JP2009510927A - 量子鍵配布装置 - Google Patents

Abstract

量子暗号鍵を配布するための方法を提供する。前記方法は、最初の量子鍵生成送信機からの第１の量子信号を受信することを備える。下記の前記量子鍵生成送信機との通信において、第１の量子鍵が生成される。第２の量子信号は、受信量子鍵生成送信機に送信される。下記の受信量子鍵生成受信機との通信によって、第２の量子鍵が生成される。前記第１の量子鍵は、前記第２の量子鍵を使用して暗号化される。暗号化された前記第１の量子鍵は、受信量子鍵生成受信機に前記第２の量子鍵を使用して送信される。

Description

本発明は、一般的に、暗号装置に関するものであり、特に量子暗号鍵を広大な距離を越えて配布することを可能にする方法と装置に関するものである。

現在のコンピュータネットワーク内での安全なデータ通信のために、送信、受信相手と共有される秘密鍵の使用を採用することができる。もし秘密鍵自身が安全なままであるならば、暗号化されたデータが傍受されたとしても、秘密鍵で暗号化されたデータの解読は計算的には事実上不可能である。それ故に、秘密鍵暗号装置の強度は、とりわけ、秘密鍵の配布方法によって決まる。もし秘密鍵が、例えば相手との通信中に傍受されたとすると、結果として暗号文は、暴露される可能性がある。

図１は、従来の鍵配布方法の一形態を示す。図１に示すように、一方の当事者ボブが、一方の当事者アリスが暗号化した暗号文を解読するためには、アリスまたは第三者は、ボブと鍵のコピーを共有しなければならない。
この配布方法としては、下記を含んだ様々な従来法が提供されている。１）アリスは鍵を選択し、ボブに物理的に届けることができる。２）第三者は鍵を選択しボブに物理的に届けることができる。３）もし、アリスとボブの両方が第三者と暗号化された通信接続を持っているのならば、第三者は、アリスとボブに対してその暗号化された通信接続で鍵を届けることができる。４）もし、アリスとボブがあらかじめ古い鍵を使っていたならば、アリスは、新しい鍵を古い鍵で暗号化することによってボブに新しい鍵を送信することができる。５）アリスとボブは、例えば、Diffie-Helman鍵共有のような一方向の数学的アルゴリズムによって鍵を共有することができる。

不幸にも、これらの配布方法のどれもが、配布される鍵の盗聴者イヴによる傍受に対して、又はイヴによる、おそらく一方向アルゴリズムのクラッキングに対して脆弱である。イヴは、配布される鍵を盗聴し、傍受しコピーすることができ、その後に、傍受されたボブとアリスの間で送信されたどの暗号文をも解読することができる。従来の暗号装置では、この盗聴を察知することができないので、ボブとアリスの間で送信されたどの暗号文も危ういものとなる。

鍵配布方法に内在するこれらの欠陥を除去するために、量子暗号と呼ばれる鍵配布技術が開発された。量子暗号は、配布される鍵の安全を保証するために応用できる基本的な物理原理と量子系を用いる。ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、量子系の状態を観察するどのような試みも、必然的に量子系の状態の変化を引き起こす。従って、例えば、単一光子や個々の光子のように、非常に低いレベルの物質又はエネルギーが鍵を配布するのに使用されたとき、量子暗号の技術は、鍵の配布の間に盗聴が行われたか否かを、鍵配布者と鍵受領者とが確実に検出することを可能にする。それ故に、量子暗号は、ボブかアリスが盗聴を発見する大きな可能性なしに、アリスからボブに配布される鍵を、イヴのような盗聴者がコピーまたは傍受することを防ぐことができる。

量子鍵配送（QKD）の１つの構成は、アリスとボブとが個々の偏光させられた又は位相変調された光子を使って鍵を送るための量子チャネルと、アリスとボブとが通常の暗号化されていない通信を送るための公衆チャネルと、を含んでいる。量子チャネルは、例えば、空気や光ファイバ中の経路であり、その経路は、量子鍵配送（QKD）光子と周囲との相互作用を最小限にする。公衆チャネルには、例えば公衆交換電話網、インターネット又は無線ネットワークなど、どのような種類の通信網を含めても良い。盗聴者イヴは量子チャネルの光子を測定することを試みるかもしれない。
しかしながら、このような盗聴は、ハイゼンベルクの不確定性原理によって、光子の測定可能な乱れを引き起こす。アリスとボブとは、量子チャネルを通して送った光子を比較し議論するために公衆チャネルを使う。もし、彼らの議論と比較を通して、彼らが盗聴の証拠が無いと判断したならば、量子チャネルによって配布された鍵の構成要素は、完全に秘密であったと考えることができる。

図２と図３は、量子鍵配送の構成図２００と、暗号値を符号化するために使用されるそれぞれの光子の偏光とを示している。最初に、アリスの量子鍵生成器２０５は、ランダムなビット値と基数とを生成し、それから、量子チャネル２１０経由で送信される一連の個々の粒子の偏光状態としてそのビットを符号化する（図３の横列１参照）。
アリスは、自分が送信した光子の偏光状態については誰にも話さない。ボブの量子鍵生成器２１５は、その光子を受光し、実質的に同じ確率でランダムに選択された、直線基底と対角線の基底のどちらかに従って偏光状態を測定する。ボブは、自分が選んだ基底（図３の横列２参照）と、自分が測定した結果（図３の横列３参照）を記憶する。
その次に、ボブとアリスは公衆チャネル２２０経由で、ボブがそれぞれの光子を測定するためにどの基底を選んだか（例えば、図３横列２）話し合う。しかしながら、ボブは、自分の測定結果（例えば、図３横列３）についてはアリスに話さない。
アリスは、ボブに公衆チャネル経由で、ボブが正しい基底に従って測定したかどうかを話す（図３の横列４参照）。その次に、「選別」として参照される方法では、アリスとボブの両方は、ボブが間違った基底に従って測定した結果は全て破棄し、ボブが正しい基底に従って測定した結果のみを保持する（図３の横列５参照）。

