JP2008514119A - Ｗｄｍネットワーク用のデュアルゲートｑｋｄシステム - Google Patents

Abstract

ＷＤＭネットワーク（２）にＱＫＤシステム（Ｑ）を組み込むシステムおよび方法が開示される。その方法は、単一光子検出器（ＳＰＤ）（３０、３０’）を電子的にゲーティングすることと、光ゲート（２８、２８’）でＳＰＤを光学的にゲーティングすることとを含む。電子ゲート幅（ＴＳＰＤ）と光ゲート幅（ＴＯＧ）は、散乱光子からのノイズを大幅に低減するように選択される。ＳＰＤの光学的ゲーティングと電子的ゲーティングの組み合わせによって、電子ＳＰＤゲーティングのみを採用するＷＤＭ−ＱＫＤシステムでは不可能であった量子信号（ＳＱ）のフーリエ変換限定検出が可能になる。

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、量子鍵配送（ＱＫＤ）を波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークと組み合わせて安全なデータ伝送のための高速伝送速度を提供するシステムと方法とに関する。

量子鍵配送は、「量子チャネル」上で伝送される弱い（例えば、平均０．１光子）光信号を使用して、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間において、鍵を確証することを含む。鍵配送のセキュリティは、未知の状態の量子システムのいかなる観測によってもその量子状態を変化させてしまう、という量子力学の原理に基づいている。その結果、量子信号を傍受しようとする、または他に観測しようとする盗聴者（「イブ」）は、伝送される信号にエラーを生じさせるため、これにより存在が暴かれる。

量子暗号化の基本原理は、ＢｅｎｎｅｔｔとＢｒａｓｓａｒｄの論文（非特許文献１）において最初に記述された。具体的なＱＫＤシステムは、以下の刊行物、Ｂｅｎｎｅｔｔの特許文献１（本明細書での言及によりこの特許を組み込む）と、ＣＨ．Ｂｅｎｎｅｔｔ著の論文（非特許文献２）に記述されている。
ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらの著書（非特許文献３）に記述されている。ＱＫＤプロセスの間、アリスは、キュービット（例えば、偏光または位相コード化を使用）を形成するために、基底用のランダムなビット（「基底ビット」）、鍵用のランダムなビット（「鍵ビット」）を生成するために乱数発生器（ＲＮＧ）を使用し、このキュービットをボブに送る。

ＱＫＤシステムの性能は、以下の３つの異なる機構、１）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、２）周波数シフトされた光子が生成され、量子信号光子と逆方向に伝播する後方ラマン散乱、３）量子信号からの光子が弾性散乱されて量子信号光子と逆方向に戻るレイリー散乱、によって生成される光子の形状のノイズによって低下する。

仮に、上述の光子ノイズ源を完全に除去できたとしても、単一波長（すなわち、単一チャネル）ＱＫＤシステムのデータ伝送速度は、単一光子検出器（ＳＰＤ）に内在する応答時間とノイズのために限定される。
上述した制限の観点から、ＱＫＤデータ伝送速度を高めるアプローチは多数提案されている。あるアプローチでは、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，ｖ．５２６０，ｐｐ．１４９―１５３，２００３においてＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，Ｆ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅｓ，Ｎ．Ｇｏｄｂｏｕｔ，Ｓ．Ｌａｃｒｏｉｘ共著論文である非特許文献４（以下、「Ｂｒａｓｓａｒｄ引例」と称する。）で著者らに示唆されるように、ＱＫＤと波長分割多重（ＷＤＭ）とを組み合わせている。このようなシステムは、同じ光ファイバ上であるが、異なる波長で動作する複数の量子チャネルを有すると思われる。

しかし、Ｂｒａｓｓａｒｄ引例は、商用ＷＤＭ−ＱＫＤシステムを実現するために対応する必要があるＷＤＭを用いてＳＰＤを使用する際の実際的な制限に対処していない。具体的には、ＱＫＤシステム内のＳＰＤは、光信号のパルス幅よりもずっと大きなゲートウィンドウで電子的に時間ゲート制御される。この構成は、単一波長ＱＫＤシステムに対してはとても有効に働くが、多重波長ＱＫＤシステムのＳＰＤによる散乱光（特に、ラマン散乱光）の検出には問題がある。

