JP2008512945A - Ｑｋｄチャネル多重化のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの２つ以上のチャネルを多重化するためのシステムと方法を開示する。
【解決手段】本方法は、１つのＱＫＤ局（アリス）における送信機（Ｔ）にゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットの公開チャネル光信号（ＳＰ１）を置くことと、この信号が他のＱＫＤ局（ボブ）における受信機（Ｒ）内の検出器（３０）で検出される直前に、この信号を増幅する（よって、ＳＰ１＊を形成する）こと、を含む。本方法はさらに、ゲーティング・エレメント（４０）及び検出される（電気的）公開チャネル信号（ＳＰ２）内のパルスの予測される到達時刻に一致するパルスを有する同時信号（ＰＮ１’）を介して、検出器を正確にゲートすることを含む。これにより、公開チャネル信号は遙かに少ない電力を有することが見込まれ、他のＱＫＤ信号との多重化がさらにしやすいものになる。

Description

本発明は、量子暗号化に関しかつ量子暗号化に関連する産業的有用性を有し、具体的には、ＱＫＤシステムの異なるチャネルを単一の光ファイバに多重化することに関し、かつ上記多重化に関連する産業的有用性を有する。

量子鍵配送は、「量子チャネル」越しに送信された弱い（例えば、平均で０．１フォトン）の光パルス信号を用いて、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間で鍵を確立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、ＢｅｎｎｅｔｔとＢｒａｓｓａｒｄ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、Ｂｅｎｎｅｔｔの米国特許文献（特許文献１参照）およびＣ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔの論文（非特許文献２参照）に述べられている。ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらの著作（非特許文献３参照）に述べられている。

ＱＫＤシステムの性能は、３つの異なるメカニズムにより生成された光子の形態のノイズによって低下する。第１のメカニズムは、周波数シフトされた光子が生成され、量子信号光子と共に伝播する、前方ラマン散乱である。光ファイバにおけるラマン散乱は、高パワー信号から単一光子波長へのエネルギーの移動のために、単一ファイバに入力され得る電力を制限する。

第２のメカニズムは、周波数シフトされた光子が生成され、量子信号光子とは反対方向に伝播する、後方ラマン散乱である。

第３のメカニズムは、光子が量子信号光子の反対方向に弾性的に散乱されて戻る、レイリー散乱である。
光ファイバにおける光の散乱、及び特定の前方ラマン散乱は、検出プロセスにおいて雑音を発生させることから、ＱＫＤシステムの異なるチャネルの多重化においては問題がある。
異なるチャネルを単一の光ファイバに結合させることにおける光の散乱の影響を克服するに当たっては、２つの単純なソリューションが提案されている。第１のソリューションは、１つのファイバを公開ディスカッションチャネルに、おそらくは同期チャネルにも、使用し、第２のファイバを量子チャネルに使用するものである。第２のソリューションは、入力電力を低減することができ、よって距離が短いほど散乱電力伝達比が小さくなるように、ファイバの長さを制限するものである。これらのソリューションは共に、単純ではあるが、特にロバスト性もなく、商業的に実行可能なＱＫＤシステムには不向きであるために魅力のあるものではない。

ＱＫＤに関連づけられる異なるチャネルの多重化に関連する先行技術には、米国特許文献２（「‘２３４号特許」）が含まれる。‘２３４号特許では、同期信号が量子チャネルによって時分割される。先行技術には、米国特許文献３（「‘６４８号特許」）も含まれる。‘６４８号特許は、量子チャネル及び公開チャネルのための「共通の伝送媒体」（すなわち、光ファイバ）を有し、公開チャネルも較正信号を伝送する、という考案を提案している。

しかしながら、先行技術は、比較的強力な公衆及び同期チャネルと極めて弱い量子チャネルとを組み合わせるという手強い問題を採り上げていない。特に、‘６４８号特許は、量子チャネルに関連づけられる単一光子の検出を妨害しないように、公開チャネルが「共通の伝送媒体」における量子チャネルといかにして多重化可能かを採り上げていない。また、‘２３４号特許では、単一光子に対して作用しながら同期タイミングを保持するためにサンプルホールド型のフェーズロック・ループを実装する必要がある。しかしながら、同期及び量子チャネルの多重化における困難さは、公衆（データ）チャネルと量子チャネルとを多重化するタスクに勝るものではない。‘２３４号特許は、公開チャネル及び量子チャネルを同じ光ファイバ上で伝送する問題を採り上げていない。

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ，２００１，ｖｏｌ．４８，ｎｏ．１３，ｐｐ．１９５７−１９６６において発表された、Ｐ．Ａ．Ｈｉｓｋｅｔｔ，Ｇ．Ｂｏｎｆｒａｔｅ，Ｇ．Ｓ．Ｂｕｌｌｅｒ，Ｐ．Ｄ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ共著刊行物である非特許文献４は、同期チャネルと量子チャネルとを組み合わせる手法を提案している。送信機レーザからの光は、量子信号と同期信号とに分割される。同期信号は、別個のファイバ上で送信され、受信機に入った時点でエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）により増幅される。増幅された光信号が電気信号に変換された後、電気信号は受信機の検出器をゲートするために使用される。

