JP2007189517A - Quantum cryptography device - Google Patents

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JP2007189517A JP2006006104A JP2006006104A JP2007189517A JP 2007189517 A JP2007189517 A JP 2007189517A JP 2006006104 A JP2006006104 A JP 2006006104A JP 2006006104 A JP2006006104 A JP 2006006104A JP 2007189517 A JP2007189517 A JP 2007189517A
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Yoshihiro Nanbu
芳弘 南部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum cryptography device which has simple configuration of device to be held by a regular user and requires small burden and cost for device operation. <P>SOLUTION: The device 21 to be held by a regular user comprises a feeble coherent light source 1 for generating a photon used as an information carrier of a quantum bit; a modulator 4 for preparing a BB84 status for the quantum bit; and a classic computer 9 for calculating a parity between a variable value (common variable) informed from a third party device 22, and a variable value retained by itself. The device 21 sends the quantum bit to the third party device 22 through a quantum channel 5, and performs classic transmission with other regular users through a classic channel 10. The third party device 22 comprises a single photon filter 6 for filtering multiple photon components from feeble light sent from the device 21 to transform them into a single photon, and a quantum computer 7 for calculating the common variable of two quantum bits. The calculated common variable is informed to the device 21 through a classic channel 8. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子暗号装置、特に暗号鍵を光ファイバー通信により共有する量子暗号鍵配布を行う装置に関する。   The present invention relates to a quantum cryptography apparatus, and more particularly to an apparatus that performs quantum cryptography key distribution that shares an encryption key by optical fiber communication.

インターネットの爆発的普及や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、暗号技術に対する社会的な必要性が高まっている。現在、暗号を用いる通信には、暗号方式として、DES暗号のような共通鍵方式やRAS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、これらの暗号方式は、暗号の解読には膨大な計算量を必要とするはずであるという「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、現行の暗号方式は、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言える。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、計算量的安全性に依拠することなく原理的に安全な暗号方式が実用になれば、そのインパクトは非常に大きい。   With the explosive spread of the Internet and the practical application of electronic commerce, there is an increasing social need for cryptographic technologies such as confidentiality and tampering prevention of communications and personal authentication. Currently, in communication using encryption, a common key method such as DES encryption and a public key method such as RAS encryption are widely used as encryption methods. However, these cryptosystems are based on "computational security" that a huge amount of computation should be required for decryption. In other words, current cryptosystems are always threatened by advances in computer hardware and decryption algorithms. In particular, in fields where extremely high security is required, such as transactions between banks and information related to military and diplomacy, the impact will be given if a principle-safe encryption method becomes practical without relying on computational security. Is very big.

情報理論において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。ベネット及びブラッサードは、非特許文献1において、現在、BB84プロトコルとして広く知られている、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を提案した。この提案を契機に、量子暗号の研究が盛んになってきている。量子暗号では、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方式は、1ビットの情報を単一光子の状態として伝送するというものである。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。   There is a one-time pad method as an encryption method whose unconditional security is proved in information theory. The one-time pad method is characterized in that an encryption key having the same length as the communication text is used and the encryption key is discarded once. Bennett and Brassard proposed a specific protocol in NPL 1 for securely delivering an encryption key used in the one-time pad method, which is now widely known as the BB84 protocol. With this proposal, research on quantum cryptography has become active. In quantum cryptography, the laws of physics guarantee the security of cryptography, so that it is possible to guarantee the ultimate security that does not depend on the limits of computer capabilities. The quantum cryptography currently being studied is to transmit 1-bit information as a single photon state. For this reason, when the state of a photon is changed by an optical fiber that is a transmission path, the security of the quantum cryptography is greatly impaired.

非特許文献1に記載されているような、理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、2次元自由度を持つ系の2つの区別可能な状態とそのコヒーレントな重ね合わせ状態とを利用して秘密鍵が安全に伝送される。このような重ね合わせ状態を含む量子状態は、情報通信への応用の観点からは、量子情報と呼ばれる。量子情報を担う系は量子ビットと呼ばれ、それは数学的にはスピン1/2系と等価である。以下、スピン1/2系に関する用語を用いて従来の量子暗号装置を記述するが、量子情報を担う担体系としては、どのような種類の量子力学的二準位系を用いてもよい。   In a quantum cryptography device whose security is theoretically proved as described in Non-Patent Document 1, two distinct states of a system having two-dimensional degrees of freedom and its coherent superposition state The secret key is transmitted securely using. The quantum state including such a superposition state is called quantum information from the viewpoint of application to information communication. A system carrying quantum information is called a qubit, which is mathematically equivalent to a spin 1/2 system. Hereinafter, a conventional quantum cryptography device will be described using terms related to the spin 1/2 system, but any kind of quantum mechanical two-level system may be used as a carrier system for carrying quantum information.

