JP2010166285A - 光受信装置および光受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光検出器にそれぞれ施されるゲートの一方的なずれを無くすことで安全性劣化を回避することができる光受信装置および光受信方法を提供する。
【解決手段】変調された光パルスを受信する光受信装置は、光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出する複数の光検出手段（ＡＰＤ０、ＡＰＤ１、ＰＤ１−ＰＤ４）と、前記複数の光検出手段の有効時間域（Ｇ０、Ｇ１、Ｗ１−Ｗ４）が各々異なる幅となるように制御する制御手段（２０３、５０２）と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光通信システムにおける光受信装置および光受信方法に関する。

急激な成長を続けるインターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えているのが実情であり、通信の秘密保持の為に高度な暗号技術の必要性が益々高くなっている。現在一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ(Data Encryption Standard)やTriple ＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＡＳ(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様な公開鍵暗号とに分類される。しかしながら、これらは計算の複雑性を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算能力や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配付システム（ＱＫＤ）は絶対に盗聴されない暗号鍵配付技術として注目されている。

ＱＫＤでは一般に通信媒体として光子を使用し、その量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るものの、Heisenbergの不確定性原理により、１度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となる。このことによって正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じ、この変化により受信者は伝送路における盗聴者を検出することができる。

光子の位相を利用した量子暗号鍵配付方法の場合、送信者と受信者（以下、それぞれ「Ａｌｉｃｅ」と「Ｂｏｂ」と称する）で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅおよびＢｏｂでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって“０” あるいは“１”の出力が得られ、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間で照合することによって最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で乱数列を共有することができる。以下、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる最も代表的な量子暗号鍵配送アルゴリズムについて簡単に説明する（非特許文献１）。

図９はＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。ここでは、送信側のＡｌｉｃｅ１１０１と受信側のＢｏｂ１１０３とが光伝送路１１０２で接続され、量子暗号通信を行うものとする。この方法では４通りの量子状態を利用し、Ａｌｉｃｅ１１０１が乱数源を２つ持ち、一方の乱数１で０あるいは１の暗号鍵データを表し、もう一方の乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。

具体的には、コヒーレントな２パルス間の位相差を利用して４状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法において、位相０が暗号鍵“０”、位相πが暗号鍵“１”の組を表すコーディングセット（以下、「Ｘ基底」と称する。)と、位相π／２が暗号鍵“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセット（以下、「Ｙ基底」と称する。）と、の２組の基底を乱数２で選択する。つまり１つの光子に対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに施してＢｏｂ１１０３へ送信する。

一方、Ｂｏｂ１１０３では基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、Ａｌｉｃｅ１１０１より送られてきた光子に対してデコードを行う。乱数３の値が“０”である場合、光子に対して位相０（Ｘ基底）の変調を、“１”である時には位相π／２（Ｙ基底）の変調を施す。ここで光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。

Ａｌｉｃｅ１１０１とＢｏｂ１１０３の両者が施した変調の基底が同一である場合（乱数２＝乱数３）には、乱数１の値をＢｏｂ１１０３は正しく検出することができ（乱数１＝乱数４）、異なる場合（乱数２≠乱数３）には乱数１の値に依らずＢｏｂ１１０３は乱数４として０／１の値をランダムに得る。

乱数１／２／３は共に１ビット毎に変化する乱数である為、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となる。ただし、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除する為、Ａｌｉｃｅ１１０１とＢｏｂ１１０３は乱数１に対応する０／１ビット列を共有することができる。なお、量子暗号鍵配付では、基底不一致ビットを削除する前の乱数データを「生鍵」、基底不一致ビットを削除した後の乱数データを「選別鍵」と呼ぶ。

図１０は非特許文献２に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。図１０に示す方式では、２値の位相状態と２値の時間状態とを使用する。

まずＡｌｉｃｅ１２０１で４入力２出力の２×４干渉計を利用し、４つの入力ポート各々に光源ＬＤ１〜ＬＤ４からの光パルスを入力する。光源ＬＤ１から光パルスを入力した場合、光パルスは干渉計の長経路のみを通る為、時間的に遅れた１パルスのみが伝送路に送出され、光源ＬＤ４から光パルスを入力した場合には、光パルスは干渉計の短経路のみを通る為に時間的に進んだ１パルスのみが伝送路に送出される。光源ＬＤ２およびＬＤ３から光パルスを入力した場合は、２×４干渉計の両経路の位相差によって、Ｘ基底あるいはＹ基底を生成できる。Ｂｏｂ１２０２では、２入力４出力の２×４干渉計を利用して各基底のデコードを行い４個の光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４により検出される。

以下、光源ＬＤ１およびＬＤ４を使用した場合の様に、２連パルスの片側のみ光子が存在するようなコーディングセットを「Ｚ基底(Z basis)」と呼ぶこととする。なお、Ｘ基底あるいはＹ基底を選択時の２連パルスの光強度の総和は、Ｚ基底選択時と等しい必要がある為、個々のパルスの強度は半分となる。

