JP2009055346A

JP2009055346A - 量子鍵配送システム

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Publication number: JP2009055346A
Application number: JP2007220095A
Authority: JP
Inventors: Toshimori Honjo; 利守本庄; Yasushi Inoue; 恭井上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP4591972B2

Abstract

【課題】偏波依存性のある光子検出器を用いる量子鍵配送システムにおいて、複雑な偏波制御をすることなく、簡便に偏波状態の影響を除けるようにすること。
【解決手段】送信機は、一定の時間間隔のパルスの光パルス列を０またはπで位相変調し、変調された光パルス列を１パルスごとに直交する２つの偏波状態として交互に出力し、偏波変調された光パルス列をパルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する。受信機は、送出された光パルス列を第１と第２の光パルス列に分岐し、第１の光パルス列を、受信した光パルス列の時間間隔の２倍の時間だけ遅延させた後、第１と第２の光パルス列を合波する。受信機は、遅延し合波された第１と第２の光パルス列の相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１光子検出手段と、遅延し合波された第１と第２の光パルス列の相対的位相差がπである場合に、光子を検出する第２光子検出手段を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、量子暗号鍵配送システムに関し、より詳細には、位相変調した光パルス列の相対的位相差を利用して、安全な暗号鍵を供給する量子暗号鍵配送システムに関する。

従来、暗号技術としては数式の数学的な計算困難性（例えば、解読のための計算に膨大な時間がかかる）を基礎にした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子１個レベルの光を用いることにより、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、量子力学の理論を用いた暗号技術であって、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。

量子通信の分野では、互いに離れた地点に存在する２者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。

量子鍵配送には、各種方式が存在するが、本明細書では従来技術として代表的な、「差動位相シフト量子鍵配送方式」（非特許文献１）について説明する。

図１は、従来技術のそ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。図１において、送信機１００は、制御部（図示しない）と記憶手段（図示しない）と通信手段（図示しない）を有する。同様に、後述の受信機１１０も制御部（図示しない）と記憶手段（図示しない）と通信手段（図示しない）を有する。

送信機１００は、自身が送出する光パルス列１０６の位相変調データを記憶手段（図示しない）に記憶するとともに、０またはπで任意にランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列１０６を、パルス当り平均１光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で光伝送路１０７に送出する。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することができる。

このような光パルス列を受信機１１０で光子検出する場合は、あるパルスでは光子が検出され、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、測定するまで不確定である。

図１に示すように、送信機１００から送出された光パルス列１０６は、光伝送路１０７を介して受信機１１０に到達する。まず、受信機１１０は、光分岐手段１１１を使用して、送信機１００から受信した光パルス列をエネルギー的に等分になるよう２つに分岐し、その分岐した各光パルス列を長経路１１２および短経路１１３に送出する。長経路１１２では、光パルス列に一定の遅延（本明細書では、時間Ｔ）を加える。その後、長経路１１２および短経路１１３を通った光パルス列は、２×２合波カップラ１１４にて再び合波する。２×２合波カップラ１１４は、２つの入力端子（長経路１１２および短経路１１３にそれぞれ接続されている）を備え、長経路１１２および短経路１１３を通った光パルス列を受け入れる。また、２×２合波カップラ１１４は、２つの出力端子も備え、それぞれの出力端子は、第１の光子検出器（光子検出器１）１１５、および第２の光子検出器（光子検出器２）１１６に接続される。

上記の長経路１１２で一方の光パルス列に与えられる一定の遅延時間Ｔは、送信機１００から光伝送路１０７を介して受信機１１０に入力される光パルス列の一定間隔Ｔに等しいものと仮定すると（図１においてＴで示す）、２×２合波カップラ１１４では、前後のパルスが重なり合って合波される。パルスが重なり合う様子は、図１の受信機１１０の下に図示した。

受信機１１０に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されている。したがって、受信機１１０内の分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。

２×２合波カップラ１１４での合波の結果、両パルスは干渉し、位相差が０なら第１の検出器１１５が光子を検出し、位相差πなら第２の検出器１１６が光子を検出することになる。

