JP2005012631A - 量子暗号通信装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した量子暗号通信装置を得る。
【解決手段】量子伝送路１の送受信側に設置された量子送信装置１００、量子受信装置２００と、同期信号を含む制御信号を相互通信する制御信号通信路３とを備え、量子送信装置は、偏光ビームスプリッタ２０、位相変調器２２を含む光路ループに関連した非相反素子２１、位相変調器２２を制御する送信側制御手段２３、送信側データ処理手段２４を含み、量子受信装置２００は、偏光ビームスプリッタ９の第１ポートに設置された量子出力手段、偏光ビームスプリッタ９の第２ポートに設置された位相変調器１０を含む量子観測手段、位相変調器１０を制御する受信側制御手段１７、受信側データ処理手段１８を含む。
【選択図】 図１
【解決手段】量子伝送路１の送受信側に設置された量子送信装置１００、量子受信装置２００と、同期信号を含む制御信号を相互通信する制御信号通信路３とを備え、量子送信装置は、偏光ビームスプリッタ２０、位相変調器２２を含む光路ループに関連した非相反素子２１、位相変調器２２を制御する送信側制御手段２３、送信側データ処理手段２４を含み、量子受信装置２００は、偏光ビームスプリッタ９の第１ポートに設置された量子出力手段、偏光ビームスプリッタ９の第２ポートに設置された位相変調器１０を含む量子観測手段、位相変調器１０を制御する受信側制御手段１７、受信側データ処理手段１８を含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子暗号のキーとなる量子信号を通信するための量子暗号通信装置および方法に関し、特に構成の簡略化およびコストダウンを実現した量子暗号通信装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の量子暗号通信装置の一例としては、たとえば非対称マッハツェンダ方式のものが知られており、１対の量子送受信装置（すなわち、量子送信装置および量子受信装置）と、これらの量子送受信装置を接続する通信路（光ファイバ通信路、公開通信路および制御信号通信路）とにより構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、公開通信路としては、専用線やインターネットなどが用いられ、制御信号通信路としては、光ファイバ通信路や公開通信路などが用いられる。
【０００３】
また、量子送信装置は、光子発生器、非対称マッハツェンダ干渉計、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光子発生器は、送信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。ここで、光子パルスは、１パルス当たりの光子数が「１」を越えないように調整されている。
発生した光子パルスは、各１対のビームスプリッタおよびミラーと、位相変調器とにより構成される非対称マッハツェンダ干渉計に入光され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
【０００４】
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、一方のビームスプリッタから直に他方のビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、一方のビームスプリッタから、各ミラーを介して位相変調器を通過する光子パルスである。
第２の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、送信側制御手段により位相変調がかけられる。
【０００５】
また、量子受信装置は、偏波コントローラ、非対称マッハツェンダ干渉計、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、非対称マッハツェンダ干渉計は、各１対のビームスプリッタおよびミラーと位相変調器とにより構成されている。
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に到達した２連光子パルスは、偏波コントローラで偏波調整された後、非対称マッハツェンダ干渉計に入光される。量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第１の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第１の後続光子パルスと）に分割する。
【０００６】
また、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第２の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
このとき、量子送信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差と、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差とは、それぞれ同一となるように調整されている。
【０００７】
したがって、量子受信装置において、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時に他方のビームスプリッタに到達し、干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【０００８】
また、量子受信装置内において、第１の後続光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信用データ処理手段が出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられる。
受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
【０００９】
上記の通り、特許文献１に記載された送信側および受信側の各データ処理手段は、１パルス当たりの量子通信をあらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有するようになっている。
【００１０】
また、第２の従来装置として、たとえば、ファラディーミラー方式の量子暗号通信装置が知られている（たとえば、非特許文献１、または特許文献２参照）。
この場合、量子受信装置は、光子発生器、サーキュレータ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、位相変調器、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、光子発生器は、受信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。
【００１１】
量子受信装置において発生した光子パルスは、サーキュレータを通過してビームスプリッタで２連の光子パルスに分割され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタから直に偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、位相変調器を経由して偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスである。
第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタでのファイバ接続において、適切な偏光面のアラインメントを受けるので、偏光ビームスプリッタから光ファイバ通信路に出力される２連光子パルスは、互いに偏波面が直交している。
【００１２】
また、量子送信装置は、ビームスプリッタ、アッテネータ、位相変調器、ファラディーミラー、光検出器、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光ファイバ通信路を通過して量子送信装置に到達した２連光子パルスは、ビームスプリッタでそれぞれ分割され、一方の光子パルスは光検出器に導かれる。
光検出器は、導入された光子パルスを電気信号に変換して送信側制御手段に伝送し、これにより、送信側制御手段は受信側制御手段と同期する。
【００１３】
量子送信装置内のビームスプリッタで分割された他方の光子パルスは、アッテネータおよび位相変調器を通過し、ファラディーミラーで偏光面を直角に回転して反射される。
反射された２連光子パルスは、位相変調器、アッテネータ、ビームスプリッタの順に通過して、再度光ファイバ通信路に導かれる。
【００１４】
このとき、送信側制御手段は、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、第２の光子パルスのみに対して、位相変調器を用いて位相変調をかける。また、アッテネータは、第２の光子パルスの光子数が「１」を越えないように調整されている。
【００１５】
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に帰還した２連光子パルスのうち、第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを反射して、位相変調器を通る光路に導かれ、第２の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを通過して、直にビームスプリッタに向かう光路に導かれる。
第１の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信側データ処理手段の出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられ、位相変調を受けた後、ビームスプリッタに向かう。
【００１６】
このように、第２の従来装置においては、２連光子パルスのそれぞれの全光路長がビームスプリッタにおいて等しくなるので、２連光子パルスが同時にビームスプリッタに到達して干渉を起こす。
この結果、光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【００１７】
以下、受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
送信側および受信側の各データ処理手段は、上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００１８】
なお、技術分野が異なるものの、送信装置内の光学系としてファラディー回転子を用い、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子を通して、光子パルスを反射して受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
また、受信装置から導入された光子パルスに対して、ファラディーミラーを用いて反射を施し、再び受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献４参照）。
【００１９】
【特許文献１】
特表２０００−５１１０１６号公報
【非特許文献１】
Ｒ．Ｒｉｂｏｒｄｙ，ｅｔ．ａｌ．“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘ｐｌｕｇ ＆ ｐｌａｙ’ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２２，ｐｐ．２１１６−２１１７，１９９８）
【特許文献２】
特表２０００−５１７４９９号公報
【特許文献３】
特開平５−２４１１０４号公報
【特許文献４】
特開２００２−１５６６１５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の量子暗号通信装置は以上のように、たとえば特許文献１のように非対称マッハツェンダ方式を用いた場合には、量子受信装置側で受信した光子パルスの偏波面を調整しなければならないという問題点があった。
この問題点は、光ファイバ通信路（最も普及しているシングルモードの光ファイバに代表される）の複屈折性によって、量子送信装置からの出力時には整った偏波面を有する光子パルスが、量子受信装置による受信時には完全にランダムな偏波面となってしまうことに起因し、且つ、量子受信装置側の非対称マッハツェンダ干渉計が一般に偏波面依存性を有することから、干渉明瞭度の低下を招き、量子信号伝送のＳＮ比が大きく低下してしまうことに起因している。
特に、非対称マッハツェンダ干渉計の重要な構成要素である位相変調器は、一般的に、電気光学結晶から構成されているので、複屈折性を有しており、偏波依存性を除去することは不可能である。
【００２１】
また、たとえば非特許文献１または特許文献２のように、ファラディーミラー方式の従来の量子暗号通信装置は、光子パルスの繰返し周波数によって正しい量子通信の伝送が不可能になるため、光子パルスの繰返し周波数を自由に選択することができないという問題点があった。
この問題点は、同一の光路を光子パルスが往復することから、光子パルスの繰返し周波数の選択状態によって、往路の光子パルスと復路の光子パルスとが位相変調器の部位で重なるおそれがあり、復路の光子パルスのみに対して位相変調をかけるべきであるにもかかわらず、往路の光子パルスにも不本意な位相変調がかけられてしまうことに起因している。
【００２２】
また、従来の量子暗号通信装置は、制御信号通信路の設置時に、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いない場合には、制御信号による量子送受信装置の同期・調歩動作を可能にするために、リアルタイム性のある公開通信路を用いるか、または専用通信路を敷設するなど、他の資源を別途用意しなければならないという問題点があった。
さらに、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いる場合は、量子通信と制御信号通信とを分離するために、同一波長帯を用いて時間領域で多重化すること、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）を用いて波長領域で多重化すること、などの資源を費消せざるを得ず、コストアップを招くという問題点があった。
【００２３】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置および方法を得ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る量子暗号通信装置は、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すものである。
【００２５】
また、この発明に係る量子暗号通信方法は、量子通信路を介して、量子送信装置と量子受信装置との間で量子暗号を含む光子パルス通信し、公開通信路を介して、量子送信装置内の送信側データ処理手段と量子受信装置内の受信側データ処理手段との間で秘密鍵を共有するとともに、制御信号通信路を介して、量子送信装置内の送信側制御手段と量子受信装置内の受信側制御手段との間で同期信号を含む制御信号を相互通信することにより、量子送信装置および量子受信装置を同期動作させる量子暗号通信方法であって、量子送信装置内の送信側データ処理手段から出力された第１の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に伝送される光子パルスを位相変調し、量子受信装置内の受信側データ処理手段から出力された第２の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に入力された光子パルスを位相変調し、量子受信装置に入力された光子パルスを１対の光子検出器で検出し、１対の光子検出器のいずれが発火したかを伝送ビット情報に変換して、受信側制御手段から受信側データ処理手段に伝送し、伝送ビット情報が受信側データ処理手段に取り込まれた後、送信側データ処理手段および受信側データ処理手段により秘密鍵を共有するために、量子受信装置から光子パルスを発生する光子発生ステップと、光子発生ステップにより発生した光子パルスを第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、可干渉且つ時間的に分離された２連の光子パルスにして出力する分離出力ステップと、分離出力ステップにより分離出力された２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子送信装置に伝送する量子通信用の往路伝送ステップと、量子送信装置に到達した２連の光子パルスをアッテネートする第１減衰ステップと、第１減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを第１の偏光ビームスプリッタで偏光分離し、第１の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第１偏波回転ステップと、第１偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第１位相変調ステップと、第１の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第２位相変調ステップと、第２位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第２偏波回転ステップと、第１位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルス、または、第２偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスを、第１の偏光ビームスプリッタで再度合流し、合流後の２連の光子パルスのうちの後続する光子パルスの光子数が「１」を越えない光子レベル強度までアッテネートする第２減衰ステップと、第２減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子受信装置に伝送する量子通信用の復路伝送ステップと、量子受信装置に到達した２連の光子パルスを、量子受信装置内の第２の偏光ビームスプリッタに導入して、第２の非対称マッハツェンダ干渉計を含む量子観測手段に完全に導き、量子観測手段に導入された２連の光子パルスのうちの先行する光子パルスのみに対して位相変調を施す受信側の位相変調ステップと、受信側の位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスを第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、分離、合流および干渉を起こさせる分離・合流・干渉ステップと、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力側に設置された１対の光子検出器により、干渉後の光子パルスを検出する検出ステップとを備えたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図であり、光ファイバに基づく位相変調方式を用いた装置の全体構成を示している。
