JP2007116520A - 量子秘密鍵配送システムおよび量子秘密鍵配送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３者以上の間で秘密鍵を簡便に配送する量子秘密鍵配送技術を提供する。
【解決手段】アリスは、コヒーレントな光パルス列の各パルスをランダムに０またはπに位相変調し、どのように変調したかを記録する。ボブ１およびボブ２は、それぞれ光パルス列を受信し、光子を検出した時刻とどちらの光子検出器で検出したかを記録する。ボブ１およびボブ２は、光子を検出した時刻をアリスに通知する。アリスは、送出した光パルスについて、ボブ１およびボブ２が共に光子を検出した共通の時刻情報を抽出し、ボブ１およびボブ２に通知する。ボブ１およびボブ２は、共通の時刻情報の各時刻で光子をどちらの光子検出器で検出したかの記録から秘密鍵を作成し、アリスは、共通の時刻情報の各時刻で光パルスをどのように変調したかの記録から秘密鍵を作成する。このようにして、アリスとボブ１とボブ２の３者は、一度に同一の秘密鍵を作成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、暗号通信に用いる秘密鍵配送技術に関し、特に、量子秘密鍵配送技術に関する。

近年、量子暗号システムを実現する方法として、さまざまな方法が提案されている。ここでは、差動位相シフト量子鍵配送と呼ばれる方式について説明する。

図１に、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す。送信機（アリス）２０は、コヒーレントパルス光源２２からの一定間隔のコヒーレント光パルス列を、位相変調器２４により０またはπでランダムに位相変調し、減衰器２６で１パルス当り平均１光子未満となるように減衰して伝送路３０に送出する。

受信機（ボブ）４０は、受信パルス列のパルス間隔に等しい光路差を有する干渉計を用いて、連続する２つの光パルスの位相差を測定する。この干渉計は、受信パルス列をそれぞれ２分岐する光カップラ４４ａと、分岐した経路間に受信パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を与える遅延手段４５と、分岐した経路からの光パルスを合波する２×２光カップラ４４ｂとから構成されている。２×２光カップラ４４ｂの出力には、光子検出器Ｂ１およびＢ２が備えられ、連続する２つの光パルスの位相差が０の場合には、光子検出器Ｂ１で光子が検出され、位相差がπの場合には、光子検出器Ｂ２で光子が検出される。

以上のようなセットアップを用いて、アリスとボブは、次のようにして秘密鍵を共有することができる。アリスは、コヒーレントな光パルス列の各パルスを位相変調器２４でランダムに０またはπに位相変調し、どのように変調したかを記録しておく。ボブは、光パルス列を受信し、光子が検出された時刻とどちらの光子検出器で検出されたかを記録する。そして、ボブは、光子を検出した時刻をアリスに通知する。

ボブは、光子がどちらの光子検出器で検出されたかという情報から、光子が光子検出器Ｂ１で検出された場合には「０」、光子検出器Ｂ２で検出された場合には「１」として秘密鍵となるビットを作成する。一方、アリスは、ボブから通知された光子検出時刻に対応する光パルスを、自身の記録からどのように変調したかを知ることができる。したがって、光パルスの位相差が０になるように変調した場合には「０」、位相差がπになるように変調した場合には「１」とすると、アリスはボブと同一の秘密鍵ビットを作成することができる。

以上のように、アリスとボブは、ボブの光子検出時刻を明かすのみで、ビットに関する情報（どちらの光子検出器で検出されたかやどのように変調したか）を明かすことなく、秘密鍵を共有することができる。

K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, "Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light," Physical Review A68, 022317 (2003).

