JP2009147460A - Quantum encryption apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子暗号装置に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography device.
近年、光子1個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点にいる2者に対して、暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムであり、量子鍵配送とも呼ばれている。量子鍵配送にも各種の方式があるが、ここでは従来技術として、自然放出パラメトリック光子を用いた量子鍵配送方式について説明する(特許文献1)。 In recent years, research on quantum cryptography communication in which safety is physically guaranteed by using light of one photon level has been advanced. Quantum cryptography is a system that supplies a secret key for performing cryptographic communication to two parties at remote points, and is also called quantum key distribution. There are various types of quantum key distribution, but here, as a conventional technique, a quantum key distribution system using spontaneous emission parametric photons will be described (Patent Document 1).
図1は、自然放出パラメトリック光子を用いた量子鍵配送システムの構成例を示している。このシステムには、秘密鍵を共有したい2者(受信機AおよびB)の中間点に量子もつれ光源10が備えられている。量子もつれ光源10は、光パルス列を出力するポンプ光源12と、ポンプ光が入射される光非線形媒質14と、光非線形媒質から発生したシグナル光子とアイドラー光子を2つの経路に分離する光フィルタ16とにより構成されている。この構成において、量子もつれ光源10からは量子相関のあるシグナル/アイドラー光子パルス列が出力される。このようにして出力された光子パルス列の特性については、後ほど述べる。
FIG. 1 shows a configuration example of a quantum key distribution system using spontaneous emission parametric photons. This system includes a quantum entangled
量子もつれ光源10から出力されたシグナル光子パルス列およびアイドラー光子パルス列は、伝送路を介して受信機A(20)およびB(30)にそれぞれ送られる。各受信機は、送られてきた各光パルスを、位相変調器22,23により0またはπ/2で無作為に位相変調した後、光カップラC1,C3により2分岐する。そして、分岐した経路間に時間遅延を与えた後、第2の光カップラC2,C4により再び合波する。ここで、分岐経路間に与える遅延時間は、送られてきた光パルス列のパルス間隔に等しいものとする。合波カップラの2つの出力端にはそれぞれ光子検出器A1およびA2,B1およびB2が備えられている。
The signal photon pulse train and idler photon pulse train output from the
上記構成により、受信機の合波カップラでは、k番目のパルスとk+1番目のパルスが重なり合う。すると、2つのパルスが干渉し、両者の位相差に応じて2つの検出器のどちらかで光子が検出される。より具体的には、遅延経路での遅延位相が2πの整数倍である場合、光カップラC1,C3入力時の位相差が0であれば検出器A2,B2が、位相差がπであれば検出器A1,B1が、それぞれ光子を検出する。別の言い方をすると、検出器A2,B2が光子を検出すれば該当するパルス間の位相差は0、検出器A1,B1が光子を検出すれば該当するパルス間位相差は、πということになる。 With the above configuration, the k-th pulse and the (k + 1) -th pulse overlap in the multiplexing coupler of the receiver. Then, two pulses interfere and a photon is detected by either of the two detectors according to the phase difference between the two pulses. More specifically, when the delay phase in the delay path is an integral multiple of 2π, if the phase difference at the input of the optical couplers C1 and C3 is 0, the detectors A2 and B2 are Detectors A1 and B1 detect photons, respectively. In other words, if detectors A2 and B2 detect photons, the phase difference between the corresponding pulses is 0, and if detectors A1 and B1 detect photons, the phase difference between the pulses is π. Become.
ここで、量子もつれ光源から出力される光パルス列について説明する。量子もつれ光源内の光非線形媒質14では、光パラメトリック相互作用という非線形現象により、ポンプ光子がシグナル光子とアイドラー光子に変換される。すなわち、ポンプ光からシグナル光子とアイドラー光子が発生する。相互作用の性質により、シグナル光子/アイドラー光子は必ずペアで同時に発生し、またその位相間には、φs+φi=φp+φ0という関係がある。ここで、φsは、シグナル光位相、φiは、アイドラー光位相、φpは、ポンプ光位相、φ0は、定数である。
Here, the optical pulse train output from the entangled light source will be described. In the optical
シグナル光子/アイドラー光子の発生ペア数は、ポワソン分布に従って確率的であり、その平均値はポンプ光パワーに依存する。ここで、ポンプ光パワーの設定により、シグナル光子/アイドラー光子が2ペア以上発生する確率は無視できるほど小さいものとする。 The number of signal / idler photon generation pairs is probabilistic according to the Poisson distribution, and the average value depends on the pump light power. Here, the probability that two or more pairs of signal photons / idler photons are generated by setting the pump light power is negligibly small.
量子もつれ光源10から受信機20,30に送られる光パルス列には以上のような性質があるため、2つの受信機が同時に光子を検出した場合、その検出結果には相関が現れる。これについて、以下で式を用いて説明する。
Since the optical pulse train sent from the quantum entangled
まず、k番目パルスのシグナル光位相をφs (k)、アイドラー光位相をφi (k)、ポンプ光位相をφp (k)とする。前述のように、これら三者の間には、次式の関係が成り立つ。
(1) φs (k)+φi (k)=φp (k)+φ0
First, let the signal light phase of the kth pulse be φ s (k) , the idler light phase be φ i (k) , and the pump light phase be φ p (k) . As described above, the relationship of the following equation is established among these three parties.
(1) φ s (k) + φ i (k) = φ p (k) + φ 0
受信機20,30では、送られてきたパルス列に対して位相変調器22,32で位相変調を加える。k番目パルスに対して受信機Aが加える変調位相をθa (k)、受信機Bが加える変調位相をθb (k)とする。すると、光カップラC1入力時のパルス位相はφs (k)+θa (k)、光カップラC2入力時のパルス位相はφi (k)+θb (k)となり、したがって、k番目のパルスとk+1番目パルスの位相差は、受信機Aにおいては、式(2a)のようになり、受信機Bにおいては、式(2b)のようになる。
(2a) Δφa (k)=φs (k+1)+θa (k+1)−(φs (k)+θa (k))
=φs (k+1)−φs (k)+Δθa (k)
(2b) Δφb (k)=φi (k+1)+θb (k+1)−(φi (k)+θb (k))
=φi (k+1)−φi (k)+Δθb (k)
但し、Δθa (k)=θa (k+1)−θa (k)、Δθb (k)=θb (k+1)−θb (k)とおいた。各変調位相は0またはπ/2のいずれかであるので、位相差Δθa (k)、Δθb (k)は、−π/2、0またはπ/2のいずれかである。
In the
(2a) Δφ a (k) = φ s (k + 1) + θ a (k + 1) − (φ s (k) + θ a (k) )
= Φ s (k + 1) −φ s (k) + Δθ a (k)
(2b) Δφ b (k) = φ i (k + 1) + θ b (k + 1) − (φ i (k) + θ b (k) )
= Φ i (k + 1) −φ i (k) + Δθ b (k)
However, Δθ a (k) = θ a (k + 1) −θ a (k) and Δθ b (k) = θ b (k + 1) −θ b (k) are set. Since each modulation phase is either 0 or π / 2, the phase differences Δθ a (k) and Δθ b (k) are either −π / 2, 0, or π / 2.