いったん光子が選別されたら、アリスとボブは、共有される秘密鍵の秘密のビットとして、残った偏光、又は、それらの値の代数的な組み合わせを採用する。水平、又は、４５度偏光光子を２進数の０として解釈し、垂直、又は、１３５度光子を２進数の１として解釈する（図３の横列６参照）。
その次に、鍵は、データ送信機２２５とデータ受信機２３０によって、暗号文チャネル２３５経由で伝送される順次データを暗号化、複合化するために使用される。

不幸にも、安全な鍵の生成を可能とする極めて量子的な性質が原因で、従来のQKD技術では、配布のための物理的限界は、片道又は一航程が８０ｋｍ以下である。約８０ｋｍを越える伝送のためには、通常、光の増幅が必要とされる。
しかしながら、そのような増幅の間に、送信された鍵生成光子の量子状態が変性し、それによって生成した鍵が壊れる。

その発明と一致する装置、方法は、量子暗号鍵を配布する装置を使用する。その装置は、第１のネットワーク範囲を越えて第１の量子信号を伝送するための量子鍵生成送信機を備えている。中間鍵転送装置は、第１の量子鍵生成送信機からの量子ビットを受信し、第１の量子信号に基づいた第１の量子鍵を生成するために量子鍵生成送信機と通信し、第２の量子信号を第２のネットワーク範囲を越えて送信するように構成されている。
量子鍵生成受信機は、中間鍵転送装置からの第２の量子信号を受信し、第２の量子信号に基づいた第２の量子鍵を生成するために中間鍵転送装置と通信するように構成されている。中間鍵転送装置は、更に、第２の量子鍵に基づいて第１の量子鍵を暗号化し、暗号化された第１の量子鍵を量子鍵生成受信機に送信するように構成されている。量子鍵生成受信機は、暗号化された第１の量子鍵を受信し、復号化するように構成されている。

本発明のもう一つの側面は、量子暗号鍵の配布方法を対象にしている。その方法は、最初の量子鍵生成送信機から第１の量子信号を受信し、第１の量子鍵を生成するために最初の量子鍵生成送信機と通信し、第２の量子信号を受信量子鍵生成送信機に送信し、第２の量子鍵を生成するために受信量子鍵生成受信機と通信し、第２の量子鍵を使用して第１の量子鍵を暗号化し、暗号化した第１の量子鍵を受信量子鍵生成受信機に送信すること、を備えている。

さらに、本発明のもう一つの側面は、長距離ネットワークを越えて量子鍵を配送する装置を対象にしている。その装置は、最初の量子鍵生成送信機からの第１の量子信号を受信し、第１の量子信号に基づいて第１の鍵を生成するために最初の鍵生成送信機と通信するように構成された、中間の鍵生成受信機を備えていても良い。
中間鍵生成送信機は、第２の量子信号を受信鍵生成受信機に送信し、第２の量子信号に基づいて第２の鍵を生成するために受信鍵生成受信機と通信し、第２の鍵を使って第１の鍵を暗号化し、暗号化された第１の鍵を第２の鍵が使用される受信鍵生成受信機に送信するように構成される。

更に、本発明のもう一つの側面は、１つのチャネルを使って、公衆データと量子データを送信する方法を対象にしている。
その方法は、量子信号と公衆データ信号とが交互に含まれている時分割信号を送信し、量子信号に対する割り当て時間の間の時分割信号には、高い減衰率を適用し、公衆チャネル信号にたいする割り当て時間の間の時分割信号には、低い減衰率を適用すること、を備えている。

下記の発明の詳細な説明において添付の図を参照する。異なった図面における同一の符号は、同一又は似た構成要素を示す。また、下記の詳細な説明は、発明を限定するものではない。むしろ、添付の請求項によって定義されている。本発明と一致する装置及び方法は、量子暗号のメカニズムによって暗号鍵の長距離配布を可能にする。

図４は、量子暗号メカニズムによって暗号鍵を配布する、本発明の原理と同一の装置及び方法を提供する典型的な装置４００を示している。装置４００は、最初の送信量子鍵生成装置（QKG-T）４０２と、受信者である量子鍵生成装置（QKG-R）４０４と、中間鍵転送装置４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｎ（これらをまとめて「鍵転送装置４０６」）と、量子チャネル４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｎ、４０８ｎ＋１（これらをまとめて「量子チャネル４０８」）と、公衆チャネル４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｎ、４１０ｎ＋１（これらをまとめて「公衆チャネル４１０」）と、中間暗号文チャネル４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｎ（これらをまとめて「中間暗号文チャネル４１２」）と、最終結果暗号文チャネル４１４と、を備えることができる。３個の中間鍵転送装置４０６が図４に示されているがそれは、単純化のためであり、本発明の原理に従って何個の鍵転送装置が導入されても良いことを理解すべきである。
その上に、中間鍵転送装置４０６は、例えば、任意の適切な認証及びアクセス制限手段のみならず不正操作防止筐体などの、任意のふさわしい手段を使用して安全な操作を提供するように設定されていることに注意すべきである。このようにして、鍵情報が漏れる可能性は大幅に減少させられる。