従来の量子暗号システムでは、２者（アリスとボブ）間での秘密鍵の配送を対象にしている。３者以上の間での同一の秘密鍵の配送には、２者間での秘密鍵の配送をそれぞれのペアに適用しなければならず、手間と時間がかかるという問題があった。そこで、３者以上の間で同一の秘密鍵を一度に配送することができれば便利である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、３者以上の間で秘密鍵を簡便に配送することのできる量子秘密鍵配送システムおよび量子秘密鍵配送方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、量子秘密鍵配送システムであって、光パルスを位相変調して送出する送信機と、前記送信機から送出された光パルスを分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された光パルスの一方を受信して変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供する第１の受信機と、前記分岐手段により分岐された光パルスの他方を受信して変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供する第２の受信機とを備え、前記第１および第２の受信機から提供された時刻情報のうち、前記送信機から送出された各光パルスについて、前記第１および第２の受信機が共に検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出し、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機、前記第１の受信機および前記第２の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、量子秘密鍵配送システムであって、光パルスを位相変調して送出する送信機と、前記送信機から送出された光パルスをｎ分岐する分岐手段と、前記分岐手段によりｎ分岐された光パルスをそれぞれ受信するｎ個の受信機であって、それぞれが光パルスの変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供するｎ個の受信機とを備え、前記ｎ個の受信機から提供された時刻情報のうち、前記送信機から送出された各光パルスについて、前記ｎ個の受信機すべてが検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出し、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記ｎ個の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、前記共通時刻情報と共に、前記複数の受信機の少なくとも１つが検出に成功した時刻情報を検出時刻情報として抽出し、前記検出時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記検出に成功した受信機のうちの少なくとも２つがそれぞれ同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、前記位相変調は、差動位相シフト変調であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、前記送信機から送出される光パルスは、１パルスあたり平均１光子未満であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、量子秘密鍵配送方法であって、送信機から光パルスを位相変調して送出する送信ステップと、前記送信機から送出された光パルスを分岐する分岐ステップと、前記分岐された光パルスの一方を第１の受信機で受信して変調位相を検出する第１の検出ステップと、前記第１の検出ステップで検出に成功した時刻情報を提供する第１の情報提供ステップと、前記分岐された光パルスの他方を第２の受信機で受信して位相変調を検出する第２の検出ステップと、前記第２の検出ステップで検出に成功した時刻情報を提供する第２の時刻情報提供ステップと、前記第１および第２の情報提供ステップにより提供された時刻情報のうち、前記送信ステップで前記送信機から送出された各光パルスについて、前記第１および第２の検出ステップで前記第１および第２の受信機が共に検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出する抽出ステップと、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機、前記第１の受信機および前記第２の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵を生成する生成ステップとを備えることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、量子秘密鍵配送方法であって、送信機から光パルスを位相変調して送出する送信ステップと、前記送信機から送出された光パルスをｎ分岐する分岐ステップと、前記ｎ分岐された光パルスをｎ個の受信機でそれぞれ受信するステップであって、それぞれが変調位相を検出する検出ステップと、前記検出ステップのそれぞれで検出に成功した時刻情報を提供する情報提供ステップと、前記提供された時刻情報のうち、前記送信ステップで前記送信機から送出された光パルスについて、前記検出ステップで前記ｎ個の受信機すべてが検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出する抽出ステップと、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記ｎ個の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成するステップとを備えることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の量子秘密鍵配送方法において、前記複数の受信機の少なくとも１つが検出に成功した時刻情報を検出時刻情報として抽出するステップと、前記検出時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記検出に成功した受信機のうちの少なくとも２つがそれぞれ同一の秘密鍵データを生成するステップとをさらに備えることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項６ないし８のいずれかに記載の量子秘密鍵配送方法において、前記位相変調は、差動位相シフト変調であることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項６ないし９のいずれかに記載の量子秘密鍵配送方法において、前記送信機から送出される光パルスは、１パルスあたり平均１光子未満であることを特徴とする。