ここで、Δφa (k)+Δφb (k)について考える。式(2a)および(2b)をそのまま代入すると、次式が得られる。
(3) Δφa (k)+Δφb (k)
={φs (k+1)−φs (k)+Δθa (k)}+{φi (k+1)−φi (k)+Δθb (k)}
={φs (k+1)+φi (k+1)}−{φs (k)+φi (k)}+{Δθa (k)+Δθb (k)}
ところで、k番目のパルスの位相関係は、式(1)に示すように、φs (k)+φi (k)=φp (k)+φ0となっている。これを式(3)に代入すると、次式が得られる。
(4) Δφa (k)+Δφb (k)=φp (k+1)−φp (k)+{Δθa (k)+Δθb (k)}
ここで、ポンプ光源12のコヒーレンス時間は、パルス列の時間間隔より十分長いとする。すると、φp (k+1)−φp (k)=0であり、式(4)は、次式のようになる。
(5) Δφa (k)+Δφb (k)=Δθa (k)+Δθb (k)
前述のように、位相差Δθa (k)、Δθb (k)は、−π/2、0またはπ/2のいずれかであるので、式(5)において、(Δθa (k)+Δθb (k))は、−π/2、0、π/2またはπのいずれかである。
Here, Δφ a (k) + Δφ b (k) is considered. If the expressions (2a) and (2b) are substituted as they are, the following expression is obtained.
(3) Δφ a (k) + Δφ b (k)
= {Φ s (k + 1) −φ s (k) + Δθ a (k) } + {φ i (k + 1) −φ i (k) + Δθ b (k) }
= {Φ s (k + 1) + φ i (k + 1) } − {φ s (k) + φ i (k) } + {Δθ a (k) + Δθ b (k) }
Incidentally, the phase relationship of the k-th pulse is φ s (k) + φ i (k) = φ p (k) + φ 0 as shown in the equation (1). Substituting this into equation (3) yields:
(4) Δφ a (k) + Δφ b (k) = φ p (k + 1) −φ p (k) + {Δθ a (k) + Δθ b (k) }
Here, it is assumed that the coherence time of the pump light source 12 is sufficiently longer than the time interval of the pulse train. Then, φ p (k + 1) −φ p (k) = 0, and the equation (4) becomes the following equation.
(5) Δφ a (k) + Δφ b (k) = Δθ a (k) + Δθ b (k)
As described above, since the phase differences Δθ a (k) and Δθ b (k) are either −π / 2, 0, or π / 2, in the equation (5), (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) is either -π / 2, 0, π / 2 or π.
さて、受信機では、k番目のパルスとk+1番目のパルスの位相差に応じて、光子が検出される。検出器A1、B1で検出されれば位相差はπ、検出器A2,B2で検出されれば位相差は0である。 Now, in the receiver, photons are detected according to the phase difference between the kth pulse and the (k + 1) th pulse. If detected by the detectors A1 and B1, the phase difference is π, and if detected by the detectors A2 and B2, the phase difference is 0.
例えば、受信機Aにおいて、検出器A1が光子を検出したとする。この時には、Δφa (k)=πということになる。ところで、上述のように、(Δθa (k)+Δθb (k))は、−π/2、0、π/2またはπのいずれかである。例えば、(Δθa (k)+Δθb (k))=0とする。式(5)にこれを代入したうえでΔφa (k)=πとすると、次式のようになる。
Δφb (k)=−Δφa (k)+Δθa (k)+Δθb (k)=−π
For example, in the receiver A, the detector A1 detects a photon. At this time, Δφ a (k) = π. By the way, as described above, (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) is any one of −π / 2, 0, π / 2, or π. For example, (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = 0. Substituting this into equation (5) and assuming Δφ a (k) = π, the following equation is obtained.
Δφ b (k) = −Δφ a (k) + Δθ a (k) + Δθ b (k) = −π
上式は、受信機Bでは検出器B1が光子検出することを示している。同様に、(Δθa (k)+Δθb (k))=πであると、Δφb (k)=0となり、この場合には、検出器B1が光子検出することになる。また、(Δθa (k)+Δθb (k))=±π/2であると、Δφb (k)=±π/2となる(なお、−3π/2=π/2)。この場合には、位相差が0とπの中間ということであり、どちらの検出器が光子検出するかは定まらず、ある時はB1が、またある時はB2が、光子を検出することになる。 The above equation indicates that in the receiver B, the detector B1 detects photons. Similarly, if (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = π, Δφ b (k) = 0, and in this case, the detector B1 detects photons. Further, when (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = ± π / 2, Δφ b (k) = ± π / 2 (note that −3π / 2 = π / 2). In this case, the phase difference is intermediate between 0 and π, and it is not determined which detector detects the photon. In some cases, B1 detects the photon, and in other cases, B2 detects the photon. Become.
上記では、受信機Aにおいて、検出器A1が光子検出した場合について述べた。検出器A2が光子検出した場合についても、同様に考察することができる。これらをまとめると、各場合についての光子検出の関係は、表1のようになる。 In the above description, in the receiver A, the case where the detector A1 detects photons has been described. The case where the detector A2 detects photons can be considered in the same manner. In summary, the relationship of photon detection in each case is as shown in Table 1.
表1において、「B1」は検出器B1が確定的に光子を検出する事象、「B2」は検出器B2が確定的に光子を検出する事象、「B1/B2」はどちらの検出器が光子を検出するか確率的である事象をそれぞれ表わしている。 In Table 1, “B1” is an event in which the detector B1 positively detects photons, “B2” is an event in which the detector B2 positively detects photons, and “B1 / B2” Represents an event that is detected or stochastic.
以上の構成および光子検出特性を利用して、以下の手順により秘密鍵を生成する。
(1)量子もつれ光源10は、シグナル光子パルス列を受信機Aに、アイドラー光子パルス列を受信機Bにそれぞれ送信する。
(2)受信機AおよびBはそれぞれ光子を検出する。その際、光子検出時刻、どの検出器で光子を検出したか、およびその時の変調位相を記録しておく。
(3)光子の送受信後、受信機AおよびBは、光子検出時刻および変調位相を互いに知らせ合う。
(4)受信機AおよびBは、同時刻に光子を検出した検出結果から、次のようにしてビットを生成する。
(Δθa (k)+Δθb (k))=0の場合:次のようにビットを生成、
{A1が光子検出、B1が光子検出}=「0」
{A2が光子検出、B2が光子検出}=「1」
(Δθa (k)+Δθb (k))=πの場合:次のようにビットを生成、
{A1が光子検出、B2が光子検出}=「0」
{A2が光子検出、B1が光子検出}=「1」
(Δθa (k)+Δθb (k))=±π/2の場合:何もせず。
Utilizing the above configuration and photon detection characteristics, a secret key is generated by the following procedure.
