JP2007251679A - 量子暗号通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高める。
【解決手段】量子暗号通信装置１００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２では光源４に同期信号を供給する信号発信源１７から供給される同期信号に基づいて位相変調器７の処理開始タイミングを制御し、端末１では可変減衰器１９からの漏れ光に基づいて検出器２６で信号光の到着を検出して位相変調器２１の処理開始タイミングを制御する。
【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に関する。詳しくは、この発明は、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この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として送り返し、受信者側端末でさらに送り返された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら送り返された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、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御する構成とすることによって、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めるようにした量子暗号通信装置に係るものである。

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

特許文献２に記載される量子暗号通信装置は、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この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として戻し、受信者側端末でさらに戻された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら戻された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である。

この特許文献２に記載される量子暗号通信装置にあっては、受信者側端末では送信者側端末から戻された参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では受信者側端末から送られてくる参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御し、それぞれの位相変調器で信号光、参照光の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ようになっている。

しかしこの場合、送信者側端末および受信者側端末の双方でビームスプリッタによって参照光の一部が失われることから、ホモダイン検出における過剰雑音比がその分高くなり、盗聴者への耐性が低下するという不都合がある。

また、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、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることにある。また、この発明の他の目的は、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、
同期信号を発信する同期信号発信源と、
上記同期信号発信源からの同期信号に基づいて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の光路を通過した信号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２の光路を通過す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２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１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、
上記同期信号発信源からの同期信号に基づいて、上記位相変調器の処理開始タイミングを制御する第１の制御部とを有し、
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、
上記光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて上記信号光の到着を検出する検出部と、
上記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タイミングを制御する第２の制御部とを有する
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）の光源からは、同期信号発信源からの同期信号に基づいてパルス光が発生される。この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の光路を通過した参照光および遅延器が挿入されていない第２の光路を通過した信号光が合成されて、通信路に送出される。この場合、通信路には、最初に信号光が送出され、その後に所定の時間差をもって参照光が送出される。

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信号光および参照光が送られてくる。これら信号光および参照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。

光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて信号光の到着が検出される。そして、この信号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タイミングが制御される。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。

例えば、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量制御部により光減衰器の減衰量が決定される。

例えば、第１の通信端末から通信路を介して送られてくる信号光が光スイッチにより第１の検出器に選択的に供給される。また例えば、所定光路を通る光減衰器で減衰処理された信号光が光スイッチにより第２の検出器に選択的に供給される。このように所定の光路に対応して光スイッチを配置し、第１、第２の検出器に選択的に信号光を供給する構成とすることで、所定の光路を通して通信路に再び戻される参照光の損失を抑えることができ、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくして、盗聴者への耐性を高めることが可能となる。

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信号光および参照光が送られてくるが、第２の光分離部でこれら信号光および参照光が分離される。上述したように信号光および参照光をこの第１の通信端末から第２の通信端末に送る際には、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、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。

また、第１の位相変調器により、第２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。この第１の位相変調器の処理開始は、同期信号発信源からの同期信号に基づいて行われる。上述したように光源からのパルス光の発生もこの同期信号発信源からの同期信号に基づいて行われていることから、この同期信号発信源からは第２の通信端末から戻ってくる参照光のタイミングに合わせた同期信号を発信できる。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。

第２の光路を通過した参照光および第１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。

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、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御するものであり、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることが可能となる。

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、第１の通信端末の第１の位相変調器は、参照光に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に特定パターンの位相変調を行い、第２の通信端末の第２の位相変調器は、信号光に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に上述の特定パターンの位相変調を行うようにしてもよい。これにより、第１，第２の位相変調器の位相変調タイミングにずれがあるとき、ホモダイン検出部における上述した特定パターンの位相変調期間の検出出力にそのタイミングのずれ量が現れる。このずれ量を用いることで、送受信間で測定基底の交換、変調適合を正しく行うことが可能となる。

この発明によれば、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この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として送り返し、受信者側端末でさらに送り返された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら送り返された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、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御するものであり、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることができる。

また、この発明によれば、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で、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１００の構成を示している。

この量子暗号通信装置１００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１００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、光スイッチ８、偏光ビームスプリッタ９、検出器１０，１１、光遮断器１２、遅延器１３、可変減衰器１４、ホモダイン検出器１５、コントローラ１６および信号発信源１７を有している。