図１において、量子暗号通信装置は、送信側の量子送信装置１００と、受信側の量子受信装置２００と、量子送信装置１００および量子受信装置２００を相互接続するための量子伝送路となる光ファイバ通信路１と、公開通信路２および制御信号通信路３とにより構成されている。
【００２７】
量子送信装置１００および量子受信装置２００は、量子として振舞う光子を伝送する光ファイバ通信路１と、ＬＡＮやインターネットなどで代表される公開通信路２と、制御信号通信路３とを介して、相互に接続される。
制御信号通信路３としては、具体的には、光ファイバ通信路１または公開通信路２が用いられてもよい。
光ファイバ通信路１は、量子暗号を含む量子信号を伝送し、制御信号通信路３は、量子送信装置１００および量子受信装置２００を同期・調歩動作させるための制御信号を伝送する。
【００２８】
量子送信装置１００は、前述の特許文献３に記載された光学系と類似の構成を有しており、光ファイバ通信路１に一端が接続されたアッテネータ１９と、アッテネータ１９の他端の光路に接続された偏光ビームスプリッタ２０と、偏光ビームスプリッタ２０の２つの光路に個別に接続されたファラディー回転子２１および位相変調器２２と、位相変調器２２を制御する送信側制御手段２３と、送信側制御手段２３に接続されて第１の乱数を出力する送信側データ処理手段２４とを備えている。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２は、量子通信用の光子パルスに対する両回転方向の光路ループを構成している。
量子送信装置１００は、量子受信装置２００から導入された光子パルスを、光ファイバ通信路１およびアッテネータ１９を介してファラディー回転子２１に導入し、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子（非相反素子）２１を通した後、再びアッテネータ１９および光ファイバ通信路１を介して、量子受信装置２００に向けて反射するようになっている。
【００３０】
量子受信装置２００は、光子発生器４と、光子発生器４の出力光路に配設されたビームスプリッタ５、６およびミラー７、８からなる第１の非対称マッハツェンダ干渉計と、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の他端光路に配設された偏光ビームスプリッタ９と、偏光ビームスプリッタ９の反射光路に配設された位相変調器１０と、位相変調器１０の出力光路に配設されたビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４からなる第２の非対称マッハツェンダ干渉計と、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力光路に配設された１対の光子検出器１５、１６と、光子検出器１５、１６の検出信号を取り込み光子発生器４および位相変調器１０を制御する受信側制御手段１７と、受信側制御手段１７に接続されて第２の乱数を出力する受信側データ処理手段１８とを備えている。
【００３１】
量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９は、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００内のアッテネータ１９に接続され、受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介して送信側制御手段２３に接続され、受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を介して送信側データ処理手段２４に接続されている。
【００３２】
量子受信装置２００内において、偏光ビームスプリッタ９は、２つの直交する偏波モードを分離し、偏光ビームスプリッタ９の通過側のポート（第１の偏光分離ポート）には、光子発生器４が接続され、偏光ビームスプリッタ９の反射側のポート（第２の偏光分離ポート）には、１対の光子検出器１５、１６が接続されている。
【００３３】
次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置の動作について説明する。
受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介した制御信号の相互通信により、量子送信装置１００内の送信側制御手段２３と同期・調歩動作する。
量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７が出力する同期信号に応じて、偏波面の揃った光子パルスを発生する。
【００３４】
光子発生器４から発生した光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、偏波面の揃った可干渉な時間差を有する２連光子パルスに分離され、偏光ビームスプリッタ９を通過して光ファイバ通信路１に導かれる。
ここで、２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタ５から直にビームスプリッタ６に進行した光子パルスであり、他方の後続する第２の光子パルスは、ビームスプリッタ５で反射されてミラー７、８を通過する光子パルスである。
【００３５】
なお、図１においては、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の構成例として、ビームスプリッタ５、６と、ミラー７、８を用いたが、光平面導波路（ＰＬＣ）を用いた構成例、または光ファイバを用いた構成例も存在し、特定の１つの構成例に特化されるものではない。
【００３６】
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１に導かれた２連光子パルスは、量子送信装置１００に導入され、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により偏波面を非相反的に直角に回転させられ、位相変調器２２により第２の光子パルスが位相変調を受けた後、再び量子受信装置２００に帰還してくる。
【００３７】
量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ９で完全に反射されて、光子検出器１５、１６が配置された（第２の偏光分離ポート）に導かれる。
なぜなら、光ファイバ通信路１の一方の端点で入射された光は、他方の端点で非相反的に直角に偏波面の回転を受けて反射して帰還する場合に、途中の光路でいかなる複屈折性が存在したとしても、入射時点から直角に偏波面が回転した状態で帰還するからである。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ９で反射された２連光子パルスは、位相変調器１０に入光する。このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに対して位相変調をかける。
【００３９】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光する。このとき、第２の非対称マッハツェンダ干渉計は、先行する第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスと）に分割し、同様に、後続する第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
【００４０】
ここで、各非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの各時間差は、それぞれ同一となるように調整されている。
したがって、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達して干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、排他的に１対の光子検出器１５、１６のいずれか一方に導かれ、一方の光子検出器を発火する。
【００４１】
受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段１８に伝送する。
受信側データ処理手段１８は、第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、量子送信装置１００と情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４２】
次に、量子送信装置１００に注目しながら、具体的な動作について説明する。
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１を通過して量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、量子送信装置１００に到達した時点では、光ファイバ通信路１の有する複屈折性により偏波面が完全にランダムな状態になっている。
この状態で量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、それぞれ直交する２つの偏波モードに分離される。
【００４３】
こうして、４つに分離された光子パルスのうち、時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０を通過し、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、位相変調器２２を通過した後に、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
また、４つに分離された光子パルスのうち、反時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で反射され、位相変調器２２を通過後に、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
【００４４】
このとき、位相変調器２２は、送信側制御手段２３の制御下で、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、２連光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスのみに対して、時計回りまたは反時計回りの進行方向に依存することなく、位相変調器２２を通過する際に位相変調をかけている。
偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、分離合流するまでの光路長が、時計回りまたは反時計回りに依存せずに等しいので、再び２連光子パルスとなり、アッテネータ１９に導入される。
ここで、アッテネータ１９での光子レベル強度の減衰の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００４５】
こうして、再び光ファイバ通信路１に導入されて量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、前述した通り、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれる。
以下、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、量子伝送路（光ファイバ通信路１）を介して秘匿性を保って伝送された情報と、公開通信路２を介して伝送された情報とを用いて秘匿性情報を共有する。すなわち、第１および第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子通信動作について、さらに具体的に説明する。
図２において、量子暗号通信装置の光子パルス（量子暗号）に関連した量子通信部の処理ステップは、光子パルスの発生ステップＳ１と、分離出力ステップＳ２と、量子受信装置２００から量子送信装置１００への量子通信用の往路伝送ステップＳ３と、送信側での第１減衰ステップＳ４と、第１偏波回転ステップＳ５と、第１位相変調ステップＳ６と、第２位相変調ステップＳ５ａと、第２偏波回転ステップＳ６ａと、第２減衰ステップＳ７と、量子送信装置１００から量子受信装置２００への量子通信用の復路伝送ステップＳ８と、受信側の位相変調ステップＳ９と、分離・合流・干渉ステップＳ１０と、検出ステップＳ１１とを含む。
【００４７】
まず、量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７の制御下で光子パルスを発生する（光子発生ステップＳ１）。
このとき、光子パルスは、たとえばレーザパルスのように、パルス当たりの光子数がポアソン分布にしたがうように発生されてもよく、単一光子源を用いて、パルス当たり単一光子として発生されてもよい。
【００４８】
光子発生器４から発生した光子パルスは、ビームスプリッタ５、６およびミラー７、８により構成される第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計内において、光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流して出力されることにより、光路差に応じた時間差を有する２連光子パルスとなる（分離出力ステップＳ２）。
【００４９】
第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力された２連光子パルスは、先行する第１の光子パルスと後続する第２の光子パルスとにより構成され、偏光ビームスプリッタ９を通して、光ファイバ通信路１に導かれる。
光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、そのまま、量子送信装置１００に伝送される（往路伝送ステップＳ３）。
【００５０】
このとき、光ファイバ通信路１が有する複屈折性により、２連光子パルスの偏波面は、完全にランダムな状態になってしまう。
量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９を通過することによって、パルス当たりの光子数が減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０に導かれる（第１減衰ステップＳ４）。
【００５１】
また、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、各偏光面がランダムなので、偏光ビームスプリッタ２０において、時計回りで周回する光子パルスと反時計回りで周回する光子パルスとに分離された後、再び偏光ビームスプリッタ２０で合流して２連光子パルスに戻る。
【００５２】
すなわち、２連光子パルスのうちの反時計回りの光子パルスは、光路ループ内において、ファラディー回転子２１および位相変調器２２の順に通過し、ファラディー回転子２１を通るときに、偏波面が非相反的に直角に回転させられる（第１偏波回転ステップＳ５）。
また、反時計回りの光子パルスは、ファラディー回転子２１を通過した後、位相変調器２２に導入され、位相変調器２２を通過する際に、後続する第２の光子パルスに当たる光子パルスのみが位相変調を受ける（第１位相変調ステップＳ６）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段２３により制御され、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、制御信号通信路３を介して同期タイミングを調整しつつ位相変調をかけることによって決定される。
【００５３】
一方、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスのうち、時計回りの光子パルスの場合は、光路ループ内において、位相変調器２２およびファラディー回転子２１の順に通過するので、先に第２位相変調ステップＳ５ａを経た後に、第２偏波回転ステップＳ６ａが実行される。
【００５４】
なお、ファラディー回転子（非相反素子）２１による非相反的な偏波面の回転とは、回転の向きが光子パルスの進行方向に依存しないことを意味する。
また、光路ループ内の位相変調器２２において、反時計回りの光子パルスおよび時計回りの光子パルスのいずれに対しても、後続する第２の光子パルスのみに対して選択的に位相変調をかけるためには、偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２を含む光路ループの光路長を、入射される２連光子パルスの時間差に相当する距離に比べて十分に短く設定すればよく、容易に実現することができる。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ２０を介して、再び２連光子パルスに戻った光子パルスは、アッテネータ１９を再度通過する。このとき、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない程度まで、パルス当たりの光子レベル強度が減衰された後、光ファイバ通信路１に再び導入される（第２減衰ステップＳ７）。
