JP2007300515A - 量子暗号通信装置、通信端末および付加情報送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】、送信者側端末から受信者側端末にフレーム同期信号等の付加情報を良好に送信する。
【解決手段】送信者側端末３０で、光源３３からのパルス光を信号光Ｐ１及び参照光Ｐ２に分離して、通信路３２に送出する。量子暗号通信時には、信号光Ｐ１の光量を減衰させるが、付加情報送信時には、信号光Ｐ１の光量を減衰させない。また、量子暗号通信時には、信号光Ｐ１に、パルス毎に、複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるが、付加情報送信時には、信号光Ｐ１の位相を、上述の複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とする。付加情報送信時には、受信者側端末３１のホモダイン検出出力として、大きなレベルの付加情報を得る。
【選択図】図１２

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、通信端末および付加情報送信方法に関する。

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と、パルス毎にランダムな位相変調を加えた微弱な信号光とを送り、受信者側端末で信号光または参照光にさらにランダムな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波を行って通信情報を得るものにあって、送信者側端末で、信号光の強度を強くすると共にこの信号光の位相を上述のランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とするか、あるいは送信者端末側で、信号光の強度を強くすると共にこの信号光に上述のランダムな位相変調に係る複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、受信者側端末で信号光または参照光に上述の特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、受信者側端末でホモダイン検波の出力として付加情報を得る構成とすることによって、送信者側端末から受信者側端末に付加情報を良好に送信できるようにした量子暗号通信装置等に係るものである。

現在世界は、高度情報化社会に突入している。情報は、通信の形で、人々に届けられる。通信における情報の担体はその、高速性、耐減衰性などから光が用いられている。光通信は、このように情報化社会に欠くことのできないものであるが、恒に、盗聴という危機に晒されている。

盗聴に対しては、情報を暗号化することで対処する事ができる。鍵をあらかじめ共有した上で暗号化するＤＥＳ，ＡＥＳ，などや、暗号化の鍵を公開し誰でもが暗号文を作れるが、それを解読できるのは、復号鍵を知っている正当な受信者のみ、というＲＳＡなどの公開鍵暗号などがある。

これらの鍵の安全性は、盗聴者が復号鍵を、平文や暗号文の集合や公開されている暗号鍵からのみでは、知ることができないという仮定によっている。これらから、復号鍵を計算できないことが、これらの暗号は、計算量的安全性を持つ、といわれている理由である。しかし、この安全性は、解読法、計算能力の発展と向上によって絶えず脅威に晒されているとともに、未発表の効率の良い解読法があるのではないか、という恐れもある。

安全性の根拠を計算量的安全性に求めずに、量子力学的な不確定性を利用して、盗聴者の得る情報量をゼロにするような暗号方法は、量子暗号と呼ばれ近年盛んに研究されるようになってきた。

量子暗号は主に光通信の分野で研究開発が進んでいる。光子一個程度の微弱な信号光の、位相や偏光などの状態を非直交な複数の基底の上でそれぞれ０，１に対応させてマッピングして信号としている。光子数一個程度なので、分岐による盗聴は不可能である。また非直交性により信号を増幅しても元の状態と同じ状態にはならなくなり(量子非複製定理)、盗聴者の、増幅-分岐という攻撃を無効にすることができる。

これら信号の持つ量子性を利用して、盗聴されても信号が届かなくなったり、信号の性質が変わったりするため、盗聴を検出できる暗号システムが提案されてきた。
これを実用化するためには、しかし重大な問題が有る。それは、送受信端での同期の問題である。元々量子暗号に使う信号は、送信端で平均光子数一個程度なのであり、光ファイバの損失は０．２ｄＢ／ｋｍ以上なので、量子暗号情報を遠くに伝送しようとするときは、１００ｋｍでは、信号は１００分の１以下になる。

これは、１００回に一回程度しか信号が受信端にこないことを表している。これでは事実上ビット同期が取れない。この場合のビット同期とは有るタイムスロットル中の何番目に送ったパルスかを同定することである。そのために、外部のラインを使って同期クロックを送ったり、同一の光ファイバ中を別の波長で充分な光量を持った減衰に強い光信号で、クロックパルスを送ったりしている。

しかし、外部ラインでは、本信号ラインでのジッタの吸収が困難でビットのスロットルの同定が難しく、同一光ファイバ中の別波長方式では、クロックパルスのラマン散乱光が信号光の邪魔をするなど、信号自身でビット同期が取れないことの本質的な問題が現れている。

量子暗号通信には、暗号の載った微弱な信号光と通常の光の強さを持った参照光を利用する、連続変量量子暗号という分野がある（特許文献１，２参照）。すなわち、この連続変量量子暗号では、コヒーレント光のパルスを、二つに分離し、一方を光子一個レベルに減衰しそこに送信情報を位相変化として載せて信号光とする。この位相は、基底の異なる２種類からなり、送信する基底はビット毎にランダムに選ばれる。もう一方の光パルスは参照光としてそのままの位相、強度で送信する。受信側はこの参照光と信号光をホモダイン検波することにより信号光の位相情報を取り出す。

この量子暗号の通信方法から自明なように、ビット同期は光量の大きな参照光が必ず受信側に届くため、そこからクロックの情報を取り出すことができる、これに関しては、特許文献１に記載されている。
特開２０００−１０１５７０号公報 特開２００５−２８６４８５号公報

通信を効率良く成立させるためには、ビット同期のうえに、さらにビットのあるまとまりを他のまとまりと区別するためのフレーム同期と呼ばれるものが必要になる。フレーム同期は通常特殊な符号を使い他の信号との分離を良くしている。例えばギガビットイーサネット(［イーサネット」は登録商標）におけるコンマシーケンスでは通常の８Ｂ１０Ｂ符号では出現しないパターンを使いフレームの区別に使っている。

この発明の目的は、連続変量の量子暗号通信において、付加情報、例えばフレーム同期信号を良好に送信可能とすることにある。

この発明の概念は、
第１の通信端末側で、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し、該参照光を通信路に送出し、該信号光を、第１の光量に減衰させると共にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えて上記通信路に送出し、第２の通信端末側で、上記通信路から上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、上記ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法にある。

