JP2007251678A - 量子暗号通信装置および通信端末における平均光子数設定方法 - Google Patents

量子暗号通信装置および通信端末における平均光子数設定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定可能とし、盗聴検知を容易とする。
【解決手段】量子暗号通信装置１００Ａは、送信者側端末１、受信者側端末２及び通信路３からなる。端末１から端末２に比較的強度の強い参照光（パルス光Ｐ２）及びパルス毎にランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光（パルス光Ｐ１）を送る。端末２でさらに参照光にパルス毎にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光及び信号光に基づいてホモダイン検出を行って、秘密情報、例えば秘密鍵を得る。端末１は、その出口における信号光の平均光子数を所定値に設定する設定部を有している。端末２では、信号光の平均光子数の見積もりと上述した端末１における設定値とを照合して、盗聴検知を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置およびそれに使用される通信端末における平均光子数設定方法に関する。
詳しくは、この発明は、送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、受信者側端末でさらに参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、送信者側端末がその出口における平均光子数を所定値に設定する設定部を有する構成とすることによって、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定可能とし、盗聴検知が容易となるようにした量子暗号通信装置等に係るものである。
第三者への情報漏洩を防ぐ手法として、ＲＳＡ暗号、ＥＩＧａｍａｌ暗号などの公開鍵暗号、ＡＥＳ，ＤＥＳなどの秘密鍵暗号がある。前者は、安全性が素因数分解問題、離散対数問題の困難さに起因している。そのため、量子コンピュータによる解読、あるいは未知の攻撃の脅威に常にさらされている。後者は、予め秘密鍵を送受信者が共有する必要があるため、通常は前者の手法を用いて鍵交換を行なう。しかし、前者と同様に，攻撃手法が日々進化しているため、将来、効率的な解読法が出現する可能性がある。一般に、これらは計算量的安全性に基づく暗号と言われている。
一方、バーナム暗号などの、完全秘匿可能な情報量的安全性に基づく暗号が提案されている。しかし、Ｓｈａｎｎｏｎにより示されたように、完全秘匿性を有するためには、送受信者が共有する鍵サイズが大きくなり、鍵配布が困難となる。
これらの問題を打開する手法として、Ｂｅｎｎｅｔｔらにより量子暗号が提案された。量子暗号とは、量子力学の原理を利用して秘密鍵を共有する手法である。微弱な光の状態を１回の測定により正確に特定できないことを用いる。この量子暗号の実装手法としては、微弱な信号光の測定手法により、大きく２つに分けることができる。
一方は、単一光子検出に基づく手法、もう一方はホモダイン検出に基づく手法である。前者の手法は、単一光子生成、検出を行なうところが特徴であり難点である。後者の手法は、レーザダイオードからの微弱コヒーレント光をフォトダイオードからなるホモダイン検出器を用いて測定するという特徴を有する。この手法は、室温で高効率の測定が可能である点で有望な手法と考えられている。
このホモダイン検出に基づく量子暗号プロトコルは、特許文献１で提案されている。また、長距離通信では回避が難しい光ファイバー上での偏光状態擾乱、光路長のずれに対処可能なプラグアンドプレイ実装も、特許文献２で提案されている。この特許文献２では、さらに、送受信者間で同期を取る手法が提案されている。
特開２０００−１０１５７０号公報 特開２００５−２８６４８５号公報
上述した量子暗号プロトコルでは、秘密情報を位相変調量としてパルス光に載せるが，量子暗号の機能を果たすためには、パルスあたりの平均光子数が１個程度の微弱レベルである必要がある。秘密情報を送信する送信者側の出口で、微弱レベルである信号光の平均光子数を正確に設定することが求められる。なぜならば、受信者側で信号を測定した後に平均光子数を見積もり、送信者出口における平均光子数と比較することで盗聴検知の端緒と成り得るからである。
この発明の目的は、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定可能とし、盗聴検知を容易とすることにある。
この発明の概念は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
上記第１の通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第１の光分離部と、
遅延器が挿入されている第１の光路と、
遅延器が挿入されていない第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光合成部と、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第２の光分離部と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記第２の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
上記第２の通信端末は、
上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器と、
上記光送出部により上記通信路に送出される上記信号光の平均光子数を所定値に設定するための光子数設定部とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置にある。
この発明において、量子暗号通信装置は、受信者側端末である第１の通信端末と、送信者側端末である第２の通信端末と、これら第１、第２の通信端末を結ぶ光ファイバー、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。
第１の通信端末（受信者側端末）の光源から発生されるパルス光は光分離部で信号光および参照光に分離される。そして、遅延器が挿入された第１の光路を通過した信号光および遅延器が挿入されていない第２の光路を通過した参照光が合成されて、通信路に送出される。この場合、通信路には、最初に参照光が送出され、その後に所定の時間差をもって信号光が送出される。
第２の通信端末（送信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくる。これら参照光および信号光は所定の光路を介して再び通信路に送出される。この場合、この所定の光路を通る信号光は光減衰器により減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされる。なお、この所定の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。また、第２の位相変調器により、所定の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。これにより、信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。
例えば、通信路を介して第１の通信端末から送られてくる光の一部が第２の分岐部で分岐され、この分岐出力に基づいて第２の光検出部により参照光の到着が検出される。そして、この参照光の到着の検出出力に基づいて、第２の位相変調器および光減衰器の処理開始が制御される。これにより、信号光を構成する各パルスに対して、正しいタイミングで位相変調および減衰の処理が可能となる。
この所定の光路から通信路に再び送出される信号光の平均光子数は、光子数設定部により所定値に設定される。例えば、通信路を介して第１の通信端末から送られてくる信号光の強度が第１の検出器により検出される。また、光減衰器で減衰された後の信号光の強度が第２の検出器により検出される。そして、第１の検出器の強度検出値および通信路に送出すべき信号光の平均光子数設定値を基に、第２の検出器の強度検出値が強度見積もり部により見積もられ、第２の検出器の強度検出値が強度見積もり部で見積もられた強度検出値となるように減衰器制御部により光減衰器の減衰量が決定される。
第１の通信端末（受信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくるが、第２の光分離部でこれら参照光および信号光が分離される。上述したように参照光および信号光をこの第１の通信端末から第２の通信端末に送る際には、信号光が第１の光路を通過し、参照光が第２の光路を通過するようにされるが、第２の通信端末からこの第１の通信端末に送り返されたものに関しては、参照光が第１の光路を通過し、信号光が第２の光路を通過するようにされる。
また、第１の位相変調器により、第１の光路を通る参照光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。そして、第１の光路を通過した参照光および第２の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出が行われる。このホモダイン検出器の検出情報から、上述したように第２の通信端末で信号光に載せられた秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