(1) The entangled
(2) Each of the receivers A and B detects a photon. At that time, the photon detection time, which detector detected the photon, and the modulation phase at that time are recorded.
(3) After transmission / reception of photons, the receivers A and B inform each other of the photon detection time and the modulation phase.
(4) The receivers A and B generate bits from the detection result of detecting photons at the same time as follows.
When (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = 0: Bits are generated as follows:
{A1 is photon detection, B1 is photon detection} = “0”
{A2 is photon detection, B2 is photon detection} = “1”
When (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = π: Bits are generated as follows:
{A1 is photon detection, B2 is photon detection} = "0"
{A2 is photon detection, B1 is photon detection} = “1”
When (Δθ a (k) + Δθ b (k) ) = ± π / 2: Nothing is done.
受信機A、Bの光子検出結果には表1に示す相関があるため、上記の手順により生成したビット値は両者で同じものとなる。上記の手順において、受信機A、Bはどの検出器が光子検出したかは情報交換していないので、生成したビット値は外部には知られていない。そこで、これを秘密鍵ビットとする。 Since the photon detection results of the receivers A and B have the correlation shown in Table 1, the bit values generated by the above procedure are the same for both. In the above procedure, since the receivers A and B do not exchange information on which detector has detected the photon, the generated bit value is not known to the outside. Therefore, this is a secret key bit.
上記の従来例において、正しく鍵ビットが生成されるためには、量子もつれ光源10から発せられるシグナル/アイドラー光子が1パルス当り1ペア以下であることが必要である。
In the above conventional example, in order to correctly generate the key bit, it is necessary that the signal / idler photon emitted from the entangled
例えば2ペア出力されたとすると、受信機Aは第1のペアのシグナル光子を検出し、受信機Bは第2のペアのアイドラー光子を検出することが起こり得る。この場合、ペアが異なるシグナル/アイドラー光子間には、式(1)で示した位相関係が成り立つとは限らないので、上記の動作原理が働かず、受信機A、Bが同じ鍵ビットを作ることができない。この誤動作を防ぐためには、1パルス当りの光子ペア数は1以下でなければならない。 For example, if two pairs are output, it may happen that receiver A detects the first pair of signal photons and receiver B detects the second pair of idler photons. In this case, since the phase relationship shown in the equation (1) does not always hold between the signal / idler photons of different pairs, the above operating principle does not work, and the receivers A and B make the same key bit. I can't. In order to prevent this malfunction, the number of photon pairs per pulse must be 1 or less.
ところで、量子もつれ光源10から出力される光子ペア数はポワソン分布に従う。この場合、出力ペア数が2以上である確率は、平均ペア数をμとすると、近似的にはμ2/2となる。この確率が無視できるほどに十分に小さくするためには、平均ペア数μを1に比べて十分に小さい値(例えば0.1以下)にする必要がある。そうすると、必然的に受信機で検出される光子数が少なくなり、鍵ビットの生成効率が低くなる。つまり、従来例においては、誤動作確率と鍵生成率はトレードオフの関係にある。
By the way, the number of photon pairs output from the entangled
また、量子もつれ光源を用いなくても、量子鍵配送システムが構築できれば望ましい。 It is also desirable if a quantum key distribution system can be constructed without using a quantum entangled light source.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、量子もつれ光源を用いる誤動作確率を抑えつつ、高い鍵生成率を得ることができる量子鍵配送システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a quantum key distribution system capable of obtaining a high key generation rate while suppressing a malfunction probability using a quantum entangled light source. There is.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、2つの受信機間で秘密鍵を共有するための量子暗号装置であって、時間間隔Tの光パルス列であって、1パルス当りの光子数が1以下である光パルス列を出力する光源と、前記光源からの光パルスを分岐する光カップラと、前記光カップラからの分岐光パルスを受信するように構成された2つの受信機とを備え、前記各受信機は、受信した光パルスに対して位相変調を施す位相変調手段と、前記位相変調を施した光パルスを時間間隔Tで干渉させて、干渉状態に応じて光子を検出する光子干渉検出手段と、前記位相変調手段における位相変調情報および前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通する秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a quantum cryptography device for sharing a secret key between two receivers, which is an optical pulse train having a time interval T. A light source that outputs an optical pulse train having one or less photons per pulse, an optical coupler that branches an optical pulse from the light source, and a branched optical pulse that is received from the optical coupler. Each of the receivers includes a phase modulation unit that performs phase modulation on the received optical pulse, and causes the optical pulse subjected to the phase modulation to interfere with each other at a time interval T, thereby causing an interference state. And a secret key for generating a secret key common to each other by exchanging phase modulation information in the phase modulation means and photon detection time information in the photon interference detection means Characterized in that a forming means.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の量子暗号装置であって、前記位相変調手段は、0またはπ/2の位相変調を施すことを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の量子暗号装置であって、前記光子干渉検出手段は、前記位相変調手段からの光パルスを分岐する光分岐手段と、前記分岐した経路間に時間間隔Tの遅延を与える光遅延手段と、前記光遅延手段からの光パルスを合波する光合波手段と、前記合波手段からの光子を干渉状態に応じて検出する光子検出器とを備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the quantum cryptography apparatus according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の量子暗号装置であって、前記各受信機は、前記位相変調手段における位相変調情報および前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通するテストビットを生成して照合することによって、盗聴の有無を検知する盗聴検知手段をさらに備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the quantum cryptography apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the receivers is in phase modulation information in the phase modulation means and in the photon interference detection means. It further comprises wiretapping detection means for detecting presence / absence of wiretapping by exchanging photon detection time information to generate and collate test bits common to each other.
また、請求項5に記載の発明は、2つの受信機間で秘密鍵を共有するための量子暗号装置であって、時間間隔Tの光パルス列であって、1パルス当りの光子数が1以下である光パルス列を出力する光源と、前記光源からの光パルスを分岐する光カップラと、前記光カップラからの分岐光パルスを受信するように構成された2つの受信機とを備え、前記各受信機は、受信した光パルスの一部を分岐して光子を検出する光子検出手段と、受信した光パルスの残りを時間間隔Tで干渉させて、干渉状態に応じて光子を検出する光子干渉検出手段と、前記光子検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、盗聴の有無を検知する盗聴検知手段と、前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通する秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is a quantum cryptography device for sharing a secret key between two receivers, which is an optical pulse train at a time interval T, and the number of photons per pulse is 1 or less. A light source that outputs an optical pulse train, an optical coupler that branches an optical pulse from the light source, and two receivers that are configured to receive the branched optical pulse from the optical coupler. The photon detector detects a photon by branching a part of the received optical pulse and detects the photon by interfering with the remaining optical pulse at a time interval T and detecting the photon according to the interference state. By exchanging photon detection time information in the photon interference detection means and an eavesdropping detection means for detecting the presence or absence of eavesdropping by exchanging photon detection time information in the photon detection means Characterized by comprising a private key generating means for generating a private key.