また、送信者側端末１は、光スイッチ１８、可変減衰器１９、遅延器２０、位相変調器２１、光スイッチ２２、ファラデーミラー２３、検出器２４，２５，２６およびコントローラ２７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の信号発信源１７は光源およびコントローラ１６に同期信号を発信する。受信者側端末２の光源４は、信号発信源１７からの同期信号（光源駆動信号）に基づいてパルス光を発生する。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、光スイッチ８が存在する光路（第２の光路）を経て偏光ビームスプリッタ９に進むパルス光をＰ１とする。また、ビームスプリッタ６から遅延器１３、光遮断器１２が存在する光路（第１の光路）を経て偏光ビームスプリッタ９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９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９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１３により、パルス光Ｐ２はパルス光Ｐ１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２１および可変減衰器１９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。光スイッチ１８は、量子鍵配布プロトコルを実施する場合は可変減衰器１９側に、各種パラメータを測定する場合は検出器２５側に、選択的に切り替える機能を持つ。

検出器２６は、可変減衰器１９において減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて、パルス光Ｐ１（信号光）の到着をモニターするために用いる。上述したように、受信者側端末２において遅延器１３はパルス光Ｐ２（参照光）の往路上にあるため、この受信者側端末２から通信路３にはパルス光Ｐ１（信号光）がパルス光Ｐ２（参照光）より先に入り、従って送信者側端末１へはパルス光Ｐ１が先に到達する。

可変減衰器１９は初めはパルス光Ｐ１（信号光）の強度を減衰させる、透過率が低い状態におかれる。これにより、パルス光Ｐ１の到着時にこの可変減衰器１９から検出器２６に供給される漏れ光は充分なレベルとなり、検出器２６では可変減衰器１９からの漏れ光によってパルス光Ｐ１の到着の検出が可能となる。

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、この検出器２６と同様に構成される。

検出器２６の検出出力は、コントローラ２７に供給される。コントローラ２７は、検出器２６の検出出力に基づいてパルス光Ｐ１（信号光）の到着を知り、位相変調器２１および可変減衰器１９を制御する。この場合、パルス光Ｐ２（参照光）に対しては、可変減衰器１９の透過率が高くなるようにし、位相変調器２１は作用させない。一方、パルス光Ｐ１（信号光）に対しては、可変減衰器１９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２１により適当な位相変調処理を実行する。

可変減衰器１９としては、音響光学素子またはＬｉＮｂＯ_３強度変調器を用いることができる。両者とも３つの端子を持つことが可能で、光スイッチ１８からの光を入射する端子、遅延器２０への光を出射する端子、検出器２６への光を出射する端子がある。

コントローラ２７は、検出器２６の検出出力に基づいて、パルス光Ｐ１（信号光）の到着を知ることができ、位相変調器２１におけるパルス光Ｐ１に対する位相変調の処理開始タイミングおよびホモダイン検出器１５の出力値の読み出しタイミングを制御する。そのため、位相変調器２１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。位相変調器２２には、ＬｉＮｂＯ_３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２３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１９と位相変調器２１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１９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、光スイッチ１８、可変減衰器１９、検出器２５、光スイッチ２２、検出器２４およびコントローラ２７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１０^６個程度である。このとき、送信者側端末１側の可変減衰器１９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１０^６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１０^６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２１と可変減衰器１９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２３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１９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１９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９により分岐される。この場合、パルス光Ｐ１は光遮断器１２および遅延器１３を介してビームスプリッタ６へ入力される長い経路へ出力され、パルス光Ｐ２は光スイッチ８および位相変調器７を通る短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２３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９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９により、光遮断器１２および遅延器１３を介してビームスプリッタ６へ入力される長い経路へ出力され、パルス光Ｐ２は光スイッチ８および位相変調器７を通る短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９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。

光スイッチ８は、偏光ビームスプリッタ９からの入射光を、量子鍵配布プロトコルを実施する場合は位相変調器７側に、各種パラメータを測定する場合は検出器１１側に、選択的に切り替える機能を持つ。

