JP2007129562A - 量子秘密共有システム及び量子秘密鍵生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ伝送路等で接続された装置間において、複屈折性に影響されずに動作し、及び送受信された光子全てが鍵ビットの生成に寄与する、量子秘密鍵を共有するシステム及び量子秘密鍵を生成する方法を提供すること。
【解決手段】一定間隔の光パルス列を発生する手段と、発生された光パルス列の各パルスの位相を０またはπで変調して送信する手段とを有する送信装置と、送信される光信号の光パルス列の各パルスの位相を０またはπで変調して送信する手段を有する中継装置と、送信される光信号の光パルス列を２分岐して分岐した経路間に光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を付加する手段と、２分岐された光パルス列を合波する手段と、合波された光パルス列の光パルスを検出する手段とを有する受信装置とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、量子秘密共有システム及び量子秘密鍵生成方法に関し、より詳細には、光ファイバ伝送路を介して接続された装置間における、コヒーレント光パルス列の相対的位相差を利用した量子秘密鍵配送技術に係わる量子秘密共有システム及び量子秘密鍵生成方法に関する。

従来、秘密共有システムとして、秘密情報が分散化された分散情報のうちの少なくとも１つを、秘密共有システムの各装置に割り当てるシステムが知られている。量子秘密共有システムとしては、光の量子的性質を利用することによって秘密情報を分散化し、分散化された分散情報のうちの少なくとも１つを、量子秘密共有システムの各装置に割り当てるシステムが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

例えば、秘密共有システムの各装置を、アリス、ボブ、チャーリーと呼ぶ。秘密共有システムは、チャーリーの発信する暗号文を、アリスとボブとが互いに協力することによってのみ、解読することが出来るシステムである。チャーリーが掛けた鍵を、アリスとボブとの両者が協力し合うことで開けることが出来るシステムと言い換えてもよい。このようなシステムを、光の量子的性質を利用することによって実現するのが、量子秘密共有システムである。

このような量子秘密共有システムが、既にいくつか提案されている。ここでは、本発明に一番近いシステムについて、非特許文献１により説明する。

図１は、従来の量子秘密共有システムを示す構成図である。チャーリー１０１の光子源１０２は、右斜め直線偏波状態である光子のひとつを発生する。この光子状態｜Ψ_ｃ＞は、次のように書き表される。

ここで、｜Ψ＞は、光子の偏波状態（添え字の_ｃは、チャーリー１０１を意味する）を、｜Ｈ＞は、横偏波状態を、及び｜Ｖ＞は、縦偏波状態を表す量子力学的表記である。光子の偏波状態の表記は、通常の光電場の偏波状態を、横振動成分と縦振動成分とに分解して表すのと同様である。

チャーリー１０１の位相変調器Ｃ１０３は、光子源１０２からの光子の縦偏波成分に対して、θ_ｃを加える。横偏波成分に対しては、何もしない。これにより、光子状態｜Ψ_ｃ＞は、次のようになる。

チャーリー１０１からの光子を受信したアリス１０４は、位相変調器Ａ１０５を用いて、その光子の縦偏波成分に対して、０か、π／２か、πか、３π／２かのいずれかの位相変調θ_ａを加える。これにより、光子状態｜Ψ_ａ＞は、次のようになる。

ここで、φ_ｃａは、チャーリー１０１からアリス１０４までの伝搬位相である。なお、ここでは、原理説明のため、伝送路の伝搬損失は無視する。次に、アリス１０４は、式（３）の状態をボブ１０６に送信する。

アリス１０４からの光子を受信したボブ１０６は、位相変調Ｂ１０７により、その光子の縦偏波成分に対して、０かπ／２のいずれかの位相変調θ_ｂを印加する。これにより、光子状態｜Ψ_ｂ＞は、次のようになる。

ここで、φ_ａｂは、アリス１０４からボブ１０６までの伝搬位相である。次に、ボブ１０６は、式（４）の状態の光子を、右斜め直線偏波と左斜め直線偏波とに分離する偏波ビームスプリッタ１０８に入力する。

偏波ビームスプリッタ１０８からは、右斜め直線偏波または左斜め直線偏波の光子が出力される。右斜め直線状態を｜＋＞、左斜め直線状態を｜−＞とおく。｜Ｈ＞と｜Ｖ＞とを用いると、｜＋＞及び｜−＞は、次のように書き表される（図２参照）。

式（５ａ）及び式（５ｂ）を用いると、式（４）は、次のように書き換えられる。

ここで、θ_ａ及びθ_ｃは、０か、π／２か、πか、３π／２かのいずれか、ならびにθ_ｂは、０か、π／２かのいずれかであるので、θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃは、０か、π／２か、πか、３π／２かのいずれかとなる（２πは、０と換算する）。

θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃ＝０であれば、式（６）は、次のようになる。

式（７ａ）は、光子が必ず右斜め直線出力ポートに出力されることを表している。

θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃ＝πであれば、式（６）は、次のようになる。

式（７ｂ）は、光子が必ず左斜め直線出力ポートに出力されることを表している。

一方、θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃ＝π／２または３π／２の場合には、

または

となり、これらは、光子が右斜め直線出力ポートまたは左斜め直線出力ポートのどちらにも出力され得ることを示している。

ボブ１０６は、偏波ビームスプリッタ１０８の右斜め直線出力ポートには光子検出器１ １０９を、及び左斜め直線出力ポートには光子検出器２ １１０を備えている。式（７ａ）と、式（７ｂ）と、式（７ｃ）と、式（７ｄ）とに示された出力特性に基づいて、各変調位相に対して、どの光子検出器が光子を検出するかを表にまとめると、次の表１〜４のようになる。

ここで、表中の光子検出器１は、光子検出器１ １０９において１００％の確度で光子検出をする場合を、表中の光子検出器２は、光子検出器２ １１０において１００％の確度で光子検出をする場合を、表中の＊は、光子検出器１ １０９か光子検出器２ １１０かのどちらが光子検出をするのか不確定な場合を表す。

表１〜４からわかるように、アリス１０４と、ボブ１０６と、チャーリー１０１との３つの装置における位相変調の和が、０かπかのいずれかの場合には、光子検出をする光子検出器が確定する。

以上の構成及びシステム動作を用いて、次の手順によりアリス１０４及びボブ１０６は、チャーリー１０１の秘密鍵を共有する。
（１）光子の送受信後、ボブ１０６は、どの光子が検出されたかをチャーリー１０１及びアリス１０４に通知する。上述の原理説明では省略したが、伝送路には損失があり、及び光子検出器の検出効率は１００％ではないので、必要な手順である。
（２）３つの装置は、検出された光子について、自身の変調位相が、０か、π／２か、πか、３π／２のいずれかであったのか通知し合う。但し、値そのものは通知しない。これにより、３つの装置は、その光子に対する検出事象が確定的か否かを知る。
（３）チャーリー１０１は、確定的に検出された光子について、３つの装置における位相変調の和が、０であればビット「０」とし、πであればビット「１」とする。アリス１０４はボブ１０６の光子検出結果を知らず、及びボブ１０６はアリス１０４の位相変調値を知らないので、どちらも単独では、このビット情報が分からない。
（４）アリス１０４及びボブ１０６は、単独では、チャーリー１０１の作成した秘密鍵を解読することが出来ない。しかし、アリス１０４の変調位相θ_ａとボブ１０６の光子検出結果を照らし合わせると、表１〜４に従って、チャーリー１０１の秘密鍵ビットを知ることが出来る。これにより、暗号データを解読することが出来る。

次に、上述の従来システムが盗聴行為に対して安全であることを説明する。盗聴者の目的は、チャーリー１０１の鍵を知ることである。すなわち、盗聴者が、チャーリー１０１の変調位相を知ることである。そのためには、盗聴者は、チャーリー１０１からアリス１０４へ送られる光子状態がわかればよい。ひとつの方法は、チャーリー１０１から送出される光子を抜き取って測定すること（盗み聞き）である。しかし、チャーリー１０１が送っている光子は、ひとつなので、盗聴者に光子を抜き取られると、光子がボブ１０６まで届かず、鍵ビットとはならない。よって、この盗聴方法は、成功しない。

他の盗聴方法としては、チャーリー１０１が送った光子状態を、直接測定する方法がある。そして、後段のアリス１０４及びボブ１０６には不審に思われないように、測定結果に基づいて、ダミー光子を送信する。ところが、チャーリー１０１の変調位相は、０か、π／２か、πか、３π／２かのいずれかであり、この４値を１００％の確度で特定することは出来ない。すなわち、１００％の確度で、鍵ビットを知ることは出来ない。従って、チャーリーが送ったのと全く同一のダミー光子を、アリス１０４及びボブ１０６へ送ることは出来ない。よって、正規の手順に従って、チャーリー１０１が秘密鍵を生成して、アリス１０４及びボブ１０６がお互いの変調位相及び光子検出結果を持ち寄って、チャーリー１０１が生成した秘密鍵を解こうとしても、上手くいかないことが生じる。そこで、いくつかのテストビットについて、３つの装置で答え合わせをして不一致があれば、どこかで盗聴行為があったと判断することが出来る。よって、この盗聴方法も、成功しない。

上述したように、上記の従来技術の例は、安全な秘密共有機能を提供するシステムとなっている。

上記の説明では、簡単のため、チャーリー１０１からアリス１０４までの伝播位相、及びアリス１０４からボブ１０６までの伝播位相は、縦横偏波成分とも同一としたが、実際の光ファイバ伝送路においては、ファイバの微小な複屈折性のため、両者の伝播位相は同一ではない。この場合、式（６）の位相項（θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃ）は、（θ_ａ＋θ_ｂ＋θ_ｃ＋Δ）となる。ここで、Δは、伝送路の複屈折性による縦方向と横方向との位相差であり、伝送路に対する擾乱により、時間的に揺らぐ量である。

Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄ，Ｐ．Ｔｒｏｊｅｋ，Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ，Ｍ．Ｂｏｕｒｅｎｎａｎｅ，Ｍ．Ｚｕｋｏｗｓｋｉ，ａｎｄ Ｃ．Ｋｕｒｔｓｉｅｆｅｒ著「Ｓｉｎｇｌｅ ｑｕｂｉｔ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｃｒｅｔ ｓｈａｒｉｎｇ」ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０５０２１０７、２００５年８月３０日、ｐ．１−５

