JP2008519487A - 量子信号、タイミング信号及びパブリックデータの双方向通信を行うためのシステムと方法 - Google Patents

Abstract

量子信号、タイミング信号及びパブリックデータの双方向通信を行うためのシステムと方法が提供される。全体的には、当該システムは、所定のタイミングシーケンスに従ってパブリックデータを伝送することができる第１のパブリックデータトランシーバと、前記所定のタイミングシーケンスに従ってタイミング信号を伝送することができる第１の光モデムと、前記所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を送ることができる第１の量子トランシーバと、前記第１のパブリックデータトランシーバと前記第１の光モデムと前記第１の量子トランシーバとに接続している第１の制御装置とを具備している。前記第１の制御装置は、前記所定のタイミングシーケンスに従って前記パブリックデータと前記タイミング信号と前記量子信号との伝送を制御することができる。

Description

関連出願の参照
本出願は、発明の名称「タイミング強化したＱＫＤ システム」で２００４年２月７日出願日の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００３３９４に関連するものである。その国際出願をここに引用してその全内容を本明細書に組み入れる。

発明の分野
本発明は、一般的言うならば、データ転送に関し、より具体的に言うならば、暗号に関する。

技術の進歩で、データを伝送する手段は、郵便のような物理的な媒体を利用することから、電気通信の使用へと変わった。残念ながら、あいにく、データの伝送のための電気通信の使用は、送信データのセキュリティに関しての関心を呼び起こした。

暗号化（乃至はコード化）は、第１のポイントから第２のポイントまでデータをより安全に伝送する方法を提供するために利用される技術の一例である。更に、暗号化によって提供される安全な伝送は、第三者が伝送中に盗聴することを防ぐことも意図している。しかしながら、古典的な暗号化手法は、第三者による傍受及び復号化に弱い。

この問題を解決するために、量子暗号化が提案された。ＱＫＤ（量子鍵配送或いは量子キー配送）は、大きな距離の上での高速で、信頼できる及び無条件で安全な（コンピュータの能力との対比において）量子鍵配送ができる先端技術である。ＱＫＤシステムは例えば、通信手段（例えば光ケーブル）を介して接続される２つの遠い当事者の間での安全な鍵（キー）交換のために利用される装置を提供する。具体的には、ＱＫＤにおいて、鍵（キー）は、センダ（送り手）（"アリス"）及びレシーバ（受け手）（"ボブ"）との間で、「量子チャンネル」を介して伝送される弱い（例えば、平均して、０．１ホトン（光子））光信号を使用することによって確定される。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測定もその状態を変更するという量子の機械的原理に基づくものである。結果として量子信号を傍受するか、さもなくば測定しようとする盗聴者（"Ｅｖｅ"）は伝送された信号にエラーを不可避的にもたらし、それによって、彼女の存在を露にする。

典型的なＱＫＤシステムは、量子レイヤーを含み、その量子レイヤーは、アリスからボブへの量子信号を準備して搬送するために使用する単一のホトンカウンタと、データ収集システム（例えば入出力カードを有するコンピュータに）と、双方向の古典的なデータ通信チャネルと、そして、アリス及びボブの両方にある、隠された鍵（キー）を生データから抽出するために使用されるデータ処理論理手段とを具備している。ソフトウェアプロトコルもまた、ＱＫＤシステムの重要な部分であって、ＱＫＤシステムを動作させ、認証、弁別、エラー訂正、プライバシー拡大のような様々な動作を実行する。ＱＫＤシステムは更に、当業者に知られている異なる種類の古典的な暗号化のハードウエア及びソフトウェアを含んでいる。隠された鍵（キー）が、典型的に乱数発生器（ＲＮＧ）によって発生され、それはアリスの一部として設けることができる。

量子鍵（キー）の伝送は、単一ホトンパルス又は信号の伝送を可能にするような少ないパワーしか必要としない。或いは、パブリックディスカッションレイヤー（例えばイーサネット（登録商標））の上のデータパケットの伝送は、大量のパワーを必要とする。一度に何千ものホトンの伝送に結果としてなる大量のパワーは、リーマン散乱及びレイリー散乱を結果として生じ、単一ホトンパルスに悪影響を及ぼすことになる。ＱＫＤパス及びパブリックディスカッションレイヤーの異なる必要事項のために、同一光ファイバ上でパブリックディスカッションレイヤーで量子鍵（キー）及びデータの両方を伝送することは、不可能でない場合でも、それは難しい。その代わりに、例えば、光ファイバをパブリックディスカッションレイヤーに専用として、その一方で、第２の光ファイバを量子鍵配送のために使用する。或いは、光ファイバの距離を短くして、入力パワーが減少することができるようにし、短い光ファイバ距離により分散パワー伝達比率がより低くなるようにする。

このように、従来問題にされていないニーズが、上述した欠点及び不十分に関わる工業分野に存在する。

本発明の実施例は、量子信号、タイミング信号及びパブリックデータの双方向通信を提供するためのシステムと方法を提供する。簡単に述べるならば、システムの沢山ある実施例の内の１つの実施例のアーキテクチャは、次のように構成することができる。システムは、所定のタイミングシーケンスに従ってパブリックデータを送受信することができる第１のパブリックデータトランシーバと、所定のタイミングシーケンスに従ってタイミング信号を送受信することができる第１の光モデム（モデュレータ／デモデュレータ）と、所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を送受信するすることができる第１の量子トランシーバと、第１のパブリックデータトランシーバ、第１の光モデム及び第１の量子トランシーバに接続した第１の制御装置とを具備している。第１の制御装置は、所定のタイミングシーケンスに従ってパブリックデータ、タイミング信号及び量子信号の伝送を制御することができる。

本発明は更に、量子信号、タイミング信号及びパブリックデータの双方向通信を提供するための方法を提供するものでもある。この方法の沢山の実施例の内の１つの実施例は、次のステップによって広義に要約されることができる。第１の所定のタイミングスロットの間にパブリックデータ信号を伝送し、所定の期間の間、パブリックデータの伝送を中止し、第２の所定のタイミングスロットの間に量子信号及びタイミング信号を伝送し、そこにおいて、第１及び第２の所定のタイミングスロットは、所定のタイミングシーケンスを構成する。

本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、添付図面及び以下の詳細な説明から当業者には明らかでありまた明らかになるであろう。なお、当業者に明らかになるであろうか本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、本発明の記載に含まれるものであり、本発明の範囲内にあるものであり、且つ、特許請求の範囲によって保護されるものである。

本発明の多くの特徴は、添付図面を参照してよりよく理解することができる。
図面に示される構成要素は、必ずしも縮尺比は整合しておらず、本発明の原理を分かりやすく図解するように強調している部分もある。なお、図面中の同一参照番号は全図を介して同一部分を示している。