【００５６】
光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスは、量子受信装置２００に向かって帰還することになるが、このとき、２連光子パルスの偏波状態は、光ファイバ通信路１の有する複屈折性によって、再びランダムな変動を受ける。
しかし、光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスの偏波面は、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により、非相反的に直角に回転を受けているので、光ファイバ通信路１の往路上で受けた偏波変動と、復路上で受けた偏波変動とが丁度打ち消し合うように作用する。
したがって、再導入された２連光子パルスが量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９に到達する時点では、２連光子パルスの偏波面は、偏光ビームスプリッタ９から量子送信装置１００に向かった往路時と比べて、正確に直角に回転している（復路伝送ステップＳ８）。
【００５７】
このように、量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏波面が直角に回転しているので、偏光ビームスプリッタ９において完全に反射され、位相変調器１０の設置された方向の出力ポート（第２の偏光分離ポート）に導かれ、位相変調器１０を通過する際に、先行する第１の光子パルスのみが位相変調を受ける（受信側の位相変調ステップＳ９）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段１７により制御され、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、位相変調がかけられることによって決定される。
【００５８】
２連光子パルスは、位相変調器１０を通過後、ビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４により構成される第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスは、前述と同様に、それぞれ光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流するので、４つの光子パルスに分かれることになる。
【００５９】
すなわち、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第１の（先行する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスとに分離される。
同様に、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第２の（後続する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスとに分離される。
【００６０】
上記４つの光子パルスは、ビームスプリッタ１２で再び合流するが、光路長差により時間差が生じている。
ただし、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスについては、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の光路長差を適切に調整することにより、ビームスプリッタ１２に同時に到達するので、干渉を引き起こすことができる（分離・合流・干渉ステップＳ１０）。
【００６１】
ビームスプリッタ１２における干渉の結果、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスの合流光子パルスは、光子検出器１５または１６の一方に排他的に導かれることになる。
合流光子パルスが光子検出器１５、１６のどちらに導かれるかは、第１位相変調ステップＳ６において第２の光子パルスが受けた位相変調と、受信側の位相変調ステップＳ９において第１の光子パルスが受けた位相変調との位相差により、確率的に決定される。ただし、上記各位相変調の位相差が「０」または「π」の場合には、合流光子パルスの導かれる光子検出器が確定する。
【００６２】
こうして、光子検出器１５、１６には、第１の先行光子パルスと、合流光子パルス（第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルス）と、第２の後続光子パルスとがそれぞれ導かれる。
ここで、タイミングを調整することにより、合流光子パルスが導かれたときのみに、光子検出器１５、１６の一方を発火させることができる。
または、光子検出器１５、１６のいずれが発火してもよいが、受信側制御手段１７により、合流光子パルスが導かれたタイミングの発火のみを有効とすることができる。
いずれにせよ、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のどちらかが発火したかにより、「０」または「１」の量子通信ビット情報を定め、この量子通信ビット情報を受信側データ処理手段１８に送る（検出ステップＳ１１）。
【００６３】
以上が量子通信部の光子パルス当たりの動作フローである。
上記量子通信動作は、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行され、その後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を用いて相互に情報交換をしつつ、第１および第２の乱数と量子通信ビット情報とから、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００６４】
このように、量子受信装置２００内において、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力されて第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入される光子パルスは、光ファイバ通信路１の有する任意の複屈折性に起因してランダムな偏波変動が生じても、光ファイバ通信路１の送信側端（量子送信装置１００内のファラディー回転子２１）で非相反的に直角に偏波面が回転されて往復することにより、ランダムな偏波変動が打ち消されることになる。
【００６５】
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれた光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９によって完全に分離されているので、位相変調器１０における光子パルスの流れは一方向に限定されており、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられるおそれは全くなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００６６】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１参照）では、量子送信装置１００において、量子受信装置２００から導かれる光子パルスに対し、偏光ビームスプリッタ２０を用いたループ状の光路を形成することにより、再び量子受信装置２００に帰還するようにしたが、量子送信装置内に、前述の特許文献４に記載された光学系と類似の構成を設け、量子受信装置から導入された光子パルスに対してファラディーミラーを用いて再び量子受信装置に帰還するようにしてもよい。
【００６７】
図３は量子送信装置１００Ａ内にファラディーミラー２６を設けたこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
図３において、量子送信装置１００Ａは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ａおよび送信側データ処理手段２４Ａに加えて、偏光ビームスプリッタ２０を含むループ内に挿入された位相変調器２２Ａおよび偏光ビームスプリッタ２５と、偏光ビームスプリッタ２５の他端側に配設されたファラディーミラー２６とを備えている。
【００６８】
この場合、光ファイバ通信路１の量子送信側端においては、非相反的に直角に偏波面を回転するファラディーミラー２６を通して光子パルスが反射される。
また、光ファイバ通信路１の量子受信側端（量子受信装置２００）において、光子パルスは、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により２つの直交する偏波モードに分離され、第１の偏光分離ポートを介して光子発生器４に導入され、第２の偏光分離ポートを介して光子検出器１５、１６に導入されている。
【００６９】
次に、図３に示したこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置の動作について説明する。
量子受信装置２００から、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００Ａに伝送された２連光子パルスは、量子送信装置１００Ａ内のアッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、直交する２つの偏波モードに分離される。
【００７０】
量子送信装置１００Ａにおいて、偏光ビームスプリッタ２０で分離された光子パルスは、それぞれ、位相変調器２２Ａに進行する２連光子パルスと、位相変調器２２に進行する２連光子パルスとなり、他方の偏光ビームスプリッタ２５で再び合流する。
合流した４つの光子パルスは、それぞれ、ファラディーミラー２６で非相反的に偏波面を直角に回転して反射される。
【００７１】
ファラディーミラー２６で反射された光子パルスは、再び偏光ビームスプリッタ２５に戻り、偏波モードに応じて分離される。
このとき、往路において位相変調器２２Ａを通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２を通り、往路において位相変調器２２を通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２Ａを通る。
また、送信側制御手段２３Ａは、位相変調器２２Ａ、２２を制御し、送信側データ処理手段２４Ａが出力した第１の乱数に応じて、４つの光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスに対してのみ、位相変調器２２Ａ、２２を通過する際に位相変調をかけている。
【００７２】
ファラディーミラー２６で反射された後、偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で分離合流するまでの光路長が光路の違いによらず等しいので、再び２連光子パルスとなってアッテネータ１９に向かう。なお、前述と同様に、アッテネータ１９による減衰（減光）の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００７３】
再び光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、量子受信装置２００に帰還し、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれ、位相変調器１０に導入される。
このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに位相変調をかける。
【００７４】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、先行する第１の光子パルスを第１の２連光子パルスに分割し、後続する第２の光子パルスを第２の２連光子パルスに分割する。
このとき、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの時間差は、それぞれ同一となるように調整されており、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達し、干渉を引き起こすことになる。
【００７５】
以下、前述と同様に、干渉を引き起こした光子パルスは、２つの光子検出器１５、１６のいずれか一方に排他的に導かれて光子検出器を発火し、受信側制御手段１７は、２つの光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して、受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４Ａおよび受信側データ処理手段１８は、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００７６】
このように、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力して第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至るまでの間に、光ファイバ通信路１の複屈折性に起因して生じる光子パルスのランダムな偏波変動は、光ファイバ通信路１の一端（量子送信装置１００Ａ）で非相反的に偏波面を直角に回転して往復することにより、打ち消し合うことになる。
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至った光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９よりに完全に分離されているので、位相変調器１０での光子パルスの流れは一方向であり、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられることはなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００７７】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、光ファイバ通信路１とは別に制御信号通信路３を設けたが、制御信号通信として量子通信と同一の波長帯を用いるとともに、量子通信では使用されなかった偏波モードを利用し、光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用してもよい。
図４は光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００７８】
図４において、量子送信装置１００Ｂと量子受信装置２００Ｂとを結ぶ光ファイバ通信路１Ｂ（量子伝送路および制御信号通信路）は、量子通信用の通信路のみならず、制御信号通信路としても兼用するように機能する。すなわち、制御信号通として量子通信と同一の波長帯を用い、量子通信では使われなかったもう一方の偏波モードを利用することにより、光ファイバ通信路１Ｂを制御信号通信路として用いる。
【００７９】
量子受信装置２００Ｂは、光子発生器４、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計、偏光ビームスプリッタ９、位相変調器１０、光子検出器１５、１６、受信側制御手段１７Ｂ、受信側データ処理手段１８Ｂに加えて、偏光ビームスプリッタ９を通過した光パルスを検出する光検出器２７と、制御用光パルスを出力するレーザ装置２８と、受信側制御手段１７Ｂの制御下で制御用光パルスの強度を変調する強度変調器２９と、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０および強度変調器２９との間に挿入されたサーキュレータ３０と、偏光ビームスプリッタ９と第１の非対称マッハツェンダ干渉計および光検出器２７との間に挿入されたサーキュレータ３１とを備えている。
【００８０】
量子送信装置１００Ｂは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０と、ファラディー回転子２１、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ｂおよび送信側データ処理手段２４Ｂに加えて、光ファイバ通信路１Ｂとアッテネータ１９との間に挿入されたビームスプリッタ３２および遅延ファイバ３３と、ビームスプリッタ３２の反射光路に挿入されたビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４の通過光路に配設された光検出器３５と、ビームスプリッタ３４の反射光路に挿入されたファラディーミラー３６および強度変調器３７とを備えている。
強度変調器３７は、送信側制御手段２３Ｂの制御下で、ファラディーミラー３６から反射された制御用光パルスの強度を変調する。
【００８１】
次に、図４に示したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置の動作について説明する。
この場合、量子通信に関する動作は前述と同様なので、制御信号通信に関する動作に注目して説明する。
量子受信装置２００Ｂにおいて、出力するレーザ装置２８から出力される制御信号通信用の制御用光パルスの波長は、光子発生器４から出力される量子通信用の光子パルスと同一波長に設定することができる。
【００８２】
レーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力する。
レーザ装置２８から出力された制御用光パルスは、強度変調器２９を通り、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０を介して、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０とを結ぶ光路に接続され、偏光ビームスプリッタ側９に導かれる。
