JP2007515901A - 一方向型ｑｋｄシステムの動的安定化 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉計が一方向型ＱＫＤシステムの一部として用いられることができるように、干渉計を安定化させることに関するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】一方向型安定化ＱＫＤシステム(１０)は、第１ＱＫＤステーション(アリス)から第２ＱＫＤステーション(ボブ)へシステム内の同一経路越しに移動する制御信号(ＣＳ)と量子信号(ＱＳ)とを利用する。制御信号は、ボブで検出され、位相バリエーションに対して干渉計のボブ側を安定させるのに用いられる。このシステムは、さらに、ボブに入ってくる光子の偏光を制御する(例えば、スクランブルする)偏光制御ステージ(２００)を有している。ボブ側における干渉計の偏光制御と動的位相安定化の組み合わせによって、一方向型ＱＫＤシステムの一部として用いられるときに干渉計が安定した動作を取ることができる。

Description

本発明は、量子暗号化に関連しており、その分野で産業上利用可能性を有している。本発明は、特に、一方向型量子鍵配送（ＱＫＤ）システムに関連している。

量子鍵配送は、「量子チャネル」越しに送信された弱い光信号（例えば、平均で０．１フォトン）を用いて、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間で、鍵を設定することに関係する。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、量子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。

量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（以下、‘４１０特許と称す）と、ベネットの論文（非特許文献２参照）に記載されている。
ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターの著作（非特許文献３参照）に記載されている。ＱＫＤプロセス中は、アリスは乱数発生器(ＲＮＧ)を用いて、基底（「基底ビット」）のためのランダム・ビットと鍵(「鍵ビット」)のためのランダム・ビットとを発生させ、それによって、量子ビットを作り出して(例えば、偏光又は位相符号化を用いて)それをボブに送る。

上述のベネットによる文献は、それぞれいわゆる「一方向」型ＱＫＤシステムについて述べている。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが単一光子の偏光又は位相をシステムの一端でランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をシステムの他端でランダムに測定するものである。非特許文献２に述べられている一方向型システムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリスとボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計システムの各部にアクセスすることが可能である。干渉計は、熱的ドリフトを補償するために、伝送中に量子信号波長の一部内において動的に安定される必要がある。

ギシンの特許文献２（以下、‘２３４特許と称す）では、偏光や熱ゆらぎを自動補正する、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムについて開示されている。このように、‘２３４特許の双方向型ＱＫＤシステムは、一方向型システムに比べて環境の影響を受けにくい。
米国特許第５，３０７，４１０号公報 米国特許第６，４３８，２３４号公報 Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｉｎ ｔｏｓｓｉｎｇ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８４） Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｙ Ｔｗｏ Ｎｏｎ-Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｔａｔｅｓ, Ｐｈｙｓ. Ｒｅｖ. Ｌｅｔｔ． ６８３１２１(１９９２) Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ, Ｓｐｒｉｎｇｅｒ-Ｖｅｒｌａｇ ２００１, ｉｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ２.３, ｐａｇｅｓ２７-３３

ＱＫＤに用いられる一方向型干渉計には、重要な問題が２つある。一つは、量子信号偏光の時間差違に関する。ボブに到着したときの量子信号の偏光状態を正確に知る必要があり、それができない場合は信号を変調することと干渉計のバランスを取ることがかなり難しい。もう一つの問題は、干渉計における温度ドリフトに関しており、これによって意図された干渉を破壊する位相変移が生じてしまう。

これらの問題及び一方向型システムに自己補償機能がないことによって、干渉計が一方向型ＱＫＤシステムの一部として用いられることができるように、干渉計を安定化させることに関するシステム及び方法が必要である。この必要性は、商業的に利用可能な一方向型ＱＫＤシステムの製造・販売において特に高い。