より少ない散乱光が一見して検出されるようにＳＰＤのゲートウィンドウの寸法を低減する試みは、散乱光の問題を軽減するための明らかな方法であると思われる。しかし結果的には、検出される弱い光パルスの幅に近づくにつれてＳＰＤのゲートウィンドウが縮小されるため、実際にはＳＰＤの量子効率（ＱＥ）は悪化する。これは、ＳＰＤ、例えば、アバランシェ発光ダイオード検出器（ＡＰＤ）において発生するジッタが原因である。ＳＰＤの電子ノイズを低減するためには、ＳＰＤゲートウィンドウはジッタを捕らえるほど十分大きくなくてはならず、典型的には５００ｐｓ以下である。これは、ＱＫＤシステムでのフーリエ変換限定検出を用いることで、ＷＤＭネットワークに存在する散乱光の検出を緩和するオプションが除外する。
米国特許第５，３０７，４１０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 "Ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，"Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，ｖ．５２６０，ｐｐ．１４９−１５３，２００３

本発明は、ＷＤＭネットワークにＱＫＤシステムを組み込むシステムおよび方法を含む。その方法は、散乱光子からノイズを大幅に低減する方法を用いて、システム内の単一光子検出器（ＳＰＤ）を光学的かつ電子的にゲーティングすることを含む。特に、その方法は、各ＳＰＤに隣接する光ゲートを設けることと、内在するＳＰＤジッタを収容して、内在する検出器ノイズの量を最小限にするのに十分な広さのＳＰＤウィンドウを用いてＳＰＤを電子的にゲーティングすることとを含む。さらにその方法は、ＳＰＤウィンドウよりも狭く、量子信号の幅の寸法に近いゲートウィンドウを有する光ゲートを用いて検出器を光学的にゲーティングすることを含む。例示的な実施形態では、これにより、電子ＳＰＤゲーティングのみを採用したシステムでは不可能な量子信号のフーリエ変換限定検出を提供することができる。その結果、散乱光子によってノイズが大幅に低減された。この光子は、その他の点では、商業的に実行可能なＱＫＤシステムが標準的ＷＤＭネットワーク上で動作するのを阻害する。

したがって、本発明の第１の態様は、量子信号幅を有する量子信号を検出するように構成される１または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）を有するＱＫＤシステムにおける検出ノイズの量を低減する方法である。その方法は、量子信号の予想到着時間を中心とする第１の幅を持つゲートウィンドウを各ＳＰＤに提供する電子ゲート信号で、各ＳＰＤを電子的にゲーティングすることを含む。さらにその方法は、量子信号の予想到着時間を中心とする第２の幅を持つゲートウィンドウを光ゲートに提供する電気的なゲート信号を受け取るように構成される光ゲートで、各ＳＰＤを光学的にゲーティングすることを含む。該方法において、第１の幅は第２の幅より大きい。

本発明の第２の態様は、選択的にランダム変調される第１の波長を有する量子信号を生成し、異なる波長の非量子光信号を伝送するように構成されるＷＤＭネットワーク上において、第２のＱＫＤ局に量子信号を送出するように構成される第１のＱＫＤ局を備えるＱＫＤシステムである。第２のＱＫＤ局は、暗号化量子信号を形成するために、変調量子信号を受信し、変調量子信号を選択的にランダム変調するように構成される。第２のＱＫＤ局は、暗号化量子信号を検出するように構成され、暗号化量子信号を検出する際に電子ノイズを制限するために電子的にゲーティングされる１または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）を含む。さらにそのシステムは、第２のＱＫＤ局において、それぞれの光検出器に光学的に結合される１または複数の光ゲートを含み、各光ゲートが暗号化量子信号の予想到着時間に対応するようにゲーティングされ、１または複数のＳＰＤに届かないように散乱光の量を制限するために、ゲートウィンドウの寸法が設定される。この第２の態様の例示的な実施形態では、システムは、光ゲートのゲーティングを量子信号の寸法に近づけて対応させることによってフーリエ変換制限検出を実現するように構成される。

