and 33 'as output signals. Accordingly, it becomes difficult to generate timing signals by the microprocessor control units 34 and 34 '. Therefore, the timing signal generation method according to Patent Document 1 or 2 is not suitable for a long-distance quantum cryptography communication system using optical fiber transmission.
[0011]
Patent Document 3 does not describe a specific timing signal creation method.
In Non-Patent Document 1, unlike a method in which a detection signal received by an optical detector using an optical clock is used as a local signal of a frequency synthesizer via a narrow band filter, the detection signal received by the optical clock by the optical detector is directly converted. , As a timing signal. In this case, there is no problem if the detection signal is reliably received every time, but the optical clock may be attenuated due to loss after long-distance propagation, and the waveform may be distorted. In such a situation where the waveform is distorted, it becomes difficult to reliably receive the optical clock every time, and there is a risk that the generation of the timing signal may be omitted, or the timing of the generation may be disturbed. When the signal light and the optical clock propagate at different wavelengths, it is necessary to install a wavelength demultiplexer / coupler at the transmitting / receiving side as shown in FIG.
[0012]
In Patent Literatures 1 and 2, and Non-Patent Literature 1, a key transmitter regularly transmits a single photon or extremely weak light as a signal light pulse train at a certain time interval, and the key receiver also transmits the same time interval. Although it is assumed that the signal is received regularly every time, in the burst method, the key transmitter intermittently transmits the signal light to the key receiver as a block of a pulse train. The timing signal creation method described in Non-Patent Document 2 is effective only for a burst-type quantum cryptography communication system.
[0013]
An object of the present invention is to provide a quantum cryptography communication system that shares an encryption (random number) key by transmitting and receiving a single photon or an extremely weak light in view of the problems of the above-described conventional example. The phase modulator used to convert the random value to the signal light phase state, and the single photon detector used by the key receiver to decode the signal light phase state are required to operate. An object of the present invention is to provide a quantum cryptography communication system including a reception / retransmission device and a transmission / retransmission device for easily and reliably generating a timing signal, and a timing generation method thereof.
[0014]
[Means to solve the problem]
The present invention employs the following solutions in order to solve the above problems.
According to the present invention, a received optical clock is detected by a photodetector, and the output of the photodetector is input as a local signal of a frequency synthesizer through a narrow-band filter having a center frequency equal to the clock frequency, and the signal light is repeated. The synthesizer outputs an electric signal having a frequency equal to the frequency, the output of the synthesizer is a timing signal, the signal light is phase-modulated as a timing signal, and the transmission and re-receiver is configured to detect the signal light at a repetition frequency of the signal light. The present invention is characterized by a quantum cryptographic communication system including a receiving and retransmitting device and a timing signal generating method thereof.
In the present invention, in order to perform retransmission and re-reception of extremely weak light between the transmitter and the receiver, the transmitter and the receiver are referred to as a “transmit and re-receiver” and a “receive and re-transmitter” to distinguish them. . Specifically, the following solution is adopted.
[0015]
(1) In a transmission and re-receiver, a pulse light source that generates at least a very weak light at a fixed time interval, a pulse light source that generates an optical clock, and a delay generator that generates an operation timing signal of both pulse light sources It is characterized by comprising.
(2) In the transmission and re-receiver, the very weak light is divided into two parts to create a signal light and a reference light, a time difference is provided between the signal light and the reference light, and the signal light is delayed from the reference light so that an optical fiber It is characterized by being transmitted via
[0016]
(3) In a receiving / retransmitting device, a very weak light is received via an optical fiber, and a random number generator that generates a binary random number value; and a phase of the signal light is modulated based on the random number value of the random number generator. A phase modulator, a photodetector that receives an optical clock, a narrow-band filter that filters the output of the photodetector and outputs the output signal with a center frequency as a clock frequency to a frequency synthesizer, and the output signal. A frequency synthesizer that outputs an electric signal of an arbitrary frequency synchronized with the local oscillation signal as a local oscillation signal, and by outputting an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal light, the timing synchronized with the arrival of the signal light It is characterized by generating a signal.
[0017]
(4) In the receiver / retransmitter, the random number generator is operated by a timing signal synchronized with the arrival of the signal light to generate a binary random number, and the output is a binary value in accordance with the output value. When 0, no modulation is applied, and when the output is a binary value, 180 ° phase modulation is applied to the signal light.