送信者側端末１から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）は、偏光ビームスプリッタ９から光スイッチ８を介して位相変調器７に供給される。コントローラ１６は、この位相変調器７を制御する他、ホモダイン検出器１５の出力を読み出すタイミングを制御する。コントローラ１６は、この位相変調器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、信号発信源１７からの同期信号に基づいて制御する。

上述したように光源４からのパルス光の発生もこの信号発信源１７からの同期信号に基づいて行われていることから、この信号発信源１７からは、送信者側端末２から戻ってくるパルス光Ｐ２（参照光）のタイミングに合わせた同期信号を発信できる。これにより、位相変調器７においては、パルス光Ｐ２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、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、短い経路（ビームスプリッタ６→位相変調器７→光スイッチ８→偏光ビームスプリッタ９）を通ったパルス光Ｐ１は、復路では長い経路（偏光ビームスプリッタ９→光遮断器１２→遅延器１３→ビームスプリッタ６）を通る。一方、往路では長い経路（ビームスプリッタ６→遅延器１３→光遮断器１２→偏光ビームスプリッタ９）を通ったパルス光Ｐ２は、復路では短い経路（偏光ビームスプリッタ９→光スイッチ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１００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２１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１０^６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る。そのため、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９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。

また、図１の構成によれば、受信者側端末２では、コントローラ１６が、光源４に同期信号を供給する信号発信源１７から供給される、パルス光Ｐ２（参照光）の到着タイミングに合わせた同期信号に基づき、位相変調器７のパルス光Ｐ２に対する位相変調の処理開始タイミングを制御し、また送信者側端末１では、コントローラ２７が、可変減衰器１９からの漏れ光が供給される検出器２６の検出出力に基づいてパルス光Ｐ１（信号光）の到着を知り、位相変調器２１におけるパルス光Ｐ１に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。

そのため、参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御する上述した特許文献２に記載された量子暗号通信装置のようにパルス光Ｐ２（参照光）の一部が失われるものではなく、参照光の損失を抑えて、ホモダイン検出１５の過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。

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１００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１６および送信者側端末１のコントローラ２７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、つまり光スイッチ１８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。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、光スイッチ８、偏光ビームスプリッタ９、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１２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の光スイッチ１８を検出器２５側に設定し、この検出器２５でパルス光Ｐ１の強度（パワー）を検出する。この場合、検出器２５は第１の検出器を構成している。この検出器２５の強度検出値はコントローラ２７に供給される。コントローラ２７は、この検出器２５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２４の強度検出値を見積もる。この場合、コントローラ２７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１８を可変減衰器１９側に戻し、さらにこの送信者側端末１の光スイッチ２２を検出器２４側に設定する。この検出器２４では可変減衰器１９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２４の強度検出値はコントローラ２７に供給される。この場合、検出器２４は第２の検出器を構成している。コントローラ２７は、この検出器２４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１９の減衰量を決定する。この場合、コントローラ２７は減衰量制御部を構成している。

なお、可変減衰器１９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２４と可変減衰器１９を用いることで、上述の検出器２５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１９の最大透過時における検出器２４の強度検出値が、上述した検出器２５における強度検出値の代替となる。そしてこの場合、検出器２４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。またこの場合、光スイッチ１８および検出器２５は不要になる。

上述した手順により、送信者側端末１の出口、つまり光スイッチ１８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。

上述した光子数設定を行うために、送信者側端末１では、受信者側端末２から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ１（信号光）を光スイッチ１８により検出器２５に選択的に供給し、また可変減衰器１９で減衰処理されたパルス光Ｐ１を光スイッチ２２により検出器２４に選択的に供給する構成となっている。

このように光路に対応して光スイッチ１８，２２を配置し、検出器２５，２４に選択的にパルス光Ｐ１を供給する構成とすることで、ビームスプリッタを用いて光を分岐するものと比較して、量子鍵配布プロトコルの実施時に、この光路を通して通信路３に再び戻されるパルス光Ｐ２（参照光）の損失を抑えることができ、受信者側端末２におけるホモダイン検出における過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。

（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１６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１６は、光子数見積もり部を構成している。

Ｎ_０−Ｎ_１８０＝４×Ｖ×√（Ｓ×Ｌ×Ｅ×Ｌo） ・・・（１）
この（１）式において、Ｎ_０，Ｎ_１８０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の光スイッチ１８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（量子鍵配布プロトコル）に先だって行われる。

