JP2006074250A - 量子暗号通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子暗号鍵配送における配送距離の長距離化を実現する。
【解決手段】 中継器１４と量子相関光子対発生装置１３とを用いて、量子暗号鍵配送における配送距離の長距離化を達成し、長距離配送を正しく行なう。中継器１４は、２×２光カップラ１５と、この光カップラの出力ポートに接続された２つの光子検出器１６，１７とから構成されている。量子相関光子対発生器１３は、光パラメトリック過程によりポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子を発生する装置であり、２次光非線形結晶２０に代表される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、量子暗号通信装置に関し、特に従来よりも長い距離離れた送信機と受信機に対して量子暗号鍵を供給することができる量子暗号通信装置に関する。

近年、光子１個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点にいる２つの通信機間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給する暗号化方式の１つで、量子鍵配送とも呼ばれている（特許文献１）。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは、本発明に類似の差動位相シフト量子鍵配送方式について説明する（非特許文献１）。

図３は従来の差動位相シフト量子鍵配送装置の基本構成を示す。送信機１は、０またはπでランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均１個光子未満として送出する。この平均光子数１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。このようなパルス列を光子検出すると、あるパルスでは光子が検出されるが、あるパルスでは何も検出されない、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったくの確率的で、検出するまで不確定である。

送信機１から送出されたパルス列２は伝送路３を経て、受信機４に到達する。受信機４は、受信パルス列を光分岐器（光カップラ）５で２つに分岐し、光遅延回路（光遅延線）６により一方に遅延を加えたのち、２×２の光カップラ（光合波器）７により再び合波する。この合波カップラ７の２つの出力ポートには、それぞれ光子検出器Ａ ８、光子検出器Ｂ ９が備えられている。

ここで、分岐・合波回路５〜７で一方に与える遅延時間は、入力されるパルス列の時間間隔に等しいものとする。このようにすると、合波カップラ７では、前後のパルスが重なり合って合波される。入力パルス列は０またはπで位相変調されている。従って、分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなっている。干渉の結果、位相差が０ならば、検出器Ａ ８が、位相差πなら検出器Ｂ ９が、光子を検出することになる。

以上の構成を用いて、送信機１と受信機４は以下の手順により秘密鍵を得ることができる。まず、受信機４は、上記の受信構成により光子を検出する。この時、検出した時刻と検出器（８または９のいずれか）とを記録する。必要な数だけ光子が送受信された後、受信機４は送信機１に光子検出時刻を知らせる。送信機１は、知らされた検出時刻と自分の位相変調データから、受信機４がどちらの検出器で光子を検出したかを知ることができる。

そこで、検出器Ａ ８をビット「０」、検出器Ｂ ９をビット「１」と予め取り決めておけば、送信機１と受信機４は同じビット列を得ることができる。この手順において、受信機１から送信機４へ知らされるのは光子検出時刻のみで、ビット情報は外部には出されない。したがって、これからビット情報が他の受信機（図示しない）を通じて他人に盗聴されることはない。また、送られているのはパルスあたり平均１光子未満の光なので、他の受信機が信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、光子が２分割されることはないので、他の受信機が分岐により光子検出すると、その光子は受信機４には届かず、送信機１が送信したビット列と受信機４が受信したビット列とが一致しないからである。このように、以上の構成と手順とにより送受信機１，４が得るビット列は、外部から盗聴されることのないビット列となっている。そこで、このビット列を暗号データを生成・再生するための秘密鍵としている。

特開２００４−１８７２６８号公報 K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, "Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light", Physical Review A, vol. 68, paper number 022317 (2003).