中間鍵転送装置４０６は、安全なリンク４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｎによってそれぞれ接続されている、安全な中間のQKG-R's ４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｎと、安全な中間のQKG-T's ４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｎとを備えることができる。
量子チャネル４０８は、例えば、光ファイバによってサポートされた波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークのような、任意の適切な光通信媒体又は自由空間通信媒体を備えることができる。公衆チャネル４１０と、暗号文チャネル４１２、４１４とは、公衆移動通信ネットワーク（ＰＬＭＮ）、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、ＬＡＮ、都市規模ネットワーク（ＭＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、企業内ネットワークを含む、１個又はそれ以上の任意のタイプの通信媒体を備えることができる。
１個又はそれ以上のＰＬＭＮは、更に、例えば、汎用パケット無線システム（GPRS）、アナログ式の携帯電話通信網を利用してパケット交換方式のデジタル無線データ通信を提供するサービス(CDPD)、移動体IPサブネットワークなどのパケット交換方式のサブネットワークを備えても良い。

量子チャネル４０８は、可視スペクトルを持った光と、例えば赤外光や紫外光などの可視スペクトルの範囲を超えた光とを含んだ、電磁スペクトルの全範囲の光を伝送できる通信手段を備えていても良い。通信手段は、例えば従来の光ファイバを含んでいても良い。その代わりに、通信手段は、例えば、大気や宇宙空間中の経路、又は、水中やその他の透明媒質中の経路などの、自由空間の光学通路を含んでいても良い。その他の案としては、通信手段は、フォトニックバンドギャップ材料で作られた中空光ファイバを含んでいても良い。

動作中において、アリスとして使われる最初のQKG-T ４０２と中間鍵転送装置４０６との間で生成された最初の量子鍵は、ネットワーク４００を通してボブとして使われる受信者QKG-R ４０４に伝送される。ここで、アリスとボブとは、1個の光伝送間隔（例えば約８０ｋｍ）よりも長い距離離れていても良い。下記のそのような伝送において、アリスとボブとは、配布された量子鍵を使って通信することができる。

図５は、本発明の原理と一致する中間鍵転送装置４０６の典型的な構成要素を示した図である。中間鍵転送装置４０６は、演算処理装置５０５、メモリ５１０、入力装置５１５、出力装置５２０、受信量子鍵生成装置(QKG-R)５２５、送信量子鍵生成装置（QKG-T）５３０、インターフェース５３５、バス５４０を備えることができる。中間鍵転送装置４０６は、信号を受信し、処理し、そして（或いは又は）送信することを助ける図示しないその他の構成要素を含むことができるということを理解することができるだろう。

演算処理装置５０５は、中間鍵転送装置４０６のための入力、出力、演算の全てのデータ処理の役割を遂行する。
メモリ５１０は、一時的なデータの作業記憶領域と、処理機能を実行するために演算処理装置５０５によって使われる命令と、を提供するランダムアクセスメモリ（RAM）を備えることができる。メモリ５１０は、更に、演算処理装置５０５によって使われる命令と、永久的な、或いは半永久的な記憶装置を提供するリードオンリメモリ（ROM）を備えることができる。
メモリ５１０は、例えば、磁気記憶媒体そして（又は）光記憶媒体とそれらに対応するドライブ装置などの大容量記憶装置も備えることができる。

入力装置５１５は、中間鍵転送装置４０６へのデータ入力を可能にし、図示しないユーザインタフェースを備えることができる。出力装置５２０は、データのビデオ、オーディオ、そして（又は）ハードコピーとしての出力を可能にする。
QKG-R ５２５とQKG-T ５３０は、量子暗号技術を使用した暗号鍵を送信し、受信するためのメカニズムを備えることができる。インターフェース５３５は、チャネル４０８、４１０、４１２とともに中間鍵転送装置４０６と相互連結することができる。バス５４０は、構成要素が互いに通信できるように、中間鍵転送装置４０６の様々な構成要素を相互接続させる。

図６は、本発明の原理と一致する中間鍵転送装置のQKG-R ５２５とQKG-T ５３０の典型的な構成要素を示している。QKG-R ５２５は、光リンク６１５経由で入ってくる光子を受信するための光子検出器６０５と光子評価器６１０とを備えることができる。光子検出器６０５は、例えば、従来のアバランシェ光検出器や、従来の光電子倍増管を備えることができる。
光子検出器６０５は、光子が検出器に衝突することによる電気抵抗や検出器の温度の変化によってエネルギーを感じる低温冷却検出器もまた備えていても良い。光子検出器６０５は、光リンク６１５を越えて受け取られた光子を検出することができる。光子評価器６１０は、量子暗号の技術に従って光子検出器６０５からの出力信号を処理し、評価するための電気回路を備えることができる。

QKG-T ５３０は、光子源６２０と、位相／偏光／エネルギー変調器６２５とを備えることができる。光子源６２０は、例えば、レーザを備えることができ、演算処理装置５０５によって出される指示に従って光子を発生させることができる。
光子源６２０は、例えば、赤外や紫外光などのように可視スペクトルと不可視スペクトルの光を含んだ電磁スペクトルの始めからから終わりまでの波長の光の光子を発生させることが出来る。
位相／偏光／エネルギー変調器６２５は、例えば、従来のマッハツェンダー干渉計を備えることができ、通信手段６３０としての光リンクを横断して通信するため、演算処理装置５０５からの指令に従って光子源からの出て行く光子を暗号化することができる。

図７は、図４の装置４００によって量子暗号鍵を配布し、使用するための典型的な方法の一つのフロー図を示している。当初は、QKG-T アリス（４０２）は、ランダムなビットの値と基底を生成し、一連の個々の光子の偏光状態としてそのビットを暗号化し、そのビットを量子チャネル４０８ａを通して中間鍵転送装置（４０６ａ）内に含まれるQKG-R 2 (４１６ａ)に送信する（７００）。
上述したように、QKG-T アリス（４０２）と QKG-R 2 (４１６ａ)は、公衆チャネル４１０ａを越えて通信することによって受信したビットを選別し、受信、選別したビットに基づいた第１の鍵(KEY 1) を生成する（７０２）。