上記の構成を用いて、送信機１００と受信機１１０は、以下の手順により秘密鍵を得る。

まず、受信機１１０は、上記構成により送信機１００から送出され、光伝送路１０７を経たパルスから光子を検出する。この際、受信機１１０は、光子を検出した時刻と光子検出器（１１５または１１６）を、制御部（図示しない）により内蔵の記憶手段（図示しない）に記録する。所定の数の光子が受信された後、受信機１１０は、通信手段（図示しない）と所定の通信路（図示しない）を介して、送信機１００に対して光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。

送信機１００は、受信機１１０から通知された光子検出時刻と送信機自身の有する位相変調データとから、第１の検出器１１５または第２の光子検出器１１６のいずれで光子を検出したのかを受信機１１０が知ることができる。

そこで、第１の光子検出器１１５で光子を検出した場合をビット「０」、第２の光子検出器１１６で光子を検出した場合をビット「１」と予め取り決めておけば、送信器１００と受信機１１０は、双方で同じビット列を得ることができる。

上記手順においては、受信機１１０から送信機１００へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機１１０の外部に出ることはなく、盗聴させることはない。

上記鍵配送システムを実施するには、光子１つを検出可能な光子検出器を必要である。このような光子検出器には、通常、高いバイアス電圧が印加されたアバランシェ・フォト・ダイオード（Avalanche-Photo-Diode:ＡＰＤ）が用いられる。しかしながら、ファイバ通信波長帯（１．３−１．５μｍ帯）用のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの性能が良くなく、特に、いったん光子を検出した後に、その検出の影響のため、続けて誤検出するアフターパルスと呼ばれる現象が、システム性能の劣化要因となっている。そこで、このアフターパルスの発生を避けるために、通常、時間間隔を空けて間欠的に高いバイアス電圧を印加するゲート動作モードでＡＰＤを使用している。ゲート動作の繰り返し周波数の上限は数ＭＨｚであって、この上限よりも高い周波数では、アフターパルスによる誤検出率が増大する。このため、このＡＰＤのゲート周波数の上限が、鍵配送システムの鍵生成レートを制限する要因となっている。

一方、短波長帯（０．５−０．８μｍ）で動作するＳｉ−ＡＰＤは、光子検出効率／雑音特性ともに優れた性能を有する。アフターパルスの発生確率も小さく、そのためゲート動作させる必要がない。この特性を通信波長帯光子の検出に利用できれば、量子鍵配送システムの鍵生成レートを大幅に向上することができ得る。そこで、通信波長帯光子を短波長帯に波長変換して、これをＳｉ−ＡＰＤで検出する光子検出器の研究が近年進められている（非特許文献２）。

図２は、このような波長変調型光子検出器の基本構成を示す。光合波器２０１により波長１．５μｍの信号光子を波長１．３μｍのポンプ光と合波して、光非線形素子２０２に入力する。光非線形素子２０２では、光パラメトリック相互作用と呼ばれる光のミキシング現象により、波長１．５μｍの信号光子が（１／１．５＋１／１．３)^‐1＝０．７μｍという波長の光子に変換される。この波長変換された光子（波長変換光子）を光フィルタ（ポンプ光阻止フィルタ）２０３で取り出し、Ｓｉ−ＡＰＤ２０４で検出する。これにより、１．５μｍの信号光子をゲート動作させることなく、Ｓｉ−ＡＰＤ２０４で検出することができ、量子鍵配送システムの鍵生成レートを高めることができる。

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 C. Langrock, E. Diamanyi, R. V. Roussev, Y. Yamamoto, M. M. Fejer, H. Takesue,「Highly efficient single-photon detection at communication wavelength by use of upconversion in reverse-proton-exchanged periodically poled LiNbO3 waveguide」、2005年、Optics Letters, vol.30, pp.1725-1727

上述したような波長変換型光子検出器は、非ゲート動作が可能という利点がある一方、偏波依存性があるという欠点を有する。光非線形素子２０２内で起こる光パラメトリック相互作用の効率は、ポンプ光と信号光光子の偏波状態に依存する。そのため、光子検出器としての検出効率が信号光子の偏波状態に依存することになる。信号光子は光ファイバ（例えば、光伝送路１０７）を伝搬してきており、その偏波状態は伝送環境により変動する。これに対処するためには、信号光子の光子検出器への入力偏波状態を一定とする制御系が必要となり、そのために伝送装置が複雑化する。