(5) The receiving and retransmitting device includes an attenuator that attenuates the signal light and the reference light so that the average number of photons becomes a single photon level after the phase modulation, and the attenuated signal excluding the optical clock. It is characterized in that the light and the reference light are retransmitted to the transmission and re-receiver via the optical fiber.
[0018]
(6) A transmission / re-receiver, which delays the reference light with respect to the retransmitted signal light and the reference light, multiplexes the signal light and the reference light, and outputs the signal from the polarization state of the multiplexed light. A polarizing beam splitter for determining a binary random number value described in a phase state of light, a single photon detector for detecting that the output of the polarizing beam splitter is a binary value of 0, and the polarizing beam splitter , A single-photon detector for detecting that the output is a binary value 1, a pulse light source for generating extremely weak light at fixed time intervals, and a delay for generating an operation timing signal of a pulse light source for generating an optical clock A generator comprising a generator and an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal light and the reference light is output to operate both the single photon detectors at a timing synchronized with the arrival of the combined light at the two single photon detectors. Thailand It is characterized in that a mining signal is created.
[0019]
(7) In a quantum cryptography communication system, a polarization dispersion compensator consisting of a Faraday rotating mirror is installed at the end of an optical fiber, and the polarization state of signal light and reference light goes back and forth between a receiver / retransmitter and a transmitter / rereceiver. Thereafter, compared with the original polarization state, the polarization plane is rotated by 90 ° to compensate for fluctuations in the polarization state of the signal light and the reference light received by the polarization dispersion of the optical fiber.
(8) In a quantum cryptography communication system, the reception / retransmission device according to claim 5 and the transmission / retransmission device according to claim 6 are connected by an optical fiber, and the weak light is transmitted for a predetermined time. A pulse light source that generates at intervals and an attenuator are connected via an optical fiber, and a pulse light source that generates an optical clock and a photodetector that receives an optical clock are connected via the optical fiber and another optical fiber. I do.
[0020]
(9) In a quantum cryptography communication system, the reception / retransmission device according to claim 5 and the transmission / retransmission device according to claim 6 are connected by an optical fiber, wherein the weak light is transmitted for a predetermined time. A pulse light source and an attenuator that are generated at intervals are connected as an optical fiber through a wavelength separation coupler, and a pulse light source that generates an optical clock and a photodetector that receives the optical clock are used as the optical fiber through the wavelength separation coupler. Connected.
[0021]
(10) In the quantum cryptography communication system, the weak light is used as the signal light and the reference light so that the secret key is shared between the receiving and retransmitting device according to claim 5 and the transmitting and rereceiving device according to claim 6. In the quantum cryptography communication system for transmitting and receiving, the receiving and retransmitting device is provided with a photodetector for receiving an optical clock transmitted separately from the signal and the reference light from the transmitting and rereceiving device, and the photodetector An output is input to a narrow band filter, an output of the filter is input as a local signal of a frequency synthesizer, an electric signal equal to a repetition frequency of the signal light is output by the synthesizer, and the output is a timing signal, and the signal light is used as a timing signal. Is phase-modulated, and the transmission / re-receiver causes the delay generator to output an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal / reference light, thereby generating the delay Operating the two single photon detectors using the output of the detector as a timing signal.
[0022]
(11) In the quantum cryptography communication system according to the above (10), the signal light, the reference light, and the optical clock transmitted from the transmission / re-receiver are each constituted by an optical pulse train, and the repetition frequencies of the two are the same or different. Features.
(12) In a quantum cryptography communication system, a narrow-band filter is configured to have a maximum transmittance at the clock frequency of an optical clock, an output of the narrow-band filter is a local signal of a frequency synthesizer, and the synthesizer is a signal light repetition. The electric pulse signal is generated at a repetition frequency that matches the frequency.
[0023]
(13) In the quantum cryptographic communication system according to any one of the above (7) to (12), the transmission / re-reception device and the reception / re-transmission device are connected by two optical fibers, and signal light and It is characterized in that the reference light and the optical clock are respectively propagated through separate optical fibers.
(14) In the quantum cryptography communication system according to any one of (7) to (12), the transmission / re-reception device and the reception / re-transmission device are connected by a single optical fiber via a wavelength separator. The signal light, the reference light, and the optical clock are connected to different wavelengths.