上記のような従来の差動位相シフト量子鍵配送方式では、分岐による盗聴を避けるため、光子１個レベルの光パルスを送受信している。ところで、実際の伝送路３には損失があり、このため、光子の一部は伝送路３で消失して受信機４には届かない。伝送路３が長いと損失も大きく、受信機４に光子が届く確率は小さくなる。一方、一般に光子検出器９，９は、実際には光子が入力されていないのにあたかも光子を検出したかのような動作をすることがある。光子検出器９，９の誤動作は、入力光子がある程度多ければ無視できるが、入力光子数が少ないと、相対的に誤動作による誤信号が多くなり、正しい光子検出ができなくなる。すなわち、伝送距離が長いと、装置が正しく動作しなくなる。つまり、伝送路の減衰により伝送可能距離が制限されることになる。

通常の光通信であれば、光増幅器または光電気変換を介した中継器を用いて弱まった信号を再び強めることは可能であるが、量子鍵配送の場合には、光子１個レベルの光信号であるため、光直接増幅しようとすると、本来の光信号が光増幅器の自然放出光に埋もれてしまう。また、光電気変換を介して信号再生しようとしても、量子鍵配送で伝送されているのは、どのパルスで光子が検出されるかは確率的であるような光信号であり、このような光パルス列を光電気変換により再生することは不可能である。

以上のように、従来技術による量子鍵配送には、通常の信号中継手段が適用できず、伝送路損失のために伝送可能距離が制限されるという課題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて成されたもので、その目的は、量子鍵配送可能とされた従来の限界距離よりも長い距離離れた送信機と受信機に対して量子暗号鍵を供給することができる量子暗号通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、送信機と受信機間において送受信されるデータを暗号化し、復号化するための暗号鍵を供給する量子暗号通信装置において、一定間隔の光パルス列を出力する送信機と、量子相関のあるシグナル光子とアイドラー光子から成る光子対を前記光パルス列と同じ時間間隔で出力する量子相関光子対発生器と、前記送信機からの光と前記シグナル光子とが入力される中継機と、前記アイドラー光子が入力される受信機とを備え、前記中継機は、２×２の入出力端子を有し、同じ時刻に、前記送信機からの光パルス列をその第１の入力端子に入力し、前記シグナル光子の光子列をその第２の入力端子に入力する光カップラと、前記光カップラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、前記光カップラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器とを有し、前記中継機は、前記第１と第２の光子検出器の少なくともいずれかが光子を連続して検出した場合に、その時刻を前記送信機と前記受信機の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、２つの光子検出器が交互に光子検出したかを前記送信機に知らせることを特徴とする。

ここで、前記受信機は、入力された前記アイドラー光子の光子列を２経路に分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して１パルス分遅延する遅延手段と、２×２の入出力端子を有し、前記分岐手段で分岐された光子列の他方をその第１の入力端子に入力し、前記遅延手段で遅延された光子列をその第２の入力端子に入力する第２の光カップラと、前記第２の光カップラの第１の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう第３の光子検出器と、前記第２の光カップラの第２の出力端子に接続され光子列の検出を行なう第４の光子検出器とを有し、前記中継器から通知された検出時刻に対応する時刻に、前記第３の光検出器が光子検出していればビット「０」、前記第４の光検出器が光子検出していればビット「１」としてビットを生成し、該ビットを生成した光子の検出時刻を前記送信機に知らせることを特徴とすることができる。

また、前記送信機は、一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生する手段と、前記光パルスの位相を０またはπで変調する手段と、変調された前記光パルスを１パルス当り平均１光子未満で前記中継機への伝送路に送出する手段とを備え、位相変調データを記録し、前記中継器からの検出情報と、前記受信機からの時刻情報と、及び自分の位相変調データとから、前記受信機が生成したビット情報を感知して、該ビット情報を自身のビット情報とすることを特徴とすることができる。

また、前記量子相関光子対発生器は、ポンプ光子を発生する手段を含み、前記光子対として光パラメトリック過程により該ポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子を発生することを特徴とすることができる。

一般に、信号伝送装置の伝送距離は、送信パワーと最小受信感度の差で決まる。本発明で用いる量子相関光子対発生器の光子発生効率が送信機のそれと同じであると想定すると、その量子相関光子対発生器から受信機までの伝送距離は、中継ノードが無い場合の送受信機間の距離と同じにできる。本発明ではこれに加えて、本発明による中継器（中継ノード）を採用したので、量子相関光子発生器からその中継器までの距離に、送信機から中継器までの距離が足されたものが、送信機から受信機までの実効的な伝送距離となる。したがって、本発明を適用すると、送受信機間の距離を従来よりも大幅に長くすることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