しかしながら、位相差Δが存在すると、上述の従来システムは、以下に説明する場合には動かないという問題があった。すなわち、従来システムは、横方向偏波と縦方向偏波との位相が伝送路上では変化しないという前提の下で動作するシステムであり、伝送路上で横方向偏波と縦方向偏波とで位相差が生じる複屈折性を有する光ファイバ伝送路の場合、システムが動作する前提が崩れ、システムが正常に動作しない虞があるという問題があった。何らかの補償技術を用いて、Δ＝０とすることも原理的には可能であるが、装置規模が大きくなり、制御操作も煩雑である。出来れば、そのような制御が不要であるシステムが望ましい。

また、上述の従来システムでは、３つの装置における位相変調の和が０またはπである場合にのみ、鍵ビットが生成され、その他の場合は、無視されるため効率がよくないという問題もあった。効率よく鍵ビットを生成するには、送受信された光子全てからビットを生成するシステムが望ましい。

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、横方向偏波と縦方向偏波とで位相差が生じる光ファイバ伝送路等で接続された装置間において、光ファイバ伝送路等の複屈折性に影響されずに動作し、及び送受信された光子全てを鍵ビットの生成に寄与させるための、量子秘密鍵を共有するシステム及び量子秘密鍵を生成する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、伝送路により接続された複数の装置において、光信号の送信装置と、送信装置からの光信号を中継する少なくともひとつの中継装置と、光信号を最後に中継する中継装置からの光信号を受信する受信装置とにより構成された量子秘密共有システムであって、一定間隔の光パルス列を発生する手段（３０４）と、光パルス列を発生する手段から発せられた光パルス列を、各パルスの位相が０またはπで変調して中継装置のうちのひとつに送信する手段（３０５）とを備える送信装置と、受信した光信号の光パルス列を、各パルスの位相が０またはπで変調して、他の中継装置または受信装置へ送信する手段（３０８）を備える中継装置と、光信号を最後に中継する中継装置から送信される光信号の光パルス列を、２分岐して、分岐した経路間に光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を付加する手段（３１０）と、２分岐された光パルス列を、２×２の入出力端子を有する光カップラにより合波する手段（３１１）と、合波された光パルス列の光パルスを検出する手段（３１２及び３１３）とを備える受信装置とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、時間的に隣接する光パルス間の位相差を利用した量子秘密鍵を共有するシステムは、隣接する光パルスが同一の屈折率による影響を受けるので、位相差が常に一定に保たれることにより、光ファイバ伝送路等の複屈折性に影響されずに動作し、及び送受信された光子全てを鍵ビットの生成に寄与させることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、一定間隔の光パルス列を発生する手段と、光パルス列を発生する手段から発せられた光パルス列を、各パルスの位相が０またはπで変調して中継装置のうちのひとつに送信する手段とを備えた送信装置と、受信した光信号の光パルス列を、各パルスの位相が０またはπで変調して、他の中継装置または受信装置へ送信する手段を備えた中継装置と、送信される光信号の光パルス列を、２分岐して、分岐した経路間に光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を付加する手段と、２分岐された光パルス列を、２×２の入出力端子を有する光カップラにより合波する手段と、合波された光パルス列の光パルスを検出する手段とを備えた受信装置とを備えるので、横方向偏波と縦方向偏波とで位相差が生じる光ファイバ伝送路等で接続された装置間において、光ファイバ伝送路等の複屈折性に影響されずに動作し、及び送受信された光子全てを鍵ビットの生成に寄与させることが可能となる。

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３は、本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムを示す構成図である。

位相変調した光パルス列３１４を送出する送信装置であるアリス３０１と、アリス３０１の出力と接続され、アリス３０１から送出された光パルス列３１４を受信し、受信した光パルス列３１４をさらに位相変調した光パルス列を送出する中継装置であるボブ３０２と、ボブ３０２の出力と接続され、ボブ３０２から送出された光パルス列を受信し、受信した光パルス列により、秘密鍵を生成する受信装置であるチャーリー３０３とを備えている。

アリス３０１は、光パルス列を発生するコヒーレントパルス光源３０４と、コヒーレントパルス光源３０４の出力と接続され、位相変調θ_ａを印加する位相変調器Ａ３０５と、位相変調器Ａ３０５の出力と接続され、１パルスあたりの平均光子数を減衰させる光減衰器３０６とを備えている。さらに、アリス３０１は、図示してはいないが、チャーリー３０３により送信される光子検出の時刻を受信する受信手段を有している。

ボブ３０２は、受信した光パルス列３１４の一部を分岐するビームスプリッタ３０７と、ビームスプリッタ３０７の出力と接続され、位相変調θ_ｂを印加する位相変調器Ｂ３０８と、ビームスプリッタ３０７の出力と接続され、分岐した光パルス列の一部の平均光子数を監視する光子検出器Ｂ３０９とを備えている。さらに、ボブ３０２は、図示してはいないが、チャーリー３０３により送信される光子検出の時刻を受信する受信手段を有している。