図面に示される各種素子は単に例示であり、必ずしも正しいスケールで描かれているとは限らない。誇張されている部分もあれば、最小化されている部分もある。図面は、当業者が理解し適切に実行できる本発明の様々な実施形態を示すことを目的とする。

以下ではまず、ネットワーク上で動作するＱＫＤシステムを含むＷＤＭネットワークについて説明する。この構成は、本明細書では以下ＷＤＭ−ＱＫＤシステムと称される。本発明に係るＷＤＭネットワークとともに使用するのに適したＱＫＤシステムの実施形態を以下で説明する。
［ＱＫＤとＷＤＭネットワーク］
図１は、ＷＤＭネットワーク２の概略図である。ネットワーク２は、それぞれの波長（チャネル）λ１、λ２、．．．λＮで動作し、それぞれの光信号Ｓ１、Ｓ２、．．．ＳＮを送出する多数（Ｎ個）の光源システムＬ（例えば、Ｌ１、Ｌ２、．．．ＬＮ）を含む。例示的な実施形態では、光信号Ｓ１、Ｓ２、．．．ＳＮは相対的に強い（すなわち、非量子）光信号である。

ネットワーク２は、波長（量子チャネル）λＱで動作し、量子信号ＳＱを送出するＱＫＤシステムＱも含む。本明細書では、量子信号ＳＱは単一光子、またはパルスごとに平均１未満の光子を有する弱い光パルスを含むものと理解される。
ＱＫＤシステムＱは、２つのＱＫＤ局ＱＡおよびＱＢを含む。双方向ＱＫＤシステムでは、「量子信号」という用語がＱＫＤ局間における理想的で確実な鍵の交換を供給する弱い光パルスとして機能するように、最初は相対的に強く後に減衰される光パルスを含む。

光源システムＬは、それぞれの光ファイバセクションＦＬ１、ＦＬ２、．．．ＦＬＮを介して、ＷＤＭマルチプレクサ６Ｍに光学的に結合される。同様に、ＱＫＤシステムＱのＱＫＤ局ＱＡは、光ファイバセクションＦＡを介して、ＷＤＭマルチプレクサ６Ｍに光学的に結合される。ＷＤＭマルチプレクサ６Ｍは、複数の波長λ１、λ２、．．．λＮおよびλＱを支持可能な光ファイバリンクＦＬによって、ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄに光学的に結合される。

ネットワーク２は、それぞれの波長（チャネル）λ１、λ２、．．．λＮで動作し、それぞれの信号Ｓ１、Ｓ２、．．．ＳＮを受信するように構成される多数（Ｎ個）の受信機システムＲ（例えば、Ｒ１、Ｒ２、．．．ＲＮ）も含む。受信機システムＲは、それぞれの光ファイバセクションＦＲ１、ＦＲ２、．．．ＦＲＮを介して、ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄに光学的に結合される。同様に、ＱＫＤ局ＱＢは、光ファイバセクションＦＢを介して、ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄに光学的に結合され、波長λＱで量子信号ＳＱを受信して処理するように構成される。

好適な実施形態では、ＷＤＭマルチプレクサ６ＭおよびＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄは、例えば、高絶縁薄膜フィルタなどの高絶縁フィルタを使用して、隣接する波長（チャネル）間に高度な絶縁を提供するように構成される。具体的には、ＷＤＭマルチプレクサおよびデマルチプレクサは、ＱＫＤ波長ＫＱでのサイドモードおよび増幅自然発光（ＡＳＥ）を受け入れない絶縁を有する。