すなわち、Ａｌｉｃｅ側は光源ＬＤ１−ＬＤ４のうちのどの光源から光パルスを発生させるかを選択し、Ｂｏｂ側は光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４のいずれかで光子を検出することによりビットおよび基底を同時に判定することができる。本方式では、Ｂｏｂ側に変調器を必要としない為、暗号鍵生成の高速化が実現できる。

近年、上述したような量子暗号鍵配付技術を実装する方法やその安全性に関する研究が数多く報告されており、特に現実世界での不完全性を盛り込んだ上での量子暗号鍵配付技術の安全性に関する研究が盛んになり始めている。例えば、量子暗号鍵配付技術では単一光子を媒体としてＡｌｉｃｅおよびＢｏｂの間で乱数共有を行うが、有用な単一光子光源がないので、代替的に光強度を弱めたパルスレーザ光を使用している。このような光源を弱コヒーレント光源といい、１パルスあたりの光子数が２個以上となるようなパルスが混在する可能性があり、その割合が無視でない。このことを利用した盗聴攻撃としてＰＮＳ攻撃（Photon Number Splitting攻撃）があり、このＰＮＳ攻撃を防御するためのDecoy State法等が提案されている。

一方、量子暗号鍵配付技術では複数の光子検出器を使用するが、この複数の検出器間の特性差異を利用する攻撃として、ＦＳ（Faked State）攻撃等（これを応用したTime-shift攻撃も含む。）などが提唱されている（非特許文献３および４を参照）。

ＦＳ攻撃等では、複数検出器の受信ゲートの時間ずれを利用し、盗聴者(Ｅｖｅ)が意図的にこのゲートずれの領域に光パルスを送り込むことによって、効率的に盗聴行為を隠蔽することができる。以下、図１１および図１２を参照しながらＦＳ攻撃について説明する。

図１１はＦＳ（Faked State）攻撃の概念を説明するための模式図、図１２はＦＳ攻撃の効果の一例を示す図である。図１１に示すように、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとを接続する伝送路の途中に盗聴者であるＥｖｅが存在し、伝送路中で量子状態の操作を行うものとする。また、後述するように、Ｂｏｂ内の光部品のポート長を実装する際のファイバ等長誤差や信号パタン等長誤差により、ゲートモード駆動される光検出器ＡＰＤ０の受信効率η₀(t)と光検出器ＡＰＤ１の受信効率η₁(t)との間に時間的なずれが不可避的に存在する。これによって、光検出器ＡＰＤ０が検出できて光検出器ＡＰＤ１が検出できない時間領域Ｖ１と、光検出器ＡＰＤ１が検出できて光検出器ＡＰＤ０が検出できない時間領域Ｖ２とが存在するものとする。

なお、ここでは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂがＸ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１の４状態を利用してＢＢ８４によって量子暗号鍵配付を行うものとする。ただし、ここでは、“Ｘ０”における前の“Ｘ”は基底、後の“０”は鍵データをそれぞれ示し、その他Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１も同様とする。

図１２にＡｌｉｃｅ、ＢｏｂおよびＥｖｅが行う操作を場合分けした表を示す。Case1〜16では、ＡｌｉｃｅはＹ０を送信する。Ｅｖｅは、Ａｌｉｃｅが送信した量子状態を知ることが出来ないため、１／２の確率でＹ基底 (Case1〜8) 若しくはＸ基底(Case9〜16) で受信する。Ａｌｉｃｅの送信基底とＥｖｅの受信基底とが同じ場合(Case1〜8)、Ｅｖｅは誤り無くＡｌｉｃｅの送信状態を受信できる。つまり、Case1〜8では、ＥｖｅはＹ０を受信する（但し、この段階ではＥｖｅは受信内容が正しいかどうか知らない。)。この場合、Ｅｖｅは、受信状態“Ｙ０”と逆の基底で逆のデータ、つまり“Ｘ１”をｔ０の時刻（Ｂｏｂの光受信機ＡＰＤ０でしか検出されない時刻）で送信する。

Ｅｖｅが送信したパルスをＢｏｂはランダムな基底で受信する。Case1,2,5,6はＢｏｂがＹ基底で受信する場合、Case3,4,7,8はＢｏｂがＸ基底で受信する場合にそれぞれ対応する。Case1,2,5,6では、ＢｏｂはＸ１の状態をＹ基底で受信するので観測結果は定まらず、１／２の確率でＡＰＤ０とＡＰＤ１とに出力される。時刻ｔ０のＡＰＤ０およびＡＰＤ１の検出確率はη₀(t₀)、η₁(t₀)であるので、実際に各検出器で検出される確率は1/2η₀(t₀)、1/2η₁(t₀)となる。一方、Case3,4,7,8では、Ｂｏｂは送られてきたＸ１の状態をＸ基底で受信するため、状態は一意に定まり、ＡＰＤ１に出力された光子を検出できる確率はη₁(t₀)となる。ただし、Case3,4,7,8に関しては、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが使用した基底が異なるので後段の基底照合で破棄され、暗号鍵としては使用されない。