[0024]
(15) In the quantum cryptography communication system according to any one of (7) to (14), a phase modulator is provided for the receiving and retransmitting device, and a signal light and a reference light are provided for the transmitting and rereceiving device. A single photon detector for receiving the combined light is provided, and the receiving and retransmitting device converts the signal light into a phase state proportional to a random number value of a binary number and transmits the signal light. A single photon detector determines the phase state of the signal light, decodes the binary random value, and shares the binary random value as a secret key between the transceivers connected by the optical fiber. Features.
(16) In the timing signal creation method, the receiving / retransmitting device detects the optical clock with the photodetector, and outputs the output of the photodetector through a narrow band filter whose center frequency is equal to the clock frequency. And phase-modulates the signal light at a repetition frequency of the signal light.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
The present invention is based on the premise that Non-Patent Documents 3 and 4, which are conventional techniques, are used for a communication procedure for generating an encryption key. Therefore, in the following description, a communication protocol using a two-phase state of extremely weak light (see Non-Patent Document 4) is used for a communication procedure, but the present invention employs another communication protocol (see Non-Patent Document 3). It also provides a method for creating a timing signal that is also effective.
FIG. 1 is a schematic diagram of a quantum cryptography communication system using two optical fibers and utilizing a two-phase state of extremely weak light, and a timing signal generation method thereof. In the figure, the transmission / re-receiver and the reception / re-transmitter are connected by two optical fibers, and the signal light and the optical clock propagate through separate optical fibers.
FIG. 4 is a schematic diagram of a quantum cryptography communication system using two optically weak light two-phase states using one optical fiber in common for a signal light and an optical clock, and a timing signal generation method thereof. In FIG. 4, the transmission and re-reception device and the reception and re-transmission device are connected by one optical fiber, and the signal light and the optical clock pulse propagate at different wavelengths.
[0026]
(First embodiment)
The quantum cryptographic communication system of FIG. 1 includes a key transmitter side receiving / retransmitter (referred to as Alice) and a key receiver side transmitting / retransmitting apparatus (referred to as Bob). . Alice converts the binary random number value into the phase state of signal light (extremely weak light), and Bob decrypts the phase state of the signal light, thereby sharing the secret key between Alice and Bob connected by an optical fiber. I do. In FIG. 1, Bob, the key receiver of the secret key, becomes the key transmitter of the optical clock, and Alice, the key transmitter of the secret key, becomes the key receiver of the optical clock.
[0027]
On the Bob side, a semiconductor laser 1 for generating weak light as signal light at a constant time interval, a polarization controller 2 for adjusting the polarization state of the weak light, and a light traveling direction in the direction of the arrow shown in FIG. Optical circulator 3 to be limited, polarization beam splitter 4, half-wave plate 5, polarization beam splitter 6, quarter-wave plate 7, total reflection mirror 8, optical fiber delay unit 9, Faraday rotation mirror 10 as polarization dispersion compensator A semiconductor laser 11 for generating an optical clock, a synthesized function generator 12 for setting the repetition frequency of the semiconductor lasers 1 and 11, a single photon detector 13 for detecting that the binary value is 0, It is composed of a single photon detector 14 for detecting that the value is 1 in decimal value and a delay generator 15. The delay generator 15 outputs an electric signal equal to the repetition frequency of the extremely weak light, and this output signal is used as an operation timing signal for the single photon detectors 13 and 14. On the Bob side, the polarization controller 2 adjusts the plane of polarization so that the extremely weak light generated from the semiconductor laser 1 passes through the polarization beam splitter 4. At this time, the polarization plane of the extremely weak light is parallel to the paper. The extremely weak light further passes through the half-wave plate 5, and then the polarization plane is inclined by 45 °, but is split into two parts by the polarizing beam splitter 6 into transmitted light and reflected light. The reflected light is transmitted through the quarter-wave plate 7 and reflected by the total reflection mirror 8, the polarization plane is changed from vertical to parallel, passes through the polarization beam splitter 6, and is transmitted to Alice via the optical fiber 16. Can be For convenience, it is referred to as reference light. At this time, the polarization planes of the reference light are parallel. On the other hand, the transmitted light is reflected by the Faraday rotating mirror 10 after passing through the optical fiber delay unit 9, the polarization plane changes from parallel to vertical, and is reflected by the polarization beam splitter 6. Sent to the side. For convenience, it is called signal light. At this time, the polarization plane of the signal light is horizontal. Since the signal light is delayed by the optical fiber delay unit 9, it is transmitted later than the reference light.