この発明において、量子暗号通信装置は、送信者側端末である第１の通信端末と、受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、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（送信者側端末）の光源から発生されるパルス光は信号光および参照光に分離される。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。信号光については、量子暗号通信時には第１の光量に減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされるが、付加情報送信時には減衰されないか減衰の程度が低くされて第１の光量より大きな第２の光量をもって通信路に送出される。

また、第１の通信端末から通信路に送出される信号光は、量子暗号通信時には、通信情報に対応して、パルス毎に、複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調が加えられるが、付加情報送信時には、その位相が上述のランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされる。

第２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、これら参照光および信号光が分離して取り出される。信号光または参照光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調が加えられた後、これら信号光および参照光に基づいてホモダイン検波が行われる。量子暗号通信時には、上述したように第１の通信端末から通信路に送出される信号光の強度が小さくされると共に、通信情報に対応してパルス毎にランダムな位相変調が加えられているので、ホモダイン検波の出力として、小さなレベルで通信情報が得られる。

一方、付加情報送信時には、上述したように第１の通信端末から通信路に送出される信号光の強度が大きくされると共に、この信号光の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので、ホモダイン検波の出力として、この第２の通信端末側でランダムな位相変調がされたとしても、常に大きなレベルで付加情報が得られる。

例えば、量子暗号通信で送信される通信情報の単位をフレームとするとき、付加情報は各フレームに関連して、例えば各フレームの先頭で送信される。これにより、各フレームの同期をとることが可能となる。

また、複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として、この複数の基底を構成する位相が互いに直交する第１および第２の座標軸にあるとき、該第１および第２の座標軸で囲まれた第１象限および第３象限、あるいは第２象限および第４象限に存在する位相を用いるようにしてもよい。この場合、第２の通信端末のホモダイン検波の出力値から１，０のビット列からなる情報を得ることが可能となり、例えば量子暗号通信による各フレームの通信情報の種類等の情報も送信できる。

また、付加情報送信時に第１の通信端末から通信路に送出される信号光の光量を付加情報の内容、例えばビット１，０に応じて振幅変調することによっても、第２の通信端末のホモダイン検波の出力値から１，０のビット列からなる付加情報を得ることが可能となる。

なお、付加情報送信時に、第１の通信端末側で、信号光に上述した複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて通信路に送出し、第２の通信端末側で、信号光または参照光に、上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて、ホモダイン検波の出力として付加情報を得るようにしてもよい。この場合、第２の通信端末側では、信号光または参照光にランダムな位相変調を加えている状態で、付加情報送信時となってホモダイン検波出力として大きなレベルの信号が出力され始めるとき、上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加える状態とし、さらに付加情報の送信が終了したとき再びランダムな位相変調を加える状態に戻せばよい。

また、この発明の概念は、
第２の通信端末側で、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し、該参照光を遅延器が挿入されていない第２の光路を通して通信路に送出し、該信号光を遅延器が挿入されている第１の光路を通して上記通信路に送出し、第１の通信端末側で、通信路を介して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通して上記通信路に送出する際、該信号光の光量を第１の光量に減衰させると共に該信号光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加え、上記第２の通信端末側で、上記通信路を介して送られてくる上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、上記ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法にある。

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２の通信端末と、送信者側端末である第１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、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（受信者側端末）の光源から発生されるパルス光は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１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。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。信号光については、量子暗号通信時には第１の光量に減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされるが、付加情報送信時には減衰されないか減衰の程度が低くされて第１の光量より大きな第２の光量をもって通信路に送出される。

また、第１の通信端末から通信路に送出される信号光は、量子暗号通信時には、通信情報に対応して、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調が加えられるが、付加情報送信時には、その位相が上述のランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされる。

第２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、これら参照光および信号光が分離して取り出される。上述したように参照光および信号光をこの第２の通信端末から第１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１の通信端末からこの第２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。

信号光または参照光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調が加えられた後、これら信号光および参照光に基づいてホモダイン検波が行われる。量子暗号通信時には、上述したように第１の通信端末から通信路に送出される信号光の強度が小さくされると共に、通信情報に対応してパルス毎にランダムな位相変調が加えられているので、ホモダイン検波の出力として、小さなレベルで通信情報が得られる。

一方、付加情報送信時には、上述したように第１の通信端末から通信路に送出される信号光の強度が大きくされると共に、この信号光の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので、ホモダイン検波の出力として、この第２の通信端末側でランダムな位相変調がされたとしても、常に大きなレベルで付加情報が得られる。

なお、付加情報送信時に、第１の通信端末側で、信号光に上述した複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて通信路に送出し、第２の通信端末側で、信号光または参照光に、上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて、ホモダイン検波の出力として付加情報を得るようにしてもよい。この場合、第２の通信端末側では、信号光または参照光にランダムな位相変調を加えている状態で、付加情報送信時となってホモダイン検波出力として大きなレベルの信号が出力され始めるとき、上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加える状態とし、さらに付加情報の送信が終了したとき再びランダムな位相変調を加える状態に戻せばよい。

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と、パルス毎にランダムな位相変調を加えた微弱な信号光とを送り、受信者側端末で信号光または参照光にさらにランダムな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波を行って通信情報を得るものにあって、送信者側端末で、信号光の強度を強くすると共にこの信号光の位相を上述のランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とするか、あるいは送信者端末側で、信号光の強度を強くすると共にこの信号光に上述のランダムな位相変調に係る複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、受信者側端末で信号光または参照光に上述の特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、受信者側端末でホモダイン検波の出力として付加情報を得る構成とするものであり、送信者側端末から受信者側端末に付加情報を良好に送信できる。