本発明は、以下に詳述するように、従来技術で述べた差動位相シフト量子鍵配送を基本としつつ、送信機と受信機の間に、量子相関光子対発生器と中継ノードとを挿入することにより、送受信機間の長距離化を図っている。

図１は、本発明の一実施の形態における量子暗号通信装置の特に量子相関光子対発生器と中継ノードに関わる部分の構成を示す。送受信機間１，４の伝送路中に、量子相関光子対発生器１３と、中継ノード（中継器）１４とが配置されている。中継ノード１４は合波手段としての２×２の光カップラ１５と、そのカップラの出力ポートにそれぞれ接続した２つの光子検出器１６、１７と、２つの光子検出器１６、１７に接続して送信機１間と受信機４間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置１８とを備えている。情報交換装置１８はＣＰＵ等から構成される。図１では説明のため、量子相関光子対発生器１３と中継ノード１４は近い位置に配置されているように描かれているが、実際には従来よりも大幅に長い伝送路を介して接続されているものとする。

送信機１は、コヒーレントパルス光源２１からの光をパルス毎に｜０，π｜で位相変調し、平均１光子／パルス未満に減衰させて、伝送路へ送出する。さらに詳細には、送信機１は、一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生するコヒーレントパルス光源２１と、その光パルスの位相を０またはπで変調する位相変調回路２２と、変調された光パルスを１パルス当り平均１光子未満で中継機１４へ送出する減衰回路２３と、位相変調回路２２に接続して中継ノード１間と受信機４間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置２４とを備えている。情報交換装置２４はＣＰＵ等から構成される。

受信機４は、入力光パルス列を２分岐し、一方に１パルス分の遅延を与えた後に再び合波する。合波カップラ７の２つの出力端にはそれぞれ光子検出器８，９が備えられている。さらに詳細には、受信機４は、入力された後述のアイドラー光子の光子列を２経路に分岐する光分岐器（光カップラ）５と、その分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して１パルス分遅延する光遅延回路（光遅延線）６と、２×２の入出力端子を有し、分岐された光子列の他方をその第１の入力端子に入力し、遅延された光子列をその第２の入力端子に入力する２×２の光カップラ（光合波）７と、その光カップラの第１の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう光子検出器Ａ ８と、その光カップラの第２の出力端子に接続され光子列の検出を行なう光子検出器Ｂ ９と、２つの光子検出器８，９に接続して送信機１間と中継ノード１４間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置２５とを備えている。情報交換装置２５はＣＰＵ等から構成される。

中継ノード１４の情報交換装置（ＣＰＵ）１８は、光子を検出した時刻といずれかの光子検出器が検出したかを記録し、後述のように、その光子検出時刻を送信機１と受信機４の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、２つの光子検出器が交互に光子検出したかを送信機１に知らせる。送信機１の情報交換装置（ＣＰＵ）２４は、位相変調データを記録し、後述のように、中継器１４からの検出情報と、受信機４からの時刻情報と、及び自分の位相変調データとから、受信機４が生成したビット情報を感知して、そのビット情報を自身のビット情報とする動作をする。受信機４の情報交換装置（ＣＰＵ）２５は、光子検出時刻および検出した検出器を記録し、後述のように、中継器１４から通知された検出時刻に対応する時刻に、光検出器Ａ ８が光子検出していればビット「０」、光検出器Ｂ ９が光子検出していればビット「１」としてビットを生成し、そのビットを生成した光子の検出時刻を送信機１に知らせる動作をする。