例えば、通信路を介して第２の通信端末から送られてくる参照光の一部が第１の分岐部で分岐され、この分岐出力に基づいて第１の光検出部により参照光の到着が検出される。そして、この参照光の到着の検出出力に基づいて、第１の位相変調器の処理開始が制御される。これにより、参照光を構成する各パルスに対して、正しいタイミングで位相変調の処理が可能となる。
上述したように、この発明における量子暗号通信装置では、第１，第２の通信端末間で往復通信路が形成され、また第１の通信端末の第１、第２の光路を通過する信号光、参照光が往復で入れ替わって信号光および参照光の往復経路距離が等しくされるため、ホモダイン検出部における干渉測定が正しく行われると共に、通信路における偏光状態の乱れが解消される。
なお、第１の通信端末が、第２の信号端末から通信路に送出される信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部、さらにはこの光子数見積もり部で見積もられた平均光子数と、第２の通信端末の光子数設定部で設定された上記信号光の平均光子数とを照合する光子数照合部をさらに有するようにしてもよい。このように平均光子数を見積もり、それを設定された平均光子数と照合することで、盗聴検知が可能となる。この場合、第２の通信端末から通信路に送出される信号光の平均光子数が所定値に設定されることから、上述したような照合による盗聴検知が容易となる。
また、この発明の概念は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
上記第１の通信端末は、
上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第１の光分離部と、
第１の光路と、
上記第１の光路より短い第２の光路と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
上記第２の通信端末は、
パルス光を発生する光源と、
上記光源から発生されるパルス光を上記信号光および上記参照光に分離する第２の光分離部と、
上記第１の通信端末の上記第１の光路に対応した光路長を持つ第３の光路と、
上記第１の通信端末の上記第２の光路に対応した光路長を持つ第４の光路と、
上記第３の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
上記第３の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器と、
上記第２の光分離部で分離され、上記第３の光路を通過した上記信号光および上記第２の光分離部で分離され、上記第４の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光送出部と、
上記光送出部により上記通信路に送出される上記信号光の平均光子数を所定値に設定するための光子数設定部とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置にある。
この発明において、量子暗号通信装置は、受信者側端末である第１の通信端末と、送信者側端末である第２の通信端末と、これら第１、第２の通信端末を結ぶ光ファイバー、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。
第２の通信端末（送信者側端末）の光源から発生されるパルス光は第２の光分離部で信号光および参照光に分離される。第３の光路を通る信号光は光減衰器により減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされる。なお、第４の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。また、第２の位相変調器により、第３の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。これにより、信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。そして、第３の光路を通過した信号光および第４の光路を通過した参照光が合成されて、通信路に送出される。
通信路に送出される信号光の平均光子数は、光子数設定部により所定値に設定される。例えば、光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光の強度が検出器により検出される。そして、この検出器の強度検出値および通信路に送出すべき信号光の平均光子数設定値を基に、減衰量制御部により光減衰器の減衰量が決定される。
第１の通信端末（受信者側端末）には、通信路を介して上述の参照光および信号光が送られてくるが、第１の光分離部でこれら参照光および信号光が分離される。信号光は上述した第２の通信端末の第４の光路に対応した光路長を持つ第２の光路を通過し、参照光は上述した第２の通信端末の第３の光路に対応した光路長を持つ第１の光路を通過するようにされる。
第１の光路を通る参照光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。そして、第１の光路を通過した参照光および第２の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出部でホモダイン検出が行われる。このホモダイン検出部の検出情報から、上述したように第２の通信端末で信号光に載せられた秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
なお、第１の通信端末が、第２の信号端末から通信路に送出される信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部、さらにはこの光子数見積もり部で見積もられた平均光子数と、第２の通信端末の光子数設定部で設定された上記信号光の平均光子数とを照合する光子数照合部をさらに有するようにしてもよい。このように平均光子数を見積もり、それを設定された平均光子数と照合することで、盗聴検知が可能となる。この場合、第２の通信端末から通信路に送出される信号光の平均光子数が所定値に設定されることから、上述したような照合による盗聴検知が容易となる。
この発明によれば、送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光を送り、受信者側端末でさらに参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、送信者側端末がその出口における平均光子数を所定値に設定する設定部を有するものであり、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定でき、盗聴検知が容易となる。
この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ａの構成を示している。
この量子暗号通信装置１００Ａは、第２の通信端末としての送信者側端末１と、第１の通信端末としての受信者側端末２と、これら送信者側端末１および受信者側端末２を結ぶ通信路３とを備えている。この量子暗号通信装置１００Ａは、通信路３を介して、送信者側端末１から受信者側端末２に向けて秘密情報を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
受信者側端末２は、光源４、サーキュレータ５、分岐比が１対１のビームスプリッタ６、位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９、偏光ビームスプリッタ１０、検出器１１，１２、光遮断器１３、可変減衰器１４、ホモダイン検出器１５、スイッチ回路１６、コントローラ１７および信号発信源１８を有している。
また、送信者側端末１は、ビームスプリッタ１９、遅延器２０、可変減衰器２１、位相変調器２２、光スイッチ２３、ファラデーミラー２４、検出器２５，２６、スイッチ回路２７、コントローラ２８および信号発信源２９を有している。
通信路３として、光ファイバーあるいは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路３とするときは、望遠鏡を使用して通信路３における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。
受信者側端末２の光源４で発生するパルス光が、通信路３を介して送信者側端末１へ送信され、その送信データが再度、通信路３を介して受信者側端末２へ戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
受信者側端末２のサーキュレータ５は、光源４からの光がビームスプリッタ６へ出力され、ビームスプリッタ６から戻ってきた光がホモダイン検出器１５へ出力されるように光路制御を実行する。
受信者側端末２の光源４から発生したパルス光は、サーキュレータ５を介してビームスプリッタ６に入力されると、ビームスプリッタ６において、信号光であるパルス光Ｐ１および参照光であるパルス光Ｐ２に分離される。