本発明は、比較的長い単一の光ファイバ又は他の伝送媒体を介して、量子鍵配送、パブリックディスカッションレイヤー（例えばイーサネット）データの伝送、タイミング信号の伝送を可能にする量子鍵配送システム及び方法を提供する。これは、量子信号及び／又はタイミング／同期化信号（同期信号）が伝送されるときには、パブリックディスカッションレイヤーデータ伝送を可能にするために利用可能なパワーを減少し又は無くすることによって実現される。

当業者に知られているように、同期信号はアリス及びボブを同期するために用いる強い光パルスである。同期信号は、更に、詳細にここで説明する。本明細書での詳細な説明は、パブリックディスカッションレイヤーデータ（パブリックデータ）を伝送するために利用される伝送プロトコルとして、イーサネットの使用を前提に説明する。なお、本明細書では、パブリックディスカッションレイヤーデータは、古典的なパブリックデータ信号として説明する。しかし、イーサネットの使用は、ここでの説明のために過ぎず、パブリックディスカッションレイヤーデータ伝送は、異なるプロトコルを使用しても実現できることは理解されたい。

図１は、本発明の第１の典型的な実施例による、ＱＫＤ（量子鍵配送）システム１０を概略的に図解するブロック図である。図１に示すように、システム１０は、２つのＱＫＤステーション、すなわち、第１のＱＫＤステーション、アリス１００及び第２のＱＫＤステーション、ボブ２００を有している。アリス１００は、量子チャンネル１２１を介してボブ２００へ送り又はボブ２００から受け取る量子信号を準備し、送信し、及び／又は受信する第１の量子チャンネルオプティックスレイヤー（「量子トランシーバ」）を含む。ここで、用語「量子トランシーバ」は、量子チャンネル１２１を介して、量子信号を準備し、送信し、受信し及び／又は送受信するために使用される光レイヤーを表現するために使用している。更に、用語「量子信号」は、量子トランシーバ間の量子チャンネルを介して伝播する信号である。

図１を参照するならば、アリス１００は更に、第１の制御装置１６０に接続した第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０を含む。第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０は、第１の制御装置１６０に乱数を供給して、第１の制御装置１６０が、偏光又は位相の選択セットに基づいて、量子信号の偏光か位相をランダムにセットする際の第１の量子トランシーバ１２０を制御することができるようにしている。第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０の使用は、本明細書において詳細に後述する。

アリス１００は更に、古典的なパブリックデータチャネル１４２に接続した第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０を含む。第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０は、アリス１００とボブ２００との間でデータ（例えば、暗号化メッセージ）を公衆回線を介して送受信するために使用されるパブリックデータ信号を受けて処理するように構成されている。上記したように、この種の信号の例は、イーサネット信号である。第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０は、第１の制御装置１６０に接続されている。

アリス１００は更に、タイミングチャンネル１５２に接続した第１の光モデム（モデュレータ／デモデュレータ）１５０を含む。第１の光モデム１５０は、タイミングチャンネル１５２を介して送り出される光信号を送受信するように構成されている。光信号はタイミング動作を実行するために必要であり、そして、光信号（例えば同期化信号）は、ＱＫＤシステム１０が適正に動作するために必要である。光信号のそれ以上の説明は、本明細書において後述する。第１のモデム１５０は、第１の制御装置１６０に接続されている。

上記したように、アリス１００は第１の制御装置１６０を含む。第１の制御装置１６０は、第１の量子トランシーバ１２０、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０及び第１の光モデム１５０に接続されている。第１の制御装置１６０は、後述するように、上述した接続されている構成要素の動作のタイミング、並びに、量子信号、同期化信号及びパブリックデータの伝送のタイミングを調整するように構成されている。同じく上述したように、第１の制御装置１６０は、第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０に接続されている。

ボブ２００の基本アーキテクチャは、アリス１００と同様である。説明するならば、ボブ２００は、第２の量子トランシーバ２２０と、第２の乱数発生器（ＲＮＧ）２５０と、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０と第２の光モデム２７０と、第２の制御装置２８０とを含む。それらは、本質的にはアリス１００と同様に配置されており、後述することを除いて、同様の機能を有する。第２の量子トランシーバ２２０、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０及び第２の光モデム２７０はそれぞれ、光ファイバ１１２を介して、アリス１００にそれぞれ設けられている第１の量子トランシーバ１２０、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０及び第１の光モデム１５０と通信する。更に、アリス１００と同様に、ボブ２００も量子チャンネル２０２、パブリックデータチャネル２０４、及びタイミングチャンネル２０６を含む。

図１に図示されるように、ＱＫＤシステム１０は、アリス１００に位置する第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０と、ボブ２００に位置する第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０とを有している。当業者に知られているように、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）は、個々のファイバソース（ウエーブガイド）からの別々の波長を、多重チャネルを有している単一の光ファイバ（光ウエーブガイド）に結合するデバイスである。本システム１０内において、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０及び２９０は、データチャネル、量子チャンネル及びタイミングチャンネルを光学的及び／又は電気的に多重化して、単一光ファイバ１１２上で３つのチャンネルの伝送を可能にする。そこでは、それぞれのチャンネルは異なる波長で変調される。

詳細に記載されているように、第１の制御装置１６０及び第２の制御装置２８０を介してＱＫＤシステム１０は、単一光ファイバ１１２上で量子信号、同期化信号（同期信号）及びパブリックデータを時分割多重化して、量子信号及び同期化信号が同時に送信できる一方で、パブリックデータは、量子信号及び／又は同期化信号とは異なるタイミングで送信されるようにしている。信号及びデータの転送のタイミングを以下に詳細に説明する。

図２は、本発明の第１の典型的な実施例による第１のＱＫＤステーション（アリス１００）を図解するブロック図である。図２に示されるように、アリス１００は第１の量子トランシーバ１２０を含む。第１の量子トランシーバ１２０及び第２の量子トランシーバ２２０は共に、双方向量子トランシーバである。更に、ここに記載されている第１及び第２の量子トランシーバ１２０及び２２０の一部は、単に例としてだけ示されているものである。当業者には、第１及び第２の量子トランシーバ１２０及び２２０の他の構成が利用可能であり、本明細書で説明する論理手段を置換したり除去することが可能であるとは理解されよう。事実、アリス１００及びボブ２００の他の構成も同様に利用可能である。アリス１００及びボブ２００内の論理手段によるパルスの生成及び変更の詳細な説明を、図３を参照したボブ２００の説明において行う。

図２を参照すると、第１の量子トランシーバ１２０が、第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２を含む。その可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は、第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０に接続されている。第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は、第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０によって受信される光パルスの輝度を制御することができる。第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は更に、第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２から第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０まで伝送される光パルスの輝度を制御することができる。

第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は、第１の位相変調器１２４に接続されている。第１の位相変調器１２４は、受信した光パルスの位相を変更することができる。第１の位相変調器１２４は、限定するものではないがファラデーミラーのような反射するデバイス１２６と通信関係にある。ここで、第１の位相変調器１２４はファラデーミラー１２６に結合されてもよいことを理解されたい。ここで、ファラデーミラーは例として示したものであり、量子信号を反射することができる異なる反射デバイスを代わりに使用できることも理解されたい。ファラデーミラー１２６は、光路上、第１の位相変調器１２４の下流に配置されている。ファラデーミラー１２６は、受信したパルスを反射して、各パルスの偏光軸を９０度（９０°）だけ回転させる。