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の量子暗号装置であって、前記光子干渉検出手段は、前記受信した光パルスの残りを分岐する光分岐手段と、前記分岐した経路間に時間間隔Tの遅延を与える光遅延手段と、前記光遅延手段からの光パルスを合波する光合波手段と、前記合波手段からの光子を干渉状態に応じて検出する光子検出器とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the quantum cryptography apparatus according to claim 5, wherein the photon interference detecting means includes an optical branching means for branching the remainder of the received optical pulse, and the branched path. An optical delay means for providing a delay of a time interval T between them, an optical multiplexing means for multiplexing optical pulses from the optical delay means, and a photon detector for detecting photons from the multiplexing means according to an interference state; It is provided with.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面を通して、同様の構成要素には同様の符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Throughout the drawings, the same constituent elements will be described with the same reference numerals.
(第1の実施形態)
図2に、本発明の第1の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成例を示す。このシステムでは、2つの受信機AおよびBの中間地点に、単一光子光源110と光カップラ112が置かれている。単一光子光源110は、1パルスに光子をひとつだけ発する光源であり、例えば、特定の準位間の自然放出光子を光フィルタなどにより取り出すことによって実現される。この単一光子光源からは、一定間隔Tの光子パルス列が出力される。この光子パルス列は、光カップラ112により2経路に分岐され、一方は伝送路Aを経て受信機Aに、もう一方は伝送路Bを経て受信機Bにそれぞれ送信される。
(First embodiment)
FIG. 2 shows a configuration example of the quantum key distribution system according to the first embodiment of the present invention. In this system, a single
各受信機は、送信されてきた光子パルス列を、位相変調器122,132により0またはπ/2で無作為に位相変調した後、光カップラC1,C3により2分岐する。そして、分岐した経路間に時間遅延を与えた後、第2の光カップラC2,C4により再び合波する。ここで、分岐経路間に与える遅延時間は、送られてきた光パルス列のパルス間隔Tに等しいものとする。合波カップラの2つの出力端にはそれぞれ光子検出器A1およびA2,B1およびB2が備えられている。
Each receiver phase-modulates the transmitted photon pulse train at random by 0 or π / 2 by the
以上の構成において、単一光子光源110から光子検出器まで光子が至る経路には、次の8通りが考えられる。
(1)伝送路A→受信機Aの短経路→検出器A1
(2)伝送路A→受信機Aの短経路→検出器A2
(3)伝送路A→受信機Aの長経路→検出器A1
(4)伝送路A→受信機Aの長経路→検出器A2
(5)伝送路B→受信機Bの短経路→検出器B1
(6)伝送路B→受信機Bの短経路→検出器B2
(7)伝送路B→受信機Bの長経路→検出器B1
(8)伝送路B→受信機Bの長経路→検出器B2
In the above configuration, the following eight paths can be considered for the path of photons from the single
(1) Transmission path A → short path of receiver A → detector A1
(2) Transmission path A → short path of receiver A → detector A2
(3) Transmission path A → Long path of receiver A → Detector A1
(4) Transmission path A → Long path of receiver A → Detector A2
(5) Transmission path B → short path of receiver B → detector B1
(6) Transmission path B → short path of receiver B → detector B2
(7) Transmission path B → long path of receiver B → detector B1
(8) Transmission path B → long path of receiver B → detector B2
ここで、各経路を経た光子の検出器への到達時刻について考える。説明の便宜上、2つの伝送路A、Bが同じ長さであるとすると、上記のうち、経路(1)、(2)、(5)および(6)では、光子の到達時刻は等しく、経路(3)、(4)、(7)、(8)では、光子の到達時刻はそれより1パルス分(=受信機内の遅延時間T)だけ遅れた時刻となる。見方を変えると、時刻t0に単一光子光源を発して、経路(3)、(4)、(7)または(8)を経た光子と時刻t0+Tに単一光子光源を発して、経路(1)、(2)、(5)または(6)を経た光子は、同じ時刻に検出器に到達する。 Here, the arrival time of the photon that has passed through each path to the detector will be considered. For convenience of explanation, assuming that the two transmission paths A and B have the same length, among the above, in the paths (1), (2), (5) and (6), the arrival times of the photons are equal, and the path In (3), (4), (7), and (8), the photon arrival time is delayed by one pulse (= delay time T in the receiver). From a different perspective, it emits a single photon light source at time t 0 , emits a single photon light source at time t 0 + T and a photon that has passed through path (3), (4), (7) or (8), Photons that have passed through path (1), (2), (5) or (6) reach the detector at the same time.
例えば、受信機Aが検出器A1で、受信機Bが検出器B1で、同時刻に光子を検出したとする。この検出事象を起こすパターンは、2通り考えられる。ひとつは、時刻t0に単一光子光源を発して経路(3)を経た光子と時刻t0+Tに単一光子光源を発して経路(5)を経た光子が検出される場合、もうひとつは、時刻t0+Tに単一光子光源を発して経路(1)を経た光子と時刻t0に単一光子光源を発して経路(7)を経た光子が検出される場合である。受信機では、この2パターンのどちらの結果として光子が同時検出されたのかは区別がつかない。 For example, it is assumed that the receiver A is the detector A1 and the receiver B is the detector B1, and the photon is detected at the same time. There are two possible patterns that cause this detection event. One is when the photons passing through the path (5) emits a single photon source photons and time t 0 + T passing through the path (3) emits a single photon source at time t 0 is detected, the other is In this case, a photon emitted from the single photon light source at time t 0 + T and passed through the path (1) and a photon emitted from the single photon light source at time t 0 and passed through the path (7) are detected. In the receiver, it cannot be distinguished which of the two patterns results in the simultaneous detection of photons.
量子力学の原理によれば、このような状況では、2つのパターンの確率振幅が干渉し合う。例えば、ヤングのダブルスリットの干渉実験を1光子レベルで行なうと、光子が第1のスリットを通る場合と第2のスリットを通る場合の確率振幅が干渉し合う。確率振幅としては、通常光(古典的な光)の光電場の複素表示を規格化したものが適用され、光子検出確率は、2つの確率振幅の足し合わせの絶対値二乗に従う。その結果、2つの確率振幅の位相差に応じて、光子検出のヒストグラム上に干渉縞が現れる。 According to the principle of quantum mechanics, in such a situation, the probability amplitudes of the two patterns interfere with each other. For example, when Young's double slit interference experiment is performed at the one-photon level, the probability amplitudes when the photon passes through the first slit and the second slit interfere with each other. As the probability amplitude, the standardized complex display of the photoelectric field of normal light (classical light) is applied, and the photon detection probability follows the absolute value square of the sum of the two probability amplitudes. As a result, interference fringes appear on the photon detection histogram in accordance with the phase difference between the two probability amplitudes.