ビームスプリッタ６から位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９を経て偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ１とする。また、ビームスプリッタ６から光遮断器１３を経て偏光ビームスプリッタ１０に進むパルス光をＰ２とする。図では、受信者側端末２から送信者側端末１へ向かうパルス光Ｐ１，Ｐ２を実線矢印で示し、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻るパルス光Ｐ１，Ｐ２を点線矢印で示している。
ビームスプリッタ６から偏光ビームスプリッタ１０へ進む２つの経路は偏波保存ファイバーで各部品間を接続し、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２が偏光ビームスプリッタ１０で合流し、通信路３に送出されるときには、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は互いに直交する直線偏光となる。
ただし、遅延器８により、パルス光Ｐ１はパルス光Ｐ２よりも遅れて通信路３に入力される。パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の時間差は、光源４のパルス光のコヒーレンス時間よりも十分長くなければならず、また、受信者側端末２の位相変調器７と、送信者側端末１の位相変調器２２および可変減衰器２１の応答時間よりも長くなるように選ぶ。
送信者側端末１では、受信者側端末２から通信路３を経由してパルス光Ｐ１、Ｐ２を受信する。送信者側端末１では、通信路３からのパルス光Ｐ１，Ｐ２をビームスプリッタ１９に入力する。ビームスプリッタ１９は、大部分の光を遅延器２０側に出力し、一部の光のみを検出器２６に出力するように入力光の分岐処理を行なう。
ビームスプリッタ１９の分岐比は、検出器２６がパルス光Ｐ２の到着をモニターできる強度となる範囲でなるべく多くの光が遅延器２０側に進むように設定する。例えば、遅延器２０側と検出器２６側との分岐比は９対１に設定される。
検出器２６は、パルス光Ｐ２の到着をモニターするために用いる。検出器２６としては、例えばフォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオードと、これに増幅器を組み合わせた構成を適用できる。フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。なお、詳細説明は省略するが、その他の検出器も、検出器２６と同様に構成される。
検出器２６の検出出力は、スイッチ回路２７を介してコントローラ２８および信号発信源２９に供給される。図１においては、可変減衰器２１が位相変調器２２より通信路３側に設置された例を示しているが、位相変調器２２を可変減衰器２１より通信路３側に設置する構成であってもよい。
コントローラ２８は、位相変調器２２と可変減衰器２１を制御する。この場合、パルス光Ｐ２に対しては、可変減衰器２１の透過率が高くなるようにし、位相変調器２２は作用させない。一方、パルス光Ｐ１に対しては、可変減衰器２１の減衰量を大きくして透過率を低くし、さらに位相変調器２２により適当な位相変調処理を実行する。
また、コントローラ２８は、検出器２６の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器２２におけるパルス光Ｐ１（信号光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器２２においては、パルス光Ｐ１（信号光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。
例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度（０ラジアン）、９０度（π／２ラジアン）、１８０度（πラジアン）、２７０度（３π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。可変減衰器２１には、音響光学素子またはＬｉＮｂＯ3強度変調器を用いることができる。位相変調器２２には、ＬｉＮｂＯ3位相変調器を用いることができる。
受信者側端末２から通信路３を介して送信者側端末１に入力したパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は送信者側端末１のファラデーミラー２４で反射され、受信者側端末２に戻される。したがって、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は送信者側端末１の可変減衰器２１と位相変調器２２を、行きと帰りをあわせて２回通ることになる。可変減衰器２１の減衰量は、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する。
このように信号光としてのパルス光Ｐ１を微弱にすることは、量子暗号通信装置として、通信の安全性を確保するためである。本実施の形態において、送信者側端末１は、通信路３に送出する信号光の平均光子数を所定値とするための光子数設定部を有している。この光子数設定部は、ビームスプリッタ１９、可変減衰器２１、光スイッチ２３、検出器２５，２６およびコントローラ２８により構成されている。この光子数設定部によるパルス光Ｐ１の平均光子数の設定方法については後述する。
一方、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ２のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末２側のホモダイン検出器１５の信号対雑音比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０6個程度である。このとき、送信者側端末１側の可変減衰器２１のパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対する相対的な透過率の典型的な比は、１０-6：１程度となる。
上述したように、ホモダイン検出法は微弱な信号光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）と比較的強度の強い参照光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０6個程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ１が、平均光子数が１個程度となる信号光に相当する。また、送信者側端末１から受信者側端末２へ戻っていくパルス光Ｐ２が、平均光子数が１０6個程度の参照光に相当する。
送信者側端末１の位相変調器２２と可変減衰器２１はともに、通信路３から送信者側端末１へ入るパルス光の偏光状態に依存しない位相変調と減衰を与える必要があるが、パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２の反射にファラデーミラー２４を用いることで、自動的にこの条件を満たすことができる。可変減衰器２１に音響光学素子を用いる場合には、ほぼ光の偏光状態に依存しない透過率となるので、この場合、パルス光Ｐ１に対する可変減衰器２１の１回あたりの透過率は１０-3程度に設定する。
送信者側端末１において上述の処理がなされた減衰パルス光と非減衰パルス光、すなわち減衰パルス光であるパルス光Ｐ１と、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２は、通信路３を介して受信者側端末２に入力される。減衰パルス光であるパルス光Ｐ１は信号光に相当し、非減衰パルス光であるパルス光Ｐ２は参照光に相当する。
送信者側端末１から通信路３を介して受信者側端末２に入力されたパルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）は、偏光ビームスプリッタ１０により分岐される。この場合、パルス光Ｐ１は光遮断器１３を介してビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２はビームスプリッタ９、遅延器８および位相変調器７を通る長い経路へ出力される。図では、パルス光Ｐ１（信号光）、パルス光Ｐ２（参照光）をそれぞれ点線矢印で示している。
パルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は、送信者側端末１に設置されたファラデーミラー２４によって反射された光であるので、受信者側端末２の偏光ビームスプリッタ１０へ戻ってきたパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２は、受信者側端末２から出力されたパルス光Ｐ１とパルス光Ｐ２に対してそれぞれ９０度偏光面が回転した直線偏光になっている。
この偏光に起因して、受信者側端末２に入力されたパルス光Ｐ１は、偏光ビームスプリッタ１０により、光遮断器１３を介してビームスプリッタ６へ入力される短い経路へ出力され、パルス光Ｐ２はビームスプリッタ９、遅延器８、位相変調器７を通る長い経路へ出力される。
