JP2007324922A - 量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】なりすまし盗聴の発見確率を向上させるため、なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上した量子暗号通信装置及び方法を提供する。
【解決手段】受信機（１００）内の分波器と遅延経路と合波器とからなる遅延合分波部（１０１〜１０３，１０７〜１１０）を多段化することで、検出器（１０４，１０５）の直前の合波器（１０３）で２パルスよりも多くのパルス（１２０〜１２４）を合波する。これにより、なりすまし盗聴で生成された正しい位相を有するパルス合波の検出確率が低下し、同時にビット不一致率が増加する。その結果、テストビットにおける不一致検出確率が増加し、盗聴を検出する確率が高くなる。さらに、多段構成により低下する秘密鍵ビット生成率を向上させるため、送信パルスをグループ化して位相変調を実行する。これにより秘密鍵ビット生成率を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鍵配送技術に関し、特に、コヒーレント光パルス列の相対的位相差を利用し、耐盗聴機能を備えた量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法に関する。

近年、光子１個レベルの光を用いることにより、計算量を安全性のよりどころにした暗号方式とは異なる方式であり、かつ物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点に存在する２者（２つの通信装置）間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムであって、一般に量子鍵配送とも呼ばれている。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは、従来技術として、差動位相シフト量子鍵配送方式（非特許文献１を参照）について説明する。

図３は、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す。送信機３０は、平均１光子未満（例えば、０．１光子／パルス）を含むパルスに０またはπの位相変調をランダムに行い、パルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録し、その位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列３１を送出する。平均光子数１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。このようなパルス列を光子検出すると、あるパルスでは光子が検出されるが、あるパルスでは何も検出されない、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったくの確率的で、測定するまで不確定である。

送信機３０から送出されたパルス列３１は、伝送路３２を経て受信機３３で受信される。受信機３３は、光分岐手段（分波器）３４により受信パルス列を２つに分岐し、一方のパルス列に遅延手段（長経路）３５により遅延を加えたのち、それら２つのパルス列を２×２の合波カップラー３６により再び合波する。合波カップラー３６の２つの出力端子には、それぞれ光子検出器３７、３８が備えられている。この分岐・合波回路３４〜３６の長経路により一方のパルス列に与える遅延時間は、受信機３３に入力されるパルス列の時間間隔に等しく設定されている。すなわち、長経路はパルス間隔に相当する遅延時間を有する。その結果、合波カップラー３６では、隣り合う前後のパルスが重なり合って合波される。入力パルス列は０またはπで位相変調されている。従って、分岐・合波経路の伝播位相が適切であれば、その重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。合波の結果、両者（重なり合うパルスの両パルス）は干渉し、位相差が０ならば第１の検出器３７が、位相差がπならば第２の検出器３８が、光子を検出することになる。このように、パルスの位相差０とπとに応じて異なる検出器で光子を検出することになる。

以上の構成を用いて、送信機３０と受信機３３は以下の手順により秘密鍵を得る。まず受信機３３は、送信機３０から送出されて伝送路３２を経た光子を上記の受信メカニズムにより検出する。この時、検出された各光子毎に検出した時刻（スロット時刻）と検出器とを記録する。所定の必要な数だけ光子が送受信された後、受信機３３は送信機３０に光子が検出された時刻である光子検出時刻を知らせる。送信機３０は、その知らされた光子検出時刻（スロット時刻）と送信機自身の位相変調データ（スロット時刻と位相差）とから、受信機３３がどちらの検出器（３７，３８）で光子を検出したかを知ることができる。ここで、第１の検出器３７で光子を検出した事象をビット「０」、第２の検出器３８で光子を検出した事象をビット「１」と、送信機３０と受信機３３間で予め取り決めておけば、送信者（送信機３０）と受信者（受信機３３）は同じビット列（鍵ビット）を得ることができる。