まず、この発明の概要を説明する。この発明は、暗号の情報が載る微弱な信号光と通常の光の強さを持った参照光を利用する、連続変量による量子暗号通信に関する発明である。

連続変量量子暗号通信では、一つのコヒーレント光を参照光と光子数一個程度に減衰させた信号光の二つのパルスに分ける。信号光の位相状態に情報を載せた連続変量の量子暗号では、平均光子数１の信号光を直交位相振幅座標ｘ、ｐ上で表すと、図１に示すように、互いに直交するｘ，ｐ軸上の±１の位置にある４つの状態として表される。この図１において、信号光の振幅は原点０からの距離で表され、位相は原点０を中心にした回転角で表される。

送信側は、ｘ、もしくはｐの基底をランダムに選び、通信情報の各ビット値と位相状態の予め決められた関係に基づき、位相状態を選択して信号光の状態つまり位相を決める。受信側は、受信基底をランダムに選ぶ。参照光と信号光をホモダイン検波することで信号光の位相状態を抽出でき、受信基底が送信基底と合っていた場合には、図２も示すような信号のヒストグラムが出る。この分布は量子性のためにある中心値の回りにガウス分布する。

また、送信側と受信側の基底が異なっていた場合は、図３に示すような信号のヒストグラムが出る。これは信号レベル０付近の分布になる。連続変量の量子暗号では、古典通信路で送信側と受信側の基底をつきあわせることで、同じ基底状態の場合のみを取り出し、０，１の情報を受信側があるエラー確率の下に得ることができる。

付加情報としてのフレーム同期信号は、どのような場合でもそれとわかるユニークなものでなければならない。ここで、フレームとは、量子暗号通信で送信される通信情報のあるまとまり（単位）を意味している。

フレーム同期信号として、信号光（パルス光）のレベルを通信路の減衰で消えない程度の大きさにしておくことで、そのパルスは途中で消えることなくなり、受信側に届いた後の検波の出力が通常の信号に比べ大きくなるので、フレーム同期信号を受信側に確実に認知させることができる。

図４は、送信側から送られるフレーム同期信号の信号レベルおよび位相状態の一例を示し、図５のその場合における受信側のホモダイン検波で得られる信号のヒストグラムを示している。

しかし、通信プロトコルとして相互にランダムに基底を変えている系では、送信側のフレーム同期の基底と、異なった基底を受信側が選ぶと、たとえ信号光の振幅が大きいものであっても、図６に示すように、ホモダイン検波後の出力は０レベル付近に分布してしまう。こうなると一般の信号と顕著な区別はつかなくなって、フレーム同期としての信号の役目は出来なくなってしまう。

この発明は、受信側がランダムに基底を選んでいても、恒に安定に通常の信号と区別可能な同期信号の提案とそれを出力できる装置についてである。図７は、この発明に係るフレーム同期信号の直交位相振幅での表現を示している。

通常の信号としては、平均光子数１で、位相として各基底に載った値を取っているが、フレーム同期信号は光の振幅レベルは受信側に確実に届くように送信側で減衰させないのはもちろんであるが、位相はどちらの信号の基底にも一致させないようにしておく。すると受信側がどちらの基底を選ぼうとホモダイン検波出力は、図８に示すように、通常の信号光と充分に離れた出力になる。この大きな信号レベルを受信側が検知することにより、フレーム同期信号が送られてきたことが受信側で確実にわかることになる。

フレーム同期信号は単独でも同期の意味では充分に果たすが、例えば、何のフレームか、そのフレームで送信する通信情報の種類などの情報をそれに持たすこともできる。図９に示すように、互いに直交するｘ軸およびｐ軸で囲まれた、隣り合わない象限、例えば第１象限および第３象限にフレーム同期信号をおくと、その出力は図１０に示すように、正と負に大きく分かれる。これを０と１に定義してやれば、０，１のビット列からなるフレーム同期信号を送信できる。なお、第１象限および第３象限ではなく、第２象限および第４象限にフレーム同期信号をおくようにしてもよい。

この位相情報を載せたパルスを必要な数だけ連続させることにより、何のフレームかなどを同定できる情報を送信側から受信側に送ることができる。隣り合った象現で情報を送ると、図１１に示すように、受信側の基底の取り方によっては、０，１の判別ができない場合が出てくるため、隣り合わない象現で情報を送ることが必要である。なお、図１１に示す場合には、受信側の基底がｐである場合には、ホモダイン検波の出力が共に正となるため、０，１の判別ができなくなる。

フレーム同期信号に情報を載せる別のやり方は、フレーム同期信号が来たら予め決められた基底にホモダイン検波の位相を固定してしまうことである。これにより、この決められた基底上で振幅の大きな信号をフレーム同期信号として送れば、情報は届くことになる。この方法は、先のランダムに基底を変え続ける方法に比べ、同じ光の振幅でより信号の分離度を稼げることになる。この場合、送信側では例えばｐの基底でフレーム同期信号を送信し、受信側ではフレーム同期信号が検出されたら。当該受信側の基底をｐに固定するものである。

また、当然ではあるが、連続したフレーム同期信号の振幅に情報を載せて、フレーム情報を送ることもできる。この場合、フレーム同期信号は振幅変調された状態となる。

この発明の第１の実施の形態を説明する。図１２は、第１の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１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１００Ａ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、量子暗号通信時には通信情報としての秘密情報（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）を送信し、付加情報送信時には付加情報としてのフレーム同期信号を送信する。このフレーム同期信号は、量子暗号通信で送信される通信情報のあるまとまり（単位）をフレームとするとき、各フレームに関連して、例えば各フレームの先頭で送信される。このフレーム同期信号により各フレームの同期をとることが可能となる。

送信者側端末３０は、レーザ光源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、コントローラ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、偏光ビームスプリッタ４２、ビームスプリッタ４３、検出器４４、コントローラ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、フォトダイオード５１，５２、減算器５３およびレベル判別器５４を有している。

この量子暗号通信装置１００Ａ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。

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のレーザ光源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１の光路を通って偏光ビームスプリッタ４１に進む。この第１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。なお、可変減衰器３７と位相変調器３９の順はこの逆であってもよい。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に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、位相変調器３９にはＬｉＮｂＯ_３位相変調器を用いることができる。