量子相関光子対発生器１３は、ポンプ光源１９と光非線形媒質２０とを有し、相関を持った２つの光子を必ず同時に出力する装置である。具体的には、量子相関光子対発生器１３は、例えば、光パラメトリック過程（optical parametric process）を利用して２つの光子、すなわち後述のシグナル光子とアイドラー光子を出力する。ポンプ光源１９からの光を光非線形媒質２０に入力し、光非線形媒質２０から出力されるシグナル光子とアイドラー光子を、前者を中継ノード１４へ送信し、後者を受信機４に送信する。

上記の光パラメトリック過程とは光非線形現象の一種で、例えば、光周波数ｆ_ｐのポンプ光と光周波数ｆ_ｓのシグナル光を２次の光非線形結晶２０に入力すると、非線形分極Ｐ＝ｃ_２Ｅ_ｐＥ_ｓ ^＊から光周波数ｆ_ｉ＝ｆ_ｐ−ｆ_ｓの周波数光が発生する（ｃ_２：非線形感受率、Ｅ_ｐ：ポンプ光電場、Ｅ_ｓ：シグナル光電場、＊は複素共役）。慣例的に、その新たに発生する光はアイドラー光（idler light）と呼ばれる。量子学的に言うと、これは、ポンプ光子とシグナル光子からアイドラー光子が発生する現象で、エネルギー保存則より３つの光子間には図２のような関係がある。この関係は、１つのポンプ光子（ｆ_ｐ）が消滅してシグナル光子（ｆ_ｓ）とアイドラー光子（ｆ_ｉ）が１つずつ生成される過程、とみることができる。シグナル光入力はこの過程を促進する働きをするが、ポンプ光が充分強ければ、シグナル光入力無しでも自発的にこの過程を起こすことができる。

すなわち、ポンプ光のみの入力から、シグナル光子とアイドラー光子が発生する。この際、エネルギー保存を満たすために、シグナル光子とアイドラー光子は必ず対で発生する。このような相関を持った光子のペアーを量子相関光子対という。

図１の量子相関光子対発生器１３は、このような相関のある光子のペアーを発生する装置である。なお、光パラメトリック過程を利用して相関光子対を発生させる場合、相互作用するポンプ光、シグナル光、アイドラー光の位相には、後述のようなある関係が成り立っている。上記のように、古典的には、アイドラー光はＰ＝ｃ_２Ｅ_ｐＥ_ｓ ^＊という非線形分極から発生する。この表式の位相をみると、φ_ｉ＝φ_ｐ−φ_ｓ（φ_ｉ：アイドラー分極波の位相＝アイドラー光位相、φ_ｐ：ポンプ光位相、φ_ｓ：シグナル光位相）という関係にあることがわかる。光パラメトリック過程により発生する量子相関光子対にも、この間系がそのまま成り立っている。

図１の構成において、量子相関光子対発生器１３からは上記のような量子相関光子対が発せられ、シグナル光子は中継ノード（中継器）１４へ、アイドラー光子は受信機４へ、と送出される。ここで、送出される光子は、送信機からの送信パルス列と同じ時間間隔のパルス列であるとする。ここで、送出されるシグナル光子とアイドラー光子との光子対は１パルス当り１ペア以下であるとする。

中継ノード１４には、送信機１からの送信信号と量子相関光子対発生器１３からのシグナル光子が入力される。入力された送信信号とシグナル光子は、２×２の光カップラ１５により合波される。光カップラ１５の２つの出力ポートには、光子検出器１６，１７がそれぞれ配置されている。

以上の構成により、送受信機１，４に秘密鍵を供給することができる。その原理及び手順を以下に式を用いて説明する。量子力学的表示を用いると、中継ノード１４へ入力される送信機１からの送信信号の状態｜Ψ_ｔ＞は、次式（１）のように表される。

ここで、｜ｔ_ｊ＞は時刻ｔ_ｊに１光子が存在する状態、ａ ｅｘｐ（ｉθ_ｊ）は状態｜ｔ_ｊ＞の確率振幅（複素数）で、ａが振幅部（実数）、θ_ｊが位相を表す。Ｎはパルス数である。添え字のｔは受信機４へ転送したいターゲット状態の意味で用いている。以後、送信機１から送られてきた状態をターゲット状態と呼ぶ。一方、量子相関光子対発生器１３から発せられる状態｜Ψ_ｅ＞は、次式（２）のように表される。