上記手順において、受信機３３から送信機３０へ、すなわち受信者から送信者へ通知される情報は光子検出時刻のみであって、ビット情報はそれら通信機の外部には出されない。したがって、受信者から送信者へ通知される情報からビット情報が盗聴されることはない。また、伝送路３２を通じて送られている信号は１パルスあたり平均１光子未満の光なので、盗聴者が伝送路３２上の信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、１つの光子が２分割されることは物理的にあり得ないので、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機３３には届かず、送信者と受信者のビット列にはならないからである。

さらに高度な盗聴法としては、なりすまし法と呼ばれる方法がある。図４は従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムに対するなりすまし盗聴の説明図である。盗聴者（盗聴機）４３は、伝送路３２の途中で、送信機３０によって送出された伝送信号を受信機３３と同様の構成４４〜４８で受信し、光子検出器４７，４８での受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機３３に自身の光送信器４９を用いて送信する。盗聴者４３が伝送信号を正しく受信できれば、そのダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機３３に盗聴行為が気付かれないようにして情報（秘密鍵）を得ることができる。

しかしながら、上述したように差動位相シフト量子鍵配送システムにおいては、送信信号は１パルス当り平均１光子未満、例えば０．１光子／パルス、のパルス列である。このような信号を受信すると、１０パルスに１回しか光子は検出されない。したがって盗聴者４３は、光子を検出した時刻に対応する２パルスの位相差はわかるが、それ以外の位相差は検出できない。このような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差が検出できなかったパルスについては、当て推量で選んだ位相を割り振って再送する（以下、なりすまし盗聴１と称する）か、何も信号を出さない（以下、なりすまし盗聴２と称する）か、のいずれかの方法を採るしかない。

前者（なりすまし盗聴１）を採用すると、当て推量で選んだ位相差を受信機３３が検出した場合、送信機３０が送ったものと異なるものとなる。後者（なりすまし盗聴２）を採用したとしても、やはり送受信信号の不一致が生じる。その理由は、この後者の場合に盗聴者４３が送るのは孤立した連続２パルスだからである。孤立した２パルス（図４の５０を参照）を受信機３３が受信すると、分岐・合波回路３４〜３６の出力段３７，３８では３つの時刻で光子が検出され得る（図４の５３と５２を参照）。

図４には、光分岐手段３４において分岐されたパルス列のうち、遅延されないパルス列５３と遅延されたパルス列５２を時系列的に図示してある。この図において、両パルス列が重なる時刻のうちのまん中の時刻（第２の時刻と呼ぶ）で光子が検出された場合には、その検出結果は２パルスの位相差に従っており、送信者３０が意図した通りの検出器で光子が検出される。

ところが一方、２つのパルス列が重なる時刻のうちの第２の時刻の前後である第１または第３の時刻で光子が検出される場合には、干渉する相手がおらず、そのため光子はランダムに第１または第２の検出器で検出される。したがって、受信者３３が第１または第３の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信者３０が意図したものとは異なるものになる。

このように、なりすまし盗聴が行われると、送受信機間でビットの不一致が生じる。そこで、送受信機３０，３３は通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットについて答え合わせをする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが出てくる。不一致ビットがある場合には、システムは正常でないと判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。

K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto,「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light」、2003年、Physical Review A, vol.68,Paper number 022317

以上から明らかなように、量子鍵配送システムに求められる重要な性能の１つとして、なりすまし盗聴の発見のしやすさが挙げられる。差動位相シフト量子鍵配送システムにおいて、なりすまし盗聴が行われると、上述の原理により送受信機関にビット不一致が生じ、これより盗聴行為が発覚するが、全てのビットが不一致となるわけではない。

例えば、当て推量でダミーパルス列を送る場合（なりすまし盗聴１）、受信機３３が光子検出したパルスが、たまたま盗聴者４３が実際に光子検出したものであれば、ビット不一致は生じない。また孤立２パルスを送る場合（なりすまし盗聴２）、受信機３３が第２の時刻で光子を検出すればビット不一致とはならない。

