JP2005268958A - Quantum cipher communication device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子暗号通信装置に関し、特に量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug&play”(量子暗号通信装置)が有する暗号鍵生成速度が遅いという問題を解決する技術に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography communication device, and more particularly to a technique for solving the problem that the encryption key generation speed of a BB84- “plug & play” (quantum cryptography communication device) equipped with a quantum cryptography communication protocol BB84 is low.
量子暗号通信装置は、量子力学の基本原理に基づき、絶対に安全な暗号通信を提供する装置である。従来から、暗号通信の中では、送信側と受信側が共通の暗号鍵を所有し、これを用いて送信データを送信側で暗号化し、受信側で復号化する暗号方式がある。この暗号方式は暗号鍵が外部に知られていない限り絶対に安全な暗号システムとして知られているが、暗号鍵を外部に知られることなく送受信者に供給することが重要となる。 A quantum cryptographic communication device is a device that provides absolutely secure cryptographic communication based on the basic principle of quantum mechanics. Conventionally, in encrypted communication, there is an encryption method in which a transmission side and a reception side have a common encryption key, and using this, transmission data is encrypted on the transmission side and decrypted on the reception side. This encryption method is known as an absolutely secure encryption system unless the encryption key is known to the outside, but it is important to supply the encryption key to the sender / receiver without being known to the outside.
量子暗号通信は、盗聴されていないことが量子力学の原理に基づいて保証された暗号鍵を送受信者に供給するシステムである。量子暗号通信としては、いくつかの暗号方式が知られている。本発明は量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug&play”(量子暗号通信装置)と呼ばれている暗号方式(非特許文献1)を改良した暗号方式を用いるので、従来技術としてこの暗号方式について説明する。 Quantum cryptographic communication is a system that supplies a sender / receiver with an encryption key that is guaranteed not to be wiretapped based on the principle of quantum mechanics. Several encryption methods are known as quantum cryptography communication. Since the present invention uses an encryption method improved from the encryption method (Non-Patent Document 1) called BB84- “plug & play” (quantum encryption communication device) that implements the quantum encryption communication protocol BB84, this encryption method is used as the prior art. Will be described.
ここで、BB84は、基本構成・原理についての量子暗号通信プロトコルの名称であり、“plug&play”はそのプロトコルを安定に動作させるための実施態様の量子暗号通信装置についての名称である。まず、基本構成・原理である BB84について説明し、その後に“plug&play”構成について説明する。 Here, BB84 is the name of the quantum cryptography communication protocol for the basic configuration / principle, and “plug & play” is the name of the quantum cryptography communication device of the embodiment for stably operating the protocol. First, the basic configuration / principle BB84 will be described, followed by the “plug & play” configuration.
図2はBB84量子暗号方式の基本構成を示す図である。暗号鍵を共有する送受信機を、慣例に従ってアリス(送信機)1000とボブ(受信機)2000と呼ぶ。アリス1000は、1個の光子を、縦直線、横直線、右回り円、左回り円、の4つのうちのいずれかの偏波状態としてボブ2000へ送信する。 FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of the BB84 quantum cryptography. The transceivers that share the encryption key are referred to as Alice (transmitter) 1000 and Bob (receiver) 2000 according to convention. Alice 1000 transmits one photon to Bob 2000 as one of four polarization states of a vertical straight line, a horizontal straight line, a clockwise circle, and a counterclockwise circle.