本発明は、量子暗号化分野に関連しており、その分野での産業上の有用性を有している。本発明は、特に、一方向型量子鍵配送（ＱＫＤ）システムに関連している。本発明は、一方向型ＱＫＤシステムに用いられるのに適した干渉計を安定化させてその動作を安定化させる装置及び方法を含んでいる。
下記に詳細に示すように、本発明の一見地は、干渉計内の同一経路を移動する制御信号及び量子信号を利用する一方向型安定化ＱＫＤシステムである。干渉計は、第１ループを一方(すなわち、アリス)側に有しており、少なくとも一つのループを他方(すなわち、ボブ)側に有している。干渉計は、ボブの上流側直近に偏光制御ステージを有しており、偏光制御ステージは、干渉計のボブ側に入る光子の偏光状態を短時間で変更するように動作する。一実施例では、干渉計のボブ側はさらに検出ステージを有しており、検出ステージは量子信号と制御信号の両方を検出する。制御信号は、量子信号と同じく３ピーク記号を有しており、干渉計の受け手側(すなわち、ボブ側)を偏光及び位相バリエーションに対して動的に安定化させるのに用いられる。このことは、信号をコントローラに提供する検出ステージによって達成される。コントローラは、次に、渉計ループのボブ側のアーム内の位相器を調整して(例えば、電圧信号を介して)、必要な補償を行う。

一実施例では、安定化信号(例えば、位相器電圧)は、量子信号のための最大設定値を維持するためにディザされる。制御信号からのフィードバックに基づくこの動的安定化プロセスは、量子信号のための干渉計の安定した動作を実現する。

［一方向型ＱＫＤのための干渉計安定化］
一方向型ＱＫＤシステム安定化には２つの側面があり、一方は熱的又は機械的に起こされたドリフトの補償に対する干渉計位相安定化であり、他方は偏光バリエーションを制御する偏光制御である。
一方向型ＱＫＤシステムにおける偏光不安定問題に取り組むために、システムのボブ側の偏光を制御しようと試みること、あるいはボブの入力側の偏光器を用いることができる。偏光コントローラを用いることは、コストとシステム両方の損失の点から不利であり、偏光器をボブの入力側に置くことは、時間依存的偏光モード分散(ＰＭＤ)によって、信号偏光がドリフトしていくつかの信号検出不能になる状況を生み出す。

長時間における量子信号の相当な損失を避けるために、下記に詳細に述べられる本発明のＱＫＤシステムの一実施例は、ボブの入力側の偏光器(例えば、偏光ビームスプリッタ１５０)の前に置かれた偏波スクランブラ(１６０)を有している。この偏波スクランブラは、ポアンカレ球における偏光ランダム性を確保するようになっている。そのスクランブル・レートは伝送ファイバのＰＭＤの時間変化レートより早く、さらに量子信号検出レートより早い。偏波スクランブラがボブの入力側における偏光ビームスプリッタ組み合わせと組み合わせて用いられると、ボブに対して２つの好ましい実施例が得られる。ボブにおける２干渉計ブランチ（「ループ」）に関する一実施例では、偏波スクランブラは、周知のＱＫＤプロトコルによって要求されると偏光ランダム性を提供し、それによって乱数発生器を不要としている。本発明のＱＫＤシステムの様々な実施形態を下記に詳細に記載する。

［アリス］
図１を参照すると、第１ＱＫＤステーション「アリス」を有するＱＫＤシステム１０が示されている。アリスは、システムに対する光量子信号ＱＳと光制御信号ＣＳを準備する量子及び制御信号の準備(ＱＣＳＰ)ステージ１２を有している。ＱＣＳＰステージ１２は、第１偏波保持(ＰＭ)結合器２２において、第１光ファイバ・セグメントＦ１を介して第１ファイバ干渉計２０に光学的に連結されている。第１ファイバ干渉計２０は第１及び第２アーム２４，２５を有しており、第１アームは位相変調器ＰＭ１を有している。第１及び第２アーム２４，２５は第２偏波保持結合器２６に連結されており、下記に説明するように、第２ＱＫＤステーション「ボブ」に接続されたファイバリンクＦＬにも接続されている。アリスは、量子信号ＱＳと制御信号ＣＳの発生を制御するためにＱＣＳＰステージ１２に連結されたコントローラＣＡをさらに有している。アリスのコントローラＣＡは、乱数発生器(ＲＮＧ)２８を有するか又はそれに連結されており、次に発生器２８は位相変調器ＰＭ１に連結されている。ＲＮＧ２８は、与えられた鍵交換プロトコルに基づいて、位相変調器状態の所定のグループから位相変調器状態をランダムに選択するのに用いられる乱数を提供する。