従来の量子暗号装置では非特許文献1に記載されているように、送信者アリス(Alice)は、各々の量子ビットに変調すべき状態をx基底(σx演算子の固有状態: In the conventional quantum cryptography apparatus, as described in Non-Patent Document 1, the sender Alice determines the state to be modulated to each qubit as x basis (eigenstate of σ x operator:

Figure 2007189517
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)とz基底(σz演算子の固有状態: ) And the z basis (the eigenstates of the σ z operator:

Figure 2007189517
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)のどの状態にエンコードするかをアトランダムに選択し、それに従って変調を施した量子ビットを受信者ボブ(Bob)に送付する。状態 ) Are randomly selected, and the qubits modulated according to the selected state are sent to the receiver Bob. Status

Figure 2007189517
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はビット値0を、状態 Indicates bit value 0, status

Figure 2007189517
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はビット値1を表わすものと取り決める。x基底の状態とz基底の状態は相補的状態と呼ばれ、個別の量子ビットについて両者を同時に誤りなく決定できるいかなる測定手段も存在しない。これは、[σx,σz]≠0であること、すなわち個々の量子ビットについてσxとσzの同時固有状態は存在せず、両方の変数の同時固有値は存在しないという量子力学の原理の反映である。σxとσzのような非可換な変数を相補的あるいは共役な変数と呼ぶ。以降、これらの4つの非直交状態を(基底とビット値のタグを付けて)アトランダムに準備することをBB84状態の準備と呼ぶ。 Negotiates to represent a bit value of 1. The x-basis state and the z-basis state are called complementary states, and there is no measurement means that can determine both of the individual qubits simultaneously and without error. This is because [σ x , σ z ] ≠ 0, that is, there is no simultaneous eigenstate of σ x and σ z for each qubit, and there is no simultaneous eigenvalue of both variables. It is a reflection of. Non-commutative variables such as σ x and σ z are called complementary or conjugate variables. Hereinafter, preparing these four non-orthogonal states (at the base and bit value tags) at random is referred to as BB84 state preparation.

受信者ボブは、送信者アリスから受け取った量子ビットについて、アトランダムにσx(x基底)とσz(z基底)のどちらの相補的オブサーバブルのビット値を測定するかを選択し、個別に射影測定を行う。このように、4つの非直交状態をアトランダムに射影測定し(基底とビット値のタグを)記録することをBB84状態の測定と呼ぶ。もし、ボブの測定基底がアリスの準備状態の基底と整合する場合には、測定されたビット値は、アリスの送ったビット値と完全に一致する。不整合の場合は、両者のビット値は完全に非相関である。アリスとボブは、基底の整合した量子ビットに関する準備および測定データのみを抽出し、そのビット値データからなるランダムビット列を秘密鍵として用いる。いかなる盗聴行為も、秘密鍵データに有限のエラーを生じさせるため、アリスとボブは、鍵データのアンサンブルからサンプリングしたサブアンサンブルを用いて鍵データのエラーの程度を評価することにより、盗聴者への情報漏洩量の上限を把握することができる。アリスとボブは、盗聴者への情報漏洩量上限に相当する鍵データを短縮することにより、証明可能な安全性を持つ秘密鍵を共有することができる。 Recipient Bob selects whether to measure the complementary observable bit value of σ x (x basis) or σ z (z basis) at random for the qubits received from sender Alice, Perform individual projection measurements. In this way, the projection measurement of the four non-orthogonal states at random (recording the base and bit value tags) is called BB84 state measurement. If Bob's measurement basis matches Alice's readiness basis, the measured bit value exactly matches Alice's sent bit value. In the case of mismatch, the bit values of both are completely uncorrelated. Alice and Bob extract only the preparation and measurement data related to the matched base qubits, and use a random bit string consisting of the bit value data as a secret key. Since any wiretapping will cause a finite error in the secret key data, Alice and Bob use a sub-ensemble sampled from the key data ensemble to evaluate the degree of key data error, The upper limit of the amount of information leakage can be grasped. Alice and Bob can share a provably secure secret key by shortening the key data corresponding to the upper limit of the amount of information leaked to an eavesdropper.

その後、エカートは、非特許文献2において、EPR相関と呼ばれる量子相関をベースにした量子暗号の方式を提案した。非特許文献2の方式は、非特許文献1の方式と同様の安全性を持つことが示されている。この方式では、アリスは最大量子相関状態に準備された2量子ビットペアのアンサンブルを準備する。最大量子相関状態とは、2量子ビットの協同変数   After that, Ekart proposed a quantum cryptography method based on quantum correlation called EPR correlation in Non-Patent Document 2. It is shown that the system of Non-Patent Document 2 has the same safety as the system of Non-Patent Document 1. In this scheme, Alice prepares an ensemble of two qubit pairs prepared for the maximum quantum correlation state. The maximum quantum correlation state is a cooperative variable of 2 qubits

Figure 2007189517
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の同時固有状態のことである。ここで、 It is a simultaneous eigenstate of. here,

Figure 2007189517
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は2を法とする和であり、 Is the sum modulo 2.