QKG-R 2(４１６ａ)は、KEY 1を安全な通信手段（４２０ａ）経由でQKG-T 2（４１８ａ）に送る（７０４）。QKG-T 2（４１８ａ）は、新しい量子ビットを生成し、そのビットを量子チャネル４０８ｂ経由で、第２の中間鍵転送装置４０６ｂ内に含まれるQKG-R 3 （４１６ｂ）に送る（７０６）。QKG-T 2（４１８ａ）と QKG-R 3 (４１６ｂ)は、それから、公衆チャネル（４１０ｂ）経由で受信されたビットを選別し、受信、選別されたビットに基づいて第２の鍵(KEY 2) を生成する（７０８）。
QKG-T 2は、それから、KEY 2（７１０）を使って、KEY 1を暗号化し、暗号化したKEY 1を中間の暗号チャネル（４１２ａ）経由でQKG-R 3 （４１６ｂ）に送る（７１２）。

QKG-R 3（４１６ｂ）は、KEY 2を使ってKEY 1を復号化し、安全な経路（４２０ｂ）を通してQKG-T 3（４１８ｂ）に送る（７１４）。QKG-T 3 （４１８ｂ）は、それから、新しい量子ビットを生成し、その新しいビットを、量子チャネル４０８ｎ経由で、ｎ番目の中間鍵転送装置（４０６ｎ）内に含まれるQKG-R n（４１６ｎ）に送る（７１６）。
QKG-T 3（４１８ｂ）とQKG-R n（４１６ｎ）は、それから、公衆チャネル（４１０ｎ）経由で受信したビットを選別し、受信、選別されたビットに基づいてn-第１の鍵(KEY n-1)を生成する（７１８）。QKG-T 3は、それから、KEY 1をKEY n-1（７２０）を使って暗号化し、暗号化したKEY 1を暗号チャネル（４１２ｂ）経由でQKG-R n（４１６ｎ）に送る（７２２）。

QKG-R n（４１６ｎ）は、KEY 1をKEY n-1を使って復号化し、KEY1 を安全な経路（４２０ｎ）経由でQKG-T n（４１８ｂ）に送る（７２４）。QKG-T n（４１８ｎ）は、それから、新しい量子ビットを生成し、その新しいビットを量子チャネル４０８ｎ+l経由でQKG-R ボブ（４０４）に送る（７２６）。QKG-T n（４１８ｎ）と QKG-Rボブ（４０４）は、それから、公衆チャネル(４１０ｎ+l)を通して通信することによって受信したビットを選別し、受信、選別したビットに基づいてｎ番目の鍵(KEY n)を生成する（７２８）。QKG-T n（４１８ｎ）は、それから、KEY 1をKEY nを使って暗号化し（７３０）、暗号化したKEY 1を中間の暗号チャネル（４１２ｎ）経由でQKG-R ボブ（４０４）に送る（７３２）。

QKG-R ボブ（４０４）は、KEY nを使用してKEY 1を復号化する（７３４）。ボブと、アリスは、これによって得られた暗号チャネル（４１４）を通して、KEY 1を使用して暗号化された暗号文を交換することができる（７３６）。ｎ個の中間鍵転送装置を経由してKEY 1の安全な伝達を可能にすることによって、図４の装置は、あらかじめサポートされていない長距離ネットワークを越えての量子鍵配送のサポートを提供する。

図８は、本発明の原理と一致する装置及び方法が実行される典型的な装置８００の構成図を示している。装置８００は、アリスの量子鍵生成装置８０２、アリスのデータ送信機８０４、いくつかの多重化装置８０８ａ−８０８ｃと８２６ａ−８２６ｃ、いくつかの逆多重化装置８１０ａ−８１０ｃと８２８ａ−８２８ｃ、一対の中間鍵転送装置８１２ａと８１２ｂ、前記中間鍵転送装置がそれぞれ備えている中間QKG受信器と送信機（８１４ａ、８１４ｂ、８１６ａ（８１４ａ）、８１６ｂ）、ボブの量子鍵生成装置８１８、ボブのデータ受信機８２０、いくつかの光アンプ８２２ａ−８２２ｂと８３０ａ−８３０ｂ、ボブのデータ送信機８２４、アリスのデータ受信機８３２、を備えることができる。
中間鍵転送装置８１２は、ほんの２個であり、図４には、たくさんの関連する要素が示されているが、本発明の原理に従ってより多くの、あるいはより少なくの装置を使用することができることを理解すべきである。

運転中において、アリスのQKG送信機８０２ (QKG-Tアリス)は、量子ビットを第１の多重化装置８０８ａに送る。その信号は、例えば、データ送信機（８０４）からのデータ信号などの他の信号と混合(結合)され、第１の逆多重化装置８１０ａに転送される。
実際は、それぞれの多重化装置８０８と逆多重化装置８１０の対は（それぞれの多重化装置８２６と逆多重化装置８２８の対も）、一般には８０ｋｍ以下の距離（１スパン）ごとに離される。上述したように、１スパンよりも遠い距離を伝搬する信号は、届けられる前に光学的に増幅されるか、強化される必要がある。

逆多重化装置８１０ａで受け取られ次第、量子ビットは、受信された信号から分離され、第１の中間鍵転送装置８１２ａに、具体的に言えば、そこに含まれている中間のQKG受信機８１４ａ(QKG-R 2) に転送される。QKG-R 2は、それから、第１の量子鍵(KEY 1)の値を定義するために多重化装置８２６ｃと逆多重化装置８２８ｃとを経由してアリスのQKG８０２に連絡する。いったんKEY 1が生成されると、装置８００を通して伝達されるために、中間のQKG送信機８１６ａ(QKG-2T)に移動させられる。