第１の位相変調器１２４は更に、第１の位相変調器ドライバ１２８に接続されている。当業者に知られているように、位相変調器ドライバは、特定の場合に位相変調器を駆動することができる。位相変調器ドライバが位相変調器を駆動するように応答する動作は、違う場合もある。本発明の第１の典型的な実施例では、この駆動は、限定されるものではないが、第１の制御装置１６０から送られて第１の位相変調器ドライバ１２８に受信されるトリガーパルスのようなコマンドによって起動される。ここで、第１の制御装置１６０は、第１の量子トランシーバ１２０の外部に位置しており、第１の位相変調器ドライバ１２８に接続されている。

図２に図示されるように、第１の量子トランシーバ１２０の外部において、アリス１００は第１の制御装置１６０を含む。第１の制御装置１６０は第１の位相変調器ドライバ１２８及び第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に接続されており、その両方共、第１の量子トランシーバ１２０内に設けられている。更に、第１の制御装置１６０は、アリス１００とボブ２００との間の通信の調整するために第１のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１６２を内部に有する。アリス１００とボブ２００との間の通信の調整は、詳細に後述する。

第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０は、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０、第１の光モデム１５０及び第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０と同様に、第１の量子トランシーバ１２０の外部に位置する。第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０は第１の制御装置１６０に接続されている。第１の乱数発生器（ＲＮＧ）１３０は、第１の制御装置１６０に乱数を供給することができる。これらの乱数は第１の制御装置１６０によって利用されて、第１の位相変調器１２４が受信したパルスの位相をランダムに変更して、それによって、アリス１００以外にはパルスの位相が知られていないパルスに結果的にすることができる。

第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０は第１の制御装置１６０及び第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０に接続されており、そして、第１の光モデム１５０は第１の制御装置１６０及び第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０に接続されている。図２に図示されるように、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０は、ローカルインタフェース１４６を介して通信可能に接続されているメモリ１４２及びプロセッサ１４４を含む。詳細に後述すているように、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０及び第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０は、パブリックデータ（例えばイーサネット）の伝送を可能にするために使用される。

ローカルインタフェース１４６が、限定するものではないが、当業者周知のように、例えば１つ以上のバス又は他のワイヤ接続又は無線接続とすることができる。ローカルインタフェース１４６は、通信を可能にするために、制御装置、バッファ（キャッシュ）、ドライバ、リピータ及びレシーバのような、簡素化のために省略される付加構成要素を含むこともできる。更に、ローカルインタフェース１４６は、アドレス、制御及び／又はデータのための接続を有して、上記した構成要素間の適切な通信を可能にすることができる。

プロセッサ１４４は、ソフトウェア（特にメモリ１４２に格納されるソフトウェア）を実行するためのハードウェアデバイスである。プロセッサ１４４は、カスタムメイドプロセッサでも市販のプロセッサでもよく、又は中央処理装置（ＣＰＵ）、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０に付属する数個のプロセッサの中の補助プロセッサ、半導体で作られたマイクロプロセッサ（マイクロチップ又はチップセットの形）、マクロプロセッサ、又は包括的には言えば、ソフトウェア命令を実行するいかなるデバイスでもよい。例の商業的に入手可能で適当なマイクロプロセッサには、以下のものがある。ヒューレットパッカード社のＰＡ−ＲＩＳＣシリーズのマイクロプロセッサ、インテル社の８０ｘ８６シリーズ又はＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）シリーズのマイクロプロセッサ、ＩＢＭ社のＰｏｗｅｒＰＣマイクロプロセッサ、サンマイクロシステムズのＳｐａｒｃマイクロプロセッサ、又はモトローラ社からの６８ｘｘｘシリーズのマイクロプロセッサがある。

メモリ１４２は、揮発性メモリ要素（例えばランダムアクセスメモリ（例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭその他のＲＡＭ）及び不揮発性メモリ要素（例えばＲＯＭ、ハードドライブ、テープ、ＣＤＲＯＭ、その他）のどれでも又はどのような組み合わせを含むことができる。更に、メモリ１４２は、電子的、磁気的、光学的及び／又は他の種類の記憶媒体を組み入れることができる。メモリ１４２が、様々な構成要素は、お互いに遠隔に配置される一方、プロセッサ１４４によってアクセスされることができる分散アーキテクチャを有することができることも理解されたい。第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０内に位置するメモリ１４２が先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファを含む。当業者に知られているように、ＦＩＦＯバッファは、コンピュータがそれを使用する時まで、それが受信された順番に情報を保持しているメモリ領域である。メモリ１４２内のＦＩＦＯバッファの使用は、本明細書において詳述する。

第１の光モデム１５０は、同期化信号を第２の光モデム２７０（図３）に伝送することができる。光モデムの例は、以下の特許文献１に詳細に記載されている。
国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００３３９４（発明の名称「タイミング強化したＱＫＤ システム」、出願日２００４年２月７日）この国際出願をここに引用してその全内容を本明細書に組み入れる。

同期信号の生成は、当業者に既知であるので、同期信号の伝送のタイミング以外に関して同期信号についてそれ以上の説明はここでしない。第１の光モデム１５０の複数部分が第２の光学モデム２７０の複数部分と同様である。従って、第１の光モデム１５０の構成及び機能に関する説明については、第２の光モデム２７０の説明を参照することができる。

図３は、本発明の第１の典型的な実施例の第２のＱＫＤステーション（ボブ２００）を図解するブロック図である。図３を参照すると、ボブ２００内に位置する第２の量子トランシーバ２２０は、レーザ源２２２を含む。レーザ源２２２は、多くの異なる種類のレーザ源の内の１つであってもよく、限定するものではないが、各光パルスが数百又は数千のホトンを有し且つ約４００ピコ秒（ｐｓ）の時間幅有する１つ以上の光パルスを発生することができる１．５μｍレーザとすることができる。当然、各光パルスのホトンの数及び各光パルスの時間幅は、変えることができる。

第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４は、レーザ源２２２と通信関係にある。第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４は、受信した光パルスの輝度を制御して、レーザ源２２２から受信されたより弱い光パルスを生成することが好ましい。しかし、光パルスはボブ２００からアリス１００まで伝播して更にボブ２００に戻ってくる必要があるので、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４は、光パルスがボブ２００に戻るのを妨げるまで受信した光パルスを弱めることを意図していないことは留意されたい。その代わりに、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４の機能は、光パルスが第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に到達した時、光パルスの第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２の２回の通過により、平均して１個未満のホトンを有する弱いパルスと確実になるように、レーザ源２２２から受信される光パルスの輝度を制御することである。