［ＱＣＳＰステージの例］
図２〜図４は、ＱＣＳＰステージ１２の互いに異なる実施形態を示す概略図である。図２に示された実施例を参照すると、ＱＣＳＰステージ１２は、量子信号ＱＳを生成する第１レーザＬ１を有している。第１レーザＬ１はコントローラＣＡに連結されており、さらに可変減衰器(ＶＯＡ)３０にも光学的に連結されている。ＱＣＳＰステージ１２はさらに、制御信号ＣＳを生成する制御レーザＣＬを有している。制御レーザＣＬとＶＯＡ２８は、制御レーザＣＬからの制御信号ＣＳと第１(量子信号)レーザＬ１からの量子信号ＱＳを結合する信号マルチプレクサ３２に光学的に連結されている。

制御信号ＣＳと量子信号ＱＳが互いに異なる波長を有する場合は、一実施例では、信号マルチプレクサ３２は波長分割マルチプレクサ(ＷＤＭ)結合器からなる。別の実施例では、ＶＯＡ３０は信号マルチプレクサ３２の下流に配置される。
図３に示されたＱＣＰＳステージ１２の実施形態は、図２の実施例と同様であり、量子信号レーザＬ１が単一光子としての量子信号ＱＳを生成する単一光源３６に置き換えられている点だけが異なる。このようにして、量子信号を減衰するためのＶＯＡ３０はシステムに不要である。

図４に示されたＱＣＳＰステージの実施形態は図２のものと同様であるが、単一光パルスＰ０から制御信号ＣＳと量子信号ＱＳを生成するのに単一レーザＬ２が用いられる点のみが異なる。このようにして、２つの光ファイバアーム４２，４３が接続された偏波保持(ＰＭ)結合器４０にレーザが連結されている。第１アーム４２は、ＶＯＡ３０と、偏波保持遅延セクション４８とを有している。第１及び第２アームは、ＰＭビーム結合器５０を用いて連結されている。

上述のＱＣＳＰステージ１２の実施形態では、ＱＣＳＰステージ１２の出力は第１干渉計ループ２０に送り込まれ、その結果量子信号ＱＳと制御信号ＣＳの両方が第１干渉計ループを通ってファイバリンクＦＬ越しにボブに送られる。
［ボブ］
＜２ループの実施形態＞
図１を再び参照すると、ＱＫＤシステム１０におけるボブの第１実施形態は、第１及び第２干渉計ブランチ（「ループ」)１３０，１４０(すなわち２つのマッハ・ツェンダー干渉計)を有している。ループ１３０は、ＰＭ結合器１３６，１３８によって各端部で連結された２つのファイバセクションから形成されたアーム１３２，１３４を有している。同様に、ループ１４０は、ＰＭ結合器１４６，１４８によって各端部で連結された２つのファイバセクションから形成されたアーム１４２，１４４を有している。

ループ１３０は、アーム１３２内に位相器ＰＳ１を有しており、他方でループ１４０はアーム１４４内に位相器ＰＳ２を有している。２つのループ１３０，１４０は、それら２つのループの上流に配置された偏光ビームスプリッタ１５０の各出力ポートＰ１，Ｐ２に連結されている。偏光ビームスプリッタ１５０の上流には偏波スクランブラ１６０が配置されている。

各ループは、ボブに入ってくる信号（光子）に用いられる異なる偏光状態を処理する。光子の偏光が何であっても、それら２つのループの一方で終了する。これによって鍵レートが増加するが、システム構成要素の数を２倍にしてしまう。しかし、この２ループ設計は、例えばボブに位相変調器を持たせる必要がないといった有利な点を有している。代わりに、各ループ１３０，１４０は一アームに各々位相器ＰＳ１，ＰＳ２を有しており、位相器は、使用された特別なプロトコルによって要求されると全体的な位相変移を生成するようにチューニングされる。

図１の参照を続けると、ループ１３０は、ＰＭ結合器１３８に連結された２つの光ファイバセクション１７６，１７８を介して検出ステージ１７２に連結されている。同様に、ループ１４０は、ＰＭ結合器１４８に連結された２つの光ファイバセクション１８２，１８４を介して検出ステージ１７４に連結されている。次に、各検出ステージはコントローラＣＢに機能的に連結されており、コントローラＣＢは位相器ＰＳ１，ＰＳ２にも連結されてそれらの動作を制御する。図１０に関連して下記にさらに詳細に説明するように、各検出ステージは、量子信号ＱＳを検出するための単一光子検出器(ＳＰＤ)を有している。各ＳＰＤのクリックを分析することで、ボブはデータをマップして、標準ＱＫＤプロトコルの一つ(例えば、ＢＢ８４プロトコル)を模倣できる。

