JP2006041907A

JP2006041907A - 量子暗号装置

Info

Publication number: JP2006041907A
Application number: JP2004218747A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nanbu; 芳弘南部; Akihisa Tomita; 章久富田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP4348540B2

Abstract

【課題】安定した動作を行うことができ、ファイバ中の後方散乱迷光によるパフォーマンス上の制約が無く、かつ構成が簡易で低コストな量子暗号装置を提供する。
【解決手段】光源１は、光路差のある２つの光路を有する干渉系６の遅延時間τ_dの逆数よりも狭い周波数幅Δνの一定周波数の光信号を出力する。位相変調器２、５は、干渉系６の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な位相変調器である。光減衰器３は、位相変調器５および受信器７の作動時間内に到着しうる光子数が平均１以下となるように、位相変調器２からの光信号の光強度を減衰する。時間同期手段８は、位相変調器２、５および光子受信器７を、干渉系６の遅延時間よりも短い時間だけ同期して動作させる。光子受信器７は、干渉系６の２つの出力ポートのどちらのポートに光子が出力されたかを識別し結果を記録する。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送路により接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置に関し、特に、暗号鍵を光ファイバ通信によって送信部から受信部に対して配布する量子暗号鍵配布を行う量子暗号装置に関する。

インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、ＤＥＳ（Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やＲＳＡ（Rivest, Shamir, Adleman）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、このような従来の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。

情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。非特許文献１では、ワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルが提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在検討されている量子暗号は１ビットの情報を単一光子の状態として伝送する。このため、伝送路である光ファイバにより光子の状態が変化すると量子暗号の安全性は大きく損なわれる。

従来の量子暗号装置では特許文献１の図１に記載されているように送信側で光子パルスを光路差のある干渉系を用いて時間的に２分割し、互いの位相差を変調することにより暗号鍵となる乱数ビットを表現し、受信側で２分割された光子パルスを再び干渉させることにより伝送された乱数ビットを再生している。このため、送信側と受信側で用いる干渉系の光路差は完全に等しくなければならない。また、伝送路で偏光状態が変動すると干渉の明瞭度が低下し、受信誤り率の増大につながる。量子暗号では受信誤り率の増大を盗聴者検出の手段としているため、伝送路での偏光状態の変化による受信誤り率増大は盗聴者の発見確率を減少させ、結果として量子暗号の安全性を低下させる。

上述のような問題を解決するため、特許文献２またはこれを簡略にした非特許文献２に記載されているように、ファラデーミラーを用いて偏光方向の変動を補償する量子暗号装置が発明されている。この従来の量子暗号装置では、時間的に分割され偏光方向が直交した光パルスを受信器から送信器に送り、送信器はファラデーミラーを用いて送られてきた光の進行方向を反転させ、同時に偏光方向を９０度回転させた後、分割された光子パルスの間に位相変調器により位相差を与えて受信側に送り返すという構成をとっている。このような折り返し構成により、光子パルスを時間的に分割する干渉系と時間的に再び結合させる干渉系は同一のものになるため、干渉系の光路差が光子パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれば明瞭度の高い干渉が得られる。よく知られているように、途中の伝送路でいかなる偏光状態の擾乱を受けても、初めの状態が直線偏光状態であればファラデーミラーで反射されて戻った光の偏光方向は初めの状態に直交するため、伝送路での偏光状態の擾乱に対しても干渉信号の明瞭度は損なわれることはなく、量子暗号の安全性は保障される。