[0028]
The Alice side includes a phase modulator 17, an attenuator 18, a Faraday rotating mirror 19, a photodetector 21, a narrow band filter 22 having a center frequency equal to the optical clock frequency, and a frequency synthesizer 23.
On the Alice side, the phase modulator 17 is used only for the signal light received via the attenuator 18, and when the binary random number is 0, no modulation, and 1 Give change. However, the reference light is not modulated regardless of the random number value. After converting the binary random value to the phase state of the signal light, both lights are attenuated by the attenuator 18 and retransmitted to Bob. At this point, the average number of photons of the signal light is attenuated to a single photon level. A Faraday rotation mirror 19 is provided at the end of the optical fiber 16 on the Alice side. Fluctuations in the polarization state caused by the polarization dispersion of the optical fiber are automatically compensated while the two lights reciprocate to the Faraday rotation mirror 19. Because of the reflection by the Faraday rotation mirror 19, the polarization plane of the reference light changes from parallel before the reciprocation to vertical after the reciprocation, reflects the polarization beam splitter 6, passes through the optical fiber delay unit 9, and is reflected by the Faraday rotation mirror 10. The polarization plane changes from vertical to horizontal, passes through the polarizing beam splitter 6, and proceeds to the half-wave plate 5. The polarization plane of the signal light is changed from vertical before the reciprocation to horizontal after the reciprocation, passes through the polarizing beam splitter 6, passes through the quarter-wave plate 7, and is reflected by the total reflection mirror 8, and then becomes vertically polarized, and becomes a polarized beam. After reflecting off the splitter 6, it proceeds to the half-wave plate 5. At this point, the time difference due to the delay between the signal light and the reference light is eliminated, and the signal light and the reference light are multiplexed. In the direction of the single photon detector 13 which detects that the binary value is 0, when the phase modulation of 180 ° is applied, the process proceeds to the single photon detector 14 which detects that the binary value is 1. From the output value of each single photon detector, Bob can know Alice's random value.
[0029]
The repetition frequency of the semiconductor laser 11 is set to be synchronized with the semiconductor laser 1 by a synthesized function generator 12 that sets the repetition frequency of the semiconductor lasers 1 and 11. An optical pulse train from a semiconductor laser 11 serving as an optical clock is transmitted from Bob to Alice via an optical fiber 20. Alice detects the optical pulse train with a photodetector 21 and then a narrow band filter having a center frequency equal to the optical clock frequency. 22, the output of the narrow band filter 22 is used as a local oscillation signal of the frequency synthesizer 23, an electric signal having a repetition frequency equal to the repetition frequency of the signal light is output, and the output signal of the frequency synthesizer 23 is output from a random number generator. 24 drive timing signals. As a result, since Bob and Alice can share a timing signal synchronized with the signal light, by inputting the timing signal to the random number generator 24, Alice can determine the timing at which the signal light passes through the phase modulator 17. Phase modulation can be performed. In other words, an electric signal that matches the repetition frequency of the signal light can be obtained from the local oscillation signal of the frequency synthesizer 23, and Alice uses this as a modulation timing signal of the phase modulator 17. On Bob's side, there is a semiconductor laser 11 for generating an optical clock and a synthesized function generator 12 for setting the repetition frequency, and a delay generator 15 is connected to the synthesized function generator 12. By doing so, the output signal of the delay generator 15 can be used as the operation timing signal of the single photon detectors 13 and 14.
[0030]
As described above, Alice and Bob are connected by two optical fibers, and the signal / reference light and the optical clock are propagated through separate fibers. Furthermore, the repetition frequencies of the signal / reference light and the optical clock may be the same or different. However, the repetition frequency of the signal / reference light always matches. The wavelengths of the signal / reference light and the optical clock may be the same or different, but it is desirable to set the wavelength to the 1550 nm band where the loss is the lowest.