ボブ2000の側には2系統の光子測定系2200,2300が備えられている。そのひとつは、直線偏波状態を測定する系2200である。直線偏波測定系2200に入力された光子は、2つの出力端に光子検出器2240、2260がそれぞれ備えられた偏波ビームスプリッタ2220に入力される。その入力光子が、縦直線偏波状態であれば第1の光子検出器2240が、横直線偏波状態であれば第2の光子検出器2260が、それぞれ光子を検出する。
Two
上記光子測定系のもうひとつは、円偏波状態を測定する系2300である。円偏波測定系2300に入力された光子は、λ/4波長板2310を通過した後に、2つの出力端に光子検出器2320、2360がそれぞれ備えられた偏波ビームスプリッタ2340に入力される。その入力光子が、右回り円偏波状態であれば第1の光子検出器2320が、左回り円偏波状態であれば第2の光子検出器2360が、それぞれ光子を検出する。そして、2系統の測定系の前段には光スイッチ2100が備えられ、伝送されてきた光子を無作為にスイッチして直線偏波測定系2200か円偏波測定系2300に入力する。
Another of the photon measurement systems is a
直線偏波測定系2200に直線偏波光子が入力された場合は、ボブ2000は入力された光子が縦偏波であるか横偏波であるかを100%の確率で正しく判別することができる。しかしながら、直線偏波測定系2200に円偏波光子が入力されると、ボブ2000は1/2の確率で光子検出器2240または光子検出器2260が光子を検出する。すなわち、ボブ2000は直線偏波測定系2200によっては入力光子が右回り円であるか左回り円であるかを判別することはできない。
When linearly polarized photons are input to the linear
同様にして、円偏波測定系2300に円偏波光子が入力されると、ボブ2000は入力光子が右回り円であるか左回り円であるかは100%の確率で正しく判別できるが、円偏波測定系2300に直線偏波光子が入力された場合、その偏波状態を判別することはできない。
Similarly, when a circularly polarized photon is input to the circularly polarized
以上の系を用いて、以下の手順でアリス1000とボブ2000は暗号鍵を生成する。まず、伝送路3000を通じて、必要な回数だけ光子を送受信した後、アリス1000は各光子について、直線偏波で送ったか、円偏波で送ったか、をボブ2000に知らせる。ただし、アリス1000はその偏波状態が、縦か横か、右回りか左回りか、はボブ2000に知らせない。一方、ボブ2000は、各光子について、直線偏波測定系2200にスイッチしたか、円偏波測定系2300にスイッチしたか、をアリス1000に知らせる。各光子の送信状態と測定系が一致していれば、ボブ2000は送られた光子の偏波状態を正しく判別することができる。そこで、例えば、縦直線及び右回り円をビット「1」、横直線及び左回り円をビット「0」とすれば、アリス1000とボブ2000は共通のビット情報を得ることになる。
Using the above system, Alice 1000 and Bob 2000 generate an encryption key in the following procedure. First, after transmitting and receiving photons as many times as necessary through the
ここで、アリス1000とボブ2000との間でやり取りされるのは、直線偏波か円偏波かという情報だけで、その偏波が縦か横か、右回りか左回りか、の情報は外の伝送路3000に出ないので、取得したビット情報が外部に漏れることはない。そこで、このようにして得られたビット情報を暗号鍵として採用する。
Here, information exchanged between Alice 1000 and Bob 2000 is only information about linear polarization or circular polarization, and information about whether the polarization is vertical or horizontal, clockwise or counterclockwise is Since it does not go out to the
一方、アリス1000が送った偏波状態(直線か円か)とボブ2000がスイッチした測定系が不一致の場合には、ボブ2000は送られてきた光子の偏波状態を判別することができない。この場合には、その光子検出事象は無視する。 On the other hand, when the polarization state (straight or circular) sent by Alice 1000 and the measurement system switched by Bob 2000 do not match, Bob 2000 cannot determine the polarization state of the transmitted photon. In this case, the photon detection event is ignored.
以上が、BB84量子暗号方式の基本構成及びその動作原理である。この方式の課題は、光ファイバ伝送には不向きというところにある。一般に、光ファイバには外部からの応力や曲げにより微小ながら複屈折性が存在する。そのため、光の偏波状態はファイバ伝搬につれて変化する。さらに、これら外部の影響は時間的に変動するので、偏波の変化の仕方も時間的に変動する。上記BB84方式は光子の偏波状態により情報を伝えているので、システムを動作させるためには、偏波変動を補償する偏波制御手段が必要となる。 The basic configuration and operation principle of the BB84 quantum cryptography are as described above. The problem with this method is that it is not suitable for optical fiber transmission. In general, an optical fiber is birefringent although it is minute due to external stress or bending. Therefore, the polarization state of light changes as the fiber propagates. Furthermore, since these external influences change over time, the way of changing the polarization also changes over time. Since the BB84 system transmits information according to the polarization state of photons, a polarization control means that compensates for polarization fluctuations is required to operate the system.
