JP2009088916A - Quantum authenticating method, quantum authentication system and quantum authenticating device - Google Patents

Quantum authenticating method, quantum authentication system and quantum authenticating device Download PDF

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JP2009088916A JP2007255159A JP2007255159A JP2009088916A JP 2009088916 A JP2009088916 A JP 2009088916A JP 2007255159 A JP2007255159 A JP 2007255159A JP 2007255159 A JP2007255159 A JP 2007255159A JP 2009088916 A JP2009088916 A JP 2009088916A
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Masanao Ozawa
正直 小澤
Masahiro Hotta
昌寛 堀田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform authentication without depositing a classic password with a certificate authority. <P>SOLUTION: One quantum bit stream of a pair of quantum bits being in a first Bell state is stored in a first quantum bit holder 1, the other quantum bit stream is stored in a second quantum bit holder 6, a converting part 21 converts a Bell state into a second Bell state being non-orthogonal state from the original Bell state by making a binary bit stream active to the one quantum bit stream, an inputting quantum password bit stream generating part 3 generates a quantum bit stream in a non-orthogonal state corresponding to a bit value of the binary bit stream, and performs unitary conversion processing of the converted quantum bit stream, the quantum bit stream in the non-orthogonal quantum state and the other quantum bit stream to thereby reproduce a pair of reproduced quantum bit streams in a third Bell state, a measuring part 71 measures whether the third Bell state coincides with the first Bell state, and when the measuring part 71 measures that they are coincident, an authenticating part 52 authenticates correctness. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子認証方法,量子認証システム及び量子認証装置に関し、例えば、量子暗証番号を用いた認証方法、量子暗証番号を用いた認証システム、携帯型量子ビットホルダー、量子ビットホルダー、ベル状態量子ビット変換装置、入力用量子暗証番号ビット列生成装置、通信路端末機、鍵開錠装置、認証装置、鍵閉錠装置及び初期化装置などの量子ビット対を利用した量子認証に用いて好適な技術に関する。   The present invention relates to a quantum authentication method, a quantum authentication system, and a quantum authentication device. For example, an authentication method using a quantum password, an authentication system using a quantum password, a portable qubit holder, a qubit holder, and a bell state quantum Technology suitable for quantum authentication using a qubit pair such as a bit conversion device, an input quantum PIN number bit string generation device, a communication channel terminal, a key unlocking device, an authentication device, a key locking device, and an initialization device About.

インターネット及び電子商取引の普及が進み、通信の秘密保持、改竄防止や個人認証などに利用できる暗号技術の進歩が望まれている。現在における主な認証技術には、例えば、0及び1のビット列で構成される古典的な暗証番号(認証情報)や個人情報などを用いたものがあるが、古典的な認証情報は容易に複製可能であるため、様々な盗聴攻撃に対して脆弱であった。   With the spread of the Internet and electronic commerce, advances in cryptographic techniques that can be used for maintaining confidentiality of communication, preventing falsification, and personal authentication are desired. Currently, the main authentication technology uses, for example, a classic password (authentication information) composed of 0 and 1 bit strings, personal information, etc., but classical authentication information can be easily duplicated. Because it is possible, it was vulnerable to various eavesdropping attacks.

そこで、認証情報を伝送する通信路などにおいて、計算量的安全性に基づく暗号化処理を施すことにより盗聴攻撃などに備えている。
このような暗号化技術は、原理的レベルでその安全性が証明されているわけではなく、計算量的安全性に基づくものである。ところが、近年、これまでの古典計算機の性能をはるかに超える量子計算機のアイデアが提案されており、計算量的安全性に基盤を置く古典的な暗号化技術の安全性は揺らぐこととなった。
Therefore, an encryption process based on computational security is applied to a communication path for transmitting authentication information, thereby preparing for an eavesdropping attack.
Such encryption technology is not proven to be secure at the principle level, but is based on computational security. However, in recent years, the idea of a quantum computer that far exceeds the performance of the classical computer has been proposed, and the security of the classical encryption technology based on computational security has been shaken.

加えて、従来の暗号化技術は、古典的情報である認証情報を認証機関に預ける必要があるために、認証機関での不正やウィルスソフトなどにより上記認証情報が漏洩した場合、安全性を保つことが困難である。
このように、認証情報が古典的な情報である場合、その情報を容易に複製することが可能(複製可能性)であり、また、複製されたことを検出することが不可能(複製検知不可能性)であるため、原理的には情報漏洩を防止することができない。
In addition, the conventional encryption technology requires the authentication information, which is classical information, to be stored in the certification body. Therefore, if the authentication information is leaked due to fraud in the certification body or virus software, the security is maintained. Is difficult.
In this way, when the authentication information is classical information, it is possible to easily duplicate that information (replication possibility), and it is impossible to detect that it has been duplicated (duplication detection failure). In principle, information leakage cannot be prevented.

これらの課題を克服するため、近年、人間の指紋、静脈、虹彩、顔、音声等を用いた生体認証が提案されている。しかし、原理的に本人であるにも関らず本人ではないと誤認識したり、他人であるにも関らず本人であると誤認識したりすることがある。また、ゼラチンで作った人工指で多くの指紋認証システムを通過できたり、紙で作った人工虹彩で虹彩認証システムを通過できたりする可能性もある。さらに、生体認証には、怪我や病気などによって認証を受けられなくなったり、対象者の成長などにより認識できなくなったりすることもある。また、生体情報は生涯不変であるために、一度、生体情報が複製されてしまうと、一生、その安全性を回復できなくなるなど、安全性上の課題が指摘されている。   In order to overcome these problems, biometric authentication using human fingerprints, veins, irises, faces, voices, and the like has recently been proposed. However, in principle, the person may be mistakenly recognized as not being the person himself / herself, or may be mistakenly recognized as being the person himself / herself despite being a different person. There is also a possibility that an artificial finger made of gelatin can pass through many fingerprint authentication systems, or an artificial iris made of paper can pass through an iris authentication system. Furthermore, biometric authentication may be unable to be authenticated due to injuries or illnesses, or may not be recognized due to the growth of the subject. In addition, since biological information is invariant throughout the life, safety issues have been pointed out, such as once biological information is replicated, its safety cannot be recovered for a lifetime.

また、認証カードなどを用いた認証方法においても、やはり認証機関が古典的な情報を保有するため、認証機関からの情報漏洩が発生する可能性がある。
さらに、クレジットカードのスキミングや偽造などの課題もある。これらの課題に対しては、磁気情報カードよりも複製が困難なICカードなどを使用することが考えられるが、ICカードの中にも古典的情報が記憶されているため、やはり原理的には認証情報の複製を禁止することはできず、攻撃者の技術が高ければ暗号化が破られる可能性がある。
Also in the authentication method using an authentication card or the like, since the certification authority still holds classical information, there is a possibility that information leakage from the certification authority may occur.
In addition, there are issues such as credit card skimming and counterfeiting. To deal with these problems, it is conceivable to use an IC card that is more difficult to duplicate than a magnetic information card. However, since classical information is also stored in the IC card, in principle, Copying authentication information cannot be prohibited, and encryption can be broken if the attacker's technology is high.

そのため、古典的情報を用いた暗号化技術に代わる技術として量子認証技術が提案されている。
例えば、通信路における盗聴攻撃に対しては、量子鍵配送という技術がある。この技術を用いると盗聴を検知することが可能となる。
また、クレジットカードのスキミング及び偽造に対しては、量子クレジットカード(量子認証カード)が提案されている。量子クレジットカードに書き込まれた情報は、量子複製不可能定理によって原理的に複製されることがない。
For this reason, quantum authentication technology has been proposed as an alternative to encryption technology using classical information.
For example, there is a technique called quantum key distribution for an eavesdropping attack on a communication path. Using this technique, it is possible to detect eavesdropping.
Further, quantum credit cards (quantum authentication cards) have been proposed for credit card skimming and counterfeiting. The information written in the quantum credit card is not duplicated in principle by the quantum duplication impossible theorem.

例えば、下記非特許文献1には、量子もつれの関係にある量子ビット対を量子認証カードと認証機関とで分配共有して認証を行なう方法が提案されている。
また、下記非特許文献2には、量子認証カードと量子ATM(現金自動預け払い機:Automated Teller Machine)とを用いた認証方法が提案されている。即ち、0及び1の古典的な情報ビットで構成される暗証番号を銀行に保管させ、直交するベル状態で書き込まれた暗証番号を量子形態で量子認証カードと銀行とで共有し、量子認証カードの認証時に量子状態を測定して古典的暗証番号を読み取り、読み取った暗証番号と、銀行が保管する古典的暗証番号とを比較する方法が開示されている。
For example, the following Non-Patent Document 1 proposes a method of performing authentication by distributing and sharing a qubit pair having a entangled relationship between a quantum authentication card and an authentication authority.
Non-Patent Document 2 below proposes an authentication method using a quantum authentication card and a quantum ATM (Automated Teller Machine). In other words, the PIN code composed of classical information bits of 0 and 1 is stored in the bank, and the PIN code written in the orthogonal bell state is shared in quantum form between the quantum authentication card and the bank, and the quantum authentication card A method is disclosed in which a quantum code is measured at the time of authentication, a classic password is read, and the read password is compared with a classic password stored by a bank.

さらに、下記特許文献1には、量子錠チップと量子認証カードとを用いた利用者認識方法が提案されている。
また、下記特許文献2には、量子鍵を用いた量子認証カードシステムが提案されている。
特開2003−283493号公報 特開2004−56357号公報 “Quantum secure identification using entanglement and catalysis”, Howard N. Barnum, arXiv: quant-ph/9910072. “Quantum non-demolition measurement of nonlocal variables and its application in quantum authentication”, Cuo-Ping Guo, Chuan-Feng Li and Guang-Can Guo, Physics Letters A286(2001)401-404.
Further, Patent Document 1 below proposes a user recognition method using a quantum lock chip and a quantum authentication card.
In Patent Document 2 below, a quantum authentication card system using a quantum key is proposed.
JP 2003-283493 A JP 2004-56357 A “Quantum secure identification using entanglement and catalysis”, Howard N. Barnum, arXiv: quant-ph / 9910072. “Quantum non-demolition measurement of nonlocal variables and its application in quantum authentication”, Cuo-Ping Guo, Chuan-Feng Li and Guang-Can Guo, Physics Letters A286 (2001) 401-404.

ところが、上述した認証方法には以下のような課題がある。
例えば、上記非特許文献1に記載の技術は、認証を量子認証カードだけに頼っているので、量子クレジットカードが盗難された場合、不正な人物を認証してしまう。
一方、上記非特許文献2,特許文献1及び特許文献2に記載の技術は、銀行に古典的暗証番号を預ける必要があるので、暗証番号が複製されて外部に漏洩する可能性がある。
However, the authentication method described above has the following problems.
For example, since the technique described in Non-Patent Document 1 relies on a quantum authentication card for authentication, an unauthorized person is authenticated when the quantum credit card is stolen.
On the other hand, since the techniques described in Non-Patent Document 2, Patent Document 1 and Patent Document 2 need to deposit a classic password in a bank, the password may be duplicated and leaked to the outside.

また、上記特許文献1に記載の技術では、ユーザは、量子錠チップ及び量子認証カードの双方を携帯する必要があり、また、量子錠チップ及び量子認証カードの双方が偽造された場合には、安全性が保証されないという課題がある。
本発明は、上記の課題に鑑み創案されたもので、少なくとも古典的暗証番号を認証機関に預けることなく、認証を行なえるようにすることを目的の一つとする。また、不正な認証を阻止できるようにすることも本発明の他の目的の一つである。
Further, in the technique described in Patent Document 1, the user needs to carry both the quantum lock chip and the quantum authentication card, and when both the quantum lock chip and the quantum authentication card are forged, There is a problem that safety is not guaranteed.
The present invention has been developed in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to enable authentication without depositing at least a classic password to a certification authority. Another object of the present invention is to prevent unauthorized authentication.

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための最良の形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。   In addition, the present invention is not limited to the above-described object, and is an operational effect derived from each configuration shown in the best mode for carrying out the invention described later, and has an operational effect that cannot be obtained by conventional techniques. Can be positioned as one of the purposes.

上記の目的を達成するため、本発明では、下記の量子認証方法,量子認証システム及び量子認証装置等を用いる。
(1)即ち、本発明の量子暗証番号を用いた認証方法は、N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対を用意する用意ステップと、第1の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する収納ステップと、第2の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する保管ステップと、該第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2ベル状態に変換する変換ステップと、入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する生成ステップと、該変換ステップで変換された該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換ステップで変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生ステップと、該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態が該用意ステップで用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定ステップと、該測定ステップで、一致すると測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証ステップとを備える。
In order to achieve the above object, the present invention uses the following quantum authentication method, quantum authentication system, quantum authentication device, and the like.
(1) That is, the authentication method using the quantum PIN of the present invention comprises a preparation step of preparing a pair of qubits consisting of N qubits and a qubit pair in a bell state, and a first quantum A storing step of storing one qubit string of the qubit pair in the bit holder; and a storing step of storing and storing the other qubit string of the qubit pair in the second qubit holder; And 0 and 1 for two qubit strings formed by the one qubit string stored in the first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, A conversion step for converting a portion corresponding to a portion having a true N-bit PIN number bit string value of 1 into a second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state; According to the value of the N-bit code number bit string, a generation step of generating an input quantum code number bit string by replacing the input N-bit code number bit string with a non-orthogonal quantum state bit string, and the conversion step For the qubit string in the first qubit holder, the qubit string in the second qubit holder converted in the conversion step, and the input quantum password bit string generated in the generation step A reproduction step of performing unitary transformation processing to reproduce a reproduction qubit pair in a bell state, which is a pair of reproduction qubits composed of N reproduction qubits, and the reproduction quantum reproduced in the reproduction step. A measuring step for measuring whether the bell state of the bit pair matches the bell state of the qubit pair prepared in the preparing step; If it is determined in the step that they match, the use by the first qubit holder is authenticated, and if it does not match, the use by the first qubit holder is not valid. And an authentication step for authenticating.