本発明の目的は、上記のような課題を解決するために、波長変換型光子検出器を使用しつつ、信号光の複雑な偏波制御を必要としない量子鍵配送システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、送信機および受信機を備える量子鍵配送システムにおいて、前記送信機は、一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、前記光源から送出された前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、前記位相変調器で位相変調された光パルス列を、１パルスごとに直交する２つの偏波状態として交互に出力する偏波変調手段と、前記偏波変調手段から出力された光パルス列を、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、を備えており、前記受信機は、前記送信機の前記減衰手段から送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、前記第１の光パルス列を、前記送信機から送られた光パルス列の時間間隔の２倍の時間だけ遅延させる遅延手段と、前記遅延手段により遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波し、合波後の光パルスを生成する光合波手段と前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を２パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差が０である場合に、光子を検出する第１の光子検出手段と、前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を２パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差がπである場合に、光子を検出する第２の光子検出手段と、前記第１と第２の光子検出手段のうち光子を検出した光子検出手段とその検出時刻とを記録する記録手段とを備えていることを特徴とする。

ここで、前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列を分岐し、分岐された一方のパルス列の時間間隔の半分だけ遅延させ、かつ直交する偏波状態に変換し、その変換されたパルス列と分岐された他方のパルス列とを合波することを特徴とすることもできる。

また、前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列の偏波状態に対して早軸、遅軸が４５度になるように配置された複屈折素子を含むことを特徴とすることもできる。

また、前記送信機は、所定の長さの光パルス列を前記受信機に送信し、前記受信機は、光子を検出した光子検出時刻を前記送信機へ通知し、前記送信機は、自身の位相変調データと前記受信機から受信した前記光子検出時刻とから、前記第１と第２の光子検出手段のうちいずれの光子検出手段が光子を検出したかを判定し、前記送信機と前記受信機は、光子を検出した事象について、前記第１の光子検出手段による光子検出であればビット「０」を、前記第２の光子検出手段による光子検出であればビット「１」を、付与し、その結果得られた共通のビット値を秘密鍵ビットとする、ことを特徴とすることができる。

上記構成により、本発明によれば、偏波依存性のある光子検出器を用いる量子鍵配送システムにおいて、偏波状態の乱れを正すために、光パルスの偏光と合波をコンロトールしているので、複雑な偏波制御をすることなく、簡便に偏波状態の影響を除けることができ、安定な鍵生成動作を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示す。図３において、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、偏波変調器３０３、減衰手段３０４、および制御部（ＣＰＵ１）３０５を備える。

光源３０１は、位相変調器３０２に接続されている。位相変調器３０２は偏波変調器３０３に接続され、さらに偏波変調器３０３は減衰手段３０４に接続されている。すなわち、光源３０１と減衰手段３０３の間には、位相変調器３５２と偏波変調器３０３が存在する。

制御部３０５は、送信機３００の全体の主制御を行うＣＰＵ（中央制御ユニット）である。また、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、偏波変調器３０３、減衰手段３０４、および制御部３０５の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）の他、各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用するＲＡＭ等のメモリ（図示せず）を備える。このような構成により、制御部３０５は、送信機３００全体の主制御を行うことができる。

送信機３００の光源３０１は、一定の時間間隔Ｔで光パルス列を送出する。この光パルス列は位相変調器３０２に入力される。

位相変調器３０２は、光源３０１から入力された光パルス列に含まれる各パルスを０またはπで位相変調した後、その光パルス列を偏波変調器３０３に受け渡す。すなわち、位相変調器３０２から出力される光パルス列に含まれるパルスのそれぞれの位相は、０またはπである。

偏波変調器３０３は、入力された光パルスを、パルスごとに交互に、直交する２つの偏波状態として変調した後、その変調した偏波状態の光パルス列を減衰手段３０４に受け渡す。これにより、例えば、奇数番目のパルスは縦偏波状態（Ｖ）、偶数番目は横偏波状態（Ｈ）、というような光パルス列が減衰手段３０４へと出力される。