Figure 2007189517
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はアリスのσxの測定ビット値とボブのσxの測定ビット値のパリティを表わす。このことは[σx,σz]≠0であることとは矛盾しない。なぜならば、[σx,σz]+[σz,σx]=0から、 Represents the parity between Alice's σ x measurement bit value and Bob's σ x measurement bit value. This is consistent with [σ x , σ z ] ≠ 0. Because [σ x , σ z ] + [σ z , σ x ] = 0,

Figure 2007189517
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となるからである。アリスは、それぞれのペアのうち1量子ビットを、順次、ボブに送付する。それぞれのペアに属する光子について、アリスとボブは、独立にアトランダムに、σx(x基底)とσz(z基底)のどちらのオブサーバブルのビット値を測定するかを選択し、ローカル測定を行う。アリスの量子ビットのローカル変数σxやσzおよびボブの量子ビットのローカル変数σxやσzは事前に確定しておらず、それらの測定結果は基底の選択によらずランダムで予測不可能である。しかしながら、2量子ビットの協同変数 Because it becomes. Alice sends one qubit of each pair sequentially to Bob. For photons belonging to each pair, Alice and Bob choose at random independently, sigma x or measuring the bit values of both of the server Bull (x basal) and sigma z (z basal), local Measure. The local variable sigma x and sigma z and Bob local variable sigma x and sigma z qubit of qubits Alice not been finalized in advance, the measurement results are random unpredictable regardless of the selection of the base It is. However, a two-qubit cooperative variable

Figure 2007189517
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は、アリスが準備したEPR状態に依存する既知の値に事前に確定しており、それらの測定値は確定的に予測可能である。言い換えれば、アリスとボブの測定基底が整合した場合、観測ビット値は予め確定したパリティ値を持つ。従って、アリスが準備したEPR状態が公知であり、アリスとボブの測定基底が整合した場合には、自らの測定結果と予め確定しているパリティ値とから、他者の測定結果を知ることができる。このようにしてアリスとボブは測定基底の整合したデータセットのみを抽出することにより、秘密鍵として使用可能な乱数データを共有することが可能である。 Are pre-determined to known values that depend on the EPR state prepared by Alice, and their measurements are deterministic and predictable. In other words, when the measurement bases of Alice and Bob match, the observed bit value has a predetermined parity value. Therefore, the EPR state prepared by Alice is known, and when the measurement bases of Alice and Bob match, the measurement result of the other person can be known from the own measurement result and the predetermined parity value. it can. In this way, Alice and Bob can share random number data that can be used as a secret key by extracting only the data set with the consistent measurement base.

このような方法でエラーフリー(誤りなし)の乱数データ共有が可能であるのは、アリスとボブの共有する2量子ビットペアが最大量子相関状態にある場合に限る。いかなる盗聴行為も2量子ビットペアにアンシラ(ancilla)を量子相関させる行為となり、2量子ビットペアを最大量子相関状態から混合状態に変化させ、共有した鍵データにエラーを誘発する。前述と同様に、アリスとのボブは、鍵データのアンサンブルからサンプリングしたサブアンサンブルを用いて鍵データのエラーの程度を評価することにより、盗聴者への情報漏洩量の上限を把握することができる。アリスとボブは、盗聴者への情報漏洩量上限に相当する鍵データを短縮することにより、証明可能な安全性を持つ秘密鍵を共有することができる。ここまで、鍵配付に用いる2量子ビットペアはアリスが準備するという前提で記述してきたが、この前提は不要であり、アリスとボブ以外の第三者が2量子ビットペアを準備しても差し支えない。この場合、2量子ペアビットを準備する第三者も、盗聴者同様、いかなる鍵情報も得ることはできない。   Error-free (no error) random number data sharing is possible in this way only when the two qubit pairs shared by Alice and Bob are in the maximum quantum correlation state. Any wiretapping act is an act of quantum-correlating ancilla with two qubit pairs, changing the two-qubit pair from the maximum quantum correlation state to the mixed state and inducing an error in the shared key data. As before, Bob with Alice can grasp the upper limit of the amount of information leaked to an eavesdropper by evaluating the degree of error in the key data using a sub-ensemble sampled from the ensemble of key data. . Alice and Bob can share a provably secure secret key by shortening the key data corresponding to the upper limit of the amount of information leaked to an eavesdropper. Up to this point, the two-qubit pair used for key distribution has been described on the assumption that Alice prepares, but this assumption is unnecessary, and a third party other than Alice and Bob may prepare the two-qubit pair. In this case, a third party who prepares two quantum pair bits cannot obtain any key information like an eavesdropper.

なお、量子暗号装置に関する特許文献としては、例えば、特許文献1〜5がある。また量子暗号鍵を配布するための従来技術としては、特許文献6に記載のものがある。特許文献7には、公開鍵暗号を用いた共通鍵配送システムが開示されている。
特開2003−37593号公報 特表2000−511016号公報 特表2000−517499号公報 特表平9−502322号公報 特開2000−174747号公報 特開2005−217676号公報 特許第2563518号公報 ベネット(Bennett)、ブラッサード(Brassard)著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議(IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)) エカート(Ekert)著 フィジカルレビュー、レタース(Phys. Rev. Lett., 67, 661 (1991))
In addition, as patent documents regarding the quantum cryptography device, for example, there are Patent Documents 1 to 5. Moreover, as a prior art for distributing a quantum encryption key, there exists a thing of patent document 6. FIG. Patent Document 7 discloses a common key distribution system using public key cryptography.
JP 2003-37593 A Special table 2000-511016 gazette Special Table 2000-517499 JP-T 9-502322 JP 2000-174747 A JP 2005-217676 A Japanese Patent No. 2563518 International Conference on IEEE Computers, Systems and Signal Processing by Bennett and Brassard (IEEE Int. Conf. On Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)) Physical review by Ekert, Letters (Phys. Rev. Lett., 67, 661 (1991))

しかしながら、上述の非特許文献1および非特許文献2に開示された量子暗号装置は、以下に述べるような課題を有している。   However, the quantum cryptography devices disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 described above have the following problems.