ここで、ビット不一致率が高い方が、盗聴検知能力がより高くなり、より安全度の高い量子暗号システムということができる。なりすまし盗聴１に対するビット不一致率は、平均光子数を少なくすることで高くすることができる。平均光子数が少ないと、盗聴機４３と受信機３３がたまたま同じパルスを光子検出する確率が小さくなる、すなわち正解率が小さくなり、ビット不一致率は高くなる。一方、なりすまし盗聴２に対するビット不一致率は、平均光子数によらず一定で、受信機３３が第１または第３の時刻で光子検出する確率は１／２であり、そしてこの光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその１／２であることから、全体としてのビット不一致率は１／４となる。

より安全度の高い量子暗号システムとしては、なりすまし盗聴によって生じるビット不一致の確率がより高いこと、それによりなりすまし盗聴の発見確率がより高くなることが望まれる。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、なりすまし盗聴の発見確率を向上させることで通信の安全性の向上を図ることにあり、より具体的には、なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上した量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置において、前記受信機は、前記送信機から送信された前記光パルス列を２分岐する分波器と、前記分波器で分岐された２つの光パルス列の一方に、他方の光パルス列に対して前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Ｔに等しいか、またはその整数倍の時間差を与える遅延経路と、前記分波器で分岐された前記他方の光パルス列と前記遅延経路で遅延された光パルス列を合波し、合波した光パルス列を２分岐する合分波器とを有し、前記遅延経路と前記合分波器からなる遅延合分波部を複数個、縦続接続し、各遅延合分波部の前記遅延経路の前記時間差がそれぞれ異なることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の具体例であり、０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置において、前記受信機が、前記送信機から送信された前記光パルス列を第１の長経路と第１の短経路に２分岐する光分岐手段と、前記第１の長経路と前記第１の短経路から出力された２つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を第２の長経路と第２の短経路に２分岐する２×２の入出力端子を有する第１の光カップラーと、前記第２の長経路と前記第２の短経路から出力された２つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を２分岐する２×２の入出力端子を有する第２の光カップラーと、前記第２の光カプラーの出力端子にそれぞれ接続する２つの光子検出器とを含み、前記第１の長経路が該長経路と前記第１の短経路との間に前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Ｔに等しい時間差を与え、前記第２の長経路が該長経路と前記第２の短経路との間に前記パルス間隔Ｔの２倍のパルス間隔２Ｔに等しい時間差を与えるように設定されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の量子暗号通信装置を用いて量子暗号通信を行なう方法であって、前記送信機において０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する際に、連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、前記割り当てに従って各パルスを位相変調することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の具体例であり、単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが４個のパルスであり、前記所定の位相パターンが｛０−０−π−０｝および｛π−π−π−０｝であることを特徴とすることができる。

本発明は、上記のように、受信機内の分波器と遅延経路と合波器とからなる遅延合分波部を多段化することで、検出器の直前の合波器で２パルスよりも多くのパルス（２パルス合波は従来技術）を合波する構成にしたので、なりすまし盗聴で生成された正しい位相を有するパルス合波の検出確率が低下し、同時にビット不一致率が増加するため、テストビットにおける不一致検出確率が増加し、盗聴を検出する確率が高くなるという効果を奏する。

また、本発明は、上記多段構成により低下する秘密鍵ビット生成率を向上させる位相変調方法により、秘密鍵ビット生成率を向上することができるという効果を奏する。

以上のように、本発明によれば、なりすまし盗聴によるビット不一致率を高くすることで通信の安全性を向上した量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態における量子暗号通信システムの構成を示す。図１において、送信機１０は光源１１、位相変調器１２、減衰手段１３、および制御部（ＣＰＵ）１４を備えている。減衰手段（光減衰器）１３は、例えば、ＮＤフィルタ等、レーザ光などの光源１１から入射される光を大きく減衰させることができる手段であれば、いずれ公知手段を用いてもよい。この送信機１０の構成と動作は、従来技術と同様である。