可変減衰器３７は、パルス光Ｐ１の光量を調整する。この可変減衰器３７は、コントローラ３８の制御により、量子暗号通信時には、パルス光Ｐ１の光量を減衰させて、送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるようにする。また、この可変減衰器３７は、コントローラ３８の制御により、付加情報送信時には、パルス光Ｐ１の光量を減衰させないか、あるいはその減衰の程度を小さくし、送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１の強度を強くする。

ここで、量子暗号通信時におけるパルス光Ｐ１の調整光量を第１の光量とし、付加情報送信時におけるパルス光Ｐ１の調整光量を第２の光量とするとき、第２の光量は第１の光量より大きくなる。これにより、後述するように、付加情報送信時における受信者側端末３１のホモダイン検波の出力を、量子暗号通信時に比べて大きなレベルで得ることができ、受信者側端末３１でフレーム同期信号が送られてきたことを確実に認知可能となる。

なお、送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ２（参照光）のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末３１側のホモダイン検波におけるＳ／Ｎ比が最適になるように選ばれる。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。

位相変調器３９は、パルス光Ｐ１の位相を調整する。この位相変調器３９は、コントローラ３８の制御により、量子暗号通信時には、パルス光Ｐ１に、パルス毎に複数の基底、本実施の形態では２つの基底（図１に示すｘ，ｐ参照）を構成する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）の位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加える。このように本実施の形態における量子暗号通信は、４つの量子状態を用いるものである。

また、位相変調器３９は、コントローラ３８の制御により、付加情報送信時には、パルス光Ｐ１の位相が、上述した２つの基底を構成する位相（０度、９０度、１８０度、２７０度）のいずれにも直交しない位相となる位相変調を加える。例えば、パルス光Ｐ１は、図７にフレーム同域信号で示すように、４５度の位相とされる。

これにより、後述するように、受信者側端末３１でパルス光Ｐ１またはパルス光Ｐ２にパルス毎に上述した２つの基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えている場合に、その基底の変化に拘わらずに、付加情報送信時におけるホモダイン検波の出力を大きなレベルで得ることが可能となる。

ここで、フレーム同期信号に、各フレームの通信情報の種類等の情報を持たせることができる。この場合、位相変調器３９は、コントローラ３８の制御により、パルス光Ｐ１の位相を、１，０のビット列からなる情報の各ビットの値に対応して、変化させる。この場合、図９に示すように、互いに直交するｘ軸およびｐ軸で囲まれた、隣り合わない象限である第１象限および第３の象限の位相を用い、例えば、ビット１に対応してパルス光Ｐ１の位相を第１象限の位相とし、ビット０に対応してパルス光Ｐ１の位相を第３象限の位相とする。

これにより、受信者側端末３１では、図１０に示すように、ホモダイン検波の出力として、第１象限の位相とされたパルス光Ｐ１に対応して正の値「１」を得ることができ、第３象限の位相とされたパルス光Ｐ１に対応して負の値「０」を得ることができ、フレーム同期信号に持たせた情報を得ることが可能となる。

なお、上述した第１象限および第３の象限の位相を用いる代わりに、隣り合わない象限である第２象限および第４象限の位相を用いてもよい。また、上述したようにパルス光Ｐ１の位相をフレーム同期信号に持たせる情報の各ビットの値に対応して変化させる代わりに、このパルス光Ｐ１の光量レベルをフレーム同期信号に持たせる情報の各ビットの値に対応して変化させる振幅変調を行うようにしてもよい。この場合のパルス光Ｐ１の光量レベルの変化は、上述した可変減衰器３７で行うことができる。この場合、受信者側端末３１では、フレーム同期信号に持たせた情報を、ホモダイン検波の出力値の変化として得ることができる。

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１の光路より短い第２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は互いに偏光面が直交しており、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。これらパルス光Ｐ１，Ｐ２は、偏光ビームスプリッタ４２によりパルス光Ｐ１（信号光）およびパルス光Ｐ２（参照光）に分離して取り出される。

パルス光Ｐ１（信号光）は、上述した送信者側端末３０の第２の光路に対応した光路長を持つ第４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１の光路に対応した光路長を持つ第３の光路を通ってビームスプリッタ４９に進む。

この第３の光路には、ビームスプリッタ４３、半波長板４７および反射鏡４８がこの順に配置されている。第４の光路には位相変調器４６が配置されている。ビームスプリッタ４３は、パルス光Ｐ２（参照光）を、半波長板４７に進むパルス光と検出器４４に進むパルス光に分岐する。このビームスプリッタ４３の典型的な分岐比は９対１とされ、大部分のパルス光が半波長板４７側に進むように設定される。

検出器４４はビームスプリッタ４３で分岐されたパルス光の検出出力をコントローラ４５に供給する。コントローラ４５は、この検出出力により、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４６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。

位相変調器４６は、パルス光Ｐ１の位相を調整する。この位相変調器４６には、上述した送信者側端末３０における位相変調器３９と同様に、ＬｉＮｂＯ_３位相変調器を用いることができる。

この位相変調器４６は、コントローラ４５の制御により、量子暗号通信時および付加情報送信時には、パルス光Ｐ１に、パルス毎に上述した２つの基底を構成する０度、９０度の位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加える。なお、この位相変調器４６は、半波長板４７が配置された第３の光路に配置されて、パルス光Ｐ２（参照光）に同様のランダムな位相変調を加えるようにしてもよい。

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１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２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４の光路を通ると共にパルス光Ｐ２（参照光）は長い第３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、ホモダイン検波器へ入力される。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波器を構成するフォトダイオード５１に入力され、その他方の出力はホモダイン検波器を構成するフォトダイオード５２に入力される。

そして、減算器５３によってこれらフォトダイオード５１，５２の出力の差信号、すなわちホモダイン検波出力が得られる。このホモダイン検波出力はレベル判別器５４に供給される。このレベル判別器５４は、ホモダイン検波出力をレベル判別して、量子暗号通信時に送られてくる通信情報Ｓcmおよび付加情報送信時に遅れてくるフレーム同期信号ＦＤを区別して出力する。