［ＷＤＭネットワークを用いて使用されるＱＫＤシステム］
本発明は、単方向ＱＫＤシステムおよび双方向ＱＫＤシステムの両方に適用される。説明の便宜上、本発明は単方向ＱＫＤシステムを用いて説明する。本発明の双方向システムへの適用は、本明細書の説明から容易に理解される。
図２は、本発明に従って使用されるように構成された、図１のＷＤＭネットワーク１０の一部をなすＱＫＤシステムＱの実施形態の概略図である。ＱＫＤ局ＱＡは、レーザ光源ＬＳ１と、長さが異なるアーム１４，１６を有する第１の干渉計ループ１２とを含む。レーザ光ＬＳ１と干渉計ループ１２とは、単一の光パルスから２つのコヒーレント光パルスを生成するように構成された光学システムの一例を構成する。

干渉計アームのうち１つ（すなわち、１４）は、変調器Ｍ１（偏光または位相）を含む。干渉計ループ１２は、光ファイバセクションＦＡを介して、ＷＤＭマルチプレクサ６Ｍに結合され、上述したように光ファイバリンクＦＬを介して、ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄに結合される。
ＱＫＤ局ＱＡは、光源ＬＳ１と変調器Ｍ１に結合されるコントローラ１８も含む。コントローラ１８は、局ＱＢ（後述する）のコントローラ４０と合わせて、これらの装置の動作を制御し協調させるように構成される。

引き続き図２を参照すると、光ファイバリンクＦＢは、ボブにおいて、ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄを第２の干渉計ループ２２に光学的に結合する。ループ２２は、異なる長さのアーム２４および２６を有し、アームのうちの１つ（すなわち、アーム２４）に変調器Ｍ２（偏光または位相）を含む。説明の便宜上、ループ２２は、２つの出力光ファイバセクションＦ４およびＦ４’を有する光カプラ２３に結合されるように示されている。光カプラ２３は、後述するように、カプラで結合される各種光パルスを示すために正しいスケールで描かれていない。光ファイバセクションＦ４およびＦ４’は、それぞれの光ゲート素子（「光ゲート」）２８および２８’を含み、それらの素子は順にそれぞれのＳＰＤ３０および３０’に光学的に結合される。光ゲート２８および２８’は、それぞれ、例えば、約１０ピコ秒（ｐｓ）の速度で急速に切換可能なニオブ酸リチウム変調器のような、高速変調器等の高速スイッチから構成される、あるいはこのような高速スイッチを含むように構成される。図４の拡大図に示される実施形態では、各ＳＰＤ用に２つの異なる光ゲートを採用するよりも、ＳＰＤ３０および３０’に光学的に結合される単一の光ゲート２８が使用される。

ＱＫＤ局ＱＢは、光ゲート２８および２８’、ＳＰＤ３０および３０’、変調器Ｍ２に作動的に結合されるコントローラ４０をさらに含む。コントローラ４０は、後述するように、ＱＫＤ局ＱＡのコントローラ１８とあわせてこれらの装置の動作を制御し協調させるように構成される。
［ＷＤＭネットワーク内でのＱＫＤシステムの動作］
ＷＤＭネットワーク２内のＱＫＤシステムＱ（図１）では、それぞれのＱＫＤ局ＱＡ，ＱＢにおけるコントローラ１８，４０は、レーザ光源Ｌ１、変調器Ｍ１，Ｍ２、光ゲート２８，２８’、およびＳＰＤ３０，３０’等の様々な装置の動作を協調させるため（例えば、ファイバリンクＦＬ上で送出される図示されない同期信号を介して）、動作的に交信する。

よって、ＷＤＭ−ＱＫＤシステムの動作では、コントローラ１８は、与えられた時間で光パルスＰＯを生成するように、レーザ光源ＬＳ１に指示を出す時間制御信号Ｓ０を送出する。次に、光パルスＰ０は、第１の干渉計ループ１２によって２つのパルスＰ１，Ｐ２に分割される。パルスのうちの１つ（すなわち、Ｐ１）は、時間変調器信号ＳＭ１を介して、コントローラ１８の指示により変調器Ｍ１によってランダムに変調される。変調は、複数の所定の変調値から（例えば、乱数発生器を介して）ランダムに選択される。この種の変調は、本明細書では以下「選択ランダム変調」と称される。