これと類似のことが、ここでも起こる。すなわち、2つのパターンの確率振幅が干渉し合う。各パターンの確率振幅には、通常光の光電場が伝播した表式(表現方法)が適用される。以下で、確率振幅の干渉がどのように起こるかについて、式を用いて説明する。ただし、簡単のため、伝送路や光回路の損失は考えないものとする。 Similar things happen here. That is, the probability amplitudes of the two patterns interfere with each other. The expression (expression method) in which the photoelectric field of normal light propagates is applied to the probability amplitude of each pattern. In the following, how interference of probability amplitude occurs will be described using equations. However, for the sake of simplicity, the loss of the transmission line and the optical circuit is not considered.
まず、それぞれのパターンについての確率振幅を考える。第1のパターン、すなわち時刻t0に単一光子光源を発して経路(3)を経た光子と時刻t0+Tに単一光子光源を発して経路(5)を経た光子が検出される場合の確率振幅については、経路(3)を経た光子の確率振幅と経路(5)を経た確率振幅を考え、その2つを掛け合わせればよい。 First, consider the probability amplitude for each pattern. First pattern, i.e., in the case of photons passing through a path (5) emits a single photon source photons and time t 0 + T passing through the path (3) emits a single photon source at time t 0 is detected Regarding the probability amplitude, the probability amplitude of the photon that has passed through the path (3) and the probability amplitude that has passed through the path (5) may be considered, and the two may be multiplied.
経路(3)の確率振幅a3は、次式で表される。 The probability amplitude a 3 of the path (3) is expressed by the following equation.
同様にして、経路(5)の確率振幅a5は、次式で表される。 Similarly, the probability amplitude a 5 of the route (5) is expressed by the following equation.
ここで、LBは、伝送路Bの長さ、θb1は、時刻t0+Tに発せられた光子に対して受信機Bで印加された変調位相、Lb2は、受信機Bの短経路の長さである。 Here, L B is the length of the transmission line B, θ b1 is the modulation phase applied by the receiver B to the photons emitted at time t 0 + T, and L b2 is the short path of the receiver B. Is the length of
式(6)および(7)より、第1のパターンの確率振幅a35は、経路(3)の確率振幅a3と経路(5)の確率振幅a5の掛け算として、次式で与えられる。 From the equations (6) and (7), the probability amplitude a 35 of the first pattern is given by the following equation as a product of the probability amplitude a 3 of the route (3) and the probability amplitude a 5 of the route (5).
次に、第2のパターン、すなわち時刻t0+Tに単一光子光源を発して経路(1)を経た光子と時刻t0に単一光子光源を発して経路(7)を経た光子が検出される場合の確率振幅について考える。まず、経路(1)の確率振幅a1は、次式で表される。 Next, a second pattern, that is, a photon that has emitted a single photon light source at time t 0 + T and passed through path (1) and a photon that has emitted a single photon light source at time t 0 and passed through path (7) are detected. Consider the probability amplitude when First, the probability amplitude a 1 of the route (1) is expressed by the following equation.
ここで、θa1は、時刻t0+Tに発せられた光子に対して受信機Aで印加された変調位相、La2は、受信機Aの短経路の長さである。一方、経路(7)の確率振幅a7は、次式で表される。 Here, θ a1 is the modulation phase applied by the receiver A to the photons emitted at time t 0 + T, and L a2 is the length of the short path of the receiver A. On the other hand, the probability amplitude a 7 of the route (7) is expressed by the following equation.
ここで、θb0は、時刻t0に発せられた光子に対して受信機Bで印加された変調位相、Lb1は、受信機Bの長経路の長さである。これらより、第2のパターンの確率振幅a17は、次式で与えられる。 Here, θ b0 is the modulation phase applied by the receiver B to the photon emitted at time t 0 , and L b1 is the length of the long path of the receiver B. Accordingly, the probability amplitude a 17 of the second pattern is given by the following equation.
1光子レベルのヤングの干渉の例で述べたように、2つのパターンは干渉し合い、その結果として同時光子検出事象が現れる。その出現確率は、2パターンの確率振幅の和の絶対値二乗で表され、次式のように与えられる。 As described in the example of Young's interference at the one-photon level, the two patterns interfere with each other, resulting in a simultaneous photon detection event. The appearance probability is represented by the square of the absolute value of the sum of the probability amplitudes of the two patterns, and is given by the following equation.
ここで、受信機内の経路状態の設定により、k(La1−La2+Lb2−Lb1)=0とする。すると、上式は、次式のようになる。 Here, k (L a1 −L a2 + L b2 −L b1 ) = 0 is set by setting the path state in the receiver. Then, the above equation becomes as follows.
なお上式では、Δθa=θa0−θa1、Δθb=θb0−θb1とおいた。 In the above equation, Δθ a = θ a0 −θ a1 and Δθ b = θ b0 −θ b1 are set.
以上では、検出器A1と検出器B1が同時に光子を検出する事象について考察した。同様にして、A1とB2の同時検出確率、A2とB1の同時検出確率、A2とB2の同時検出確率も得ることができる。結果だけ書くと、次式のようになる。 In the above, the phenomenon in which the detector A1 and the detector B1 simultaneously detect photons has been considered. Similarly, the simultaneous detection probability of A1 and B2, the simultaneous detection probability of A2 and B1, and the simultaneous detection probability of A2 and B2 can also be obtained. If only the result is written, the following formula is obtained.