光検出装置としての受信機１００は、光分岐手段（Ｃ１）１０１と、２つの２×２光カップラー（Ｃ２、Ｃ３）１０２，１０３と、２つの光子検出器１０４，１０５と、制御部（ＣＰＵ）１０６と、を含んでいる。

制御部１４，１０６は、情報処理機能を有しており、専用装置だけでなく、市販のコンピュータも利用可能である。制御部１４，１０６は、例えば、必要な計算や判断、制御等を実行するプロセッサ、光子検出時刻や検出器（または位相）等を記録するためのメモリ、通信路１７を介して他の装置（受信機または送信機）と情報の交換をするための回線制御部（モデム）、およびバス等を含む。通信路１７としては有線、無線の何れも利用でき、光通信路に限らない。

受信機１００へ入力された光は、光分岐手段（分波器）１０１により２分岐され、長経路の第１の遅延経路１０７により一方の光に遅延時間Ｔを与えられた後、短経路１０８を通った他方の光と第１の光カップラー（合波器）１０２により再び合波される。ここで、遅延時間Ｔは入力されたパルス列のパルス間隔に等しく設定される。この光カップラー１０２は、２つの出力端子を有している。この２出力端子から出力された光は、長経路の第２の遅延経路１０９によりそのうちの一方の光に２Ｔ（Ｔの２倍）の遅延時間を与えられた後、短経路１１０を通った他方の光と第２の光カップラー１０３により再び合波される。光カップラー１０３の２つの出力端子にはそれぞれ、光子検出器１０４，１０５が接続されている。

図１の本実施形態の構成と図３の従来例の構成とを見比べると、本実施形態では、受信機内の分波器と遅延経路と合波器とからなる遅延合分波部を多段化（縦続接続、カスケード）していることが分かる。

以上の構成において、送信機１０は、光源１１から発生させたコヒーレントな光パルスを位相変調器１２を通すことにより、０またはπでランダムに位相変調した一定間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列を、減衰手段１３を通すことで、１パルス当り平均１個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として光伝送路１５に送出する。同時に、制御部１４により、パルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録する。光パルスのコヒーレンス時間はパルス間隔の３倍（３Ｔ）よりも長いものと設定する。

受信機１００は、光伝送路１５を経て送信機１０から伝送されてきた光パルス列を、第１の光分岐手段（Ｃ１）１０１に入力する。光分岐手段１０１で分岐された光パルス列は、カスケード状に構成された２段の遅延経路１０７，１０９を経て、最終段の光カップラー（Ｃ３）１０３で合波され、光子検出器１０４，１０５によりそれぞれ検出される。

このように受信機１００の受信回路を構成すると、最終段の光カップラー１０３では、
（ｉ）１段目長経路１０７−２段目長経路１０９を通った第１パルス１２１、
（ii）１段目短経路１０８−２段目長経過１０９を通った第２パルス１２２、
（iii)１段目長経路１０７−２段目短経路１１０を通った第３パルス１２３、
（iv）１段目短経路１０８−２段目短経路１０３を通った第４パルス１２４、
の４つが同時刻に合波されることになる。なおここで、長経路とは、分岐された経路のうち、遅延が施される遅延経路のことであり、短経路とは、遅延が施されない経路のことである。

上記のように、最終段の光カップラー１０３で４パルスが同時刻に合波されると、その４パルスは干渉を起こし、どちらの出力端子の光子検出器１０４，１０５で光子が検出されるかは、各パルスの位相関係に依存することになる。