チャーリー３０３は、受信した光パルス列を２経路に分岐するビームスプリッタ３１０と、ビームスプリッタ３１０の出力と接続され、再び合波するビームスプリッタ３１１と、ビームスプリッタ３１１の出力と接続され、ビームスプリッタ３１１からの出力を検出する光子検出器１ ３１２及び光子検出器２ ３１３とを備えている。さらに、チャーリー３０３は、図示してはいないが、光子検出をした時刻を記録する記録手段、及び光子検出をした時刻をアリス３０１及びボブ３０２に送信する送信手段を有している。

アリス３０１のコヒーレントパルス光源３０４は、時間間隔Ｔの光パルス列を発生する。光パルス列のコヒーレント時間は、Ｔよりも十分長いとする。コヒーレントパルス光源３０４からの各光パルス列には、位相変調器Ａ３０５により０またはπの位相変調θ_ａが印加される。位相変調θ_ａが印加された光パルス列は、光減衰器３０６により、平均光子数が１パルスあたり１未満（例えば、０．１光子／パルス）まで減衰されて、ボブ３０２へ送出される。

ボブ３０２では、アリス３０１から送出された各光パルス列３１４に対して、位相変調器Ｂ３０８により０またはπの位相変調θ_ｂが印加される。位相変調θ_ｂが印加された光パルス列は、チャーリー３０３へ送出される。

ここで、ボブ３０２では、アリス３０１から送出された各光パルス列３１４の一部を分岐し、光子検出器Ｂ３０９により、平均光子数が１光子／パルス未満であることを監視しながら、上述の動作を行う。この監視は、アリス３０１がボブ３０２を欺くのを防ぐために備えている。

チャーリー３０３では、受信した光パルス列をビームスプリッタ３１０により、２経路に分岐し、一方に時間遅延を与えた後、２×２のビームスプリッタ３１１により、再び合波する。合波する２光パルス列３１５の一方に与える時間の遅延量は、光パルス列の時間間隔Ｔに等しくする。ビームスプリッタ３１１からの出力は、光子検出器１ ３１２及び光子検出器２ ３１３により検出される。

ここで、送信されてくるのは、平均光子数が１光子／パルス未満の信号光なので、光子が検出されるのは、原理的に数タイムスロットに１回である。このことが、本システムの安全性の根拠となっている。

チャーリー３０３における分岐合波回路（すなわち、ビームスプリッタ３１０及びビームスプリッタ３１１）は、時間の遅延量が、光パルス列の時間間隔と同じに設定されているので、ビームスプリッタ３１１では、前後の光パルス列が重なり合い、互いに干渉することになる。干渉の結果、互いの位相差が０の場合は、光子検出器１ ３１２が光子を検出し、互いの位相差がπの場合は、光子検出器２ ３１３が光子を検出する。

チャーリーに到達するｉ番目の光パルスの位相は、θ_ａ ^（ｉ）＋θ_ｂ ^（ｉ）＋φ^（ｉ）である。ここで、φ^（ｉ）は、アリス３０１からチャーリー３０３までの伝播位相、上括弧は、ｉ番目の光パルスに対する位相量であることを表す。従って、ｉ番目の光パルスと（ｉ＋１）番目の光パルスとの位相差は、（θ_ａ ^{（ｉ＋１）}−θ_ａ ^（ｉ））＋（θ_ｂ ^{（ｉ＋１）}−θ_ｂ ^（ｉ））＋（φ^{（ｉ＋１）}−φ^（ｉ））となっている。ここで、光ファイバの伝播位相φは、一般には、擾乱により時間的に変動し得る量であるが、Ｔ程度の時間内では、一定とみなしてよい。このため、ｉ番目の光パルスと（ｉ＋１）番目の光パルスとの位相差は、（θ_ａ ^{（ｉ＋１）}−θ_ａ ^（ｉ））＋（θ_ｂ ^{（ｉ＋１）}−θ_ｂ ^（ｉ））と書き改められる。従来システムが、位相の「絶対値」を利用するのに対して、本発明のシステムは、「相対値」を利用する。そのため、時間的な変動がなければ、定数項は消える。

さらに、θ_ａ ^{（ｉ＋１）}−θ_ａ ^（ｉ）＝Δθ_ａ ^（ｉ）、θ_ｂ ^{（ｉ＋１）}−θ_ｂ ^（ｉ）＝Δθ_ｂ ^（ｉ）とおくと、前後の光パルスの位相差は、Δθ_ａ ^（ｉ）＋Δθ_ｂ ^（ｉ）と書き表される。ところで、θ_ａ及びθ_ｂは、０またはπである。従って、Δθ_ａ ^（ｉ）＋Δθ_ｂ ^（ｉ）は、０またはπとなり、この値に従って、光子検出器１ ３１２または光子検出器２ ３１３により、光子を検出する。Δθ_ａ ^（ｉ）及びΔθ_ｂ ^（ｉ）がどの値の場合に、光子検出器１ ３１２か光子検出器２ ３１３かのどちらかが光子検出をするかを、以下の表５に示す。ここで、光子検出器１ ３１２が光子検出をする場合に割り当てるビットと、光子検出器２ ３１３が光子検出をする場合に割り当てる、光子検出器１ ３１２が光子検出をする場合に割り当てるビットとは異なるビットとを、基準符号ビットと呼ぶ。基準符号ビットは、アリス３０１と、ボブ３０２と、チャーリー３０３とにおいて、保持することにより共有する。