(2)また、本発明の量子暗証番号を用いた認証方法は、認証部と、量子ビットを収納する携帯型第1の量子ビットホルダーと、量子ビットを収納して保管し該認証部に保管している量子ビットを供給しうる第2の量子ビットホルダーと、該認証部と量子通信路を介して接続されるとともに該携帯型第1の量子ビットホルダーをセットして該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている量子ビットを該認証部へ送信しうる通信路端末機と、該通信路端末機に付設された入力用暗証番号量子ビット生成部と、鍵開錠部とを備えた認証システムにおいて、量子暗証番号を用いた認証を行なうに際し、N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対を用意する用意ステップと、該携帯型第1の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する収納ステップと、該第2の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する保管ステップと、該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2ベル状態に変換する変換ステップと、該入力用暗証番号量子ビット生成部にて、入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する生成ステップと、該変換ステップで変換された量子ビット列を収納する該携帯型第1の量子ビットホルダーを該通信路端末機にセットし、該通信路端末機から該変換ステップで変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを該量子通信路を介して該認証部に送信する送信ステップと、該鍵開錠部において、該変換ステップで変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換ステップで変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生ステップと、該認証部において、該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態が該用意ステップで用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定ステップと、該測定ステップで、一致すると測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証ステップとを備える。   (2) Further, the authentication method using the quantum personal identification number of the present invention includes an authentication unit, a portable first qubit holder that stores a qubit, and stores and stores the qubit and stores it in the authentication unit. A second qubit holder capable of supplying the qubit being connected to the authentication unit and a quantum communication channel, and the portable first qubit holder is set to the portable first qubit holder. A communication channel terminal capable of transmitting a qubit stored in a qubit holder to the authentication unit, an input password qubit generation unit attached to the communication channel terminal, and a key unlocking unit In the authentication system, when performing authentication using the quantum personal identification number, a preparation step of preparing a qubit pair in a bell state, which is a pair of qubits composed of N qubits, and the portable first Qubit A storage step of storing one qubit string of the qubit pairs in a folder; and a storing step of storing and storing the other qubit string of the qubit pairs in the second qubit holder; , With respect to two qubit strings formed by the one qubit string stored in the portable first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, A conversion step of converting a portion corresponding to a portion of a true N-bit password number bit string consisting of 1 into a second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state, and the input password number qubit The generating unit replaces the input N-bit PIN code bit sequence with a non-orthogonal quantum state quantum bit sequence according to the value of the input N-bit PIN code bit sequence, A generation step for generating a number bit string, and the portable first quantum bit holder storing the quantum bit string converted in the conversion step are set in the communication path terminal, and the conversion path terminal performs the conversion step. A transmitting step of transmitting the converted quantum bit string in the portable first quantum bit holder and the input quantum password bit string generated in the generating step to the authentication unit via the quantum communication path; In the key unlocking unit, the qubit string in the portable first qubit holder converted in the conversion step, the qubit string in the second qubit holder converted in the conversion step, and The input quantum PIN code bit string generated in the generation step is subjected to a unitary transformation process to form a reproduction quantum bit string pair consisting of N reproduction quantum bits. A reproduction step for reproducing the reproduction qubit pair in the bell state, and the bell state of the reproduction qubit pair reproduced in the reproduction step in the authentication unit is the bell of the qubit pair prepared in the preparation step. A measurement step for measuring whether or not the state matches, and if the measurement step determines that they match, the use by the portable first qubit holder is verified as valid, and if it does not match, the measurement is performed. If so, an authentication step of authenticating that the use by the portable first quantum bit holder is not valid is provided.

(3)また、上記の量子暗証番号を用いた認証方法において、該認証ステップで使用が正当であると認証された場合に、該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態を、上記第2のベル状態に戻す逆変換を行なう逆変換ステップを備えてもよい。
(4)さらに、該逆変換ステップのあとに、該入力用量子暗証番号ビット列を消去する消去ステップを備えてもよい。
(3) Further, in the authentication method using the quantum password, when it is authenticated that the use is valid in the authentication step, the bell state of the reproduced qubit pair reproduced in the reproduction step is You may provide the reverse conversion step which performs reverse conversion which returns to the said 2nd bell state.
(4) Further, an erasing step of erasing the input quantum code number bit string may be provided after the inverse conversion step.

(5)また、本発明の量子暗証番号を用いた認証システムは、さらに、予め用意されたN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する第1の量子ビットホルダーと、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する第2の量子ビットホルダーと、該第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2のベル状態に変換する変換部と、入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する入力用量子暗証番号ビット列生成部と、該変換部で変換された該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換部で変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する鍵開錠部と、該鍵開錠部で再生された該再生量子ビット対のベル状態が上記の予め用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定部と、該測定部で、一致すると測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証部とを備える。   (5) Moreover, the authentication system using the quantum PIN of the present invention further includes a pair of qubits made up of N qubits prepared in advance and one of the qubit pairs in the bell state. A first qubit holder for storing a qubit string, a second qubit holder for storing and storing the other qubit string of the qubit pair, and a first qubit holder. For the two qubit strings formed by the one qubit string and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, the value of the authentic N bit password bit string consisting of 0 and 1 is 1. A conversion unit that converts the portion corresponding to the portion into another second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state, and the input N bit according to the value of the input N bit password bit string. In the first quantum bit holder converted by the conversion unit, the input quantum code number bit sequence generating unit for generating an input quantum code number bit sequence by replacing the code number bit sequence with a quantum bit sequence in a non-orthogonal quantum state , The quantum bit string in the second quantum bit holder converted by the conversion unit, and the input quantum PIN code bit string generated by the input quantum PIN bit string generation unit, A unitary transformation process, a key unlocking unit for reproducing a reproduction qubit pair in a bell state, which is a pair of reproduction qubits composed of N reproduction qubits, and the key unlocking unit reproduced by the key unlocking unit A measurement unit that measures whether or not the bell state of the reproduction qubit pair matches the bell state of the previously prepared qubit pair, and if the measurement unit measures the match, the first amount With the use by the bit holder is authenticated as a legitimate, if it is determined that they do not match, and an authentication unit for use by the first qubit holder is authenticated not authentic.

(6)また、本発明の量子暗証番号を用いた認証システムは、予め用意されたN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する携帯型第1の量子ビットホルダーと、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する第2の量子ビットホルダーと、該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2のベル状態に変換する変換部と、入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する入力用量子暗証番号ビット列生成部と、該変換部で変換された量子ビット列を収納する該携帯型第1の量子ビットホルダーをセットすることにより、該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを量子通信路を介して送信する通信路端末機と、該量子通信路を介して該通信路端末機に接続され、該変換部で変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換部で変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する鍵開錠部と、該鍵開錠部で再生された上記再生量子ビット対のベル状態が上記の予め用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定部と、該測定部で、一致すると測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証部とを備える。   (6) Further, the authentication system using the quantum PIN of the present invention is a pair of qubits composed of N qubits prepared in advance and is one of the qubit pairs in the bell state. A portable first qubit holder, a second qubit holder that stores and stores the other qubit string of the qubit pair, and a portable first qubit holder. For the two qubit strings formed by the one qubit string and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, the value of the authentic N bit password bit string consisting of 0 and 1 is A conversion unit that converts a portion corresponding to 1 into another second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state, and the input unit according to the value of the input N-bit PIN code bit string. An input quantum code number bit string generation unit for generating a quantum code number bit string for input by replacing the bit code number bit string with a quantum bit string in a non-orthogonal quantum state, and the portable type storing the quantum bit string converted by the conversion unit By setting the first quantum bit holder, quantum communication is performed between the quantum bit string in the portable first quantum bit holder and the input quantum code number bit string generated by the input quantum code number bit string generation unit. A communication channel terminal for transmitting via a channel; a qubit string in the portable first qubit holder connected to the communication channel terminal via the quantum communication channel and converted by the conversion unit; The quantum bit string in the second quantum bit holder converted by the conversion unit, and the input quantum PIN code bit string generated by the input quantum PIN bit string generation unit Then, a unitary conversion process is performed, and a key unlocking unit that reproduces a reproduction qubit pair in a bell state, which is a pair of reproduction qubits composed of N reproduction qubits, and reproduction by the key unlocking unit A measurement unit that measures whether the bell state of the reproduced qubit pair is identical to the bell state of the previously prepared qubit pair; An authentication unit that authenticates that the use by the first type quantum bit holder is valid, and authenticates that the use by the portable first quantum bit holder is not valid if it is determined that the use does not match.

(7)また、上記の量子暗証番号を用いた認証システムにおいて、該認証部で使用が正当であると認証された場合に、該鍵開錠部で再生されたベル状態にある上記再生量子ビット対のベル状態を、上記第2のベル状態に戻す逆変換を行なう鍵閉錠部を備えてもよい。
(8)さらに、該入力用量子暗証番号ビット列を消去する初期化部を備えてもよい。
(9)また、本発明の量子ビットホルダーは、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の第1の量子ビットホルダーであって、N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納するともに、該変換部で変換された量子ビット列を収納する収納部を有する。
(7) In the authentication system using the quantum password, when the authentication unit authenticates use, the reproduced qubit in the bell state reproduced by the key unlocking unit You may provide the key lock part which performs reverse conversion which returns a pair bell state to the said 2nd bell state.
(8) Further, an initialization unit for erasing the input quantum code number bit string may be provided.
(9) The qubit holder of the present invention is the first qubit holder used in the authentication system using the quantum code number, and is a pair of qubits composed of N qubits. In addition, it stores one qubit string in the qubit pair in the bell state and has a storage unit that stores the qubit string converted by the conversion unit.

(10)さらに、本発明の量子ビットホルダーは、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の第2の量子ビットホルダーであって、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する収納保管部を有する。
(11)また、本発明のベル状態量子ビット変換装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の変換部を有する。
(10) Furthermore, the qubit holder of the present invention is the second qubit holder used in the authentication system using the quantum password, wherein the qubit pair of the qubit pair is the other qubit string. A storage unit for storing and storing is provided.
(11) Moreover, the bell state qubit conversion device of the present invention includes the conversion unit used in the authentication system using the quantum password.

(12)さらに、本発明の入力用量子暗証番号ビット列生成装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の入力用量子暗証番号ビット列生成部を有する。
(13)また、本発明の通信路端末機は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記通信路端末機であって、該変換部で変換された量子ビット列を収納する該第1の量子ビットホルダーをセットすることにより、該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを該量子通信路を介して送信する送信部を有する。
(12) Further, an input quantum PIN number bit string generation device according to the present invention includes the input quantum PIN number bit string generation unit used in the authentication system using the quantum password.
(13) Further, the communication path terminal of the present invention is the communication path terminal used in the authentication system using the quantum PIN code, and stores the qubit string converted by the conversion unit. By setting one quantum bit holder, the quantum bit string in the first quantum bit holder and the input quantum password bit string generated by the input quantum password bit string generation unit are connected to the quantum channel. Via a transmission unit.

(14)さらに、本発明の鍵開錠装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記鍵開錠部を有する。
(15)また、本発明の認証装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の測定部および認証部を有する。
(16)さらに、本発明の鍵閉錠装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記鍵閉錠部を有する。
(14) Furthermore, the key unlocking device of the present invention has the key unlocking unit used in the authentication system using the quantum personal identification number.
(15) Moreover, the authentication apparatus of this invention has said measurement part and authentication part used for the authentication system using the said quantum PIN code.
(16) Furthermore, the key locking device of the present invention has the key locking unit used in the authentication system using the quantum personal identification number.

(17)また、本発明の初期化装置は、上記量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記初期化部を有する。
(18)さらに、本発明の量子認証方法は、N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であって第1のベル状態にある量子ビット対の一方の量子ビット列を第1の量子ビットホルダーに保管するとともに、他方の量子ビット列を第2の量子ビットホルダーに保管するステップと、前記第1の量子ビットホルダーにおける前記一方の量子ビット列に対して0,1の組み合わせから成る2値ビット列を作用させて前記2値ビット列の値が1の部分に対応する量子ビットのベル状態を元のベル状態とは非直交な第2のベル状態とするステップと、前記2値ビット列の作用を受けた量子ビット列を前記第1の量子ビットホルダーから取得するとともに、前記2値ビット列の入力を受けてそのビット値に応じた非直交量子状態の量子ビット列を生成するステップと、取得した前記2値ビット列の作用を受けた量子ビット列と、生成した前記非直交量子状態の量子ビット列と、前記第2の量子ビットホルダーにおける前記他方の量子ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生するステップと、前記第3のベル状態が前記第1のベル状態と一致するかどうかを測定するステップと、一致すると測定された場合に、前記第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するステップと、を有する。
(17) Moreover, the initialization apparatus of this invention has the said initialization part used for the authentication system using the said quantum PIN code.
(18) Further, in the quantum authentication method of the present invention, one qubit string of a qubit pair consisting of N qubits in a first bell state is used as the first qubit holder. Storing the other quantum bit string in the second quantum bit holder, and applying a binary bit string consisting of a combination of 0 and 1 to the one quantum bit string in the first quantum bit holder. A step of setting the bell state of the qubit corresponding to the portion of the binary bit string having a value of 1 to a second bell state that is non-orthogonal to the original bell state, and a qubit string subjected to the operation of the binary bit string Is obtained from the first quantum bit holder, and the input of the binary bit string is received to generate a non-orthogonal quantum state quantum bit string corresponding to the bit value. A unitary transformation for the step, the qubit string subjected to the action of the obtained binary bit string, the generated qubit string in the non-orthogonal quantum state, and the other qubit string in the second qubit holder Performing a process of reproducing a reproduction qubit pair of N reproduction qubits and a reproduction qubit pair in a third bell state, wherein the third bell state is the first bell state; Measuring whether it matches the bell state, and authenticating use by the first qubit holder when it is determined to match.

(19)ここで、前記2値ビット列は、前記第1の量子ビットホルダーの使用者が定めた暗証番号に応じたビット列であってもよい。
(20)また、前記2値ビット列は、前記第1の量子ビットホルダーの使用者のバイオメトリクス情報に応じたビット列であってもよい。
(21)さらに、本発明の量子認証装置は、N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であって第1のベル状態にある量子ビット対の一方の量子ビット列に対して0,1の組み合わせから成る2値ビット列を作用させて前記2値ビット列の値が1の部分に対応する量子ビットのベル状態を元のベル状態とは非直交な第2のベル状態とした量子ビット列を第1の量子ビットホルダーから取得する取得手段と、前記第1のベル状態にある量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を保管する第2の量子ビットホルダーと、前記2値ビット列の入力を受けてそのビット値に応じた非直交量子状態の量子ビット列を生成する生成手段と、前記取得手段により取得した量子ビット列と、前記生成手段により生成した前記非直交量子状態の量子ビット列と、前記第2の量子ビットホルダーにおける前記他方の量子ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生手段と、前記第3のベル状態が前記第1のベル状態と一致するかどうかを測定する測定手段と、前記測定手段にて一致すると測定された場合に、前記第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証する認証手段と、をそなえる。
(19) Here, the binary bit string may be a bit string corresponding to a password determined by a user of the first quantum bit holder.
(20) The binary bit string may be a bit string corresponding to biometric information of a user of the first quantum bit holder.
(21) Further, the quantum authentication device of the present invention is a combination of 0 and 1 with respect to one qubit string of a qubit pair consisting of N qubits and being in the first bell state. A qubit sequence in which a qubit bell state corresponding to a portion where the value of the binary bit sequence is 1 is made into a second bell state that is non-orthogonal to the original bell state by operating a binary bit sequence consisting of An acquisition means for acquiring from a qubit holder; a second qubit holder for storing the other qubit string in the qubit pair in the first bell state; and a bit received upon input of the binary bit string Generation means for generating a non-orthogonal quantum state quantum bit string according to a value, a quantum bit string acquired by the acquisition means, and a non-orthogonal quantum state quantum bit string generated by the generation means A unitary transformation process is performed on the other quantum bit string in the second quantum bit holder to form a pair of reproduced qubits consisting of N reproduced qubits and in the third bell state. A reproduction means for reproducing a reproduction qubit pair; a measurement means for measuring whether or not the third bell state matches the first bell state; and Authentication means for authenticating use by the first quantum bit holder.

上記本発明によれば、少なくとも次のいずれかの効果ないし利点が得られる。
(1)認証側が古典的情報である暗証番号などを保持しないので、認証に必要な情報の流出を防止することができ、堅牢な認証システムを実現することができる。
(2)また、認証には、量子ビットホルダーに収納された量子ビット列及び入力用量子暗証番号ビット列の双方が必要なので、量子ビットホルダーが盗難された場合でも、不正な認証を防止することができる。
According to the present invention, at least one of the following effects or advantages can be obtained.
(1) Since the authentication side does not hold a secret code or the like that is classical information, it is possible to prevent leakage of information necessary for authentication and to realize a robust authentication system.
(2) Further, since both the qubit string stored in the qubit holder and the input quantum PIN code bit string are required for authentication, even if the qubit holder is stolen, unauthorized authentication can be prevented. .