[0031]
FIG. 2 shows experimental results of encryption key sharing obtained by setting the repetition frequency of the signal / reference light to 5 MHz and the repetition frequency of the optical clock to 1 MHz. The wavelengths of the signal light and the optical clock are both in the 1550 nm band. Each of the two optical fibers has a length of 10.5 km and is connected between Alice and Bob. In FIG. 2, the quantum cryptographic communication system is adjusted so that a positive voltage pulse is generated for a random value 1 (described as Bit 1) and a negative voltage pulse is generated for a random value 0 (described as Bit 0). . However, usually, most of the signal light is lost due to the transmission loss of the optical fiber while going back and forth between the transmitter and the receiver, and the photon detection rate becomes very small due to the receiving sensitivity limit of the single photon detectors 13 and 14. Therefore, no voltage pulse is generated. In FIG. 2, the photon detection rate is about 0.5%. The voltage value at the time of non-detection is zero, and is indicated by a black circle in FIG. However, since the timing signal is shared between the transmitter and the receiver, the mismatch rate of the random numbers between Bob and Alice is about 2%. The mismatch rate is mainly due to the internal noise of the single photon detectors 13 and 14, and is not caused by the disturbance of the timing signal between Bob and Alice. The measurement time in FIG. 2 is 10 ms, and the single photon detectors 13 and 14 detect the presence or absence of a single photon every 200 ns. That is, between Bob and Alice, the timing signal is shared with very high precision within a measurement time of 10 ms. However, actually, it has been confirmed that the timing signal is shared with high accuracy even when the measurement time exceeds several hours. FIG. 3 shows an experimental result of encryption key sharing measured one hour later. As in FIG. 2, the mismatch ratio of random numbers between Bob and Alice is about 2%. The mismatch rate is mainly due to the internal noise of the single photon detectors 13 and 14, and is not caused by the disturbance of the timing signal between Bob and Alice.
[0032]
As described above, an experiment was actually performed, and in the timing signal generation method provided by the present invention, in a quantum cryptography communication system in which an encryption (random number) key is shared by transmitting and receiving extremely weak light (signal and reference light), To operate a phase modulator used to convert the binary random value to the phase state of the signal light and a single photon detector used by the key receiver to decode the phase state of the signal light A quantum consisting of a receiving / retransmitting device (referred to as Alice) and a key receiving side transmitting / retransmitting device (referred to as Bob) for easily and reliably generating necessary timing signals. The effectiveness of the cryptographic communication system and its timing creation method has been experimentally confirmed.
[0033]
(Second embodiment)
The quantum cryptographic communication system of FIG. 4 also includes a key transmitter side receiving / retransmitting device (referred to as Alice) and a key receiving side transmitting / retransmitting device (referred to as Bob). . Alice converts the binary random number to the phase state of the signal light (extremely weak light), and Bob decrypts the phase state of the signal light to share the secret key between the transceivers connected by the optical fiber. . However, in FIG. 2, the transceiver is connected by one optical fiber. Bob, the key receiver of the secret key, becomes the key sender of the optical clock, and Alice, the key sender of the secret key, becomes the key receiver of the optical clock.
[0034]
On the Bob side, a semiconductor laser 1 for generating a very weak light pulse as a signal / reference light at a constant time interval, a polarization controller 2 for adjusting the polarization state of the very weak light pulse, and a light traveling direction shown in FIG. Optical circulator 3, polarization beam splitter 4, half-wave plate 5, polarization beam splitter 6, quarter-wave plate 7, total reflection mirror 8, optical fiber delay unit 9, Faraday rotation mirror 10, optical clock limited to the direction of the arrow , A synthesized function generator 12 for setting the repetition frequency of the semiconductor lasers 1 and 11, a delay generator 15, a single photon detector 13 for detecting that the binary value is 0, and , A single photon detector 14 that detects that the binary value is one. However, in FIG. 4, Bob and Alice are connected by one optical fiber 16. Therefore, in order to combine the signal / reference light and the optical clock on Bob's side and separate them on Alice's side, it is necessary to change both wavelengths. From experience, it is desirable to set the wavelength of the signal light to the 1550 nm band where the loss in the optical fiber is the lowest for long distance transmission. In this case, the optical clock may be set to, for example, the 1310 nm band. By installing the wavelength separation couplers 25 and 26 on the Bob and Alice sides, the signal light and the optical clock can be combined on the Bob side, and the signal / reference light and the optical clock can be separated on the Alice side. it can. Otherwise, the configuration is the same as that of the embodiment of FIG. 1. Eventually, after Alice detects the optical pulse train with the photodetector 21, it passes through the narrow-band filter 22 having the center frequency equal to the optical clock frequency. Then, an electric signal having a repetition frequency equal to the repetition frequency of the signal light is used as a drive signal of the phase modulator 17 and the random number generator 24. The use of the wavelength separation couplers 25 and 26 is the same as in the example of Non-Patent Document 1.