以上の構成及びシステム動作を用いて、次の手順によりアリス３０１及びボブ３０２において、チャーリー３０３の秘密鍵を共有することが出来る。
（１）アリス３０１と、ボブ３０２と、チャーリー３０３とは、上記に従って、光パルス列を送受信する。
（２）チャーリー３０３において、光子検出の時刻を記録する記録手段により、光子検出をした時刻を記録する。さらに、光子検出をした時刻の時間スロットについて、光子検出器１ ３１２が検出した場合には、ビット「０」とし、光子検出器２ ３１３が検出した場合には、ビット「１」とする。これらを符号ビットと呼ぶ。符号ビットは、光子検出器１ ３１２が検出した場合を、ビット「１」とし、光子検出器２ ３１３が検出した場合を、ビット「０」としてもよい。符号ビットにより、秘密鍵を生成する。
（３）チャーリー３０３から、チャーリー３０３の記録手段により記録された光子検出の時刻を、アリス３０１及びボブ３０２に対して、送信手段により通知する。
（４）アリス３０１及びボブ３０２において、光子検出をした時刻の時間タイムスロットに対応する２連光パルスに対して、自体が印加した印加した変調位相を参照する。ただし、アリス３０１またはボブ３０２において、自体の変調位相だけでは、チャーリー３０３の符号ビットを取得することは出来ない。
（５）アリス３０１と、ボブ３０２と、チャーリー３０３とにおいて、秘密鍵の一部をテストビットとする。このテストビットについて、アリス３０１及びボブ３０２において、自体の変調位相を、チャーリー３０３に通知する。さらに、チャーリー３０３において、テストビットについての符号ビットをアリス３０１及びボブ３０２に通知する。そして、アリス３０１と、ボブ３０２と、チャーリー３０３とにおいて、テストビットについての変調位相及び符号ビットと、表５による基準符号ビットとが、整合しているかをチェックする。チェックした結果、不一致があれば、システムは正常に動作していないことを識別し、及び秘密鍵を廃棄する。
（６）チェックした結果、不一致がなければ、アリス３０１及びボブ３０２において、各変調位相を自体の部分鍵情報に設定する。アリス３０１またはボブ３０２において、各々の部分鍵情報を付け合せると、保持している基準符号ビットにより、チャーリー３０３の秘密鍵を取得することが出来る。

次に、上述の量子秘密共有システムが、盗聴行為に対して安全であることを説明する。盗聴者は、チャーリー３０３の符号ビットを取得しようとする。すなわち、盗聴者は、チャーリー３０３の光子検出の結果を取得しようとする。そのためには、ボブ３０２からチャーリー３０３に送出される信号状態を取得することが出来ればよい。そこで、盗聴者は、ボブ３０２からチャーリー３０３への伝送路上において盗聴を試みると仮定する。

ひとつの盗聴方法は、信号の一部を分岐させて検出する方法が考えられる。この場合、送出されている光パルスは、平均光子数が１光子／パルス未満の信号であるので、光子検出をされるのは、数パルスに１回である。どの光パルスで光子検出をされるのかは、全く確率的である。平均光子数が適切に設定されていれば、盗聴者がチャーリー３０３と同一の光パルスから光子検出をする確率は、十分小さい。従って、盗聴者は、秘密鍵のわずかな部分しか知り得ないことになる。

他の盗聴方法を、図４を参照して説明する。

図４は、本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する盗聴方法を示す構成図である。

ボブから送出されている信号４０１を受信し、受信した信号４０１により、ダミー信号４１１を生成してチャーリー４１２に送出する盗聴者４０２と、盗聴者４０２と接続され、盗聴者４０２から送出されたダミー信号４１１を受信するチャーリー４１２とを備えている。

盗聴者４０２は、受信した信号４０１を２経路に分岐するビームスプリッタ４０３と、ビームスプリッタ４０３の出力と接続され、再び合波するビームスプリッタ４０４と、ビームスプリッタ４０４と接続され、ビームスプリッタ４０４からの出力を検出する光子検出器Ｔ４０５及び光子検出器Ｓ４０６と、ダミー信号の光パルス列を発生する光子源４０７と、光子源４０７の出力と接続され、発生したダミー信号の光パルス列を２経路に分岐するビームスプリッタ４０８と、光子検出器Ｔ４０５と光子検出器Ｓ４０６とビームスプリッタ４０８との出力と接続され、位相変調を印加する位相変調器４０９と、ビームスプリッタ４０８と位相変調器４０９との出力と接続され、再び合波するビームスプリッタ４１０とを備えている。

他の盗聴方法としては、盗聴者４０２がボブからの信号４０１を全て受信し、及び受信した結果に基づいて、ダミー信号４１１をチャーリー４１２に送出する方法が考えられる。ところが、送出されている信号４０１は、平均光子数が１光子／パルス未満の信号であるので、全ての信号が受信された場合であっても、光子検出をされるのは、数スロットに１回である。盗聴者４０２は、光子検出をした光パルスについての信号状態のみを取得することが出来る。具体的には、盗聴者４０２は、ビームスプリッタ４０３と、ビームスプリッタ４０４と、光子検出器Ｔ４０５と、光子検出器Ｓ４０６とを用いて、特定の２光パルス間の位相差のみを取得することが出来る。