図６は、図１のＱＫＤシステム１０の別の実施形態の拡大概略図であり、そこでは、ボブの干渉計は、偏光制御ステージ２００に連結された光ファイバセクションＦ２から分岐した２つのブランチ３０２，３０４を有している。ブランチ３０２，３０４はそれぞれ干渉計ループ１３０，１４０を有しており、各ループのアームの一方はそれぞれ位相器ＰＳ１，ＰＳ２を有している。ブランチ３０２，３０４は、ループ１３０，１４０にそれぞれ連結された対応関係にある検出ステージ１７２，１７４を有している。上述の実施形態と図６で説明されたものとの違いは、偏光ビームスプリッタの代わりに３ｄＢスプリッタが用いられていることである。

＜１ループの実施形態＞
１ループの実施形態では、偏光問題は２つの方法で解決可能であり、スクランブラ(図７)又は偏光コントローラ(図８)を用いることができる。偏光コントローラを用いると、入ってくる偏光状態は、ＰＭファイバの低速又は高速光軸に対応する固定された(例えば、垂直に又は水平に)偏光状態に変形される。偏光コントローラは、制御又は量子チャンネルからのフィードバック信号を使用する。

図５に示されたＱＫＤシステム１０の実施例では、ボブは一つの干渉計(ループ)１４０とそれに対応すする検出ステージ１７４のみを有している。この単一ループの実施形態では、ボブは量子信号ＱＳの位相をランダムに変更できる必要がある。これは、ループの一アーム内の位相変調器ＰＭ３(波線による輪郭)を用いて(したがって、損失を加えて）、又は比較的損失がない位相器ＰＳ２を用いて実行可能である。しかし、ボブは、光子が検出されたときに位相を切り替えることが必要なだけである。安全上の理由(すなわち、パルス当たりの光子数が少ない）及び検出器効率のせいで、光子検出レートは通常はそれほど高くない。

位相器ＰＳ２は、下記に述べるように、安定化と、望ましい位相変移の適用の両方のために利用可能である。別の場合、位相変調器ＰＭ３が用いられると、使用されたＱＫＤプロトコルに基づいて望ましい位相変移を適用しているために、位相変調器が用いられる一方で、他方のアーム内の位相器ＰＳ２はチューニング（安定化）のためにのみ用いられる。一実施例では、位相器ＰＳ２はＲＮＧ１８０に連結され、次にＲＮＧ１８０はコントローラＣＢに連結されている。

図７は、偏波スクランブラ１６０と偏光ビームスプリッタ１５０を有する偏光制御ステージ２００の実施例の拡大概略図である。図８は、偏光コントローラ２０４のみを有する偏光制御ステージ２００の一実施例の拡大概略図である。
＜ＱＫＤシステム安定化＞
ＱＫＤシステム１０の安定化は、検出ステージの検出チャンネル検出からのフィードバックを用いることで実現される。制御チャンネル信号ＣＳは、量子信号ＱＳと波長が同じ又は異なる「古典的な」信号であり、システムの干渉計パート内の同一経路をたどる。説明のために、図５のＱＫＤシステム１０の単一ループの実施形態が下記において言及される。

制御信号ＣＳ(「制御チャンネル」を構成すると言われている)は検出ステージ１７４のボブにて検出される。制御信号ＣＳの検出は、ＳＰＤ技術及びゲーティングの使用を必要としない。制御信号は量子信号を用いて時分割多重化され、干渉計安定化に用いられる。制御信号はシステムタイミングにも用いられることができる。この場合、制御信号ＣＳは量子信号ＱＳより先に進み(時間領域で)、機能的に連結された(破線)アリスのコントローラＣＡとボブのコントローラＣＢ間のコミュニケーションによって実行されるタイミング／同期スキームを引き起こす。安全上の理由のため、アリスの位相変調器ＰＭ１は、制御信号ＣＳが送り出されたときには駆動されない。量子信号ＱＳ、制御チャンネル信号ＣＳ及び量子信号を検出するためにＳＰＤに用いられるゲート信号(パルス)ＧＳのタイミングは、図９のタイミング図に示されている。