減衰手段３０４は、例えば、ＮＤフィルタ（Neutral Density Filter：減光フィルタ）等、レーザ光などの光源から入射される光を大きく減衰させるための手段であれば、いずれのものを用いても構わない。本発明では、パルス当り平均１光子未満の光パルス列を送信機３００から送出するが、パルス当り光子未満の光パルス列は、通常のレーザ光を大きく減衰させ、平均光子数１未満という状態を実現することができる。

より詳細に説明すると、「パルス当り１光子未満の光パルス列」とは、所定の数の光パルス列であって、光子の数がパルスの数よりも少ない状態のことを指す。

その後、送信機３００は、減衰手段３０４を通った光パルス列３０６を受信機３１０に対して光伝送路３０７を介して送出する。

光検出装置としての受信機３１０は、光分岐手段（Ｃ１）３１１、長経路３１２、短経路３１３、２×２合波カップラ（Ｃ２）３１４、第１の光子検出器（光子検出器１）３１５、第２の光子検出器（光子検出器２）３１６、および制御部（ＣＰＵ２）３１７を備える。第１の光子検出器３１５と第２の光子検出器３１６は、例えば上述した図２の構成のような波長変調型光子検出器を適用することができる。

光分岐手段３１１は、長経路３１２および短経路３１３に接続されている。２×２合波カップラ３１４は、入力端子および出力端子がそれぞれ２つずつ備わっていて、その入力端子は長経路３１２および短経路３１３に接続されており、その出力端子は第１の光子検出器３１５および第２の光子検出器３１６に接続されている。

２×２合波カップラ３１４は、一方の入力端子で長経路３１２からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路３１３からの光パルス列を受信する。その後、２×２合波カップラ３１４は、２つの光パルス列の位相差が０の場合には、一方の出力端子から第１の光子検出器３１５に光子を出力し、位相差がπの場合には、他方の出力端子から第２の光子検出器３１６に光子を出力する特性を有している。

受信機３１０については、受信機側の制御部３１７が受信機全体３１０の主制御を行う。制御部３１７の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）や送信機３００が有するメモリと同様の機能を果たすメモリ（図示せず）を有する点も送信機３００と同様である。

受信機３１０へ入力された光パルス列３０６は、光分岐手段３１１により長経路３１２および短経路３１３にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐される。長経路３１２に分岐された光パルス列は、一定の遅延時間だけ遅延させられた後、２×２光合波カップラ３１４で短経路３１３を通った光パルス列と再び合波される。ここで、上記の一定の遅延時間は、図３に示すように、入力された光パルス列３０６のパルス間隔Ｔの２倍に等しいものとする。

以上の構成の下、送信機３００は、０またはπで任意に位相変調した一定間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列を、パルス当り平均１個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で光伝送路３０７に送出する。

以下の説明では、説明の便宜上、上記条件で説明するが、本発明を上記条件に限定するという意図ではない。

受信機３１０は、送信機３００から光伝送路３０７を経由して伝送されてきた光パルス列３０６を、光分岐手段３１１によって受け取る。光分岐手段３１１により長経路３１２および短経路３１３にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐された光パルス列は、２×２合波カップラ３１４で合波される。その合波された光パルス列は、後述するようにパルス間の位相差に従って第１の光子検出器３１５、または第２の光子検出器３１６によって検出される。

上記のような受信機３１０の回路を構成すると、受信機３１０の２×２合波カップラ３１４では、図４に示すように、１つ置きのパルス（奇数番目のパルス同士／偶数番目のパルス同士）が重なり合う。図４において、Ｖは光パルスの縦偏波状態、Ｈは光パルスの横偏波状態を表している。すなわち、送信機３００から送出された光パルス列３０６の各パルスは一定の時間間隔Ｔで送出されており、また長経路３１２を通った光パルス列は一定の時間間隔２Ｔだけ遅延しているので、長経路３１２を通った光パルス列をちょうど２パルス分遅延した状態で、短経路３１３を通った光パルス列と合波される。また、送信機３００から送出された光パルス列３０６は１パルスごとに直交する偏波状態で送出されているので、１つ置きのパルス同士は同じ偏波状態である。したがって、重なり合ったパルスは干渉を起こす。