次に、盗聴者４０２は、自体の光子検出と同一の光子検出の結果がチャーリー４１２において再現されるように、ダミー信号４１１を送出する。そのためには、光子源４０７と、ビームスプリッタ４０８と、位相変調器４０９と、ビームスプリッタ４１０とを用いて、光子検出したのと同一の位相状態の２光パルスを送出する。光子検出をしなかった光パルスについては、情報が無いので、何も送出しない。すなわち、盗聴者４０２から、チャーリー４１２へは、孤立した２光パルスがダミー信号４１１として送出される。

このようなダミー信号４１１としての信号光が、チャーリー４１２の分岐合波回路（すなわち、ビームスプリッタ４１３及びビームスプリッタ４１４）を通過すると、チャーリー４１２において、次の３つの時間位置で光子を検出し得る。
（ｉ）短経路を通った第１光パルスから光子検出をされる場合
（ii）長経路を通った第１光パルスまたは短経路を通った第２光パルスから光子検出をされる場合
（iii）長経路を通った第２光パルスから光子検出をされる場合
真ん中の時間位置で光子検出をされる場合である（ii）は、２光パルス列４１７の光パルスが互いに干渉し合うので、盗聴者と同じ側の検出器で、光子検出をされる。この場合には、盗聴が成功する。しかし、一方、両側の時間位置で光子検出をされる場合である（ｉ）及び（iii）では、２光パルス列４１７の光パルスが互いに干渉する相手がいないので、どちら側で検出されるかは、全くランダムである。従って、この場合、正規の手順により、チャーリー４１２において、秘密鍵を生成し、アリス及びボブがお互いの変調位相を持ち寄って、チャーリー４１２が生成した秘密鍵を解こうとしても、上手くいかないことが生じる。

そこで、いくつかのテストビットについて、アリスと、ボブと、チャーリーとにおいて答え合わせをして、不一致があれば、どこかで盗聴行為があったとして識別される。よって、この盗聴方法も、成功しない。

次に、量子秘密共有システムは、アリスまたはボブにおいて、単体では秘密鍵を取得することが出来ないようにするシステムであるので、第三者に秘密鍵が漏洩しないだけではなく、悪意のある不正なアリスまたはボブにおいて、単体では秘密鍵を取得することが出来ないことが必要である。このことを、図５または図６を参照して説明する。

図５は、本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する悪意のある不正なボブにおける盗聴方法を示す構成図である。

信号を送出するアリス５０１と、アリス５０１の出力と接続され、アリス５０１から送出された信号を受信し、受信した信号とは別の信号を送出するボブ５０２と、ボブ５０２の出力と接続され、ボブ５０２から送出された別の信号を受信するチャーリー５０７とを備えている。

ボブ５０２は、光パルス列を発生するコヒーレントパルス光源５０４と、コヒーレントパルス光源５０４の出力と接続され、位相変調を印加する位相変調器５０５と、位相変調器５０５の出力と接続され、１パルスあたりの平均光子数を減衰させる光減衰器５０６とを備えている。さらに、ボブ５０２は、アリス５０１から送出された信号をせき止めるストッパー５０３を備えている。

まず、悪意のある不正なボブ５０２については、図５の盗聴方法が考えられる。ボブ５０２において、アリス５０１からの信号をストッパー５０３によりせき止める。代わりとして、ボブ５０２において、位相変調器５０５により、０またはπで位相変調し、さらに、光減衰器５０６により、平均光子数が、１光子／パルス未満の光パルス列をチャーリー５０７に送信する。この構成により、ボブ５０２において、チャーリー５０７が生成する秘密鍵を完全に取得することが出来る。

そして、アリス５０１と、ボブ５０２と、チャーリー５０７とにおいて、テストビットの答え合わせをする場合には、ボブ５０２において変調位相を明らかにするよりも前に、アリス５０１において変調位相を明らかにさせる。ボブ５０２において、チャーリー５０７の符号ビットとアリス５０１の変調位相とが整合するように（実際の変調位相とは関係なく）、ボブ５０２自体の変調位相を通知する。

すると、ボブ５０２においてチャーリー５０７の秘密鍵を取得しつつ、システム全体が正常に動作しているように見せかけることが出来る。しかしながら、この盗聴方法は、ボブ５０２において、先に変調位相の通知をするようにさせれば、テストビットの答え合わせをする場合に、不整合が起こり、チャーリー５０７において、この不整合を識別することが出来る。

図６は、本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する悪意のある不正なアリスにおける盗聴方法を示す構成図である。

信号を送出するアリス１ ６０１と、アリス１ ６０１の出力と接続され、アリス１ ６０１から送出された信号を受信し、受信した信号をさらに位相変調した信号を送出するボブ６０２と、ボブ６０２の出力と接続され、ボブ６０２から送出された信号を受信するアリス２ ６０４と、アリス１ ６０１の出力と接続され、アリス１ ６０１から送出された信号を受信するチャーリー６０９とを備えている。