【００８３】
偏光ビームスプリッタに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子送信装置１００Ｂに伝送され、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２により２つの光パルスに分岐される。
このうち、ビームスプリッタ３２を通過してアッテネータ１９に導かれる光パルスは、再び量子送信装置１００Ｂから出力されるときには十分に減衰しており、制御用光パルスとして機能しないので、無視することができる。
なお、このとき、遅延ファイバ３３は、制御用光パルスと量子通信用（被制御用）の光子パルスとの間に十分な時間差を設けている。
【００８４】
一方、ビームスプリッタ３２で反射されて、他方のビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４によりさらに２つに分岐され、ビームスプリッタ３４を通過した一方の制御用光パルスは、光検出器３５に導かれる。
光検出器３５は、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子受信装置２００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して送信側制御手段２３Ｂに伝送する。
【００８５】
ビームスプリッタ３４で反射された他方の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過してファラディーミラー３６に導かれ、ファラディーミラー３６により偏波面を非相反的に直角に回転を受けた後、反射される。
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、強度変調器３７を再び通過するが、このとき、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および３２の順に通過し、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子受信装置２００Ｂに向かう。
【００８６】
量子受信装置２００Ｂに帰還した制御用光パルスは、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過して、サーキュレータ３１が配置された第１の偏光分離ポートに導かれ、光検出器２７に入射する。このとき、量子受信装置２００Ｂに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性による偏波変動を受けたとしても、最初に量子送信装置１００Ｂに向かったときと比べて、直角に偏光面が回転しているので、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過し、サーキュレータ３１を介して光検出器２７に導かれる。
光検出器２７は、量子送信装置１００Ｂ内の光検出器３５と同様に、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子送信装置１００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送する。
【００８７】
次に、図５のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３による光ファイバ通信路１Ｂ（制御信号通信路）に関わる制御用光パルスの通信動作について、さらに具体的に説明する。
図５において、制御用光パルスに関連した制御信号通信部の処理ステップは、制御用光パルスの発生ステップＳ２１と、受信側の強度変調ステップＳ２２と、量子受信装置２００Ｂから量子送信装置１００Ｂへの制御用の往路伝送ステップＳ２３と、送信側の光受信ステップＳ２４と、偏波回転・反射ステップＳ２４ａと、送信側の強度変調ステップＳ２５と、量子送信装置１００Ｂから量子受信装置２００Ｂへの制御用の復路伝送ステップＳ２６と、受信側の光受信ステップＳ２７とを含む。
【００８８】
まず、量子受信装置２００Ｂ内のレーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力し、これを強度変調器２９に導入する（光パルス発生ステップＳ２１）。
強度変調器２９に導かれた制御用光パルスは、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて、強度変調器２９により強度変調が施される（受信側の強度変調ステップＳ２２）。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０および偏光ビームスプリッタ９の順に通過して、光ファイバ通信路１Ｂに導かれる。
光ファイバ通信路１Ｂに導かれた制御用光パルスは、量子送信装置１００Ｂに伝送される（往路伝送ステップＳ２３）。
【００８９】
量子送信装置１００Ｂに到達した制御用光パルスのうちの一部は、ビームスプリッタ３２で反射された後、ビームスプリッタ３４によりさらに分割され、ビームスプリッタ３４を通過した制御用光パルスは、光検出器３５に入射され、光検出器３５により電気信号に変換されて送信側制御手段２３Ｂに伝送される（送信側の光受信ステップ２４）。
【００９０】
なお、ここでは詳述しないが、量子送信装置１００Ｂに到達した量子通信用の光子パルスは、ビームスプリッタ３２から遅延ファイバ３３を通過した後、前述と同様に、アッテネータ１９を介して、偏光ビームスプリッタ２０を含む光路ループ内に導かれる。
このとき、遅延ファイバ３３を通過することにより十分な時間差が生じているので、ループ内の位相変調器２２は、量子通信を担う光子パルスに対して、完全に制御された位相変調をかけることができる。
【００９１】
一方、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２で反射されて、ビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスのうち、ビームスプリッタ３４で反射された他の一部の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過して、ファラディーミラー３６で偏波面を非相反的に直角に回転させられて反射される（偏波回転・反射ステップＳ２４ａ）。
【００９２】
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、再び強度変調器３７に導かれ、強度変調器３７により、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じた強度変調を受ける（送信側の強度変調ステップＳ２５）。
送信側の強度変調ステップＳ２５で強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および２８の順に通過して、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれ、量子受信装置２００Ｂに伝送される（復路伝送ステップＳ２６）。
【００９３】
このとき、復路伝送中の制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性によって偏波変動を受けるが、量子送信装置１００Ｂ内のファラディーミラー３６により、偏波面が非相反的に直角に回転させられているので、光ファイバ通信路１Ｂの往路と復路とで、偏波変動が丁度打ち消し合うことになる。
したがって、光ファイバ通信路１Ｂを往復して偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、往路伝送ステップＳ２３での初めの偏波状態から、丁度、偏波面が直角に回転した状態となる。
【００９４】
このように、偏波面が直角に回転した状態で、量子受信装置２００Ｂ内の偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、完全に通過してサーキュレータ３１の配設された第１の偏光分離ポートに導かれる。
サーキュレータ３１は、量子送信装置１００Ｂから帰還してきた制御用光パルスを光検出器２７に導き、光検出器２７は、制御用光パルスに付加された量子送信装置１００Ｂの制御信号を、電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送される（受信側の光受信ステップＳ２７）。
【００９５】
このように、量子送信装置１００Ｂおよび量子受信装置２００Ｂは、光ファイバ通信路１Ｂを用いて制御信号を相互に通信することができる。
したがって、制御信号通信路として別に専用線を設ける必要がなく、また、インターネットに代表される公開通信路を用いることもないので、リアルタイム性のある制御信号の相互通信を実現することができる。
また、制御信号通信として、量子通信に用いる波長と同一波長を用いているので、ＷＤＭ通信などに用いる波長領域の通信資源を費消することもない。
さらに、偏波モードによって量子通信と制御信号通信とを分離することができるので、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などに用いる時間領域の通信資源も費消しないで済む。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１Ｂ 光ファイバ通信路（量子伝送路）、２ 公開通信路、３ 制御信号通信路、４ 光子発生器、５〜８ 第１の非対称マッハツェンダ干渉計、９、２０、２５ 偏光ビームスプリッタ、１０、２２、２２Ａ 位相変調器、１１〜１４ 第２の非対称マッハツェンダ干渉計、１５、１６ 光子検出器、１７、１７Ｂ 受信側制御手段、１８、１８Ｂ 受信側データ処理手段、１９ アッテネータ、２１ ファラディー回転子、２３、２３Ａ、２３Ｂ 送信側制御手段、２４、２４Ａ、２４Ｂ 送信側データ処理手段、２６、３６ ファラディーミラー、２７、３５ 光検出器、２８ レーザ装置、２９、３７ 強度変調器、３０、３１ サーキュレータ、３２、３４ ビームスプリッタ、３３ 遅延ファイバ、１００、１００Ａ、１００Ｂ 量子送信装置、２００、２００Ｂ 量子受信装置、Ｓ１ 光子発生ステップ、Ｓ２ 分離出力ステップ、Ｓ３ 量子通信用の往路伝送ステップ、Ｓ４ 第１減衰ステップ、Ｓ５ 第１偏波回転ステップ、Ｓ６ 第１位相変調ステップ、Ｓ５ａ 第２位相変調ステップ、Ｓ６ａ 第２偏波回転ステップ、Ｓ７ 第２減衰ステップ、Ｓ８ 量子通信用の復路伝送ステップ、Ｓ９受信側の位相変調ステップ、Ｓ１０ 分離・合流・干渉ステップ、Ｓ１１ 検出ステップ、Ｓ２１ 光パルス発生ステップ、Ｓ２２ 受信側の強度変調ステップ、Ｓ２３ 制御用の往路伝送ステップ、Ｓ２４ 送信側の光受信ステップ、Ｓ２４ａ 偏波回転・反射ステップ、Ｓ２５ 送信側の強度変調ステップ、Ｓ２６制御用の復路伝送ステップ、Ｓ２７ 受信側の光受信ステップ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子暗号のキーとなる量子信号を通信するための量子暗号通信装置および方法に関し、特に構成の簡略化およびコストダウンを実現した量子暗号通信装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の量子暗号通信装置の一例としては、たとえば非対称マッハツェンダ方式のものが知られており、１対の量子送受信装置（すなわち、量子送信装置および量子受信装置）と、これらの量子送受信装置を接続する通信路（光ファイバ通信路、公開通信路および制御信号通信路）とにより構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、公開通信路としては、専用線やインターネットなどが用いられ、制御信号通信路としては、光ファイバ通信路や公開通信路などが用いられる。
【０００３】
また、量子送信装置は、光子発生器、非対称マッハツェンダ干渉計、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光子発生器は、送信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。ここで、光子パルスは、１パルス当たりの光子数が「１」を越えないように調整されている。
発生した光子パルスは、各１対のビームスプリッタおよびミラーと、位相変調器とにより構成される非対称マッハツェンダ干渉計に入光され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
【０００４】
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、一方のビームスプリッタから直に他方のビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、一方のビームスプリッタから、各ミラーを介して位相変調器を通過する光子パルスである。
第２の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、送信側制御手段により位相変調がかけられる。
【０００５】
また、量子受信装置は、偏波コントローラ、非対称マッハツェンダ干渉計、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、非対称マッハツェンダ干渉計は、各１対のビームスプリッタおよびミラーと位相変調器とにより構成されている。
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に到達した２連光子パルスは、偏波コントローラで偏波調整された後、非対称マッハツェンダ干渉計に入光される。量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第１の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第１の後続光子パルスと）に分割する。
【０００６】
また、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第２の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
このとき、量子送信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差と、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差とは、それぞれ同一となるように調整されている。
【０００７】
したがって、量子受信装置において、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時に他方のビームスプリッタに到達し、干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【０００８】
また、量子受信装置内において、第１の後続光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信用データ処理手段が出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられる。
受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
【０００９】
上記の通り、特許文献１に記載された送信側および受信側の各データ処理手段は、１パルス当たりの量子通信をあらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有するようになっている。
【００１０】
また、第２の従来装置として、たとえば、ファラディーミラー方式の量子暗号通信装置が知られている（たとえば、非特許文献１、または特許文献２参照）。
この場合、量子受信装置は、光子発生器、サーキュレータ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、位相変調器、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、光子発生器は、受信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。
【００１１】
量子受信装置において発生した光子パルスは、サーキュレータを通過してビームスプリッタで２連の光子パルスに分割され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタから直に偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、位相変調器を経由して偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスである。
第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタでのファイバ接続において、適切な偏光面のアラインメントを受けるので、偏光ビームスプリッタから光ファイバ通信路に出力される２連光子パルスは、互いに偏波面が直交している。
【００１２】
また、量子送信装置は、ビームスプリッタ、アッテネータ、位相変調器、ファラディーミラー、光検出器、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光ファイバ通信路を通過して量子送信装置に到達した２連光子パルスは、ビームスプリッタでそれぞれ分割され、一方の光子パルスは光検出器に導かれる。
光検出器は、導入された光子パルスを電気信号に変換して送信側制御手段に伝送し、これにより、送信側制御手段は受信側制御手段と同期する。
【００１３】
量子送信装置内のビームスプリッタで分割された他方の光子パルスは、アッテネータおよび位相変調器を通過し、ファラディーミラーで偏光面を直角に回転して反射される。