ここで、添え字ｓ、ｉはそれぞれ、シグナル光子、アイドラー光子を表す。量子相関光子対は必ずペアーで発生するので、ペアーでひとつの量子状態として｜ｔ_ｊ＞_ｓ｜ｔ_ｊ＞_ｉという形で表される。ａ ｅｘｐ（ｉφ_ｊ）は状態｜ｔ_ｊ＞_ｓ｜ｔ_ｊ＞_ｉの確率振幅（複素数）で、ａが振幅部（実数）、φ_ｊが位相を表す。これが、周期的なパルスとして出力されるので、相関光子対発生器１３からの出力状態は各ペアーの和として表される。

本発明では、ターゲット状態と量子相関光子対状態とを相互作用させることにより、伝送距離の拡大を図っている。このような状況を記述するために、ターゲット状態と相関光子対状態をまとめてひとつの状態とみなし、全体状態｜Ψ＞を次式（３）のように書き表す。

ここで、中継ノード１５において、時刻ｔ_ｊ及び時刻ｔ_ｊ＋１で光子が検出される場合に着目する。このような光子検出事象に関係する状態を書き出すと、次式（４）のようになる。

上式（４）は、上式（１）、（２）のｔ_ｊ及びｔ_ｊ＋１に関する項を上式（３）に代入したもので、さらに、Δ＝θ_ｊ＋１−θ_ｊ、δ＝φ_ｊ＋１−φ_ｊ、という置き換えを行っている。ここで、そのφ及びδについて考える。φはシグナル光子状態とアイドラー光子状態を掛け合わせた状態の位相である（式（２））。したがって、φ＝φ_ｓ＋φ_ｉである。ところで、前述のように、量子相関光子対発生器１３から発せられる光子対には、φ_ｉ＝φ_ｐ−φ_ｓという関係が成り立っている。したがって、φ＝φ_ｐである。ここで、量子相関光子対発生器１３内のポンプ光のコヒーレンス時間は、パルス列の時間間隔よりも充分長いものとする。すなわち、隣り合う光子対を発生するポンプ光の位相は一定であるものとする。このように設定すると、φ（ｔ_ｊ）＝φ（ｔ_ｊ＋１）、よってδ＝０となる。これを代入すると、式（４）は次式（５）のようになる。

上式（５）は、ターゲット状態とシグナル光子が中継ノード１４内の光カップラ１５へ入力される前の段階における全体状態を表わしている。光カップラ１５において、ターゲット状態とシグナル光子は、それぞれ２つの出力ポートに分岐される。その分岐による状態変化は、次式（６ａ），（６ｂ）のように表される。

ここで、｜ｄ_１，ｔ_ｊ＞は１光子が光子検出器１６への出力ポートへ時刻ｔ_ｊに出力される状態を表わし、｜ｄ_２，ｔ_ｊ＞は１光子が光子検出器１７への出力ポートへ時刻ｔ_ｊに出力される状態を表す。上式（６ａ），（６ｂ）を上式（５）に代入し、さらに光子が時刻ｔ_ｊ及びｔ_ｊ＋１で連続して検出される状態を取り出すと、次式（７）となる。

ここで、光子検出に際して、ターゲット光子とシグナル光子は区別がつかないものと仮定する。そうすると、ターゲット光子状態とシグナル光子状態を区別する添え字ｔ、ｓがなくなり、上式（７）は次式（８）のように書き直される。

上式（８）は、光子検出器１６が連続して光子を検出する状態（｜ｄ_１，ｔ_ｊ＞｜ｄ_１，ｔ_ｊ＋１＞がかかっている項）、光子検出器１７が連続して光子を検出する状態（｜ｄ_２，ｔ_ｊ＞｜ｄ_２，ｔ_ｊ＋１＞がかかっている項）、光子検出器１６と１７とが交互に光子を検出する状態（｜ｄ_１，ｔ_ｊ＞｜ｄ_２，ｔ_ｊ＋１＞または｜ｄ_２，ｔ_ｊ＞｜ｄ_１，ｔ_ｊ＋１＞がかかっている項）、の足し合わせとなっている。