上記の２×２合波カップラ３１４での合波による干渉の結果、パルス間の位相差が０ならば第１の光子検出器３１５が光子を検出し、パルス間の位相差がπならば第２の光子検出器３１６が光子を検出する。ただし、送信機３００から送信された光は、パルス当り平均１個光子未満なので、光子が検出されるのは稀である。

受信機３１０の制御部３１７は、光子検出器から光子を検出したという信号を得た場合、受信機３１０が予め備えるメモリなどの記憶手段（図示せず）に、光子を検出した時刻（光子検出時刻）を格納する。

図４では、図３で説明した光パルス列３０６が送信された場合の受信パルスの重なり具合を示しており、右斜線長方形（１、３、５）と左斜線長方形（２、４、６）のパルスが示されているが、右斜線長方形は縦偏波（Ｖ）で送信されたパルスを表わし、左斜線長方形は横偏波（Ｈ）で送信されたパルスを表わしている。なお、光伝送路３０６のファイバ伝送中に偏波状態は変化しており、受信機３１０への入力状態は縦・横偏波であるとは限らないが、両者が直交関係にあることはファイバ伝送後も保持されている。

上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機３００と受信機３１０は共通のビットを得る。なお、共通のビットを得る手順についても、上述したように、制御部３０５，３１７が、対応する送信機３００および受信機３１０をそれぞれ制御して行う。
（１）送信機３００は、光伝送路３０７を介して受信機３１０に所定の長さの光パルス列３０６を送信する。
（２）受信機３１０は、光子を検出した時間スロット（光子検出時刻）を所定の通信路３０８を介して送信機３００に通知する。通信路３０８としては任意の通信路が利用でき、光伝送路とは限らず、無線、有線のいずれの通信網でもよい。
（３）送信機３００は、自身の位相変調データと受信機３１０から受信した光子検出時刻とから、受信機３１０において第１の光子検出器３１５または第２の光子検出器３１６のいずれの光子検出器が光子を検出したのかを判定する。
（４）送信機３００と受信機３１０は、光子を検出した事象について、それぞれ第１の光子検出器３１５による光子検出であればビット「０」を、第２の光子検出器３１６による光子検出であればビット「１」を、付与する。その際、光子を検出した光子検出器はすでに確定しているので、送受信機３００，３１０は同じビット値を得ることになる。このビット値を秘密鍵ビットとする。

以下、本実施形態において、使用する光子検出器の検出効率が信号光偏波に依存している場合でも、偏波制御することなく安定システム動作が得られることを説明する。

一般に偏波状態は、２次元の複素単位ベクトルで表わされる。ここで、光子検出器は、ｅ₁という偏波状態の光を検出するが、この光と直交するｅ₀という偏波状態の光に対して感度がないものとする。ｅ₁とｅ₀の両者が直交偏波関係であることは、式の上では、
（ｅ₁ ^*・ｅ₀）＝０
または
（ｅ₀ ^*・ｅ₁）＝０
と表わされる。ただし、（・）はベクトルの内積、^*は複素共役である。

これに対し、信号光は、奇数番目のパルスがｅ_Vという偏波状態、奇数番目のパルスがｅ_Hという偏波状態であるとする。ファイバ伝送後も直交関係は保たれるので、
（ｅ_V ^*・ｅ_H）＝０
または
（ｅ_H ^*・ｅ_V）＝０
である。ここで、一般に｛ｅ_V、ｅ_H｝は｛ｅ₁、ｅ₀｝により次のように表わすことかができる。

θ，φは、ファイバ伝送中の偏波状態の変化の仕方によって決まる定数であるが、上の表式によりθ，φによらず、｛ｅ_V、ｅ_H｝と｛ｅ₁、ｅ₀｝はそれぞれ直交関係が成り立つことが表わされている。

信号光が光子検出器（３１５または３１６）に入力されると、検出感度のある偏波状態ｅ₁と重なり合う偏波成分が光子検出される。偏波の重なり具合は、定量的に｜（ｅ_V ^*・ｅ₁）｜²と、｜（ｅ_H ^*・ｅ₁）｜²とで表わされる。それが絶対値二乗であるのは、観測にかかるのは振幅ではなくて強度（光強度）であるためである。上記の式（１）を用いると、偏波の重なり度は、奇数番目のパルスに対して
｜（ｅ_V ^*・ｅ₁）｜²＝cos²θ
偶数番目のパルスに対して
｜（ｅ_H ^*・ｅ₁）｜²＝sin²θ
となる。