本発明によれば、３者間で一度に共通の秘密鍵を配送することができる。また、その際に、２者間での秘密鍵を配送することもできる。さらに、多者間で送信機を共通化することができるので、全体のシステムを簡素化できるという利点もある。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、本発明の一実施例による量子秘密鍵配送システムの構成例を示す。この量子秘密鍵配送システム１００は、コヒーレントな光パルス列を位相変調して送出する送信機（アリス）２００と、送出された光パルス列を分岐する５０：５０の光カップラ（スプリッタ）３２０と、分岐した光パルス列の一方を受信して復調する受信機（ボブ１）４００と、分岐した光パルス列の他方を受信して復調する受信機（ボブ２）６００とから構成されている。

送信機２００は、コヒーレントな光パルス列を出力するコヒーレントパルス光源２２０と、連続する２つの光パルスの位相差を変調する位相変調器２４０と、光パルス列の強度を１パルスあたり平均１光子未満となるよう減衰する減衰器２６０とを備えている。また、受信機４００は、受信した光パルス列を２分岐する光カップラ４４０ａと、分岐した光パルス列の一方をパルス間隔に等しい時間だけ遅延する遅延手段４５０と、分岐した光パルス列を合波して干渉させる２×２光カップラ４４ｂとから構成される干渉計を備えている。さらに、受信機４００は、干渉した光パルスを検出する２つの光子検出器Ｂ１１およびＢ１２を備えている。受信機６００は、基本的に受信機４００と同じ構成であり、光カップラ６４０ａと、遅延手段６５０と、２×２光カップラ６４０ｂとから構成される干渉計と、光子検出器Ｂ２１およびＢ２２とを備えている。

送信機のコヒーレントパルス光源２２０は、一定の間隔でコヒーレントな光パルス列を出力する。位相変調器２４０は、この光パルス列の各パルスをランダムに０またはπで位相変調する。減衰器２６０は、位相変調された光パルス列を１パルスあたり１光子未満になるように減衰する。減衰された光パルス列は、光伝送路３００に送出され、スプリッタ３２０で分岐され、それぞれ、光伝送路３４０、３６０を介して受信機４００、６００に伝送される。ここで、光パルス列は、減衰器２６０で１パルスあたり平均１光子未満になるように減衰されているので、光パルスのいくつかは、ある確率で受信機４００および６００の一方のみで検出されることもあれば、ある確率で受信機４００および６００の両方で検出されることもある。

受信機４００は、受信した光パルス列を光カップラ４４０ａで２分岐し、分岐した光パルス列の一方に遅延手段４５０で光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を与え、合波カップラ４４０ｂで再び合波し、干渉させる。この干渉計により、連続する２つの光パルスの位相差を測定することができる。具体的には、連続する２つの光パルスの位相差が０の場合には、光子検出器Ｂ１１で光子が検出され、位相差がπの場合には、光子検出器Ｂ１２で光子が検出されるように干渉計を調整する。

同様に、受信機６００は、光カップラ６４０ａ、遅延手段６５０および合波カップラ６４０ｂからなる干渉計を介して受信した光パルス列を干渉させる。ここで、連続する２つの光パルスの位相差が０の場合には、光子検出器Ｂ２１で光子が検出され、位相差がπの場合には、光子検出器Ｂ２２で光子が検出されるように干渉計を調整する。

以上のようなセットアップを用いて、アリスとボブ１とボブ２は、次のようにして秘密鍵を共有することができる。アリスは、コヒーレントな光パルス列の各パルスを位相変調器２４０でランダムに０またはπに位相変調し、どのように変調したかを記録しておく。ボブ１およびボブ２は、それぞれが光パルス列を受信し、各パルスについて光子が検出された時刻とどちらの光子検出器で検出されたかを記録する。そして、ボブ１およびボブ２は、それぞれ、光子を検出した時刻をアリスに通知する。アリスは、ボブ１およびボブ２から通知された時刻情報のうち、送出された光パルスについて、両者（ボブ１およびボブ２）が共に検出した光パルスの時刻情報を、共通の時刻情報として抽出し、ボブ１およびボブ２に通知する。