第２の量子トランシーバ２２０は更に、偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６を内部に有している。その偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６は、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４に接続されている。偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６は、光パルスが偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６に受信されると、受信した光パルスを具体的な行き先に案内することができる。

第１のビームスプリッタ２２８は、第２の量子トランシーバ２２０内に設けられており、偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６に接続されている。第１のビームスプリッタ２２８は、５０／５０のビームスプリッタであることが好ましく、受信した光パルスを２つのパルスに分割することができる。これらのパルスの使用は、後述する。もちろん、異なる種類のビームスプリッタに置換することもできる。

第２の量子トランシーバ２２０内に設けられている光ディレイ（光遅延器）２３１は、第２の量子トランシーバ２２０内において、第１のビームスプリッタ２２８及び第２のビームスプリッタ２２９との間に設けられている。光ディレイ２３１によって、光ディレイ２３１が受信した光パルスが所定の量遅延させることができる。本発明の第１の典型的な実施例によれば、光ディレイ２３１は、光ファイバの余剰部分である。特に、光パルスは、第１のビームスプリッタ２２８から第２のビームスプリッタ２２９へ又は第２のビームスプリッタ２２９から第１のビームスプリッタ２２８へ２つの異なるパス（経路）を経て伝播することができ、第１のパスは、第２のパスより短い。従って、第２のパスが、光ディレイ２３１を有する。或いは、その代わりに、光パルスを遅延させることができる１つのデバイス又は複数のデバイスを利用できる。

図３を参照すると、第２のパスは、そこに第２の位相変調器２３２を含む。第２の位相変調器２３２と第２のビームスプリッタ２２９との間のファイバーリンクが配置され、第２の二分割光パルスが、第１の二分割光パルスに対して偏光軸が直交して第２のビームスプリッタ２２９の対応するポートに到達するようにされ、そのような二分割光パルスが、時分割多重化され且つ偏光軸が直交化されて第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０に送られる。二分割光パルスは、以下に説明する。

第2のビームスプリッタ２２９が偏光ビームスプリッタであることが好ましい。第２のビームスプリッタ２２９は、直交偏光パルスを第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０に送り且つ光パルスの偏光軸に基づいて光パルスを別々の経路に案内することができる偏光ビームスプリッタであることが好ましい。

第２の位相変調器２３２は、第２の量子トランシーバ２２０内に設けられており、光ディレイ２３１を通るパルスの位相をランダムに変調することができ、そして、第１のビームスプリッタ２２８及び第２のビームスプリッタ２２９に接続されている。位相のランダムな変調は、第２の制御装置２８０に接続している第２の乱数発生器２５０による。そして、その両方共、第２の量子トランシーバ２２０の外部に位置する。

第２の位相変調器２３２に接続されている第２の位相変調器ドライバ２３４は、第２の制御装置２８０から発せられ第２の位相変調器ドライバ２３４によって受信されるコマンドに従って第２の位相変調器２３２を駆動する。第２の位相変調器ドライバ２３４は、第２の量子トランシーバ２２０内に位置する。

ボブ２００内に位置する第２の量子トランシーバ２２０は、第１のビームスプリッタ２２８及び第２の制御装置２８０に接続した第１の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０を含む。そして、第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４２は、偏光維持サーキュレータ（ＰＭＣ）２２６及び第２の制御装置２８０に接続している。第１の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０及び第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４２は、第１のディスクリミネータ２４４及び第２のディスクリミネータ２４６とそれぞれ通信関係にあり、第１のディスクリミネータ２４４及び第２のディスクリミネータ２４６は、第１の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０及び第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４２をそれぞれ駆動することができる。

第２のＱＫＤステーション（ボブ２００）も、第２の制御装置２８０と、第２の乱数発生器（ＲＮＧ）２５０と、第２の光モデム２７０と、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０と、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０を含む。第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０は、第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０内に設けられている論理装置と同様の論理装置を有しており、すなわち、メモリ２６１とプロセッサ２６２とローカルインタフェース２６３を有している。第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０は第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０に接続されており、その第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０と、第２のビームスプリッタ２２９と、第２の光モデム２７０とに接続されている。更に、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第１のＱＫＤステーション、アリス１００及び第２のＱＫＤステーション、ボブ２００を接続している単一光ファイバ１１２に接続されている。

第２の制御装置２８０は、レーザ源２２２と、第１及び第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０及び２４２と、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４と、第２の乱数発生器（ＲＮＧ）２５０と、第２の位相変調器ドライバ２３４と、第１及び第２のディスクリミネータ２４４及び２４６と、第２の光モデム２７０と、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０とに接続されている。更に、第２の制御装置２８０は、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を内部に有する。第２の制御装置２８０及び第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２並びにそれらの使用は、図４、図５及び図６を参照して後述する。

第２の光モデム２７０も、（例えば、１．３μｍで動作する）タイミング／同期レーザ（すなわち光トランスミッタ）２７２と、タイミング／同期検出器（すなわち光レシーバ）２７４を有している。どちらがサーキュレータ２７６に接続されている。タイミング／同期レーザ２７２及びタイミング／同期検出器２７４は、第２の制御装置２８０に接続されている。上述したように、光モデムの例は、上記特許文献１に詳述されている。光タイミング信号（同期信号）は、光モデム１５０、２７０によって処理され、そして、光モデム１５０、２７０は、光タイミング信号（同期信号）を対応する電気タイミング信号に変換し、及びその逆に、電気タイミング信号を対応する光タイミング信号（同期信号）に変換する。

全体的に述べるならば、ＱＫＤシステム１０内の論理デバイスは、量子信号の伝送において以下のように機能する。レーザ源２２２は、数百又は数千のホトンを有し且つ約４００ピコ秒（ｐｓ）時間幅を有する光パルスを送信する。もちろん、光パルスのホトンの数及び光パルスの時間幅は、変えることができる。

光パルスは、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４によって受信される。第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４は、受信した光パルスの輝度を制御して、レーザ源２２２から受信されたものより弱い光パルスを生成するように使用される。しかし、光パルスはボブ２００からアリス１００まで伝播し更にボブ２００に戻る必要があるので、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４は、光パルスがボブ２００に戻るのを妨げる程に受信した光パルスを弱めることを目的としてはいないことに留意されたい。その代わりに、第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）２２４の機能は、光パルスが第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に到達したとき、光パルスが第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２を２度通過することにより、平均して１個未満のホトンを有する弱いパルスが形成される十分な程度、レーザ源２２２から受信される光パルスの輝度を制御することである。

本システムは、光パルスが２つの可変光減衰器（ＶＯＡ）のうちの１つを通過する毎に、受信した光パルスの輝度を徐々に減少させ、平均して１個未満のホトンを有する弱いパルスを結果的に生成するような平均最大減衰を有する２つの可変光減衰器（ＶＯＡ）を使用している。或いは、受信された光パルスの輝度を制御して平均して１個未満のホトンを有する弱いパルスを好ましくは生成する単一の可変光減衰器（ＶＯＡ）を、アリス１００内に設けることもできる。例えば、アリス１００内に位置する１つの可変光減衰器（ＶＯＡ）によってパルス当たり約０．１ホトン以下の平均値にすることもできる。