１０ＭＨｚのイーサネット（登録商標）公開ディスカッショントラフィック（すなわち、公開チャネル）を、同期及び量子チャネルと同じファイバ上へ波長多重化することが望ましいであろう。しかしながら、イーサネットの公開チャネル信号の光強度は、散乱及びチャネルを検出する能力を低下させるこのような他の干渉を防止するために、大幅に低減されなければならない。残念ながら、十分な距離またはスパンを有する任意のＱＫＤシステムの場合、公開チャネル電力の低減は、公開チャネルにとって受け入れ難く低い信号対雑音比をもたらす。一方で、光ファイバ増幅器（例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器またはＥＤＦＡ）を使用すると、光信号の振幅を増大して狭帯域光フィルタの必要性を廃することができ、その出力は引き続き極めて低い信号対雑音比を有することになる。
米国特許第５，３０７，４１０号公報 米国特許第６，４３８，２３４号公報 米国特許第５，６７５，６４８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．６８ ３１２１（１９９２） "Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，"Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ ２００１，ｉｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，ｐａｇｅｓ２７−３３ "Ｅｉｇｈｔｙ ｋｉｌｏｍｅｔｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ａｎ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤ−ｂａｓｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ １．５５ ｕｒｎ，"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ，２００１，ｖｏｌ．４８，ｎｏ．１３，ｐｐ．１９５７−１９６６

本発明は、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの２つ以上のチャネルを多重化するためのシステムと方法を包含する。本システム及び方法は、公開チャネルにとって低減された検出雑音をもたらし、これにより、より弱い公開チャネル信号の使用を可能にする。より弱い公開チャネル信号の使用は、商業的に実現可能なＱＫＤシステムのための同じ光ファイバ上での量子チャネル及び／または同期チャネルによる公開チャネルの多重化を可能にする。本発明の１つの態様は、公開チャネル光信号をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットに置くことと、かつこの信号を、この信号が検出される直前に増幅することを含む方法である。本方法はさらに、検出雑音を減らすために、検出器を、検出される（電気的な）公開チャネル信号におけるパルスの予測される着信時間に一致するように正確にゲートすることを含む。本方法はまた、公開チャネル電気信号で周波数ロックされるパルス列を含む第１の信号を形成し、次いでこの第１の信号が公開チャネル電気信号に（時間的に）一致するように、上記第１の信号に選択的遅延を与えることを含む。次に、第１の信号は、検出器をゲートすることに使用される。

この方法は、公開チャネルの検出に関連づけられる雑音を劇的に低減する働きをし、これにより、より弱い公開チャネル信号の使用が見込まれるようになる。より弱い公開チャネル信号の使用は、同じ光ファイバ上での量子チャネル及び／または同期チャネルによる公開チャネルの多重化を可能にする。
本方法は、概して、他の方法では検出が困難であると思われる弱まったイーサネット（登録商標）信号の検出に適用可能である。

本発明の別の態様は、第１の波長の公開チャネル信号（ＳＰ１）と、第２の波長の量子チャネル信号（ＳＱ）とを、第１及び第２の量子鍵配送（ＱＫＤ）局（アリスとボブ）を接続する光ファイバ上で組み合わせる方法である。本方法は、信号ＳＰ１をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットで供給し、信号ＳＰ１及びＳＱを多重化してアリスからボブへ伝送することを含む。本方法はまた、ボブにおいて信号ＳＰ１及びＳＱを波長逆多重化し、信号ＳＰ１を光増幅して光増幅信号ＳＰ１＊を形成することも含む。本方法はまた、信号ＳＰ１＊を検出して公開チャネル電気信号ＳＰ２を生成し、この信号から、信号ＳＰ２に周波数同期されかつ（時間的に）一致する電気パルスを含む信号ＰＮ１’を形成することも含む。最後に、本方法は、信号ＰＮ１’を使用して信号ＳＰ１＊の検出をゲートすることを含む。

本発明は量子暗号化に関し、具体的には、公開ディスカッションチャネル、同期チャネル及び／または量子チャネル等のＱＫＤシステムの選択チャネルが単一の光ファイバ上に多重化されることを見込むシステムと方法に関する。本明細書の論考において、量子チャネルは、単一光子の光パルスである量子信号を伝送する。「単一光子」という用語は、平均して１つまたはそれ以下の光子を有する光パルスを包含することが意図されている。

本明細書で述べる同期チャネルは、同期データ（信号）を伝送し、かつ任意選択として、典型的にボブとアリスとして示される２つのＱＫＤ局間の調整されたオペレーションを見込む較正データ（信号）を伝送する。
同じく下記の論考では、「信号」及び「パルス」という用語は、当業者には明白となるような方法で互換的に使用される。また、「公開チャネル信号」及び「量子信号」という用語は各々、例えばパルス列のような一つ以上のパルスを含むものとして理解される。