干渉計アームの異なる光路長のため現在分離されている２つのパルスＰ１，Ｐ２は、必要な量子信号の弱さまで（例えば、図示しない可変光減衰器を介して）減衰される。次に、パルスＰ１，Ｐ２（本実施形態では量子信号ＳＱを構成する）は、ファイバセクションＦＡ上をＷＤＭマルチプレクサ６Ｍまで移動する。次いで、ＷＤＭマルチプレクサ６Ｍが、光源システムＬ１、Ｌ２、．．．ＬＮ（図１）からの別の信号Ｓ１、Ｓ２、．．．ＳＮとともにファイバリンクＦＬ上にパルスＰ１，Ｐ２（すなわち、波長λＱでの信号ＳＱ）を多重化する。ＷＤＭデマルチプレクサ６Ｄは、信号Ｓ１、Ｓ２、．．．ＳＮおよび信号ＳＱを逆多重化し、信号ＳＱをファイバセクションＦＢに向かわせ、そこで信号ＳＱを第２の干渉計ループ２２へ運ぶ。

干渉計２２では、パルスＰ１，Ｐ２がそれぞれ２つのパルス（Ｐ１をＰ１ａとＰ１ｂに、Ｐ２をＰ２ａとＰ２ｂに）に分割される。２つのパルス（すなわち、Ｐ１ａおよびＰ２ａ）はアーム２４上を移動し、他の２つのパルス（すなわち、Ｐ１ｂおよびＰ２ｂ）はアーム２６上を移動する。アーム２４上を移動するこれらのパルスのうち１つ（すなわち、Ｐ２ａ）は、コントローラ４０からの時間変調信号ＳＭ２を介して、変調器Ｍ２により選択ランダム変調を受ける。

次に、第２の干渉計ループは光カプラ２３でパルスを結合する。２つの干渉計ループ１２および２２が同じ路長である（例えば、アーム１４および２４の長さが同じで、アーム１６および２６の長さが同じ）場合、同じ光路長を移動する２つのパルス（すなわち、パルスＰ１ｂおよびＰ２ａ）が再結合されて（干渉されて）単一の干渉パルスを生成する。
説明の便宜上、干渉パルスは、量子信号ＳＱとしても称される。この時点での量子信号ＳＱは、変調器Ｍ１，Ｍ２により適用される２つの変調に関する情報を含むため、「暗号化された」とみなすことが可能である。異なる長さの光路をたどるため、他のパルスは互いに分離され、ファイバセクションＦ３に入る。

次いで、ファイバセクションＦ３上の（暗号化）量子信号ＳＱは、（位相または偏光）変調器Ｍ１，Ｍ２によって量子信号に与えられる選択ランダム変調（例えば、位相または偏光）全体に応じて、光ファイバセクションＦ４，Ｆ４’のうち１つに移る。次に、量子信号ＳＱは、コントローラ４０からのそれぞれの時間電子ゲート信号Ｓ２８，Ｓ２８’によって始動される（例えば、開状態に切り替えられる）光ゲート２８，２８’のうち一方を通過する。次に、量子信号ＳＱは、コントローラ４０から時間ゲート信号Ｓ３０，Ｓ３０’によって電子的にゲーティングされるＳＰＤ３０，３０’のうち対応する一方によって検出される。

多数の量子信号に対してプロセスが繰り返され、量子信号は既知のＱＫＤ法に従って処理されて、ＱＫＤ局ＱＡ，ＱＢ間において秘密鍵が確証される。
［ＳＰＤのデュアルゲーティング］
本発明の主要な態様は、検出ノイズを低減するために電子手段と光学手段の両方によるＳＰＤのデュアルゲーティングを含む。本発明によると、コントローラ４０は、電子ゲート信号Ｓ２８，Ｓ２８’を介して、光ゲート２８，２８’の動作を、電子ＳＰＤゲート信号Ｓ３０，Ｓ３０’を介して、ＳＰＤ３０，３０’の動作を制御する。

図４は、光ゲート２８，２８’の電子ゲーティングと、対応するＳＰＤ３０，３０’の電子ゲーティングのタイミングと、を示すタイミング図である。光ゲート２８，２８’は、それぞれ関連付けされたウィンドウＷＯＧを有する。ウィンドウＷＯＧは、ゲート信号Ｓ２８，Ｓ２８’によって定義される幅ＴＯＧを有する。また、量子信号ＳＱは、幅ＴＳＱを有する。