［検出ステージ］
図１０は、検出ステージ１７４の概略図であり、図１のＱＫＤシステム１０の検出ステージ１７２と同じである。検出ステージ１７４は、ＰＭ結合器１４８から伸びてくる各入力ファイバ１８２，１８４のための信号デマルチプレクサ３００をそれぞれ有している。各デマルチプレクサ３００は制御信号出力ファイバ３０２と量子信号出力ファイバ３０４を有している。制御信号出力ファイバ３０２は検出器(すなわち、光検出器)３１０に連結されており、量子信号出力ファイバ３０４は単一光子検出器(ＳＰＤ)３１２に連結されている。検出ステージの４つの出力(つまり、２つのＳＰＤ出力３２０と２つの光検出器出力３２２)がコントローラＣＢに対して設けられている。コントローラＣＢは、各ＳＰＤ３１２において現れる干渉された量子信号ＩＱＳ内で中央ピークを選出するゲート信号ＧＳを提供する。

コントローラは、さらに、検出器３１０に到着する２つの多重ピーク型干渉された制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２を受け取って記憶する。なお、光信号から形成された電気的制御信号は、検出器３１０の応答時間のために図示されているような理想的な３ピーク構造を有していないかもしれない。統合制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２の統合信号プロフィール４００は、干渉された量子信号ＩＱＳ１，ＩＱＳ２の統合信号プロフィールと本質的には同じであり、図１１に例示されている。なお、統合信号プロフィール４００は、中央ピーク４０６を囲む２つのサイドピーク４０２，４０４を有している。中央ピーク４０６はマルチパス干渉によって引き起こされている。位相変移及び起こりうる異なるピーク比を除いて、統合制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２は干渉された量子信号ＩＱＳ１，ＩＱＳ１と同じ形（上記参照)を有している。なぜなら、これら信号はＱＫＤシステム１０内の同一経路をたどるからである。システム安定化のために制御信号プロフィールを用いることは下記でさらに述べられる。

量子及び制御信号に同じ波長が用いられると、信号デマルチプレクサ３００は高速光学的スイッチ又はスプリッタとなり得る。検出器３１０は、対応する波長用の標準電気通信検出器になり得る。
ボブのビームスプリッタの上流に配置された偏光コントローラ２０４を用いるには、量子信号ＱＳと制御信号ＣＳが同じ波長を有していることが必要である。ただし、偏波スクランブラ１６０が用いられる場合は両信号の波長は異なっていても良い。量子信号ＱＳとして、減衰されたレーザ源(図２)又は単一光源(図３)を用いることができる。２つの源(量子信号及び制御信号用)はアリスのコントローラＣＡによって電子的に遅延可能である。また、２つの信号が異なる波長を有していると、ボブが、量子及び制御信号を分離するために、検出ステージ１７４(図１０)における信号デマルチプレクサ３００のための共通ＷＤＭフィルタを用いることができる。

量子及び制御信号に用いられる同じ波長は、上述したように、図４の実施形態においても使用可能である。この実施形態では、単一レーザパルスＰ０は、２つのパルス、すなわち、量子チャンネルに用いられる弱いパルスＱＳと、制御チャンネルに用いられる強いパルスＣＳとに分割される。この方法は量子信号と制御信号の間に遅れを必要としており、そのため時間遅れ機構(例えば、ファイバスプール)を要請している。さらに、量子及び制御信号はボブの検出ステージで分離される必要がある。この目的のため、高速光学的スイッチ(通常は損失がありまた高価である)又はスプリッタが採用されることができる。しかし、スプリッタが用いられると、量子信号検出するのに用いられるＳＰＤにおいて雪崩現象が引き起こされる危険がある。

［安定化プロセス］
安定化プロセスでは、干渉計における一定の総位相遅れΦは、統合制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２に対応するボブの制御信号検出器３１０でのある特定の信号配送を以下のように仮定する。
ＩＣＳ１＝ｃｏｎｓｔ₁＋ｃｏｎｓｔ₃×ｃｏｓ(Φ)
ＩＣＳ２＝ｃｏｎｓｔ₂−ｃｏｎｓｔ₄×ｃｏｓ(Φ)
一定のオフセットは、制御信号検出器のゲーティング(又は高速サンプリング)が無いために、短−短パルス及び長−長パルスから発生する。システムを安定化させるため、統合制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２の比は一定に保たれる。比の値は信号偏光(分離偏光器の前で測定される）と共には変化しない。このプロセスは、単一ループの実施形態(図５)では検出ステージ１７４を介して、２ループの実施形態(図１)では検出ステージ１７２，１７２を介して、ボブの各ループで実行される。