この偏波変動を補償するという課題を解決するために開発されたのが、“plug&play”と呼ばれる実施装置である。図3に“plug&play”装置の構成を示す。ボブ200の側にはレーザ光源210が備えられており、このレーザ光源210から発せられたパルス光は光サーキュレータ215を通り、2×2の光カップラ220により光経路274、276に2分岐される。経路274へ出力された光パルス(以下、パルス光Sと呼ぶ)は、偏波ビームスプリッタ(PBS)270を経てファイバ伝送路300へと出力される。このとき、偏波ビームスプリッタ270の前段に置かれた偏波制御器(PC)280により、偏波ビームスプリッタ270への入力偏波状態は横直線偏波に設定されており、入力パルス光Sは横直線偏波光として損失なくファイバ伝送路300へ出力される。
An implementation apparatus called “plug & play” has been developed to solve the problem of compensating for this polarization fluctuation. FIG. 3 shows the configuration of the “plug & play” device. A
ボブ200から送出されたパルス光Sは、ファイバ伝送路300を経てアリス100に到達する。アリス100に入力したパルス光Sは光減衰器(ATT)130、光位相変調器(PM)140を透過し、ファラデー反射器(FM)110で反射された後、再び光位相変調器140、光減衰器130を通ってファイバ伝送路300へ折り返し出力される。ここで、光減衰器130は、光パルスが折り返し出力される際に、その光パルスの光パワーが1パルスあたり平均1光子未満であるように調整するように設定されている。また、光位相変調器140は、入力したパルス光Sの位相を0、またはπ/2、またはπ、または3π/2で無作為に変調する。また、ファラデー反射器110は、入力された光の偏波状態をそれとは直交する状態に変換して反射するように作用する。このようにしてアリス100から出力されたパルス光Sは、往路と同じファイバ伝送路300を伝搬してボブ200に到達する。
The pulsed light S transmitted from Bob 200 reaches Alice 100 via the
ファイバ伝送路300からボブ200の偏波ビームスプリッタ270に入力されたパルス光Sは、自動的に偏波ビームスプリッタ270の反射ポート、すなわち光経路276に出力される。これは、アリス100において、ファラデー反射器110により偏波が直交状態に変換されているためである。
The pulsed light S input from the
ファイバ経路300では、光の偏波状態は伝搬につれて変化していくが、直交関係は保たれる。例えば、縦直線偏波光と横直線偏波光をファイバ経路300に入力すると、そのファイバ経路300の出力端では一般には楕円偏波となるが、両者は直交した楕円偏波となっている。また、ファイバ経路300は偏波変化について可逆である。したがって、ボブ200から横直線偏波としてファイバ伝送路300に入力された光パルスSが、アリス100側で直交偏波に変換されて同じファイバ伝送路300を逆向きに辿って来ると、ボブ300に到達した際には縦直線偏波となっている。このため、アリス100から戻ってきた光パルスSは、偏波ビームスプリッタ270から光経路276へ出力される。光経路276へ出力されたパルス光Lは偏波制御器(PC)285、遅延ファイバ295、光位相変調器(PM)290を経て、光カップラ220へ入力される。このとき、光位相変調器290は、パルス光Sに対しては無変調であるとする。
In the
一方、ボブ200において、レーザ光源210から発せられ、光カップラ200により光経路276へ分岐されたパルス光(以下、パルス光Lと呼ぶ)は、パルス光Sと逆の経路を辿る。すなわち、光経路276へ出力されたパルス光Lは、光位相変調器290、遅延ファイバ295、偏波制御器285を経て、偏波ビームスプリッタ270へ入力される。このとき、光位相変調器290は、パルス光Lに対して、無作為に0またはπ/2の位相変調を加える。前述のように、この光位相変調器290は、パルス光Sに対しては無変調としているが、パルス光Sとパルス光Lは異なる時刻に光位相変調器290を透過するので、このような変調状態とすることは可能である。また、偏波制御器285は、偏波ビームスプリッタ270への入力状態が縦直線偏波であるように設定されている。これにより、パルス光Lは損失なく、縦直線偏波光としてファイバ伝送路300へ出力される。
On the other hand, in Bob 200, pulsed light emitted from the
ファイバ伝送路300を伝搬したパルス光Lはアリス100に到達し、光減衰器130、光位相変調器140、ファラデー反射器110を経て、再び同じ経路を辿ってボブ200に戻ってくる。このとき、光位相変調器140は、パルス光Lに対して無変調であるとする。前述のように、この光位相変調器140は、パルス光Sに対して0またはπ/2または3π/2で位相変調を加えるものとしているが、パルス光Sとパルス光Lは異なる時刻に光位相変調器140を透過するので、このような変調状態とすることは可能である。
The pulsed light L that has propagated through the
ファイバ伝送路300を経てボブ200に戻ってきたパルス光Lは、偏波ビームスプリッタ270に入力される。このとき、アリス100のファラデー反射器110において偏波が直交状態に変換されているので、パルス光Sについて述べたのと同じ理由により、偏波ビームスプリッタ270に入力されたパルス光Lは横直線偏波として光経路274へ出力され、光カップラ220へ到達する。
The pulsed light L that has returned to
以上述べたようにして、ファイバ伝送路300を往復したパルス光Lとパルス光Sはボブ200の光カップラ220の2つのポートにそれぞれ入力される。これら2つのパルス光L,Sは同一経路を逆向きに伝搬してきているので、カップラ220へは同時刻に到達する。また、偏波についてみると、光経路274と光経路276は、最初に光カップラ220により分岐された同一偏波光が偏波ビームスプリッタ270に達する際に、経路274からの光は横直線、経路276からの光は縦直線となるように設定されており、さらにこの偏波変化は可逆なので、偏波ビームスプリッタ270からカップラ220へ戻ってきたパルス光Lとパルス光Sは同一偏波となっている。そのため、カップラ220においてパルス光LとSの両者の干渉が起こり、その位相差に応じて第1の光子検出器230または第2の光子検出器240へと光が出力される。