同様に、ＳＰＤ３０，３０’は、それぞれＳＰＤゲート信号Ｓ３０，Ｓ３０’によって定義される幅ＴＳＰＤのウィンドウＷＳＰＤを有する。本発明において、ＴＳＰＤ＞ＴＯＧである。また、実際には、ウィンドウＷＳＰＤの幅ＴＳＰＤは、各ＳＰＤに対して同一であり、ウィンドウＷＯＧの幅ＴＯＧは、各光ゲートに対して同一である。厳密に言うとそうである必要はないのだが、この種のゲートが下記の説明では推定される。

例示的な実施形態では、量子信号ＳＱは、約２０ｐｓの幅を有し、これはＱＫＤで使用される典型的な量子信号の幅５０ｐｓよりもかなり狭い。さらに、例示的な実施形態では、ＳＰＤのウィンドウ幅ＴＳＰＤは、約１ナノ秒（ｎｓ）で、光ゲートウィンドウ幅ＴＯＧは約５０ｐｓである。ニオブ酸リチウム変調器などの高速光学スイッチの使用によって明確な（すなわち、高い消光比）光ゲートウィンドウＷＯＧが確保される。

ウィンドウＷＳＰＤおよびＷＯＧは、図４に示されるように、量子信号ＳＱを中心としてタイミングが取られる。ＳＰＤウィンドウＷＳＰＤの正確な幅ＴＳＰＤは、ジッタのために５００ｐｓも変動するが、光ゲートウィンドウＷＯＧの幅ＴＯＧは、有意なジッタがない。したがって、ＴＯＧを有する光ゲートウィンドウは、量子信号の幅ＴＳＱともっと近い寸法にすることができる。

光ゲート２８，２８’（または単一の光ゲート２８）を介して光ゲーティングを使用することにより、ＳＰＤ３０，３０’は内在的な電子ノイズを制限する（例えば、最小限にする、あるいは大幅に低減する）ように電子的にゲーティングすることができる。これには、検出される可能性のある散乱光子の量を考慮せずに、量子信号の幅（例えば、ＴＳＰＤ〜１ｎｓおよびＴＳＱ〜１０ｐｓ）と比べて相対的に広いＳＰＤゲートウィンドウＷＳＰＤを使用することを含む。一方、光ゲート２８，２８’には、検出される（暗号化）量子信号ＳＱの幅ＴＳＱに寸法が相対的に近い光ゲートウィンドウＷＯＧが設けられる。例示的な実施形態では、光ゲートウィンドウＷＯＧの幅ＴＯＧは、さもなければＳＰＤにより検出される散乱光子の量を制限する（例えば、最小限にする、あるいは大幅に低減する）ように選択される。

光ゲートはジッタがさほどないため、量子信号ＳＱの近接した光ゲーティングは、散乱光子からのＳＰＤ内の光ノイズの量を大幅に低減する。これにより、ＱＫＤシステムのＱＫＤ局がＷＤＭネットワークに接続されるとき、量子信号ＳＱを識別することができる。別の説明をすると、ＳＰＤの電子ゲーティングと光ゲーティングの組み合わせは、量子信号のフーリエ変換限定検出を可能とし、ひいてはＷＤＭネットワークに相対的に強い光子ベースのノイズがある場合、相対的に弱い量子信号の検出を可能にする。

本発明の装置と方法を用いてＳＰＤによって検出される散乱光の量の減少は、光ゲートウィンドウと電子ゲートウィンドウの幅の比によって概算される。よって、上述の例では、散乱光の減少は、ＴＯＧ／ＴＳＰＤ＝２０ｐｓ／１ｎｓ〜１７ｄＢである。このレベルのノイズ低減によって、双方向ＱＫＤシステム内の量子信号の初期の強度を増大させることができる。よって、例えば、以前はわずか〜１ＧＢ／ｓであったＱＫＤシステムで、今では〜５０ＧＢ／ｓを得ることができる。