弱められた光パルスは、偏光維持サーキュレータ２２６によって受信され、第１のビームスプリッタ２２８に案内される。第１のビームスプリッタ２２８は、５０／５０のビームスプリッタであることがこのましく、光パルスを第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスに分ける。第１の二分割光パルスは直接に第２のビームスプリッタ２２９に伝送される一方、第２の二分割光パルスは、光ディレイ２３１及び第２の位相変調器２３２を介して間接的に第２のビームスプリッタ２２９に伝送される。光ディレイ２３１によって、第２の二分割光パルスは、第１の二分割光パルスより所定の時間遅らされる。例えば、第２の二分割光パルスは、２０ｎｓの光ディレイ２３１の後、ＱＫＤシステム１０を通ることができる。ボブ２００からアリス１００へのパスでは、第２の制御装置２８０によって命令されるように、第２の位相変調器２３２が第２の二分割光パルスの位相を変更しないことに留意されたい。

第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスは共に、第２のビームスプリッタ２２９によって受信される。但し、第２の二分割光パルスは、第１の二分割光パルスの後、第２のビームスプリッタ２２９に到着する。第２の二分割光パルスが、第１の二分割光パルスに対して偏光軸が直交して、第２のビームスプリッタ２２９の対応するポートに到着するように、第２の位相変調器２３２と第２のビームスプリッタ２２９との間のファイバーリンクが設けられているので、両二分割光パルスは、時分割多重化され且つ偏光軸が直交化されて第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）に送られる。上述したように、第2のビームスプリッタ２２９は偏光ビームスプリッタであることが好ましい。第２のビームスプリッタ２２９は、互いに偏光軸が直交化されている第１の二分割光パルスと第２の二分割光パルスを第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０に送る。

第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスは共に、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０によって受信される。第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第２の量子トランシーバ２２０と第２の光モデム２７０と第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０とから別個の波長を結合して、多重チャネルを有する単一光ファイバ１１２に供給する。図４、図５及び図６を参照して詳細に後述するように、量子信号（すなわち、第１の二分割光パルス及び第２の半分光がパルス）と、同期信号と、パブリックデータとは、ＱＫＤシステム１０によって時分割多重化され、量子信号及び同期信号はボブ２００とアリス１００との間に同時に伝送され、パブリックデータは、量子信号及び／又は同期信号が伝送されている間には、伝送されない。

第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスを第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０に伝送する。第１の二分割光パルスが第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０によって受信されるときに、第１の二分割光パルスは第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に送られる。更に、所定の遅延の後、第２の二分割光パルスは、第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０によって受信され、第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に送られる。第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は、パルスの輝度を減少するように第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスの輝度を制御する。その後、第１の二分割光パルスは、第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２から第１の位相変調器１２４に伝送される。第１の制御装置１６０は、第１の二分割光パルスの位相がランダムに変調されるように第１の位相変調器１２４を制御する。更に、第１の制御装置１６０は、第１の位相変調器１２４が第２の二分割光パルスの位相を変更するのを防止する。

位相変調した後、第１の二分割光パルスは反射されて、ファラデーミラー１２６によって偏光軸が９０度回転させられる。第１の二分割光パルスが第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に送られた後に、第１の二分割光パルスの位相は、第１の位相変調器１２４によって再びランダムに変調される。

或いは、第２の二分割光パルスが第１の位相変調器１２４に受信されたときに、第１の制御装置１６０は、第１の位相変調器１２４が第２の二分割光パルスの位相を変調することを防止する。第２の二分割光パルスがファラデーミラー１２６に送られ、そこで、第２の二分割光パルスが反射され、ファラデーミラー１２６に偏光軸が９０度回転させられる。その後、第２の二分割光パルスは、第１の位相変調器１２４から第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に送られる。

第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２は、第１の二分割光パルスの輝度を制御し且つ第２の二分割光パルスの輝度を制御して、２つの弱いパルスを形成する。そのように形成されら弱いパルスの各々は、平均して１個未満のホトンを有している。例えば、パルスの輝度が第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２によって制御された後には、平均してパルス当たり約０．１ホトン以下とすることができる。第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスは、第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０によって受信され、そして、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０から第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１７０に第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスを送る方法と同様な方法で、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０に送られる。

第１の二分割光パルスを受けると、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第１の二分割光パルスを第２のビームスプリッタ２２９に送る。上記したように、第２のビームスプリッタ２２９は、光パルスの変更軸に基づいて、受信した光パルスを光ディレイ２３１に送るか、第１のビームスプリッタ２２８に直接送る偏光ビームスプリッタであることが好ましい。

第１の二分割光パルスの偏光軸により、第２のビームスプリッタ２２９は、受信した第１の二分割光パルスを光ディレイ２３１にそして第２の位相変調器２３２を介して伝送する。第１の二分割光パルスの位相がランダムに変調されるように、第２の制御装置２８０は第２の位相変調器２３４を制御する。更に、第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスが第１のビームスプリッタ２２８で合波されるように、光ディレイ２３１は第１の二分割光パルスを遅延させる。

第２の二分割光パルスを受けると、第２の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）２９０は、第２の二分割光パルスを第２のビームスプリッタ２２９に送る。第二の二分割光パルスの偏光軸により、ビームスプリッタ２２９は、受信した第２の二分割光パルスを第１のビームスプリッタ２２８に直接に伝送する。第１のビームスプリッタ２２８において第１の二分割光パルス及び第２の二分割光パルスによって生じる干渉の結果に基づいて、結果的に生じた干渉パルスは、第１の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０又は偏光維持サーキュレータ２２６に進む。偏光維持サーキュレータ２２６は、第１のビームスプリッタ２２８から受けた光パルスを、第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４２に送る。

量子鍵配送において普通であるように、第１及び第２の単一ホトン検出器（ＳＰＤ）２４０及び２４２は、量子信号の解析のために使用される。

ＱＫＤシステムの動作
上述したように、ＱＫＤシステム１０は、比較的長い長さを有する単一光ファイバ１１２又は他の伝送媒体の上で、量子鍵配送並びにパブリックディスカッションレイヤーデータ（例えばイーサネット）の伝送を可能にする。これは、量子信号及び／又は同期化信号（同期信号）が送信又は受信されるべきときには、パブリックディスカッションレイヤーデータ転送を可能にするために利用可能なパワーを減少するか又はなくすことによって実現される。このプロセスを、ＱＫＤシステム１０の全体的な動作に関して以下に詳細に説明する。