非特許文献1に示された方式では、アリスは鍵の送信者である一方でボブは鍵の受信者であると、その役割は非対称であり、また、送信者と受信者とでは、その保有すべき装置も大きく異なる。受信者ボブが保持する受信装置には、単一量子の個別測定が必要であり、その動作と保守に多大な技術と費用を要するデバイスが含まれる。例えば、量子暗号では量子ビットの担体として光子が用いられるが、単一量子の個別測定のために単一光子の検出器が必要である。この種の検出器は、特殊なデバイス開発を要し、また低温動作が必要であったり、複雑な調整や動作安定化のための細かな配慮が必要であったりし、一般的なユーザには取扱いが困難な装置である。他方、アリスが保有する送信装置は、光源と変調器のみから構成されており、大変簡単である。特に光源として微弱コヒーレント光源(レーザ光源)を用いる場合、送信装置は大変コンパクトに作ることができ、ユーザにも容易に扱え、量産も低コスト化も容易である。このように、従来の量子暗号装置を普及させるには、受信装置の複雑さがネックとなっており、解決を要する課題となっている。   In the method shown in Non-Patent Document 1, if Alice is a key sender and Bob is a key receiver, the role is asymmetrical. The equipment to be used is also very different. Receiving devices held by Recipient Bob include devices that require individual measurements of a single quantum and that require significant skill and cost to operate and maintain. For example, photons are used as carriers for qubits in quantum cryptography, but single photon detectors are required for single quantum individual measurements. This type of detector requires special device development, requires low-temperature operation, requires detailed adjustments, and requires careful consideration for operational stability. It is a device that is difficult to handle. On the other hand, the transmitting device possessed by Alice is composed of only a light source and a modulator, and is very simple. In particular, when a weak coherent light source (laser light source) is used as the light source, the transmitter can be made very compact, can be easily handled by the user, and mass production and cost reduction are easy. As described above, in order to spread the conventional quantum cryptography apparatus, the complexity of the receiving apparatus becomes a bottleneck, which is a problem that needs to be solved.

また、非特許文献2に開示された量子暗号装置の場合、仮に2量子ビットの準備を第三者が行うとすれば、正規利用者であるアリスおよびボブは、ともに量子ビットの受信者となり、その役割は対称である。正規受信者の持つべき受信装置は全て同等であり、装置の量産等の点でメリットはある。しかしながら、正規利用者が保持すべき受信装置の取扱いの困難さの課題は依然として残されており、非特許文献2の量子暗号装置は、非特許文献1の装置に比べてより実現が困難となっている。   Further, in the case of the quantum cryptography device disclosed in Non-Patent Document 2, if a third party prepares 2 qubits, Alice and Bob who are regular users are both receivers of qubits, Its role is symmetric. All receiving devices that should be possessed by regular receivers are equivalent, and there are advantages in terms of mass production of devices. However, the problem of the difficulty of handling a receiving device that should be held by a regular user still remains, and the quantum cryptography device of Non-Patent Document 2 is more difficult to realize than the device of Non-Patent Document 1. ing.

さらに、上述の特許文献1〜7に記載された技術を用いても、正規利用者が保持すべき受信装置の取扱いの困難さの課題は解決されない。   Furthermore, even if the techniques described in Patent Documents 1 to 7 described above are used, the problem of difficulty in handling a receiving apparatus that should be held by a regular user cannot be solved.

本発明は、上記従来技術の抱える課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、正規利用者の持つべき装置が全て同等かつ簡単な装置構成で済む、量子暗号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 of the prior art, and an object of the present invention is to provide a quantum cryptography device in which all devices that should be possessed by a regular user can have an equivalent and simple device configuration. .

本発明の量子暗号装置は、2量子ビットの協同変数を計算する量子計算手段を有する第三者装置と、正規利用者ごとに設けられ、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱コヒーレント光源と、該量子ビットにBB84状態を準備するための変調器と、第三者装置から通知された変数値と自己の保有する変数値のパリティを計算する手段とを有する、装置と、変調器から出力される量子ビットを第三者装置に送付する量子通信路と、を有する。   The quantum cryptography device of the present invention is a third party device having a quantum calculation means for calculating a co-variable of 2 qubits, and a weak coherent light source that is provided for each authorized user and generates photons that serve as information carriers of qubits. A modulator for preparing a BB84 state in the qubit, a means for calculating the parity of the variable value notified from the third party device and the variable value held by itself, and the modulator A quantum communication path for sending the output quantum bits to a third party device.

本発明の量子暗号装置では、第三者装置から各正規利用者の装置に協同変数の計算結果を通知する第1の古典通信路と、各正規利用者の装置間で古典的な通信を行うための第2の古典通信路と、をさらに設けることが好ましい。また、第三者装置に、量子通信路を介して送付されてきた微弱光から多光子成分をフィルタして単一光子に変換して量子計算手段に供給する手段をさらに備えることが好ましい。   In the quantum cryptography device of the present invention, classical communication is performed between the first classical communication path for notifying the calculation result of the cooperative variable from the third party device to each authorized user device, and each authorized user device. It is preferable to further provide a second classical communication channel for the purpose. Further, it is preferable to further include means for filtering the multiphoton component from the weak light transmitted via the quantum communication path to the third party device, converting it into a single photon, and supplying it to the quantum calculation means.