しかしながら、特許文献１に開示された量子暗号装置には問題がある。最も深刻な問題点は、システムの安定性である。特許文献１に開示された量子暗号装置は、送信側の干渉系により２分割された、位相関係の定まった２連光子パルス間の相対位相に情報をエンコードして伝送し、受信側の干渉系で合波した２連光子パルスの成分を観測することにより、相対位相にエンコードされた情報のデコードを行う。相対位相は送受信器の持つ干渉系の光路差に極めて敏感に依存する。送受信器の持つ干渉系は独立であり、一般に異なる環境に置かれている。このため、システムを安定化するためには、それぞれの干渉系の光路差を通信キャリアとして用いる光の波長の精度で安定化させる必要がある。このような干渉系の安定化は、集積光学系の技術を用いた固体素子干渉系を用いたり、アクティブな制御を施すことで解決可能ではあるが、なお高度な技術を要し、システムコストの増大原因となる。また、用いられる光源には短パルス光源を必要とし、同様にコスト増大要因となる。

また、特許文献２に開示された量子暗号装置にも、以下のような問題がある。この方式では、受信器側にある干渉系により位相関係の定まった２連光子パルスを作製して送信器に伝送し、送信器はこれを折り返すと同時に２連光子パルス間の相対位相に情報をエンコードして受信器に伝送する。受信器は自身の干渉系で合波した２連光子パルスを観測することにより、相対位相にエンコードされた情報のデコードを行う。このシステムにおいては、干渉に関与する２つの光子パルスが伝搬する経路は完全に一致するため、高いシステム安定性を持つ。さらに、このシステムでは、折り返しにファラデーミラーを用いることにより、伝送路での偏光状態の擾乱に依存しないシステムを実現可能である。しかしながら、この方法は折り返し型であるため、往路における大きな強度を持つ光パルスが復路にある単一光子レベルの微弱光パルスと交差する場合に、ファイバ中の後方散乱による迷光が発生し、システムのパフォーマンスを低下させるという問題がある。バーストパルス列を間欠的に伝送することにより、迷光の影響を避けることが可能であるが、その代償として鍵の生成レートが低下し、システムのパフォーマンスは改善しない。このような後方散乱による迷光は、量子暗号鍵伝送距離を制約する深刻な問題として知られている。
特許２９５１４０８号特表２０００−５１７４９９号公報 Bennett and Brassard, IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984) Ribordy, Gautier, Gisin, Guinnard and Zbinden, Electronics Letters, Vol. 34 No.22, p.2116−211, 29th October 1998

上述した従来の量子暗号装置では、下記のような問題点があった。
（１）特許文献１記載の技術では、送信側と受信側でそれぞれ干渉系を設けておく必要があるため、システムの安定性が低くなるとともに、システムコストが増大する。また、高価なパルス光源を用いる必要があるためシステムコストが増大する。
（２）特許文献２記載の技術では、干渉系は受信側にのみ備えればよいためシステムの安定性は高いが、ファイバ中の後方散乱による迷光が発生しシステムのパフォーマンスが低下する。

本発明の目的は、安定した動作を行うことができ、ファイバ中の後方散乱迷光によるパフォーマンス上の制約が無く、かつ構成が簡易で低コストな量子暗号装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の量子暗号装置は、伝送路により接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置であって、
光路差のある２つの光路を有する干渉系と、前記干渉系の２つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器と、前記伝送路を介して前記送信部から送信されてきた光信号を、前記干渉系の２つの光路の光路差によって決まる遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて前記干渉系に入力する第１の位相変調器とから構成される受信部と、
前記干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源と、前記光源により出力された光信号に対して、前記干渉系の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な第２の位相変調器と、前記第１の位相変調器および前記光子受信器の作動時間内に到着しうる光子数が平均１個以下となるように前記第１の位相変調器により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰させて前記伝送路に出射する光減衰器とから構成される送信部と、
前記第１および第２の位相変調器および前記光子受信器を前記干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期して作動させる時間同期手段とを有する。

本発明によれば、送信部の干渉系を省くことにより必要な干渉系を受信部の１つだけに減らすことができるため、装置構成を簡易化しコストを削減を図ることができる。また、干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源を用い、時間同期手段により、第１および第２の位相変調器および光子受信器を、干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期させて作動させるようにしているので、高価なパルス光源を用いる必要はなく、連続光を出力する光源を用いることが可能となり、コスト削減を図ることが可能となる。さらに、本発明では、光信号の伝送方向は送信部から受信部への単方向であるため、伝送路となる光ファイバ中の後方散乱による迷光によってパフォーマンスが低下することを防ぐことが可能となる。