すなわち、受信者側端末２の偏光ビームスプリッタ１０とビームスプリッタ６の間の経路は、受信者側端末２から送信者側端末１へ向かう際のパルス光Ｐ１，Ｐ２と、逆に送信者側端末１から受信者側端末２へ戻ったパルス光Ｐ１，Ｐ２とで入れ替わることになる。
この構成では、送信者側端末１における減衰処理によって減衰された微弱なパルス光Ｐ１（信号光）は、受信者側端末２では、余分な光学部品のない短い経路を通るため、受信者側端末２に戻ってきたパルス光Ｐ１の光損失を小さくすることができる。
一方、典型的なパルスあたりの光子数が１０6個程度であるパルス光Ｐ２（参照光）は、ビームスプリッタ９により、遅延器８へ進むパルス光と検出器１２へ進むパルス光に分かれる。ビームスプリッタ９の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が遅延器８側に進むように設定される。
受信者側端末２の検出器１２の構成は、送信者側端末１の検出器２６と同様で、ビームスプリッタ９の分岐比に関しても、パルス光Ｐ２の到着が検出できる範囲でなるべく多くの光が遅延器８側に出力されるように設定する。
検出器１２の出力はスイッチ回路１６を介してコントローラ１７および信号発信源１８に供給される。コントローラ１７は位相変調器７をコントロールするほか、ホモダイン検出器１５の出力を読み出すタイミングをコントロールする働きを持つ。
コントローラ１７は、検出器１２の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器７におけるパルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器７においては、パルス光Ｐ２（参照光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理が行われる。
位相変調器７は、遅延器８を通ったパルス光Ｐ２に、パルス毎に、ランダムな位相変調を与える。４つの量子状態を用いる量子暗号の場合は、０度（０ラジアン）または９０度（π／２ラジアン）の位相変調をランダムに与える。
往路、すなわち受信者側端末２から送信者側端末１へ向かう際には、長い経路（ビームスプリッタ６→位相変調器７→遅延器８→ビームスプリッタ９→偏光ビームスプリッタ１０）を通ったパルス光Ｐ１は、復路では短い経路（偏光ビームスプリッタ１０→光遮断器１３→ビームスプリッタ６）を通る。一方、往路では短い経路（ビームスプリッタ６→光遮断器１３→偏光ビームスプリッタ１０）を通ったパルス光Ｐ２は、復路では長い経路（偏光ビームスプリッタ１０→ビームスプリッタ９→遅延器８→位相変調器７→ビームスプリッタ６）を通る。
このように、パルス光Ｐ１，Ｐ２は、受信者側端末２と送信者側端末１との間の往復において全く等距離の経路を経由することになり、パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）は同時にビームスプリッタ６に到着する。
パルス光Ｐ１は量子力学的な性質が現れる信号光で、それに比べて強度の強いパルス光Ｐ２を参照光（「局部発振光」ともいう）として用いて、パルス光Ｐ１のホモダイン検出を行うことになる。ビームスプリッタ６の２つの出力は、片方は可変減衰器１４を介して、もう片方はサーキュレータ５を通って、ホモダイン検出器１５へ入力される。
ホモダイン検出器１５の２つの入力部には、それぞれフォトダイオードを設置する。フォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。２つのフォトダイオードの出力は、低雑音で利得の高い増幅器に入力され、さらにこの増幅器の出力を、パルス光Ｐ２（参照光）の強度や増幅器の利得等を使って規格化すると、パルス光Ｐ１（信号光）の直交位相振幅が得られる。このホモダイン検出器１５の検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
本実施の形態において、受信者側端末２は、送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を見積もる光子数見積もり部と、さらにこの見積もられたパルス光Ｐ１の平均光子数と、上述した送信者側端末１で設定されたパルス光Ｐ１の光子数とを照合する光子数照合部とを有している。これら光子数見積もり部および光子数照合部の詳細については後述する。
図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける、送信者側端末１と受信者側端末２との間の通信による秘密情報の共有シーケンスの概要について、図２〜図４を参照して説明する。
まず、図２に示すように、受信者側端末２から往路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が送信者側端末１に出力され、送信者側端末１から受信者側端末２に復路のパルス光Ｐ１，Ｐ２が戻される。ここで、送信者側端末１は、受信者側端末２からのパルス光Ｐ１，Ｐ２のうち、パルス光Ｐ１（信号光）に位相変調器２２を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調を施す。この位相変調系列が図２下段の表の（ｂ）のデータ送信側位相変調系列に相当する。
送信者側端末１が、パルス光Ｐ１に対して実行する位相変調系列（図２の下段の表の（ｂ））はランダムに選択された系列であってよい。あるいは、予め図２の下段の表の（ａ）選択ビットを設定した後、その選択ビットに対応する変調を行なってもよい。なお、例えば、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調光とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調が対応付けられているものとする。
このような位相変調が行なわれたパルス光Ｐ１は可変減衰器２１（図１参照）によって減衰された信号光として受信者側端末２に戻される。なお、パルス光Ｐ２（参照光）は減衰されることなく受信者側端末２に戻される。送信者側端末１から受信者側端末２に戻されるパルス光Ｐ１は微弱な信号光（パルスあたりの平均光子数が１個程度）であり、送信者側端末１から受信者側端末２に戻されるパルス光Ｐ２は、比較的強度の強い参照光（典型的な平均光子数はパルスあたり１０6個程度）である。
この戻りパルス光Ｐ１（信号光）と、戻りパルス光Ｐ２（参照光）を受信した受信者側端末２は、位相変調器７において、例えば｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して、パルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調を行いホモダイン検出器１５において干渉を測定する。
例えば、受信者側端末２の位相変調器７において、図２の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検出器１５においては、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、干渉によるビット識別が実行できた部分であり、［×］は、ビット識別が実行できなかった部分である。ビット識別の可否は、前述したように送信者側端末１と受信者側端末２において実行される位相変調処理の組み合わせによって決定される。
例えば、受信者側端末２のホモダイン検出器１５は、図２の下段の表の（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータに示すように、位相変調処理の組み合わせが所定条件を満足する場合にのみ、ビット［０］、または［１］が検出されることになる。［×］は、ビットの識別が実行できなかった部分である。
その後、受信者側端末２は、図３に示すように、受信者側端末２において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の（ｃ）の情報列を送信者側端末１に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
送信者側端末１は、受信者側端末２から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成して受信者側端末２に送信する。すなわち図の下段の表の（ｅ）の情報列を受信者側端末２に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。なお、図３に示す受信者側端末２からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信者側端末１からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
次に、図４に示すように、受信者側端末２は、検出されたビット情報列を送信者側端末１に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信者側端末１は、受信者側端末２側で検出可能な位相変調を行なった部分のみのビット列情報を受信者側端末２に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図４の下段の表において、（ａ）の選択ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