安定化プロセスでは、位相器電圧Ｖは最初にスキャンされて、少なくとも２π位相変移(図１２の一期間)を起こさせる。信号比ＩＣＳ１／ＩＳＣ２及びＩＱＳ１／ＩＱＳ２はコントローラＣＢで位相器ＰＳ２の電圧の関数として記録される。電圧変化率は、量子信号ＩＱＳ１，ＩＱＳ２について統計的に重要なデータ・サンプルを収集できるように、十分に低くなるべきである。これら比のプロットの例は、図１２に示されている。ＩＣＳ１／ＩＣＳ２は実線で示され、ＩＱＳ１／ＩＱＳ２は破線で示されている。次に、位相器電圧は、量子チャンネル比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２の極値に(すなわち、最大又は最小値に)調整される。最適化された位相器電圧での対応する比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２は、ＩＣＳ１／ＩＣＳ２曲線上の点５００に示されている。この特定の設定値比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２に対応する位相器電圧が位相器に印加される。図１２では、干渉された量子信号比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２の曲線は、説明のために、統合制御信号比の曲線と同じように描かれている。しかし、実際は、２つの曲線は、統合信号サイドピーク(図１)を妨げる量子信号のゲーティングによって僅かに異なっている。

熱的な又は機械的な効果が２つの干渉計アーム１４２，１４４間に位相差を生じさせるので、設定値は図１２に示された実線による曲線上を移動する。信号比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２を固定状態に保つため、双方向矢印４８０で示された高速ディザリングがフィードバック・ループ内で実行される。つまり、印加された僅かな程度の小さな位相器電圧ステップについて、比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２は測定され、このデータはコントローラＣＢに保存される。次に、設定値に対応する電圧が位相器に印加される。このフィードバック・ループの時定数は、干渉計アームの熱又は機械的なドリフトに関連した時定数に比べて小さくなるべきである。

一実施例では、これは、曲線ＩＱＳ１／ＩＱＳ２上の最大値に対応する点５００を特定し、次に、点５００における比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２の値に基づいて位相器電圧Ｖを維持することで実現されたものであり、干渉された量子信号比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２の最大値をトラックしようとすることで実現されるのではない。この理由は、干渉された強い制御信号パルス比を測定する方が、単一光子を検出することに依存する干渉された量子信号比を測定するよりも遙かに簡単だからである。

［量子及び制御波長］
好ましい実施形態では、制御チャンネル及び量子チャンネルは、波長同士が十分に接近しており位相ウォークオフを防止している。量子及び制御信号(チャンネル)に同一の波長を採用しているこの実施形態では、干渉計温度安定化の問題はない。
図１１を再度参照すると、一方向型システムの性質によって、ボブにおける干渉信号は時間で分離された３つのピーク４０２,４０４及び４０６から構成されている。到着した第１光子(ピーク４０２)は、ボブ及びアリスの両半ループにおいて最短ルートを選択したものである。到着した最終光子(ピーク４０６)は、ボブ及びアリスの両半ループにおいて最長経路を選択したものである。「短＋長経路」をとった光子は中間に到着し(ピーク４０４)、これらの光子は干渉して大きなピークを形成するので重要である。

ＳＰＤ３１２は干渉信号ピーク同士を互いに区別することができることが必要なので、ピーク分離はゲート・ピリオドより大きな必要がある。(例えば、Ｔ_gate＝２ｎｓはＱＫＤシステムに対して十分なゲート・タイムである)。このように、安全ピーク分離距離は時間領域で〜５ｎｓであり、又は光ファイバの長さの点からは、ΔＬ＝Ｌ−Ｓ＝１ｍである。ここで、Ｌは半干渉計の長い方のアームの長さであり、Ｓは短い方のアームの長さである。