４パルス合波の場合の光子検出事象を式で記述すると、第１の光子検出器１０４へ出力される光子の確率振幅は、下記の（１）式で表される。

exp(iθ₁)＋exp(iθ₂)−exp(iθ₃)＋exp(iθ₄) ・・・（１）
第２の光子検出器１０５へ出力される光子の確率振幅は、下記の（２）式で表される。

exp(iθ_１)＋exp(iθ₂)＋exp(iθ₃)−exp(iθ₄) ・・・（２）
ここで、第１項は第１パルス１２１、第２項は第２パルス１２２、第３項は第３パルス１２３、第４項は第４パルス１２４、をそれぞれ表し、θ_i（ｉ＝１〜４）は各パルスの位相である。ただし、簡単のため、全体に共通する項は省略した。各パルスの位相は０またはπで変調されている。それぞれの位相状態についての上記の確率振幅は下記の表１のようになる。

光子の検出確率は確率振幅の絶対値の２乗で与えられる。表１中、一方の確率振幅が±４で他方が０というのは、光子が検出される場合には、必ず振幅が±４である方の検出器で検出されることを示している。以後、これを確定的光子検出と呼ぶ。確率振幅が±２である場合は、どちらの検出で光子検出されるかは確率的である。

表１で示された特性を利用すると、以下の手順により、送信機１０と受信機１００は共通のビットを得ることができる。
（１）送信機１０と受信機１００は、上記の構成により、必要な長さのパルス列を送受信する。同時に、送信機１００は、制御部１４によりパルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録する。
（２）受信機１００は制御部１０６と通信路１７を介して光子を検出した時間スロットを送信機１０に通知する。同時に、受信機１００は検出のスロット時刻と検出器を制御部１０６に記録する。
（３）送信機１０は受信した時間スロットのデータと記録されている自身の位相変調データ（パルス送信のスロット時刻と位相）とを制御部１４において参照することで、受信機１００の検出事象が確定的光子検出であるか否かを判定し、判定結果を通信路１７を介して受信機１００へ通知する。
（４）送信機１０と受信機１００は、確定的光子検出である事象について、第１の検出器１０４によるものであればビット「０」を、第２の検出器１０５によるものであればビット「１」を、付与する。確定的光子検出については、どちらの検出器で光子検出されたかは送信機１０にも分かるので、送受信機１０，１００は同じビット値を得ることになる。このビットを秘密鍵ビットとする。

以上の構成・手順によるシステムにおいては、なりすまし盗聴によるビット不一致率が従来よりも高くなる。その理由を、図２を用いて説明する。

図２において、送信機１０と受信機１００の内部構成は図１と同様である。符号２００は光伝送路１５の途中に挿入する盗聴者（盗聴機）であって、受信機１００と実質的に同一の構成２０１〜２０５，２０７〜２１０を含み、更に両光子検出器２０４，２０５の出力端子に接続する光送信器２２０を備えている。盗聴機２００の構成要素２０１〜２０５，２０７〜２１０は、図１に示した受信機の構成要素１０１〜１０５，１０７〜１１０に対応するので、その構成の詳細な説明は省略する。

なりすまし盗聴では、盗聴者２００は、光伝送路１５の途中で受信機１００と同様の受信回路により光子を検出する。そして、盗聴者２００は、光子検出結果に基づき、正規の受信機１００が同じ検出結果となるようにダミー信号を光伝送路１５を介して送出する。このとき、送信機１０が送出しているパルス列１６は、前述のように、送信レベルが１パルス当り平均１個光子未満、例えば０．１個光子／パルスであるパルス列である。したがって、盗聴者２００は平均１スロットに１回しか光子を検出しない。盗聴者２００は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機１００が所定の検出器で光子検出すると同様に、位相が設定された４連続パルスを送出する一方、光子検出しないスロットについては何も送らない。これにより、孤立した４連続パルス１２０が受信機１００に送られることになる。