以下、本発明の量子暗号装置の動作原理について、図3を用いて説明する。   Hereinafter, the operating principle of the quantum cryptography apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.

本発明の量子暗号装置は、図3に示したように、最大量子相関状態に準備された2量子ビットペアの各々の量子ビットを個別に測定したときの事象生起の確率分布は、その時間反転と見なせる個別に状態準備された2量子ビットをベル一括測定したときの事象生起の確率分布と一致し、両者の間には一対一対応があるという事実を利用する。ベル一括測定とは、同時に誤りなしで測定することは不可能である各量子ビットの変数σxおよびσzの値を知ることなく、2量子ビットの協同変数 As shown in FIG. 3, the quantum cryptography apparatus of the present invention has a probability distribution of event occurrence when each qubit of two qubit pairs prepared in the maximum quantum correlation state is individually measured. Utilizing the fact that there is a one-to-one correspondence between the two, which corresponds to the probability distribution of event occurrence when two qubits that are individually prepared and can be regarded as bells are collectively measured. Bell collective measurement is a cooperative variable of 2 qubits without knowing the values of the variables σ x and σ z of each qubit that cannot be measured without error at the same time.

Figure 2007189517
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を同時に計算し決定する量子計算過程であり、量子計算機によって実行することができる。 Is a quantum computation process that calculates and determines the values simultaneously, and can be executed by a quantum computer.

本発明では、このような対応関係を利用することにより、非特許文献2に開示された量子暗号装置の時間反転版による実装が可能である。すなわち、本発明によれば、非特許文献2に開示された量子暗号装置と同様に、二人の正規受信者アリスとボブはその役割が対称的であるが、正規受信者が送信者、第三者が受信者となるような量子暗号装置を実装することができる。非特許文献2に開示された量子暗号装置では、正規利用者間でエラーフリーの乱数データ共有が可能であるのは、アリスとボブの共有する2量子ビットペアが最大量子相関状態にある場合に限られるが、本発明による時間反転版による実装では、正規利用者間でエラーフリーの乱数データ共有が可能であるのは、アリスとボブが個別に準備した2量子ビットペアを第三者がベル一括測定する場合に限られる。いかなる盗聴行為も2量子ビットペアにアンシラを量子相関させる行為になり、2量子ビットペアの測定をベル一括測定から変化させ、共有した鍵データにエラーを誘発する。アリスとボブは、鍵データのアンサンブルからサンプリングしたサブアンサンブルを用いて鍵データのエラーの程度を評価することにより、盗聴者への情報漏洩量の上限を把握することができ、盗聴者への情報漏洩量上限に相当する鍵データを短縮することにより、証明可能な安全性を持つ秘密鍵を共有することができる。第三者が知ることができるのは、唯一各々の量子ビットの正規利用者の測定結果のパリティの値のみである。第三者が、測定値自体は知ることはできず、したがって、盗聴者同様、いかなる鍵情報も得ることはできない。   In the present invention, by utilizing such a correspondence relationship, it is possible to mount the quantum cryptography device disclosed in Non-Patent Document 2 by a time-reversed version. That is, according to the present invention, similar to the quantum cryptography device disclosed in Non-Patent Document 2, the roles of the two authorized receivers Alice and Bob are symmetric, but the authorized receiver is the sender, It is possible to implement a quantum cryptography apparatus in which three parties are receivers. In the quantum cryptography device disclosed in Non-Patent Document 2, error-free random number data can be shared between authorized users only when the two qubit pairs shared by Alice and Bob are in the maximum quantum correlation state. However, with the time-reversed version implementation according to the present invention, error-free random number data can be shared between authorized users because a third party measures the two qubit pairs individually prepared by Alice and Bob. Limited to. Any wiretapping act will act to correlate ancilla with 2 qubit pairs, changing the measurement of 2 qubit pairs from the bell collective measurement and inducing an error in the shared key data. Alice and Bob can grasp the upper limit of the amount of information leaked to the eavesdropper by evaluating the degree of key data error using a sub-ensemble sampled from the ensemble of key data, By shortening the key data corresponding to the leakage amount upper limit, it is possible to share a secret key with provable security. The third party can only know the parity value of the measurement result of the regular user of each qubit. A third party cannot know the measurement value itself, and therefore cannot obtain any key information, like an eavesdropper.

本発明によると、正規利用者は、すべて対称対等であって、かつ、保持すべき装置は取扱いが容易な送信装置で済む送信者となる。高コストであるとともに一般ユーザには取扱いが困難である受信装置は、複数の正規利用者に対して共通に設けられるセンタに設けておくことが可能である。したがって、本発明の量子暗号装置は、非特許文献1および非特許文献2に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置を簡易化でき装置運用のための負担を大幅に軽減することができる。また、送信装置は量産可能であるため、量子暗号装置の利用におけるコスト面の障壁を大幅に低減できる。   According to the present invention, regular users are all symmetric pairs, and a device to be held is a sender that can be handled easily by a transmission device. A receiving device that is expensive and difficult for a general user to handle can be provided in a center provided in common to a plurality of authorized users. Therefore, the quantum cryptography device of the present invention can simplify the device of the authorized user and greatly reduce the burden for device operation compared with the quantum cryptography devices disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2. be able to. Further, since the transmission device can be mass-produced, the cost barrier in using the quantum cryptography device can be greatly reduced.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の一形態の量子暗号装置の構成を示すブロック図である。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a quantum cryptography apparatus according to an embodiment of the present invention.