量子信号、パブリックデータ（例えばイーサネット）及び／又はタイミング信号をいつ伝送するべきかについて決定することに関連する機能は、第１及び第２の制御装置１６０及び２８０内に規定されている。特に、第１及び第２の制御装置１６０及び２８０は、そこにおいて、伝送シーケンスを決定するのに必要なステップを実行する論理手段を含む。この論理手段によって実行されるステップ（さもなくば、時分割多重化と称され）は、図４、図５及び図６を参照して後述する。本発明の第１の典型的な実施例では、第２の制御装置２８０が、伝送シーケンスを決定するのに必要なステップを実行する論理手段を内部に含む。第１の制御装置１６０は、第２の制御装置２８０に応答して動作する。例えば、第１の制御装置１６０は、特殊な同期信号を使用してもよく、又はゼロ近くへの到達パワーレベルの降下を測定してもよい。当然、その代わりに、第１の制御装置１６０が、伝送シーケンスを決定するのに必要なステップを実行する論理手段を含むことができ、一方、第２の制御装置２８０が第１の制御装置１６０に応答して動作する。

伝送シーケンスの決定と関連がある機能が本実施例ではハードウエア、具体的にはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって実行されると説明したが、別の実施例では、この機能がソフトウェア、ファームウェア又はソフトウェアとファームウェアとハードウエアとの組み合わせによって実行できることに留意されたい。例えば、その機能がソフトウェア又はファームウェアで実行される場合、適切な命令の実行システムによって実行されるソフトウェア又はファームウェアはメモリに格納されるだろう。

図４は、量子信号、同期化信号及びパブリックデータを伝送するタイミングを決定するＱＫＤシステム１０の可能なインプリメンテーションのアーキテクチャ、機能及び動作を示しているフローチャート３００である。このフローチャートにおいて、各ブロックは、特定の論理機能を実行する１つ以上の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント又はコードの一部を表示する。いくらかの代替インプリメンテーションにおいて、ブロック内に記載される機能は、図４において記載されている順番に生じる。例えば、図４の連続して示される２つのブロックは実際には、以下に明らかにするように、実質的に同時に実行可能かも知れず、又は、或る場合には、関連する機能によるが、逆の順番に実行可能かも知れない。以下の説明は、図４及び図３に関する。

典型的な目的のために、以下の説明は、ＱＫＤシステム１０が、ボブ２００に量子信号及びタイミング信号を送信させることによって開始すると仮定する。しかし、その代わりに、ＱＫＤシステム１０が、ボブ２００にパブリックデータ（すなわちイーサネット）を送信させることによって開始することもできる。以下に詳細に説明するように、第２の制御装置２８０は、所定の伝送スケジュールに従ってデータ、量子信号及び同期化信号のパケットを伝送できる。その伝送スケジュールは、第２の制御装置２８０内に又は第２の制御装置２８０の外部の場所に格納しておくことができる。具体的には、伝送スケジュールは、量子信号及びタイミング信号を同時に伝送することを許容する。その一方で、パブリックデータ（例えばイーサネット）の伝送のための時間セットから異なる時間に、量子信号及びタイミング信号の伝送を実行されるように確保している。

ブロック３０２によって示されるように、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０が、それぞれ、タイミング信号及び量子信号をアリス１００に伝送することができるようにする。特に、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は、第２の制御装置２８０か又は外部電源（図示せず）からのパワーが第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０によって受けられるようにする。第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は、ＦＰＧＡと関連する当業者に周知のスイッチング技術を使用することによってパワーが受けられるようにすることができる。第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０の両方がそれぞれに関連した信号を伝送することが可能なときに、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０の両方はそれらのそれぞれのチャンネル内にそれら信号を同時に送信することができる。

ブロック３０４に示されるように、タイミング信号及び量子信号又はパブリックデータ（例えばイーサネット）の伝送のために特定のタイミングスロットを割り当てている所定のスケジュールに従って、第２の制御装置２８０は、タイミング信号及び量子信号の伝送を第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して中止する。具体的には、第２の制御装置２８０は、第２の制御装置２８０からか又は外部電源（図示せず）からの電力が第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０によって受けられることを、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して防止する。しかし、本発明の別の実施例によれば、タイミング信号及び量子信号の伝送を持続することもできる。しかし、タイミング信号及び量子信号の伝送を持続する場合、第１の量子トランシーバ１２０は、タイミング信号及び量子信号を除外するか又はタイミング信号及び量子信号を単に利用しない。

上述したように、タイミング信号、量子信号及びパブリックデータの伝送のためのタイミングスロットを、各タイミングスロットの間に実行されるべき動作のように、予め定義される。具体的には、第２の制御装置２８０は、両信号及びパブリックデータの伝送のためのスケジュールを内部に格納している。

タイミングスロットは、循環的に割り当てた排他的なレシーバ動作のための時間間隔である。最も高いパワーの信号すなわちパブリックデータ（例えばイーサネット）が、システムの帯域幅が必要とする固定長を割り当てられる。次のタイミングスロット、即ちフラッシュ（沈静化）は、パブリックデータ（例えばイーサネット）が伝送されないときであり、高パワー信号（即ち、パブリックデータ信号）が光ファイバを通って進行してゆくに従い光ファイバ内の散乱が減少してゆく。第２のタイミングスロットは、散乱が低レベルである時であり、そして、単一ホトン受信は過多なエラーなしで可能である。このタイミングスロットは、ＱＫＤシステム１０がオン状態ある時間の大部分を消費する。

フラッシュ（沈静化）のためのタイミングスロット長さは、ファイバ長によって決定される。パブリックデータ（例えばイーサネット）対量子ビットのためのタイミングスロット長比は、予想されるエラー、要求されるレート及びメッセージングに基づいて計算される。合計したラウンドタイムは、フラッシュ（沈静化）のためのタイミングスロット中にはデータを全く伝送できない影響を軽減するように長くすべできあるが、フラッシュ（沈静化）のためのタイミングスロットが長すぎると、パブリックデータ待ち時間が長くなる。ラウンドタイムは、高レベルアルゴリズムに許容可能な最大待ち時間によって決定される。

ブロック３０６に示されるように、タイミングスロットを割り当てている所定のスケジュールに従って、第２の制御装置２８０は、第２の制御装置２８０か又は外部電源（図示せず）からの電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって受け取られることを、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して許可する。具体的には、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって受け取られることを、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は既知の内部スイッチング技術によって許可する。電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって受け取られると、パブリックデータがボブ２００からアリス１００へ伝送されることが許可される。

本発明の別の実施例では、量子信号及びタイミング信号がパブリックデータの伝送の間も伝送され続けることもできる。しかし、その場合、パブリックデータを受信している間に受信された量子信号及びタイミング信号は、ＱＫＤシステム１０によって利用されない。