QKG-T 2 ８１６ａは、それから、新しい量子ビットを第２のスパンにある第２の多重化装置８０８ｂに送る。この量子ビットは、例えば、データ送信機８０４からのデータ信号などの、ことによると増幅された他の信号と混合されて、第２の逆多重化装置８１０ｂに転送されてもよい。逆多重化装置８１０ｂで受け取られ次第、第２の量子ビットは、受信された信号から分離され、第２の中間鍵転送装置８１２ｂに、具体的に言えば、そこに含まれている中間のQKG受信機８１４ｂ（QKG-R 3）に転送される。
QKG-R 3 ８１４ｂは、それから、第２の量子鍵（KEY 2）の値を定義するために多重化装置８２６ｂと逆多重化装置８２８ｂとを経由してQKG-T 2 ８１６ａに連絡する。いったんKEY 2が生成されると、QKG-T 2 ８１６ａは、KEY 2を使ってKEY 1を暗号化し、暗号化したKEY 1をQKG-R 3 ８１４ｂに送信する。QKG-R 3 ８１４ｂは、KEY 1を複合化し、装置８００を通して伝達を継続させるために、それをQKG-T 3 ８１６ｂに移動させる。

QKG-T 3 ８１６ｂは、それから、３番目の量子ビットを３番目のスパンにある３番目の多重化装置８０８ｃに送る。この量子ビットは、例えば、データ送信機８０４からのデータ信号などの、ことによると増幅された他の信号と再び混合されて、第２の逆多重化装置８１０ｃに転送されてもよい。逆多重化装置８１０ｃで受け取られ次第、３番目の量子ビットは、受信された信号から分離され、そこに含まれているボブのQKG受信機８１８（QKG-R ボブ）に転送される。
QKG-R ボブ８１８は、それから、３番目の量子鍵（KEY 3）の値を定義するために多重化装置８２６ａと逆多重化装置８２８ａとを経由してQKG-T 3 ８１６ｂに連絡する。いったんKEY 3が生成されると、QKG-T 3 ８１６ｂは、KEY 3を使ってKEY 1を暗号化し、暗号化したKEY 1をQKG-R ボブ ８１８に送信する。QKG-R ボブ ８１８は、それから、KEY 3を使ってKEY 1を復号化する。

いったんKEY 1がQKG-R ボブ８１８によって首尾良く復号化されたならば、データは、ボブとアリスのどちらによっても暗号化することができ、多重化装置８０８ａ−８０８ｃと８２６ａ−８２６ｃ、逆多重化装置８１０ａ−８１０ｃと８２８ａ−８２８ｃ、そして光アンプ８２２ａ−８２２ｂと８３０ａ−８３０ｂを経由して、長距離装置８００全部を越えて相手とのデータ移動が可能となる。

図９は、単波長での公衆チャネル通信と、量子鍵の生成とを統合する装置９００の構成図を示している。本発明の原理と一致する、一実施形態において、装置９００の要素は、図４、図８にそれぞれ示す、装置４００と装置８００のように、それぞれのシステムに必要なケーブル布線と伝送の要件を簡略化するために装置に組み込まれてもよい。

装置９００は、混合伝送装置９０２と、第１の減衰器９０４と、光分配器９０６と、第２の減衰器９０８と、量子鍵生成受信機９１０と、公衆通信受信機９１２とで構成することができる。運転中において、混合伝送装置９０２は、単一光子の量子鍵伝送と、多数の光子を含む公衆通信伝送の両方を時分割法によって生成する。
即ち、装置９０２は、量子ビットと公衆チャネルデータとを交互に第１の減衰器９０４に出力します。本発明に従って、任意の適切な時間間隔が使用されるが、一実施形態として、それぞれの種類の信号は、１μｓの間に出力される。

例えば、装置９０２がそれぞれの信号を出力したときに、減衰器９０４と９０８（例えば、可変光減衰器（ＶＯＡ））も、信号の適した種類の伝送を可能にするために能力を変更するように、装置９０２と、第１のそして第２の減衰器９０４と９０８とは、同期している。特に、それぞれの量子鍵のための分割時間の間、第１の減衰器９０４は、信号を大きく減衰させ、それによって出力信号のパワーを低下させる。それぞれの公衆チャネル通信の分割時間の間、減衰の適用は、除外されるか、軽減され、結果的に量子鍵生成信号と比較して強いパワーの信号となる。第１の減衰器９０４による下記の動作により、信号は、光分配器９０６に送信される。

光分配器９０６は、それから、受信した信号を複製し、オリジナルの受信した信号を第２の減衰器９０８に出力し、複製した信号を公衆通信受信機９１２に出力する。送信機９０２と第１の減衰器９０４との同期したタイミングに従って、量子信号の分割時間の間、第２の減衰器９０８は、動作を止められるか、減衰の軽減を行い、それによって、量子鍵生成受信機９１０が単一光子を「見る」ことを可能にする。
しかしながら、公衆通信の分割時間の間、第２の減衰器９０８は、信号を大きく減衰させ、それによって、量子鍵生成受信機９１０を保護する。この場合には、分配された信号は、公衆通信受信機９１２によって読まれる。