[構成の説明]
図1に示した例では正規利用者としてアリス(Alice)とボブ(Bob)の二人がおり、それぞれ、同一の装置21を保持している。図に示されるように、量子暗号装置は、正規利用者アリスとボブに対して対称的である。さらに、これらの正規利用者によって共有される第三者装置(センタ)22が設けられている。
[Description of configuration]
In the example shown in FIG. 1, there are two authorized users, Alice and Bob, each holding the same device 21. As shown in the figure, the quantum cryptography apparatus is symmetric with respect to the regular user Alice and Bob. Furthermore, a third party device (center) 22 shared by these authorized users is provided.

正規利用者の装置21は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する光源1と、光源1から入射する光子の状態を初期化するための状態初期化装置2と、BB84状態を選択するための真性乱数発生器3と、量子ビットにBB84状態を変調する変調器4と、古典計算機9とを備えている。光源1は、微弱コヒーレント光源として、レーザ光源と適切な光強度減衰器により構成することができる。さらに各正規利用者の装置21は、第三者装置(センタ)22に対して、量子ビットを第三者装置22に対して送付するための量子通信路5と、第三者装置22が計算した変数値(協同変数の値)を受け取るための古典通信路8によって接続している。また、アリスとボブの装置21は、基底情報の交換、エラー評価、エラー訂正、秘匿性増強などのプロセスに用いる古典通信路10によって相互に接続されている。   The regular user device 21 selects a light source 1 that generates photons that are information carriers of qubits, a state initialization device 2 that initializes the state of photons incident from the light source 1, and a BB84 state. A true random number generator 3, a modulator 4 that modulates the BB84 state into quantum bits, and a classical computer 9. The light source 1 can be constituted by a laser light source and an appropriate light intensity attenuator as a weak coherent light source. Furthermore, each authorized user's device 21 calculates the quantum communication path 5 for sending quantum bits to the third party device 22 to the third party device (center) 22 and the third party device 22 calculates. Are connected by the classical communication channel 8 for receiving the variable values (values of the cooperative variables). Alice and Bob's device 21 are connected to each other by a classical communication channel 10 used for processes such as exchange of base information, error evaluation, error correction, and confidentiality enhancement.

正規利用者と第三者22は、量子ビットを伝送するための量子通信路5、計算結果を通知するための古典情報路8により接続されている。量子通信路は通常の光ファイバを用いることができる。古典通信路8,10は、古典的な通信を行うための通信路であり、通常のインターネット通信で十分である。   The regular user and the third party 22 are connected by the quantum communication path 5 for transmitting quantum bits and the classical information path 8 for notifying the calculation result. A normal optical fiber can be used for the quantum communication path. The classic communication channels 8 and 10 are communication channels for performing classic communication, and normal Internet communication is sufficient.

本実施形態において、BB84状態は、光子の2つの直交する偏光の重ね合わせや、時間・空間的に識別可能な2つの光子波束の重ね合わせなどにより実現できるが、他の自由度を用いてもよい。変調器4は、光源1から状態初期化装置2を経て入力する光子からなる量子ビットにBB84状態を準備するためのものであり、変調器4によってBB84状態を準備された量子ビットは、量子通信路5を介して第三者装置22に送られるようになっている。古典計算機9は、第三者装置22から通知された変数値と自装置で保有する変数値とのパリティを計算するために設けられている。   In this embodiment, the BB84 state can be realized by superposition of two orthogonal polarizations of photons or superposition of two photon wave packets that can be distinguished in time and space, but other degrees of freedom can also be used. Good. The modulator 4 is for preparing a BB84 state for a qubit composed of photons input from the light source 1 via the state initialization device 2, and the qubit prepared for the BB84 state by the modulator 4 is a quantum communication. It is sent to the third party device 22 via the path 5. The classical computer 9 is provided to calculate the parity between the variable value notified from the third party device 22 and the variable value held by the own device.

第三者装置22は、正規利用者の装置21から量子通信路5を介して送付された微弱光から多光子成分をフィルタして単一光子に変換する単一光子フィルタ6と、量子計算機7とを備えている。単一光子フィルタ6は、正規利用者の装置21ごとに対応して設けられており、送付された量子ビット担体である微弱光に確率的に含まれる多光子成分を除去するための量子フィルタとして構成されている。このような単一光子フィルタ6は、量子非破壊測定技術により実現可能である。量子計算機7は、アリスの装置21から一方の単一光子フィルタ6を介して入力する量子ビットとボブの装置21から他方の単一光子フィルタ6を介して入力する量子ビットとの2量子ビットの協同変数を計算する。計算された協同係数は、古典通信路8を介して、アリスとボブの装置21にそれぞれ通知されるようになっている。
[動作の説明]
次に、本実施形態の量子暗号装置の動作を説明する。
The third-party device 22 includes a single-photon filter 6 that filters multi-photon components from weak light transmitted from the device 21 of a regular user via the quantum communication path 5 and converts them into single photons, and a quantum computer 7. And. The single photon filter 6 is provided corresponding to each device 21 of a regular user, and serves as a quantum filter for removing multiphoton components stochastically included in the weak light that is the sent qubit carrier. It is configured. Such a single photon filter 6 can be realized by a quantum nondestructive measurement technique. The quantum computer 7 has two qubits, that is, a qubit input from the Alice device 21 via one single photon filter 6 and a qubit input from the Bob device 21 via the other single photon filter 6. Calculate collaborative variables. The calculated cooperation coefficient is notified to Alice and Bob's device 21 via the classical communication path 8 respectively.
[Description of operation]
Next, the operation of the quantum cryptography device of this embodiment will be described.