ブロック３０８に示されるように、タイミングスロットを割り当てるための所定のスケジュールに従って、所定の期間の後、第２の制御装置２８０は、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０がデータパケットを伝送することを第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して禁止する。例えば、第２の制御装置２８０は、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０に受け取られることを禁止する。第２の制御装置２８０は、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０に受け取られることを禁止する前に、ボブ２００によるパブリックデータパケットの伝送の終了を待たないことが好ましいことに注意されたい。その代わりに、所定のスケジュールによれば、所定のスケジュールが第２の制御装置２８０に対して第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０の電力の受取を禁止すること指示するときに従って、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０が電力を受け取ることを禁止する。電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０に受け取られることを禁止し次第、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって伝送されているデータはもはや送信できない。第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０内に設けられているメモリ２６２は、第２の制御装置２８０が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０の電力を受け取りを再度許可するまで、伝送されるデータを格納することができる。これが、ＦＩＦＯメモリが第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０内に使用されることが最も良い理由である。ＦＩＦＯメモリの使用により、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって再び受け取られるまで、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって伝送されるデータパケットはそれらの元々の順番で格納されており、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって再び受け取られた後、格納されているデータが、最初に受信された順番で伝送される。

ブロック３１０に示されるように、第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０がタイミング信号及び量子信号をそれぞれアリス１００に伝送することを、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して許可する。しかし、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０への電力の供給を禁止した後、所定の期間が経過するまで、第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０がタイミング信号及び量子信号をそれぞれアリス１００に伝送することを許可しないことが好ましいことに留意されたい。この所定の期間は、光ファイバ１１２の長さに基づいていることが好ましい。具体的には、光ファイバ１１２の長さは、パブリックデータパケットがボブ２００からアリス１００まで進む時間を決定している。それ故、所定の期間は、データパケットがボブ２００からアリス１００まで進行するにかかる時間、すなわち、光ファイバ１１２の長さについて基づいている。

電力の割り当てを制御する代わりに、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は、第２の光モデム２７０に付属するドライバ、第２の量子トランシーバ２２０に付属するドライバ、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０に付属するドライバを制御するようにもできる。かかるドライバをオン／オフすることによって、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は、同期信号、量子信号及びデータパケットの伝送の時間を制御することができる。

本明細書において説明したように、ＱＫＤシステム１０は、量子信号及びタイミング信号を同時（すなわち、同じタイミングスロットの間）に伝送する一方で、パブリックデータは、異なる時間（すなわち、異なるタイミングスロットの間）に伝送される。
図５は、所定のタイミングスロット並びに量子信号（例えばＱｂｉｔｓ）、同期化信号（ｓｙｎｃ）及びパブリックデータ（例えばイーサネット（Ｅｎｅｔ））の伝送の例を図解する概要図である。図５に図示される例によれば、１００ｍｓは、量子信号及び同期化信号の伝送のために割り当てられる。更に、１０ｍｓは、パブリックデータの伝送に割り当てられる。

上述したように、電力が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０に供給されることを禁止した後、第２の量子トランシーバ２２０及び第２の光モデム２７０が量子信号及び同期化信号をそれぞれ送ることを第２の制御装置２８０が許可する前に、所定の期間が置かれるようにされている。図５に図示される例において、この所定の期間は「flush」(フラッシュ)と表示され、その「flush」(フラッシュ)の長さは約ｌｍｓである。

図５に図示される所定のタイミングスロットの例は単なる例に過ぎないことは理解されたい。この例は、様々な信号が伝送される時間の長さを限定することを意図するものではない。図５は、量子信号及び同期化信号が、パブリックデータが伝送される時間とは異なる時間に伝送されることを図解するためのものである。

本発明の別の実施例によれば、ＱＫＤシステム１０は、上記実施例とは異なり、データ又は信号の伝送の要求に従って機能する。以下にそのようなＱＫＤシステム１０の例を示し。その機能を図６のフローチャートに図解する。

ブロック６０２に示されるように、第２の制御装置２８０は、パブリックデータを伝送する要求が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０から受信されたかどうか決定する。パブリックデータを伝送する要求が受信されなかった場合、第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０が上述した方法でタイミング信号及び量子信号をそれぞれ伝送することを許可する（ブロック６０４）。

タイミング信号及び量子信号の伝送の間に、パブリックデータを伝送する要求が第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０によって受信される場合、、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０は第２の制御装置２８０に制御されて、タイミング信号及び量子信号の伝送を中止する（ブロック６０６）。例えば、第２の量子トランシーバ２２０のドライバ（図示せず）及び第２の光モデム２７０のドライバ（図示せず）への電力供給を中止することができ、それによって、第２の量子トランシーバ２２０及び第２の光モデム２７０がそれぞれの信号を伝送することが中止される。

ブロック６０８に示されるように、量子信号及びタイミング信号の伝送を中止した（ブロック６０６）後に、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０は、単一光ファイバ１１２上へのパブリックデータの伝送が許可される。第２の光モデム２７０か又は第２の量子トランシーバ２２０からのそれぞの信号の伝送の要求を第２の制御装置２８０が受信するならば、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０はパブリックデータを伝送することを許可されなくなる（ブロック６１０）。

ブロック６１２に示されるように、その後、第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０がそれぞれタイミング信号及び量子信号をアリス１００に伝送することを、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２を介して許可する。しかし、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０への電力供給が禁止された後、所定の期間が経過するまで、第２の制御装置２８０は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０がタイミング信号及び量子信号をそれぞれアリス１００に伝送することを許可しないことが好ましいことは理解されたい。

具体的には、第２の制御装置２８０内のタイミング論理手段は、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０から光ファイバ１１２を介して第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０へパブリックデータパケットが完全に伝送されるのために必要な時間を内部に格納することができる。従って、パブリックデータが第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０に完全に受信されるまで、第２のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２８２は、第２の光モデム２７０及び第２の量子トランシーバ２２０がそれぞれの信号を送ることを禁止することができる。

タイミング信号及び量子信号が伝送されている間に、第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０から第１のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）１４０へのデータパケットの伝送が要求されるならば、第２の制御装置２８０がその伝送を許可するまで、データパケットは第２のパブリックデータトランシーバ（ＰＤＴ）２６０のメモリ２６２内に格納される。

本明細書は双方向ＱＫＤシステムを説明したが、同様な技術は一方向ＱＫＤシステムを構成するために利用できることは当業者には理解されよう。当業者は、どのようにして一方向のＫＤシステムを構成できるかは理解されていよう。例えば、アリス１００（図２）では、ファラデーミラー１２６をレーザ源に置換し、ボブ２００（図３）では、偏光ビームスプリッタを省略して、２ｘ２ファイバカップラ又は５０ｘ５０大容量光ビームスプリッタに置換し、サーキュレータ２２６を省略する。更に、ハードウエア及びソフトウェアを制御するように、対応する変更を行う。

本発明の上述した実施例は、本発明の単なる実施例であり、本発明の原理の理解を容易にするために記載しただけであることを強調したい。本発明及び本発明の原理から実質的に逸脱することなく、述した実施例に対して多くの変更及び修正を行うことができる。そして、そのような多くの変更及び修正は、本明細書及び本発明の範囲内で含まれるものであり、特許請求の範囲で保護されるものである。