通信路３において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図４に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、通信路３において通信データの盗聴が行なわれると、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、通信路３の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。通信路３における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図４を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
図１の構成によれば、端末間で往復通信路を形成し、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、参照光（局部発信光）として利用されるパルス光Ｐ２との往復経路距離が同一となり、受信者側端末２のビームスプリッタ６に到着するタイミングは、信号光として利用されるパルス光Ｐ１と、参照光として利用されるパルス光Ｐ２が全く同じタイミングとなり、ホモダイン検出器１５における干渉測定を正確に実行することが可能となる。
具体的には、図１の受信者側端末２のビームスプリッタ６と偏光ビームスプリッタ１０との間の経路を往路と復路で、パルス光Ｐ１，Ｐ２が入れ替わる構成とすることで、受信者側端末２と送信者側端末１との間を往復する２つのパルス光Ｐ１，Ｐ２の往復経路距離が等しくなり、この結果、ホモダイン検出器１５における干渉測定を正確に実行することが可能となっている。
次に、上述した送信者側端末１に設けられた光子数設定部、また受信者側端末２に設けられた光子数見積もり部および光子数照合部の詳細を説明する。
図５のフローチャートは、光子数設定部における信号光の平均光子数設定、光子数見積もり部における信号光の平均光子数見積もり、光子数照合部における信号光の平均光子数の照合の手順を示している。量子暗号通信装置１００Ａでは、このフローチャートの手順を、受信者側端末２のコントローラ１７および送信者側端末１のコントローラ２８に保持している。
（１）信号光の平均光子数設定の手順を説明する。
まず、信号光の平均光子数は、送信者側端末１の出口、つまりビームスプリッタ１９から通信路３へ入射する地点で、平均光子数が所定値になることが求められる。量子鍵配布プロトコルでは、パルス光Ｐ１（信号光）は、受信者側端末２のビームスプリッタ６、位相変調器７、遅延器８、ビームスプリッタ９、偏光ビームスプリッタ１０、さらに通信路３を通って送信者側端末１へ入射する。通信路３から送信者側端末１にパルス光Ｐ１のみが入射されるように、受信者側端末２の光遮断器１３を遮断状態としてパルス光Ｐ２（参照光）を遮断する。
次に、送信者側端末１の検出器２６でパルス光Ｐ１の強度（パワー）を検出する。この場合、検出器２６は第１の検出器を構成している。この検出器２６の強度検出値は、スイッチ回路２７を介してコントローラ２８に供給される。コントローラ２８は、この検出器２６における強度検出値、および送信者側端末１から通信路３に送出すべきパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数設定値を基に、送信者側端末１の検出器２５の強度検出値を見積もる。この場合、コントローラ２８は、強度見積もり部を構成している。
次に、送信者側端末１の光スイッチ２３を検出器２５側に設定する。この検出器２５では可変減衰器２１で減衰処理された後のパルス光Ｐ１（信号光）の強度が検出される。この検出器２５の強度検出値はコントローラ２８に供給される。この場合、検出器２５は第２の検出器を構成している。コントローラ２８は、この検出器２５の強度検出値が、上述したように見積もった強度検出値となるように、可変減衰器２１の減衰量を決定する。この場合、コントローラ２８は減衰量制御部を構成している。
なお、可変減衰器２１の減衰度が安定的で最大透過時の減衰度が既知ならば、検出器２５と可変減衰器２１を用いることで、上述の検出器２６で行ったパルス光Ｐ１（信号光）の強度検出を行うことが可能となる。この場合、可変減衰器２１の最大透過時における検出器２５の強度検出値が、上述した検出器２６における強度検出値の代替とされる。そしてこの場合、検出器２５は、第２の検出器の他に、第１の検出器をも構成することになる。
上述した手順により、送信者側端末１の出口、つまりビームスプリッタ１９から通信路３へ入射する地点における、パルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定できる。
（２）信号光の平均光子数見積もりおよび照合の手順を説明する。
送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を見積もり、この見積もられた平均光子数と上述した送信者側端末１で設定されたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数とを照合することで盗聴検知の端緒とできる。
まず、ホモダイン検出器１５の出力値と各パラメータ値に基づいて、パルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数の見積もりが行われる。すなわち、受信者側端末２のコントローラ１７は、以下の（１）式に基づいて、送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数の見積もりをする。この見積もり値は盗聴検知のための参考値となる。この場合、コントローラ１７は、光子数見積もり部を構成している。
Ｎ0−Ｎ180＝４×Ｖ×√（Ｓ×Ｌ×Ｅ×Ｌo） ・・・（１）
この（１）式において、Ｎ0，Ｎ180は、位相変調量が０度、１８０度であるときのホモダイン検出器１５の出力値、Ｖは明瞭度、Ｓは信号光平均光子数、Ｌは送信者側端末１のビームスプリッタ１９と受信者側端末２のホモダイン検出器１５との間の光学損失、Ｅは量子効率、Ｌoは参照光平均電子数である。
参照平均電子数Ｌo、光学損失Ｌおよび明瞭度Ｖの測定は、例えば、図５に示すように、上述したように送信者側端末１から受信者側端末２に秘密情報を送信する量子暗号通信に先だって行われる。
参照光平均電子数Ｌoの測定は、パルス光Ｐ２（参照光）のみが入射される検出器１２を用いて行われる。この検出器１２の強度検出値はスイッチ回路１６を介してコントローラ１７に供給される。コントローラ１７は、検出器１２の強度検出値からホモダイン検出器１５での参照光電子数を見積もる。
光学損失Ｌの測定は以下のようにして行われる。不安定な通信路３の損失は、光遮断器１３を遮断状態とし、パルス光Ｐ１（信号光）の強度を検出器１１と検出器２６で検出して算出できる。通信路３以外の光学部品は安定的であると考えられるため、上述したように算出される通信路３の損失とその他の光学部品の損失とから、光学損失Ｌを算出する。なお、可変減衰器２１、遅延器２０が安定的であるならば、検出器２６を用いる代わりに検出器２５を用いてパルス光Ｐ１（信号光）の強度を検出することも可能である。
明瞭度Ｖの測定は以下のようにして行われる。まず初めに、可変減衰器１４、２１を最小透過にし、ファラデーミラー２４における反射を防ぐために、光スイッチ２３を検出器２５側に設定しておく。この状態で、ホモダイン検出器１５の出力値Ｒ０を読み取る。その後、可変減衰器２１をホモダイン検出器１５が飽和しない程度の透過率にし、光スイッチ２３をファラデーミラー２４側に設定する。
位相変調器７または位相変調器２２を０度から３６０度程度まで動作させ，各変調量でのホモダイン検出器１５の出力値を読み取る。最大値をＲ１、最小値をＲ２としたとき、Ｖ＝（Ｒ１−Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２−２×Ｒ０）の式から明瞭度Ｖを算出する。
受信者側端末２のコントローラ１７は、上述したように測定された参照光平均電子数Ｌo、光学損失Ｌおよび明瞭度Ｖを用いて、量子暗号通信（量子鍵配布プロトコル）が行われた後に、上述した（１）式に基づいて、信号光平均光子数Ｓを見積もる。この場合、Ｎ0，Ｎ180としては、量子暗号通信が行われた際に得られる、位相変調量が０度、１８０度であるときのホモダイン検出器１５の出力値が用いられる。
そして、受信者側端末２のコントローラ１７は、上述したように設定された送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数設定値と、見積もられたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数とを照合する。この照合により、盗聴検知が可能となる。この場合、コントローラ１７は、光子数照合部を構成している。
上述したように、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａによれば、送信者側端末１がその出口におけるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する光子数設定部を有するものであり、送信者側端末１の出口におけるパルス光Ｐ１の平均光子数を正確に設定でき、上述したように受信者側端末２で見積もられたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数との照合を行うことで、盗聴検知を容易に行うことができる。