例示的な実施形態では、量子信号の幅を十分狭く維持するために、ＱＫＤ局ＱＡ−ＱＢ間の光路（図２）には、分散能補償器ＤＣが含まれる。
例示的な実施形態では、ＱＫＤシステムＱは、「ロバストタイミングを有するＱＫＤシステム」という名称のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／２００４／００３３９４号に記載されるような、コントローラ１８，４０における位相ロックループ（ＰＬＬ）技術を含む。この特許出願は、ここで言及されることで本明細書に取り込まれる。このようなタイミング技術によって、ごくわずかな（例えば、〜１ｐｓ）のタイミングジッタを有するＱＫＤシステムの協調動作が可能になる。

また、別の実施形態では、時間ゲーティングが単一のパルスを用いて達成される。単一パルス同期スキームは、対応する１つの光子カウントまたは１つのタイムスロットに対して１つの同期（「ｓｙｎｃ」）パルスを使用する。これは、両方の局が量子チャネル内で利用可能なタイムスロットよりも頻繁に互いに通信しあうＰＬＬの設計の逆である。
［双方向ＱＫＤシステムの向上］
さらに本発明は、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖ．３４，ｎ．２２，ｐｐ．２１１６−２１１７，１９９８においてＧ．Ｒｉｂｏｒｄｙ，Ｊ．−Ｄ．Ｇａｕｔｉｅｒ，Ｎ．Ｇｉｓｉｎ，Ｏ．Ｇｕｉｎｎａｒｄ，Ｈ．Ｚｂｉｎｄｅｎ共著論文“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘ｐｌｕｇ ＆ ｐｌａｙ’ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，”（以下、「Ｒｉｂｏｒｄｙ引例」と称する）に開示されるＱＫＤシステムの設計および性能を向上させる。本明細書に記載されるＱＫＤシステムは、量子信号および同期信号の両方に対して１つの強いレーザ信号を利用する。しかし、レイリー散乱を克服するには、ファイバスプールが、アリスとボブ間の伝送線の長さに一致するスプールの長さとともに必要とされる。このアプローチは、実際の鍵交換速度をかなり減速させる。本発明のゲーティングの方法と装置とは、ＳＰＤの光ゲーティングと電子ゲーティングの使用によって、本質的にレイリー散乱光子の検出を排除するため、ファイバスプールの排除が可能となる。

［双方向ＱＫＤシステムのセキュリティの向上］
本発明は、上述のＲｉｂｏｒｄｙ引例に開示されるような双方向ＱＫＤシステムに適用された場合には、さらなる安全性を高めることができる。折り返しシステムでは、本発明は、レイリー散乱を１７ｄＢ低減する。したがって、ボブから出るパルスの出力は、アリスで使用されて、増加してより高い減衰となりうる。これにより、盗聴者は１７ｄｂ超の光子でアリスを精査する必要があるため、盗聴者を検出するためのアリスにおける光ダイオードの使用が簡易化される。

ＱＫＤシステムを含むＷＤＭネットワークの概略図。 図１のＷＤＭネットワークの１部であり、本発明の検出器ゲートシステムおよび方法を採用するＱＫＤシステムの実施形態の概略図。 単一の光ゲートが２個のＳＰＤと光結合される、図２のＱＫＤシステムの実施形態の拡大概略図。 検出される量子信号に対するＳＰＤゲートウィンドウと光ゲートゲートウィンドウの寸法（幅）および位置を示すタイミング図。

Claims (14)