As described above, the pulsed light L and the pulsed light S that reciprocated along the
ファイバ伝送路300を往復して光カップラ220に到達したパルス光LとSは、基本的には同一経路を逆向きに辿っているので、経験した伝搬位相は同じである。ただし、光位相変調器140、光位相変調器290において、パルス光LとSの両者は異なる位相変調を受けている。一方のパルス光Sは、光位相変調器140において0、またはπ/2、またはπ、または3π/2の位置変調を受け、光位相変調器290においては無変調である。他方のパルス光Lは、光位相変調器140においては無変調、光位相変調器290において0、またはπ/2の位相変調を受けている。したがってパルス光LとSの両者の位相差は、π/2、または0、またはπ/2、またはπ、または3π/2となる。それぞれの変調状態に対しての位相差を下記の表1にまとめておく。
Since the pulsed lights L and S that have reached the
パルス光LとSの位相差が0であると、干渉光は必ず第1の光子検出器230へ出力される。位相差がπであると、干渉光は必ず第2の光子検出器240へ出力される。一方、位相差がπ/2またはπ/2または3π/2であると、半々の確率で第1の光子検出器230または第1の光子検出器230へ出力されることになる。したがって、上記の表1の網掛けをつけた場合の光子検出事象は不確定である一方、網掛けをつけていない場合の光子検出事象は確定的である。
If the phase difference between the pulse lights L and S is 0, the interference light is always output to the
従来技術として説明した以上の実施態様を用いると、以下に述べるように実効的にBB84量子暗号方式と等価な動作を行うことができる。まず、ボブ200とアリス100は必要な数だけパルス光を送受信する。
When the above embodiment described as the prior art is used, an operation equivalent to the BB84 quantum cryptography can be effectively performed as described below. First,
その後、アリス100は、光位相変調器140によりパルス光Sを(i)0またはπで変調したか、(ii) π/2または3π/2で変調したか、をボブ200に知らせる。ただし、0であるかπであるか、π/2であるか3π/2であるか、は知らせない。一方ボブ200は、光位相変調器290によりパルス光Lを0で変調したか、π/2で変調したかを知らせる。アリス100の変調がケース(i)かつボブ200の変調が0、またはアリス100の変調がケース(ii)かつボブ200の変調がπ/2、である場合には、アリス100はボブ200の光子検出器230,240のどちらが光子を検出したかを知ることができる。
Thereafter,
したがって、例えば、第1の光子検出器230による検出事象をビット「0」、第2の光子検出器240による検出事象をビット「1」、とすれば、アリス100とボブ200は共通のビット情報を得ることになる。一方、その他の場合には、光子検出事象は不確定であり、ボブ200のどの光子検出器230,240が光子を検出したかをアリス100は知ることができない。よって、この場合の検出事象は無視する。
Thus, for example, if the detection event by the
以上の手順において、どの光子検出器230,240が光子を検出したかという情報は外部には現われない。したがって、得られたビット情報を暗号鍵として使用することができる。
In the above procedure, information indicating which
この実施態様は、アリス100側に備えられたファラデー反射器110の効果により、2つのパルス光が自動的に同じ経路を逆向きに伝搬し、自動的に所定の干渉状態となるように構成されている。このため、元の BB84 方式で要求された偏波制御の必要がなく、安定な動作が可能である。
This embodiment is configured such that two pulse lights automatically propagate in the opposite directions in the opposite directions and automatically enter a predetermined interference state by the effect of the
上述した従来の BB84-“plug&play”方式においては、ファイバ伝送路300中でのレイリー散乱がシステムの高速化を妨げる要因となる。ここでいうレイリー散乱は、ガラス媒質の密度揺らぎにより、伝搬光の一部が後方に散乱される現象である。この現象のため、ボブ200からアリス100へ発せられたパルス光の一部が、ファイバ伝送路300内で後方散乱されてボブ200の光子検出器230,240に戻ってくる。この後方散乱による反射光は雑音として作用し、システムの誤動作を引き起こす。
In the conventional BB84- “plug & play” method described above, Rayleigh scattering in the
この誤動作を避けるためには、所望の信号光子とレイリー反射光子が異なる時刻に光子検出器230,240に到達するように構成し、光子検出器230,240を所望の信号光子が来た時刻だけ動作させる。具体的には、ボブ200はひとつのパルス光を送出後、そのパルス光が戻ってくるまで待機し、パルス光が戻ってきたら次のパルス光を送出するようにする。そのように構成すれば、待機時間内にレイリー反射光子が入力された後に、信号光子が入力されるので、両者を区別することができる。反射光子と信号光子の到達時刻の間隔をとるために、必要に応じて、アリス100内に遅延線を挿入してもよい。