なお、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａの配置では、検出器１２，２６で一旦光信号を電気信号に変換してから、スイッチ回路１６，２７で、コントローラ１７と信号発信源１８、コントローラ２８と信号発信源２９のそれぞれに分岐している。この配置の代わりに、検出器１２，２６を光スイッチに置き換え、コントローラと信号発信源の前に検出器を設置して光スイッチの２出力をそれぞれの検出器に接続する手法も考えられる。
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。図６は、他の実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｂの構成を示している。
この量子暗号通信装置１００Ｂは、第２の通信端末としての送信者側端末３０と、第１の通信端末としての受信者側端末３１と、これら送信者側端末３０および受信者側端末３１を結ぶ例えば光ファイバーで構成される通信路３２とを備えている。この量子暗号通信装置１００Ｂは、通信路３２を介して、送信者側端末３０から受信者側端末３１に向けて秘密情報を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
送信者側端末３０は、光源３３、 ビームスプリッタ３４、反射鏡３５、半波長板３６、可変減衰器３７、検出器および制御器３８、位相変調器３９、反射鏡４０、偏光ビームスプリッタ４１を有している。
また、受信者側端末３１は、偏光素子４２、偏光ビームスプリッタ４３、ビームスプリッタ４４、検出器及び制御器４５、位相変調器４６、半波長板４７、反射鏡４８、ビームスプリッタ４９、可変減衰器５０、フォトダイオード５１，５２、増幅器及び電圧測定器５３、減算器５４を有している。
この量子暗号通信装置１００Ｂは、送信者側端末３０から受信者側端末３１への一方向通信で、光の偏光を利用することで、参照光と信号光の制御を別の光路上で行う方式である。送信者側端末３０の同期信号は信号光が通過する光路上の可変減衰器３７から一部を取得し、受信者側端末３１では参照光が通過する光路上に新たにビームスプリッタ４４を設置し、同期信号用に一部使用する。
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。
送信者側端末３０の光源３３で発生するパルス光は、ビームスプリッタ３４において、信号光であるパルス光Ｐ１および参照光であるパルス光Ｐ２に分離される。そして、パルス光Ｐ１（信号光）は、第３の光路を通って偏光ビームスプリッタ４１に進む。この第３の光路には、反射鏡３５、半波長板３６、可変減衰器３７、位相変調器３９および反射鏡４０がこの順に配置されている。
半波長板３６は、パルス光Ｐ１の偏光面を９０度だけ回転させる。可変減衰器３７は、パルス光Ｐ１の強度を減衰させる。この可変減衰器３７は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける送信者側端末１の可変減衰器２１に相当するものであり、この可変減衰器２１における減衰量は、この送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定される。
一方、送信者側端末３０から受信者側端末３１へ戻っていくパルス光Ｐ２のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末３１側のホモダイン検出器の信号対雑音比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光Ｐ２の強度はパルスあたりの平均光子数が１０6個程度である。
位相変調器３９は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける送信者側端末１の位相変調器２２に相当するものであり、例えば、４つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、０度（０ラジアン）、９０度（π／２ラジアン）、１８０度（πラジアン）、２７０度（３π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。
可変減衰器３７から減衰処理に伴って得られる漏れ光は検出器及び制御器３８に供給され、この検出器及び制御器３８でパルス光Ｐ１の到着が検出される。検出器及び制御器３８は、この検出出力に基づいて、位相変調器３９におけるパルス光Ｐ１（信号光）に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。これにより、位相変調器３９においては、パルス光Ｐ１（信号光）を構成する各パルスに正しいタイミングで位相変調処理を行うことができる。
上述したように可変減衰器３７によりパルス光Ｐ１（信号光）を微弱にすることは、量子暗号通信装置として、通信の安全性を確保するためである。本実施の形態において、送信者側端末３０は、平均光子数が所定値とするための光子数設定部を有している。この光子数設定部は、可変減衰器３７、検出器及び制御器３８により構成されている。この光子数設定部によるパルス光Ｐ１の平均光子数の設定方法については後述する。
ビームスプリッタ３４で分離されるパルス光Ｐ２（参照光）は、上述した第３の光路より短い第４の光路を通って偏光ビームスプリッタ４１に進む。この偏光ビームスプリッタ４１は、パルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）とを合成し、通信路３２に送出する。このパルス光Ｐ１，Ｐ２は互いに偏光が直交しており、かつ、時間的に離れた状態となっている。この場合、偏光ビームスプリッタ４１は光送出部を構成している。
送信者側端末３０から通信路３２に送出されたパルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）は受信者側端末３１に入射される。偏光素子４２は、通信路３２の受信者側端末３１側に設けられており、光ファイバー伝送中の偏光の乱れを補正する。通信路３２を介して送信者側端末３０から送られてくるパルス光Ｐ１，Ｐ２は、偏光ビームスプリッタ４３によりパルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）に分離される。
パルス光Ｐ１（信号光）は、上述した送信者側端末３０の第４の光路に対応した光路長を持つ第２の光路を通ってビームスプリッタ４９に進む。一方、パルス光Ｐ２（参照光）は、上述した送信者側端末３０の第３の光路に対応した光路長を持つ第１の光路を通ってビームスプリッタ４９に進む。
この第１の光路には、ビームスプリッタ４４、位相変調器４６、半波長板４７および反射鏡４８がこの順に配置されている。ビームスプリッタ４４は、パルス光Ｐ２（参照光）を、位相変調器４６に進むパルス光と検出器及び制御器４５に進むパルス光に分岐する。このビームスプリッタ４４の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が位相変調器４６側に進むように設定される。
検出器及び制御器４５は位相変調器４６を制御するほか、増幅器及び電圧測定器５３を制御する。検出器および制御器４５は、ビームスプリッタ４４で分岐されたパルス光の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ２（参照光）の到着を知ることができ、位相変調器４６におけるパルス光Ｐ２（参照光）に対する位相変調の処理開始タイミングが制御される。これにより、位相変調器４６においては、パルス光Ｐ２（参照光）を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。
位相変調器４６は、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける受信者側端末２の位相変調器７に相当するものであり、例えば４つの量子状態を用いる量子暗号の場合には、０度（０ジアン）または９０度（π／２ラジアン）の位相変調をパルス毎にランダムに加える。
半波長板４７は、パルス光Ｐ２（参照光）の偏光面を９０度だけ回転させる。上述したように、送信者側端末３０ではパルス光Ｐ１（信号光）は長い第３の光路を通りかつ半波長板３６で偏光面が９０度だけ回転させられると共にパルス光Ｐ２（参照光）は短い第４の光路を通り、また受信者側端末３１ではパルス光Ｐ１（信号光）は短い第２の光路を通ると共にパルス光Ｐ２（参照光）は長い第１の光路を通りかつ半波長板４７で偏光面が９０度だけ回転させられるため、ビームスプリッタ４９に入射されるパルス光Ｐ１，Ｐ２は、時間的に一致し、また偏光方向も一致したものとなる。
ビームスプリッタ４９の２つの出力は、ホモダイン検出器へ入力される。つまり、ビームスプリッタ４９の一方の出力はホモダイン検出器を構成するフォトダイオード５２に入力され、その他方の出力は可変減衰器５０を介してホモダイン検出器を構成するフォトダイオード５１に入力される。