受信機１００が孤立４連続パルス１２０を受信すると、光子検出器１０４，１０５においては、図２に示すように、１パルスずつシフトした４連続パルス列１３１〜１３５が重なり合うことになる。この場合、７つの時間スロットで光子が検出し得る。どの検出器１０４，１０５で光子が検出されるかは、上記の表１で説明したように、各スロットにおける干渉の仕方に依存する。真ん中の時間スロット（図２のマル印で示す）では、４つのパルスの全部が干渉するので、盗聴者２００の意図した検出器で光子が検出される。一方、その他の時間スロットでは、干渉するパルス数が３または２、または干渉相手がいないので、盗聴者２００の意図とは関係なく、検出器に関しランダムに光子が検出されることになる。したがって、受信機１００がこれらの時間スロットで光子を検出し、それから前述の手順（４）にしたがって秘密鍵ビットを生成すると、その秘密鍵ビットは送信機１０の生成した鍵ビットと一致しない場合が生じる。その結果、その後のテストビットの照合により、盗聴行為を発見することができる。

真ん中の時間スロットで光子を検出する確率は１／４、その他の時間スロットで光子検出する確率は１−１／４＝３／４である。後者のうちの半分がビット不一致となるので、ビット不一致率は３／８となる。一方、図４で説明した従来システムにおけるなりすまし盗聴によるビット不一致率は１／４である。すなわち、本発明は、なりすまし盗聴によるビット不一致率が、従来システムよりもはるかに高いものとなっている。

このように、本発明によれば、なりすまし盗聴で生成された正しい位相を有するパルス合波の検出確率が低下し、同時にビット不一致率が増加する。その結果、テストビットにおける不一致検出確率が増加し、盗聴を検出する確率が高くなる。

以上説明したように、本実施形態により、なりすまし盗聴によるビット不一致率を高めた量子鍵配送が実現されるが、そのために生じる欠点としては、秘密鍵ビットの生成率が低くなることが挙げられる。本実施形態では、確定的光子検出事象から鍵（秘密鍵）を生成し、その他の光子検出は無視する。これに対し、従来システムでは検出した光子は全て鍵ビット生成に寄与するので、本実施形態は従来システムよりも鍵生成率が低くなる。通常一般に行なわれているように、各パルス位相が｛０、π｝で無作為に変調された場合は、表１に示した１６の位相組み合わせパターンは等確率で発生する。この場合、光子が検出される確率は表１に示した確率振幅の２乗で与えられる。表１に示した光子検出パターンの検出確率を全て足し合わせると１２８という数字になる。このうち、確定的光子検出について足し合わせると６４になる。すなわち、鍵ビット生成率は５０％となる。

しかし、以下に説明するように、この鍵生成率は、位相変調パターンに条件を課すと高めることができる。例えば、送信機１０において、連続パルス列を４つずつにブロック化し、各ブロックに｛０−０−π−０｝か｛π−π−π−０｝かのいずれかのパターンを無作為（ランダム）に割り当て、これに従い各パルスを位相変調器１２で位相変調する。ここで便宜上、前者の｛０−０−π−０｝をパターンＡ、後者の｛π−π−π−０｝をパターンＢと呼ぶこととする。

その位相変調の結果、受信機１００は、パルス列からランダムに選ばれた４連続パルスの位相状態にしたがって、光子を検出することになる。この場合、４連続パルスがちょうどブロック単位で選ばれるとは限らず、ブロックにまたがった４パルスが選ばれる。今、ブロックのパターンはＡ，Ｂの２種類なので、選ばれる位相パターンは、連続する２ブロックがＡ−Ａ、Ａ−Ｂ、Ｂ−Ａ、Ｂ−Ｂである場合について考察すれば十分である。各組み合わせの中から選ばれた連続４パルスと、光子を検出し得る検出器の関係は下記の表２のようになる。