1. 量子信号幅を持つ量子信号を検出するように構成される１または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）を有するＱＫＤシステムにおける検出ノイズ量の低減方法であって、
   前記量子信号の予想到着時間を中心とする第１の幅を有するゲートウィンドウを、各ＳＰＤに提供する第１のゲート信号を用いて、各ＳＰＤを電子的にゲーティングし、
   前記量子信号の前記予想到着時間を中心とする第２の幅を持つゲートウィンドウを、光ゲートに提供する第２のゲート信号を受け取るように構成される光ゲートを用いて、各ＳＰＤを光学的にゲーティングし、
   前記第１の幅が前記第２の幅より大きい、方法。
2. 前記ＳＰＤに内在する電子ノイズを制限するために、前記第１の幅を選択することを含む、
   請求項１の方法。
3. 各ＳＰＤによって検出される量子信号の量を増大させている間、各ＳＰＤによって検出されないように散乱光子の量を制限するために、前記第２の幅を選択することを含む、
   請求項２の方法。
4. 前記第２の幅は、前記量子信号幅とほぼ同じである、
   請求項１の方法。
5. 各ＳＰＤを別個の光ゲートに光学的に結合することを含む、
   請求項１の方法。
6. 前記第１の波長を含む複数の波長を伝送するように構成されたＷＤＭネットワーク上において第１のＱＫＤ局と第２のＱＫＤ局との間で第１の波長の複数の量子信号を生成し送出し、
   各ＱＫＤ局で各量子信号を選択的にランダムに変調し、
   １または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）を用いて、時間の関数として、前記複数の変調量子信号のそれぞれの変調を記録することを含んでおり、
   前記記録は、１または複数のＳＰＤ内の電子ノイズの量を制限している間、１または複数のＳＰＤにおいて光ノイズとして検出されないように、前記ＷＤＭネットワークで生成される散乱光子の量を制限するように、１または複数のＳＰＤを光学的におよび電子的にゲーティングすることを含む、暗号鍵の生成方法。
7. 前記変調は、位相変調を含む、
   請求項６の方法。
8. １または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）を用いてＱＫＤシステムにおいて暗号化された量子信号の検出方法であって、
   第１のゲート幅によって各ＳＰＤを電子的にゲーティングし、
   前記第１のゲート幅より小さい第２のゲート幅で各ＳＰＤを光学的にゲーティングする、
   ことを備えている方法。
9. 第１の波長を有する選択的にランダムに変調される量子信号を生成し、前記第１の波長を含む異なる波長の光信号を伝送するように構成されるＷＤＭネットワーク上で第２のＱＫＤ局に前記量子信号を送出するように構成される第１のＱＫＤ局と、
   暗号化量子信号を形成するために、前記変調された量子信号を受信し、選択的に前記変調量子信号をランダム変調するように構成される第２のＱＫＤ局と、
   前記暗号化量子信号を検出するように構成され、前記暗号化量子信号を検出する際に電子ノイズを制限するために第１のゲートウィンドウで電子的にゲーティングされる第２のＱＫＤ局内の１または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）と、
   前記１または複数のＳＰＤに光学的に結合される１または複数の光ゲートと、を備え、
   各光ゲートが前記暗号化量子信号の予想到着時間に対応するようにゲーティングされ、前記１または複数のＳＰＤに届かないように、散乱光の量を制限するために第２のゲートウィンドウがサイジングされる、ＱＫＤシステム。
10. 各光ゲートに関連づけされた前記第２のゲートウィンドウが、各ＳＰＤに関連付けされた前記第１のゲートウィンドウよりも幅が狭い、
    請求項９のシステム。
11. 各光ゲートに関連付けされた前記第２のゲートウィンドウが、前記暗号化量子信号の幅とほぼ同じ幅を有している、
    請求項９のシステム。
12. 前記１または複数のＳＰＤのそれぞれと動作的に結合される単一の光ゲートを含む、
    請求項９のシステム。
13. １または複数の単一光子検出器（ＳＰＤ）と、
    前記１または複数のＳＰＤに光学的に結合される１または複数の光ゲートと、
    各ＳＰＤおよび各光ゲートに動作的に結合され、第１の幅の第１のゲート信号を各ＳＰＤに、第２の幅の第２のゲート信号を各光ゲートに提供するように構成されるコントローラと、
    を備え、
    前記第２の幅は、前記第１の幅より小さい、
    暗号化量子信号を検出するように構成されるＱＫＤ局。
14. １または複数のＳＰＤのそれぞれと光学的に結合される単一の光ゲートを含む、
    請求項１３のＱＫＤ局。

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