そして、減算器５４によってこれらフォトダイオード５１，５２の出力の差信号が得られる。増幅器及び電圧測定器５３では、この差信号の増幅および電圧測定が行われる。この増幅器及び電圧測定器５３の出力がホモダイン検出器の検出情報であり、この検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
本実施の形態において、受信者側端末３１は、送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を見積もる光子数見積もり部と、さらにこの見積もられたパルス光Ｐ１の平均光子数と、上述した送信者側端末３０で設定されたパルス光Ｐ１の平均光子数とを照合する光子数照合部とを有している。これら光子数見積もり部および光子数照合部の詳細については後述する。
図６に示す量子暗号通信装置１００Ｂにおける送信者側端末３０と受信者側端末３１との間の通信による秘密情報の共有シーケンスについては、上述した量子暗号通信装置１００Ａにおける送信者側端末１と受信者側端末２との間の通信による秘密情報の共有シーケンスと同様であるので（図２〜図４参照）、ここでは説明を省略する。
次に、上述した送信者側端末３０に設けられた光子数設定部、また受信者側端末３１に設けられた光子数見積もり部および光子数照合部について説明する。
（１）光子数設定部における光子数設定の手順を説明する。
信号光の平均光子数は、送信者側端末３０の出口、つまり偏光ビームスプリッタ４１から通信路３２へ入射する地点で、所定値になることが求められる。検出器及び制御器３８の検出器部分で、可変減衰器３７の減衰処理に伴って得られる漏れ光の強度が検出される。検出器及び制御器３８の制御器部分は、可変減衰器３７に入力されるパルス光Ｐ１（信号光）の強度が分かっていれば、上述した漏れ光の強度検出値に基づいて、可変減衰器３７から出力されるパルス光Ｐ１の強度を把握可能である。
検出器及び制御器３８の制御器部分は、上述した漏れ光の強度検出値および送信者側端末３０から通信路３２に送出すべきパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数設定値を基に、送信者側端末３０から通信路３２へ送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数が所定値となるように、可変減衰器３７の減衰量を決定する。この場合、送信者側端末３０の検出器および制御器３８は減衰量制御部を構成している。
上述した手順により、送信者側端末１の出口、つまり偏光ビームスプリッタ４１から通信路３２へ入射する地点における、パルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数が所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定される。
（２）信号光の平均光子数見積もりおよび照合の手順を説明する。
送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を見積もり、この見積もられた平均光子数と上述した送信者側端末３０で設定されたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数とを照合することで盗聴検知の端緒とできる。
受信者側端末３１の検出器及び制御器４５では、図１に示す量子暗号通信装置１００Ａにおける受信者側端末２のコントローラ１７と同様に、ホモダイン検出での検出値と各パラメータ値に基づいて、パルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数の見積もりが行われる。すなわち、検出器及び制御器４５は、上述した（１）式に基づいて、送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数の見積もりをする。この場合、検出器及び制御器４５は、光子数見積もり部を構成している。
参照光平均電子数Ｌoの測定は、ビームスプリッタ４４で分岐されたパルス光Ｐ２（参照光）の一部を検出する検出器及び制御器４５の検出器部分を用いて行われる。検出器及び制御器４５の制御器部分は、その検出部分の強度検出値からホモダイン検出器での参照光電子数を見積もる。
光学損失Ｌの測定は以下のようにして行われる。まず、パルス光Ｐ１（信号光）は通常は受信者側端末３１で偏光ビームスプリッタ４３から直接ビームスプリッタ４９へ入射するところを、偏光素子４２を調整することにより、ビームスプリッタ４４へ進むように設定する。
その後に、可変減衰器３７の減衰処理に伴って得られる漏れ光に対する検出器及び制御器３８の検出器部分の強度検出値と、ビームスプリッタ４４からの分岐光に対する検出器及び制御器４５の検出器部分の強度検出値とを基に、通信路３２の損失を算出する。通信路３２以外の光学部品は安定的であると考えられるため、上述したように算出される通信路３２の損失とその他の光学部品の損失とから、光学損失Ｌが算出される。
明瞭度Ｖの測定は以下のようにして行われる。まず初めに、可変減衰器５０を最小透過にし、可変減衰器３７についても、パルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）の強度が同じくなるように設定する。これは、あらかじめ各素子の損失量を測定しておくことにより設定できる。その後に、位相変調器３９または位相変調器４６を０度から３６０度程度まで動作させ、各変調量でのホモダイン検出器の出力値（増幅器及び電圧測定器５３の出力値）を読み取る。最大値をＲ１、最小値をＲ２としたとき、Ｖ＝（Ｒ１−Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２−２×Ｒ０）の式から明瞭度Ｖを算出する。なおこの場合のオフセット値Ｒ０は、光を入射しない場合のホモダイン検出器の出力値である。
受信者側端末３１の検出器及び制御器４５は、上述したように測定された参照光平均電子数Ｌo、光学損失Ｌおよび明瞭度Ｖを用い、量子暗号通信が行われた後に、上述した（１）式に基づいて、信号光平均光子数Ｓを見積もる。この場合、Ｎ0，Ｎ180としては、量子暗号通信が行われた際に得られる、位相変調量が０度、１８０度であるときのホモダイン検出器の出力値が用いられる。
そして、受信者側端末３１の検出器及び制御器４５の制御器部分は、上述したように設定された送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数設定値と、見積もられたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数とを照合する。この照合により、盗聴検知が可能となる。この場合、検出器及び制御器４５は、光子数照合部を構成している。
上述したように、図６に示す量子暗号通信装置１００Ｂによれば、送信者側端末３０がその出口におけるパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数を所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が１個程度となるように設定する光子数設定部を有するものであり、送信者側端末３０の出口におけるパルス光Ｐ１の平均光子数を正確に設定でき、上述したように受信者側端末３１で見積もられたパルス光Ｐ１（信号光）の平均光子数との照合を行うことで、盗聴検知を容易に行うことができる。
この発明は、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定可能とし、盗聴検知が容易となるようにしたものであり、秘密鍵暗号方式における秘密鍵等の秘密情報を交換する場合等に適用できる。
実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ａの構成を示すブロック図である。 情報通信処理の説明を行うための図（１／３）である。 情報通信処理の説明を行うための図（２／３）である。 情報通信処理の説明を行うための図（３／３）である。 光子数設定、光子数見積もり、光子数照合の手順を示すフローチャートである。 実施の形態としての量子暗号通信装置１００Ｂの構成を示すブロック図である。
符号の説明
１，３０・・・送信者側端末、２，３１・・・受信者側端末、３，３２・・・通信路、４，３３・・・光源、５・・・サーキュレータ、６，９，１９，３４，４４，４９・・・ビームスプリッタ、７，２２，３９，４６・・・位相変調器、８，２０・・・遅延器、１０，４１，４３・・・偏光ビームスプリッタ、１１，１２，２５，２６・・・検出器、１３・・・光遮断器、１４，２１，３７，５０・・・可変減衰器、１５・・・ホモダイン検出器、１６，２７・・・スイッチ回路、１７，２８・・・コントローラ、１８，２９・・・信号発信源、２３・・・光スイッチ、２４・・・ファラデーミラー、３５，４０，４８・・・反射鏡、３６，４７・・・半波長板、３８，４５・・・検出器及び制御器、４２・・・偏光素子、５１，５２・・・フォトダイオード、５３・・・増幅器及び電圧測定器、１００Ａ，１００Ｂ・・・量子暗号通信装置

Claims (11)

  1. 量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
    第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
    上記第１の通信端末は、
    パルス光を発生する光源と、