表２中、「１」または「２」と記入されているのは確定的光子検出、「１，２」と記入されているのは確率的光子検出である。確定的光子検出の場合の｜確率振幅｜²は１６、確率的光子検出の場合は２×２＋２×２＝８である。表２から、光子を検出した場合（検出器の欄が「１」以外）にそれが確定的である割合（検出器の欄が「１」又は「２」で確定的である場合は１６、「１，２」で不確定の場合は８である。）は、９２％（１１／１２％）となる。このように、位相変調パターンの条件を課すと秘密鍵ビット生成率を高くすることができる。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

例えば、図１の受信機構成は、１段目の分岐・合波回路で遅延時間Ｔを与え、２段目の分岐・合波回路で遅延時間２Ｔを与えるものとしたが、順序を入れ替えて、１段目の分岐・合波回路で遅延時間２Ｔ、２段目の分岐・合波回路で遅延時間Ｔの時間遅延を与えるものとしてもよい。

本発明の一実施形態における量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における量子暗号通信システムに対するなりすまし盗聴の説明をするためのブロック図である。 従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示すブロック図である。 従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムに対するなりすまし盗聴の説明をするためのブロック図である。

符号の説明

１０ 送信機（送信者）
１１ 光源
１２ 位相変調器
１３ 光減衰手段
１４ 制御部
１５ 光伝送路
１７ 通信路
１００ 受信機（受信者）
１０１ 光分岐手段（光分波器）
１０２，１０３ ２×２光カップラー（光合波器）
１０４，１０５ 光子検出器
１０６ 制御部
１０７，１０９ 遅延経路（長経路）
１０８、１１０ 短経路
２００ 盗聴者（盗聴機）
２０１ 光分岐手段（光分波器）
２０２，２０３ ２×２光カップラー（光合波器）
２０４，２０５ 光子検出器
２０７，２０９ 遅延経路（長経路）
２０８、２１０ 短経路
２２０ 光送信器

Claims (4)

1. ０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置において、
   前記受信機は、
   前記送信機から送信された前記光パルス列を２分岐する分波器と、
   前記分波器で分岐された２つの光パルス列の一方に、他方の光パルス列に対して前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Ｔに等しいか、またはその整数倍の時間差を与える遅延経路と、
   前記分波器で分岐された前記他方の光パルス列と前記遅延経路で遅延された光パルス列を合波し、合波した光パルス列を２分岐する合分波器とを有し、
   前記遅延経路と前記合分波器からなる遅延合分波部を複数個、縦続接続し、各遅延合分波部の前記遅延経路の前記時間差がそれぞれ異なることを特徴とする量子暗号通信装置。
2. ０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置において、
   前記受信機が、
   前記送信機から送信された前記光パルス列を第１の長経路と第１の短経路に２分岐する光分岐手段と、
   前記第１の長経路と前記第１の短経路から出力された２つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を第２の長経路と第２の短経路に２分岐する２×２の入出力端子を有する第１の光カップラーと、
   前記第２の長経路と前記第２の短経路から出力された２つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を２分岐する２×２の入出力端子を有する第２の光カップラーと、
   前記第２の光カプラーの出力端子にそれぞれ接続する２つの光子検出器とを含み、
   前記第１の長経路が該長経路と前記第１の短経路との間に前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Ｔに等しい時間差を与え、前記第２の長経路が該長経路と前記第２の短経路との間に前記パルス間隔Ｔの２倍のパルス間隔２Ｔに等しい時間差を与えるように設定されていることを特徴とする量子暗号通信装置。
3. 請求項１または２に記載の量子暗号通信装置を用いて量子暗号通信を行なう方法であって、
   前記送信機において０またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで送信する際に、
   連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、
   各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、
   前記割り当てに従って各パルスを位相変調する
   ことを特徴とする量子暗号通信方法。
4. 請求項３に記載の量子暗号通信方法において、
   単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが４個のパルスであり、前記所定の位相パターンが｛０−０−π−０｝および｛π−π−π−０｝であることを特徴とする量子暗号通信方法。
   

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