また、本発明の他の量子暗号装置では、前記第１の位相変調器を、
前記伝送路から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える偏波スクランブラと、
前記偏波スクランブラから入力された光信号にたいして、一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる偏光子と、
前記偏光子を通過した光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。

さらに、前記第１の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するファラデーミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ファラデーミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に該光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。

さらに、前記第１の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよびファラデー回転子が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ループミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に、一定時間だけ時間的に離れた等振幅の２連電気パルスを与えられることにより該光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。

さらに、前記第１の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。

さらに、前記第１の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、半波長位相板および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。

さらに、前記第１の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよび位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得ることができる。

（１）第１の効果は、本発明によると特許文献１に開示された量子暗号装置に比べて、送信部の干渉系を省くことができ、必要な干渉系を受信部ひとつだけに減らすことが出来、装置構成を簡易化しコストを削減できる。

（２）第２の効果は、本発明によると特許文献１に開示された量子暗号装置のように高価なパルス光源を用いる必要はなく、連続光源で足りる。従って、装置のコストを削減することが出来る。

（３）第３の効果は、本発明によると特許文献２に開示された量子暗号装置と異なり、光信号の伝送方向は送信器から受信器への単方向であるため、ファイバ中の後方散乱迷光によるパフォーマンス上の制約が無い。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態の量子暗号装置の構成が示されている。本実施形態の量子暗号装置は、量子暗号を送信する送信部１０と、送信部１０からの量子暗号を受信する受信部２０と、送信部１０と受信部２０とを接続する伝送路４と、時間同期手段８とから構成されている。

送信部１０は、干渉系６の遅延時間τ_dの逆数よりも狭い周波数幅Δνの一定周波数の光信号を出力する光源１と、位相変調器２と、光減衰器３とから構成され、受信部２０は、位相変調器５と、光路差のある２つの光路を有する干渉系６と、干渉系６の２つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器７とから構成されている。

時間同期手段８は、位相変調器２、５および光子受信器７を、干渉系６の遅延時間よりも短い時間だけ同期して動作させる。

光源１は、出力光の周波数幅ΔνがΔν＜＜１／τ_dを満足するような、狭線幅、周波数安定性を持つ光源であり、原子吸収線を用いたフィードバック機構により周波数安定化された半導体レーザが利用できる。ここで、τ_dは干渉系６の２つの光路の光路差によって決まる遅延時間である。

位相変調器５は、伝送路４を介して送信部１０から受信部２０に送信されてきた光信号を、干渉系６の２つの光路によって決まる遅延時間τ_dよりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて干渉系６に入力する。

また、送信部１０の位相変調器２は、光源１により出力された光信号に対して、干渉系６の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な位相変調器である。

この位相変調器２としては、市販のリチウムナイオベート導波路を用いた位相変調器を用いることができる、これらの位相変調器はその変調特性に偏波面依存性を有するが、位相変調器２に入射する光の偏波面は光源１により自由に制御可能であるので、最善の偏波面を選択し、入射すればよい。一方、伝送路４は一般的に偏波面を保存しない。従って、位相変調器５で与える位相変調に対応する電気信号の大きさが一意に決まらないという問題が発生する。この問題を解決する手段として次の２つの方法がある。

第１の方法は光の無偏波面化を行う方法である。この方法を用いる位相変調器５の構成の一例を図２に示す。この例では、位相変調器５は、偏波スクランブラ３２と、偏光子３３と、位相変調部３４とから構成されている。

偏波スクランブラ３２は、伝送路４から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える。偏光子３３は、偏波スクランブラ３２から入力された光信号に対して、位相変調部３４における最適偏波面と同一の偏波面を有する、つまり一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる。位相変調部３４は、偏光子３３を通過した光信号に対して位相変調を行う。