In order to avoid this malfunction, the
しかし、このようなレイリー散乱の影響を避ける手法を採用すると、ボブ200が送出するパルス光の繰り返し速度が制限される。すなわち、ボブ200は一旦送り出したパルス光が戻ってきてから次のパルス光を送出するので、パルス間隔を往復の伝搬時間よりも短くすることができない。このため、暗号鍵の生成速度を早くすることが困難となる。
However, if a technique for avoiding the influence of such Rayleigh scattering is employed, the repetition rate of the pulsed light transmitted by
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、 BB84-“plug&play”量子暗号方式を基本としながらも、早いパルス繰り返し速度を可能とする量子暗号通信装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a quantum cryptography communication apparatus that enables a high pulse repetition rate while being based on the BB84- “plug & play” quantum cryptography. There is.
量子暗号通信プロトコルBB84を実装した BB84-“plug&play”(量子暗号通信装置)が有する暗号鍵生成速度が遅いという問題は、暗号鍵送受信の物理的媒体である光パルスのパルス送信間隔の下限値が或る値により制約されるために生じる。その下限値は、光パルスがファイバ伝送される際に発生するレイリー散乱の影響(ノイズ)を回避するために十分なパルス送信間隔になる。 The problem that the encryption key generation speed of the BB84- “plug & play” (quantum encryption communication device) that implements the quantum encryption communication protocol BB84 is slow is that the lower limit of the pulse transmission interval of the optical pulse that is the physical medium for transmitting and receiving the encryption key is This happens because it is constrained by some value. The lower limit value is a sufficient pulse transmission interval to avoid the influence (noise) of Rayleigh scattering that occurs when an optical pulse is transmitted through a fiber.
本発明は、図3で示した従来の BB84-“plug&play”の構成に、A)或る固定周波数f1のRF(無線周波数)信号で駆動される光位相変調器(図1の120)を通信経路に追加し、B)2つの光子検出器(図1の230,240)の前に各々特定の周波数のみを透過するフィルタ(図1の250、260)を追加する構成を特徴とする。この追加された周波数f1のRF信号により駆動される光位相変調器(120)は、光パルスが或る1つの向きに進行する際に、光パルス周波数f0と周波数(f0±f1)の変調側帯波とを生成する。上記のレイリー散乱光の周波数はf0であるため、上記のフィルタ(250、260)の特定周波数を1つの変調側帯波の周波数(f0+f1またはf0−f1)とすることによって、光子検出器(230,240)は、レイリー散乱によるノイズ(光パルス周波数f0)なしに、変調側帯波を信号として検出することが可能になる。 The present invention has the conventional BB84- “plug & play” configuration shown in FIG. 3 with an A) optical phase modulator (120 in FIG. 1) driven by an RF (radio frequency) signal of a certain fixed frequency f 1 . B) It is characterized in that a filter (250, 260 in FIG. 1) that transmits only a specific frequency is added before the two photon detectors (230, 240 in FIG. 1). The optical phase modulator (120) driven by the RF signal having the added frequency f 1 has an optical pulse frequency f 0 and a frequency (f 0 ± f 1 ) when the optical pulse travels in one direction. ) Modulation sidebands. Since the frequency of the Rayleigh scattered light is f 0 , the specific frequency of the filter (250, 260) is set to one modulation sideband frequency (f 0 + f 1 or f 0 −f 1 ), The photon detector (230, 240) can detect the modulated sideband as a signal without noise (light pulse frequency f 0 ) due to Rayleigh scattering.