反射された２連光子パルスは、位相変調器、アッテネータ、ビームスプリッタの順に通過して、再度光ファイバ通信路に導かれる。
【００１４】
このとき、送信側制御手段は、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、第２の光子パルスのみに対して、位相変調器を用いて位相変調をかける。また、アッテネータは、第２の光子パルスの光子数が「１」を越えないように調整されている。
【００１５】
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に帰還した２連光子パルスのうち、第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを反射して、位相変調器を通る光路に導かれ、第２の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを通過して、直にビームスプリッタに向かう光路に導かれる。
第１の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信側データ処理手段の出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられ、位相変調を受けた後、ビームスプリッタに向かう。
【００１６】
このように、第２の従来装置においては、２連光子パルスのそれぞれの全光路長がビームスプリッタにおいて等しくなるので、２連光子パルスが同時にビームスプリッタに到達して干渉を起こす。
この結果、光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【００１７】
以下、受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
送信側および受信側の各データ処理手段は、上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００１８】
なお、技術分野が異なるものの、送信装置内の光学系としてファラディー回転子を用い、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子を通して、光子パルスを反射して受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
また、受信装置から導入された光子パルスに対して、ファラディーミラーを用いて反射を施し、再び受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献４参照）。
【００１９】
【特許文献１】
特表２０００−５１１０１６号公報
【非特許文献１】
Ｒ．Ｒｉｂｏｒｄｙ，ｅｔ．ａｌ．“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘ｐｌｕｇ ＆ ｐｌａｙ’ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２２，ｐｐ．２１１６−２１１７，１９９８）
【特許文献２】
特表２０００−５１７４９９号公報
【特許文献３】
特開平５−２４１１０４号公報
【特許文献４】
特開２００２−１５６６１５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の量子暗号通信装置は以上のように、たとえば特許文献１のように非対称マッハツェンダ方式を用いた場合には、量子受信装置側で受信した光子パルスの偏波面を調整しなければならないという問題点があった。
この問題点は、光ファイバ通信路（最も普及しているシングルモードの光ファイバに代表される）の複屈折性によって、量子送信装置からの出力時には整った偏波面を有する光子パルスが、量子受信装置による受信時には完全にランダムな偏波面となってしまうことに起因し、且つ、量子受信装置側の非対称マッハツェンダ干渉計が一般に偏波面依存性を有することから、干渉明瞭度の低下を招き、量子信号伝送のＳＮ比が大きく低下してしまうことに起因している。
特に、非対称マッハツェンダ干渉計の重要な構成要素である位相変調器は、一般的に、電気光学結晶から構成されているので、複屈折性を有しており、偏波依存性を除去することは不可能である。
【００２１】
また、たとえば非特許文献１または特許文献２のように、ファラディーミラー方式の従来の量子暗号通信装置は、光子パルスの繰返し周波数によって正しい量子通信の伝送が不可能になるため、光子パルスの繰返し周波数を自由に選択することができないという問題点があった。
この問題点は、同一の光路を光子パルスが往復することから、光子パルスの繰返し周波数の選択状態によって、往路の光子パルスと復路の光子パルスとが位相変調器の部位で重なるおそれがあり、復路の光子パルスのみに対して位相変調をかけるべきであるにもかかわらず、往路の光子パルスにも不本意な位相変調がかけられてしまうことに起因している。
【００２２】
また、従来の量子暗号通信装置は、制御信号通信路の設置時に、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いない場合には、制御信号による量子送受信装置の同期・調歩動作を可能にするために、リアルタイム性のある公開通信路を用いるか、または専用通信路を敷設するなど、他の資源を別途用意しなければならないという問題点があった。
さらに、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いる場合は、量子通信と制御信号通信とを分離するために、同一波長帯を用いて時間領域で多重化すること、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）を用いて波長領域で多重化すること、などの資源を費消せざるを得ず、コストアップを招くという問題点があった。
【００２３】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置および方法を得ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る量子暗号通信装置は、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すものである。
【００２５】
また、この発明に係る量子暗号通信方法は、量子通信路を介して、量子送信装置と量子受信装置との間で量子暗号を含む光子パルス通信し、公開通信路を介して、量子送信装置内の送信側データ処理手段と量子受信装置内の受信側データ処理手段との間で秘密鍵を共有するとともに、制御信号通信路を介して、量子送信装置内の送信側制御手段と量子受信装置内の受信側制御手段との間で同期信号を含む制御信号を相互通信することにより、量子送信装置および量子受信装置を同期動作させる量子暗号通信方法であって、量子送信装置内の送信側データ処理手段から出力された第１の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に伝送される光子パルスを位相変調し、量子受信装置内の受信側データ処理手段から出力された第２の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に入力された光子パルスを位相変調し、量子受信装置に入力された光子パルスを１対の光子検出器で検出し、１対の光子検出器のいずれが発火したかを伝送ビット情報に変換して、受信側制御手段から受信側データ処理手段に伝送し、伝送ビット情報が受信側データ処理手段に取り込まれた後、送信側データ処理手段および受信側データ処理手段により秘密鍵を共有するために、量子受信装置から光子パルスを発生する光子発生ステップと、光子発生ステップにより発生した光子パルスを第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、可干渉且つ時間的に分離された２連の光子パルスにして出力する分離出力ステップと、分離出力ステップにより分離出力された２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子送信装置に伝送する量子通信用の往路伝送ステップと、量子送信装置に到達した２連の光子パルスをアッテネートする第１減衰ステップと、第１減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを第１の偏光ビームスプリッタで偏光分離し、第１の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第１偏波回転ステップと、第１偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第１位相変調ステップと、第１の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第２位相変調ステップと、第２位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第２偏波回転ステップと、第１位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルス、または、第２偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスを、第１の偏光ビームスプリッタで再度合流し、合流後の２連の光子パルスのうちの後続する光子パルスの光子数が「１」を越えない光子レベル強度までアッテネートする第２減衰ステップと、第２減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子受信装置に伝送する量子通信用の復路伝送ステップと、量子受信装置に到達した２連の光子パルスを、量子受信装置内の第２の偏光ビームスプリッタに導入して、第２の非対称マッハツェンダ干渉計を含む量子観測手段に完全に導き、量子観測手段に導入された２連の光子パルスのうちの先行する光子パルスのみに対して位相変調を施す受信側の位相変調ステップと、受信側の位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスを第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、分離、合流および干渉を起こさせる分離・合流・干渉ステップと、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力側に設置された１対の光子検出器により、干渉後の光子パルスを検出する検出ステップとを備えたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図であり、光ファイバに基づく位相変調方式を用いた装置の全体構成を示している。
図１において、量子暗号通信装置は、送信側の量子送信装置１００と、受信側の量子受信装置２００と、量子送信装置１００および量子受信装置２００を相互接続するための量子伝送路となる光ファイバ通信路１と、公開通信路２および制御信号通信路３とにより構成されている。
【００２７】
量子送信装置１００および量子受信装置２００は、量子として振舞う光子を伝送する光ファイバ通信路１と、ＬＡＮやインターネットなどで代表される公開通信路２と、制御信号通信路３とを介して、相互に接続される。
制御信号通信路３としては、具体的には、光ファイバ通信路１または公開通信路２が用いられてもよい。
光ファイバ通信路１は、量子暗号を含む量子信号を伝送し、制御信号通信路３は、量子送信装置１００および量子受信装置２００を同期・調歩動作させるための制御信号を伝送する。
【００２８】
量子送信装置１００は、前述の特許文献３に記載された光学系と類似の構成を有しており、光ファイバ通信路１に一端が接続されたアッテネータ１９と、アッテネータ１９の他端の光路に接続された偏光ビームスプリッタ２０と、偏光ビームスプリッタ２０の２つの光路に個別に接続されたファラディー回転子２１および位相変調器２２と、位相変調器２２を制御する送信側制御手段２３と、送信側制御手段２３に接続されて第１の乱数を出力する送信側データ処理手段２４とを備えている。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２は、量子通信用の光子パルスに対する両回転方向の光路ループを構成している。
量子送信装置１００は、量子受信装置２００から導入された光子パルスを、光ファイバ通信路１およびアッテネータ１９を介してファラディー回転子２１に導入し、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子（非相反素子）２１を通した後、再びアッテネータ１９および光ファイバ通信路１を介して、量子受信装置２００に向けて反射するようになっている。
【００３０】
量子受信装置２００は、光子発生器４と、光子発生器４の出力光路に配設されたビームスプリッタ５、６およびミラー７、８からなる第１の非対称マッハツェンダ干渉計と、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の他端光路に配設された偏光ビームスプリッタ９と、偏光ビームスプリッタ９の反射光路に配設された位相変調器１０と、位相変調器１０の出力光路に配設されたビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４からなる第２の非対称マッハツェンダ干渉計と、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力光路に配設された１対の光子検出器１５、１６と、光子検出器１５、１６の検出信号を取り込み光子発生器４および位相変調器１０を制御する受信側制御手段１７と、受信側制御手段１７に接続されて第２の乱数を出力する受信側データ処理手段１８とを備えている。
【００３１】
量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９は、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００内のアッテネータ１９に接続され、受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介して送信側制御手段２３に接続され、受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を介して送信側データ処理手段２４に接続されている。
【００３２】
量子受信装置２００内において、偏光ビームスプリッタ９は、２つの直交する偏波モードを分離し、偏光ビームスプリッタ９の通過側のポート（第１の偏光分離ポート）には、光子発生器４が接続され、偏光ビームスプリッタ９の反射側のポート（第２の偏光分離ポート）には、１対の光子検出器１５、１６が接続されている。
【００３３】
次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置の動作について説明する。
受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介した制御信号の相互通信により、量子送信装置１００内の送信側制御手段２３と同期・調歩動作する。
量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７が出力する同期信号に応じて、偏波面の揃った光子パルスを発生する。
【００３４】
光子発生器４から発生した光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、偏波面の揃った可干渉な時間差を有する２連光子パルスに分離され、偏光ビームスプリッタ９を通過して光ファイバ通信路１に導かれる。
ここで、２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタ５から直にビームスプリッタ６に進行した光子パルスであり、他方の後続する第２の光子パルスは、ビームスプリッタ５で反射されてミラー７、８を通過する光子パルスである。
【００３５】
なお、図１においては、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の構成例として、ビームスプリッタ５、６と、ミラー７、８を用いたが、光平面導波路（ＰＬＣ）を用いた構成例、または光ファイバを用いた構成例も存在し、特定の１つの構成例に特化されるものではない。
【００３６】
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１に導かれた２連光子パルスは、量子送信装置１００に導入され、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により偏波面を非相反的に直角に回転させられ、位相変調器２２により第２の光子パルスが位相変調を受けた後、再び量子受信装置２００に帰還してくる。
【００３７】
量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ９で完全に反射されて、光子検出器１５、１６が配置された（第２の偏光分離ポート）に導かれる。
なぜなら、光ファイバ通信路１の一方の端点で入射された光は、他方の端点で非相反的に直角に偏波面の回転を受けて反射して帰還する場合に、途中の光路でいかなる複屈折性が存在したとしても、入射時点から直角に偏波面が回転した状態で帰還するからである。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ９で反射された２連光子パルスは、位相変調器１０に入光する。このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに対して位相変調をかける。