[0035]
On Bob's side, there is a semiconductor laser 11 for generating an optical clock, and a synthesized function generator 12 for setting the repetition frequency thereof, and a single photon detector 13 using a delay generator 15. , 14 operation timing signals can be generated. This is similar to the embodiment of FIG.
[0036]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects according to the matters described in the claims.
By the quantum cryptographic communication system including the receiving and retransmitting device and the transmitting and rereceiving device, the key transceiver can reliably share the timing signal equal to the repetition frequency of the signal light. In addition, the receiving and retransmitting device needs to send three types of optical pulses, the signal / reference light and the optical clock, to the transmitting / retransmitting device. But they can be different. Further, the number of optical fibers connecting between the transmitter and the receiver can be realized by one or two. In general, a plurality of optical fibers are laid in the ground in a bundled state, so that the use of two optical fibers does not hinder practical use.
[0037]
In the timing signal generation methods described in Patent Documents 1 and 2, a timing signal is directly generated from a detection signal in which signal light is received by a single-photon detector. Cannot reach the key receiver, and the photon detection rate becomes very small due to the limit of the receiving sensitivity of the single photon detector. Therefore, a fundamental frequency component having a sufficient output intensity cannot be obtained. On the other hand, in the present invention, since the optical clock is transmitted and received separately from the signal light, the fundamental frequency component having a sufficient output intensity can be obtained by increasing the intensity of the optical clock, and the output of the local oscillation can be obtained. It can be used as a signal. For this reason, even in a situation where the single photon detector cannot reliably receive a single photon every time, a large output fundamental frequency component can be obtained. Along with that, the creation of the measurement timing signal is also facilitated.
[0038]
In Non-Patent Document 1, a detection signal that has received an optical clock is directly used as a timing signal. In this case, there is no problem if the detection signal is reliably received every time, but the optical clock may be attenuated due to loss after long-distance propagation, and the waveform may be distorted. In such a situation where the waveform is distorted, it becomes difficult to reliably receive the optical clock every time, and there is a risk that the generation of the timing signal may be omitted, or the timing of the generation may be disturbed. On the other hand, in the present invention, the detection signal received by the optical detector is filtered by the narrow band-pass filter, so that the generation of the timing signal becomes a noise state and the generation timing is disturbed. The noise that causes the noise can be removed. For this reason, noise is removed, and the signal can be sufficiently used as a local signal of a frequency synthesizer. Therefore, even in a situation where it is difficult to reliably receive the optical clock every time, there is a danger that the timing signal may be generated in a state of being omitted. The possibility that the timing of generation of the timing signal is disturbed is also reduced.
[0039]
The present invention can be used for the timing signal generation method for any quantum cryptography communication system including the burst method, not only the burst method of Non-Patent Document 2. Further, the following effects are obtained.
(1) A pulse light source for generating at least a very weak light at a constant time interval, a pulse light source for generating an optical clock, and a delay generator for generating operation timing signals for the two pulse light sources. The optical clock can be generated at a timing synchronized with the generation of the extremely weak light.
(2) The transmission and re-receiver divides the extremely weak light into two, creates signal light and reference light, provides a time difference between the signal light and the reference light, and delays the signal light from the reference light to generate an optical fiber. With such a configuration that the signal is transmitted via the transmission line, the phase modulator included in the reception / retransmission device can modulate only the phase of the signal light.
[0040]
(3) a receiving / retransmitting device, which receives the extremely weak light via an optical fiber and generates a binary random number, and modulates the phase of the signal light based on the random number of the random number generator; A phase modulator, a photodetector that receives an optical clock, a narrow-band filter that filters the output of the photodetector and outputs the output signal with a center frequency as a clock frequency to a frequency synthesizer, and the output signal. As a local oscillation signal, by configuring the frequency synthesizer to output an electrical signal of an arbitrary frequency synchronized with the local oscillation signal, it is possible to output an electrical pulse equal to the repetition frequency of the signal light, A timing signal synchronized with the arrival of the signal light can be created.
(4) The receiver / retransmitter operates the random number generator with a timing signal synchronized with the arrival of the signal light to generate a binary random number, and outputs a binary value in accordance with the output value. By configuring so that 0 is no modulation and 180 degrees of phase modulation is given to the signal light when the output is a binary value, the random number value can be converted to the phase state of the signal light.