量子暗号通信時には、上述したように送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の強度が小さくされると共に、通信情報に対応してパルス毎にランダムな位相変調が加えられているので、ホモダイン検波出力として、小さなレベルで通信情報Ｓcmが得られ、これがレベル判別器５４から出力される。

一方、付加情報送信時には、上述したように送信者側端末３０から通信路３２に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の強度が大きくされると共に、このパルス光Ｐ１の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので、ホモダイン検波出力として、受信者側端末３１で上述したようにパルス光Ｐ２（参照光）にランダムな位相変調が加えられているとしても、常に大きなレベルでフレーム同期信号ＦＤが得られ、これがレベル判別器５４から出力される。

ここで、図１２に示す量子暗号通信装置１００Ａ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の概要について、図１３〜図１５を参照して説明する。
まず、図１３に示すように、送信者側端末３０から受信者側端末３１にパルス光Ｐ１，Ｐ２が送られる。ここで、送信者側端末３０は、パルス光Ｐ１（信号光）に位相変調器３９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１３の下段の表の（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３０が、パルス光Ｐ１に対して実行する位相変調系列（図１３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１３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３７（図１２参照）によって減衰された信号光として受信者側端末３１に送られる。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３１に送られる。送信者側端末３０から受信者側端末３１に送られるパルス光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３０から受信者側端末３１に送られるパルス光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。

このパルス光Ｐ１，光Ｐ２を受信した受信者側端末３１は、位相変調器４６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Ｐ１（信号光）に対する位相変調を行いホモダイン検波器において干渉を測定する。

例えば、受信者側端末３１の位相変調器４６において、図１３の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検波器においては、（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３１のホモダイン検波器は、図１３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３１は、図１４に示すように、受信者側端末３１において適用した変調系列情報、すなわち図１４の下段の表の（ｃ）の情報列を送信者側端末３０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３０は、受信者側端末３１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３１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１４に示す受信者側端末３１からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信者側端末３０からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。

次に、図１５に示すように、受信者側端末３１は、検出されたビット情報列を送信者側端末３０に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信者側端末３０は、受信者側端末３１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３１に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図１５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３２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１５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３２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３２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３２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１５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１２に示す量子暗号通信装置１００Ａによれば、量子暗号通信時には、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）の強度が小さくされると共に、通信情報に対応してパルス毎にランダムな位相変調が加えられているので、受信者側端末３１のホモダイン検波出力（減算器５３の出力）として小さなレベルで通信情報Ｓcmが得られるため、これをレベル判別器５４で区別して出力できる。

また、付加情報送信時には、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）の強度が大きくされると共に、このパルス光Ｐ１の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので（図７、図９参照）、受信者側端末３１のホモダイン検波出力（減算器５３の出力）として、受信者側端末３１側の位相変調器４６でランダムな位相変調がされたとしても、常に大きなレベルでフレーム同期信号ＦＤを得ることができ、これをレベル判別器５４で区別して出力できる。これにより、フレーム同期信号ＦＤを受信側に確実に認知させることができる。

また、図１２に示す量子暗号通信装置１００Ａによれば、量子暗号通信で送信される通信情報のあるまとまり（単位）に関連して、例えば各フレームの先頭で、フレーム同期信号を送信するものであり、各フレームの同期を良好にとることができる。

また、図１２に示す量子暗号通信装置１００Ａによれば、付加情報送信時に、送信者側端末３０における位相変調器３９でパルス光Ｐ１（信号光）の位相を１，０のビット列からなる情報の各ビット値に応じて変化させることができ、あるいは送信者側端末３０における可変減衰器３７でパルス光Ｐ１（信号光）の光量レベルを１，０のビット列からなる情報の各ビット値に応じて変化させることができ、フレーム同期信号情報に各フレームの通信情報の種類等の情報を持たせることができる。

次に、この発明の第２の実施の形態を説明する。図１６は、第２の実施の形態として量子暗号通信装置１００Ｂの構成を示している。 この量子暗号通信装置１００Ａは、第１の通信端末としての送信者側端末１と、第２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１００Ｂも、上述した量子暗号通信装置１００Ａと同様に、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、量子暗号通信時には通信情報としての秘密情報（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）を送信し、付加情報送信時には付加情報としてのフレーム同期信号を送信する。このフレーム同期信号は、量子暗号通信で送信される通信情報のあるまとまり（単位）をフレームとするとき、各フレームに関連して、例えば各フレームの先頭で送信される。このフレーム同期信号により各フレームの同期をとることが可能となる。

送信者側端末１は、ビームスプリッタ１９、遅延器２０、位相変調器２１、可変減衰器２２、ファラデーミラー２４、検出器２６およびコントローラ２８を有している。また、受信者側端末２は、レーザ光源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１２、ホモダイン検波器１５、レベル判別器１６およびコントローラ１７を有している。

通信路３として、光ファイバ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のレーザ光源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、そのパルス光が再度、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、レーザ光源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波器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のレーザ光源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から直接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、レーザ光源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２２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側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、受信者側端末２の検出器１２も、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２８に供給される。図１６においては、位相変調器２１が可変減衰器２２より通信路３側に設置された例を示しているが、可変減衰器２２を位相変調器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２１と可変減衰器２２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２２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。

また、位相変調器２１および可変減衰器２２は、パルス光Ｐ１（信号光）に対しては、上述した量子暗号通信装置１００Ａの送信者側端末３０における位相変調器３９および可変減衰器３７と同様に、以下の動作をする。

すなわち、位相変調器２１は、パルス光Ｐ１の位相を調整する。この位相変調器２１は、コントローラ２８の制御により、量子暗号通信時には、パルス光Ｐ１に、パルス毎に複数の基底、本実施の形態では２つの基底（図１に示すｘ，ｐ参照）を構成する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）の位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加える。このように本実施の形態における量子暗号通信は、４つの量子状態を用いるものである。