図１０は、データと、制御データと、量子鍵生成情報とを同時に伝送するために使用されるＷＤＭスペクトルの典型的な実施について示した図である。本発明の原理と一致する一実施形態に従って、ＷＤＭスペクトル１０００は、データ伝送波長１００２と、管理又は制御情報を運ぶための第１の光管理チャネル（ＯＳＣ）１００４と、量子鍵生成ビットを運ぶための第２のＯＳＣ１００６とを含んでいても良い。
一実施例において、第１のＯＳＣ１００４は、赤い波長のＯＳＣであり、第２のＯＳＣ１００６は、青い波長のＯＳＣであってよい。公衆チャネルデータと、量子鍵生成ビットの両方の伝送を可能にする単一スペクトル１０００を提供することによって、図９の装置は、それぞれの種類の信号を単一の伝送媒体に組み入れることができる。

図１１Ａは、本発明の原理と一致する中間鍵転送装置４０６ａの他の典型的な実施例を示した図である。中間鍵転送装置４０６ａは、安全な中間量子鍵生成受信機（QKG-R）４１６ａと、安全な中間量子鍵生成送信機（QKG-T）４１８ａと、optical time domain reflectometer（OTDR）１１００とを備えることができる。上述したように、QKG-R と QKG-Tとは、安全な通信手段４２０ａによって接続されてもよい。
その上、上記で詳述したように量子鍵の伝送を可能にするために、量子チャネル４０８８と４０８ｂ、公衆チャネル４１０ａと４１０ｂ、暗号チャネル４１２は、１個又はそれ以上の光ファイバ１１０２の中に形成され、中間鍵転送装置４０６ａに接続されてもよい。

本発明の原理と一致する1つの実施形態に従って、ＯＴＤＲ１１１０（１１００）は、量子信号の傍受の監視を強化するために、中間量子鍵転送装置４０６ａの下流側に用意される。ＯＴＤＲ１１１０は、動作可能なように、ファイバ１１０４と多重化装置または類似の装置１１０６を経由して光ファイバ１１０２と結合又は連結されても良い。動作中において、ＯＴＤＲ１１１０は、強い強度の光パルスをファイバ１１０４中に伝送することによって、例えば、盗聴者の存在のような量子信号の異常を検出する。
その光は、ファイバ１１０４と、多重化装置１１０６と、ファイバ１１０２と、を通って、異常が検出されるまで伝搬する。そのような、異常の存在、この場合は、盗聴者の存在は、結果的に光がＯＴＤＲ１１１０に反射して戻ることになり、異常な所との距離を決定することができる。

図１１Ｂは、中間鍵転送装置４０６ａの上流に位置したＯＴＤＲ１１１０の示した、図１１Ａに類似の構成図である。ある意味では、上記と似ているが、ＯＴＤＲ１１１０は、盗聴者が原因の異常である可能性を識別するために、強い強度の光パルスをファイバ１１０４と、多重化装置１１０６と、ファイバ１１０２と、を通して上流に注入する。

本発明の原理と一致する装置及び方法は、量子鍵を光りネットワークを通して伝送させる装置及び方法を提供する。更にまた、そのような装置は、ネットワークの各スパンを越えて公衆と、量子との両方の情報を運ぶための単一の伝送媒体を使用することによって簡略化される。

本発明の典型的な実施形態である上記の記述は、図と説明を提供する、しかし、開示した厳密な形態で発明を包括し、又は、限定することを目的とするものではない。変更と変形は、上記教示に照らし合わせてみて可能であり、又は、発明の実施から取得することができる。
例えば、本発明の特定の構成要素は、ソフトウエアで実行され、他の構成要素はハードウエアで実行されるように記載されているが、他の構成も可能である。更に、波長分割多重が上述されているが、量子チャネルを越えて信号を送信するために、時分割多重を使用することもでき、もう一つの方法として、或いは、同時に使用して、波長多重装置を使用することができる。更に、本発明の典型的な実施形態は、暗号化するために光QKG信号（例えば、光子）を使用し、暗号鍵を伝送するように記載されているが、例えば、個々の原子、電子、その他を含む他の光でない信号がもう一つの方法として使用されてもよいことが理解されるだろう。光ではない信号を用いる実施形態においては、個々の量子の粒子（例えば、原子、電子など）は、暗号鍵の記号として変調されてもよい。

図７に関して、一連の動作が記載されているが、本発明と一致する他の実施形態では、動作の順番を変えることができる。例えば、従属していない動作は、並列で実施することができる。本明細書に使用されていない要素、実行、又は、指示は、はっきりとそのように記載されていない限り本質的又は重要な意味があると解釈されるべきである。また、ここで使用されているように、項目「ａ」は、１個又はそれ以上の事項を含むことを目的としている。１個または似た言葉が使用された場合は、１個の事項を意味する。更に、「基づいて」という言い回しは、明白に述べていない限りは、「少なくともその部分に基づいて」を意味することを目的としている。本発明の範囲は、請求項そしてそれと同等なものによって定義される。

本明細書の一部を構成し、本明細書に組み込まれている添付の図は、本発明を説明する記載に加えて、本発明の典型的な実施例を説明している。
図１は、暗号鍵の配布と暗号文通信を示した図である。 図２は、量子暗号鍵配送方法を示した図である。 図３は、量子暗号の選別について示した図である。 図４は、本発明と一致する装置と方法が実施される典型的なネットワークについて示した図である。 図５は、本発明の原理と一致する中間鍵転送装置の典型的な構成要素を示した図である。 図６は、本発明の原理と一致する典型的な量子鍵生成受信機と量子鍵生成送信機とを示した図である。 図７は、図４の装置に使用される量子暗号鍵を配布し、使用する典型的な方法を示したフロー図である。 図８は、本発明の原理と一致する装置と方法とが実施される典型的な装置の構成図である。 図９は、量子鍵生成と公衆チャネル通信を統合して単一の波長で実施する装置の構成図である。 図１０は、データと、制御データと、量子鍵生成情報とを同時に伝送するために使用されるWDMスペクトルの典型的な実施について示した図である。 図１１Ａと図１１Ｂは、本発明の原理と一致する中間鍵転送装置の典型的な実施例を示した構成図である。