各正規利用者の装置21において、光源1から出射された光子からなる量子ビットは、状態初期化装置2により適切な初期状態に準備される。正規利用者の装置21では、真性乱数発生器3によって生成される2ビットの乱数(σxまたはσz)を記録するとともに、その乱数値にしたがって、変調器4により量子ビットがBB84状態に変調される。以下の説明において、アリスの装置21で発生した乱数とボブの装置21で発生した乱数とを区別する必要がある場合には、アリスの装置で発生した乱数をσx (A)またはσz (A)で表わし、ボブの装置で発生した乱数をσx (B)またはσz (B)で表わすことにする。 In each regular user device 21, a qubit composed of photons emitted from the light source 1 is prepared in an appropriate initial state by the state initialization device 2. The normal user device 21 records a 2-bit random number (σ x or σ z ) generated by the true random number generator 3 and modulates the quantum bit into the BB84 state by the modulator 4 according to the random value. Is done. In the following description, when it is necessary to distinguish between the random number generated by Alice's device 21 and the random number generated by Bob's device 21, the random number generated by Alice's device 21 is expressed as σ x (A) or σ z ( A) , and the random number generated by Bob's device is represented by σ x (B) or σ z (B) .

アリス及びボブの装置10でそれぞれBB84状態に変調された量子ビットは、量子通信路5を介して第三者装置22に送られる。第三者装置22では、単一光子フィルタ(量子フィルタ)6により、送付された量子ビット担体である微弱光が単一光子に変換される。両方の装置21からそれぞれ入力し単一光子に変換された量子ビットに基づいて、量子計算機7は、協同変数として、そのx基底のパリティ   The qubits modulated by the Alice and Bob devices 10 to the BB84 state are sent to the third party device 22 via the quantum communication path 5. In the third party device 22, the weak light that is the transmitted qubit carrier is converted into a single photon by the single photon filter (quantum filter) 6. Based on the qubits input from both devices 21 and converted into single photons, the quantum computer 7 uses the parity of the x basis as a cooperative variable.

Figure 2007189517
Figure 2007189517

およびz基底のパリティ And z-base parity

Figure 2007189517
Figure 2007189517

を計算する。計算結果は、古典通信路8により、正規利用者(アリスとボブ)の装置21に通知される。 Calculate The calculation result is notified to the device 21 of the authorized user (Alice and Bob) through the classical communication channel 8.

正規利用者の装置21は、相互に、古典通信路10を通じて基底情報を交換しており、第三者装置22に伝送した量子ビットのアンサンブルのうち基底が整合したサブアンサンブルを各自が選別する。正規利用者の装置21では、古典計算機9が、各自のサブアンサンブルの各々の量子ビットのビット値と、報告されたpxまたはpzのうち、送付の際に用いた基底と合致するものとのパリティ The regular user devices 21 mutually exchange basis information through the classical communication channel 10, and each of them sorts out sub-ensembles whose bases are matched among the ensembles of qubits transmitted to the third-party device 22. In authorized user of the device 21, a classical computer 9, and the bit values of the qubits of each respective sub-ensemble, among the reported p x or p z, and those that match the base used when sending Parity

Figure 2007189517
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を計算する。このパリティの計算により、正規利用者の装置21は、相手方が準備して送付した量子ビットの個々のビット値を知ることができる。このようにして得られたデータを選別鍵とする。 Calculate This parity calculation allows the regular user device 21 to know the individual bit values of the qubits prepared and sent by the other party. The data obtained in this way is used as a selection key.

盗聴行為が無ければ選別鍵はエラーフリーであるが、盗聴行為があるとエラーが含まれるようになる。正規利用者は、非特許文献1および2に記載されているように、選別鍵からサンプリングしてエラー評価を行い、盗聴情報上限量を計算することができる。これを基に、古典通信路10を用いて古典的エラー訂正および秘匿性増強プロトコルを実行し、安全な最終鍵を入手することができる。   If there is no eavesdropping action, the selection key is error-free, but if there is an eavesdropping action, an error is included. As described in Non-Patent Documents 1 and 2, a legitimate user can perform error evaluation by sampling from a selection key and calculate an eavesdropping information upper limit amount. Based on this, the classical error correction and confidentiality enhancement protocol can be executed using the classical communication path 10 to obtain a secure final key.