(3)さらに、認証後、入力用量子暗証番号ビット列を消去すれば、認証側では認証に用いた情報を保持しないことになるので、更なる堅牢性を得ることができる。
(4)また、入力用量子暗証番号ビット列は、2つの非直交量子状態としているので、原理的に複製されることがない。これにより、不正な認証を防止することができる。
(3) Furthermore, if the input quantum PIN number bit string is deleted after authentication, the authentication side does not hold the information used for authentication, so that further robustness can be obtained.
(4) In addition, since the input quantum PIN code bit string has two non-orthogonal quantum states, it is not duplicated in principle. Thereby, unauthorized authentication can be prevented.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
〔1〕前提技術
(1.1)量子ビット
量子状態は数種類の基本状態とそれらの重ね合わせの状態とからなる。数学的には、基本状態はベクトル空間の基底に対応しており、また、重ね合わせの状態はそれらの線形結合に対応している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be variously modified and implemented without departing from the spirit of the present invention.
[1] Premise Technology (1.1) Quantum Bit A quantum state consists of several basic states and their superposition states. Mathematically, the fundamental state corresponds to a vector space basis, and the superposition state corresponds to their linear combination.

古典的情報の基本単位は、ある時点において0か1かのいずれか一方の状態(古典的ビット値)をもつビットであるが、これに対し、ある時点において、「|0>」と「|1>」との基本状態をもつ物理系は量子ビットと呼ばれる。量子ビットには、電子,原子核及び光子の自転であるスピンや、他の2準位量子力学系が用いられる。
従来の古典的ビット値は、量子ビットにおける量子状態の1つである、「|0>」と「|1>」との基本状態に対応づけることができ、さらに、量子ビットは、上述のように、「|0>」と「|1>」との重ね合わせの状態をとることもできる。このため、量子ビットは、古典的ビット値などの古典的物理系に比して、多様な形態で情報を対応付けて表現することができる。
The basic unit of classical information is a bit having a state of either 0 or 1 (classical bit value) at a certain point in time, whereas at a certain point in time, “| 0>” and “| A physical system having a basic state of “1>” is called a qubit. For the qubit, spin, which is the rotation of electrons, nuclei, and photons, and other two-level quantum mechanical systems are used.
The conventional classical bit value can be associated with the basic states of “| 0>” and “| 1>”, which are one of the quantum states in the qubit. In addition, it is possible to take a superposition state of “| 0>” and “| 1>”. For this reason, qubits can be expressed in association with information in various forms as compared to classical physical systems such as classical bit values.

ただし、「|0>」と「|1>」との基本状態のように直交する状態だけが、量子状態を確実に識別可能な状態であり、また、1量子ビットに蓄えることのできる情報量は1ビットに相当する。
また、量子ビットは、量子力学の不確定性原理に基づいた盗聴検知可能性や、量子状態の複製不可能性という古典的物理系にはない特徴を有するため、情報通信や認証などの分野において大きな効果を奏する。
However, only the state that is orthogonal, such as the basic states of “| 0>” and “| 1>”, is a state in which the quantum state can be reliably identified, and the amount of information that can be stored in one qubit Corresponds to 1 bit.
In addition, qubits have features that are not found in classical physical systems, such as wiretapping detection based on the uncertainty principle of quantum mechanics and the inability to replicate quantum states. There is a big effect.

例えば、上記量子ビットを実現する量子ビット系の1つである、核スピン量子ビット系では、ガリウム砒素(GaAs)などの半導体に、量子ドット(量子井戸)を作って電子を束縛し、その電子系とGaやAsの原子核スピンとの間の相互作用を利用して、前記核スピンを量子ビットに対応させて制御する。このような技術は、主に、量子計算機の技術開発の一環として研究されている(G. Yusa, K. Muraki, K. Takashina, K. Hashimoto and Y. Hirayama, Controlled multiple quantum coherences of nuclear spins in a nanometre-scale device, Nature 434, 1001 (2005).参考URL:日本電信電話株式会社、科学技術振興機構 http://www.ntt.co.jp/news/news05/0504/050420.html)。   For example, in the nuclear spin qubit system, which is one of the qubit systems that realize the qubit, a quantum dot (quantum well) is formed in a semiconductor such as gallium arsenide (GaAs) to bind the electrons, Using the interaction between the system and the Ga and As nuclear spins, the nuclear spins are controlled in correspondence with qubits. Such technologies are mainly studied as part of quantum computer technology development (G. Yusa, K. Muraki, K. Takashina, K. Hashimoto and Y. Hirayama, Controlled multiple quantum coherences of nuclear spins in a nanometre-scale device, Nature 434, 1001 (2005). Reference URL: Nippon Telegraph and Telephone Corporation, Japan Science and Technology Agency http://www.ntt.co.jp/news/news05/0504/050420.html).

なお、上記核スピン量子ビット系以外にも、光子系、超伝導量子干渉計(SQUID)、量子ドット(量子井戸)中の電子系、マイクロキャビティに捕捉された荷電粒子系などの開発が進んでいる。
ここまでは、固定した基本状態について説明してきたが、基本状態の選び方には任意性がある。例えば、スピン系ならばスピンのそれぞれの方向の成分に対して1組の基本状態が定まる。また、一般に、選ばれた方向をz軸方向と呼ぶことがあり、この場合、x軸方向、y軸方向などの異なる成分に対応していくつかの基本状態の組を平行して利用する場合もある。
In addition to the above-mentioned nuclear spin qubit system, developments such as photon systems, superconducting quantum interferometers (SQUIDs), electron systems in quantum dots (quantum wells), charged particle systems trapped in microcavities, etc. are progressing. Yes.
Up to this point, the fixed basic state has been described. However, the selection of the basic state is arbitrary. For example, in the case of a spin system, a set of basic states is determined for components in each direction of spin. In general, the selected direction may be referred to as the z-axis direction. In this case, several sets of basic states corresponding to different components such as the x-axis direction and the y-axis direction are used in parallel. There is also.

(1.2)ユニタリ変換
上記(1.1)でも述べたように、任意の古典的情報(古典的ビット値)を0及び1のビット列で表現することができるのと同様に、任意の量子情報を量子ビット列で表現することができる。
量子ビット列で表された量子情報に対して物理的に実行可能な情報処理の1つに、量子力学の基本原理(シュレーディンガー方程式)を利用した、ユニタリ変換がある。
(1.2) Unitary transformation As described in (1.1) above, any quantum information (classical bit value) can be represented by a bit string of 0s and 1s. Information can be expressed as a qubit string.
One of information processing that can be physically executed for quantum information represented by a qubit string is unitary transformation using the basic principle of quantum mechanics (Schrödinger equation).

このユニタリ変換の1つの特徴として、任意のユニタリ変換は、1つの量子ビットに作用するユニタリゲートと、2量子ビットに作用するコントロールノットゲート(以下CNOTゲート)との組み合わせで構成できることが研究論文(A. Barenco, C.H. Bennett, R. Cleve, D.P. DiVincenzo, N. Margolus, P. Shor, T. Sleator, J.A. Smolin and H. Weinfurter, Elementary gates for quantum computation, Physical Review A 52, 3457 (1995).)によって理論的に知られている。このことから、上記の基本ゲート(1量子ビットユニタリゲート、CNOTゲート)が実装できれば、任意のユニタリ変換を物理的に実装することが可能となる。   One feature of this unitary transformation is that any arbitrary unitary transformation can be composed of a combination of a unitary gate acting on one qubit and a control knot gate (hereinafter referred to as CNOT gate) acting on two qubits. (A. Barenco, CH Bennett, R. Cleve, DP DiVincenzo, N. Margolus, P. Shor, T. Sleator, JA Smolin and H. Weinfurter, Elementary gates for quantum computation, Physical Review A 52, 3457 (1995).) Is theoretically known by. From this, if the basic gate (one qubit unitary gate, CNOT gate) can be mounted, any unitary conversion can be physically mounted.

ここで、1つの量子ビットに作用するユニタリゲートは、例えば、原子核のスピンや電子によって構成された量子ビット系では、所定の磁場をある方向に所定時間かけることにより容易に実現することができる。このようなユニタリゲートは、図1に示すような量子回路図で表記される。
図1の量子回路図では、1つの量子ビットを1本の線で記述し、1つの量子ビットに作用するユニタリゲートをその線の途中に配置される四角形や丸形で表記する。
Here, a unitary gate acting on one qubit can be easily realized by applying a predetermined magnetic field in a certain direction for a predetermined time in a qubit system constituted by spins and electrons of nuclei, for example. Such a unitary gate is represented by a quantum circuit diagram as shown in FIG.
In the quantum circuit diagram of FIG. 1, one qubit is described by one line, and a unitary gate acting on one qubit is expressed by a square or a circle arranged in the middle of the line.

これに対し、CNOTゲートは、コントロール量子ビットとターゲット量子ビットとからなる2量子ビット系のゲートである。このようなCNOTゲートは、図2に示すような量子回路図で表記される。
図2の量子回路図では、量子ビットをそれぞれ線で表すとともに、コントロール量子ビットには黒丸が付される一方、ターゲット量子ビットには白丸にプラス記号を入れた記号が付される。
In contrast, the CNOT gate is a two-qubit gate composed of a control qubit and a target qubit. Such a CNOT gate is represented by a quantum circuit diagram as shown in FIG.
In the quantum circuit diagram of FIG. 2, each qubit is represented by a line, and the control qubit is marked with a black circle, while the target qubit is marked with a plus sign in a white circle.

次に、図3〜図6を用いてCNOTゲートの動作について説明する。
CNOTゲートに、例えば、コントロール量子ビットとしてビット値「0」に対応する量子状態「|0>」が入力されると、コントロール量子ビット及びターゲット量子ビットの状態は不変のまま出力される。その一方、コントロール量子ビットにビット値「1」に対応する量子状態「|1>」が入力されると、ターゲット量子ビットの状態は反転出力される。
Next, the operation of the CNOT gate will be described with reference to FIGS.
For example, when the quantum state “| 0>” corresponding to the bit value “0” is input to the CNOT gate as the control qubit, the states of the control qubit and the target qubit are output unchanged. On the other hand, when the quantum state “| 1>” corresponding to the bit value “1” is input to the control qubit, the state of the target qubit is inverted and output.

例えば図3に示すように、コントロール量子ビットの入力状態が「|0>」である場合に、ターゲット量子ビットの入力状態が「|0>」ならば、その出力も「|0>」のままであり、コントロール量子ビットも「|0>」のままである。また、図4に示すように、ターゲット量子ビットの入力状態が「|1>」であれば、その出力も「|1>」のままである。   For example, as shown in FIG. 3, when the input state of the control qubit is “| 0>” and the input state of the target qubit is “| 0>”, the output remains “| 0>”. The control qubit is also “| 0>”. Also, as shown in FIG. 4, if the input state of the target qubit is “| 1>”, its output also remains “| 1>”.

これに対し、例えば図5に示すように、コントロール量子ビットの入力状態が「|1>」である場合に、ターゲット量子ビットの入力状態が「|0>」ならば、コントロール量子ビットの出力は「|1>」のままであるが、ターゲット量子ビットの出力は「|1>」となる。また、図6に示すように、ターゲット量子ビットの入力状態が「|1>」ならば、その出力は「|0>」となる。   On the other hand, for example, as shown in FIG. 5, when the input state of the control qubit is “| 1>” and the input state of the target qubit is “| 0>”, the output of the control qubit is Although “| 1>” remains, the output of the target qubit is “| 1>”. Further, as shown in FIG. 6, if the input state of the target qubit is “| 1>”, the output is “| 0>”.

このようなCNOTゲートは様々な量子ビット系で既に実装されている。例えば、核スピンや電子スピンによって構成される量子ビット系では、制御された外部磁場の下で2つのスピンの方向を揃える基本的相互作用であるハイゼンベルグ交換相互作用を利用することにより、1量子ビットユニタリゲートとともにCNOTゲートが実装できることが知られている。また、CNOTゲートは量子ドット(量子井戸)系、超伝導電荷量子ビット系などでも実現できることが知られている。   Such CNOT gates are already implemented in various qubit systems. For example, in a qubit system composed of nuclear spins and electron spins, one qubit is obtained by using the Heisenberg exchange interaction, which is a basic interaction that aligns the directions of two spins under a controlled external magnetic field. It is known that a CNOT gate can be implemented together with a unitary gate. It is also known that the CNOT gate can be realized by a quantum dot (quantum well) system, a superconducting charge qubit system, or the like.

(1.3)エンタングルメント(量子もつれ)生成
上述の2量子ビット系において、2つの量子ビットにエンタングルメント(量子もつれ)と呼ばれる関係を持たせることができる。
例えば、2量子ビット系において、「|+>」で示されるベル状態は最大量子もつれ状態と呼ばれる。
(1.3) Generation of entanglement (quantum entanglement) In the above-described two-qubit system, two qubits can have a relationship called entanglement (quantum entanglement).
For example, in a two-qubit system, a bell state indicated by “| +>” is called a maximum quantum entangled state.

このような最大量子もつれ状態の量子ビット対は、各量子ビットの測定(観測)結果が最も強い相関を示しながら、ある一方だけの量子ビットを測定した場合は、どのような測定結果が得られるかが全く不明であるという特徴を有する。
例えば、後記の式(1)で与えられたベル状態「|+>」の量子ビット対を所定の観測方法で観測すると、一方の量子ビットの量子状態が「|0>」と観測されれば、必ず他方の量子ビットの量子状態も「|0>」と観測される。また、同様に、一方の量子ビットの量子状態が「|1>」と観測されれば、必ず他方の量子ビットの量子状態も「|1>」と観測される。
For a pair of qubits in such a maximum entangled state, the measurement (observation) result of each qubit shows the strongest correlation, but what kind of measurement result is obtained when only one qubit is measured Is completely unknown.
For example, when a qubit pair of the bell state “| +>” given by the following equation (1) is observed by a predetermined observation method, if the quantum state of one qubit is observed as “| 0>” The quantum state of the other qubit is always observed as “| 0>”. Similarly, if the quantum state of one qubit is observed as “| 1>”, the quantum state of the other qubit is always observed as “| 1>”.

しかし、そのどちらの場合が起きるかは全く定まらず、「|0>」が観測される確率は50%、「|1>」が観測される確率も50%である。
さらに、このような相関は量子ビットを定める基本状態の組の選び方(例えばスピンの方向の選び方)によらず、あらゆる基本状態の組に対して全く同様に現れる。このことは、量子ビットにおけるエンタングルメント特有の性質であり、古典的な相関では実現できない。
However, which case occurs is not determined at all. The probability that “| 0>” is observed is 50%, and the probability that “| 1>” is observed is also 50%.
Further, such a correlation appears in exactly the same manner for all sets of basic states, regardless of how to select a set of basic states that define a qubit (for example, how to select a spin direction). This is a characteristic unique to entanglement in qubits and cannot be realized by classical correlation.

上記特徴を通信分野に適用した場合、2量子ビットの測定結果間の強い相関を利用して割符(認証情報)の役目を担わすことができる。また、一方の量子ビットだけでは情報として意味がないことから、盗難されたり流出したりしても被害がないので、高い安全性を持つ認証技術として利用することができる。
上述のような最大量子もつれ状態を含む量子もつれ状態は、あらゆる量子ビット系において、上記(1.2)にて述べた1量子ビットユニタリゲートとCNOTゲートとを用いて生成することが可能である。
When the above feature is applied to the communication field, it can play the role of tally (authentication information) using the strong correlation between the measurement results of 2 qubits. In addition, since only one qubit is meaningless as information, there is no damage even if it is stolen or leaked, so that it can be used as an authentication technique with high security.
The entangled state including the maximum entangled state as described above can be generated by using the 1-qubit unitary gate and the CNOT gate described in (1.2) above in any qubit system. .