【００３９】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光する。このとき、第２の非対称マッハツェンダ干渉計は、先行する第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスと）に分割し、同様に、後続する第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
【００４０】
ここで、各非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの各時間差は、それぞれ同一となるように調整されている。
したがって、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達して干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、排他的に１対の光子検出器１５、１６のいずれか一方に導かれ、一方の光子検出器を発火する。
【００４１】
受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段１８に伝送する。
受信側データ処理手段１８は、第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、量子送信装置１００と情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４２】
次に、量子送信装置１００に注目しながら、具体的な動作について説明する。
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１を通過して量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、量子送信装置１００に到達した時点では、光ファイバ通信路１の有する複屈折性により偏波面が完全にランダムな状態になっている。
この状態で量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、それぞれ直交する２つの偏波モードに分離される。
【００４３】
こうして、４つに分離された光子パルスのうち、時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０を通過し、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、位相変調器２２を通過した後に、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
また、４つに分離された光子パルスのうち、反時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で反射され、位相変調器２２を通過後に、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
【００４４】
このとき、位相変調器２２は、送信側制御手段２３の制御下で、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、２連光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスのみに対して、時計回りまたは反時計回りの進行方向に依存することなく、位相変調器２２を通過する際に位相変調をかけている。
偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、分離合流するまでの光路長が、時計回りまたは反時計回りに依存せずに等しいので、再び２連光子パルスとなり、アッテネータ１９に導入される。
ここで、アッテネータ１９での光子レベル強度の減衰の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００４５】
こうして、再び光ファイバ通信路１に導入されて量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、前述した通り、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれる。
以下、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、量子伝送路（光ファイバ通信路１）を介して秘匿性を保って伝送された情報と、公開通信路２を介して伝送された情報とを用いて秘匿性情報を共有する。すなわち、第１および第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子通信動作について、さらに具体的に説明する。
図２において、量子暗号通信装置の光子パルス（量子暗号）に関連した量子通信部の処理ステップは、光子パルスの発生ステップＳ１と、分離出力ステップＳ２と、量子受信装置２００から量子送信装置１００への量子通信用の往路伝送ステップＳ３と、送信側での第１減衰ステップＳ４と、第１偏波回転ステップＳ５と、第１位相変調ステップＳ６と、第２位相変調ステップＳ５ａと、第２偏波回転ステップＳ６ａと、第２減衰ステップＳ７と、量子送信装置１００から量子受信装置２００への量子通信用の復路伝送ステップＳ８と、受信側の位相変調ステップＳ９と、分離・合流・干渉ステップＳ１０と、検出ステップＳ１１とを含む。
【００４７】
まず、量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７の制御下で光子パルスを発生する（光子発生ステップＳ１）。
このとき、光子パルスは、たとえばレーザパルスのように、パルス当たりの光子数がポアソン分布にしたがうように発生されてもよく、単一光子源を用いて、パルス当たり単一光子として発生されてもよい。
【００４８】
光子発生器４から発生した光子パルスは、ビームスプリッタ５、６およびミラー７、８により構成される第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計内において、光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流して出力されることにより、光路差に応じた時間差を有する２連光子パルスとなる（分離出力ステップＳ２）。
【００４９】
第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力された２連光子パルスは、先行する第１の光子パルスと後続する第２の光子パルスとにより構成され、偏光ビームスプリッタ９を通して、光ファイバ通信路１に導かれる。
光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、そのまま、量子送信装置１００に伝送される（往路伝送ステップＳ３）。
【００５０】
このとき、光ファイバ通信路１が有する複屈折性により、２連光子パルスの偏波面は、完全にランダムな状態になってしまう。
量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９を通過することによって、パルス当たりの光子数が減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０に導かれる（第１減衰ステップＳ４）。
【００５１】
また、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、各偏光面がランダムなので、偏光ビームスプリッタ２０において、時計回りで周回する光子パルスと反時計回りで周回する光子パルスとに分離された後、再び偏光ビームスプリッタ２０で合流して２連光子パルスに戻る。
【００５２】
すなわち、２連光子パルスのうちの反時計回りの光子パルスは、光路ループ内において、ファラディー回転子２１および位相変調器２２の順に通過し、ファラディー回転子２１を通るときに、偏波面が非相反的に直角に回転させられる（第１偏波回転ステップＳ５）。
また、反時計回りの光子パルスは、ファラディー回転子２１を通過した後、位相変調器２２に導入され、位相変調器２２を通過する際に、後続する第２の光子パルスに当たる光子パルスのみが位相変調を受ける（第１位相変調ステップＳ６）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段２３により制御され、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、制御信号通信路３を介して同期タイミングを調整しつつ位相変調をかけることによって決定される。
【００５３】
一方、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスのうち、時計回りの光子パルスの場合は、光路ループ内において、位相変調器２２およびファラディー回転子２１の順に通過するので、先に第２位相変調ステップＳ５ａを経た後に、第２偏波回転ステップＳ６ａが実行される。
【００５４】
なお、ファラディー回転子（非相反素子）２１による非相反的な偏波面の回転とは、回転の向きが光子パルスの進行方向に依存しないことを意味する。
また、光路ループ内の位相変調器２２において、反時計回りの光子パルスおよび時計回りの光子パルスのいずれに対しても、後続する第２の光子パルスのみに対して選択的に位相変調をかけるためには、偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２を含む光路ループの光路長を、入射される２連光子パルスの時間差に相当する距離に比べて十分に短く設定すればよく、容易に実現することができる。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ２０を介して、再び２連光子パルスに戻った光子パルスは、アッテネータ１９を再度通過する。このとき、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない程度まで、パルス当たりの光子レベル強度が減衰された後、光ファイバ通信路１に再び導入される（第２減衰ステップＳ７）。
【００５６】
光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスは、量子受信装置２００に向かって帰還することになるが、このとき、２連光子パルスの偏波状態は、光ファイバ通信路１の有する複屈折性によって、再びランダムな変動を受ける。
しかし、光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスの偏波面は、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により、非相反的に直角に回転を受けているので、光ファイバ通信路１の往路上で受けた偏波変動と、復路上で受けた偏波変動とが丁度打ち消し合うように作用する。
したがって、再導入された２連光子パルスが量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９に到達する時点では、２連光子パルスの偏波面は、偏光ビームスプリッタ９から量子送信装置１００に向かった往路時と比べて、正確に直角に回転している（復路伝送ステップＳ８）。
【００５７】
このように、量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏波面が直角に回転しているので、偏光ビームスプリッタ９において完全に反射され、位相変調器１０の設置された方向の出力ポート（第２の偏光分離ポート）に導かれ、位相変調器１０を通過する際に、先行する第１の光子パルスのみが位相変調を受ける（受信側の位相変調ステップＳ９）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段１７により制御され、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、位相変調がかけられることによって決定される。
【００５８】
２連光子パルスは、位相変調器１０を通過後、ビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４により構成される第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスは、前述と同様に、それぞれ光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流するので、４つの光子パルスに分かれることになる。
【００５９】
すなわち、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第１の（先行する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスとに分離される。
同様に、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第２の（後続する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスとに分離される。
【００６０】
上記４つの光子パルスは、ビームスプリッタ１２で再び合流するが、光路長差により時間差が生じている。
ただし、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスについては、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の光路長差を適切に調整することにより、ビームスプリッタ１２に同時に到達するので、干渉を引き起こすことができる（分離・合流・干渉ステップＳ１０）。
【００６１】
ビームスプリッタ１２における干渉の結果、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスの合流光子パルスは、光子検出器１５または１６の一方に排他的に導かれることになる。
合流光子パルスが光子検出器１５、１６のどちらに導かれるかは、第１位相変調ステップＳ６において第２の光子パルスが受けた位相変調と、受信側の位相変調ステップＳ９において第１の光子パルスが受けた位相変調との位相差により、確率的に決定される。ただし、上記各位相変調の位相差が「０」または「π」の場合には、合流光子パルスの導かれる光子検出器が確定する。
【００６２】
こうして、光子検出器１５、１６には、第１の先行光子パルスと、合流光子パルス（第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルス）と、第２の後続光子パルスとがそれぞれ導かれる。
ここで、タイミングを調整することにより、合流光子パルスが導かれたときのみに、光子検出器１５、１６の一方を発火させることができる。
または、光子検出器１５、１６のいずれが発火してもよいが、受信側制御手段１７により、合流光子パルスが導かれたタイミングの発火のみを有効とすることができる。
いずれにせよ、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のどちらかが発火したかにより、「０」または「１」の量子通信ビット情報を定め、この量子通信ビット情報を受信側データ処理手段１８に送る（検出ステップＳ１１）。
【００６３】
以上が量子通信部の光子パルス当たりの動作フローである。
上記量子通信動作は、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行され、その後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を用いて相互に情報交換をしつつ、第１および第２の乱数と量子通信ビット情報とから、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００６４】
このように、量子受信装置２００内において、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力されて第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入される光子パルスは、光ファイバ通信路１の有する任意の複屈折性に起因してランダムな偏波変動が生じても、光ファイバ通信路１の送信側端（量子送信装置１００内のファラディー回転子２１）で非相反的に直角に偏波面が回転されて往復することにより、ランダムな偏波変動が打ち消されることになる。
【００６５】
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれた光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９によって完全に分離されているので、位相変調器１０における光子パルスの流れは一方向に限定されており、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられるおそれは全くなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００６６】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１参照）では、量子送信装置１００において、量子受信装置２００から導かれる光子パルスに対し、偏光ビームスプリッタ２０を用いたループ状の光路を形成することにより、再び量子受信装置２００に帰還するようにしたが、量子送信装置内に、前述の特許文献４に記載された光学系と類似の構成を設け、量子受信装置から導入された光子パルスに対してファラディーミラーを用いて再び量子受信装置に帰還するようにしてもよい。
【００６７】
図３は量子送信装置１００Ａ内にファラディーミラー２６を設けたこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
図３において、量子送信装置１００Ａは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ａおよび送信側データ処理手段２４Ａに加えて、偏光ビームスプリッタ２０を含むループ内に挿入された位相変調器２２Ａおよび偏光ビームスプリッタ２５と、偏光ビームスプリッタ２５の他端側に配設されたファラディーミラー２６とを備えている。