図２において、伝送路４から入射した光は、偏波スクランブラ３２によってランダムな偏波面変調を与えられる。偏光子３３によって位相変調器３４の最適偏波面と同一の偏波面を有する光子だけが選択された後に、位相変調器３４により変調を与えられ出射される。この方法では入射光子の半数が偏光子３３によって失われるというデメリットがある。また、偏波スクランブラ３２などコスト増大の要因が残される。

第２の方法は位相変調器の偏波面無依存化を行う方法である。本実施形態の量子暗号装置においては、位相変調器５の入出力光で偏波面が保存される必要はない。第２の方法を用いる位相変調器５の構成のいくつかの例を図３〜図７に示す。

図３は、偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する一構成例を示す図である。

この位相変調器は、サーキュレータ４２と、位相変調部４３と、ファラデーミラー４４とから構成されている。

サーキュレータ４２は、幹線伝送路４１から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、この枝線伝送路からの光信号を幹線伝送路に戻す。ファラデーミラー４４は、サーキュレータ４２により幹線伝送路４１から分岐された枝線伝送路を終端する。位相変調部４３は、枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号がファラデーミラー４４で終端されて枝線伝送路を一往復する際にこの光信号に対して位相変調を行う。

次に、この位相変調器の動作を図３を参照して説明する。幹線伝送路４１から入射された光信号は、サーキュレータ４２によって枝光路（枝線伝送路）に分岐される。枝光路に導かれた光は、ファラデーミラー４４で終端された枝光路を一往復し、その過程で位相変調部４３を２回通過し、サーキュレータ４２によって幹線伝送路に戻る。位相変調部４３とファラデーミラー４４間のラウンドトリップタイムだけ時間的に離れた等振幅の２連電気パルスを位相変調部４３に与えることにより、入力光の偏波面に依存しない位相変調を与えることが可能である。

図４は、図３に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。幹線伝送路５１から入射した光は、サーキュレータ５２によって枝光路に導かれる。枝光路に導かれた光は、偏光ビームスプリッタ５４、偏光回転角９０度のファラデー回転子５５、これらを結合する定偏波光ファイバ５６、５７からなるループミラーで終端された枝光路を一往復し、その過程で位相変調部５３を２回通過し、サーキュレータ５２によって幹線伝送路に戻る。この構成によるループミラーは、ファラデーミラーと同等の作用をすることが知られている。位相変調部５３とループミラー間のラウンドトリップタイムだけ時間的に離れた等振幅の２連電気パルスを位相変調部５３に与えることにより、入力光の偏波面に依存しない位相変調を与えることが可能である。

図５は偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。幹線伝送路６１から入射された光は、サーキュレータ６２によって枝光路に導かれる。枝光路に導かれた光は、偏光ビームスプリッタ６３、位相変調部６４、偏光回転角９０度のファラデー回転子６５、これらを結合する定偏波光ファイバ６６、６７、６８からなる、位相変調部６４を内包したループミラーで終端された枝光路を一往復し、サーキュレータ５２によって幹線伝送路に戻る。この構成では、位相変調部６４に与える電気パルスは単一のパルスで十分であるというメリットがある。

図６は、図５に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。この図６に示す構成では、図５に示した構成に対してファラデー回転子６５を半波長位相板７５に置き換えた構成となっている。半波長位相板７５の光軸は、定偏波光ファイバ７７、７８の光軸から４５°回転して配置されている。このような構成の位相変調器も、図５に示した位相変調器と同様な機能を有している。

なお、図６中の幹線伝送路７１、サーキュレータ７２、偏光ビームスプリッタ７３、定偏波光ファイバ７６〜７８は、図５中の幹線伝送路６１、サーキュレータ６２、偏光ビームスプリッタ６３、定偏波光ファイバ６６〜６８にそれぞれ対応している。