また、最近では、光子量子ビット系において、半導体にレーザを照射することにより量子もつれ状態にある2個の光子が生成されたことが報告されている(K. Edamatsu, G. Oohata, R. Shimizu and T. Itoh, Generation of ultraviolet entangled photons in a semiconductor, Nature 431, 167 (2004).参考URL:http://www.jst.go.jp/pr/info/info109/index.html)。光子系の量子もつれは、(1.4)で述べるようなインターフェイス技術を用いて核スピン量子ビットに移すことが可能であるため、本発明にも使用可能な量子もつれ技術として期待される。   Recently, it has been reported that two photons in a entangled state are generated by irradiating a semiconductor with a laser in a photon qubit system (K. Edamatsu, G. Oohata, R. Shimizu). and T. Itoh, Generation of ultraviolet entangled photons in a semiconductor, Nature 431, 167 (2004). Reference URL: http://www.jst.go.jp/pr/info/info109/index.html). Photon-based quantum entanglement can be transferred to a nuclear spin qubit using an interface technique described in (1.4), and is expected as a quantum entanglement technique that can also be used in the present invention.

なお、2よりも大きい複数の量子ビット列から成る多量子ビット列間の量子もつれ生成については、量子計算機の実現に不可欠な技術ではあるが、非常に困難であることが知られている。本発明には一対の量子ビット列の間の量子もつれを制御するだけで足りるので、多量子ビット間の量子もつれ制御に伴う困難は存在しない。
(1.4)インターフェイスと伝送
遠隔地への量子情報伝送に使用される量子ビット系は、光ファイバによって伝播可能な光子が現時点では有力な候補である。
In addition, although it is an indispensable technique for the implementation | achievement of a quantum computer, it is known that generation | occurrence | production of the entanglement between the multiquantum bit strings which consist of several quantum bit strings larger than 2 is very difficult. Since the present invention only needs to control the entanglement between a pair of qubit strings, there is no difficulty associated with entanglement control between multiple qubits.
(1.4) Interface and transmission For the qubit system used for quantum information transmission to a remote place, photons that can be propagated by optical fiber are currently promising candidates.

半導体核スピン等で構成された量子ビット(量子カードメモリ)に保存された量子状態を遠方に通信したり、また、逆に遠方から送られてきた量子情報を量子カードメモリに収納したりするには、核スピンから電子系、電子系から光子系に(またはその逆方向にも)情報を移していくインターフェイス技術が必要であるが、これも活発に開発研究され実施可能となっている。   Quantum states stored in qubits (quantum card memory) composed of semiconductor nuclear spins, etc., are communicated remotely, and conversely quantum information sent from a distance is stored in the quantum card memory. Requires an interface technology that moves information from nuclear spins to electronic systems and from electronic systems to photonic systems (or vice versa), and this is also actively developed and researched.

核スピンから電子系への情報伝送はスピン間のハイゼンベルグ交換相互作用で実現する研究が進んでおり、量子ドットの電子系から光子に情報伝達するときには、単一電子のスピン自由度を操るg因子エンジニアリングと電子正孔対の速やかな解離技術の研究を基に活発に研究開発され実施可能となっている(H. Kosaka, H. Kiselev, A.A. Baron, F.A. Kim, K.W. Yablonovitch, Electron g factor engineering in III-V semiconductors for quantum communications, Electronics Letters 37, 464 (2001).参考URL:科学技技術振興機構戦略的創造研究推進事業、量子情報処理システムの実現を目指した新技術の創出http://www.jst.go.jp/kisoken/crest/intro/kadai/h1501.html)。   Information transmission from the nuclear spin to the electron system is being studied by Heisenberg exchange interaction between the spins. When transferring information from a quantum dot electron system to a photon, the g factor that controls the spin degree of freedom of a single electron Active research and development based on research on engineering and rapid dissociation of electron-hole pairs has become possible (H. Kosaka, H. Kiselev, AA Baron, FA Kim, KW Yablonovitch, Electron factor engineering in III-V semiconductors for quantum communications, Electronics Letters 37, 464 (2001) .Reference URL: Strategic Creation Research Promotion Project, Japan Science and Technology Agency, Creation of New Technology for Realizing Quantum Information Processing System http: // www .jst.go.jp / kisoken / crest / intro / kadai / h1501.html).

〔2〕一実施形態の説明
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形(各実施例を組み合わせる等)して実施することができる。
[2] Description of Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is merely an example, and there is no intention to exclude various modifications and technical applications that are not clearly shown in the embodiment described below. In other words, the present invention can be implemented with various modifications (combining the embodiments, etc.) without departing from the spirit of the present invention.

図7は本発明の一実施形態に係る量子認証システムの構成を示すブロック図で、例えば、本量子認証システムは、収納部9を有する量子認証カード1と、暗証番号書込み装置2と、暗証番号量子ビット列生成装置10を有する自動端末機3と、量子通信路4と、開閉錠装置5と、収納保管部11を有する認証用量子ビットホルダー6と、ベル測定装置7と、暗証番号量子ビット列初期化装置8とをそなえる。   FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a quantum authentication system according to an embodiment of the present invention. For example, the quantum authentication system includes a quantum authentication card 1 having a storage unit 9, a password writing device 2, a password. An automatic terminal 3 having a qubit string generation device 10, a quantum communication channel 4, an open / close lock device 5, an authentication qubit holder 6 having a storage unit 11, a bell measurement device 7, and a password qubit initial And the conversion device 8 are provided.

ここで、量子認証カード1は、量子ビットを収納する機能を具備する携帯型量子ビットホルダー(第1の量子ビットホルダー)である。本例の量子認証カード1は、認証機関側で予め用意されたN(Nは自然数であり、図7の例ではN=4)個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態「|+>」にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列及び暗証番号書込み装置2で変換された量子ビット列(カード量子ビット列)を収納可能な収納部9を有している。収納部9としては、例えば、量子ビットを格納可能な量子メモリなどが用いられる。   Here, the quantum authentication card 1 is a portable qubit holder (first qubit holder) having a function of storing qubits. The quantum authentication card 1 of this example is a pair of qubits made up of N (N is a natural number, N = 4 in the example of FIG. 7) qubits prepared in advance on the certification authority side, and the bell state “ It has a storage unit 9 that can store one of the qubit pairs in | +> ”and the qubit string (card qubit string) converted by the personal identification number writing device 2. As the storage unit 9, for example, a quantum memory capable of storing quantum bits is used.

暗証番号書込み装置(ベル状態量子ビット変換装置)2は、量子ビットのベル状態を別のベル状態へと変換するものである。本例の暗証番号書込み装置2は、量子認証カード1に収納されているカード量子ビット列及び認証用量子ビットホルダー6に収納保管されている、上記用意された量子ビット対のうちの他方の量子ビット列(照合用量子ビット列)のなす2量子ビット列に対して、量子認証カード1のユーザが設定した0,1の組み合わせから成る任意の真正Nビット暗証番号ビット列(2値ビット列)を作用させて、この2値ビット列の値が「1」の部分に対応する各量子ビットのベル状態を元のベル状態(第1のベル状態)とは非直交な第2のベル状態に変換する変換部21としての機能を具備する。   The personal identification number writing device (bell state qubit converting device) 2 converts the bell state of the qubit into another bell state. The PIN code writing device 2 of the present example includes a card qubit string stored in the quantum authentication card 1 and the other qubit string of the prepared qubit pairs stored and stored in the authentication qubit holder 6. An arbitrary genuine N-bit code number bit string (binary bit string) composed of a combination of 0 and 1 set by the user of the quantum authentication card 1 is applied to the two-qubit string formed by the (verification quantum bit string). The conversion unit 21 converts the bell state of each qubit corresponding to the portion of the binary bit string having a value of “1” into a second bell state that is non-orthogonal to the original bell state (first bell state). It has a function.

上記の変換には、例えば、上記(1.2)で説明したような所定のユニタリ変換(以下、ここでの変換をユニタリ変換Rという)などを用いる。
以下、説明を簡単にするために、例えば、上記2値ビット列を「0101」とし、第1ベル状態の量子ビットを白丸、第2ベル状態の量子ビットを黒丸で表して説明する。
このとき、量子認証カード1に収納されている量子ビット列は、暗証番号書込み装置2により、図7中の収納部9内に示すような量子ビット列で表される。
For the above conversion, for example, a predetermined unitary conversion (hereinafter referred to as unitary conversion R) as described in (1.2) above is used.
Hereinafter, for the sake of simplicity, for example, the binary bit string is represented as “0101”, the first bell state quantum bits are represented by white circles, and the second bell state quantum bits are represented by black circles.
At this time, the quantum bit string stored in the quantum authentication card 1 is represented by the personal identification number writing device 2 as a quantum bit string as shown in the storage unit 9 in FIG.

また、カード量子ビット列と照合用量子ビット列とは、予めベル状態「|+>」の最大量子もつれ状態の関係を有していたため、量子認証カード1に収納されているカード量子ビット列に対してユニタリ変換Rが施されると、カード量子ビット列と照合用量子ビット列の合成系は異なるベル状態に変化する。ところがこれは理論的には、照合用量子ビット列の方にユニタリ変換Rを施したのと全く同じ状態に変化したことになる。その結果、認証用量子ビットホルダー6に収納保管されている照合用量子ビット列に対してユニタリ変換Rの作用を遠隔的に施したことになる。   Further, since the card quantum bit string and the verification quantum bit string have a relation of the maximum quantum entangled state of the bell state “| +>” in advance, the card quantum bit string is unitary with respect to the card quantum bit string stored in the quantum authentication card 1. When the conversion R is performed, the synthesis system of the card quantum bit sequence and the verification quantum bit sequence changes to different bell states. However, this theoretically changes to the same state as when the unitary transformation R is applied to the collation quantum bit string. As a result, the unitary transformation R is remotely applied to the verification qubit string stored and stored in the authentication qubit holder 6.

したがって、認証用量子ビットホルダー6の収納保管部11に収納保管されている照合用量子ビット列も、図7中の収納保管部11内に示すような量子ビット列で表される。
なお、ユーザは、暗証番号書込み装置2を用いて、適宜、暗証番号を変更することもできる。
また、上記の2値ビット列を、例えば、ユーザが定めた暗証番号の他、ユーザのバイオメトリクス情報(指紋や眼球の虹彩、声紋等の身体的特徴情報)に応じたビット列とすることもできる。このようにすれば、2値ビット列が複製される可能性を極めて低くすることができる。また、ユーザが上記2値ビット列を記憶したり、書き留めておいたりする必要がないのでセキュリティとともに利便性も向上する。ただ、上記2値ビット列をユーザのバイオメトリクス情報に応じたビット列とした場合、バイオメトリクス情報が複製されてしまうことも考えられるので、前記2値ビット列に関しては、ユーザが任意に設定して記憶する方がより安全である。
Therefore, the verification qubit string stored and stored in the storage and storage unit 11 of the authentication qubit holder 6 is also represented by a qubit string as shown in the storage and storage unit 11 in FIG.
In addition, the user can change the personal identification number as appropriate using the personal identification number writing device 2.
The binary bit string may be a bit string corresponding to the user's biometric information (physical feature information such as fingerprints, irises of the eyeballs, voiceprints, etc.) in addition to the password determined by the user. In this way, the possibility that the binary bit string is duplicated can be made extremely low. Further, since the user does not need to store or write down the binary bit string, security and convenience are improved. However, when the binary bit string is a bit string corresponding to the user's biometric information, the biometric information may be duplicated. Therefore, the user can arbitrarily set and store the binary bit string. Is safer.

自動端末機(通信路端末機)3は、カード量子ビット列を収納する量子認証カード1がセットされると、量子認証カード1からカード量子ビット列を取得し、このカード量子ビット列と暗証番号量子ビット列生成装置10で生成された暗証番号量子ビット列(入力用量子暗証番号ビット列)とを量子通信路4を介して認証機関側に送信する送信部31としての機能を具備する。   When the quantum authentication card 1 that stores the card quantum bit string is set, the automatic terminal (communication channel terminal) 3 acquires the card quantum bit string from the quantum authentication card 1 and generates the card quantum bit string and the password quantum bit string. It has a function as a transmission unit 31 that transmits the personal identification number quantum bit string (input quantum personal identification number bit string) generated by the apparatus 10 to the certification authority side via the quantum communication path 4.

ここで、暗証番号量子ビット列生成装置(入力用量子暗証番号ビット列生成部)10は、ユーザが設定した暗証番号ビット列(2値ビット列)の入力を受けて、その2値ビット列(本例では、「0101」)を後述するように2種類の非直交量子状態に置き換えることにより、上記2値ビット列に応じた暗証番号量子ビット列を生成する生成手段としての機能を具備する。入力用量子暗証番号ビット列は、2つの非直交量子状態となっているので、原理的に複製されることがなく、不正な認証を防止することができる。なお、図中では、上記2値ビット「0101」に対応する暗証番号量子ビット列を、白丸と網掛けの丸とで表す。   Here, the personal identification number quantum bit string generation device (input quantum personal identification number bit string generation unit) 10 receives the input of the personal identification number bit string (binary bit string) set by the user, and the binary bit string (in this example, “ [0101]) is replaced with two kinds of non-orthogonal quantum states as will be described later, thereby providing a function as a generating means for generating a password quantum bit string corresponding to the binary bit string. Since the input quantum code number bit string is in two non-orthogonal quantum states, it is not duplicated in principle, and unauthorized authentication can be prevented. In the figure, the code number quantum bit string corresponding to the binary bit “0101” is represented by a white circle and a shaded circle.

量子通信路4は、自動端末機3と開閉錠装置5とを接続する量子通信路である。本例の量子通信路4は、自動端末機3にセットされた量子認証カード1に収納されているカード量子ビット列を伝送するとともに、暗証番号量子ビット列を伝送する機能を具備し、例えば、上記(1.4)で説明したような技術が用いられる。
即ち、自動端末機3及び量子通信路4は、認証機関側が用意したN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であって第1のベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列に対して、上記2値ビット列を作用させてユニタリ変換Rを施したカード量子ビット列を量子認証カード1から取得する取得手段として機能する。
The quantum communication path 4 is a quantum communication path that connects the automatic terminal 3 and the opening / closing lock device 5. The quantum communication channel 4 of this example has a function of transmitting a card quantum bit string stored in the quantum authentication card 1 set in the automatic terminal 3 and transmitting a password quantum bit string. The technique described in 1.4) is used.
In other words, the automatic terminal 3 and the quantum communication channel 4 are a pair of qubits composed of N qubits prepared by the certification authority side, and one of the qubit pairs in the first bell state is connected to the qubit string. On the other hand, it functions as an acquisition unit that acquires from the quantum authentication card 1 a card quantum bit string that has been subjected to unitary transformation R by applying the binary bit string.