上の考察は、光子検出器３１５，３１６の検出効率は、奇数番目のパルス同士の干渉に対してはcos²θに比例した値、偶数番目のパルス同士の干渉に対してはsin²θに比例した値、となることを示している。両者を足し合わせると、
cos²θ＋sin²θ＝１
となり、θには依存しない値となる。このことは、奇数番目のパルス同士の干渉が光子検出器で検出される確率と、偶数番目のパルス同士の干渉が光子検出器で検出される確率との合計をとると、必ず一定となることを示している。すなわち、ファイバ中の偏波変動には依存しない信号検出を行うことができる。

したがって、本実施形態は奇数番目のパルス同士の干渉の光子検出信号と偶数番目のパルス同士の干渉の光子検出信号とを用いて、鍵生成を行っているので、本実施形態により、偏波制御をすることなく、安定した鍵生成動作を達成できる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成を示す。本実施形態のシステム全体の構成は図３の第１の実施形態と同様であるが、送信機において交互に直交である偏波状態のパルス列を作り出す手段が異なっている。

図５に示すように、送信機３００の光源３０１は、一定の時間間隔２Ｔで光パルス列を送出し、この光パルス列は位相変調器３０２に入力される。位相変調器３０２は、光源３０１から入力された光パルス列に含まれる各パルスを０またはπで位相変調する。すなわち、位相変調器３０２から出力される光パルス列５０１に含まれるパルスのそれぞれの位相は、０またはπである。

位相変調器３０２からの出力光は、光分岐手段５０２により長経路５０３および短経路５０４にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐される。長経路５０３に分岐された光パルス列は、偏波回転素子５０５により偏波状態を直交状態に変換され、さらに光源３０１からのパルス列の時間間隔の１／２、すなわちＴだけ遅延させられた後、偏波ビームスプリッタ５０６で短経路５０４を通った光パルス列と再び合波される。

偏波ビットスプリッタ５０６への入力においては、長経路５０３を通った光パルスの偏波状態と短経路５０４を通った光パルス列の偏波状態は直交している。偏波ビームスプリッタ５０６では、この２つのパルス列が同一経路５０７へと合波される。これにより、偏波ビームスプリッタ５０６からは、長経路５０３を経由してきた光パルス列と短経路５０４を経由してきた光パルス列が、直交する偏波状態として出力される。さらに、時間間隔２Ｔのパルス列が時間Ｔだけ遅延されて合波されているので、時間間隔がＴ、かつ奇数番目のパルス（Ｖ）と偶数番目のパルス（Ｈ）とが直交偏波状態である光パルス列５０８が偏波ビームスプリッタ５０６から出力される。

偏波ビームスプリッタ５０６からの出力５０８は、減衰手段３０４へ入力される。減衰手段３０４から以後の構成と動作は第１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成を示す。本実施形態のシステム全体の構成は図３の第１の実施形態と同様であるが、送信機において交互に直交する偏波状態であるパルス列を作り出す手段が、第１の実施形態及び第２の実施形態とは異なっている。

図６に示すように、送信機３００の光源３０１は、一定の時間間隔２Ｔで光パルス列を送出し、その光パルス列は位相変調器３０２に入力される。位相変調器３０２は、光源３０１から入力された光パルス列に含まれる各パルスを０またはπで位相変調する。すなわち、位相変調器３０２から出力される光パルス列６０１に含まれるパルスのそれぞれの位相は、０またはπである。

位相変調器３０２からの出力光は、複屈折素子６０２に入力される。ここで、複屈折素子６０２の２つの屈折率軸（早軸と遅軸）に対して、入力パルス列６０１の偏波状態は斜め４５°であるように設定する。すると、複屈折素子６０２内では、光は早軸成分と遅軸成分とに分かれて伝播する。早軸と遅軸とでは、屈折率が異なり、したがって伝搬速度が異なる。早軸と遅軸の屈折率差及び複屈折素子６０２の長さが適切であれば、伝搬速度の違いにより、早軸成分と遅軸成分の伝搬時間差を、入力パルス列６０１の時間間隔の半分すなわち、Ｔとすることができる。その早軸成分と遅軸成分とは、偏波状態が直交しているので、これにより、複屈折素子６０２からは時間間隔がＴ、かつ奇数番目と偶数番目のパルスが直交偏波状態である光パルス列６０３が出力される。