商業用のＱＫＤシステムでは、ＱＫＤ局間で、既存の光ファイバを使用して２つまたはそれ以上のＱＫＤチャネルを伝送したいという強い要望がある。本発明は、上述の３チャネルを全て、通常は商業的に実現可能なＱＫＤシステムに関連づけられる比較的長い光ファイバ（例えば、５０ｋｍから１００ｋｍ）上で伝送できるようにする。典型的なＱＫＤシステムでは、２つのＱＫＤ局を「アリス」及び「ボブ」と呼び、伝送はＱＫＤチャネル上で一方向、すなわちアリスからボブへと発生することに留意されたい。但し、イーサネット（登録商標）の公開ディスカッションチャネルに関しては、アリスとボブは同一のピアである。すなわち、イーサネット関連のプロトコル（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ）を公開チャネル上でサポートするためには、双方向通信が必要とされる。ひいてはこれは、後に述べるように、アリスとボブが各々受信機Ｒと送信機Ｔとを含むことを意味する。
（ＱＫＤシステム）
図１は、本発明による送受信機（Ｔ−Ｒ）システム２の例示的な実施形態を示す概略図である。Ｔ−Ｒシステム２は、光ファイバ・リンクＦＬによってＱＫＤ局受信機Ｒへ結合されるＱＫＤ局送信機Ｔを含む。図２は、後に詳述するように、Ｔ−Ｒシステムが、双方向性の公開チャネル通信を達成するために２つのシステムＴ１−Ｒ１及びＴ２−Ｒ２としてどのようにＱＫＤシステムに組み込まれるかを示す。

送信機Ｔは、個々の波長λ１、λ２及びλ３で動作する３つの光源システムＬ１、Ｌ２及びＬ３を含む。光源システムＬ１、Ｌ２及びＬ３は各々、対応する量子信号ＳＱ、同期信号ＳＳ及び公開チャネル信号ＳＰ１を生成するように適合化される。例えば、光源システムＬ３は、公開チャネル信号ＳＰ１を、ゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットを含む様々なフォーマットで供給するように適合化される。光源システムＬ１、Ｌ２及びＬ３は、波長分割マルチプレクサ５を介してファイバ・リンクＦＬと光結合され、かつファイバ・リンクＦＬ上へ波長分割多重化される。

ある例示的な実施形態では、送信機Ｔは、イーサネット・ポートＥＰ１から業界標準１０ＭＨｚイーサネット・マンチェスタ符号化信号ＳＥを受け入れるＲＺエンコーダ６を含む。ＲＺエンコーダ６は、信号ＳＥを狭い低デューティサイクル・パルスＳ６に変換する。信号Ｓ６は、次に、１０ＭＨｚのイーサネットＲＺフォーマットを有する相対的に低電力の公開チャネル光信号ＳＰ１を生成するために光源システムＬ３を駆動すべく使用される。

引き続き図１を参照すると、受信機Ｒは、光ファイバ・リンクＦＬへ光結合される波長分割デマルチプレクサ８を含む。デマルチプレクサ８は、波長λ１、λ２及びλ３を有する光信号ＳＱ、ＳＳ及びＳＰ１を、例えば別々の光ファイバ・セクションである別々の光路に分離させるように適合化される。波長Ａ１における量子信号ＳＱ及び波長λ２における同期信号ＳＳに関連づけられる２つの光路は、９で示されている。公開チャネル信号ＳＰ１及び波長λ３に関連づけられる第３の光路は、１０で示されている。

図１には、送信機Ｔおよび受信機Ｒ内に量子チャネル及び同期チャネル装置の詳細が示されていないが、これは、これらが本発明を理解する上で不可欠なものではなく、また周知技術に基づくものでもあることによる点に留意されたい。
図１のＴ−Ｒシステム２は、さらに、光路１０（例えば、光ファイバ・セクション１０）に沿って波長分割マルチプレクサ８の下流にエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）等の光増幅器２０を含む。光増幅器２０は、増幅された公開チャネル光信号ＳＰ１＊を信号ＳＰ１が受信機Ｒへ入る直前または直後に形成するために、公開チャネル光信号ＳＰ１を光増幅するように適合化される。図１では、光増幅器２０は、例示を目的として受信機内に示されている。

光増幅器２０の下流には、光増幅器に機能的に結合される検出器３０（例えば、ＰＩＮフォトダイオード）があり、検出器３０の下流には、検出器３０に機能的に結合されるゲート・エレメント（「ゲート」）４０（すなわち、高速オン−オフ・スイッチ）がある。ゲート４０の出力は、本例では、１０ＭＨｚの狭帯域通過フィルタであるフィルタ５０へ結合される。