認証用量子ビットホルダー6は、量子ビットを収納保管する機能を具備する第2の量子ビットホルダーである。本例の認証用量子ビットホルダー6は、照合用量子ビット列を収納保管する収納保管部11を有している。
開閉錠装置(鍵開錠装置,鍵閉錠装置及び認証装置)5は、暗証番号書込み装置2によりユニタリ変換Rを施された、カード量子ビット列及び照合用量子ビット列、並びに、自動端末機3からの暗証番号量子ビット列に対して、上記ユニタリ変換Rとは異なる所定のユニタリ変換(以下、ここでの変換をユニタリ変換Uという)を施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する機能を具備する。
The authentication qubit holder 6 is a second qubit holder having a function of storing and storing qubits. The authentication qubit holder 6 of this example has a storage unit 11 that stores and stores the verification qubit string.
The opening / closing lock device (key unlocking device, key locking device, and authentication device) 5 includes a card qubit sequence and a verification qubit sequence that have been subjected to unitary conversion R by the personal identification number writing device 2, and an automatic terminal 3. A predetermined unitary transformation different from the unitary transformation R (hereinafter referred to as a unitary transformation U) is applied to the code number quantum bit sequence of N, so that a reproduction quantum bit sequence composed of N reproduction quantum bits can be obtained. It has a function of reproducing a pair of reproduced qubits that are in the third bell state.

即ち、本例の開閉錠装置5は、上記量子通信路4を介して自動端末機3に接続されており、量子認証カード1に収納されている第2ベル状態のカード量子ビット列と、認証用量子ビットホルダー6に収納されている第2ベル状態の照合用量子ビット列と、暗証番号量子ビット列とに対して、ユニタリ変換処理Uを施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する鍵開錠部(再生手段)51としての機能も具備する。   That is, the open / close lock device 5 of the present example is connected to the automatic terminal 3 via the quantum communication channel 4, and the second-bell-state card quantum bit string stored in the quantum authentication card 1 and the authentication A pair of regenerated qubits composed of N regenerated qubits is obtained by performing unitary transformation processing U on the second-bell state qubits stored in the qubit holder 6 and the password qubits. In addition, it also has a function as a key unlocking unit (reproducing means) 51 for reproducing the reproduced qubit pair in the third bell state.

また、ベル測定装置7は、開閉錠装置5により再生された再生量子ビット対のベル状態(第3のベル状態)が、上記認証機関側で予め用意された量子ビット対の元のベル状態(第1のベル状態)と一致するかどうかを測定する測定部(測定手段)71としての機能を具備する。
さらに、開閉錠装置5は、ベル測定装置7により、再生量子ビット対のベル状態(第3のベル状態)と上記認証機関側で予め用意された量子ビット対の元のベル状態(第1のベル状態)とが一致すると測定された場合に、量子認証カード1による使用が正当であると認証(判定)するとともに、一致しないと測定された場合は、量子認証カード1による使用が正当でないと認証(判定)する認証部(認証手段)52としての機能も具備する。
Further, the bell measuring device 7 determines that the bell state (third bell state) of the regenerated qubit pair regenerated by the open / close lock device 5 is the original bell state of the qubit pair prepared in advance on the certification authority side ( It has a function as a measuring unit (measuring means) 71 that measures whether or not it matches the first bell state.
Further, the opening / closing lock device 5 uses the bell measuring device 7 to detect the bell state (third bell state) of the regenerated qubit pair and the original bell state (first state) of the qubit pair prepared in advance on the certification authority side. If it is determined that the use of the quantum authentication card 1 is valid, it is authenticated (determined) that the use by the quantum authentication card 1 is valid. A function as an authentication unit (authentication unit) 52 that performs authentication (determination) is also provided.

加えて、開閉錠装置5は、量子認証カード1による使用が正当であると認証した場合に、上記再生量子ビット対のベル状態(第3のベル状態)を、上記暗証番号量子ビット列に基づき、上記第2のベル状態へと戻す逆変換(逆ユニタリ変換U-1)を行なう鍵閉錠部53としての機能も具備する。
暗証番号量子ビット列初期化装置(初期化装置)8は、暗証番号量子ビット列生成装置10から量子通信路4を介して送信される暗証番号量子ビット列を消去する初期化部81としての機能を具備する。これにより、認証に用いた情報を保持しないので、不正に使用されるような情報の流出自体が存在せず、堅牢な認証システムを実現できる。
In addition, when the unlocking / locking device 5 authenticates that the use by the quantum authentication card 1 is valid, the open / close lock device 5 determines the bell state (third bell state) of the reproduction qubit pair based on the password qubit string, It also has a function as a key locking unit 53 that performs reverse conversion (reverse unitary conversion U −1 ) to return to the second bell state.
The personal identification number quantum bit string initialization device (initialization device) 8 has a function as an initialization unit 81 that erases the personal identification number quantum bit string transmitted from the personal identification number quantum bit string generation device 10 via the quantum communication channel 4. . Thereby, since the information used for authentication is not held, there is no outflow of information that can be used illegally, and a robust authentication system can be realized.

本量子認証システムは、上述のごとく構成されることにより、以下のような動作を実現できる。
即ち、認証機関側が予めN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態(第1のベル状態)にある量子ビット対を用意し(用意ステップ)、量子認証カード1のユーザが、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を量子認証カード1に収納する(収納ステップ)一方、認証機関側は、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を認証用量子ビットホルダー6に収納保管する(保管ステップ)。なお、ベル状態にある量子ビット対の生成は、上記(1.3)のエンタングルメント生成技術が用いられる。
By configuring the quantum authentication system as described above, the following operation can be realized.
That is, the certification authority side prepares a qubit pair that is a pair of qubits composed of N qubits in advance and is in the bell state (first bell state) (preparation step), and the user of the quantum authentication card 1 One qubit pair of the qubit pairs is stored in the quantum authentication card 1 (storage step), while the certification authority side stores the other qubit string in the qubit pair in the authentication qubit holder 6. Store (store step). Note that the entanglement generation technique (1.3) is used to generate the qubit pair in the bell state.

そして、ユーザは、0と1とからなるNビットの暗証番号ビット列(例えば、「0101」の値を有する2値ビット列)を決定し、暗証番号書込み装置2により、量子認証カード1に収納されている量子ビット列の前記暗証番号ビット列の値が「1」に当たる部分に対して、ユニタリ変換Rを施すことにより、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を元のベル状態(第1のベル状態)とは非直交な別のベル状態(第2のベル状態)を有するカード量子ビット列に変換する(変換ステップ)。なお、このとき、上記カード量子ビット列と量子もつれの関係を有する、認証用量子ビットホルダー6に収納保管されている量子ビット列も同様の変換作用を受けて照合用量子ビット列に変換される。   Then, the user determines an N-bit personal identification number bit string composed of 0 and 1 (for example, a binary bit string having a value of “0101”), and is stored in the quantum authentication card 1 by the personal identification number writing device 2. By applying a unitary transformation R to the portion of the qubit string where the value of the code number bit string is “1”, one qubit string of the qubit pair is returned to the original bell state (first bell state). ) Is converted into a card quantum bit string having another bell state (second bell state) that is non-orthogonal (conversion step). At this time, the qubit string stored in and stored in the authentication qubit holder 6 that has a entanglement relationship with the card qubit string is also converted into a collation qubit string by receiving the same conversion action.

次いで、ユーザは、自動端末機3に上記量子認証カード1をセットするとともに上記暗証番号ビット列を入力し、自動端末機3で暗証番号ビット列に応じた暗証番号量子ビット列を生成して(生成ステップ)、暗証番号量子ビット列とカード量子ビット列とを量子通信路4を介して開閉錠装置5に送信する(送信ステップ)。
認証機関側では、開閉錠装置5により、自動端末機3から送信された暗証番号量子ビット列及び変換後のカード量子ビット列、並びに、認証用量子ビットホルダー6に収納保管されている照合用量子ビット列に対して、所定のユニタリ変換Uを施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する(再生ステップ)。
Next, the user sets the quantum authentication card 1 in the automatic terminal 3 and inputs the personal identification number bit string, and generates a personal identification number quantum bit string corresponding to the personal identification number bit string in the automatic terminal 3 (generation step). The password quantum bit string and the card quantum bit string are transmitted to the open / close lock device 5 via the quantum communication channel 4 (transmission step).
On the certification authority side, the open / close lock device 5 converts the password qubit string and the converted card qubit string transmitted from the automatic terminal 3, and the collation qubit string stored and stored in the authentication qubit holder 6. On the other hand, by performing a predetermined unitary transformation U, a reproduction qubit pair which is a pair of reproduction qubits composed of N reproduction qubits and is in the third bell state is reproduced (reproduction step).

そして、ベル測定装置7により、再生量子ビット対の各ベル状態(第3のベル状態)と元のベル状態(第1のベル状態)とがそれぞれ一致するかどうかを測定し(測定ステップ)、一致すると測定された場合は、量子認証カード1の使用が正当であると認証する一方、一致しないと測定された場合は、量子認証カード1の使用が不正であると判定する(認証ステップ)。なお、上記測定(ベル測定)は、2つの状態が一致するかどうかを測定するものであり、個々の量子ビットを測定(観測)するものではない。このため、量子ビットの状態に影響を与えることなく、認証を行なうことができる。   Then, the bell measuring device 7 measures whether or not each bell state (third bell state) and the original bell state (first bell state) of the reproduction qubit pair match (measurement step), If it is measured that they match, it is authenticated that the use of the quantum authentication card 1 is valid. On the other hand, if it is determined that they do not match, it is determined that the use of the quantum authentication card 1 is illegal (authentication step). Note that the above measurement (bell measurement) measures whether or not two states match, and does not measure (observe) individual qubits. For this reason, authentication can be performed without affecting the state of the qubit.

量子認証カード1の使用が正当であると認証された場合、認証機関側は、開閉錠装置5により、再生量子ビット対のベル状態を第2のベル状態へと戻す逆ユニタリ変換U-1を行ない(逆変換ステップ)、逆変換された量子ビット対を、量子認証カード1及び認証用量子ビットホルダー6にそれぞれ返納し、さらに、暗証番号量子ビット列を消去する(消去ステップ)。 When it is authenticated that the use of the quantum authentication card 1 is valid, the certification authority side uses the open / close lock device 5 to perform an inverse unitary transformation U −1 that returns the bell state of the regenerated qubit pair to the second bell state. This is performed (inverse conversion step), and the inversely converted qubit pair is returned to the quantum authentication card 1 and the authentication qubit holder 6 respectively, and the password qubit string is erased (erase step).

本量子認証システムは、上述のように動作することにより、認証機関側が古典的情報である暗証番号などを保持することがないので、認証用の情報が流出することを防止でき、堅牢な認証システムを実現することができる。
また、上記認証動作には、量子認証カード1に収納されたカード量子ビット列及び暗証番号量子ビット列の双方が必要なので、量子認証カード1が盗難された場合でも、不正な認証(なりすまし等)を防止することができる。
This quantum authentication system operates as described above, so that the certification authority side does not hold a secret number or the like, which is classical information, so that it is possible to prevent authentication information from leaking, and a robust authentication system Can be realized.
In addition, since the authentication operation requires both a card quantum bit string and a password quantum bit string stored in the quantum authentication card 1, even if the quantum authentication card 1 is stolen, unauthorized authentication (spoofing, etc.) is prevented. can do.

(本量子認証システムの適用例)
以下では、本量子認証システムの適用例について図8〜図20を用いて説明する。
本例では、ユーザが、銀行(認証機関)による認証を受けて、ATM(Automated Teller Machine;自動端末機)3から現金を受け取る場合を想定する。
まず、準備段階として、図8に示すように、銀行は、式(1)で定義されるベル状態「|+>」のN(例えば、N=4)個の量子ビット対をユーザ毎に用意しておく。この生成には、例えば、上記(1.3)の技術であるエンタングルメントユニタリオペレータが使用される。
(Application example of this quantum authentication system)
Below, the application example of this quantum authentication system is demonstrated using FIGS. 8-20.
In this example, it is assumed that a user receives cash from an ATM (Automated Teller Machine) 3 after being authenticated by a bank (certification organization).
First, as a preparation stage, as shown in FIG. 8, the bank prepares N (for example, N = 4) qubit pairs in the bell state “| +>” defined by Expression (1) for each user. Keep it. For this generation, for example, the entanglement unitary operator which is the technique of (1.3) above is used.

次いで、ユーザは、図9に示すように、量子クレジットカード(量子認証カード)1に上記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する。例えば、前記量子ビットが半導体の核スピンを用いたものである場合、この量子クレジットカード1には、N個の核スピンを記憶させる。
一方、銀行は、認証用量子ビットホルダー6に上記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を認証用として収納保管する。例えば、銀行は、認証用量子ビットホルダー6を保管庫などに収納保管する。この収納保管にも量子クレジットカード1への記憶要領と同じく、例えばN個の核スピンを記憶させる手法が用いられる。
Next, as shown in FIG. 9, the user stores one qubit string in the qubit pair in the quantum credit card (quantum authentication card) 1. For example, when the qubit uses a semiconductor nuclear spin, the quantum credit card 1 stores N nuclear spins.
On the other hand, the bank stores and stores the other qubit string of the qubit pair in the authentication qubit holder 6 for authentication. For example, the bank stores and stores the authentication quantum bit holder 6 in a storage. As in the storage procedure for the quantum credit card 1, for example, a method of storing N nuclear spins is used for this storage and storage.

次に、ユーザは、図10に示すように、0と1とからなるNビットの暗証番号ビット列(例えば、「0101」)を定める。この暗証番号ビット列は、ユーザ自身により秘密にされる。
そして、ユーザは、図11に示すように、暗証番号書込み装置2により、量子クレジットカード1及び認証用量子ビットホルダー6に収納されている量子ビットの成す式(2)で表される2量子ビット状態列に対して、前記暗証番号ビット列の値が「1」に当たる部分を、上記式(1)のベル状態とは非直交な、下記の式(3),式(4)及び式(5)で定義される別のベル状態「|ξ>」に変換すべく、式(6)及び式(7)で定義されるユニタリ変換Rを施す。
Next, as shown in FIG. 10, the user defines an N-bit personal identification number bit string (for example, “0101”) composed of 0 and 1. This personal identification number bit string is kept secret by the user himself.
Then, as shown in FIG. 11, the user uses the personal identification number writing device 2 to generate two qubits expressed by the equation (2) formed by the qubits stored in the quantum credit card 1 and the authentication qubit holder 6. The part where the value of the code number bit string is “1” with respect to the state string is non-orthogonal to the bell state of the above expression (1), and the following expressions (3), (4) and (5) The unitary transformation R defined by the equations (6) and (7) is applied in order to convert to another bell state “| ξ>” defined by

これにより、式(1)で示すベル状態「|+>」が、下記の式(8)により、上記式(3)で示すベル状態「|ξ>」に変換される。   As a result, the bell state “| +>” shown in the equation (1) is converted into the bell state “| ξ>” shown in the above equation (3) by the following equation (8).

例えば、上記暗証番号ビット列が「0101」である場合、この時点で、量子クレジットカード1及び認証用量子ビットホルダー6に収納されている量子ビットは、下記の式(9)で示す状態となっている。このときの各量子ビット列を、それぞれ、カード量子ビット列及び照合用量子ビット列と称する。   For example, when the personal identification number bit string is “0101”, the quantum bits stored in the quantum credit card 1 and the authentication quantum bit holder 6 at this point are in the state shown by the following equation (9). Yes. Each qubit sequence at this time is referred to as a card qubit sequence and a verification qubit sequence, respectively.

次いで、ユーザは、図12に示すように、ATM3において、暗証番号量子ビット列生成装置10により、下記の式(10)及び式(11)で定義される量子状態と量子状態「|0>」とを有する2種類の非直交量子状態〔式(12)参照〕からなる、上記暗証番号ビット列に応じた暗証番号量子ビット列を生成する。   Next, as shown in FIG. 12, in the ATM 3, the user uses the password quantum bit string generation device 10 to define the quantum state and quantum state “| 0>” defined by the following equations (10) and (11). A code number quantum bit string corresponding to the code number bit string is generated, which is composed of two types of non-orthogonal quantum states (see equation (12)).