ボブ１は、アリスから通知された共通の時刻情報に対応する記録を抽出し、それぞれの時刻で光子がどちらの光子検出器で検出されたかという情報から、光子が光子検出器Ｂ１１で検出された場合には「０」、光子検出器Ｂ１２で検出された場合には「１」として秘密鍵となるビットを作成する。同様に、ボブ２は、アリスから通知された共通の時刻情報に対応する記録を抽出し、それぞれの時刻で光子がどちらの光子検出器で検出されたかという情報から、光子が光子検出器Ｂ２１で検出された場合には「０」、光子検出器Ｂ２２で検出された場合には「１」として秘密鍵となるビットを作成する。一方、アリスは、自身の記録から、共通の時刻情報のそれぞれの時刻で光パルスをどのように変調したかを知ることができる。したがって、光パルスの位相差が０になるように変調した場合には「０」、位相差がπになるように変調した場合には「１」とすると、アリスはボブ１およびボブ２と同一の秘密鍵ビットを作成することができる。

以上のように、アリスとボブ１とボブ２は、ボブ１およびボブ２の光子検出時刻を明かすのみで、ビットに関する情報（どちらの光子検出器で検出されたかやどのように変調したか）を明かすことなく、秘密鍵を共有することができる。

さらに、上記の構成を用いて、３者間で共通の秘密鍵を生成すると共に、アリスとボブ１およびアリスとボブ２の各２者間で共通の秘密鍵を生成することもできる。すなわち、アリスがボブ１との秘密鍵を生成するには、ボブ１のみが光子を検出した時刻情報を用いて秘密鍵を生成すればよい。また、アリスがボブ２との秘密鍵を生成するには、ボブ２のみが光子を検出した時刻情報を用いて秘密鍵を生成すればよい。

（他の実施例）
上記の実施例では、３者間での秘密鍵の配送について説明したが、本発明を４者以上の間での秘密鍵の配送にも拡張できることは明らかである。具体的には、１つの送信機からの光パルス列をｎ分岐して、ｎ個の受信機に対して光パルス列を伝送する。そして、各受信機が光パルスを検出した時刻情報を提供し、全員に共通する時刻情報に対応する記録を抽出することで、全員に共通する秘密鍵を作成することができる。

以上、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、差動位相シフト変調を例に説明したが、本発明の原理は、光子の検出時刻などの情報を交換して、秘密鍵を作成する他の変調方式に適用することもできる。したがって、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

従来の差動位相シフト変調による２者間の量子秘密鍵配送システムの基本構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施例による３者間の量子秘密鍵配送システムの構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１０ 差動位相シフト量子鍵配送システム
２０ 送信機（アリス）
２２ コヒーレントパルス光源
２４ 位相変調器
２６ 減衰器
３０ 伝送路
４０ 受信機（ボブ）
４４ａ，４４ｂ 光カップラ
４５ 遅延手段
Ｂ１，Ｂ２ 光子検出器
１００ 量子秘密鍵配送システム
２００ 送信機（アリス）２００
２２０ コヒーレントパルス光源
２４０ 位相変調器
２６０ 減衰器
３００，３４０，３６０ 伝送路
３２０ 光カップラ（スプリッタ）
４００ 受信機（ボブ１）
４４０ａ，４４０ｂ 光カップラ
４５０ 遅延手段
Ｂ１１，Ｂ１２ 光子検出器
６００ 受信機（ボブ２）
６４０ａ，６４０ｂ 光カップラ
６５０ 遅延手段
Ｂ２１，Ｂ２２ 光子検出器

Claims (10)