参照光平均電子数Ｌoの測定は、光スイッチ８を偏光ビームスプリッタ９と検出器１１との間が通じるように設定し、この検出器１１でパルス光Ｐ２（参照光）の強度を検出することで行われる。この検出器１１の強度検出値はコントローラ１６に供給される。コントローラ１６は、検出器１１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。光スイッチ８を位相変調器７と検出器１０との間が通じるように設定し、この検出器１０でパルス光Ｐ１（信号光）の強度を検出する。また、光スイッチ８を位相変調器７と偏光ビームスプリッタ９との間が通じるように設定し、光遮断器１２を遮断状態とし、さらに送信者側端末１の光スイッチ１８を検出器２５側に設定し、この検出器２５でパルス光Ｐ１（信号光）の強度を検出する。そして、これら検出器１０，２５の強度検出値の差から不安定な通信路３の損失を算出する。

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１９が安定的であるならば、検出器２５を用いる代わりに検出器２４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。この場合、光スイッチ１８、検出器２５は不要になる。

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、１９を最小透過にし、ファラデーミラー２３における反射を防ぐために、光スイッチ２２を検出器２４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１９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２２をファラデーミラー２３側に設定する。そして、位相変調器７または位相変調器２１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１６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、Ｎ_０，Ｎ_１８０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１６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１６は、光子数照合部を構成している。

上述した光子数見積もりのために、受信者側端末２では、送信者側端末１から通信路３を介して送られてくるパルス光Ｐ２（参照光）を光スイッチ８により検出器１１に選択的に供給する構成となっている。そのため、ビームスプリッタを用いて光を分岐するものと比較して、量子鍵配布プロトコルの実施時に、ビームスプリッタ６に供給されるパルス光Ｐ２の損失を抑えることができ、受信者側端末２におけるホモダイン検出における過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。

上述したように、図１に示す量子暗号通信装置１００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１００では、受信者側端末２では、コントローラ１６が、光源４に同期信号を供給する信号発信源１７から供給される、パルス光Ｐ２（参照光）の到着タイミングに合わせた同期信号に基づき、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およびホモダイン検出器１５の出力値の読み出しタイミングを制御し、一方送信者側端末１では、コントローラ２７が、可変減衰器１９からの漏れ光が供給される検出器２６の検出出力に基づいてパルス光Ｐ１（信号光）の到着を知り、位相変調器２１におけるパルス光Ｐ１に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。

このように、送信者側端末１での位相変調と受信者側端末２での位相変調およびホモダイン検出値の読み出しの双方がパルス光Ｐ２あるいはパルス光Ｐ１に依存したものでなく、従ってこれら送信者側端末１での位相変調と受信者側端末２での位相変調およびホモダイン検出値の読み出しとは互いに独立して開始する。

そのため、上述の図３で説明したような測定基底の交換、変調適合が困難になる。そのため、本実施の形態においては、送信者側端末１の位相変調器２１で、パルス光Ｐ１（信号光）に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に特定パターンの位相変調を行い、また受信者側端末２の位相変調器７は、パルス光Ｐ２（参照光）に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に上述の特定パターンの位相変調を行って、位相変調器７，２１の開始タイミングのずれ量を検出することが行われる。

例えば、位相変調器７，２１では、それぞれ、ランダムな位相変調列の最後に、０度変調をｍ回、１８０度変調をｍ回行うようにする。図６は、位相変調器２１の開始タイミングが位相変調器７の開始タイミングに対してｋ個分だけ遅れている場合を示している。なお、図６において、「＊」はランダム変調量であることを示している。

この場合、ｋ個連続してパルス光Ｐ１（信号光）とパルス光Ｐ２（参照光）との間の相対変調量が１８０度となり、ホモダイン検出器１５の出力値に位相変調器７，２１の開始タイミングのずれ量が現れる。このずれ量を用いることで、送受信間における測定基底の交換、変調適合を正しく行うことが可能となる。

なおこの場合、特定パターンの部分では、０度変調と１８０度変調との結果の区別がつくように、送信者端末１の可変減衰器１９は透過率を高めた状態にしておく。また、位相変調器２１のタイミングは、送信者側端末１の内部信号に基づくようにする。勿論、クロック誤差範囲内で、これらの処理を行う必要がある。ただし、送信者側端末１および受信者側端末２における位相変調の開始順序、およびランダム変調の終了タイミングを予め明確にしておく必要がある。