例えば、暗証番号ビット列(「0101」)の値が「0」である部分を、量子状態「|0>」で置き換えるとともに、暗証番号ビット列の値が「1」である部分を、量子状態「|α>」で置き換えることにより、式(13)に示す暗証番号量子ビット列が生成される。   For example, the portion where the value of the code number bit string (“0101”) is “0” is replaced with the quantum state “| 0>”, and the portion where the value of the code number bit string is “1” is replaced with the quantum state “| By replacing with “α>”, the personal identification number quantum bit string shown in Expression (13) is generated.

そして、ATM3により、量子クレジットカード1に収納されているカード量子ビット列(以下、単にカード量子ビット列Kという)及び暗証番号量子ビット列生成装置10により生成した暗証番号量子ビット列「|0>|α>|0>|α>」(以下、単に暗証番号量子ビット列Wという)を、量子通信路4を介して銀行側に送信する。
銀行では、図13に示すように、ATM3からのカード量子ビット列K及び暗証番号量子ビット列Wに加えて、認証用量子ビットホルダー6に収納されている照合用量子ビット列(以下、単に照合用量子ビット列Mという)を開閉錠装置5に入力する。ここで、カード量子ビット列K及び照合用量子ビット列Mの合成系のなす状態列は「|+>|ξ>|+>|ξ>」で与えられている。また、暗証番号量子ビット列W,カード量子ビット列K及び照合用量子ビット列Mの合成系のなす状態列は「|0>|+>|α>|ξ>|0>|+>|α>|ξ>」で与えられている。
Then, a card quantum bit string (hereinafter simply referred to as a card quantum bit string K) stored in the quantum credit card 1 and a password quantum bit string “| 0> | α> | 0> | α> ”(hereinafter simply referred to as a personal identification number quantum bit string W) is transmitted to the bank side via the quantum communication path 4.
In the bank, as shown in FIG. 13, in addition to the card qubit string K and the personal identification number qubit string W from the ATM 3, a verification qubit string (hereinafter simply referred to as a verification qubit string) stored in the authentication qubit holder 6 M) is input to the open / close lock device 5. Here, the state sequence formed by the synthesis system of the card quantum bit sequence K and the verification quantum bit sequence M is given by “| +> | ξ> | +> | ξ>”. The state sequence formed by the synthesis system of the password quantum bit sequence W, the card quantum bit sequence K, and the verification quantum bit sequence M is “| 0> | +> | α> | ξ> | 0> | +> | α> | ξ > ”.

次いで、図14に示すように、銀行は、開閉錠装置5により、下記の式(14)〜式(25)で定義されるユニタリ変換Uを作用させて、第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する。   Next, as shown in FIG. 14, the bank operates the unitary transformation U defined by the following formulas (14) to (25) by the opening and closing lock device 5, thereby causing the regenerated quantum in the third bell state. Play bit pairs.

なお、上記ユニタリ変換Uは、例えば図15に示すような量子回路により実現される。
この図15において、T,V及びSは、それぞれ、下記の式(26)〜式(28)で定義され、T,V及びSは、それぞれ、T,V及びSのエルミート共役の関係にあることを表す。
The unitary transformation U is realized by a quantum circuit as shown in FIG. 15, for example.
In FIG. 15, T, V, and S are defined by the following equations (26) to (28), respectively, and T , V †, and S are Hermitian conjugates of T, V, and S, respectively. Represents a relationship.

つまり、上記ユニタリ変換Uは、式(29)で表すことができる。   That is, the unitary transformation U can be expressed by Equation (29).

上述のようなユニタリ変換Uは、式(30)で与えられる入力に対しては、式(31)に示すように変換する一方、式(32)で与えられる入力に対しては、式(33)及び式(34)で定義される状態に変換する。   The unitary transformation U as described above converts the input given by the equation (30) as shown in the equation (31), while the input given by the equation (32) gives the equation (33). ) And the state defined by the equation (34).

したがって、暗証番号量子ビット列Wは、式(35)で示す2つの非直交状態で出力され、本例では、例えば、式(36)で示す状態で出力される。   Therefore, the personal identification number qubit string W is output in two non-orthogonal states represented by Expression (35). In this example, for example, it is output in a state represented by Expression (36).

銀行が、仮に、上記の式(36)で示す量子状態の量子ビット列を測定(観測)したとしても、その非直交性のため、元の古典的情報としての暗証番号ビット列「0101」を正確に読み出すことができない。このため、上記暗証番号ビット列に関する情報は、ユーザ以外に知られる可能性はない。
また、上述のように、ユニタリ変換Uにより再生された再生量子ビット対のベル状態は、ユーザによりATM3に入力された暗証番号ビット列が正しい場合には、式(37)に示すベル状態となる。
Even if the bank measures (observes) the quantum bit string in the quantum state represented by the above equation (36), the code number bit string “0101” as the original classical information is accurately set due to its non-orthogonality. Cannot read. For this reason, there is no possibility that information related to the code number bit string is known to users other than the user.
Further, as described above, the bell state of the reproduction qubit pair reproduced by the unitary transformation U becomes the bell state shown in Expression (37) when the password number bit string input to the ATM 3 by the user is correct.

ここで重要なのは、2量子ビット(カード量子ビット列K及び照合用量子ビット列M)の出力量子状態は、ユーザによる暗証番号ビット列の入力が正しければ、即ち、正当なユーザにより上記量子クレジットカード1が使用された場合は、必ず式(1)に示すベル状態「|+>」になることである。
次いで、銀行は、図16に示すように、再生量子ビット対をベル測定装置7へ入力し、再生量子ビット対の各ベル状態(第3のベル状態)と元のベル状態(第1のベル状態)とがそれぞれ一致するかどうかを測定する。
What is important here is that the output quantum state of 2 qubits (card qubit string K and collation qubit string M) is used by the above-mentioned quantum credit card 1 if the input of the code number bit string by the user is correct, that is, by a valid user. If it is, the bell state “| +>” shown in the equation (1) is always obtained.
Next, as shown in FIG. 16, the bank inputs the reproduced qubit pair to the bell measuring device 7, and each bell state (third bell state) and the original bell state (first bell state) of the reproduced qubit pair. (State) and whether each match.

この測定結果は、開閉錠装置5に通知され、一致すると測定された場合は、量子クレジットカード1の使用が正当であると認証し、その後の手続き(現金受け渡しなど)を継続する一方、一致しない場合は、量子クレジットカード1の使用が不当であると判定し、その後の手続きを中止する。
これにより、銀行は、ユーザの暗証番号ビット列に関する情報を知ることなく、認証申請者が正当なユーザであることを確認することができる。
This measurement result is notified to the opening / closing lock device 5 and when it is determined that they match, the use of the quantum credit card 1 is authenticated and the subsequent procedure (cash delivery etc.) is continued, but they do not match. In such a case, it is determined that the use of the quantum credit card 1 is inappropriate, and the subsequent procedure is stopped.
Thereby, the bank can confirm that the authentication applicant is a valid user without knowing information related to the user's personal identification number bit string.

正当なユーザであると判定された場合、ベル測定により得られた、再生量子ビット対のベル状態(第3のベル状態)は、全て式(1)の状態であると判定され、かつ、ベル測定後の状態も不変である。一方、暗証番号ビット列を知らず、正しい量子クレジットカード1も所持していない申請者ならば、式(1)の状態と直交する他のベル状態が出力されるので、銀行は、不正を検知することができる。   If it is determined that the user is a valid user, the bell state (third bell state) of the reproduction qubit pair obtained by the bell measurement is all determined to be the state of the expression (1), and the bell The state after measurement is unchanged. On the other hand, if the applicant does not know the code number bit string and does not have the correct quantum credit card 1, another bell state orthogonal to the state of equation (1) is output, so the bank must detect fraud. Can do.

上記の認証により、量子クレジットカード1が正当なユーザにより使用されたと判定した場合、銀行は、図17に示すように、開閉錠装置5により、再生量子ビット対に対して、上記ユニタリ変換Uとは逆の変換であるユニタリ変換U-1を施すことにより、上記式(9)に示す第2のベル状態に変換(復元)して施錠する。なお、このユニタリ変換U-1は、例えば、図15に示す量子回路を反転した量子回路により実現される。 If it is determined by the above authentication that the quantum credit card 1 has been used by a legitimate user, as shown in FIG. Is converted (restored) to the second bell state shown in the above equation (9) by performing unitary transformation U −1 which is the inverse transformation, and locked. The unitary transformation U −1 is realized by, for example, a quantum circuit obtained by inverting the quantum circuit shown in FIG.

そして、銀行は、図18に示すように、暗証番号量子ビット列初期化装置8により、暗証番号量子ビットWを式(38)で示すように、各ビットの量子状態を0量子ビットに変換して初期化(消去)する。   Then, as shown in FIG. 18, the bank converts the quantum state of each bit into 0 qubits by using the password qubit string initialization device 8 as shown in the equation (38). Initialize (erase).

銀行は、図19に示すように、上記ユニタリ変換U-1により第2のベル状態に変換された一対の量子ビット列の一方の量子ビット列(カード量子ビット列K)を量子クレジットカード1に返納する一方、前記一対の量子ビット列の他方の量子ビット列(照合用量子ビット列M)を認証用量子ビットホルダー6に収納保管する。これにより、再び、ユーザ及び銀行は、上記の式(9)で示すベル状態(第2のベル状態)を有する量子ビット列を共有することとなる。 As shown in FIG. 19, the bank returns one quantum bit string (card quantum bit string K) of the pair of quantum bit strings converted to the second Bell state by the unitary transformation U −1 to the quantum credit card 1. The other qubit string (matching qubit string M) of the pair of qubit strings is stored and stored in the authentication qubit holder 6. As a result, the user and the bank again share the quantum bit string having the bell state (second bell state) represented by the above equation (9).

正当なユーザであると判定されると、その後ユーザは例えば出金金額の入力、金額確認操作を行なう。これらの技術は既知のATM入出金技術が使用される。
そして、図20に示すように、ユーザは、ATM3から量子クレジットカード1を取り出すとともに、ATM3を介して銀行から現金を受け取り、一連の手続きを終了する。
以上のように、本認証システムは、少なくとも古典的暗証番号を銀行(認証機関)に預けることなく、認証を行なえるので、不正な認証を原理的に阻止することができる。
If it is determined that the user is a legitimate user, then the user performs, for example, an input of a withdrawal amount and an amount confirmation operation. For these techniques, a known ATM deposit / withdrawal technique is used.
And as shown in FIG. 20, while a user takes out the quantum credit card 1 from ATM3, he receives cash from a bank via ATM3, and complete | finishes a series of procedures.
As described above, the present authentication system can perform authentication without depositing at least the classic password to the bank (certification organization), and therefore can prevent illegal authentication in principle.

以下、本量子認証システムの堅牢性について図21〜図24を用いて説明する。
悪意のある人物が量子クレジットカード1及び暗証番号ビット列を偽造して認証を申請する場合を考えると、その不正検知確率PE (N)は、式(39)に示す条件を満たすことが簡単にわかる。これより、十分大きなNを設定することで、不正認証を極めて高い確率で検知することができることがわかる。
Hereinafter, the robustness of the present quantum authentication system will be described with reference to FIGS.
Considering a case where a malicious person forges the quantum credit card 1 and the password bit string and applies for authentication, the fraud detection probability P E (N) can easily satisfy the condition shown in Expression (39). Recognize. It can be seen from this that fraud authentication can be detected with a very high probability by setting sufficiently large N.

さらに、図21に示すように、悪意のある人物が量子クレジットカード1を盗みなどによって手に入れて、かつ、暗証番号ビット列を偽造して認証を申請する場合を考えると、1量子ビットあたりの不正検知確率peは、式(40)となることが計算により求められる。 Further, as shown in FIG. 21, when a malicious person obtains the quantum credit card 1 by stealing or the like and forges the password bit string and applies for authentication, The fraud detection probability pe is obtained by calculation to be the expression (40).

ここで、上記の式(40)に対して、式(41)のようにパラメータをとると、1量子ビットあたりの不正検知確率peは、式(42)のようになる。 Here, with respect to the equation (40), taking the parameters as in equation (41), fraud detection probability p e per qubit is as equation (42).

これにより、0.13の確率で、1量子ビットあたりの不正を検知できることがわかる。そのため、やはり、式(43)に示すように、暗証番号ビット列のビット数Nを十分大きくすることで、高い確率で不正な認証を検知できることがわかる。   Thus, it can be seen that fraud per qubit can be detected with a probability of 0.13. Therefore, again, as shown in the equation (43), it can be understood that unauthorized authentication can be detected with a high probability by sufficiently increasing the bit number N of the code number bit string.

また、上記の認証動作が行なわれていないとき、量子クレジットカード1及び認証用量子ビットホルダー6に収納されている2量子ビットの状態は、上記の式(1)または式(3)で定義されるベル状態であり、いずれの場合も最大量子もつれ状態となっている。つまり、図22及び式(44)〜式(47)に示すように、量子クレジットカード1における縮約された各状態は、ビット値によらず、式(48)で表される最大エントロピー状態である。   When the authentication operation is not performed, the state of 2 qubits stored in the quantum credit card 1 and the authentication qubit holder 6 is defined by the above equation (1) or (3). In all cases, the maximum quantum entangled state. That is, as shown in FIG. 22 and Expressions (44) to (47), each reduced state in the quantum credit card 1 is a maximum entropy state represented by Expression (48) regardless of the bit value. is there.

したがって、もし量子クレジットカード1が盗難された場合でも、量子クレジットカード1には、暗証番号ビット列に関する有用な情報は何ら含まれない。
これと同様に、銀行側の認証用量子ビットホルダー6における縮約された各状態も、図22及び式(44)〜式(47)に示すように、照合用量子ビット列Mのビット値によらず、最大エントロピー状態である。
Therefore, even if the quantum credit card 1 is stolen, the quantum credit card 1 does not include any useful information regarding the personal identification number bit string.
Similarly, each reduced state in the authentication quantum bit holder 6 on the bank side also depends on the bit value of the collation quantum bit string M as shown in FIG. 22 and equations (44) to (47). The maximum entropy state.

したがって、銀行が預かる照合用量子ビット列Mにも何ら情報は含まれないので、そもそも銀行から複製されて流出するような個人情報が存在しないことがわかる。
次に、量子通信路4における、盗聴の可能性について考える。
図23に示すように、式(49)の条件が満たされる場合、量子通信路4を伝送される暗証番号量子ビット列Wは、2つの非直交状態で符号化されている。
Therefore, since no information is included in the collation quantum bit string M stored by the bank, it can be seen that there is no personal information that is copied and leaked from the bank in the first place.
Next, the possibility of eavesdropping in the quantum communication channel 4 will be considered.
As shown in FIG. 23, when the condition of Expression (49) is satisfied, the password quantum bit string W transmitted through the quantum communication channel 4 is encoded in two non-orthogonal states.

したがって、盗聴によって完全に複製されることもない。
例えば、盗聴者が最適な量子測定を行なったとしても、各ビットにおける暗証番号量子ビット列Wの値に対する推定判断誤りの確率は、式(50)で与えられる。
Therefore, it is not completely duplicated by eavesdropping.
For example, even if an eavesdropper performs an optimal quantum measurement, the probability of an estimation determination error for the value of the personal identification number quantum bit string W at each bit is given by Expression (50).