次に、その各々の状態について考えてみる。上式（８）から、ひとつの光子検出器が連続して光子を検出する状態を抜き出すと、次式（９）となる。

従来技術の項で述べたように、差動位相シフト量子鍵配送においては、送信光パルスは０またはπで位相変調されている。したがって、Δ＝０または±π、である。これを上式（９）に代入すると、各場合について次式（１０ａ），（１０ｂ）が得られる。

ここで、アイドラー光子の状態に着目する。上式（１０ａ）には、（｜ｔ_ｊ＞_ｉ＋｜ｔ_ｊ＋１＞_ｉ）という項が共通項として掛け合わさっている。これは、ひとつの光子検出器が時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１で連続して光子を検出する場合には、時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１のアイドラー光子の確率振幅は必ず同位相となることを表している。一方、上式（１０ｂ）には、（｜ｔ_ｊ＞_ｉ−｜ｔ_ｊ＋１＞_ｉ）という項が共通項として掛け合わさっている。これは、ひとつの光子検出器が時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１で連続して光子を検出する場合には、時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１のアイドラー光子の確率振幅は必ず逆位相となることを表している。

同様に、２つの光子検出器１６，１７が交互に光子を検出する状態については、次式（１１ａ），（１１ｂ）となる。

上式（１１ａ）は、Δ＝０で、かつ２つの光子検出器１６，１７が交互に光子を検出する場合には、時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１のアイドラー光子の確率振幅は必ず逆位相となることを表している。上式（１１ｂ）は、Δ＝±πで、かつ２つの光子検出器１６，１７が交互に光子を検出する場合には、時刻ｔ_ｊ、ｔ_ｊ＋１のアイドラー光子の確率振幅は必ず同位相となることを表している。

受信機４が、従来技術の項で述べた構成（図３）と同様な構成で光子を検出すると、２連続パルスが同位相ならば光子検出器８が光子を検出し、２連続パルスが逆位相ならば光子検出器９が光子を検出する。この受信動作と上記の場合分けを考え合わせると、受信機４の光子検出の態様は次のようになる。
（ｉ）中継ノード１４がひとつの光子検出器（１６または１７）で連続して光子を検出し、かつΔ＝０ならば、受信機４は光子検出器Ａ ８で光子を検出、
（ｉｉ）中継ノード１４がひとつの光子検出器で連続して光子を検出し、かつΔ＝±πならば、受信機４は光子検出器Ｂ ９で光子を検出、
（ｉｉｉ）中継ノード１４が２つの光子検出器１６，１７で交互に光子を検出し、かつΔ＝０ならば、受信機４は光子検出器Ｂ ９で光子を検出、
（ｉｖ）中継ノード１４が２つの光子検出器１６，１７で交互に光子を検出し、かつΔ＝±πならば、受信機４は光子検出器Ａ ８で光子を検出、
することになる。

以上の動作特性を利用すると、以下の手順で、送信機１と受信機４は暗号鍵を得ることができる。

送信機１と量子相関光子発生器１３はターゲットパルス列と量子相関光子対パルス列をそれぞれ送信し、中継ノード１４と受信機４は図３及び図１の受信構成で光子検出をする。

中継ノード１４は、光子検出器（１６，１７）が光子を連続して検出した場合に、その時刻を送信機１と受信機４に知らせる。また中継ノード１４は、その場合に、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、２つの光子検出器が交互に光子検出したか、を送信機１に知らせる。

受信機４は、中継ノード１４から通知された検出時刻に対応する時刻に、検出器Ａ ８が光子検出していればビット「０」、検出器Ｂ ９が光子検出していればビット「１」、とする。さらに受信機４は、ビットを生成した光子の検出時刻を送信機１に知らせる。