ところで、受信機において、各パルスは0またはπ/2で位相変調されている。したがって、Δθaは、−π/2、0またはπ/2、Δθbは、−π/2、0またはπ/2であり、Δθa−Δθbは、−π/2、0、π/2またはπである(なお、−π=π)。式(12)−(15)にこれを代入すると、それぞれの場合の同時検出確率は次のようになる。
Δθa−Δθb=0の場合:
(A1−B1同時検出)=(A2−B2同時検出)=1/16
(A1−B2同時検出)=(A2−B1同時検出)=0
Δθa−Δθb=πの場合:
(A1−B1同時検出)=(A2−B2同時検出)=0
(A1−B2同時検出)=(A2−B1同時検出)=1/16
Δθa−Δθb=±π/2の場合:
(A1−B1同時検出)=(A2−B2同時検出)=(A1−B2同時検出)=(A2−B1同時検出)=1/32
By the way, in the receiver, each pulse is phase-modulated by 0 or π / 2. Therefore, Δθ a is −π / 2, 0 or π / 2, Δθ b is −π / 2, 0 or π / 2, and Δθ a −Δθ b is −π / 2, 0, π / 2 or π (note that −π = π). Substituting this into equations (12)-(15) gives the following simultaneous detection probabilities:
When Δθ a −Δθ b = 0:
(A1-B1 simultaneous detection) = (A2-B2 simultaneous detection) = 1/16
(A1-B2 simultaneous detection) = (A2-B1 simultaneous detection) = 0
When Δθ a −Δθ b = π:
(A1-B1 simultaneous detection) = (A2-B2 simultaneous detection) = 0
(A1-B2 simultaneous detection) = (A2-B1 simultaneous detection) = 1/16
When Δθ a −Δθ b = ± π / 2:
(A1-B1 simultaneous detection) = (A2-B2 simultaneous detection) = (A1-B2 simultaneous detection) = (A2-B1 simultaneous detection) = 1/32
上記の結果は、受信機A、Bが同時に光子を検出したときに、Δθa−Δθb=0であれば、検出器A1とB1が光子を検出するか、または検出器A2とB2が光子を検出するかのいずれかであり、Δθa−Δθb=πであれば、検出器A1とB2が光子を検出するか、または検出器A2とB1が光子を検出するかのいずれかであり、Δθa−Δθb=±π/2であれば、全ての組み合わせで光子が検出され得ることを示している。 The above results show that when receivers A and B detect photons at the same time, if Δθ a −Δθ b = 0, detectors A1 and B1 detect photons, or detectors A2 and B2 detect photons. If Δθ a −Δθ b = π, either detectors A1 and B2 detect photons or detectors A2 and B1 detect photons , Δθ a −Δθ b = ± π / 2 indicates that photons can be detected in all combinations.
以上の構成および光子検出特性を利用して、以下の手順により秘密鍵を生成することができる。
(1)単一光子光源110は、光子パルス列を受信機A、Bに送信する。
(2)受信機A、Bはそれぞれ光子を検出する。その際、光子検出時刻、どの検出器で光子を検出したか、およびその時の変調位相を記録しておく。
(3)光子の送受信後、受信機AおよびBは、光子検出時刻および変調位相を互いに知らせ合う。
(4)受信機AおよびBは、同時刻に光子を検出した検出結果および該当するパルスの変調位相から、次のようにしてビットを生成する。
Δθa−Δθb=0の場合:次のようにビットを生成、
{A1が光子検出、B1が光子検出}=「0」、
{A2が光子検出、B2が光子検出}=「1」、
Δθa−Δθb=πの場合:次のようにビットを生成、
{A1が光子検出、B2が光子検出}=「0」、
{A2が光子検出、B1が光子検出}=「1」、
Δθa−Δθb=±π/2の場合:何もせず。
Using the above configuration and photon detection characteristics, a secret key can be generated by the following procedure.
(1) The single
(2) Each of the receivers A and B detects a photon. At that time, the photon detection time, which detector detected the photon, and the modulation phase at that time are recorded.
(3) After transmission / reception of photons, the receivers A and B inform each other of the photon detection time and the modulation phase.
(4) The receivers A and B generate bits from the detection result of detecting photons at the same time and the modulation phase of the corresponding pulse as follows.
When Δθ a −Δθ b = 0: bits are generated as follows:
{A1 is photon detection, B1 is photon detection} = “0”,
{A2 is photon detection, B2 is photon detection} = “1”,
When Δθ a −Δθ b = π: Generate bits as follows:
{A1 is photon detection, B2 is photon detection} = “0”,
{A2 is photon detection, B1 is photon detection} = “1”,
When Δθ a −Δθ b = ± π / 2: Nothing is done.
受信機A、Bの光子検出結果には前述のような相関があるため、上記の手順により生成したビット値は両者で同じとなる。上記の手順において、受信機A、Bはどの検出器が光子検出したかは情報交換していないので、生成したビット値は外部には知られていない。そこで、これを秘密鍵ビットとすることができる。 Since the photon detection results of the receivers A and B have the correlation as described above, the bit values generated by the above procedure are the same in both. In the above procedure, since the receivers A and B do not exchange information on which detector has detected the photon, the generated bit value is not known to the outside. Therefore, this can be used as a secret key bit.
次に、盗聴に対するこの秘密鍵の安全性について述べる。もっとも単純な盗聴法は、盗聴者が伝送路の光子を抜き出して情報を盗むことである。しかしながら、この盗聴法は、単一光子により鍵生成が行なわれているため成功しない。本発明では、一方の受信機が時刻t0に発せられた単一光子を検出し、他方の受信機が時刻t0+Tに発せられた単一光子を検出することにより、秘密鍵を生成している。盗聴者がどちらかの光子を抜き出したとすると、2つの受信機がともに光子を検出することはなく、したがって鍵ビットは生成されない。よって秘密鍵を盗聴したことにならない。 Next, the security of this secret key against eavesdropping will be described. The simplest eavesdropping method is that an eavesdropper extracts a photon from a transmission path and steals information. However, this wiretapping method is not successful because key generation is performed by a single photon. In the present invention, one receiver detects a single photon emitted at time t 0 , and the other receiver detects a single photon emitted at time t 0 + T, thereby generating a secret key. ing. If an eavesdropper extracts either photon, the two receivers do not both detect the photon, and therefore no key bit is generated. Therefore, the secret key has not been eavesdropped.
さらに高度な盗聴法としては、盗聴者が伝送路上の光子を全て検出し、検出結果に基づいて偽装信号を再送する方法が考えられる。偽装信号が、受信機に対して正常時と同じ検出結果を与えれば、この盗聴は成功する。しかしながら、光子の検出結果は、各パルスへの変調位相に依存する。盗聴者は、受信機の変調位相を前もっては知らないので、必ず正解となる偽装信号を送ることはできない。正常時とは異なる偽装信号から鍵ビットを生成すると、2つの受信機間でビットの不一致が生じる。そこで、いくつかのテストビットを照合することにより、受信機A、Bは、盗聴の有無を確認することができる。言い方を変えると、テストビットに異常がなければ、盗聴されていない鍵であることが保証される。 As a more advanced wiretapping method, a method in which an eavesdropper detects all photons on the transmission path and retransmits a camouflaged signal based on the detection result can be considered. This wiretapping is successful if the camouflaged signal gives the receiver the same detection result as normal. However, the photon detection result depends on the modulation phase for each pulse. Since the eavesdropper does not know the modulation phase of the receiver in advance, it cannot always send a camouflaged signal that is correct. If a key bit is generated from a camouflaged signal different from the normal one, a bit mismatch occurs between the two receivers. Therefore, by collating several test bits, the receivers A and B can confirm the presence or absence of eavesdropping. In other words, if the test bit is normal, it is guaranteed that the key is not tapped.