符号の説明

２００ 量子鍵配送の構成図
２１５ 量子鍵生成器
２２０ 公衆チャネル
２２５ データ送信機
２３０ データ受信機
４００ 装置
４０２ 最初の送信量子鍵生成装置（QKG-T）
４０４ 受信者である量子鍵生成装置（QKG-R）
４０６ａ 中間鍵転送装置
４０６ｂ 中間鍵転送装置
４０６ｎ 中間鍵転送装置
４０８ａ 量子チャネル
４０８ｂ 量子チャネル
４０８ｎ＋１ 量子チャネル
４１０ａ 公衆チャネル
４１０ｂ 公衆チャネル
４１０ｎ 公衆チャネル
４１０ｎ＋１ 公衆チャネル
４１４ 最終結果暗号文チャネル
４１６ａ 安全な中間のQKG-R's
４１６ｂ 安全な中間のQKG-R's
４１６ｎ 安全な中間のQKG-R's
４１８ａ 安全な中間のQKG-T's
４１８ｂ 安全な中間のQKG-T's
４１８ｎ 安全な中間のQKG-T's
４２０ａ 安全なリンク
４２０ｂ 安全なリンク
４２０ｎ 安全なリンク
５０５ 演算処理装置
５１０ メモリ
５１５ 入力装置
５２０ 出力装置
５２５ 受信量子鍵生成装置(QKG-R)
５３０ 送信量子鍵生成装置（QKG-T）
５３５ インターフェース
５４０ バス
６０５ 光子検出器
６１０ 光子評価器
６１５ 光リンク
６２０ 光子源
６２５ 位相／偏光／エネルギー変調器
６３０ 通信手段
８０４ データ送信機
８０８ 多重化装置C
８１６ｂ QKG-T3
８２６ａ 多重化装置
８２８ａ 逆多重化装置
９００ 装置
９０２ 混合伝送装置
９０４ 第１の減衰器
９０６ 光分配器
９０８ 第２の減衰器
９１０ 量子鍵生成受信機
９１２ 公衆通信受信機
１０００ ＷＤＭスペクトル
１００２ データ伝送波長
１００４ 第１の光管理チャネル（ＯＳＣ）
１００６ 第２のＯＳＣ
１１００ ＯＴＤＲ
１１０２ 光ファイバ
１１０４ ファイバ
１１０６ 多重化装置

Claims (28)