1. 量子秘密鍵配送システムであって、
   光パルスを位相変調して送出する送信機と、
   前記送信機から送出された光パルスを分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段により分岐された光パルスの一方を受信して変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供する第１の受信機と、
   前記分岐手段により分岐された光パルスの他方を受信して変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供する第２の受信機と
   を備え、前記第１および第２の受信機から提供された時刻情報のうち、前記送信機から送出された各光パルスについて、前記第１および第２の受信機が共に検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出し、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機、前記第１の受信機および前記第２の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする量子秘密鍵配送システム。
2. 量子秘密鍵配送システムであって、
   光パルスを位相変調して送出する送信機と、
   前記送信機から送出された光パルスをｎ分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段によりｎ分岐された光パルスをそれぞれ受信するｎ個の受信機であって、それぞれが光パルスの変調位相を検出し、その検出に成功した時刻情報を提供するｎ個の受信機と
   を備え、前記ｎ個の受信機から提供された時刻情報のうち、前記送信機から送出された各光パルスについて、前記ｎ個の受信機すべてが検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出し、前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記ｎ個の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする量子秘密鍵配送システム。
3. 請求項１または２に記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、
   前記共通時刻情報と共に、前記複数の受信機の少なくとも１つが検出に成功した時刻情報を検出時刻情報として抽出し、前記検出時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記検出に成功した受信機のうちの少なくとも２つがそれぞれ同一の秘密鍵データを生成することを特徴とする量子秘密鍵配送システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、
   前記位相変調は、差動位相シフト変調であることを特徴とする量子秘密鍵配送システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の量子秘密鍵配送システムにおいて、
   前記送信機から送出される光パルスは、１パルスあたり平均１光子未満であることを特徴とする量子秘密鍵配送システム。
6. 量子秘密鍵配送方法であって、
   送信機から光パルスを位相変調して送出する送信ステップと、
   前記送信機から送出された光パルスを分岐する分岐ステップと、
   前記分岐された光パルスの一方を第１の受信機で受信して変調位相を検出する第１の検出ステップと、
   前記第１の検出ステップで検出に成功した時刻情報を提供する第１の情報提供ステップと、
   前記分岐された光パルスの他方を第２の受信機で受信して位相変調を検出する第２の検出ステップと、
   前記第２の検出ステップで検出に成功した時刻情報を提供する第２の時刻情報提供ステップと、
   前記第１および第２の情報提供ステップにより提供された時刻情報のうち、前記送信ステップで前記送信機から送出された各光パルスについて、前記第１および第２の検出ステップで前記第１および第２の受信機が共に検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出する抽出ステップと、
   前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機、前記第１の受信機および前記第２の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵を生成する生成ステップと
   を備えることを特徴とする量子秘密鍵配送方法。
7. 量子秘密鍵配送方法であって、
   送信機から光パルスを位相変調して送出する送信ステップと、
   前記送信機から送出された光パルスをｎ分岐する分岐ステップと、
   前記ｎ分岐された光パルスをｎ個の受信機でそれぞれ受信するステップであって、それぞれが変調位相を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップのそれぞれで検出に成功した時刻情報を提供する情報提供ステップと、
   前記提供された時刻情報のうち、前記送信ステップで前記送信機から送出された光パルスについて、前記検出ステップで前記ｎ個の受信機すべてが検出に成功した時刻情報を共通時刻情報として抽出する抽出ステップと、
   前記共通時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記ｎ個の受信機のそれぞれが同一の秘密鍵データを生成するステップと
   を備えることを特徴とする量子秘密鍵配送方法。
8. 請求項６または７に記載の量子秘密鍵配送方法において、
   前記複数の受信機の少なくとも１つが検出に成功した時刻情報を検出時刻情報として抽出するステップと、
   前記検出時刻情報の各時刻における変調位相に基づいて、前記送信機および前記検出に成功した受信機のうちの少なくとも２つがそれぞれ同一の秘密鍵データを生成するステップと
   をさらに備えることを特徴とする量子秘密鍵配送方法。
9. 請求項６ないし８のいずれかに記載の量子秘密鍵配送方法において、
   前記位相変調は、差動位相シフト変調であることを特徴とする量子秘密鍵配送方法。
10. 請求項６ないし９のいずれかに記載の量子秘密鍵配送方法において、
    前記送信機から送出される光パルスは、１パルスあたり平均１光子未満であることを特徴とする量子秘密鍵配送方法。
    

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