また、位相変調器２１は、コントローラ２８の制御により、付加情報送信時には、パルス光Ｐ１の位相が、上述した２つの基底を構成する位相（０度、９０度、１８０度、２７０度）のいずれにも直交しない位相となる位相変調を加える。例えば、パルス光Ｐ１は、図７にフレーム同域信号で示すように、４５度の位相とされる。これにより、後述するように、受信者側端末２でパルス光Ｐ１またはパルス光Ｐ２にパルス毎に上述した２つの基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えている場合に、その基底の変化に拘わらずに、付加情報送信時におけるホモダイン検波の出力を大きなレベルで得ることが可能となる。

なお、詳細説明は省略するが、上記した量子暗号通信装置１００Ａと同様にして、フレーム同期信号に、各フレームの通信情報の種類等の情報を持たせることができる。

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２１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。

可変減衰器２２は、パルス光Ｐ１の光量を調整する。この可変減衰器２２は、コントローラ２８の制御により、量子暗号通信時には、パルス光Ｐ１の光量を減衰させて、送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１のパルスあたりの平均光子数が１個程度となるようにする。また、この可変減衰器２２は、コントローラ２８の制御により、付加情報送信時には、パルス光Ｐ１の光量を減衰させないか、あるいはその減衰の程度を小さくし、送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１の強度を強くする。

ここで、量子暗号通信時におけるパルス光Ｐ１の調整光量を第１の光量とし、付加情報送信時におけるパルス光Ｐ１の調整光量を第２の光量とするとき、第２の光量は第１の光量より大きくなる。これにより、後述するように、付加情報送信時における受信者側端末２のホモダイン検波の出力を、量子暗号通信時に比べて大きなレベルで得ることができ、受信者側端末２でフレーム同期信号が送られてきたことを確実に認知可能となる。

なお、送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ２（参照光）のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末２側のホモダイン検波におけるＳ／Ｎ比が最適になるように選ばれる。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２２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。
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の位相変調器２１と可変減衰器２２とを、往復で２回通ることになる。

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，Ｐ２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は直接ビームスプリッタ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、直接ビームスプリッタ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。

偏光ビームスプリッタ１０により分岐されたパルス光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の出力はコントローラ１７に供給される。コントローラ１７は位相変調器７の動作を制御する。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。

この位相変調器７は、コントローラ１７の制御により、量子暗号通信時および付加情報送信時には、パルス光Ｐ２に、パルス毎に上述した２つの基底を構成する０度、９０度の位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加える。なお、この位相変調器７をパルス光Ｐ１（信号光）の経路に配置して、パルス光Ｐ２の代わりに、パルス光Ｐ１に同様のランダムな位相変調を加えるようにしてもよい。

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→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→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。

ビームスプリッタ６の２つの出力は、片方は直接、もう片方はサーキュレータ５を通って、ホモダイン検波器１５へ入力されて、ホモダイン検波が行われる。そして、ホモダイン検波出力はレベル判別器１６に供給される。このレベル判別器１６は、ホモダイン検波出力をレベル判別して、量子暗号通信時に送られてくる通信情報Ｓcmおよび付加情報送信時に遅れてくるフレーム同期信号ＦＤを区別して出力する。

量子暗号通信時には、上述したように送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の強度が小さくされると共に、通信情報に対応してパルス毎にランダムな位相変調が加えられているので、ホモダイン検波出力として、小さなレベルで通信情報Ｓcmが得られ、これがレベル判別器１６から出力される。

一方、付加情報送信時には、上述したように送信者側端末１から通信路３に送出されるパルス光Ｐ１（信号光）の強度が大きくされると共に、このパルス光Ｐ１の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので、ホモダイン検波出力として、受信者側端末２で上述したようにパルス光Ｐ２（参照光）にランダムな位相変調が加えられているとしても、常に大きなレベルでフレーム同期信号ＦＤが得られ、これがレベル判別器１６から出力される。

図１６に示す量子暗号通信装置１００Ｂ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は、上述の図１２に示す量子暗号通信装置１００Ｂにおけるものと同様であるので（図１３〜図１５参照）、その説明は省略する。

図１６に示す量子暗号通信装置１００Ｂによれば、上述した図１２に示す量子暗号通信装置１００Ａと同様に、付加情報送信時には、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）の強度が大きくされると共に、このパルス光Ｐ１の位相がランダムな位相変調に係る複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相とされているので（図７、図９参照）、受信者側端末２のホモダイン検波出力として、受信者側端末２側の位相変調器７でランダムな位相変調がされたとしても、常に大きなレベルでフレーム同期信号ＦＤを得ることができ、フレーム同期信号ＦＤを受信側に確実に認知させることができる。

なお、上述実施の形態においては、付加情報送信時に、送信者側端末３０，１側で、パルス光Ｐ１（信号光）の位相が、上述した複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相となる位相変調を加えて通信路に送出し、受信者側端末３１，２側で、ホモダイン検波出力としてフレーム同期信号を得るものを示したが、以下のようにしてフレーム同期信号を送信するようにしてもよい。

すなわち、付加情報送信時に、送信者側端末３０，１側で、パルス光Ｐ１（信号光）に、上述した複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて通信路に送出し、受信者側端末３１，２側で、パルス光Ｐ１（信号光）またはパルス光Ｐ２（参照光）に、上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて、ホモダイン検波出力として付加情報を得るものである。

この場合、受信者側端末３１，２側では、パルス光Ｐ１（信号光）またはパルス光Ｐ２（参照光）にランダムな位相変調を加えている状態で、付加情報送信時となってホモダイン検波出力として大きなレベルの信号が出力され始めるとき、位相変調器４６，７で上述した特定の基底を構成する位相となる位相変調を加える状態とし、さらに付加情報の送信が終了したとき再びランダムな位相変調を加える状態に戻せばよい。

この発明は、連続変量の量子暗号通信を行う際に、送信者側端末から受信者側端末にフレーム同期信号等の付加情報を良好に送信できるものであり、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量子暗号通信装置等に適用できる。