フィルタ５０の出力は、高速比較器６０の一方の入力へ機能的に結合される。比較器６０の他方の入力には、限界信号ＳＴが供給される。比較器６０の出力は、マルチバイブレータ６５（例えば、ワンショット、または単安定マルチバイブレータ）へ結合される。マルチバイブレータ６５の出力は可変遅延装置７０へ結合され、可変遅延装置７０は、本遅延装置へ機能的に結合されるプログラマブル・コントローラ８０によって制御される。ある例示的な実施形態では、コントローラ８０はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含む。可変遅延装置７０の出力は、回線７２を介してゲート４０へも結合される。

可変遅延装置７０の出力の一方は、乗算器９０の一方の入力ポートへ接続され、乗算器のもう一方のポートへは入力回線８２が結合される。回線８２は、後述するようにゲート４０を通り抜ける公開チャネル信号（パルス）ＳＰ２を伝送する。乗算器９０の出力は低域通過フィルタ１００の入力へ送られ、低域通過フィルタ１００の出力はコントローラ８０の入力へ接続される。次に、コントローラ８０は、ゲート４０への出力を有する可変遅延装置７０を制御する。

先に述べたように、本発明の一例では、公開チャネル信号ＳＰ１は、極めて狭いＲＺパルスを有するＲＺフォーマットに再符号化される１０ＭＨｚのイーサネット・マンチェスタ符号化データ・ストリームである。これは、ＲＺパルスが存在している可能性のある場合にのみ、光増幅器２０の出力が可変遅延装置７０を介してゲート（またはイネーブル）され、乗算器（９０）へ至ることを許容する。狭パルスの存在はデータ・ビット「１」を表し、狭パルスの不在は「０」を表す。狭いＲＺパルスは、イーサネット１０ＭＨｚ方形波の縁上でのみ発生する。

光増幅器出力のゲートは、公開チャネル信号の検出プロセスにおける雑音を大幅に低減させる。しかしながら、このようなゲートは、狭いＲＺパルスが発生する時間スロットが既知であることを必要とする。幸い、公開チャネル信号の周波数は、ＩＥＥＥ８０２．３規格に一致する１００ＰＰＭ（パーツ・パー・ミリオン）内であることが知られている。この情報は、必要な検出器のゲート信号を後述する方法で生成するために使用される。
（動作方法）
本発明の例示的な実施形態は、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）マンチェスタ符号化及び業界標準１０ＭＨｚイーサネット信号を使用し、ＲＺエンコーダ６によってこれをＲＺフォーマットに変換する。結果として生じるＲＺ公開チャネル信号ＳＰ１は、次に、先に述べたように公開チャネル上へ送られる。公開チャネル信号ＳＰ１は、マルチプレクサ５を介して量子及び同期チャネル信号ＳＱ及びＳＣにより多重化され、光ファイバ・リンクＦＬを介して受信機Ｒへ送られる。公開チャネル信号Ｓ１は、次に、デマルチプレクサ８によって量子信号及び同期信号（図示されていない）から逆多重化され、光増幅器２０により増幅されて増幅公開チャネル信号ＳＰ１＊が形成される。次に、増幅信号ＳＰ１＊は検出器３０によって検出され、検出器３０はこの信号を対応する電気的な公開信号ＳＰ２に変換する。

電気的な公開信号ＳＰ２はゲート４０（この動作については後述する）を通過し、フィルタ５０（例えば、１０ＭＨｚの帯域通過フィルタ）まで進む。フィルタ５０は、着信するイーサネットＲＺデータ（すなわち電気的な公開信号ＳＰ２）に周波数同期される（１０ＭＨｚの）正弦波信号Ｓ３を生成する。
高速比較器６０は、「＋」入力で正弦波信号Ｓ３を受け取りかつ「−」入力で限界信号ＳＴを受け取り、比較器出力で信号Ｓ３を（１０ＭＨｚの）方形波信号Ｓ４に変換する。方形波信号Ｓ４は、次にマルチバイブレータ６５へ至り、マルチバイブレータ６５は上記信号を狭い電気信号（パルス）ＰＮ１の列に変換する。マルチバイブレータ６５のパルス幅は、好適には、ゲート４０を通って進む信号ＳＰ２の幅と同じであるか、僅かに大きい。

パルスＰＮ１は、プログラマブル・コントローラ８０によってその遅延が選択的に制御される遅延装置７０へ入る。パルスＰＮ１が着信する狭いイーサネットＲＺ信号ＳＰ２の真上に落ちる（すなわち、時間的に一致する）ように上記パルスＰＮ１へ選択的遅延を与えるのは、コントローラ８０の仕事である。明確を期して、遅延装置７０によって生成される選択的に遅延されたパルスの列を信号ＰＮ１’と称する。