[0041]
(5) The receiver / retransmitter is provided with an attenuator that performs phase modulation and then attenuates the signal light and the reference light so that the average number of photons of the reference light becomes a single photon level. By configuring the light and the reference light to be retransmitted to the transmission and re-receiver via the optical fiber, the probability that the signal light and the reference light include multiple photons is reduced, and the eavesdropper can reduce the number of photons. And decrypting the random value by stealing one of them. Eavesdropping becomes more difficult as the average number of photons is lower.
[0042]
(6) The transmission / re-receiver gives a delay to the reference light with respect to the retransmitted signal light and the reference light, multiplexes the signal light and the reference light, and changes the polarization state of the multiplexed light into the signal light. A polarizing beam splitter for determining a binary random number value described in a phase state; a single photon detector for detecting that the output of the polarizing beam splitter is a binary value of 0; and an output of the polarizing beam splitter. , A single photon detector for detecting that is a binary value, a photodetector for receiving an optical clock, a pulsed light source for generating extremely weak light at regular time intervals, and a pulsed light source for generating an optical clock A delay generator that generates an operation timing signal of the signal light and the reference light, so as to output an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal light and the reference light. Thailand It is possible to operate both single photon detectors in the timing, and to generate a timing signal synchronized with the arrival of the multiplexed light.
[0043]
(7) In a quantum cryptography communication system, a polarization dispersion compensator composed of a Faraday rotating mirror is installed at the end of an optical fiber to compensate for fluctuations in the polarization states of signal light and reference light received due to polarization dispersion of the optical fiber. With this configuration, fluctuations in the polarization states of the signal light and the reference light received due to the polarization dispersion of the optical fiber can be canceled after reciprocating between the receiving and retransmitting device and the transmitting and rereceiving device.
[0044]
(8) A quantum cryptography communication system in which a receiving and retransmitting device according to claim 5 and a transmitting and retransmitting device according to claim 6 are connected by an optical fiber, wherein a pulse light source that generates extremely weak light at predetermined time intervals. And an attenuator are connected via an optical fiber, and a pulse light source that generates an optical clock and a photodetector that receives the optical clock are configured to be connected via the optical fiber and another optical fiber, so that wavelength separation and coupling are performed. A quantum cryptography communication system can be constructed without using a device. When the performance of the wavelength separation coupler is imperfect, the use of the wavelength separation coupler causes the optical clock to be mixed into the extremely weak light that is the signal light, which may cause noise. By using two optical fibers, the optical clock is completely separated from the signal light, and the mixed noise can be removed.
[0045]
(9) A quantum cryptography communication system in which a receiving and retransmitting device according to claim 5 and a transmitting and retransmitting device according to claim 6 are connected by an optical fiber, wherein a pulse light source that generates extremely weak light at predetermined time intervals. And an attenuator are connected as an optical fiber via a wavelength separation coupler, and a pulse light source for generating an optical clock and a photodetector for receiving the optical clock are connected as the optical fiber via the wavelength separation coupler. By doing so, the receiving and retransmitting device and the transmitting and rereceiving device can be connected by one optical fiber.
[0046]
(10) A quantum cryptography communication system for transmitting and receiving extremely weak light as signal light and reference light so that a secret key is shared between the receiving and retransmitting device according to claim 5 and the transmitting and rereceiving device according to claim 6. In the receiving and re-transmitting device, a photodetector for receiving an optical clock transmitted separately from the signal and reference light from the transmitting and re-receiving device is provided, and the output of the photodetector is supplied to a narrow band filter. And inputting the output of the filter as a local signal of a frequency synthesizer and outputting the electric signal equal to the repetition frequency of the signal light to the synthesizer. Can be phase modulated. Further, the transmission and re-receiver is configured to output an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal / reference light from the delay generator, so that the output of the delay generator is used as a timing signal, and the signal light and the signal light are output. A single photon detector that combines the reference light and detects that the output of the polarization beam splitter is a binary value 0 from the polarization state of the combined light, and the output of the polarization beam splitter is a binary value The single-photon detector signal light for detecting that it is 1 can be operated in accordance with the arrival timing of the combined light.
[0047]
(11) In the quantum cryptographic communication system according to the above (10), the signal light, the reference light, and the optical clock transmitted from the transmission / re-receiver are each constituted by an optical pulse train, and the repetition frequencies of both are the same or different. With this configuration, the repetition frequency of the optical clock can be lower than the repetition frequency of the signal light and the reference light. The lower the repetition frequency is, the easier the handling is.