1. 第１の量子信号を最初の量子鍵生成送信機から受信し、
   第１の量子鍵を生成するために前記最初の量子鍵生成送信機と通信し、
   第２の量子信号を受信量子鍵生成送信機に送信し、
   第２の量子鍵を生成するために受信量子鍵生成受信機と通信し、
   前記第１の量子鍵を前記第２の量子鍵を使って暗号化し、
   前記暗号化した第１の量子鍵を前記受信量子鍵生成受信機に送信する、
   量子暗号鍵の配布方法。
2. 前記第１の量子信号が、所定の偏光状態を有した少なくとも１個の光子を含んでいる、 請求項１に記載の量子暗号鍵の配布方法。
3. 前記第１の量子信号は、第１の量子チャネル経由で前記最初の量子鍵生成送信機から受信され、
   第１の量子鍵を生成するための前記最初の量子鍵生成送信機との通信が第１の公衆チャネル経由で発生する、請求項１に記載の量子暗号鍵の配布方法。
4. 前記第２の量子信号を受信量子鍵生成送信機に送信することが、第２の量子チャネル経由で発生し、
   第２の量子鍵を生成するための前記受信量子鍵生成受信機との通信が、第２の公衆チャネル経由で発生し、
   前記暗号化した第１の量子鍵を前記受信量子鍵生成受信機に送信することが、第１の暗号チャネル経由で発生する、
   請求項１に記載の量子暗号鍵の配布方法。
5. 前記第１の量子信号の受信と、前記最初の量子鍵生成送信機との通信と、のそれぞれが、単一の混合チャネル経由で発生する、請求項１に記載の量子暗号鍵の配布方法。
6. 前記単一の混合チャネルが、前記第１の量子信号と、公衆データ信号と、を時分割の方法で含む、請求項５に記載の量子暗号鍵の配布方法。
7. 前記量子信号と前記公衆データ信号とを、第１の分割信号と第２の分割信号とに分割し、
   前記第１の分割信号が前記第１の量子信号を含んでいるとき、前記第１の分割信号を低い減衰率で減衰させ、
   前記第２の分割信号が前記公衆データ信号を含んでいるときは、前記第１の分割信号を高い減衰率で減衰させ、
   中間量子鍵生成受信機で前記第１の分割信号を受信し、
   中間量子鍵公衆データ受信機で前記第２の分割信号を受信する、
   請求項６に記載の量子暗号鍵の配布方法。
8. 前記単一の混合チャネルが、波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルである、請求項５に記載の量子暗号鍵の配布方法。
9. 前記ＷＤＭチャネルが、データ伝送部分と、管理制御部分を備え、前記第１の量子信号が前記管理制御部分で運ばれる、請求項８に記載の量子暗号鍵の配布方法。
10. 前記ＷＤＭチャネルが、光管理チャネルに含まれている量子信号を受信するように構成されている、請求項９に記載の量子暗号鍵の配布方法。
11. 前記ＷＤＭチャネルが、青い光管理チャネルに含まれている量子信号を受信するように構成されている、請求項１０に記載の量子暗号鍵の配布方法。
12. 第１のネットワーク範囲を越えて量子信号を送信するように構成された量子鍵生成送信機と、
    前記量子鍵生成送信機から前記量子信号を受信し、第１の量子信号に基づいて第１の量子鍵を生成するために前記量子鍵生成送信機と通信し、前記第１のネットワーク範囲を越えて第２の量子信号を送信するように構成された中間鍵転送装置と、
    前記第２の量子信号を前記中間鍵転送装置から受信し、前記第２の量子信号に基づいて第２の量子鍵を生成するために前記中間鍵転送装置と通信するように構成された量子鍵生成受信機と、を備え、
    前記中間鍵転送装置は、前記第１の量子鍵を前記第２の量子鍵に基づいて暗号化し、暗号化された前記第１の量子鍵を前記量子鍵生成受信機に送信するように構成され、
    前記量子鍵生成受信機は、暗号化された前記第１の量子鍵を受信し、復号化するように構成されている、
    量子暗号鍵配布装置。
13. 前記第１のネットワーク範囲と前記第２のネットワーク範囲が約８０ｋｍよりも小さい距離を持つ、請求項１２に記載の量子暗号鍵配布装置。
14. 前記第１のネットワーク範囲は、第１の量子チャネルと第１の公衆チャネルとを備え、
    前記量子鍵生成送信機は、前記最初の量子信号を前記中間鍵転送装置に前記第１の量子チャネルを越えて送信するように構成され、
    前記中間鍵転送装置と、前記量子鍵生成送信機とは、前記公衆チャネルを越えて通信する、
    請求項１２に記載の量子暗号鍵配布装置。
15. 前記第１のネットワーク範囲が、第１の量子チャネルと第１の公衆チャネルとが結合したものを備える、請求項１４に記載の量子暗号鍵配布装置。
16. 前記第１の量子信号と第１の公衆データ信号を量子鍵送信機から受信するように構成された第１の減衰器と、
    前記第１のネットワーク範囲を越えて前記第１の減衰器と動作可能に接続された分配器と、
    第１の量子信号と公衆信号の混合信号を受信するように構成された第２の減衰器と、
    を更に備えた請求項１５に記載の量子暗号鍵配布装置。
17. 前記量子鍵生成送信機が、前記第１の量子信号と前記第１の公衆データ信号とを交互に出力するように構成された、
    請求項１６に記載の量子暗号鍵配布装置。
18. 前記第１の減衰器が、前記量子鍵生成送信機から出力された信号と同期したタイミングに基づいて減衰率を変化させて適用するように構成されている、
    請求項１７に記載の量子暗号鍵配布装置。
19. 前記第１の減衰器が、前記量子鍵生成送信機が出力した量子信号に使われる分割時間の間に受信した信号に高い減衰率を適用するように構成されている、
    請求項１７に記載の量子暗号鍵配布装置。
20. 前記第２の減衰器が、前記量子鍵生成送信機から出力された信号と同期したタイミングに基づいて減衰率を変化させて適用するように構成されている、
    請求項１６に記載の量子暗号鍵配布装置。
21. 前記第２の減衰器が、前記量子鍵生成送信機が出力した公衆データ信号に使われる分割時間の間に受信した信号に高い減衰率を適用するように構成されている、
    請求項１６に記載の量子暗号鍵配布装置。
22. 前記中間鍵転送装置が、
    前記量子鍵送信機からの第１の量子信号を受信するように構成された中間量子鍵受信機と、
    前記第２の量子信号と暗号化された前記第１の量子鍵とを前記量子鍵受信機に送信するように構成された中間量子鍵送信機と、
    を備えた請求項１５に記載の量子暗号鍵配布装置。
23. 前記中間量子鍵受信機と前記量子鍵生成送信機とが、前記第１の量子信号に基づいて前記第１の量子鍵を生成するために通信する、
    請求項２２に記載の量子暗号鍵配布装置。
24. 前記中間鍵転送装置が、前記第２の量子信号と暗号化された前記第１の量子鍵とを前記量子鍵生成受信機に送信するように構成されている、
    請求項２２に記載の量子暗号鍵配布装置。
25. 第１の量子信号を最初の鍵生成送信機から受信し、前記第１の量子信号に基づいて第１の鍵を生成するために前記最初の鍵生成送信機と通信するように構成された中間鍵生成受信機と、
    第２の量子信号を受信鍵生成受信機に送信し、前記第２の量子信号に基づいて第２の鍵を生成するために前記受信鍵生成受信機と通信し、前記第２の鍵を使用して前記第１の鍵を暗号化し、暗号化された前記第１の鍵を前記受信鍵生成受信機に前記２番目の鍵を使用して送信するように構成された中間鍵生成送信機と、
    を備えた長距離ネットワークを越えて量子鍵を配送するための装置。
26. 量子信号と公衆データ信号とを交互に含んだ時分割信号を送信し、
    量子信号の分割時間の間、時分割信号に高い減衰率を適用し、
    公衆チャネル信号の分割時間の間、時分割信号に低い減衰率を適用する、
    単一のチャネルを使用して量子データと公衆データとを送信するための方法。
27. 更に、前記時分割信号を第１の分割信号と、第２の分割信号とに分割し、
    量子信号の分割時間の間、前記第１の分割信号に低い減衰率を適用し、
    公衆チャネル信号の分割時間の間、前記第１の分割信号に高い減衰率を適用する、
    請求項２６に記載の単一のチャネルを使用して量子データと公衆データとを送信するための方法。
28. 前記低い減衰率と前記高い減衰率の適用が、可変光減衰器によってなされる、
    請求項２７に記載の単一のチャネルを使用して量子データと公衆データとを送信するための方法。

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