【００６８】
この場合、光ファイバ通信路１の量子送信側端においては、非相反的に直角に偏波面を回転するファラディーミラー２６を通して光子パルスが反射される。
また、光ファイバ通信路１の量子受信側端（量子受信装置２００）において、光子パルスは、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により２つの直交する偏波モードに分離され、第１の偏光分離ポートを介して光子発生器４に導入され、第２の偏光分離ポートを介して光子検出器１５、１６に導入されている。
【００６９】
次に、図３に示したこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置の動作について説明する。
量子受信装置２００から、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００Ａに伝送された２連光子パルスは、量子送信装置１００Ａ内のアッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、直交する２つの偏波モードに分離される。
【００７０】
量子送信装置１００Ａにおいて、偏光ビームスプリッタ２０で分離された光子パルスは、それぞれ、位相変調器２２Ａに進行する２連光子パルスと、位相変調器２２に進行する２連光子パルスとなり、他方の偏光ビームスプリッタ２５で再び合流する。
合流した４つの光子パルスは、それぞれ、ファラディーミラー２６で非相反的に偏波面を直角に回転して反射される。
【００７１】
ファラディーミラー２６で反射された光子パルスは、再び偏光ビームスプリッタ２５に戻り、偏波モードに応じて分離される。
このとき、往路において位相変調器２２Ａを通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２を通り、往路において位相変調器２２を通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２Ａを通る。
また、送信側制御手段２３Ａは、位相変調器２２Ａ、２２を制御し、送信側データ処理手段２４Ａが出力した第１の乱数に応じて、４つの光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスに対してのみ、位相変調器２２Ａ、２２を通過する際に位相変調をかけている。
【００７２】
ファラディーミラー２６で反射された後、偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で分離合流するまでの光路長が光路の違いによらず等しいので、再び２連光子パルスとなってアッテネータ１９に向かう。なお、前述と同様に、アッテネータ１９による減衰（減光）の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００７３】
再び光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、量子受信装置２００に帰還し、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれ、位相変調器１０に導入される。
このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに位相変調をかける。
【００７４】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、先行する第１の光子パルスを第１の２連光子パルスに分割し、後続する第２の光子パルスを第２の２連光子パルスに分割する。
このとき、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの時間差は、それぞれ同一となるように調整されており、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達し、干渉を引き起こすことになる。
【００７５】
以下、前述と同様に、干渉を引き起こした光子パルスは、２つの光子検出器１５、１６のいずれか一方に排他的に導かれて光子検出器を発火し、受信側制御手段１７は、２つの光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して、受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４Ａおよび受信側データ処理手段１８は、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００７６】
このように、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力して第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至るまでの間に、光ファイバ通信路１の複屈折性に起因して生じる光子パルスのランダムな偏波変動は、光ファイバ通信路１の一端（量子送信装置１００Ａ）で非相反的に偏波面を直角に回転して往復することにより、打ち消し合うことになる。
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至った光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９よりに完全に分離されているので、位相変調器１０での光子パルスの流れは一方向であり、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられることはなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００７７】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、光ファイバ通信路１とは別に制御信号通信路３を設けたが、制御信号通信として量子通信と同一の波長帯を用いるとともに、量子通信では使用されなかった偏波モードを利用し、光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用してもよい。
図４は光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００７８】
図４において、量子送信装置１００Ｂと量子受信装置２００Ｂとを結ぶ光ファイバ通信路１Ｂ（量子伝送路および制御信号通信路）は、量子通信用の通信路のみならず、制御信号通信路としても兼用するように機能する。すなわち、制御信号通として量子通信と同一の波長帯を用い、量子通信では使われなかったもう一方の偏波モードを利用することにより、光ファイバ通信路１Ｂを制御信号通信路として用いる。
【００７９】
量子受信装置２００Ｂは、光子発生器４、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計、偏光ビームスプリッタ９、位相変調器１０、光子検出器１５、１６、受信側制御手段１７Ｂ、受信側データ処理手段１８Ｂに加えて、偏光ビームスプリッタ９を通過した光パルスを検出する光検出器２７と、制御用光パルスを出力するレーザ装置２８と、受信側制御手段１７Ｂの制御下で制御用光パルスの強度を変調する強度変調器２９と、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０および強度変調器２９との間に挿入されたサーキュレータ３０と、偏光ビームスプリッタ９と第１の非対称マッハツェンダ干渉計および光検出器２７との間に挿入されたサーキュレータ３１とを備えている。
【００８０】
量子送信装置１００Ｂは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０と、ファラディー回転子２１、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ｂおよび送信側データ処理手段２４Ｂに加えて、光ファイバ通信路１Ｂとアッテネータ１９との間に挿入されたビームスプリッタ３２および遅延ファイバ３３と、ビームスプリッタ３２の反射光路に挿入されたビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４の通過光路に配設された光検出器３５と、ビームスプリッタ３４の反射光路に挿入されたファラディーミラー３６および強度変調器３７とを備えている。
強度変調器３７は、送信側制御手段２３Ｂの制御下で、ファラディーミラー３６から反射された制御用光パルスの強度を変調する。
【００８１】
次に、図４に示したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置の動作について説明する。
この場合、量子通信に関する動作は前述と同様なので、制御信号通信に関する動作に注目して説明する。
量子受信装置２００Ｂにおいて、出力するレーザ装置２８から出力される制御信号通信用の制御用光パルスの波長は、光子発生器４から出力される量子通信用の光子パルスと同一波長に設定することができる。
【００８２】
レーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力する。
レーザ装置２８から出力された制御用光パルスは、強度変調器２９を通り、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０を介して、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０とを結ぶ光路に接続され、偏光ビームスプリッタ側９に導かれる。
【００８３】
偏光ビームスプリッタに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子送信装置１００Ｂに伝送され、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２により２つの光パルスに分岐される。
このうち、ビームスプリッタ３２を通過してアッテネータ１９に導かれる光パルスは、再び量子送信装置１００Ｂから出力されるときには十分に減衰しており、制御用光パルスとして機能しないので、無視することができる。
なお、このとき、遅延ファイバ３３は、制御用光パルスと量子通信用（被制御用）の光子パルスとの間に十分な時間差を設けている。
【００８４】
一方、ビームスプリッタ３２で反射されて、他方のビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４によりさらに２つに分岐され、ビームスプリッタ３４を通過した一方の制御用光パルスは、光検出器３５に導かれる。
光検出器３５は、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子受信装置２００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して送信側制御手段２３Ｂに伝送する。
【００８５】
ビームスプリッタ３４で反射された他方の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過してファラディーミラー３６に導かれ、ファラディーミラー３６により偏波面を非相反的に直角に回転を受けた後、反射される。
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、強度変調器３７を再び通過するが、このとき、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および３２の順に通過し、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子受信装置２００Ｂに向かう。
【００８６】
量子受信装置２００Ｂに帰還した制御用光パルスは、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過して、サーキュレータ３１が配置された第１の偏光分離ポートに導かれ、光検出器２７に入射する。このとき、量子受信装置２００Ｂに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性による偏波変動を受けたとしても、最初に量子送信装置１００Ｂに向かったときと比べて、直角に偏光面が回転しているので、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過し、サーキュレータ３１を介して光検出器２７に導かれる。
光検出器２７は、量子送信装置１００Ｂ内の光検出器３５と同様に、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子送信装置１００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送する。
【００８７】
次に、図５のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３による光ファイバ通信路１Ｂ（制御信号通信路）に関わる制御用光パルスの通信動作について、さらに具体的に説明する。
図５において、制御用光パルスに関連した制御信号通信部の処理ステップは、制御用光パルスの発生ステップＳ２１と、受信側の強度変調ステップＳ２２と、量子受信装置２００Ｂから量子送信装置１００Ｂへの制御用の往路伝送ステップＳ２３と、送信側の光受信ステップＳ２４と、偏波回転・反射ステップＳ２４ａと、送信側の強度変調ステップＳ２５と、量子送信装置１００Ｂから量子受信装置２００Ｂへの制御用の復路伝送ステップＳ２６と、受信側の光受信ステップＳ２７とを含む。
【００８８】
まず、量子受信装置２００Ｂ内のレーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力し、これを強度変調器２９に導入する（光パルス発生ステップＳ２１）。
強度変調器２９に導かれた制御用光パルスは、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて、強度変調器２９により強度変調が施される（受信側の強度変調ステップＳ２２）。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０および偏光ビームスプリッタ９の順に通過して、光ファイバ通信路１Ｂに導かれる。
光ファイバ通信路１Ｂに導かれた制御用光パルスは、量子送信装置１００Ｂに伝送される（往路伝送ステップＳ２３）。
【００８９】
量子送信装置１００Ｂに到達した制御用光パルスのうちの一部は、ビームスプリッタ３２で反射された後、ビームスプリッタ３４によりさらに分割され、ビームスプリッタ３４を通過した制御用光パルスは、光検出器３５に入射され、光検出器３５により電気信号に変換されて送信側制御手段２３Ｂに伝送される（送信側の光受信ステップ２４）。
【００９０】
なお、ここでは詳述しないが、量子送信装置１００Ｂに到達した量子通信用の光子パルスは、ビームスプリッタ３２から遅延ファイバ３３を通過した後、前述と同様に、アッテネータ１９を介して、偏光ビームスプリッタ２０を含む光路ループ内に導かれる。
このとき、遅延ファイバ３３を通過することにより十分な時間差が生じているので、ループ内の位相変調器２２は、量子通信を担う光子パルスに対して、完全に制御された位相変調をかけることができる。
【００９１】
一方、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２で反射されて、ビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスのうち、ビームスプリッタ３４で反射された他の一部の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過して、ファラディーミラー３６で偏波面を非相反的に直角に回転させられて反射される（偏波回転・反射ステップＳ２４ａ）。
【００９２】
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、再び強度変調器３７に導かれ、強度変調器３７により、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じた強度変調を受ける（送信側の強度変調ステップＳ２５）。
送信側の強度変調ステップＳ２５で強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および２８の順に通過して、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれ、量子受信装置２００Ｂに伝送される（復路伝送ステップＳ２６）。
【００９３】
このとき、復路伝送中の制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性によって偏波変動を受けるが、量子送信装置１００Ｂ内のファラディーミラー３６により、偏波面が非相反的に直角に回転させられているので、光ファイバ通信路１Ｂの往路と復路とで、偏波変動が丁度打ち消し合うことになる。
したがって、光ファイバ通信路１Ｂを往復して偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、往路伝送ステップＳ２３での初めの偏波状態から、丁度、偏波面が直角に回転した状態となる。
【００９４】
このように、偏波面が直角に回転した状態で、量子受信装置２００Ｂ内の偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、完全に通過してサーキュレータ３１の配設された第１の偏光分離ポートに導かれる。
サーキュレータ３１は、量子送信装置１００Ｂから帰還してきた制御用光パルスを光検出器２７に導き、光検出器２７は、制御用光パルスに付加された量子送信装置１００Ｂの制御信号を、電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送される（受信側の光受信ステップＳ２７）。