可変遅延装置７０からの信号ＰＮ１’は、乗算器９０において、入力回線８２から到来するＲＺイーサネット・パルス（すなわち、公開チャネル電気信号ＳＰ２）により乗算される。乗算器９０は、２つの乗算器入力信号から相互相間関数信号ＳＣを生成する。信号ＳＣは、低域通過フィルタ１００を介してコントローラ８０へ供給される。ある例示的な実施形態では、コントローラ８０は、早急な変更は閉ループを不安定にさせる場合があるために、遅延値の変更をゆっくりと行うことが想定されている。コントローラは、入力パルス列（すなわち、信号ＳＰ２）を最初に捕捉し、次いで追跡するだけでよく、その何れも高速応答を必要としない。低域通過フィルタ１００は、無価値であってシステムを不安定にする可能性のある高速情報を全て除去する。また、統計学的にＲＺ信号ＳＰ２（例えば、イーサネットＲＺパルス）の半分は（論理「０’」のために）なくなり、低域通過フィルタはこれらのギャップを「平滑にする」ために必要であることにも留意されたい。

ある例示的な実施形態では、コントローラ８０がデジタル・デバイスである場合にアナログ信号ＳＣからデジタル信号ＳＣを生成するためのアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器１０１が低域通過フィルタ１００とコントローラ８０との間に配置される。
信号ＳＣ内の情報を基礎として、コントローラ８０は、同時信号ＰＮ１’を形成するために制御信号Ｓ５を介して可変遅延装置７０を制御する。信号ＰＮ１’は、ゲート４０の動作を制御するために回線７２上へ送られる。言い換えれば、同時信号ＰＮ１’は、ゲート４０の動作を制御するためのゲート信号として使用される。

可変遅延装置７０からの出力信号（パルス）ＰＮ１’及びＲＺイーサネット・パルスＳＰ２が同位相であれば、乗算器出力信号ＳＣは最大となる。ある例示的な実施形態では、乗算器９０の相互相関は、１０ＭＨｚのクロック周期（１００ナノ秒）より大きい時間周期に渡って平均される。
信号ＳＣが最大化されるとき、遅延装置の出力信号ＰＮ１’におけるパルスはイーサネットＲＺパルスＳＰ２に一致する。従って、コントローラ８０はこれらの一致パルスを回線７２上でゲート４０へ送ることができ、光増幅された電気的公開チャネル信号ＳＰ２のゲート検出が有効化される。

回線７２において信号ＰＮ１’をゲートする間に、ゲート４０の出力（回線８２）でパルスが発見されると、結果はイーサネット論理「１」になる。回線７２において信号ＰＮ１’をゲートする間に、上記ゲートの出力でパルスが発見されなければ、結果はイーサネット論理「０」になる。次に、イーサネット論理「１’」及び「０’」の列は連続して結合され、市販の規格イーサネット集積回路による処理が可能なマンチェスタ符号化信号ＳＰ２が生成される。

狭いＲＺパルスから１０ＭＨｚのイーサネット標準により要求される広いマンチェスタ符号化パルスへの変換は、ゲート４０の出力へ結合されるデコーダ１１０によって実行される。これは、必要な受信機を記述する。デコーダ１１０は、イーサネット・ポートＥＰ２または他の類似デバイスへ結合される。
（双方向性の公開チャネル通信）
図１は、マンチェスタ符号化方式の公開チャネル・データが信号ＳＰ１として送信機Ｔから受信機Ｒへ流れるＴ−Ｒシステム２の例を示している。しかしながら、公開チャネルの双方向オペレーションの場合、データを反対方向へ伝送する別の送信機／受信機セットが必要とされる。

従って、図２は、ＱＫＤシステムがＱＫＤ局であるアリスとボブを有し、その各々が図１に示すような送信機Ｔと受信機Ｒとを有することによってアリスとボブによる双方向の公開チャネル通信を有効化する、例示的な実装を示す略図である。具体的には、アリスは送信機Ｔ１と受信機Ｒ２とを有し、ボブは送信機Ｔ２と受信機Ｒ１とを有し、よってＴ１−Ｒ１及びＴ２−Ｒ２という２つのＴ−Ｒシステムが存在する。

アリスはイーサネット・ポートＥＰ１へ結合され、ボブはイーサネット・ポートＥＰ２へ結合される。図２に示すＱＫＤシステムの例では、量子信号ＳＱ及び同期信号ＳＣは一方向へアリスからボブへ進み、公開チャネル信号ＳＰ１は双方向へアリスからボブへ、及びボブからアリスへ進む。
再度、図１を参照すると、ある例示的な実施形態では、受信機Ｒにおけるコントローラ８０は、平均された相互相間関数信号ＳＣのピーク（最大値）を決定するように適合化されるプログラマブル論理（例えば、論理プログラム式ＦＰＧＡ）を含む。ピークが発見されると、上記プログラマブル論理は、温度の変動等の変化する影響に直面した場合でも経時的にピークが維持されるように、到来するパルス列ＰＮ１に整合された遅延を保つ。