信号光の位相状態に情報を載せた連続変量の量子暗号における平均光子数１の信号光を、直交位相振幅座標ｘ、ｐ上で表した図である。 参照光と信号光をホモダイン検波することで信号光の位相状態を抽出した場合に、受信基底が送信基底と合っていた場合における、信号のヒストグラムを示す図である。 参照光と信号光をホモダイン検波することで信号光の位相状態を抽出した場合に、送信側と受信側の基底が異なっていた場合における、信号のヒストグラムを示す図である。 送信側から送られるフレーム同期信号の信号レベルおよび位相状態の一例を示す図である。 フレーム同期信号の位相がｘ軸上にある場合における、受信側のホモダイン検波で得られる信号のヒストグラムを示す図である。 フレーム同期信号の位相がｘ軸上にある場合、受信側の基底がｐである場合における、受信側のホモダイン検波で得られる信号のヒストグラムを示す図である。 フレーム同期信号の位相を、ｘ，Ｐのいずれの基底にも一致させない状態を示す図である。 フレーム同期信号の信号光のレベルを大きくすると共に、その位相を、ｘ，ｐのいずれの基底にも一致させない状態とした場合における、受信側のホモダイン検波で得られる信号のヒストグラムを示す図である。 フレーム同期信号に情報を載せるために、互いに直交するｘ軸およびｐ軸で囲まれた、隣り合わない象限、例えば第１象限および第３象限にフレーム同期信号をおいた状態を示す図である。 第１象限および第３象限にフレーム同期信号をおいた状態における、受信側のホモダイン検波で得られる信号のヒストグラムを示す図である。 フレーム同期信号を隣り合った象限においた状態を示す図である。 この発明の第１の実施の形態としての量子暗号通信装置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。 この発明の第２の実施の形態としての量子暗号通信装置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・・・レーザ光源、５・・・サーキュレータ、６，９，１９，３４，４３，４９・・・ビームスプリッタ、７，２１，３９，４６・・・位相変調器、８，２０・・・遅延器、１０，４１，４２・・・偏光ビームスプリッタ、１２，２６，４４・・・検出器、１５・・・ホモダイン検出器、１６，５４・・・レベル判別器、１７，２８，３８，４５・・・コントローラ、２２，３７・・・可変減衰器、２４・・・ファラデーミラー、３５，４０，４８・・・反射鏡、３６，４７・・・半波長板、５１，５２・・・フォトダイオード、５３・・・減算器、１００Ａ，１００Ｂ・・・量子暗号通信装置

Claims (18)