[0048]
(12) In a quantum cryptography communication system, a narrow-band filter is configured to have a maximum transmittance at the clock frequency of an optical clock, an output of the narrow-band filter is a local signal of a frequency synthesizer, and the synthesizer is a signal light repetition. By forming the electric pulse signal at a repetition frequency that matches the frequency, the repetition frequency of the optical clock can be made lower than the repetition frequency of the signal light and the reference light. In the conventional example described above, it is necessary to match the repetition frequency of the optical clock with the repetition frequency of the signal light and the reference light. In the present invention, it is not always necessary to match them, and the quantum cryptography communication system can be designed in a wide range.
[0049]
(13) In the quantum cryptographic communication system according to any one of the above (7) to (12), the transmission / re-reception device and the reception / re-transmission device are connected by two optical fibers, and signal light and By configuring the reference light and the optical clock to propagate through separate optical fibers, even if the performance of the wavelength separation coupler is incomplete, by using two optical fibers, the optical clock and the signal light can be used. It is completely separated and can remove mixed noise.
[0050]
(14) In the quantum cryptography communication system according to any one of (7) to (12), the transmission / re-reception device and the reception / re-transmission device are connected by a single optical fiber via a wavelength separator. By connecting and configuring the signal light, the reference light, and the optical clock to have different wavelengths, the reception / retransmission device and the transmission / reception device can be connected by one optical fiber.
[0051]
(15) In the quantum cryptography communication system according to any one of (7) to (14), a phase modulator is provided for the receiving and retransmitting device, and a signal light and a reference light are provided for the transmitting and rereceiving device. A single photon detector for receiving the combined light is provided, and the receiving and retransmitting device converts the signal light into a phase state proportional to a random number value of a binary number and transmits the signal light. A single photon detector determines the phase state of the signal light and decodes the binary random number value, so that the binary random number value is secret between a transceiver connected by the optical fiber. Can be shared as a key.
[0052]
(16) In the timing signal creation method, the receiving / retransmitting device detects the optical clock with the photodetector, and outputs the output of the photodetector through a narrow band filter whose center frequency is equal to the clock frequency. And the signal light is phase-modulated at the repetition frequency of the signal light, whereby the signal light can be phase-modulated using the output as a timing signal. Further, the transmission and re-receiver is configured to output an electric pulse equal to the repetition frequency of the signal / reference light from the delay generator, so that the output of the delay generator is used as a timing signal, and the signal light and the signal light are output. A single photon detector that combines the reference light and detects that the output of the polarization beam splitter is a binary value 0 from the polarization state of the combined light, and the output of the polarization beam splitter is a binary value The single-photon detector signal light for detecting that it is 1 can be operated in accordance with the arrival timing of the combined light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a quantum cryptography communication system of the present invention and a timing signal creation method thereof (transmission system using two optical fibers).
FIG. 2 is an experimental result of encryption key sharing in the quantum cryptography communication system of the present invention.
FIG. 3 is an experimental result (after 1 hour) of encryption key sharing in the quantum cryptography communication system of the present invention.
FIG. 4 shows a quantum cryptography communication system of the present invention and a timing signal creation method thereof (transmission system using one optical fiber).
FIG. 5 is an explanatory diagram of a quantum cryptographic communication system for describing Patent Document 1.
FIG. 6 is a quantum cryptographic communication system described in Patent Document 3;
FIG. 7 is a quantum cryptography communication system described in Non-Patent Document 1 (transmission system using two optical fibers).
FIG. 8 shows a quantum cryptographic communication system described in Non-Patent Document 1 (transmission system using one optical fiber).
[Explanation of symbols]
1 semiconductor laser
2 Polarization controller
3 Optical circulator
4 Polarizing beam splitter
5 Half-wave plate
6 Polarizing beam splitter
7 Quarter wave plate
8 Total reflection mirror
9 Optical fiber delay unit
10 Faraday rotating mirror
11 Semiconductor laser
12 Synthesized Function Generator
13 Single photon detector
14 Single photon detector
15 Delay generator
16 Optical fiber
17 Phase modulator
18 Attenuator
19 Faraday rotating mirror
20 Optical fiber
21 Photodetector
22 Narrow band filter
23 frequency synthesizer
24 random number generator
25 Wavelength separation coupler
26 Wavelength separation coupler