本発明の第１の典型的な実施例によるＱＫＤ（量子鍵配送）システムの概略構成を図解するブロック図である。 本発明の第１の典型的な実施例による、図１の第１のＱＫＤステーション（アリス）を図解するブロック図である。 本発明の第１の典型的な実施例による、図１の第２のＱＫＤステーション（ボブ）を図解するブロック図である。 量子信号、同期化信号及びパブリックデータを伝送するタイミングに関して、図１のＱＫＤシステムにおいて可能なインプリメンテーションアーキテクチャ、機能及び動作を示しているフローチャートである。 所定のタイミングスロット及び図１のＱＫＤシステムによる量子信号、同期化信号及びパブリックデータの伝送の例を図解する概要図である。 本発明の第２の典型的な実施例による量子信号、同期化信号及びパブリックデータを伝送するタイミングに関して、図１のＱＫＤシステムにおいて可能なインプリメンテーションアーキテクチャ、機能及び動作を示しているフローチャートである。

Claims (20)

1. 所定のタイミングシーケンスに従ってパブリックデータを伝送することができる第１のパブリックデータトランシーバと、
   前記所定のタイミングシーケンスに従ってタイミング信号を伝送することができる第１の光モデムと、
   前記所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を送ることができる第１の量子トランシーバと、
   前記第１のパブリックデータトランシーバと前記第１の光モデムと前記第１の量子トランシーバとに接続している第１の制御装置と
   を具備しており、前記第１の制御装置は、前記所定のタイミングシーケンスに従って前記パブリックデータと前記タイミング信号と前記量子信号との伝送を制御することができる、ことを特徴とする量子鍵配送を有するシステム。
2. 前記所定のタイミングシーケンスは、パブリックデータが伝送される第１の所定のタイミングスロットと、パブリックデータが伝送されないフラッシュ期間と、量子信号及びタイミング信号が伝送される第２の所定のタイミングスロットとを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の量子トランシーバは、前記第１の制御装置によって制御される光源と、変調器と、前記第１の制御装置によって制御される変調器ドライバとを有しており、前記第１の制御装置は、前記変調器によって量子信号の変調を制御することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１のパブリックデータトランシーバは、前記所定のタイミングシーケンスのパブリックデータを受信することができ、前記第１の光モデムは、前記所定のタイミングシーケンスのタイミング信号を受信することができ、前記第１の量子トランシーバは、前記所定のタイミングシーケンスの量子信号を受信することができることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 前記第１の制御装置に接続された第１の乱数発生器（ＲＮＧ）を更に具備しており、当該第１の乱数発生器（ＲＮＧ）は、第１の量子トランシーバがパルスの位相をランダムに変更できるように前記第１の制御装置に乱数を供給することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 単一光ファイバを更に具備しており、前記量子信号、前記パブリックデータ及び前記タイミング信号の伝送は、前記単一光ファイバを介してなされ、前記量子信号及び前記タイミング信号は前記単一光ファイバを同時に伝播することができ、前記パブリックデータは、前記量子信号及び前記タイミング信号が前記単一光ファイバを伝播しているときと異なるときに、前記単一光ファイバを伝播することができることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記所定のタイミングシーケンスは、パブリックデータと量子信号とタイミング信号とが伝送される第１の所定のタイミングスロットと、パブリックデータが伝送されないフラッシュ期間と、量子信号及びタイミング信号のみが伝送される第２の所定のタイミングスロットとを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記所定のタイミングシーケンスに従って前記伝送されたパブリックデータ信号を受信することができる第２のパブリックデータトランシーバと、
   前記所定のタイミングシーケンスに従って前記伝送されたタイミング信号を受信することができる第２の光モデムと、
   前記所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を受信することができる第２の量子トランシーバと、
   前記第２のパブリックデータトランシーバと前記第２の光モデムと前記第２の量子トランシーバとに接続している第２の制御装置と
   更に具備することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
9. 前記第１の量子トランシーバは、前記第１の制御装置によって制御される光源を更に有しており、前記第２の量子トランシーバは、反射体を更に有していることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１の量子トランシーバは、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとを更に有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 所定のタイミングシーケンスに従ってパブリックデータを伝送する手段と、
    前記所定のタイミングシーケンスに従ってタイミング信号を伝送する手段と、
    前記所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を伝送する手段と、
    前記所定のタイミングシーケンスに従って前記パブリックデータと前記タイミング信号と前記量子信号との伝送を制御する手段と
    を具備することを特徴とする量子鍵配送を有するシステム。
12. 前記所定のタイミングシーケンスは、パブリックデータが伝送される第１の所定のタイミングスロットと、パブリックデータが伝送されないフラッシュ期間と、量子信号及びタイミング信号が伝送される第２の所定のタイミングスロットとを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第パブリックデータを伝送する手段は、前記所定のタイミングシーケンスのパブリックデータを受信することができ、前記タイミング信号を伝送する手段は、前記所定のタイミングシーケンスのタイミング信号を受信することができ、前記量子信号を伝送する手段は、前記所定のタイミングシーケンスの量子信号を受信することができることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記所定のタイミングシーケンスに従って前記伝送されたパブリックデータ信号を受信するための手段と、
    前記所定のタイミングシーケンスに従って前記伝送されたタイミング信号を受信するための手段と、
    前記所定のタイミングシーケンスに従って量子信号を受信するための手段と、
    前記パブリックデータ信号を受信するための手段と前記タイミング信号を受信するための手段と前記量子信号を受信するための手段とを制御するための手段と
    更に具備することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 所定のタイミングシーケンスに従って単一媒体上で量子鍵配送、パブリックデータ配送、タイミング信号配送を行う方法であって、
    第１の所定のタイミングスロットの間にパブリックデータ信号を伝送し、
    所定の期間の間、前記パブリックデータの伝送を中止し、
    第２の所定のタイミングスロットの間に、量子信号及びタイミング信号を伝送し、
    前記第１及び第２の所定のタイミングスロットが前記所定のタイミングシーケンスを定義していることを特徴とする方法。
16. 量子信号を伝送することは、
    光パルスを発生し、
    前記光パルスを第１の二分割光パルスと第２の二分割光パルスとに分割し、
    前記第１の二分割光パルスを伝送し
    前記第２の二分割光パルスの伝送を遅延させ、
    前記第２の二分割光パルスを伝送する
    ことを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 量子信号を伝送することは、パルスの位相をランダムに変更することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記量子信号及び前記タイミング信号の伝送を中止し、
    第３の所定のタイミングスロットの間に、パブリックデータ信号を伝送する
    ことを更に具備することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 記第１の所定のタイミングスロットと前記第２の所定のタイミングスロットとは同一であり、第３の所定のタイミングスロットの間のだけ、前記量子信号及び前記タイミング信号だけを伝送することを更に具備することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. 所定の期間の間、前記パブリックデータの伝送を中止することは、前記パブリックデータの供給源による電力の受取りを禁止することを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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