複屈折素子６０２からの出力は、減衰手段３０４へ入力される。減衰手段３０４から以後の構成と動作は第１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

（その他の実施形態）
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。

従来技術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構成図である。本発明で利用可能な公知の波長変調型光子検出器の基本構成を示す構成図である。本発明の第１の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成図である。図３で説明したパルスが送信された場合の受信パルスの重なり具合を示すタイミング図である。本発明の第２の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成図である。本発明の第３の実施形態に係る量子鍵配送システムにおける送信機の構成図である。

符号の説明

１００送信機
１０６パルス列
１０７光伝送路
１１０受信機
１１１光分岐手段
１１２長経路
１１３短経路
１１４２×２合波カップラ
１１５第１の光子検出器（光子検出器１）
１１６第２の光子検出器（光子検出器２）
２０１光合波器
２０２光非線形素子
２０３光フィルタ（ポンプ光阻止フィルタ）
２０４Ｓｉ−ＡＰＤ
３００送信機
３０１光源
３０２位相変調器
３０３偏波変調器
３０４減衰手段
３０５制御部（ＣＰＵ１）
３０６光パルス列
３０７光伝送路
３１０受信機
３１１光分岐手段（Ｃ１）
３１２長経路
３１３短経路
３１４２×２合波カップラ（Ｃ２）
３１５第１の光子検出器（光子検出器１）
３１６第２の光子検出器（光子検出器２）
３１７制御部（ＣＰＵ２）
３１８通信路
５０１光パルス列
５０２光分岐手段
５０３長経路
５０４短経路
５０５偏波回転素子
５０６偏波ビームスプリッタ
５０７経路
５０８光パルス列
６０１光パルス列
６０２複屈折素子
６０３光パルス列

Claims

送信機および受信機を備える量子鍵配送システムにおいて、
前記送信機は、
一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、
前記光源から送出された前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、
前記位相変調器で位相変調された光パルス列を、１パルスごとに直交する２つの偏波状態として交互に出力する偏波変調手段と、
前記偏波変調手段から出力された光パルス列を、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、
を備えており、
前記受信機は、
前記送信機の前記減衰手段から送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、
前記第１の光パルス列を、前記送信機から送られた光パルス列の時間間隔の２倍の時間だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波し、合波後の光パルスを生成する光合波手段と
前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を２パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差が０である場合に、光子を検出する第１の光子検出手段と、
前記光合波手段で生成された光パルスの、前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を２パルス分シフトしたパルス間の相対的位相差がπである場合に、光子を検出する第２の光子検出手段と、
前記第１と第２の光子検出手段のうち光子を検出した光子検出手段とその検出時刻とを記録する記録手段と
を備えていることを特徴とする量子鍵配送システム。
前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列を分岐し、分岐された一方のパルス列の時間間隔の半分だけ遅延させ、かつ直交する偏波状態に変換し、その変換されたパルス列と分岐された他方のパルス列とを合波することを特徴とする請求項１に記載の量子鍵配送システム。
前記偏波変調手段は、前記位相変調器からの光パルス列の偏波状態に対して早軸、遅軸が４５度になるように配置された複屈折素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の量子鍵配送システム。
前記送信機は、所定の長さの光パルス列を前記受信機に送信し、
前記受信機は、光子を検出した光子検出時刻を前記送信機へ通知し、
前記送信機は、自身の位相変調データと前記受信機から受信した前記光子検出時刻とから、前記第１と第２の光子検出手段のうちいずれの光子検出手段が光子を検出したかを判定し、
前記送信機と前記受信機は、光子を検出した事象について、前記第１の光子検出手段による光子検出であればビット「０」を、前記第２の光子検出手段による光子検出であればビット「１」を、付与し、その結果得られた共通のビット値を秘密鍵ビットとする、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の量子鍵配送システム。