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、
   上記第１の光分離部で分離される上記信号光の光量を調整する可変減衰器と、
   上記第１の光分離部で分離される上記信号光の位相を調整する第１の位相変調器と、
   上記可変減衰器および上記第１の位相変調器の動作を制御する第１のコントローラと、
   上記第１の光分離部で分離される参照光、および上記第１の光分離部で分離され、上記可変減衰器および上記第１の位相変調器を介された上記信号光を上記通信路に送出する光送出部とを有し、
   上記第１のコントローラは、
   量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
   付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光の位相が、上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相となるように上記第１の位相変調器を制御し、
   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参照光を分離して取り出す第２の光分離部と、
   上記第２の光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検波を行うホモダイン検波器と、
   上記第２の光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する第２の位相変調器と、
   上記第２の位相変調器の動作を制御する第２のコントローラと、
   上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、上記量子暗号通信時に送られてくる通信情報および上記付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
   上記第２のコントローラは、
   上記量子暗号通信時および上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御する
   ことを特徴とする量子暗号通信装置。
2. 上記量子暗号通信で送信される通信情報の単位をフレームとし、上記付加情報は、各フレームの送信に関連して送信される
   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. 上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として、該複数の基底を構成する位相が互いに直交する第１および第２の座標軸にあるとき、該第１および第２の座標軸で囲まれた第１象限および第３象限、あるいは第２象限および第４象限に存在する位相を用いる
   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のコントローラは、上記付加情報送信時に、上記信号光の光量が、付加情報に応じて振幅変調されるように上記可変減衰器を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信装置。
5. 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使用される通信端末であって、
   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光分離部と、
   上記光分離部で分離される上記信号光の光量を調整する可変減衰器と、
   上記光分離部で分離される上記信号光の位相を調整する位相変調器と、
   上記可変減衰器および上記位相変調器の動作を制御するコントローラと、
   上記光分離部で分離される参照光、および上記光分離部で分離され、上記可変減衰器および上記第１の位相変調器を介された上記信号光を上記通信路に送出する光送出部とを有し、
   上記コントローラは、
   量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記位相変調器を制御し、
   付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光の位相が、上記複数の位相のいずれにも直交しない位相となるように上記位相変調器を制御する
   ことを特徴とする通信端末。
6. 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使用される通信端末であって、
   通信路を介して他の端末装置から送られてくる信号光および参照光を分離して取り出す光分離部と、
   上記光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検波を行うホモダイン検波器と、
   上記光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する位相変調器と、
   上記位相変調器の動作を制御するコントローラと、
   上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、量子暗号通信時に送られてくる通信情報および付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
   上記コントローラは、
   上記量子暗号通信時および上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記位相変調器を制御する
   ことを特徴とする通信端末。
7. 第１の通信端末側で、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し、該参照光を通信路に送出し、該信号光を、第１の光量に減衰させると共にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に上記通信路に送出し、第２の通信端末側で、上記通信路から上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
   上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、上記ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
   ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法。
8. 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、
   上記第１の光分離部で分離される上記信号光の光量を調整する可変減衰器と、
   上記第１の光分離部で分離される上記信号光の位相を調整する第１の位相変調器と、
   上記可変減衰器および上記第１の位相変調器の動作を制御する第１のコントローラと、
   上記第１の光分離部で分離される参照光、および上記第１の光分離部で分離され、上記可変減衰器および上記第１の位相変調器を介された上記信号光を上記通信路に送出する光送出部とを有し、
   上記第１のコントローラは、
   量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
   付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に上記複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
   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参照光を分離して取り出す第２の光分離部と、
   上記第２の光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検波を行うホモダイン検波器と、
   上記第２の光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する第２の位相変調器と、
   上記第２の位相変調器の動作を制御する第２のコントローラと、
   上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、上記量子暗号通信時に送られてくる通信情報および上記付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
   上記第２のコントローラは、
   上記量子暗号通信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御し、
   上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、上記特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御する
   ことを特徴とする量子暗号通信装置。
9. 第１の通信端末側で、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し、該参照光を通信路に送出し、該信号光を、第１の光量に減衰させると共にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えて上記通信路に送出し、第２の通信端末側で、上記通信路から上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
   上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、上記信号光または上記参照光に、上記特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、上記ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
   ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法。
10. 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所定の光路を介して上記通信路に送出する第１の光送出部と、
    上記所定の光路を通る上記信号光の光量を調整する可変減衰器と、
    上記所定の光路を通る上記信号光の位相を調整する第１の位相変調器と、
    上記可変減衰器および上記第１の位相変調器の動作を制御する第１のコントローラとを有し、
    上記第１のコントローラは、
    量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
    付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光の位相が、上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相となるように上記第１の位相変調器を制御し、
    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第２の光送出部と、
    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分離して取り出する第２の光分離部と、
    上記第２の光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検波器と、
    上記第２の光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する第２の位相変調器と、
    上記第２の位相変調器の動作を制御する第２のコントローラと、
    上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、上記量子暗号通信時に送られてくる通信情報および上記付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
    上記第２のコントローラは、
    上記量子暗号通信時および上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御する
    ことを特徴とする量子暗号通信装置。
11. 上記量子暗号通信で送信される情報の単位をフレームとし、上記付加情報は、各フレームの送信に関連して送信される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の量子暗号通信装置。
12. 上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として、該複数の基底を構成する位相が互いに直交する第１および第２の座標軸にあるとき、該第１および第２の座標軸で囲まれた第１象限および第３象限、あるいは第２象限および第４象限に存在する位相を用いる
    ことを特徴とする請求項１０に記載の量子暗号通信装置。
13. 上記第１のコントローラは、上記付加情報送信時に、上記信号光の光量が、付加情報に応じて振幅変調されるように上記可変減衰器を制御する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の量子暗号通信装置。
14. 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使用される通信端末であって、
    通信路を介して他の通信端末から送られてくる信号光および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の光量を調整する可変減衰器と、
    上記所定の光路を通る上記信号光の位相を調整する位相変調器と、
    上記可変減衰器および上記位相変調器の動作を制御するコントローラとを有し、
    上記コントローラは、
    量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記位相変調器を制御し、
    付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光の位相が、上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相となるように上記位相変調器を制御する
    ことを特徴とする通信端末。
15. 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使用される通信端末であって、
    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送出部と、
    上記通信路を介して他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して取り出する第２の光分離部と、
    上記第２の光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検波器と、
    上記第２の光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する位相変調器と、
    上記第２の位相変調器の動作を制御するコントローラと、
    上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、上記量子暗号通信時に送られてくる通信情報および上記付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
    上記コントローラは、
    上記量子暗号通信時および上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記位相変調器を制御する
    ことを特徴とする通信端末。
16. 第２の通信端末側で、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し、該参照光を遅延器が挿入されていない第２の光路を通して通信路に送出し、該信号光を遅延器が挿入されている第１の光路を通して上記通信路に送出し、第１の通信端末側で、通信路を介して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通して上記通信路に送出する際、該信号光の光量を第１の光量に減衰させると共に該信号光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加え、上記第２の通信端末側で、上記通信路を介して送られてくる上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
    上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底を構成する位相のいずれにも直交しない位相として上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、上記ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
    ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法。
17. 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所定の光路を介して上記通信路に送出する第１の光送出部と、
    上記所定の光路を通る上記信号光の光量を調整する可変減衰器と、
    上記所定の光路を通る上記信号光の位相を調整する第１の位相変調器と、
    上記可変減衰器および上記第１の位相変調器の動作を制御する第１のコントローラとを有し、
    上記第１のコントローラは、
    量子暗号通信時には、上記信号光の光量が第１の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
    付加情報送信時には、上記信号光の光量が上記第１の光量より大きな第２の光量となるように上記可変減衰器を制御すると共に、上記信号光に上記複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えるように上記第１の位相変調器を制御し、
    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第２の光送出部と、
    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分離して取り出する第２の光分離部と、
    上記第２の光分離部で分離される上記信号光および上記参照光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検波器と、
    上記第２の光分離部で分離されて上記ホモダイン検波器に供給される上記信号光または上記参照光の位相を調整する第２の位相変調器と、
    上記第２の位相変調器の動作を制御する第２のコントローラと、
    上記ホモダイン検波器の出力信号をレベル判別して、上記量子暗号通信時に送られてくる通信情報および上記付加情報送信時に送られてくる付加情報を区別して出力するレベル判別器とを有し、
    上記第２のコントローラは、
    上記量子暗号通信時には、上記信号光または上記参照光に、パルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御し、
    上記付加情報送信時には、上記信号光または上記参照光に、上記特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えるように上記第２の位相変調器を制御する
    ことを特徴とする量子暗号通信装置。
18. 第２の通信端末側で、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し、該参照光を遅延器が挿入されていない第２の光路を通して通信路に送出し、該信号光を遅延器が挿入されている第１の光路を通して上記通信路に送出し、第１の通信端末側で、通信路を介して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通して上記通信路に送出する際、該信号光の光量を第１の光量に減衰させると共に該信号光にパルス毎に複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加え、上記第２の通信端末側で、上記通信路を介して送られてくる上記信号光および上記参照光を分離して取り出し、該信号光または該参照光にパルス毎に上記複数の基底を構成する位相から選択された所定の位相となるランダムな位相変調を加えた後に該信号光および該参照光に基づいてホモダイン検波を行って通信情報を得る量子暗号通信装置における付加情報送信方法であって、
    上記第１の通信端末側で、上記信号光を、上記第１の光量より大きな第２の光量とすると共に上記複数の基底のうち特定の基底を構成する位相となる位相変調を加えて上記通信路に送出し、上記第２の通信端末側で、信号光または参照光に、上記特定の基底を構成する位相となる位相変調を加え、ホモダイン検波の出力として付加情報を得る
    ことを特徴とする量子暗号通信装置における付加情報送信方法。

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