例えば、式(51)のパラメータが与えられた場合、1量子ビットあたりの推定判断誤りの確率は、式(52)で与えられ、Nビットの暗証番号量子ビット列Wを正確に盗聴できる確率は、式(53)で与えられる。   For example, when the parameter of Equation (51) is given, the probability of estimation judgment error per qubit is given by Equation (52), and the probability that the N-bit PIN qubit string W can be wiretapped correctly is It is given by equation (53).

したがって、暗証番号量子ビット列Wに、十分大きなNビットが設定することにより、盗聴可能性を指数関数的に小さくすることができる。このように、盗聴者は原理的に式(53)に示す確率以上に正確に暗証番号量子ビット列Wを盗聴することはできない。また、このことは、銀行側についても当てはまるので、銀行側でも暗証番号量子ビット列Wを正確に読み取ることはできない。   Therefore, the possibility of eavesdropping can be reduced exponentially by setting sufficiently large N bits in the personal identification number quantum bit string W. As described above, in principle, the eavesdropper cannot eavesdrop on the personal identification number quantum bit string W more accurately than the probability represented by the equation (53). This also applies to the bank side, and therefore the password number quantum bit string W cannot be read accurately even on the bank side.

このように、暗証番号量子ビット列Wは、非直交量子状態にあるので、認証過程のどの部分においても正確に複製される心配がない。
さらに、暗証番号量子ビット列Wには、大きな量子ビット間の量子もつれ制御が必要とされることはなく、2量子ビット間の量子もつれの制御技術があれば十分足りる。したがって、技術的な特段の困難を伴うことなく、暗証番号ビット列のビット数Nを十分大きくすることで、必要とされる安全性を確保することが可能である。
In this way, since the personal identification number qubit string W is in the non-orthogonal quantum state, there is no concern that it will be duplicated accurately in any part of the authentication process.
Further, the code number qubit string W does not require entanglement control between large qubits, and a technique for controlling entanglement between two qubits is sufficient. Therefore, the required safety can be ensured by sufficiently increasing the number of bits N of the code number bit string without any particular technical difficulties.

また、図24に示すように、開閉錠装置5において、カード量子ビット列K及び照合用量子ビット列Mの合成系と暗証番号量子ビット列Wとの間には量子もつれがない。このことから、暗証番号量子ビット列Wが、暗証番号量子ビット列初期化装置8により初期化されても、再認証の際には、ユーザが再度作成した暗証番号ビット列を用いることで、同様の認証動作を反復して実現することができる。その結果、量子暗証番号ビット列Wを常に量子ビットホルダーに収納しておく必要がないので、量子クレジットカード1とともに暗証番号量子ビット列Wが盗難に遭う危険性がない。   Further, as shown in FIG. 24, in the open / close lock device 5, there is no quantum entanglement between the combined system of the card qubit string K and the verification qubit string M and the personal identification number qubit string W. Therefore, even if the personal identification number quantum bit string W is initialized by the personal identification number quantum bit string initialization device 8, the same authentication operation can be performed by using the personal identification number bit string re-created by the user at the time of re-authentication. Can be realized repeatedly. As a result, since it is not necessary to always store the quantum code number bit string W in the quantum bit holder, there is no risk that the code number quantum bit string W together with the quantum credit card 1 will be stolen.

このように、本量子認証システムを銀行での認証に適用すれば、ユーザは、量子クレジットカード1をATM3に持っていき、量子クレジットカード1をセットして暗証番号ビット列を記憶に則って入力するだけで銀行側が認証を行なうので、手続きの大幅な変更を感じることなく量子認証サービスを受けることができる。
〔3〕その他
上述した実施形態では、本量子認証システムを、銀行などの金融機関での認証に適用した場合について説明したが、例えば、一般の店舗、商店などでの認証や、インターネット上での商取引などにも適用することができる。
Thus, if this quantum authentication system is applied to the authentication at the bank, the user brings the quantum credit card 1 to the ATM 3, sets the quantum credit card 1, and inputs the password bit string according to the storage. Just because the bank performs authentication, the quantum authentication service can be received without feeling a significant change in the procedure.
[3] Others In the above-described embodiment, the case where the present quantum authentication system is applied to authentication in a financial institution such as a bank has been described. For example, authentication in a general store or a store, or on the Internet It can also be applied to commercial transactions.

つまり、ユーザは、量子クレジットカード1のみを店舗に持参すればよく、店舗に設けられる量子クレジットカード読み取り機(上記ATM3に相当)に量子クレジットカード1を挿入し、暗証番号ビット列を打ち込めば、クレジットカード会社側で認証が行なわれ、精算手続を完了できる。これだけで従来にはない高度な安全性をもつ量子認証サービスを受けることができる。   That is, the user only needs to bring the quantum credit card 1 to the store. If the user inserts the quantum credit card 1 into a quantum credit card reader (corresponding to the ATM3) provided in the store and inputs the password bit string, The card company will authenticate and complete the checkout process. With this alone, it is possible to receive a quantum authentication service with a high level of security that has never been achieved before.

さらに、インターネット上での商取引に適用する場合は、ユーザは、自宅に暗証番号入力装置及び量子クレジットカード情報転送装置(上記ATM3に相当)を設置するだけで、上記と同様の認証及び精算手続きを行なうことができるので、インターネット上でも高度な安全性を持つ量子認証サービスを受けることができる。
また、上述した実施形態では、銀行が最初に用意するN個の量子ビット対のベル状態を上記式(1)で定義されるベル状態「|+>」としたが、例えば、式(54)で定義されるベル状態「|−>」としても上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
Further, when applying to commercial transactions on the Internet, the user simply installs a personal identification number input device and a quantum credit card information transfer device (corresponding to the ATM3) at home, and performs the same authentication and settlement procedure as above. Since it can be performed, it is possible to receive a highly secure quantum authentication service on the Internet.
In the above-described embodiment, the bell state of the N qubit pairs initially prepared by the bank is set to the bell state “| +>” defined by the above equation (1). As in the bell state “|->” defined in the above, it is possible to obtain the same effect as in the above embodiment.

さらに、その他の適用例として、この認証技術を用いて、上記量子認証カード1を量子キーカードとして使用することもできる。この場合、正当なユーザであれば開錠動作を行ない、不正なユーザであれば開錠動作を行なわないようにする。
また、上記量子認証カード1をレンタル式とする場合は、認証機関側での暗証番号量子ビット列初期化装置8による暗証番号量子ビット列の初期化(消去)動作を省略することができる。即ち、認証機関は、ユーザに量子認証カード1をレンタルし、その量子認証カード1を1回の認証のみに用いる。このようにすれば、暗証番号量子ビット列は繰り返し使用されることがないので、その情報をそもそも消去する必要がなくなる。
Furthermore, as another application example, the quantum authentication card 1 can be used as a quantum key card by using this authentication technique. In this case, an unlocking operation is performed for a legitimate user, and an unlocking operation is not performed for an unauthorized user.
Further, when the quantum authentication card 1 is of a rental type, the initialization (erase) operation of the personal identification number quantum bit string by the personal identification number quantum bit string initialization device 8 on the certification authority side can be omitted. That is, the certification authority rents the quantum authentication card 1 to the user and uses the quantum authentication card 1 only for one authentication. In this way, the password quantum bit string is not used repeatedly, so that it is not necessary to erase the information in the first place.

さらに、上記の量子認証システムに既知のワンタイムパスワード技術を適用することによっても、毎回異なる暗証番号量子ビット列を用いて上記と同様の認証動作を実現することができる。この場合も、上記と同様の理由により、認証機関側での暗証番号量子ビット列の初期化(消去)動作を省略することができる。   Furthermore, by applying a known one-time password technique to the above quantum authentication system, an authentication operation similar to the above can be realized using a different password quantum bit string. Also in this case, for the same reason as described above, the initialization (erase) operation of the personal identification number qubit string on the certification authority side can be omitted.

以上詳述したように、本発明によれば、認証機関側に古典的な認証情報を保管させずにユーザ認証を行なうので、認証機関からの情報流出を防止することができ、認証技術分野、例えば、量子認証技術分野にとって極めて有用であると考えられる。   As described above in detail, according to the present invention, user authentication is performed without storing classical authentication information on the certification authority side, so that information leakage from the certification authority can be prevented, and the authentication technical field, For example, it is considered extremely useful for the quantum authentication technology field.

ユニタリゲートの一例を示す量子回路図である。It is a quantum circuit diagram which shows an example of a unitary gate. CNOTゲートを示す量子回路図である。It is a quantum circuit diagram which shows a CNOT gate. CNOTゲートの動作を説明する量子回路図である。It is a quantum circuit diagram explaining operation | movement of a CNOT gate. CNOTゲートの動作を説明する量子回路図である。It is a quantum circuit diagram explaining operation | movement of a CNOT gate. CNOTゲートの動作を説明する量子回路図である。It is a quantum circuit diagram explaining operation | movement of a CNOT gate. CNOTゲートの動作を説明する量子回路図である。It is a quantum circuit diagram explaining operation | movement of a CNOT gate. 本発明の一実施形態に係る量子認証システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the quantum authentication system which concerns on one Embodiment of this invention. 本量子認証システムにおける用意ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the preparation step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける収納ステップ及び収納保管ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the accommodation step and accommodation storage step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける変換ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conversion step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける変換ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conversion step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける生成ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the production | generation step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける再生ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the reproduction | regeneration step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける再生ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the reproduction | regeneration step in this quantum authentication system. ユニタリ変換Uを示す量子回路図である。2 is a quantum circuit diagram illustrating a unitary transformation U. FIG. 本量子認証システムにおける測定ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the measurement step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける逆変換ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the reverse conversion step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける消去ステップを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the erasure | elimination step in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける認証後の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation | movement after the authentication in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける認証後の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation | movement after the authentication in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける盗聴可能性について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the wiretapping possibility in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける盗聴可能性について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the wiretapping possibility in this quantum authentication system. 本量子認証システムにおける盗聴可能性について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the wiretapping possibility in this quantum authentication system. 暗証番号量子ビット列Wの特徴について説明するための模式図である。5 is a schematic diagram for explaining the characteristics of a personal identification number qubit string W. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 量子認証カード(携帯型第1の量子ビットホルダー)
2 暗証番号書込み装置(ベル状態量子ビット変換装置)
3 自動端末機(通信路端末機)
4 量子通信路
5 開閉錠装置(鍵開錠装置,認証装置及び鍵閉錠装置)
6 認証用量子ビットホルダー(第2の量子ビットホルダー)
7 ベル測定装置(測定装置)
8 暗証番号量子ビット列初期化装置(初期化装置)
9 収納部
10 暗証番号量子ビット列生成装置(入力用暗証番号量子ビット生成装置)
11 収納保管部
21 変換部
31 送信部
51 鍵開錠部
52 認証部
53 鍵閉錠部
71 測定部
81 初期化部
1 Quantum authentication card (portable first quantum bit holder)
2 PIN code writing device (bell state qubit conversion device)
3 Automatic terminal (communication channel terminal)
4 Quantum communication channel 5 Opening / closing lock device (key unlocking device, authentication device and key locking device)
6 Authentication quantum bit holder (second quantum bit holder)
7 Bell measuring device (measuring device)
8 PIN code quantum bit string initialization device (initialization device)
9 storage unit 10 PIN number quantum bit string generation device (input PIN number quantum bit generation device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Storage storage part 21 Conversion part 31 Transmission part 51 Key unlocking part 52 Authentication part 53 Key locking part 71 Measurement part 81 Initialization part

Claims (21)