本実施形態の特徴のひとつは、光パルス列発生に単一光子光源を用いていることにある。この光源は、理想的には、1パルスに1光子のみを出力する。したがって、従来技術とは異なり、複数光子発生による誤動作がなく、したがって複数光子発生を避けるため平均出力光子数を小さくする必要がない。このため、従来技術よりも高い鍵生成率を得ることが可能である。 One of the features of this embodiment is that a single photon light source is used for optical pulse train generation. This light source ideally outputs only one photon per pulse. Therefore, unlike the prior art, there is no malfunction due to the generation of multiple photons, and therefore it is not necessary to reduce the average number of output photons to avoid the generation of multiple photons. For this reason, it is possible to obtain a higher key generation rate than in the prior art.
(第2の実施形態)
図3に、本発明の第2の実施形態に係る量子鍵配送システムの構成例を示す。このシステムは、基本的には第1の実施形態と同じであるが、受信機が位相変調を行なわず、それに代わり光カップラ222,232で受信光の一部を分岐して、光子検出器A3,B3で直接光パルス列を光子検出している点が異なっている。この光子検出器A3,B3は、秘密鍵生成用ではなく、盗聴検知のための信号光モニターとして用いる。図3では、光カップラ222,232により信号光を常時モニターするように描かれているが、これに限るものではなく、光カップラ222,232に代えて光スイッチにより間欠的に受信経路とモニター経路を切り替えてもよい。このモニター用検出器A3,B3の役割については後述する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a configuration example of a quantum key distribution system according to the second embodiment of the present invention. This system is basically the same as that of the first embodiment, but the receiver does not perform phase modulation, and instead, a part of the received light is branched by the
第2の実施形態に係る構成は、信号検出系については、各パルスの位相が変調されないこと以外は、基本的に第1の実施形態に係る構成と同じなので、検出器A1,A2およびB1,B2の光子検出特性は、式(12)−(15)においてΔθa−Δθb=0とした場合と同じである。すなわち、同時検出確率は次のようになる。
(A1−B1同時検出)=(A2−B2同時検出)=α/16
(A1−B2同時検出)=(A2−B1同時検出)=0
Since the configuration according to the second embodiment is basically the same as the configuration according to the first embodiment except that the phase of each pulse is not modulated with respect to the signal detection system, the detectors A1, A2 and B1, The photon detection characteristics of B2 are the same as when Δθ a −Δθ b = 0 in equations (12)-(15). That is, the simultaneous detection probability is as follows.
(A1-B1 simultaneous detection) = (A2-B2 simultaneous detection) = α / 16
(A1-B2 simultaneous detection) = (A2-B1 simultaneous detection) = 0
ただし、αはモニター用として分岐された分の減少率を表わす定数である。モニター光分岐により同時検出の確率は変わるものの、同時検出を起こす検出器の相関関係は、第1の実施形態におけるΔθa−Δθb=0の場合と同じである。 Here, α is a constant representing the rate of decrease for the portion branched for monitoring. Although the probability of simultaneous detection varies depending on the splitting of the monitor light, the correlation between the detectors that cause simultaneous detection is the same as in the case of Δθ a −Δθ b = 0 in the first embodiment.
この構成および光子検出特性を利用して、以下の手順により秘密鍵を生成することができる。
(1)単一光子光源110は、光子パルス列を受信機A、Bに送信する。
(2)受信機A、Bはそれぞれ光子を検出する。その際、光子を検出した時刻およびどの検出器で光子を検出したかを記録しておく。
(3)光子の送受信後、受信機AおよびBは、光子検出時刻を互いに知らせ合う。
(4)受信機AおよびBは、同時刻に光子を検出した場合について、次のようにビットを生成する。
{A1が光子検出、B1が光子検出}=「0」
{A2が光子検出、B2が光子検出}=「1」
同時検出時の相関特性より、上記により生成したビットは2つの受信機で同じとなる。したがって、これを秘密鍵とすることができる。
Using this configuration and the photon detection characteristics, a secret key can be generated by the following procedure.
(1) The single
(2) Each of the receivers A and B detects a photon. At that time, the time when the photon was detected and the detector with which the photon was detected are recorded.
(3) After transmitting and receiving photons, the receivers A and B inform the photon detection time to each other.
(4) The receivers A and B generate bits as follows when photons are detected at the same time.
{A1 is photon detection, B1 is photon detection} = “0”
{A2 is photon detection, B2 is photon detection} = “1”
From the correlation characteristics at the time of simultaneous detection, the bits generated as described above are the same in the two receivers. Therefore, this can be used as a secret key.
次に、この秘密鍵の盗聴に対する安全性について述べる。盗聴者が伝送路の光子を抜き出す盗聴法は、第1の実施形態の場合と同様の理由により成功しない。一方、盗聴者が伝送路上の光子を全て検出し、検出結果に基づいて偽装信号を再送する盗聴法に対しては、本実施形態では位相変調を行っていないため、第1の実施形態と同じ手法でこれを検知することはできない。この盗聴法に対処するため、本実施形態ではモニター用光子検出器A3,B3を用いている。 Next, the security against eavesdropping of this secret key will be described. An eavesdropping method in which an eavesdropper extracts photons from the transmission path is not successful for the same reason as in the first embodiment. On the other hand, for the eavesdropping method in which the eavesdropper detects all photons on the transmission path and retransmits the camouflaged signal based on the detection result, this embodiment does not perform phase modulation, and thus is the same as the first embodiment. This method cannot detect this. In order to cope with this eavesdropping method, the photon detectors A3 and B3 for monitoring are used in this embodiment.
モニター用検出器A3,B3には、単一光子光源からの出力が2分岐されたパルス列が、直接的に入力される。この場合、ひとつの光子が2つに分裂することはないので、検出器A3が光子を検出すれば、該当するパルスで検出器B3が光子を検出することはない。また、検出器B3が光子を検出すれば、該当するパルスで検出器A3が光子を検出することはない。すなわち、同時検出確率はゼロである。 A pulse train in which the output from the single photon light source is branched into two is directly input to the monitoring detectors A3 and B3. In this case, since one photon is not split into two, if the detector A3 detects the photon, the detector B3 does not detect the photon with the corresponding pulse. If the detector B3 detects a photon, the detector A3 will not detect the photon with the corresponding pulse. That is, the simultaneous detection probability is zero.
ところが、上述の盗聴が行なわれると、状況が異なってくる。本発明では、時刻t0に光源を発した光子状態と時刻t0+Tに光源を発した光子状態の干渉現象を利用して、鍵ビットを生成しているので、盗聴者が偽装信号を再送して正常時と同じ干渉結果を起こすためには、どちらにも光子が存在し得る連続パルスを送らなければならない。しかし、この場合、それぞれの受信機に到達するのは、別の光源から発せられたパルス列となる。 However, the situation changes when the above-described wiretapping is performed. In the present invention, by utilizing the interference phenomenon of photon states in which emitted from the light source to the photon states and time t 0 + T, which emitted from the light source at time t 0, since the generating the key bit, eavesdropper retransmits the disguise signal Thus, in order to produce the same interference result as normal, it is necessary to send a continuous pulse in which photons can exist in either case. However, in this case, it is a pulse train emitted from another light source that reaches each receiver.