公開チャネル信号を検出する一致ゲートは、公開チャネルの検出プロセスにおける雑音量を劇的に低減させる働きをする。これにより、公開チャネル光信号ＳＰ１の光電力レベルを、それが量子及び／または同期チャネルと同じ光ファイバ上に共存できるポイントまで減らすことができる。
以上、公開チャネル信号ＳＰ１の例示的な実施形態としての１０ＭＨｚイーサネット信号に関連して本発明を説明した。しかしながら、本発明は、任意の大部分のデータレートにおける任意の大部分の種類のデータ伝送に適用可能である。例えば、ソネット、１００ＭＨｚイーサネット、１Ｇイーサネット、などは全て適用するであろう。また、本明細書ではマンチェスタ符号化データに言及しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、８Ｂ／１０Ｂコーディング及び他の任意の大部分のタイプのコーディングにも適用されるであろう。

さらに、本発明は、概してＱＫＤシステム（一方向及び双方向のＱＫＤシステムを含む）に適用可能であり、かつ概して電気通信アプリケーションに適用可能である。具体的には、本方法は弱い（単一光子）光信号を比較的強いイーサネット光信号で多重化することに際立って適するものであるが、イーサネット信号のみを包含するケースにも適用することができる。本発明は、規格イーサネット信号が予想より長い距離での伝送を余儀なくされ、結果的に比較的弱いイーサネット信号を検出せざるを得なくなるという状況に適用することができる。このように、本発明は、弱まったイーサネット信号の検出可能性を、増幅の必要なしに上げるために使用されてもよい。

以上、本出願は、２００４年９月７日に提出された米国暫定特許出願第６０／６０７，５４０号の特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張するものである。

同じ光ファイバ上で公開チャネルを量子チャネル及び／または同期チャネルと共に効果的に伝送するために、ＱＫＤシステムのＱＫＤ局によって使用される送受信機（Ｔ−Ｒ）システムを示す概略図である。 ２つのＱＫＤ局、アリスとボブ、を有するＱＫＤシステムの概略図であり、アリスが送信機Ｔ１及び受信機Ｒ２を有しかつボブが送信機Ｔ２及び受信機Ｒ１を有するＱＫＤシステムにおいて、公開チャネル上での双方向通信がＴ１−Ｒ１及びＴ２−Ｒ２によって有効化されるように、Ｔ−Ｒシステムがいかに使用されるかを示す図である。

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得る。これら図面は、当業者にとって理解およ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 (19)