N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対を用意する用意ステップと、
第1の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する収納ステップと、
第2の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する保管ステップと、
該第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2ベル状態に変換する変換ステップと、
入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する生成ステップと、
該変換ステップで変換された該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換ステップで変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生ステップと、
該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態が該用意ステップで用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定ステップと、
該測定ステップで、一致すると測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証ステップとを備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証方法。
A preparing step of preparing a pair of qubits composed of N qubits and in a bell state;
A storage step of storing one qubit string of the qubit pair in the first qubit holder;
A storage step of storing and storing the other qubit string of the qubit pair in a second qubit holder;
For the two qubit strings formed by the one qubit string stored in the first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, A conversion step of converting a portion corresponding to a portion where the value of the genuine N-bit PIN code bit string is 1 to another second bell state that is not orthogonal to the original first bell state;
A step of generating an input quantum code number bit string by replacing the input N bit code number bit string with a quantum bit string of a non-orthogonal quantum state in accordance with a value of the input N bit code number bit string;
The qubit string in the first qubit holder converted in the conversion step, the qubit string in the second qubit holder converted in the conversion step, and the input bit generated in the generation step A reproduction step of performing unitary transformation processing on the quantum code number bit string and reproducing a reproduction qubit pair in a bell state that is a pair of reproduction qubit strings composed of N reproduction qubits;
A measuring step for measuring whether or not the bell state of the regenerated qubit pair regenerated in the regenerating step matches the bell state of the qubit pair prepared in the preparing step;
If it is determined in the measurement step that they match, it is authenticated that the use by the first qubit holder is valid, and if it does not match, the use by the first qubit holder is confirmed. An authentication method using a quantum personal identification number, comprising: an authentication step for authenticating if invalid.
認証部と、量子ビットを収納する携帯型第1の量子ビットホルダーと、量子ビットを収納して保管し該認証部に保管している量子ビットを供給しうる第2の量子ビットホルダーと、該認証部と量子通信路を介して接続されるとともに該携帯型第1の量子ビットホルダーをセットして該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている量子ビットを該認証部へ送信しうる通信路端末機と、該通信路端末機に付設された入力用暗証番号量子ビット生成部と、鍵開錠部とを備えた認証システムにおいて、量子暗証番号を用いた認証を行なうに際し、
N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対を用意する用意ステップと、
該携帯型第1の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する収納ステップと、
該第2の量子ビットホルダーに、前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する保管ステップと、
該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2ベル状態に変換する変換ステップと、
該入力用暗証番号量子ビット生成部にて、入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する生成ステップと、
該変換ステップで変換された量子ビット列を収納する該携帯型第1の量子ビットホルダーを該通信路端末機にセットし、該通信路端末機から該変換ステップで変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを該量子通信路を介して該認証部に送信する送信ステップと、
該鍵開錠部において、該変換ステップで変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換ステップで変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該生成ステップで生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生ステップと、
該認証部において、
該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態が該用意ステップで用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定ステップと、
該測定ステップで、一致すると測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証ステップとを備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証方法。
An authentication unit, a portable first qubit holder for storing qubits, a second qubit holder for storing and storing qubits and supplying a qubit stored in the authentication unit, The authentication unit can be connected via a quantum communication channel, and the portable first qubit holder can be set to transmit a qubit stored in the portable first qubit holder to the authentication unit. In an authentication system comprising a communication channel terminal, an input password quantum qubit generation unit attached to the communication channel terminal, and a key unlocking unit, when performing authentication using a quantum password,
A preparing step of preparing a pair of qubits composed of N qubits and in a bell state;
A storage step of storing one qubit string of the qubit pair in the portable first qubit holder;
A storage step of storing and storing the other qubit string of the qubit pair in the second qubit holder;
For the two qubit strings formed by the one qubit string stored in the portable first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, 0 and 1 A conversion step of converting a portion corresponding to a portion where the value of the authentic N-bit code number bit string consisting of 1 to 1 into another second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state;
In the input code number quantum bit generation unit, the input N-bit code number bit string is replaced with a non-orthogonal quantum state bit string according to the value of the input N-bit code number bit string. A generation step for generating
The portable first qubit holder that stores the qubit string converted in the conversion step is set in the communication path terminal, and the portable first quanta converted in the conversion step from the communication path terminal A transmission step of transmitting the qubit string in the qubit holder and the input quantum password bit string generated in the generation step to the authentication unit via the quantum communication path;
In the key unlocking unit, the qubit string in the portable first qubit holder converted in the conversion step, the qubit string in the second qubit holder converted in the conversion step, and A unitary transformation process is performed on the input quantum PIN bit string generated in the generation step, and a reproduced qubit pair in a bell state, which is a pair of reproduced qubits composed of N reproduced qubits, is obtained. A playback step to play,
In the authentication unit,
A measuring step for measuring whether or not the bell state of the regenerated qubit pair reproduced in the reproducing step matches the bell state of the qubit pair prepared in the preparing step;
If it is determined in the measurement step that they match, the portable first qubit holder authenticates the use by the portable first qubit holder, and if it does not match, the portable first qubit An authentication method using a quantum personal identification number, comprising: an authentication step for authenticating use by a holder as invalid.
請求項1または請求項2に記載の量子暗証番号を用いた認証方法において、
該認証ステップで使用が正当であると認証された場合に、該再生ステップで再生された上記再生量子ビット対のベル状態を、上記第2のベル状態に戻す逆変換を行なう逆変換ステップを備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証方法。
In the authentication method using the quantum personal identification number according to claim 1 or claim 2,
An inverse conversion step for performing an inverse conversion to return the bell state of the reproduced qubit pair reproduced in the reproduction step to the second bell state when it is authenticated in the authentication step that the use is valid. An authentication method using a quantum personal identification number, characterized by being configured as described above.
該逆変換ステップのあとに、該入力用量子暗証番号ビット列を消去する消去ステップを備えて構成されたことを特徴とする、請求項3記載の量子暗証番号を用いた認証方法。   4. The authentication method using a quantum personal identification number according to claim 3, further comprising an erasing step of erasing the input quantum personal identification number bit string after the inverse conversion step. 予め用意されたN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する第1の量子ビットホルダーと、
前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する第2の量子ビットホルダーと、
該第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2のベル状態に変換する変換部と、
入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する入力用量子暗証番号ビット列生成部と、
該変換部で変換された該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換部で変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する鍵開錠部と、
該鍵開錠部で再生された該再生量子ビット対のベル状態が上記の予め用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定部と、
該測定部で、一致すると測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証部とを備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証システム。
A first qubit holder for accommodating one qubit string of a pair of qubits consisting of N qubits prepared in advance and in a bell state;
A second qubit holder for storing and storing the other qubit string of the qubit pair;
For the two qubit strings formed by the one qubit string stored in the first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, A conversion unit that converts a portion corresponding to a portion where the value of the genuine N-bit PIN code bit string is 1 to another second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state;
An input quantum code number bit string generating unit for generating an input quantum code number bit string by replacing the input N bit code number bit string with a quantum bit string in a non-orthogonal quantum state according to the value of the input N bit code number bit string; ,
A qubit sequence in the first qubit holder converted by the conversion unit, a qubit sequence in the second qubit holder converted by the conversion unit, and a quantum password bit string generation unit for input A key for performing unitary transformation processing on the generated input quantum PIN code bit string and reproducing a reproduced qubit pair in a bell state, which is a pair of reproduced qubits composed of N reproduced qubits Unlocking part,
A measurement unit for measuring whether or not the bell state of the reproduced qubit pair reproduced by the key unlocking unit matches the bell state of the previously prepared qubit pair;
If it is measured by the measuring unit that they match, it is authenticated that the use by the first quantum bit holder is valid, and if it does not match, the use by the first quantum bit holder is not used. An authentication system using a quantum personal identification number, characterized by comprising an authentication unit that authenticates if invalid.
予め用意されたN個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納する携帯型第1の量子ビットホルダーと、
前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する第2の量子ビットホルダーと、
該携帯型第1の量子ビットホルダーに収納されている上記一方の量子ビット列および該第2の量子ビットホルダーに収納保管されている上記他方の量子ビット列のなす2量子ビット列に対して、0と1とからなる真正Nビット暗証番号ビット列の値が1の部分に当たる部分を元の第1ベル状態とは非直交な別の第2のベル状態に変換する変換部と、
入力用Nビット暗証番号ビット列の値に応じ、前記入力用Nビット暗証番号ビット列を非直交量子状態の量子ビット列に置換して入力用量子暗証番号ビット列を生成する入力用量子暗証番号ビット列生成部と、
該変換部で変換された量子ビット列を収納する該携帯型第1の量子ビットホルダーをセットすることにより、該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを量子通信路を介して送信する通信路端末機と、
該量子通信路を介して該通信路端末機に接続され、該変換部で変換された該携帯型第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該変換部で変換された該第2の量子ビットホルダー中の量子ビット列と、該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施して、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であってベル状態にある再生量子ビット対を再生する鍵開錠部と、
該鍵開錠部で再生された上記再生量子ビット対のベル状態が上記の予め用意された量子ビット対のベル状態と一致するかどうかを測定する測定部と、
該測定部で、一致すると測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するとともに、一致しないと測定された場合は、該携帯型第1の量子ビットホルダーによる使用が正当でないと認証する認証部とを備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証システム。
A portable first qubit holder for storing one qubit string of a pair of qubits consisting of N qubits prepared in advance and in a bell state;
A second qubit holder for storing and storing the other qubit string of the qubit pair;
For the two qubit strings formed by the one qubit string stored in the portable first qubit holder and the other qubit string stored and stored in the second qubit holder, 0 and 1 A conversion unit that converts a portion corresponding to a portion of a true N-bit PIN number bit string consisting of 1 to a second bell state that is non-orthogonal to the original first bell state;
An input quantum code number bit string generating unit for generating an input quantum code number bit string by replacing the input N bit code number bit string with a quantum bit string in a non-orthogonal quantum state according to the value of the input N bit code number bit string; ,
By setting the portable first quantum bit holder that stores the quantum bit string converted by the converting unit, the quantum bit string in the portable first quantum bit holder and the input quantum PIN code bit string generating unit A communication channel terminal that transmits the input quantum PIN code bit string generated in step 1 through a quantum communication channel;
The quantum bit string in the portable first quantum bit holder connected to the communication channel terminal via the quantum communication channel and converted by the conversion unit, and the second quantum converted by the conversion unit A unitary transformation process is performed on the quantum bit string in the bit holder and the input quantum PIN code bit string generated by the input quantum PIN bit string generation unit, so that a reproduced quantum comprising N reproduced qubits is obtained. A key unlocking unit for reproducing a reproduced qubit pair in a bell state which is a pair of bit strings;
A measuring unit for measuring whether the bell state of the regenerated qubit pair reproduced by the key unlocking unit matches the bell state of the previously prepared qubit pair;
If it is measured by the measurement unit to be coincident, it is authenticated that the use by the portable first qubit holder is valid, and if it is not coincident, the portable first qubit is measured. An authentication system using a quantum personal identification number, comprising: an authentication unit that authenticates use by a holder.
請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムにおいて、
該認証部で使用が正当であると認証された場合に、該鍵開錠部で再生されたベル状態にある上記再生量子ビット対のベル状態を、上記第2のベル状態に戻す逆変換を行なう鍵閉錠部を備えて構成されたことを特徴とする、量子暗証番号を用いた認証システム。
In the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 5 or 6,
When the authenticating unit authenticates the use, the inverse conversion is performed to return the bell state of the reproduced qubit pair in the bell state reproduced by the key unlocking unit to the second bell state. An authentication system using a quantum personal identification number, characterized by comprising a key-locking unit for performing the operation.
該入力用量子暗証番号ビット列を消去する初期化部を備えて構成されたことを特徴とする、請求項7記載の量子暗証番号を用いた認証システム。   8. The authentication system using a quantum personal identification number according to claim 7, further comprising an initialization unit that erases the input quantum personal identification number bit string. 請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の第1の量子ビットホルダーであって、
N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であってベル状態にある量子ビット対のうちの一方の量子ビット列を収納するともに、該変換部で変換された量子ビット列を収納する収納部を有することを特徴とする、量子ビットホルダー。
The first quantum bit holder used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 5 or 6,
A pair of qubits consisting of N qubits, which stores one qubit of a pair of qubits in a bell state, and having a storage unit that stores a qubit sequence converted by the conversion unit. Quantum bit holder characterized by
請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の第2の量子ビットホルダーであって、
前記量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を収納して保管する収納保管部を有することを特徴とする、量子ビットホルダー。
The second quantum bit holder used in the authentication system using the quantum code number according to claim 5 or 6,
A qubit holder having a storage unit for storing and storing the other qubit string of the qubit pair.
請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の変換部を有することを特徴とする、ベル状態量子ビット変換装置。   A bell-state qubit conversion device comprising the conversion unit used in the authentication system using the quantum password according to claim 5 or 6. 請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の入力用量子暗証番号ビット列生成部を有することを特徴とする、入力用量子暗証番号ビット列生成装置。   7. An input quantum code number bit string generation device for input comprising the input quantum code number bit string generation unit used in the authentication system using the quantum code number according to claim 5 or 6. 請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記通信路端末機であって、
該変換部で変換された量子ビット列を収納する該第1の量子ビットホルダーをセットすることにより、該第1の量子ビットホルダー中の量子ビット列と該入力用量子暗証番号ビット列生成部で生成された該入力用量子暗証番号ビット列とを該量子通信路を介して送信する送信部を有することを特徴とする、通信路端末機。
The communication channel terminal used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 6,
By setting the first quantum bit holder that stores the quantum bit string converted by the conversion unit, the quantum bit string in the first quantum bit holder and the input quantum PIN code bit string generated by the input unit are generated. A communication path terminal comprising: a transmission unit that transmits the input quantum PIN code bit string via the quantum communication path.
請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記鍵開錠部を有することを特徴とする、鍵開錠装置。   A key unlocking device comprising the key unlocking unit used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 5 or 6. 請求項5または請求項6に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記の測定部および認証部を有することを特徴とする、認証装置。   An authentication apparatus comprising the measurement unit and the authentication unit used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 5 or 6. 請求項7に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記鍵閉錠部を有することを特徴とする、鍵閉錠装置。   A key-locking device having the key-locking unit used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 7. 請求項8に記載の量子暗証番号を用いた認証システムに使用される上記初期化部を有することを特徴とする、初期化装置。   An initialization apparatus comprising the initialization unit used in the authentication system using the quantum personal identification number according to claim 8. N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であって第1のベル状態にある量子ビット対の一方の量子ビット列を第1の量子ビットホルダーに保管するとともに、他方の量子ビット列を第2の量子ビットホルダーに保管するステップと、
前記第1の量子ビットホルダーにおける前記一方の量子ビット列に対して0,1の組み合わせから成る2値ビット列を作用させて前記2値ビット列の値が1の部分に対応する量子ビットのベル状態を元のベル状態とは非直交な第2のベル状態とするステップと、
前記2値ビット列の作用を受けた量子ビット列を前記第1の量子ビットホルダーから取得するとともに、前記2値ビット列の入力を受けてそのビット値に応じた非直交量子状態の量子ビット列を生成するステップと、
取得した前記2値ビット列の作用を受けた量子ビット列と、生成した前記非直交量子状態の量子ビット列と、前記第2の量子ビットホルダーにおける前記他方の量子ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生するステップと、
前記第3のベル状態が前記第1のベル状態と一致するかどうかを測定するステップと、
一致すると測定された場合に、前記第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証するステップと、
を有することを特徴とする、量子認証方法。
One qubit string of a pair of qubits consisting of N qubits in the first bell state is stored in the first qubit holder, and the other qubit string is stored in the second qubit string. Storing in the bit holder;
The binary bit string consisting of a combination of 0 and 1 is applied to the one quantum bit string in the first quantum bit holder to obtain the bell state of the qubit corresponding to the part where the value of the binary bit string is 1 A second bell state that is non-orthogonal to the bell state of
Acquiring a quantum bit string subjected to the action of the binary bit string from the first quantum bit holder, and generating a quantum bit string of a non-orthogonal quantum state according to the bit value by receiving the binary bit string When,
A unitary transformation process is performed on the qubit string subjected to the action of the acquired binary bit string, the generated qubit string in the non-orthogonal quantum state, and the other qubit string in the second qubit holder. Replaying a pair of regenerated qubits consisting of N regenerated qubits and in a third bell state,
Measuring whether the third bell state coincides with the first bell state;
Authenticating use by the first qubit holder when measured to match, and
A quantum authentication method comprising:
前記2値ビット列は、前記第1の量子ビットホルダーの使用者が定めた暗証番号に応じたビット列であることを特徴とする、請求項18記載の量子認証方法。   19. The quantum authentication method according to claim 18, wherein the binary bit string is a bit string corresponding to a password determined by a user of the first quantum bit holder. 前記2値ビット列は、前記第1の量子ビットホルダーの使用者のバイオメトリクス情報に応じたビット列であることを特徴とする、請求項18記載の量子認証方法。   The quantum authentication method according to claim 18, wherein the binary bit string is a bit string corresponding to biometric information of a user of the first quantum bit holder. N個の量子ビットから成る量子ビット列の対であって第1のベル状態にある量子ビット対の一方の量子ビット列に対して0,1の組み合わせから成る2値ビット列を作用させて前記2値ビット列の値が1の部分に対応する量子ビットのベル状態を元のベル状態とは非直交な第2のベル状態とした量子ビット列を第1の量子ビットホルダーから取得する取得手段と、
前記第1のベル状態にある量子ビット対のうちの他方の量子ビット列を保管する第2の量子ビットホルダーと、
前記2値ビット列の入力を受けてそのビット値に応じた非直交量子状態の量子ビット列を生成する生成手段と、
前記取得手段により取得した量子ビット列と、前記生成手段により生成した前記非直交量子状態の量子ビット列と、前記第2の量子ビットホルダーにおける前記他方の量子ビット列とに対して、ユニタリ変換処理を施すことにより、N個の再生量子ビットから成る再生量子ビット列の対であって第3のベル状態にある再生量子ビット対を再生する再生手段と、
前記第3のベル状態が前記第1のベル状態と一致するかどうかを測定する測定手段と、
前記測定手段にて一致すると測定された場合に、前記第1の量子ビットホルダーによる使用が正当であると認証する認証手段と、
をそなえたことを特徴とする、量子認証装置。
A binary bit string consisting of a combination of 0 and 1 is applied to one of the pair of qubits consisting of N qubits and one of the qubit pairs in the first bell state. An acquisition means for acquiring, from the first quantum bit holder, a qubit string in which the bell state of the qubit corresponding to the portion having a value of 1 is a second bell state that is non-orthogonal to the original bell state;
A second qubit holder storing the other qubit string of the qubit pair in the first bell state;
Generating means for receiving a binary bit string and generating a non-orthogonal quantum state quantum bit string corresponding to the bit value;
A unitary transformation process is performed on the qubit sequence acquired by the acquisition unit, the qubit sequence in the non-orthogonal quantum state generated by the generation unit, and the other qubit sequence in the second qubit holder. Reproducing means for reproducing a reproduction qubit pair consisting of N reproduction qubits, which is a pair of reproduction qubits in the third bell state,
Measuring means for measuring whether the third bell state coincides with the first bell state;
Authenticating means for authenticating use by the first qubit holder when measured by the measuring means is valid;
A quantum authentication device characterized by comprising:
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