そうすると、2つの受信機のモニター検出器A3,B3では、同時に光子を検出することが起こり得る。これは、ひとつの単一光子光源からのパルス列を光子検出する正常時には起こり得ない。したがって、モニター検出器が同時検出すれば、盗聴ありと判断することができる。これにより、盗聴を検知することができる。言い方を変えると、モニター光子検出に異常がなければ、盗聴されていない鍵であることが保証される。 Then, the monitor detectors A3 and B3 of the two receivers can simultaneously detect photons. This cannot occur at the normal time when a photon is detected from a pulse train from one single photon light source. Therefore, if the monitor detector detects simultaneously, it can be determined that there is an eavesdropping. Thereby, eavesdropping can be detected. In other words, if there is no abnormality in monitor photon detection, it is guaranteed that the key is not tapped.
本発明によれば、光源からの出力光子数を小さくしなくても、高い秘密鍵生成率が実現可能となる。 According to the present invention, a high secret key generation rate can be realized without reducing the number of output photons from the light source.
以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。 The present invention has been described above with respect to several embodiments. However, in view of the many possible embodiments to which the principles of the present invention can be applied, the embodiments described herein are merely illustrative, It is not intended to limit the scope of the invention. The configuration and details of the embodiment exemplified here can be changed without departing from the spirit of the present invention. Further, the illustrative components and procedures may be changed, supplemented, or changed in order without departing from the spirit of the invention.
10 量子もつれ光源
12 ポンプ光源
14 光非線形媒質
16 光フィルタ
20,30 受信機
22,32 位相変調器
110 単一光子光源
112 光カップラ
120,130,220,230 受信機
122,132 位相変調器
222,232 光カップラ
A1,A2,A3,B1,B2,B3 光子検出器
C1,C2,C3,C4 光カップラ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
時間間隔Tの光パルス列であって、1パルス当りの光子数が1以下である光パルス列を出力する光源と、
前記光源からの光パルスを分岐する光カップラと、
前記光カップラからの分岐光パルスを受信するように構成された2つの受信機と
を備え、前記各受信機は、
受信した光パルスに対して位相変調を施す位相変調手段と、
前記位相変調を施した光パルスを時間間隔Tで干渉させて、干渉状態に応じて光子を検出する光子干渉検出手段と、
前記位相変調手段における位相変調情報および前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通する秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と
を備えたことを特徴とする量子暗号装置。 A quantum cryptography device for sharing a secret key between two receivers,
A light source that outputs an optical pulse train that is an optical pulse train at a time interval T and that has one or less photons per pulse;
An optical coupler for branching a light pulse from the light source;
Two receivers configured to receive the branched light pulses from the optical coupler, each receiver comprising:
Phase modulation means for performing phase modulation on the received optical pulse;
Photon interference detection means for causing the optical pulse subjected to the phase modulation to interfere at a time interval T and detecting photons according to the interference state;
A quantum cryptography apparatus comprising: a secret key generation unit configured to generate a secret key common to each other by exchanging phase modulation information in the phase modulation unit and photon detection time information in the photon interference detection unit.
前記位相変調手段は、0またはπ/2の位相変調を施すことを特徴とする量子暗号装置。 The quantum cryptography device according to claim 1,
The quantum cryptography apparatus characterized in that the phase modulation means performs phase modulation of 0 or π / 2.
前記光子干渉検出手段は、
前記位相変調手段からの光パルスを分岐する光分岐手段と、
前記分岐した経路間に時間間隔Tの遅延を与える光遅延手段と、
前記光遅延手段からの光パルスを合波する光合波手段と、
前記合波手段からの光子を干渉状態に応じて検出する光子検出器と
を備えたことを特徴とする量子暗号装置。 The quantum cryptography device according to claim 1 or 2,
The photon interference detection means includes
Optical branching means for branching the optical pulse from the phase modulation means;
Optical delay means for providing a delay of a time interval T between the branched paths;
Optical multiplexing means for multiplexing optical pulses from the optical delay means;
A quantum cryptography apparatus comprising: a photon detector that detects a photon from the multiplexing unit according to an interference state.
前記各受信機は、前記位相変調手段における位相変調情報および前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通するテストビットを生成して照合することによって、盗聴の有無を検知する盗聴検知手段をさらに備えたことを特徴とする量子暗号装置。 The quantum cryptography device according to any one of claims 1 to 3,
Each receiver detects the presence or absence of eavesdropping by exchanging the phase modulation information in the phase modulation means and the photon detection time information in the photon interference detection means, and generating and collating common test bits. A quantum cryptography apparatus further comprising an eavesdropping detection means.
時間間隔Tの光パルス列であって、1パルス当りの光子数が1以下である光パルス列を出力する光源と、
前記光源からの光パルスを分岐する光カップラと、
前記光カップラからの分岐光パルスを受信するように構成された2つの受信機と
を備え、前記各受信機は、
受信した光パルスの一部を分岐して光子を検出する光子検出手段と、
受信した光パルスの残りを時間間隔Tで干渉させて、干渉状態に応じて光子を検出する光子干渉検出手段と、
前記光子検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、盗聴の有無を検知する盗聴検知手段と、
前記光子干渉検出手段における光子検出時刻情報を交換することによって、互いに共通する秘密鍵を生成する秘密鍵生成手段と
を備えたことを特徴とする量子暗号装置。 A quantum cryptography device for sharing a secret key between two receivers,
A light source that outputs an optical pulse train that is an optical pulse train at a time interval T and that has one or less photons per pulse;
An optical coupler for branching a light pulse from the light source;
Two receivers configured to receive the branched light pulses from the optical coupler, each receiver comprising:
Photon detection means for branching a part of the received light pulse to detect photons;
Photon interference detecting means for causing the remainder of the received light pulse to interfere at a time interval T and detecting photons according to the interference state;
Eavesdropping detection means for detecting the presence or absence of eavesdropping by exchanging photon detection time information in the photon detection means,
A quantum cryptography apparatus comprising: a secret key generation unit configured to generate a secret key common to each other by exchanging photon detection time information in the photon interference detection unit.
前記光子干渉検出手段は、
前記受信した光パルスの残りを分岐する光分岐手段と、
前記分岐した経路間に時間間隔Tの遅延を与える光遅延手段と、
前記光遅延手段からの光パルスを合波する光合波手段と、
前記合波手段からの光子を干渉状態に応じて検出する光子検出器と
を備えたことを特徴とする量子暗号装置。 The quantum cryptography device according to claim 5,
The photon interference detection means includes
Optical branching means for branching the remainder of the received optical pulse;
Optical delay means for providing a delay of a time interval T between the branched paths;
Optical multiplexing means for multiplexing optical pulses from the optical delay means;
A quantum cryptography apparatus comprising: a photon detector that detects a photon from the multiplexing unit according to an interference state.
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