図７は、図５に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図であり、図５におけるファラデー回転子６５に相当する素子はループミラー中に存在しない。その代わりに、偏光ビームスプリッタ８３の端子８３１、８３２はそれぞれ電界ベクトルの向きを遅軸に合わせた定偏波光ファイバ８５、８６に結合されている。この構成によっても、同様に偏波面無依存性を有する位相変調器を実現することができる。

なお、図７中の幹線伝送路８１、サーキュレータ８２、偏光ビームスプリッタ８３、定偏波光ファイバ８５、８６は、図５中の幹線伝送路６１、サーキュレータ６２、偏光ビームスプリッタ６３、定偏波光ファイバ６６〜６８にそれぞれ対応している。

光学損失の観点から言えば、これら第２の方法では、光路中に置かれた様々な光学素子による光学損失が３ｄＢより小さくなければ第一の方法より優れているとは言えないが、偏波スクランブラのような動的素子が不要になる分コストを低減出来るメリットがある。

光減衰器３は、位相変調器２を通過した光信号を、量子暗号の安全性を確保するために必要な光強度に減衰する。具体的には、光減衰器３は、位相変調器５および受信器７の作動時間内に到着しうる光子数が平均１以下となるように、位相変調器２により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰する。

光路差のある干渉系６は光ファイバおよびファイバカップラによって実現することができるが、平面光回路技術の応用で集積光学素子により実施するのが、安定性の点でよりすぐれている。量子暗号装置が伝送路４中の光の偏波回転に依存せず動作するためには、干渉系６の長尺光路と短尺光路の復屈折特性は、偏波コントローラまたはそれに準ずる技術によりバランスされていることが必要である。

光子受信器７は、外部制御により短時間だけ動作するゲートモード動作が可能で、時間同期手段８からのゲートオープン信号を入力することによりゲートオープン状態となり、ゲートオープン状態となったとき、干渉系６の２つの出力ポートのどちらのポートに光子が出力されたかを識別し結果を記録する機能を有する。これに用いる光子検出器７としては、ゲートモード動作のアバランシェフォトダイオードをもちいることができるが、多種の光子検出器であっても、ゲートモード動作を付加することが出来れば用いることが出来る。

時間同期手段８は、送信器のもつ時計、受信器の持つ時計、送信器と受信器で時間情報を共有するための通信手段と、位相変調器２、位相変調器５、光子受信器７を適当な時間に動作させる信号を発生する手段により構成される。時計および信号発生手段は、適当に設計された電子回路により実施することが出来る。時間情報を共有する手段としては、伝送路４を用いて光信号により実施することが出来るが、本発明はその手段を限定する物ではない。

次に、本実施形態の量子暗号装置の動作について図面を参照して詳細に説明する。

先ず最初に本実施形態の量子暗号装置の概略の動作について説明する。

送信部１０では、光源１から出射された光は位相変調器２を通過し、光減衰器３によって量子暗号の安全性を確保するために必要な光強度に減衰された後、伝送路４に入射される。その際に、位相変調器２では、時間同期手段８から出力された４値電気信号を用いて、通過中の光成分にパルス的位相変調を与える。このとき、位相変調量ＰがＰ−Ｐ₀∈[0, π/2, π, 3π/2]かつランダムに選ばれるように電気信号出力値をプログラムしておく。

そして、伝送路４を通過して受信部２０に入力された光信号は位相変調器５を通過する。このとき、位相変調器５では、位相変調器２で位相変調を与えられた光成分あるいはその前後τ_dの時間領域にある光成分のみに時間選択的に位相変調を与える。位相変調器５において位相変調を行う際の位相変調量Ｑは、Ｑ∈[0, π/2]かつランダムに選ばれるように、時間同期手段８から位相変調器５に２値電気信号が与えられる。位相変調器５を通過した光は、光路差のある干渉系６に入射され、下記において説明するように、位相変調器２および位相変調器５の位相変調量の差Ｐ−Ｑに正弦波的に依存し、時間的に変動した出力光成分の一方のみが光受信器７により選択的に検出される。