図７は、位相変調器２１の開始タイミングが位相変調器７の開始タイミングに対して２個分だけ遅れている場合の具体例を示している。

Ｑ１は、送信者側端末１の位相変調器２１における、パルス光Ｐ１（信号光）に対する所定個数のランダムな位相変調系列を示している。Ｑ１'は、送信者側端末１の位相変調器２１における、上述のランダムな位相変調系列Ｑ１に続く、パルス光Ｐ１（信号光）に対する特定パターンの位相変調系列を示している。Ｑ２は、受信者側端末２の位相変調器７における、パルス光Ｐ２（参照光）に対する所定個数のランダムな位相変調系列を示している。Ｑ２'は、受信者側端末２の位相変調器７における、上述のランダムな位相変調系列Ｑ２に続く、パルス光Ｐ２（参照光）に対する特定パターンの位相変調系列を示している。

この例では、特定パターンの位相変調系列の部分に対応する（ｄ）干渉に基づく確認ビット（ホモダイン検出器１５の出力値）に、２個分の連続した「１」（矢印ＳＩで図示）が得られることから、受信者側端末２では、位相変調器７の開始タイミングが、位相変調器２１の開始タイミングに対して、２個分だけ進んでいることがわかる。

このような場合、受信者側端末２は、送信者側端末１に、先頭の２個を除いた状態で、変調系列情報を通知すればよい。すなわち、位相変調器７における位相変調系列は本来｛０，０，π／２，π／２，０，π／２，０，π／２，・・・｝であるが、受信者側端末２から送信者側端末１には、｛π／２，π／２，０，π／２，０，π／２，・・・｝を通知する。

これにより、送信者側端末１では、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する変調適合を正しく行うことができ、図７の（ｅ）の情報列、すなわち｛×，○，×，×，○，○，・・・｝を、受信者側端末２に通知できる。

この発明は、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高め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１００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。 送受信間の位相変調の開始タイミングのずれ量検出を説明するための図である。 ずれ量検出の具体例を説明するための図である。

符号の説明

１・・・送信者側端末、２・・・受信者側端末、３・・・通信路、４・・・光源、５・・・サーキュレータ、６・・・ビームスプリッタ、７，２１・・・位相変調器、８，１８，２２・・・光スイッチ、９・・・偏光ビームスプリッタ、１０，１１，２４〜２６・・・検出器、１２・・・光遮断器、１３，２０・・・遅延器、１４，１９・・・可変減衰器、１５・・・ホモダイン検出器、１６，２７・・・コントローラ、１７・・・信号発信源、２３・・・ファラデーミラー、１００・・・量子暗号通信装置

Claims (8)

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、
   同期信号を発信する同期信号発信源と、
   上記同期信号発信源からの同期信号に基づいて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の光路を通過した信号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２の光路を通過す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２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１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、
   上記同期信号発信源からの同期信号に基づいて、上記位相変調器の処理開始タイミングを制御する第１の制御部とを有し、
   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、
   上記光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて上記信号光の到着を検出する検出部と、
   上記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タイミングを制御する第２の
   制御部とを有する
   ことを特徴とする量子暗号通信装置。
2. 上記第１の通信端末の上記第１の位相変調器は、上記参照光に、パルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に特定パターンの位相変調を行い、
   上記第２の通信端末の上記第２の位相変調器は、上記信号光に、パルス毎にランダムな位相変調を上記所定回数行った後に、パルス毎に上記特定パターンの位相変調を行う
   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２の通信端末は、
   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処理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３に記載の量子暗号通信装置。
5. 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を、上記所定の光路または上記第１の検出器に選択的に供給する光スイッチをさらに有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の量子暗号通信装置。
6. 上記第２の通信端末は、
   上記所定の光路を通る上記光減衰器で減衰処理された信号光を、上記第２の検出器に選択的に供給する光スイッチをさらに有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の量子暗号通信装置。
7. 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４に記載の量子暗号通信装置。
8. 上記光子数見積もり部で見積もられた平均光子数と、上記第２の通信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と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７に記載の量子暗号通信装置。
   

Images