さらに、干渉計ループは、ボブとアリスで同一であり(長さにおいて)、ボブとアリスは熱的にΔＴ内に安定している、と推定可能である。さらに、λ_Qとλ_sは量子及び制御信号波長に対応している。
ボブ又はアリスにおける温度がΔＴ(℃)分ドリフトすると、物理的経路差が概ね１０^-5×ΔＴ×ΔＬ分変化する(１.６×１０^-5は、標準単一モード光ファイバについての度^-1単位での線熱膨張係数である）。波長の単位については、これは量子及び制御チャンネルに対してそれぞれ(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_Q及び(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_sとなる。位相については、これらの式は、それぞれ、[（２π）(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_Q]及び［２π×(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_s]ラジアンとなる。正確にするためには分散を考慮に入れなければならないが、分散の寄与は相対的に無視し得る。

したがって、２つの信号の位相差Δφは、δ(Δφ)=[(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_Q]−[(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)／λ_s]分変化する。これは(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)(Δλ／λ_Qλ_s)であり、Δλ=(λ_s−λ_Q)である。Δλ＜＜λ_s(又はλ_Q)であるため、最後の式はδ(Δφ)＝(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)(Δλ／λ²)と書き換えることができる。そこでは、λはλ_s又はλ_Qに置き換えられる。

干渉計の視認性は２６ｄＢより良いと推定される(これは十分に実際的な推定である)と、量子レーザの位相は指定値(０又はπ)のΔφ_Q〜３°(又は０.０５ラジアン)内に入るように制御される必要がある。制御レーザ位相が完全に正確に制御され得ると推定するならば、このことはδ(Δφ)＜δφ_Q又は(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)(Δλ／λ²)＜δφ_Qであることを示唆するだろう。

このようにして、レーザ波長は以下の基準を満たすことになる。
Δλ＜(λ²)(δφ_Q)／(２π)(１０^-5×ΔＴ×ΔＬ)であり、これは温度制御の正確さに反比例する。これは、例えば、温度がＱＫＤシステムの両端において０．１℃内に制御されている場合は、量子及び制御信号を生成するのに使われる２つのレーザが約５ｎｍだけ離されるべきであることを示唆する。

以上、本特許出願は、２００３年１２月２２日に出願された、米国特許出願第６０／５３１，７２４号から、優先権を主張するものである。

図１は、本発明の安定化された一方向型ＱＫＤシステム図の概略図である。 図２は、図１の量子及び制御信号の準備(ＱＣＳＰ)ステージの第１実施例の概略図であり、それによって、量子信号と制御信号が同じ又は異なる波長を有することができる。 図３はＱＣＳＰステージの第２実施例の概略図であり、図２と同様であるが単一光源を用いている。 図４は、量子信号と制御信号の両方を生成するのに一つのレーザのみが用いられる場合のＱＣＳＰステージの第３実施例の概略図である。 図５は、図１と同様の概略図であり、本発明のＱＫＤシステムの別の実施形態を示しており、そこでは、ボブが一つのアーム内に位相器を有する単一干渉計ループを含んでおり、さらに位相器は乱数発生器(ＲＮＧ)に連結されている。 図６は、図５に開示されたＱＫＤシステムの別の実施形態の拡大概略図であり、そこでは、ボブの干渉計は２つのアームをそれぞれ有する２つのブランチを含んでおり、位相器は一方のアーム内で、オプションの位相変調器は他方のアーム内でＲＮＧに連結されている。 図７は、組み合わせて用いられる偏波スクランブラ及び偏光ビームスプリッタを含む偏光制御ステージの実施例の拡大概略図である。 図８は、偏光コントローラのみを有する偏光制御ステージの実施例の拡大概略図である。 図９は、時間軸(ｔ)における量子信号,制御信号及びゲート信号の相対的なタイミングを示すタイミング図である。 図１０は、検出ステージの実施例の概略図であり、そこでは、異なる波長が量子及び制御信号に用いられており、その結果生じる３つのピーク信号パターンを示している。 図１１は、制御及び量子信号用検出ステージの各アームで検出された干渉された制御信号及び干渉された量子信号の時間ｔ信号パターンに対する３つのピーク強度Ｉのプロットである。 図１２は、ＱＫＤシステム安定化手順を描写する、２つ検出器ブランチに対応する２つの干渉された制御信号の比(ＩＣＳ１／ＩＣＳ２)のプロットである。そこでは、実線による曲線が干渉された制御信号比に対応しており、破線の曲線が干渉された量子信号比(ＩＱＳ１／ＩＱＳ２)に対応している。さらに、垂直線は、制御電圧を位相器に合わせるコントローラによって補償される２つの曲線の相対位置を示している。