光子受信器７は、対応する干渉光成分が干渉系６の２つの出力ポートのどちらに出力されたかを識別し結果を記録する。

そして、光子受信器７により得られた記録と位相変調器２および位相変調器５の位相変調量のＰ、Ｑの記録を元に非特許文献１に与えられたプロトコルを実行すれば、安全な最終暗号鍵を生成することができる。

位相変調器２、位相変調器５を同期されるための同期信号は時間同期手段８から与えられるが、この同期信号の時間的調整を行う際には、光減衰器３の減衰量をゼロとして強い光信号を用いて行うようにすれば容易に調整を行うことが可能である。

さらに、本実施形態の量子暗号装置における詳細な動作を以下に説明する。

まず、位相変調器２および位相変調器５の作用を無視して、つまり位相変調が行われていない状態を考える。干渉系６の２つの光路の光路差によって決まる遅延時間をτ_dとし、光源１の出力光の周波数幅をΔνとすると、Δν＜＜１／τ_dが満足されている場合には光子受信器７の２つの出力ポートへの光出力の割合は、干渉系６の光路長差や光源１の出力光の中心周波数に依存し、これらのパラメータに対して正弦波的にそれぞれ周期ｖτ_d、1/τ_dで変動する。ここで、ｖは干渉系６の光路中の光の位相速度である。これは、時間τ_d離れた光成分に明確な位相関係があり干渉し合うためで、良く知られた光干渉現象であり、光フィルタなどのデバイスに応用されている。

次に、位相変調器２および位相変調器５の動作について図８のタイミングチャートを参照して説明する。光源１から出射された連続光に、まず位相変調器２のみによってパルス的位相変調を与える。

図８（ａ）は位相変調器２における位相変調量の時間変化を示す図であり、図８（ｂ）は位相変調器５における位相変調量の時間変化を示す図である。また、図８（ｃ）、（ｄ）は、光子受信器７の２つの出力ポートの光強度の時間変化を示す図であり、図８（ｅ）は、光子受信器７に与えるゲートオープン信号の時間変化を示す図である。

位相変調がない場合には、光子受信器７への光出力は干渉系６の光路長差や光源１の出力光の中心周波数によって決まる定常状態にある。位相変調器２のみにより光信号にパルス的位相変調を与えると、その作用により光子受信器７の光出力がパルス的に変動する。このパルス的変動は、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように位相変調器２から光子受信器７までの光伝搬時間（時刻ｔ₁−ｔ₃）程度遅れて２つの時間領域に出現する。これは、位相変調を受けた光成分に対して前後τ_dの時間領域にある光成分が干渉するためである。この変動は光干渉によって生じるため、図８（ｃ）に示した波形と図８（ｄ）に示した波形を加算すると一定値になり、互いに相補的な関係にある。図８に示したように一方の出力ポートへの光出力強度をゼロまで落とすような位相変調量Ｐ₀に調節することが常に可能であり、他方の出力ポートへの光出力強度をゼロに落とすような位相変調量

に調節することも常に可能である。これら２つの位相変調量の差

はπとなる。従って、光子受信器７をこの２つの時間領域の何れかに同期したゲートオープン信号を用いて同期的に短時間作動させて、この時間領域における光信号だけを観測するようにすれば（時刻ｔ₄）、位相変調器２の位相変調量Ｐに正弦波的に依存する光子受信器７出力を得ることが可能である。これに加えて、位相変調器５を位相変調器２から位相変調器５間での光伝搬時間（時刻ｔ₁−ｔ₂）だけ遅延させて作動させ、位相変調量Ｑを与えると、位相変調器２および位相変調器５の位相変調量の差Ｐ−Ｑに正弦波的に依存する光子受信器７出力を得ることが可能である。