アリス２ ６０４は、受信した信号を２経路に分岐するビームスプリッタ６０５と、ビームスプリッタ６０５の出力と接続され、再び合波するビームスプリッタ６０６と、ビームスプリッタ６０６の出力と接続され、ビームスプリッタ６０６からの出力を検出する光子検出器ａ６０７及び光子検出器ｂ６０８とを備えている。

悪意のある不正なアリス１ ６０１及びアリス２ ６０４については、図６の盗聴方法が考えられる。アリス１ ６０１において、ボブ６０２を迂回して、０またはπで位相変調した平均光子数が１光子／パルス未満の光パルス列をチャーリーに送信する。これにより、アリス１ ６０１において、チャーリー６０９が生成する秘密鍵を完全に取得することが出来る。

同時にアリス１ ６０１において、平均光子数が１光子／パルス以上の光パルス列（位相変調している必要はない）をボブ６０２に送出し、ボブの直後で、アリス２ ６０４において、チャーリー６０９と同一の受信器（すなわち、ビームスプリッタ６０５と、ビームスプリッタ６０６と、光子検出器ａ６０７と、光子検出器ｂ６０８と）により、これを検出する。この場合、平均光子数が１光子／パルス以上であるので、全ての時間スロットで光子検出をすることが出来て、従って、アリス２ ６０４において、ボブ６０２の位相変調を全て取得することが出来る。これにより、テストビットの答え合わせの場合の不整合を回避することが出来る。

しかしながら、ボブ６０２において、平均光子数を監視する光子検出器Ｂ３０９（図３）を備えており、平均光子数が１光子／パルス以上の光パルス列が受信されると、システムに不具合があることを識別することが出来る。ここで、光子検出器Ｂ３０９（図３）により、平均光子数が１光子／パルス未満ではない場合には、盗聴行為もしくはシステム誤動作があるとして、秘密鍵の生成を中止する、または生成した秘密鍵を破棄することが出来る。従って、この盗聴方法は、成功しない。

代替の悪意のある不正なアリス１ ６０１及びアリス２ ６０４としては、図６の構成において、１光子／パルス未満の光パルス列を送信する盗聴方法が考えられる。この場合、ボブ６０２の直後で、アリス２ ６０４において、信号を検出しても、全ての時間スロットで光子検出をすることは出来ない。すなわち、チャーリー６０９により光子検出をする時刻の時間スロットの全てに対応する、ボブ６０２の変調位相を取得することは出来ない。

そこで、アリス１ ６０１と、ボブ６０２と、チャーリー６０９とにおいて、テストビットの答え合わせをする場合には、アリス１ ６０１において変調位相を明らかにするよりも前に、ボブ６０２において変調位相を明らかにさせる。アリス１ ６０１において、チャーリー６０９の符号ビットとボブ６０２の変調位相とが整合するように（実際の変調位相とは関係なく）、アリス１ ６０１自体の変調位相を通知する。

すると、アリス１ ６０１においてチャーリー６０９の秘密鍵を取得しつつ、システム全体が正常に動作しているように見せかけることが出来る。しかしながら、この盗聴方法は、アリス１ ６０１において、先に変調位相の通知をするようにさせれば、テストビットの答え合わせをする場合に、不整合が起こり、チャーリー６０９において、この不整合を識別することが出来る。

上の例において、悪意のある不正なボブの動作を防止するためには、先にボブにおいて変調位相を通知させるとした。一方、悪意のある不正なアリスの動作を防止するためには、先にアリスにおいて変調位相を通知させるとした。両方をともに満足させるためには、アリス及びボブにおいて、同時に変調位相を通知させるか、またはビット毎に交互に先に通知させるようにすればよい。

上述したように、本発明の実施形態は、外部の盗聴者及び悪意のある参加者に対して、安全な秘密共有機能を提供するシステムとなっている。

なお、上の例では、アリス及びボブにおいて、チャーリーの秘密鍵を共有するとした。しかし、これに限るものではなく、チャーリーの秘密鍵の共有者数をさらに増やすことも可能である。すなわち、図７に示すように、アリス７０１からチャーリー７０５へと送信される光パルス列を、ボブ１ ７０２と、ボブ２ ７０３と、ボブＮ ７０４とが光ファイバ伝送路上において、０またはπで位相変調する構成である。この構成においても、ボブ１ ７０２〜ボブＮ ７０４のＮ個の中継装置であるボブで変調される位相は、０かπかのいずれかであるので、表５により動作を表現することができる。従って、上述した中継装置であるボブが１つである場合と同様に、アリスと複数のボブとの間で、チャーリーの秘密鍵を共有することが出来る。

本実施形態によれば、時間的に隣接する光パルス間の位相差を利用した量子秘密共有の実現により、光ファイバ伝送路の複屈折性または屈折率揺らぎがある場合でも、隣接する光パルスは同一の屈折率を有するので、光パルス間の位相差を一定に保つことが出来て、光ファイバ伝送路の複屈折性または屈折率揺らぎに影響されずに動作する、量子秘密共有システム及び量子秘密鍵生成方法の提供が可能となる。