上記構成により、本発明によれば、レイリー散乱の影響により制約される光パルス送信間隔の下限値を取り払うことを可能にするため、短間隔パルス送信を可能とし、暗号鍵生成を高速に行うことを可能とし、それにより早いパルス繰り返し速度で動作する BB84-“plug&play”量子暗号通信装置を提供することができる。 With the above configuration, according to the present invention, it is possible to remove the lower limit value of the optical pulse transmission interval that is restricted by the influence of Rayleigh scattering, thereby enabling short interval pulse transmission and high-speed encryption key generation. Thus, it is possible to provide a BB84- “plug & play” quantum cryptography communication device that operates at a high pulse repetition rate.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図1に本発明の一実施形態のシステム構成を示す。通例アリスと呼ばれる送信側装置(以下、アリスと称する)100と、通例ボブと呼ばれる受信側装置(以下、ボブと称する)200との間をファイバ伝送路300で接続している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration of an embodiment of the present invention. A
アリス100は、ファラデー反射器110と、ファイバ伝送路300とファラデー反射器110とを接続する経路115と、この経路115上に配置されて変調測帯波を生成する周波数f1で駆動される第1の光位相変調器120と、経路115上に配置された光減衰器130と、経路115上に配置された第2の光位相変調器140とを有する。
ボブ200は、レーザ光源210と、サーキュレータ215と、光カップラ220と、第1の光子検出器230と、第2の光子検出器240と、第1の光フィルタ250と、第2の光フィルタ260と、偏波ビームスプリッタ270と、光カップラ220の第3の端子と偏波ビームスプリッタ270の第1の端子とを接続する第1の光経路274と、光カップラ220の第4の端子と偏波ビームスプリッタ270の第2の端子とを接続する第2の光経路276と、第1の光経路274上に配置された第1の偏波制御器280と、第2の光経路276上に配置された第2の偏波制御器285および光位相変調器290と、第2の光経路276に挿入された遅延線295と、ファイバ伝送路300と偏波ビームスプリッタ270の第3の端子とを接続する経路298とを有する。
レーザ光源210は光周波数f0のパルス光を発生する。光カップラ220は2×2の入出力端子を有していて第1の端子に入力されたレーザ光源210からのパルス光を第3の端子及び第4の端子へ分岐して出力する。第1の光子検出器230は光カップラ220の第1の端子からの出力光を入力する。第2の光子検出器240は光カップラ220の第2の端子からの出力光を入力する。第1の光フィルタ250は第1の光子検出器230の直前に置かれていて変調測帯波(f0±f1)のいずれか一方の周波数(例えばf0+f1)の光のみを透過する。第2の光フィルタ260は第2の光子検出器240の直前に置かれていてその変調測帯波のいずれか一方の周波数(例えばf0+f1)の光のみを透過する。
The
偏波ビームスプリッタ270は1×2の入出力端子を有していて第1の端子に入力された横直線偏波光と第2の端子に入力された縦直線偏波光を第3の端子に合波して出力する。
The
第1の偏波制御器280は光カップラ220の第3の端子に分岐されたレーザ光源210から発せられたパルス光が、偏波ビームスプリッタ270の第1の端子に入力する際に、横直線偏波状態となるように設定される。第2の偏波制御器285は光カップラ220の第4の端子に分岐されたレーザ光源210から発せられたパルス光が偏波ビームスプリッタ270の第2の端子に入力する際に縦直線偏波状態となるように設定される。
When the pulsed light emitted from the
アリス100内の第2の光位相変調器140は、ボブ200内の光カップラ220により2分岐されたレーザ光源210からのパルス光のうちの一方に対して、0またはπ/2、またはπ、または3π/2の位相変調を加える。ボブ200内の光位相変調器290は、ボブ200内の光カップラ220により2分岐されたレーザ光源210からのパルス光のうちの他方に対して、0またはπ/2の位相変調を加える。
The second
図1に示すように、本発明の一実施形態では、図3の従来技術の構成に加えて、アリス100内に光位相変調器120を備えており、かつボブ200内の2つの光子検出器230,240の前段に光フィルタ250,260を備えている。
As shown in FIG. 1, in one embodiment of the present invention, in addition to the prior art configuration of FIG. 3, an
光位相変調器120は、固定の周波数f1のRF信号により駆動されている。このように駆動されている位相変調器120にキャリア周波数f0の光が入力されると、f0±f1の周波数位置に変調側帯波が生じた光が位相変調器120から出力される。その変調側帯波は、元のキャリア周波数成分に対して定まった位相関係を有している。そして、パルス光はファラデー反射器110によって光位相変調器120を往復するが、通常、高速で動作する位相変調器120には方向性があり、ある方向へ伝搬する光に対して位相変調がかかる場合に、その逆方向へ伝搬する光に対しては無変調となる。したがって、f1で駆動された光位相変調器120をパルス光が往復しても、二重に変調が加えられることはない。ボブ200内の光フィルタ250,260は、この変調側帯波の一方のみ、例えばf0+f1のみを透過させ、他の成分(f0、f0−f1)は阻止する。
このような構成にすると、レイリー散乱の影響を受けることなく、 BB84-“plug&play”量子暗号方式を実施することができる。すなわち、ボブ200は2分岐したパルス光を送出し、それらのパルス光がアリス100を経て、再びボブ200に戻り、ボブ200内の光カップラ220で干渉して、その干渉に応じて光子検出器230、240に光子が入力されるのは、図3の従来技術と同様である。ただし、本実施形態においては、ボブ200から送られてアリス100に入力した信号パルス光は、アリス100内でキャリア成分と変調側帯波成分に分かれ、ボブ200内の光フィルタ250,260のフィルタリング作用によって、ボブ200の光子検出器230、240にはいずれかひとつの変調側帯波成分の光子のみが入力される。