送信機１は、中継ノード１４からの検出情報と、受信機４からの時刻情報と、及び自分の変調データとから、受信機４が生成したビット情報を知ることができる。そこで、それを自身のビット情報とする。

以上の手順により、送受信機１，４は同じビット列を得る。この際、ビット情報そのものは外部には出されていない。したがって、このビット列を秘密鍵とすることができる。

（他の実施の形態）
上記では、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、その構成要素の置換、変更、追加、個数の増減の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

本発明の一実施形態における量子暗号通信装置の主要部の構成を示すブロック図である。 ２次の光パラメトリック過程の原理を説明する概念図である。 従来の差動位相シフト量子鍵配送方式による量子暗号装置の基本構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 送信機
２ パルス列
３ 伝送路
４ 受信機
５ 光分岐器（光カップラ）
６ 光遅延回路（光遅延線）
７ 光合波器（２×２の光カップラ）
８ 光子検出器Ａ
９ 光子検出器Ｂ
１３ 量子相関光子対発生器
１４ 中継ノード（中継器）
１５ 光カップラＣ
１６ 光子検出器１
１７ 光子検出器２
１８，２４，２５ 情報交換装置（ＣＰＵ）
１９ ポンプ光源
２０ 光非線形媒質
２１ コヒーレントパルス光源
２２ 位相変調回路
２３ 減衰回路

Claims (4)

1. 送信機と受信機間において送受信されるデータを暗号化し、復号化するための暗号鍵を供給する量子暗号通信装置において、
   一定間隔の光パルス列を出力する送信機と、
   量子相関のあるシグナル光子とアイドラー光子から成る光子対を前記光パルス列と同じ時間間隔で出力する量子相関光子対発生器と、
   前記送信機からの光と前記シグナル光子とが入力される中継機と、
   前記アイドラー光子が入力される受信機とを備え、
   前記中継機は、
   ２×２の入出力端子を有し、同じ時刻に、前記送信機からの光パルス列をその第１の入力端子に入力し、前記シグナル光子の光子列をその第２の入力端子に入力する光カップラと、
   前記光カップラの第１の出力端子に接続された第１の光子検出器と、
   前記光カップラの第２の出力端子に接続された第２の光子検出器とを有し、
   前記中継機は、前記第１と第２の光子検出器の少なくともいずれかが光子を連続して検出した場合に、その時刻を前記送信機と前記受信機の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、２つの光子検出器が交互に光子検出したかを前記送信機に知らせることを特徴とする量子暗号通信装置。
2. 前記受信機は、
   入力された前記アイドラー光子の光子列を２経路に分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段により分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して１パルス分遅延する遅延手段と、
   ２×２の入出力端子を有し、前記分岐手段で分岐された光子列の他方をその第１の入力端子に入力し、前記遅延手段で遅延された光子列をその第２の入力端子に入力する第２の光カップラと、
   前記第２の光カップラの第１の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう第３の光子検出器と、
   前記第２の光カップラの第２の出力端子に接続され光子列の検出を行なう第４の光子検出器とを有し、
   前記中継器から通知された検出時刻に対応する時刻に、前記第３の光検出器が光子検出していればビット「０」、前記第４の光検出器が光子検出していればビット「１」としてビットを生成し、該ビットを生成した光子の検出時刻を前記送信機に知らせることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
3. 前記送信機は、
   一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生する手段と、
   前記光パルスの位相を０またはπで変調する手段と、
   変調された前記光パルスを１パルス当り平均１光子未満で前記中継機への伝送路に送出する手段と
   を備え、
   位相変調データを記録し、前記中継器からの検出情報と、前記受信機からの時刻情報と、及び自分の位相変調データとから、前記受信機が生成したビット情報を感知して、該ビット情報を自身のビット情報とすることを特徴とする請求項１または２に記載の量子暗号通信装置。
4. 前記量子相関光子対発生器は、ポンプ光子を発生する手段を含み、前記光子対として光パラメトリック過程により該ポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子を発生することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の量子暗号通信装置。

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