1. 第１及び第２の量子鍵配送（ＱＫＤ）局を接続する光ファイバ上で公開チャネル信号（ＳＰ１）と量子チャネル信号（ＳＱ）とを送信する方法であって、
   ａ）前記第１のＱＫＤ局において、
   ＳＱ信号を生成しかつＳＰ１をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットで生成することと、
   信号ＳＰ１及びＳＱを光ファイバ上で前記第２のＱＫＤ局へ伝送することと、
   ｂ）前記第２のＱＫＤ局において、
   信号ＳＰ１及びＳＱを逆多重化することと、
   信号ＳＰ１を光増幅して増幅信号ＳＰ１＊を形成することと、
   増幅信号ＳＰ１＊を検出しかつ処理して周波数同期ゲート信号を生成することと、
   前記周波数同期ゲート信号を使用して、公開チャネル信号の検出雑音を低減するために信号ＳＰ１＊の検出をさらにゲートすること、を含む、方法。
2. 前記公開チャネル信号ＳＰ１は１０ＭＨｚイーサネット信号から形成される、請求項１記載の方法。
3. 信号ＳＰ１＊を検出して公開チャネル電気信号ＳＰ２を生成することと、
   信号ＳＰ２から、周波数同期されかつ信号ＳＰ２に一致する電気パルスを含む信号ＰＮ１’を形成することと、
   前記信号ＰＮ１’を使用して信号ＳＰ１＊の検出をゲートすること、をさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 信号ＰＮ１’を形成することは、
   狭帯域通過フィルタを介して信号ＳＰ２を送信し、信号ＳＰ２に周波数同期される正弦波信号Ｓ３を生成することと、
   信号Ｓ３を比較器を介して送り、方形波信号Ｓ４を生成することと、
   信号Ｓ４をマルチバイブレータを介して送ることにより、信号ＰＮ１を形成することと、
   信号ＰＮ１を、同時信号ＰＮ１’の形成に際して信号ＰＮ１に遅延を与えるように適合化されるコントローラによって制御されるディレイを介して送ること、を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記公開チャネル信号は１０ＭＨｚのイーサネット信号であり、前記狭帯域通過フィルタは１０ＭＨｚの帯域幅を有する、請求項４記載の方法。
6. 信号ＰＮ１’を生成することは、
   信号ＰＮ１を可変遅延回線を介して送ることと、
   同時信号ＰＮ１’を形成するために、前記可変遅延回線を、前記回線に機能的に結合されかつ信号ＰＮ１に遅延を与えるように適合化されるプログラマブル・コントローラを介して制御すること、を含む、請求項３記載の方法。
7. 前記コントローラに、前記可変遅延回線により供給されるべき遅延の量に関する情報を提供する相互相間信号ＳＣを備えることを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記コントローラに、信号ＳＣにおける最大値ＳＣｍａｘを発見するように適合化される論理によってプログラムされるフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を備えることを含む、請求項７記載の方法。
9. 第１のＱＫＤ局における送信機から第２のＱＫＤ局における受信機へ公開チャネル光信号ＳＰ１を送信する方法であって、
   前記送信機内に、信号ＳＰ１をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットで供給することと、
   信号ＳＰ１を前記送信機から前記受信機へ送信することと、
   前記受信機において、信号ＳＰ１を光増幅して光増幅信号ＳＰ１＊を形成し、かつ信号ＳＰ１＊を検出して公開チャネル電気信号ＳＰ２を生成することと、
   前記公開チャネル電気信号ＳＰ２を処理して、公開チャネルの検出雑音を低減するように増幅信号ＳＰ１＊の検出をゲートする周波数同期一致ゲート信号ＰＮ１’を形成すること、を含む、方法。
10. 信号ＳＰ２から、信号ＳＰ２に周波数同期される狭い方形波電気パルス列を含む信号ＰＮ１を形成することと、
    信号ＳＰ２を信号ＰＮ１で相互相関させて相互相間信号ＳＣを生成することと、
    信号ＳＣの最大値をＳＣｍａｘとして発見することと、
    ＳＣｍａｘを使用して、信号ＰＮ１が信号ＳＰ２に一致して信号ＰＮ１’が形成されるように保証すること、をさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 一致パルス（信号）ＰＮ１’を形成することは、
    狭帯域通過フィルタを介して信号ＳＰ２を送信し、信号ＳＰ２に周波数同期される正弦波信号Ｓ３を生成することと、
    信号Ｓ３を比較器を介して送り、方形波信号Ｓ４を生成することと、
    信号Ｓ４をマルチバイブレータを介して送ることにより、信号ＰＮ１を形成することと、
    信号ＰＮ１を、信号ＳＰ２に一致する信号ＰＮ１’を生成する遅延を信号ＰＮ１に供給するように適合化されるコントローラによって制御されるディレイを介して送ること、を含む、請求項１０記載の方法。
12. 第１及び第２のＱＫＤ局を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの一部として、第２の波長の量子チャネル信号（ＳＱ）で多重化される第１の波長を有する公開チャネル信号（ＳＰ１）における検出雑音を低減させる方法であって、
    前記第１のＱＫＤ局内の送信機において、信号ＳＰ１をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットで供給することと、公開チャネル信号ＳＰ１を量子信号ＳＱで多重化することと、前記多重化される信号を前記第２のＱＫＤ局内の受信機へ送信することと、
    前記受信機において、前記逆多重化された信号ＳＰ１を光増幅して光増幅信号ＳＰ１＊を形成することと、
    信号ＳＰ１＊を検出して公開チャネル電気信号ＳＰ２を生成することと、
    信号ＳＰ２から、周波数同期されかつ信号ＳＰ２に一致する電気パルスを含む信号ＰＮ１’を形成することと、
    信号ＰＮ１’を使用して信号ＳＰ１＊の検出をゲートし、公開チャネル信号ＳＰ１に関連づけられる検出雑音を低減させること、を含む、方法。
13. 公開チャネル信号ＳＰ１を光ファイバ上で第１のＱＫＤ局から第２のＱＫＤ局へ送信する方法であって、