With such a configuration, the BB84- “plug & play” quantum cryptography can be implemented without being affected by Rayleigh scattering. That is,
一方、レイリー散乱光は、信号パルス光がボブ200からアリス100へ向かう伝送路300中で発生してボブ200へ反射されてくるので、その光周波数は元の周波数f0である。この周波数光は光フィルタ250,260で阻止されるので、光子検出器230,240にはレイリー散乱光は入力されず、従来技術のようにレイリー散乱光が雑音として作用することはない。したがって、本実施形態においては、ボブ200はいったん送り出したパルス光が往復して戻ってくるのを待たずに、次のパルス光を送出することができる。すなわち、早いパルス繰り返し速度で BB84-“plug&play”量子暗号方式を実施することができる。
On the other hand, Rayleigh scattered light, since the optical signal pulse comes is reflected to
(他の実施形態)
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、上述した本発明の実施形態では、受信機内の偏波ビームスプリッタ270への偏波状態を正しく設定するために偏波制御器280,285を用いているが、受信機内の光経路を偏波保持ファイバとすることにより、偏波制御器なしで偏波を所定状態とすることは可能である。また、本発明の実施形態では、ファラデー反射器を用いているが、本発明はこれに限定されず、同様な機能を有する反射部材を用いてもよい。
(Other embodiments)
The preferred embodiment of the present invention has been described by way of example, but the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and its constituent members and the like are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, and change in shape are all included in the embodiment of the present invention. For example, in the above-described embodiment of the present invention, the
100 アリス
110 ファラデー反射器
115 経路
120 第1の光位相変調器
130 光減衰器
140 第2の光位相変調器
200 ボブ
210 レーザ光源
215 サーキュレータ
220 光カップラ
230 第1の光子検出器
240 第2の光子検出器
250 第1の光フィルタ
260 第2の光フィルタ
270 偏波ビームスプリッタ
274 第1の光経路
276 第2の光経路
280 第1の偏波制御器
285 第2の偏波制御器
290 光位相変調器
295 遅延線
298 経路
300 ファイバ伝送路
1000 アリス(送信機)
2000 ボブ(受信機)
2100 光スイッチ
2200 直線偏波測定系
2220 偏波ビームスプリッタ
2240 第1の光子検出器
2260 第2の光子検出器
2300 円偏波測定系
2310 λ/4波長板
2320 偏波ビームスプリッタ
2340 第1の光子検出器
2360 第2の光子検出器
3000 伝送路
100
2000 Bob (receiver)
2100
Claims (2)
前記受信機は、
光周波数f0のパルス光を発生するレーザ光源と、
2×2の入出力端子を有して第1の端子に入力された前記レーザ光源からのパルス光を第3の端子及び第4の端子へ分岐して出力する光カップラと、
第1の光子検出器と、
前記光カップラの前記第1の端子からの出力光を前記第1の光子検出器に入力する手段と、
前記光カップラの第2の端子からの出力光を入力する第2の光子検出器と、
前記第1の光子検出器の直前に置かれて変調測帯波のいずれか一方の周波数光のみを透過する第1の光フィルタと、
前記第2の光子検出器の直前に置かれて前記変調測帯波のいずれか一方の周波数光のみを透過する第2の光フィルタと、
1×2の入出力端子を有して第1の端子に入力された横直線偏波光と第2の端子に入力された縦直線偏波光を第3の端子に合波して出力する偏波ビームスプリッタと、
前記光カップラの前記第3の端子と前記偏波ビームスプリッタの前記第1の端子とを接続する第1の光経路と、
前記光カップラの前記第3の端子に分岐された前記レーザ光源から発せられたパルス光が前記偏波ビームスプリッタの前記第1の端子に入力する際に横直線偏波状態であるように設定する手段と、
前記光カップラの前記第4の端子と前記偏波ビームスプリッタの前記第2の端子とを接続する第2の光経路と、
前記光カップラの前記第4の端子に分岐された前記レーザ光源から発せられたパルス光が前記偏波ビームスプリッタの前記第2の端子に入力する際に縦直線偏波状態であるように設定する手段と、
前記第2の光経路上に置かれた光位相変調器と、
前記第2の光経路上に挿入された遅延線と、
前記偏波ビームスプリッタの前記第3の端子と前記ファイバ伝送路とを接続する光経路とを有し、
前記送信機は、
入力された光の偏波状態をそれとは直交する偏波状態に変換して反射する反射部材と、
前記ファイバ伝送路と前記反射部材を接続する光経路と、
前記送信機の前記光経路上に配置されて変調測帯波を生成する周波数f1で駆動される第1の光位相変調器と、
前記送信機の前記光経路上に配置された光減衰器と、
前記送信機の前記光経路上に配置された第2の光位相変調器とを有し、
前記送信機内の前記第2の光位相変調器は、前記受信機内の前記光カップラにより2分岐された前記レーザ光源からのパルス光のうちの一方に対して、0またはπ/2、またはπ、または3π/2の位相変調を加え、
前記受信機内の前記光位相変調器は、前記受信機内の前記光カップラにより2分岐された前記レーザ光源からのパルス光のうちの他方に対して、0またはπ/2の位相変調を加えることを特徴とする量子暗号通信装置。 A quantum cryptography communication device that encrypts data transmitted and received between a transmitter and a receiver connected via a fiber transmission path and supplies an encryption key for decryption,
The receiver
A laser light source that generates pulsed light having an optical frequency f 0 ;
An optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal and branching and outputting the pulsed light from the laser light source input to the first terminal to the third terminal and the fourth terminal;
A first photon detector;
Means for inputting output light from the first terminal of the optical coupler to the first photon detector;
A second photon detector for inputting output light from the second terminal of the optical coupler;
A first optical filter that is placed immediately before the first photon detector and transmits only one frequency light of the modulated band wave;
A second optical filter that is placed immediately in front of the second photon detector and transmits only one frequency light of the modulated bandpass wave;
Polarized light having a 1 × 2 input / output terminal and combining the horizontally linearly polarized light input to the first terminal and the vertically linearly polarized light input to the second terminal into the third terminal for output. A beam splitter,
A first optical path connecting the third terminal of the optical coupler and the first terminal of the polarization beam splitter;
When the pulsed light emitted from the laser light source branched to the third terminal of the optical coupler is input to the first terminal of the polarization beam splitter, it is set so as to be in a horizontal linear polarization state. Means,
A second optical path connecting the fourth terminal of the optical coupler and the second terminal of the polarization beam splitter;
When the pulsed light emitted from the laser light source branched to the fourth terminal of the optical coupler is input to the second terminal of the polarization beam splitter, it is set to be in a vertically linearly polarized state. Means,
An optical phase modulator placed on the second optical path;
A delay line inserted on the second optical path;
An optical path connecting the third terminal of the polarization beam splitter and the fiber transmission path;
The transmitter is
A reflecting member that converts and reflects the polarization state of the input light into a polarization state that is orthogonal to the polarization state;
An optical path connecting the fiber transmission path and the reflecting member;
A first optical phase modulator disposed on the optical path of the transmitter and driven at a frequency f 1 that generates a modulated band wave;
An optical attenuator disposed on the optical path of the transmitter;
A second optical phase modulator disposed on the optical path of the transmitter;
The second optical phase modulator in the transmitter is 0 or π / 2, or π with respect to one of the pulsed light from the laser light source branched into two by the optical coupler in the receiver, Or add 3π / 2 phase modulation,
The optical phase modulator in the receiver applies phase modulation of 0 or π / 2 to the other of the pulsed light from the laser light source branched into two by the optical coupler in the receiver. A quantum cryptography communication device.
The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein the reflection member is a Faraday reflector.
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