また、本実施形態によれば、検出された光子の全てを鍵ビットの生成に寄与させることも出来て、秘密鍵の生成効率が高い、量子秘密共有システム及び量子秘密鍵生成方法の提供も可能となる。

将来いかなる技術革新が起ころうとも絶対に安全であると言える量子秘密鍵によって、光ファイバ伝送路を用いた通信網において秘匿通信が可能となる。

従来の量子秘密共有システムを示す構成図である。 従来の量子秘密共有システムにおける偏波ビームスプリッタと入力光子状態との関係を示す説明の図である。 本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムを示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する盗聴方法を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する悪意のある不正なボブにおける盗聴方法を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる量子秘密共有システムに対する悪意のある不正なアリスにおける盗聴方法を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる秘密鍵の共有者数を拡張した量子秘密共有システムを示す構成図である。

符号の説明

１０８ 偏波ビームスプリッタ
３０６ 光減衰器
３０７、３１０、３１１ ビームスプリッタ
３１４ 光パルス列
３１５ ２光パルス列
４０１ 信号
４０３、４０４、４０８、４１０、４１３、４１４ ビームスプリッタ
４１１ ダミー信号
４１７ ２光パルス列
５０３ ストッパー
５０６ 光減衰器
６０５、６０６ ビームスプリッタ

Claims (5)

1. 伝送路により接続された複数の装置において、光信号の送信装置と、前記送信装置からの光信号を中継する少なくともひとつの中継装置と、前記光信号を最後に中継する中継装置からの光信号を受信する受信装置とにより構成された量子秘密共有システムであって、
   一定間隔の光パルス列を発生する手段と、
   前記光パルス列を発生する手段から発せられた光パルス列について、各パルスの位相を０またはπで変調して前記中継装置のうちのひとつに送信する手段と
   を備える前記送信装置と、
   前記受信した光信号の光パルス列を、各パルスの位相が０またはπで変調して、前記他の中継装置または前記受信装置へ送信する手段
   を備える前記中継装置と、
   前記光信号を最後に中継する中継装置から送信される光信号の光パルス列を、２分岐して、分岐した一方の経路に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を付加する手段と、
   前記２分岐された光パルス列を、２×２の入出力端子を有する光カップラにより合波する手段と、
   前記合波された光パルス列の光パルスを検出する手段と
   を備える前記受信装置と
   を備えたことを特徴とする量子秘密共有システム。
2. 前記中継装置が、前記送信される光信号の光パルス列の平均光子数を監視することにより、平均光子数が１光子／パルス以上となる信号を受信すると、前記秘密鍵の生成を中止するか、または前記秘密鍵を破棄する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の量子秘密共有システム。
3. 伝送路により接続され、共通の基準符号ビットを有している複数の装置において、光信号の送信装置と、前記送信装置からの光信号を中継する少なくともひとつの中継装置と、前記光信号を最後に中継する中継装置から受信する光信号の光パルス列を２分岐して、分岐した一方の経路に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間遅延を付加する手段、前記２分岐された光パルス列を２×２の入出力端子を有する光カップラにより合波する手段、及び前記合波された光パルス列の光パルスを検出する手段を備えている受信装置とにより構成された量子秘密共有システムにおける量子秘密鍵生成方法であって、
   前記送信装置により、各パルスの位相を０またはπで変調した光パルス列の光信号を前記中継装置のうちのひとつに送信するステップと、
   前記中継装置により、前記受信した光信号の光パルス列についての各パルスの位相を０またはπで変調した光パルス列の光信号を、前記他の中継装置または前記受信装置へ送信するステップと、
   前記受信装置により、前記受信した光信号の光子検出の時刻を、他の装置に送信するステップと、
   前記送信装置により、
   前記光子検出の時刻に対応する光パルスに対して変調された変調位相を識別するステップと、
   テストビットについての変調位相を、他の装置に送信するステップと、
   前記テストビットについての変調位相及び符号ビットと、前記基準符号ビットとを整合して、整合する場合には、前記テストビットについての変調位相を部分鍵情報として保持するステップと、
   前記中継装置により、
   前記光子検出の時刻に対応する光パルスに対して変調された変調位相を識別するステップと、
   前記テストビットについての変調位相を、他の装置に送信するステップと、
   前記テストビットについての変調位相及び符号ビットと、前記基準符号ビットとを整合して、整合する場合には、前記テストビットについての変調位相を部分鍵情報として保持するステップと、
   前記受信装置により、
   前記テストビットについての符号ビットを、他の装置に送信するステップと、
   前記テストビットについての変調位相及び符号ビットと、前記基準符号ビットとを整合して、整合する場合には、前記テストビットについての符号ビットを鍵情報として保持するステップと
   を備えたことを特徴とする量子秘密鍵生成方法。
4. 前記テストビットは、前記受信装置によって前記符号ビットにより生成された鍵の一部であることを特徴とする請求項３に記載の量子秘密鍵生成方法。
5. 前記テストビットについての変調位相及び符号ビットと、前記基準符号ビットとを整合するステップは、前記テストビットについての変調位相及び符号ビットと、前記基準符号ビットとが整合しない場合には、前記鍵を破棄することを特徴とする請求項４に記載の量子秘密鍵生成方法。
   

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