    信号ＳＰ１をゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットに置き、前記ＲＺ信号ＳＰ１を前記第２のＱＫＤ局へ送信することと、
    前記ＲＺ信号ＳＰ１を前記第２のＱＫＤ局において増幅し、増幅公開チャネル信号ＳＰ１＊を形成することと、
    信号ＳＰ１＊を検出器で検出することと、
    公開チャネル信号の検出雑音を低減させるために、信号ＳＰ１＊を処理して、信号ＳＰ１＊の予測される着信時間に一致させるように前記検出器をゲートするゲート信号ＰＮ１’を確立すること、を含む、方法。
14. ゲート信号ＰＮ１’を、信号ＳＰ１＊の検出によって形成される公開チャネル電気信号ＳＰ２に周波数同期されるパルスの列として形成することと、前記ゲート信号ＰＮ１’が前記公開チャネル電気信号ＳＰ２と時間的に一致するように、前記パルスの列に選択的遅延を与えること、を含む、請求項１３記載の方法。
15. 第１及び第２の量子鍵配送局間で公開チャネル信号を送受信するための装置であって、
    非ゼロ復帰信号ＳＥを受信しかつ前記非ゼロ復帰信号ＳＥからＲＺフォーマット信号Ｓ６を形成するように適合化されるゼロ復帰（ＲＺ）エンコーダと、
    前記ＲＺエンコーダへ機能的に結合され、かつＲＺフォーマット信号Ｓ６に対応するＲＺ公開チャネル光信号（ＳＰ１）を発生させる光源システムと、
    前記ＲＺ公開チャネル信号ＳＰ１を受信しかつ前記ＲＺ公開チャネル信号ＳＰ１から公開チャネル増幅信号ＳＰ１＊を形成するように配置される光増幅器と、
    前記公開チャネル増幅信号ＳＰ１＊を検出しかつ前記公開チャネル増幅信号ＳＰ１＊から公開チャネル電気信号ＳＰ２を発生させるように配置される検出器と、
    前記公開チャネル電気信号ＳＰ２を受信し、かつ前記公開チャネル電気信号ＳＰ２から、信号ＳＰ２に時間同期しかつ公開チャネルの検出雑音を低減させる目的で前記検出器をゲートするために使用される周波数同期ゲート信号ＰＮ１’を形成するように適合化される信号処理電子機器と、を備える、装置。
16. 前記検出器へ機能的に結合され、かつ前記検出器によって発生される公開チャネル電気信号ＳＰ２をゲートすべくゲート信号ＰＮ１’を受信するように適合化されるゲート・エレメントをさらに備える、請求項１５記載の装置。
17. 量子鍵配送（ＱＫＤ）局のための公開チャネル受信機であって、
    ゼロ復帰（ＲＺ）公開チャネル光信号を受信して増幅するように適合化される光増幅器と、
    前記公開チャネル増幅信号の検出に応答して、検出器出力において検出器電気信号を発生させるように適合化される検出器と、
    前記検出器出力へ機能的に結合され、かつゲート信号を基礎として前記検出器出力をゲートするように適合化されるゲート・エレメントと、
    前記ゲート・エレメントの出力へ結合され、かつ前記検出器電気信号から前記検出器電気信号に周波数同期される正弦波信号を形成するように適合化される狭帯域通過フィルタと、
    第１の比較器入力で前記狭帯域フィルタの出力へ結合されかつ第２の比較器入力で限界信号へ結合される比較器と、を備え、前記比較器は、比較器出力において、前記入力される正弦波信号及び限界信号から方形波信号を形成するように適合化され、
    前記比較器出力へ結合され、かつマルチバイブレータ出力において前記方形波信号からパルスの列を形成するように適合化されるマルチバイブレータと、
    前記マルチバイブレータ出力へ結合され、かつ前記パルスの列に選択遅延を与えるように適合化される可変遅延回線と、
    前記選択的に遅延されるパルスの列及び前記検出器電気信号を受信し、かつこれらから相互相間信号を形成するように適合化される乗算器と、を備え、
    前記相互相間信号は、前記パルスの列を前記検出器電気パルスに一致させる選択遅延を画定するために使用され、前記一致するパルス列は前記検出器をゲートするために前記ゲート・エレメントに供給される、公開チャネル受信機。
18. 第１のＱＫＤ局を第２のＱＫＤ局へ接続する光ファイバ上でのゼロ復帰（ＲＺ）公開チャネル光信号及び量子チャネル光信号の送信を可能にする第１の量子鍵配送（ＱＫＤ）局のための受信機装置であって、
    ＲＺフォーマットで供給される前記公開チャネル光信号を光増幅するように適合化される光増幅器と、
    前記光増幅公開チャネル信号から検出器電気信号を発生させるように適合化される検出器と、
    前記検出器電気信号から前記検出器電気信号に周波数同期される正弦波信号を形成するように適合化される狭帯域フィルタと、
    第２の出力において、前記正弦波信号から方形波信号を形成するように適合化される比較器と、
    第３の出力において、前記方形波信号からパルスの列を形成するように適合化されるマルチバイブレータと、
    前記マルチバイブレータの出力へ接続され、かつ第４の出力において、前記パルスの列に選択遅延を与えるように適合化される可変遅延回線と、
    前記選択的に遅延されるパルスの列及び前記検出器電気信号を受信し、かつこれらから相互相間信号を生成するように適合化される乗算器と、を備え、
    前記相互相間信号は、前記パルスの列を前記検出器電気パルスに一致させる選択的遅延を決定するために使用され、
    前記選択的に遅延されるパルスの列は、前記検出器と前記狭帯域フィルタとの間に配置されるゲートを制御するために使用される、受信機装置。
19. 単一の光ファイバ上で公開チャネル信号ＳＰ１及び量子信号ＳＱを送信するための装置であって、
    ゼロ復帰（ＲＺ）信号ＳＰ１を発生させるための手段と、
    前記光ファイバ上へ信号ＳＰ１及びＳＱを多重化するための手段と、
    信号ＳＰ１及びＳＱを逆多重化するための手段と、
    信号ＳＰ１を増幅するための手段と、
    光増幅信号ＳＰ１を検出し、かつ前記光増幅信号ＳＰ１から電気信号（ＳＰ２）を発生させるための手段と、
    信号ＳＰ２を受信し、前記信号ＳＰ２から信号ＳＰ２に一致するゲート信号を形成するための信号処理手段と、
    前記ゲート信号を使用して前記検出器をゲートするためのゲート手段と、を備える、装置。

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