このような位相変調器２および位相変調器５の位相変調量の差Ｐ−Ｑに正弦波的に依存する光子受信器７の出力特性は、量子暗号装置の実装に必要な特性であり、この作用を用いて量子暗号装置を構成することが可能である。具体的には、光子受信器７の作動時間内に到着しうる光子数を平均１以下となるように光減衰器３の減衰量を設定し、位相変調器２の位相変調量ＰがＰ−Ｐ₀∈[0, π/2, π, 3π/2]となるようにランダムに周期的にパルス変調を与え、光伝搬時間だけ遅延して位相変調器５の位相変調量Ｑを[0, π/2]からランダムに選んでパルス変調を与え、光伝搬時間だけ遅延して光子受信器７を短時間動作して得られた結果（いずれのポートに出力されたか）を記録すればよい。光子受信器７は、対応する干渉光成分が干渉系６の２つの出力ポートのどちらに出力されたかを識別し結果を記録する。

その後は、上述したように、得られた記録と位相変調器２および位相変調器５の位相変調量のＰ、Ｑの記録を元に非特許文献１に与えられたプロトコルを実行すれば、安全な最終暗号鍵を生成することができる。

以上本実施形態では、光源１から出射された光が連続光の場合について主に説明したが、この方法に必要な光成分は位相変調を受けた光成分および前後τ_dの時間領域にある光成分の内一方のみである。従って、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、光源としてはこれらの時間領域のみ光が出射される非連続光であっても良い。

本発明の一実施形態の量子暗号装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の他の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の他の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の他の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の他の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置における位相変調器５の他の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の量子暗号装置の位相変調器２の動作タイミング（図８（ａ））、位相変調器５の動作タイミング（図８（ｂ））と、光子受信器７の２つの出力ポートの光強度変化（図８（ｃ）、（ｄ））、および光子受信器７に与えるゲートオープン信号（図８（ｅ））の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１光源
２位相変調器
３光減衰器
４伝送路
５位相変調器
６干渉系
７光子受信器
８時間同期手段
１０送信部
２０受信部
３２偏波スクランブラ
３３偏光子
３４位相変調部
４１伝送路
４２サーキュレータ
４３位相変調部
４４ファラデーミラー
５１伝送路
５２サーキュレータ
５３位相変調部
５４偏光ビームスプリッタ
５５ファラデー回転子
５６定偏波光ファイバ
５７定偏波光ファイバ
６１伝送路
６２サーキュレータ
６３偏光ビームスプリッタ
６４位相変調部
６５ファラデー回転子
６６〜６８定偏波光ファイバ
７１伝送路
７２サーキュレータ
７３偏光ビームスプリッタ
７４位相変調部
７５半波長位相板
７６〜７８定偏波光ファイバ
８１伝送路
８２サーキュレータ
８３偏光ビームスプリッタ
８４位相変調部
８５、８６定偏波光ファイバ
８３１、８３２偏光ビームスプリッタの端子

Claims

伝送路により接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置であって、
光路差のある２つの光路を有する干渉系と、前記干渉系の２つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器と、前記伝送路を介して前記送信部から送信されてきた光信号を、前記干渉系の２つの光路の光路差によって決まる遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて前記干渉系に入力する第１の位相変調器とから構成される受信部と、
前記干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源と、前記光源により出力された光信号に対して、前記干渉系の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な第２の位相変調器と、前記第１の位相変調器および前記光子受信器の作動時間内に到着しうる光子数が平均１個以下となるように前記第１の位相変調器により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰させて前記伝送路に出射する光減衰器とから構成される送信部と、
前記第１および第２の位相変調器および前記光子受信器を前記干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期して作動させる時間同期手段と、
を有する量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
前記伝送路から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える偏波スクランブラと、
前記偏波スクランブラから入力された光信号にたいして、一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる偏光子と、
前記偏光子を通過した光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項１に記載の量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するファラデーミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ファラデーミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に該光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項１記載の量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよびファラデー回転子が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ループミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に、一定時間だけ時間的に離れた等振幅の２連電気パルスを与えられることにより該光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項１記載の量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項１記載の量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、半波長位相板および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項１記載の量子暗号装置。
前記第１の位相変調器が、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよび位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項１記載の量子暗号装置。