【００９５】
このように、量子送信装置１００Ｂおよび量子受信装置２００Ｂは、光ファイバ通信路１Ｂを用いて制御信号を相互に通信することができる。
したがって、制御信号通信路として別に専用線を設ける必要がなく、また、インターネットに代表される公開通信路を用いることもないので、リアルタイム性のある制御信号の相互通信を実現することができる。
また、制御信号通信として、量子通信に用いる波長と同一波長を用いているので、ＷＤＭ通信などに用いる波長領域の通信資源を費消することもない。
さらに、偏波モードによって量子通信と制御信号通信とを分離することができるので、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などに用いる時間領域の通信資源も費消しないで済む。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１Ｂ 光ファイバ通信路（量子伝送路）、２ 公開通信路、３ 制御信号通信路、４ 光子発生器、５〜８ 第１の非対称マッハツェンダ干渉計、９、２０、２５ 偏光ビームスプリッタ、１０、２２、２２Ａ 位相変調器、１１〜１４ 第２の非対称マッハツェンダ干渉計、１５、１６ 光子検出器、１７、１７Ｂ 受信側制御手段、１８、１８Ｂ 受信側データ処理手段、１９ アッテネータ、２１ ファラディー回転子、２３、２３Ａ、２３Ｂ 送信側制御手段、２４、２４Ａ、２４Ｂ 送信側データ処理手段、２６、３６ ファラディーミラー、２７、３５ 光検出器、２８ レーザ装置、２９、３７ 強度変調器、３０、３１ サーキュレータ、３２、３４ ビームスプリッタ、３３ 遅延ファイバ、１００、１００Ａ、１００Ｂ 量子送信装置、２００、２００Ｂ 量子受信装置、Ｓ１ 光子発生ステップ、Ｓ２ 分離出力ステップ、Ｓ３ 量子通信用の往路伝送ステップ、Ｓ４ 第１減衰ステップ、Ｓ５ 第１偏波回転ステップ、Ｓ６ 第１位相変調ステップ、Ｓ５ａ 第２位相変調ステップ、Ｓ６ａ 第２偏波回転ステップ、Ｓ７ 第２減衰ステップ、Ｓ８ 量子通信用の復路伝送ステップ、Ｓ９受信側の位相変調ステップ、Ｓ１０ 分離・合流・干渉ステップ、Ｓ１１ 検出ステップ、Ｓ２１ 光パルス発生ステップ、Ｓ２２ 受信側の強度変調ステップ、Ｓ２３ 制御用の往路伝送ステップ、Ｓ２４ 送信側の光受信ステップ、Ｓ２４ａ 偏波回転・反射ステップ、Ｓ２５ 送信側の強度変調ステップ、Ｓ２６制御用の復路伝送ステップ、Ｓ２７ 受信側の光受信ステップ。
Claims (13)
- 位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、
前記量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、
前記量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、
前記量子送信装置と前記量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路と
を備えた量子暗号通信装置であって、
前記量子送信装置は、
第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、
前記光路ループに関連して設置された非相反素子と、
前記制御信号通信路を介して前記量子受信装置に接続され且つ前記第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、
前記送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、
前記量子受信装置は、
前記量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、
前記第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、
前記制御信号通信路を介して前記量子送信装置に接続され且つ前記第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、
前記受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、
前記量子受信装置は、
前記量子出力手段から出力された光子パルスを、前記第２の偏光ビームスプリッタおよび前記量子伝送路を介して前記量子送信装置に伝送するとともに、
前記量子送信装置内の前記非相反素子を介して反射され、前記量子伝送路を介して受信された光子パルスを、前記第２の偏光ビームスプリッタを介して前記量子観測手段に導き、
前記量子受信装置内の前記量子出力手段および前記量子観測手段は、前記偏光ビームスプリッタの前記第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、
前記量子送信装置内の前記非相反素子は、前記光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すことを特徴とする量子暗号通信装置。 - 前記量子出力手段は、
前記受信側制御手段の制御下で光子パルスを出力する光子発生器と、
前記第２の偏光ビームスプリッタの前記第１の偏光分離ポートと前記光子発生器との間に設置された第１の非対称マッハツェンダ干渉計とにより構成され、
前記量子観測手段は、
前記第２の位相変調器を介して前記第２の偏光分離ポートに接続された第２の非対称マッハツェンダ干渉計と、
前記第２の非対称マッハツェンダ干渉計を通した光子パルスを受光する光子検出器とにより構成され、
前記光子発生器から出力された光子パルスは、前記第１の非対称マッハツェンダ干渉計を介して前記第２の偏光ビームスプリッタに伝送され、
前記第２の偏光ビームスプリッタは、前記量子送信装置から入力された光子パルスを、前記第２の位相変調器および前記第２の非対称マッハツェンダ干渉計を介して、前記光子検出器に導くことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。 - 前記光子検出器は、前記第２の非対称マッハツェンダ干渉計を通した光子パルスを排他的に受光する１対の光子検出器により構成され、
前記受信側データ処理手段は、前記１対の光子検出器から前記受信側制御手段に入力された電気信号をデジタルデータに変換し、
前記量子出力手段は、前記光子発生器から出力された光子パルスを、前記第１の非対称マッハツェンダ干渉計を介して２連の光子パルスとして出力し、
前記２連の光子パルスは、特定の偏波面を有し、可干渉且つ時間的に前後して出力され、
前記第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計の各光路差は、前記第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連の光子パルスの各時間差がそれぞれ同一となるように、互いに同一に設定されたことを特徴とする請求項２に記載の量子暗号通信装置。 - 前記送信側データ処理手段は、第１の乱数を出力し、
前記送信側制御手段は、前記第１の乱数に応じて前記第１の位相変調器を制御することにより、前記第１の位相変調器に入力される２連の光子パルスのうちの後続する光子パルスのみを位相変調し、
前記受信側データ処理手段は、第２の乱数を出力し、
前記受信側制御手段は、
前記第２の乱数に応じて前記第２の位相変調器を制御することにより、前記量子観測手段に入力される２連の光子パルスのうちの先行する光子パルスのみを位相変調するとともに、
前記１対の光子検出器のいずれが発火したかを示す伝送ビット情報を前記受信側データ処理手段に入力することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号通信装置。 - 前記光路ループの光路長は、前記第１の非対称マッハツェンダ干渉計を介して分離された２連の光子パルスの時間差に相当する距離よりも短く設定されたことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。
- 前記制御信号通信路は、前記量子伝送路により兼用構成され、
前記量子受信装置は、
制御用光パルスを前記制御信号として出力するレーザ装置と、
受信側制御手段の制御下で前記制御用光パルスに対して強度変調を施すための受信側の強度変調器と、
前記第２の偏光ビームスプリッタと前記量子観測手段との間に挿入され且つ前記受信側の強度変調器を介した制御用光パルスを前記第２の偏光ビームスプリッタに導く第１のサーキュレータと、
前記第２の偏光ビームスプリッタと前記量子出力手段との間に挿入された第２のサーキュレータと、
前記量子送信装置から入力された制御用光パルスを、前記第２のサーキュレータを介して受光する受信側の光検出器とを含み、
前記受信側の光検出器は、前記第２のサーキュレータにより導かれた制御用光パルスを電気信号に変換して前記受信側制御手段に中継するための強度分解能を有し、
前記レーザ装置から出力される制御用光パルスは、前記光子発生器からの光子パルスと同一波長を有し且つ特定の偏波面を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。 - 前記量子送信装置は、
前記量子受信装置から入力された制御用光パルスを分離する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタの第１の分離ポートと前記光路ループとの間に挿入された遅延ファイバと、
前記第１のビームスプリッタの第２の分離ポートに設置され、前記第１のビームスプリッタで分離された制御用光パルスをさらに分離する第２のビームスプリッタと、
前記第２のビームスプリッタの第１の分離ポートに設置された送信側の光検出器と、
前記第２のビームスプリッタの第２の分離ポートに設置された制御用のファラディーミラーと、
前記制御用のファラディーミラーで反射された制御用光パルスに対して、前記送信側制御手段の制御下で強度変調を施すための送信側の強度変調器とを含み、前記送信側の光検出器は、前記量子受信装置から入力された制御用光パルスを電気信号に変換して前記送信側制御手段に中継するための強度分解能を有し、
前記制御用のファラディーミラーは、前記第２のビームスプリッタで分離された制御用光パルスの偏波面を直角に回転して反射することを特徴とする請求項６に記載の量子暗号通信装置。 - 前記非相反素子は、前記光路ループ内に挿入されたファラディー回転子により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。
- 前記光路ループは、
前記第１の偏光ビームスプリッタの対向位置に挿入された第３の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の位相変調器の対向位置に挿入された第３の位相変調器とを含み、
前記非相反素子は、前記第３の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子通信用のファラディーミラーにより構成されたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。 - 前記送信側データ処理手段と前記受信側データ処理手段とを相互結合するための公開通信路とを備え、
前記送信側データ処理手段および前記受信側データ処理手段は、前記量子伝送路を介して秘匿性を保って伝送された情報と、前記公開通信路を介して伝送された情報とを用いて、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有することを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。 - 前記量子伝送路は、光ファイバ通信路により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の量子暗号通信装置。
- 量子通信路を介して、量子送信装置と量子受信装置との間で量子暗号を含む光子パルス通信し、
公開通信路を介して、前記量子送信装置内の送信側データ処理手段と前記量子受信装置内の受信側データ処理手段との間で秘密鍵を共有するとともに、
制御信号通信路を介して、前記量子送信装置内の送信側制御手段と前記量子受信装置内の受信側制御手段との間で同期信号を含む制御信号を相互通信することにより、前記量子送信装置および前記量子受信装置を同期動作させる量子暗号通信方法であって、
前記量子送信装置内の送信側データ処理手段から出力された第１の乱数に応じて、前記量子送信装置から前記量子受信装置に伝送される光子パルスを位相変調し、
前記量子受信装置内の受信側データ処理手段から出力された第２の乱数に応じて、前記量子送信装置から前記量子受信装置に入力された光子パルスを位相変調し、
前記量子受信装置に入力された光子パルスを１対の光子検出器で検出し、
前記１対の光子検出器のいずれが発火したかを伝送ビット情報に変換して、前記受信側制御手段から前記受信側データ処理手段に伝送し、
前記伝送ビット情報が前記受信側データ処理手段に取り込まれた後、前記送信側データ処理手段および前記受信側データ処理手段により前記秘密鍵を共有するために、
前記量子受信装置から光子パルスを発生する光子発生ステップと、
前記光子発生ステップにより発生した光子パルスを第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、可干渉且つ時間的に分離された２連の光子パルスにして出力する分離出力ステップと、
前記分離出力ステップにより分離出力された２連の光子パルスを、前記量子通信路を介して前記量子送信装置に伝送する量子通信用の往路伝送ステップと、
前記量子送信装置に到達した２連の光子パルスをアッテネートする第１減衰ステップと、
前記第１減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを第１の偏光ビームスプリッタで偏光分離し、前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第１偏波回転ステップと、
前記第１偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第１位相変調ステップと、
前記第１の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して位相変調を施す第２位相変調ステップと、
前記第２位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第２偏波回転ステップと、
前記第１位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルス、または、前記第２偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスを、前記第１の偏光ビームスプリッタで再度合流し、合流後の２連の光子パルスのうちの後続する光子パルスの光子数が「１」を越えない光子レベル強度までアッテネートする第２減衰ステップと、
前記第２減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを、前記量子通信路を介して前記量子受信装置に伝送する量子通信用の復路伝送ステップと、
前記量子受信装置に到達した２連の光子パルスを、前記量子受信装置内の第２の偏光ビームスプリッタに導入して、第２の非対称マッハツェンダ干渉計を含む量子観測手段に完全に導き、前記量子観測手段に導入された２連の光子パルスのうちの先行する光子パルスのみに対して位相変調を施す受信側の位相変調ステップと、
前記受信側の位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスを前記第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、分離、合流および干渉を起こさせる分離・合流・干渉ステップと、
前記第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力側に設置された１対の光子検出器により、干渉後の光子パルスを検出する検出ステップとを備えたことを特徴とする量子暗号通信方法。 - 前記量子通信路を前記制御信号通信路として兼用し、
前記受信側制御手段が出力する同期信号に応じて、前記量子受信装置内のレーザ装置から制御用光パルスを発生する光パルス発生ステップと、
前記受信側制御手段が出力する制御信号に応じて、前記レーザ装置から出力された制御用光パルスに対して強度変調を施す受信側の強度変調ステップと、
前記受信側の強度変調ステップにより強度変調された制御用光パルスを、前記量子通信路を介して前記送信側制御手段に伝送する制御用の往路伝送ステップと、
前記量子送信装置に到達した制御用光パルスを、送信側の光検出器で受信して電気信号に変換し、前記電気信号により前記同期信号を含む前記制御信号を前記送信側制御手段に伝送する送信側の光受信ステップと、
前記量子送信装置に到達した制御用光パルスの偏波面を直角に回転して反射する偏波回転・反射ステップと、
前記送信側制御手段が出力した制御信号に応じて、前記偏波回転・反射ステップにより反射された制御用光パルスに対して強度変調を施す送信側の強度変調ステップと、
前記送信側の強度変調ステップにより強度変調された制御用光パルスを、前記量子通信路を介して前記量子受信装置に伝送する制御用の復路伝送ステップと、前記量子受信装置に帰還した制御用光パルスを、前記第２の偏光ビームスプリッタに導入して受信側の光検出器に完全に導き、前記受信側の光検出器により電気信号に変換して前記受信側制御手段に伝送する受信側の光受信ステップとを備えたことを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信方法。
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