図面に描かれた様々な構成は単に代表的なものであり、必ずしも実寸通りに描かれていない。強調された部分もあれば、縮小された部分もありえる。これら図面は、当業者にとって理解及び適切な実施が可能な本発明の様々な実施形態を例示することを意図している。

Claims (12)

1. 一方向型ＱＫＤシステム用の干渉計システムであって、
   量子信号と制御信号を発信し、第１干渉計ループを有する第１ＱＫＤステーションと、
   光ファイバリンクを介して光学的に前記第１ＱＫＤステーションに連結され、第２干渉計ループと、前記干渉計ループの出力部に機能的に連結された検出ステージとを有しており、前記第２干渉計ループは位相器があるアームを有している、第２ＱＫＤステーションと、
   前記第２ＱＫＤステーションの上流側直近に配置された偏光制御ステージと、
   前記検出ステージと前記位相器に連結されたコントローラと備え、
   前記量子信号及び前記制御信号は、前記第１干渉計ループ、前記光ファイバリンク、前記偏光制御ステージ及び前記第２干渉計ループ内で同一経路を移行し、
   前記制御信号は、前記検出ステージによって検出され、前記コントローラによって、前記第２干渉計ループの位相安定化を実行させるため前記位相器を動的に調整するのに用いられる、
   干渉計システム。
2. 前記制御信号及び前記量子信号は同じ波長を有している、請求項１に記載の干渉計システム。
3. 第１干渉計ループを第１ＱＫＤステーションに有し、第２干渉計ループを第２ＱＫＤステーションに有するＱＫＤシステムを安定化する方法であって、
   制御信号及び量子信号を、前記第１ＱＫＤステーションから前記ＱＫＤシステムの前記第１及び第２干渉計ループを含む同一経路越しに前記第２ＱＫＤステーションに送ること、
   前記第２ＱＫＤステーションにおいて第１及び第２干渉された制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２を検出し、比ＩＣＳ１／ＩＳＣ２を計算すること、
   前記第２ＱＫＤステーションにおいて、第１及び第２干渉された量子信号ＩＱＳ１，ＩＱＳ２を検出し、比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２の極値を見つけだすこと、
   前記比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２の前記極値に対応する前記比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２の値に基づいて、前記第２干渉計ループのアームの位相を調整すること、
   を備えたＱＫＤシステム安定化方法。
4. 前記第２干渉計の前記アームは電圧によって駆動される位相器を有しており、前記比ＩＱＳ１／ＩＱＳ２を一定に維持するために前記電圧をディザリングすることを備えている、請求項３に記載の方法。
5. 前記量子信号及び前記制御信号は同じ波長を有している、請求項３に記載の方法。
6. ＱＫＤシステムを安定化する方法であって、
   制御信号及び量子信号を、第１ＱＫＤステーションから干渉計の同一光学的経路越しに第２ＱＫＤステーションに送ること、
   前記第２ＱＫＤステーションにおいて第１及び第２干渉された制御信号ＩＣＳ１，ＩＣＳ２を検出し、比ＩＣＳ１／ＩＳＣ２を計算すること、
   最大量子信号カウントに対応する前記比ＩＣＳ１／ＩＣＳ２の値を決定すること、
   当該比を維持するために前記光学的経路の位相を調整すること、
   を備えたＱＫＤシステム安定化方法。
7. 前記位相を調整することは、前記干渉計のループ内の位相器に対して変動する電圧を与えることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記最大量子信号カウントは、前記第２ＱＫＤステーショにおいて検出された干渉された量子信号の比の最大値によって決定される、請求項６に記載の方法。
9. 前記量子信号は第１波長を有しており、前記制御信号は第２波長を有している、請求項６に記載の方法。
10. 前記第１及び第２波長は同一である、請求項９に記載の方法。
11. ＱＫＤシステムを安定化する方法であって、
    制御信号と量子信号を、第１ＱＫＤステーションから干渉計の同一の光学的経路越しに第２ＱＫＤステーションに送ること、
    前記量子信号の最大カウントを決定するために前記制御信号を用いること、
    前記最大量子信号カウントを維持するために前記制御信号に基づいて前記光学的経路の位相を調整すること、
    を備えたＱＫＤシステム安定化方法。
12. 前記位相を調整することは、前記光学的経路内の位相器の電圧を調整することを含む、請求項１１に記載の方法。

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