本実施形態の量子暗号装置の特徴は、取扱いと管理運用が難しい受信装置の設置、保守運営を第三者装置22として第三者に委託することができ、それでいながら、その第三者の信頼性や安全性を仮定しなくてもよいという点にある。このような第三者装置22としては、正規利用者から利用料を徴収することによって運営されるセンタ24として、専門家集団である電気通信事業者などが運用を担うものを想定している。このとき、図2に示したように、複数の正規利用者の装置21と第三者装置22との間に、正規利用者の装置21の要求によってオンデマンドで通信路を切り替える光スイッチ23を挿入することによって、第三者装置22の有限の資源を多くの正規利用者で時間分割的に共用することができるようになる。電気通信事業者などの第三者は、第三者装置22及び光スイッチ23を含めたセンタ24を管理すればよい。   The feature of the quantum cryptography device of the present embodiment is that the installation and maintenance operation of a receiving device that is difficult to handle and manage and operate can be outsourced to a third party as a third party device 22, while that third party's There is no need to assume reliability and safety. As such a third-party device 22, it is assumed that a center 24 operated by collecting a usage fee from a regular user is operated by a telecommunications carrier as a specialist group. At this time, as shown in FIG. 2, an optical switch 23 that switches a communication path on demand according to a request from the authorized user device 21 is provided between the authorized user device 21 and the third party device 22. By inserting, the limited resources of the third party device 22 can be shared in time division among many regular users. A third party such as a telecommunications carrier may manage the center 24 including the third party device 22 and the optical switch 23.

本発明の実施の一形態の量子暗号装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the quantum cryptography apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の量子暗号装置において、第三者が果たす役割を説明する図である。It is a figure explaining the role which the third party plays in the quantum cryptography device of the present invention. 本発明の量子暗号装置の動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the operating principle of the quantum cryptography apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源
2 状態初期化装置
3 真性乱数発生器
4 変調器
5 量子通信路
6 単一光子フィルタ
7 量子計算機
8,10 古典通信路
9 古典計算機
21 正規利用者の装置
22 第三者装置
23 光スイッチ
24 センタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 State initialization apparatus 3 Intrinsic random number generator 4 Modulator 5 Quantum communication channel 6 Single photon filter 7 Quantum computer 8, 10 Classical communication channel 9 Classical computer 21 Regular user device 22 Third party device 23 Optical switch 24 Center

Claims (6)

2量子ビットの協同変数を計算する量子計算手段を有する第三者装置と、
正規利用者ごとに設けられ、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱コヒーレント光源と、該量子ビットにBB84状態を準備するための変調器と、前記第三者装置から通知された変数値と自己の保有する変数値のパリティを計算する手段とを有する、装置と、
前記変調器から出力される量子ビットを前記第三者装置に送付する量子通信路と、
を有する量子暗号装置。
A third-party device having a quantum computing means for calculating a two-qubit cooperative variable;
A weak coherent light source that is provided for each regular user and generates a photon serving as a qubit information carrier, a modulator for preparing a BB84 state in the qubit, and a variable value notified from the third party device And a device for calculating the parity of the variable value held by itself,
A quantum communication path for sending qubits output from the modulator to the third party device;
A quantum cryptography device.
前記第三者装置から前記各正規利用者の装置に前記協同変数の計算結果を通知する第1の古典通信路と、
前記各正規利用者の装置間で古典的な通信を行うための第2の古典通信路と、
をさらに備える、請求項1に記載の量子暗号装置。
A first classical communication path for notifying the calculation result of the cooperative variable from the third party device to the device of each regular user;
A second classical communication channel for classical communication between the devices of the respective regular users;
The quantum cryptography device according to claim 1, further comprising:
前記第三者装置に、前記量子通信路を介して送付されてきた微弱光から多光子成分をフィルタして単一光子に変換して前記量子計算手段に供給する手段をさらに備える、請求項1または2に記載の量子暗号装置。   The apparatus further comprises means for filtering a multiphoton component from weak light transmitted via the quantum communication path to the third party device, converting the multiphoton component into a single photon, and supplying the single photon to the quantum calculation means. Or the quantum cryptography apparatus of 2. 前記第三者装置に接続され、複数の前記正規利用者の装置の中から任意の2つの装置をオンデマンドで前記第三者装置に結合させるスイッチ手段をさらに有する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子暗号装置。   4. The device according to claim 1, further comprising a switch unit connected to the third-party device and coupling any two devices among the plurality of devices of the authorized user to the third-party device on demand. 2. A quantum cryptography device according to claim 1. 量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱コヒーレント光源と、該量子ビットにBB84状態を準備するための変調器と、第三者装置から通知された変数値と自己の保有する変数値のパリティを計算する手段とを有し、前記変調器から出力される量子ビットを量子通信路を介して前記第三者装置に送付する量子暗号装置。   Weak coherent light source that generates photons serving as information carriers of qubits, a modulator for preparing a BB84 state for the qubits, a variable value notified from a third party device, and a parity of a variable value held by itself And a quantum cryptography device that sends a qubit output from the modulator to the third party device via a quantum communication path. 異なる正規利用者の装置から量子通信路を介して量子ビットを受け取り、2量子ビットの協同変数を計算する量子計算手段を有し、計算された協同変数を前記正規利用者の装置通知にする量子暗号装置。   Quantum calculation means for receiving a qubit from a device of a different regular user via a quantum communication path and calculating a cooperative variable of 2 qubits, and a quantum for making the calculated cooperative variable a device notification of the regular user Crypto device.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011510582A (en) * 2008-01-25 2011-03-31 キネテイツク・リミテツド Quantum cryptography equipment
US8897449B1 (en) * 2011-09-12 2014-11-25 Quantum Valley Investment Fund LP Quantum computing on encrypted data
CN107735830A (en) * 2015-06-24 2018-02-23 日本电信电话株式会社 Secret computing device, secret computational methods and program

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