    上記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第１の光分離部と、
    遅延器が挿入されている第１の光路と、
    遅延器が挿入されていない第２の光路と、
    上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記信号光、および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光合成部と、
    上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第２の光分離部と、
    上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
    上記第２の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光、および上記第２の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
    上記第２の通信端末は、
    上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、
    上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
    上記所定の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器と、
    上記光送出部により上記通信路に送出される上記信号光の平均光子数を所定値に設定するための光子数設定部とを有する
    ことを特徴とする量子暗号通信装置。
  2. 上記第２の通信端末の上記光子数設定部は、
    上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる上記信号光の強度を検出する第１の検出器と、
    上記光減衰器で減衰された後の上記信号光の強度を検出する第２の検出器と、
    上記第１の検出器の強度検出値および上記通信路に送出すべき上記信号光の平均光子数設定値を基に、上記第２の検出器の強度検出値を見積もる強度見積もり部と、
    上記第２の検出器の強度検出値が上記強度見積もり部で見積もられた強度検出値となるように上記光減衰器の減衰量を決定する減衰量制御部とを有する
    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. 上記第１の通信端末は、
    上記第２の信号端末から上記通信路に送出される上記信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
  4. 上記第１の通信端末は、
    上記光子数見積もり部で見積もられた上記平均光子数と、上記第２の通信端末の上記光子数設定部で設定された上記信号光の平均光子数とを照合する光子数照合部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項３に記載の量子暗号通信装置。
  5. 上記第１の通信端末は、
    上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記参照光の一部を分岐する第１の光分岐部と、
    上記第１の光分岐部の分岐出力に基づいて上記参照光の到着を検出する第１の光検出部と、
    上記第１の光検出部の検出出力に基づいて、上記第１の位相変調器およびホモダイン検出の処理開始を制御する第１の処理制御部とをさらに有し
    上記第２の通信端末は、
    上記通信路を介して上記第１の通信端末から送られてくる光の一部を分岐する第２の光分岐部と、
    上記第２の光分岐部の分岐出力に基づいて上記参照光の到着を検出する第２の光検出部と、
    上記第２の検出部の検出出力に基づいて、上記第２の位相変調器および上記光減衰器の処理開始を制御する第２の処理制御部とをさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
  6. 通信路を介して送られてくる信号光を所定の光路を介して上記通信路に送出する光送出部と、上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器とを備える通信端末における平均光子数設定方法であって、
    上記通信路を介して送られてくる上記信号光の強度を検出する強度検出ステップと、
    上記強度検出ステップで検出される上記信号光の強度検出値および上記光送出部により上記通信路に送出すべき上記信号光の平均光子数設定値を基に、上記光減衰器で減衰された後の上記信号光の強度を見積もる強度見積もりステップと、
    上記光減衰器で減衰された後の上記信号光の強度が上記強度見積もりステップで見積もられた強度となるように上記光減衰器の減衰量を決定する減衰量制御ステップとを有する
    ことを特徴とする通信端末における平均光子数設定方法。
  7. 量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、
    第１の通信端末と、第２の通信端末と、上記第１の通信端末および上記第２の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
    上記第１の通信端末は、
    上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光および上記参照光を分離する第１の光分離部と、
    第１の光路と、
    上記第１の光路より短い第２の光路と、
    上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通る上記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第１の位相変調器と、
    上記第１の光分離部で分離され、上記第１の光路を通過した上記参照光および上記第１の光分離部で分離され、上記第２の光路を通過した上記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部とを有し、
    上記第２の通信端末は、
    パルス光を発生する光源と、
    上記光源から発生されるパルス光を上記信号光および上記参照光に分離する第２の光分離部と、
    上記第１の通信端末の上記第１の光路に対応した光路長を持つ第３の光路と、
    上記第１の通信端末の上記第２の光路に対応した光路長を持つ第４の光路と、
    上記第３の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器と、
    上記第３の光路を通る上記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第２の位相変調器と、
    上記第２の光分離部で分離され、上記第３の光路を通過した上記信号光および上記第２の光分離部で分離され、上記第４の光路を通過した上記参照光を合成して、上記通信路に送出する光送出部と、
    上記光送出部により上記通信路に送出される上記信号光の平均光子数を所定値に設定するための光子数設定部とを有する
    ことを特徴とする量子暗号通信装置。
  8. 上記第２の通信端末の上記光子数設定部は、
    上記光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光の強度を検出する検出器と、
    上記検出器からの強度検出値および上記光送出部により上記通信路に送出すべき上記信号光の平均光子数設定値を基に、上記光減衰器の減衰量を決定する減衰量制御部とを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の量子暗号通信装置。
  9. 上記第１の通信端末は、
    上記通信路を介して上記第２の通信端末から送られてくる上記信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の量子暗号通信装置。
  10. 上記第１の通信端末は、
    上記光子数見積もり部で見積もられた上記平均光子数と、上記第２の通信端末の上記光子数設定部で設定された上記信号光の平均光子数とを照合する光子数照合部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の量子暗号通信装置。
  11. 光源から発生される信号光を所定の光路を介して通信路に送出する光送出部と、上記所定の光路を通る上記信号光を減衰させる光減衰器とを備える通信端末における平均光子数設定方法であって、
    上記光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光の強度を検出する強度検出ステップと、
    上記強度検出ステップで検出される上記漏れ光の強度検出値および上記光送出部により上記通信路に送出すべき上記信号光の平均光子数設定値を基に、上記光減衰器の減衰量を決定する減衰量制御ステップとを有する
    ことを特徴とする通信端末における平均光子数設定方法。
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