同様の場合分けを全て行うと図１２の表が完成する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂの共有する暗号鍵の誤り率ＱＢＥＲは、非特許文献４によれば、

であり、η₀(t₀)>>η₁(t₀)、η₁(t₁)>>η₀(t₁)の場合には、ほぼ０となる。これは、Ｅｖｅの盗聴操作がＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂの共有する暗号鍵に痕跡を残さないことを意味する。

上述した例はゲートモードの光子検出器の場合であったが、非ゲートモードの光子検出器でもＦＳ攻撃の問題は発生する。非ゲートモードの光子検出器でも、有効な検出情報を得るための適切な時間領域を設定し、この時間領域内に検出されたビット情報を鍵として使用する。したがって、複数の光子検出器間でこの時間領域がずれていると、ＦＳ攻撃が成功しうる。このような複数の光子検出器間での時間領域のずれによる光子検出効率の位相ずれについて図１３を参照しながら説明する。

図１３（Ａ）は非特許文献４に示すような往復型の量子暗号鍵配付方法における光部品のポート長の実装誤差を説明するための模式図であり、図１３（Ｂ）は非特許文献２に示すような単一方向型の量子暗号鍵配付方法における光部品のポート長の実装誤差を説明するための模式図である。

一般的に光部品のポート長を実装する際、±５ｍｍ程の設計マージンを考慮する必要がある。図１３（Ａ）に示す往復型構成では、光カプラ９１、サーキュレータ９２、光子検出器９３、９４で合わせて６箇所の光ポートを実装する必要がある。したがって、各ポート±５ｍｍの精度では、光子パルスが光カプラ９１を通過して各光子検出器９３および９４に到達するまでに最大３０ｍｍの遅延差が生じることとなる。これは、時間にすると約１５０ｐｓに相当する。

他方、図１３（Ｂ）に示す単一方向型構成では、光カプラ９１と光子検出器９３，９４と合わせて４つの光ポートを実装する必要がある。このため、各ポート±５ｍｍの精度では最大２０ｍｍ、１００ｐｓの遅延差が生じる。つまり、１００ｐｓ以下の幅の光パルスを用いることで、Ｅｖｅは効率よくＦＳ攻撃を行うことができる。

"Quantum Cryptographe; Public Key distribution and Coin Tossing" IEEE Int. Conf. on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, December 10-12, 1984, pp.175-179, Bennett, Brassard. "Quantum key distribution systems without optical switching using planar lightwave circuit" QCMC2006, P2-31, Y. Nambu et al. V. Makarov et al., J. Mod. Opt., Vol.52, pp691 (2005). Bing Qi et al., "TIME-SHIFT ATTACK IN PRACTICAL QUANTUM CRYPTOSYSTEMS," quant-ph/0512080.

上述したように、ＦＳ攻撃等は、装置を実装する際に避けることが出来ない光ポート長の設定誤差や複数の光子検出器に施す複数のゲートの伝播遅延差によって、図１３のような検出タイミングの差異が生じることを利用している。しかしながら、このような実装不完全性に起因する誤差は完全に無くすことはできないので、ＦＳ攻撃等による情報漏洩の可能性を完全に排除できない。設計時の誤差範囲に基づいて最大漏洩情報量を見積もることはできるが、暗号鍵生成速度の劣化は避けられない。

本発明の目的は、複数の光検出器にそれぞれ施されるゲートの一方的なずれを無くすことで安全性劣化を回避することができる光受信装置および光受信方法を提供することにある。

本発明による光受信装置は、変調された光パルスを受信する光受信装置であって、前記光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明による光受信方法は、変調された光パルスを受信する光受信方法であって、複数の光検出手段により前記光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出し、前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の光検出手段の有効時間域の一方的なずれを無くすことができ安全性劣化を回避することができる。

本発明の第１実施形態による光受信装置を用いた光通信システムの構成を示すブロック図である。 光子検出器のgated-Geiger-modeの動作原理を説明するためのグラフであり、（Ａ）はＡＤＰのＩ−Ｖ特性図、（Ｂ）はゲート電圧の波形図である。 本実施形態における複数の光子検出器をそれぞれ駆動するゲート電圧波形の位相関係を示すグラフである。 （Ａ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０の時の光子検出器ＡＰＤ０の出力カウント数の変化を示す波形図、（Ｂ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０の時の光子検出器ＡＰＤ１の出力カウント数の変化を示す波形図、（Ｃ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇを所定値αに設定した時の光子検出器ＡＰＤ０の出力カウント数の変化を示す波形図である。 本実施形態におけるゲート発生部の別の回路構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光受信装置を用いた光通信システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態におけるＡｌｉｃｅ側の光源ＬＤ１−ＬＤ４による光パルス生成と基底および鍵データとの対応の一例を示す図である。 第２実施形態におけるメモリＭ１−Ｍ４の検出情報に対してそれぞれ設定された有効時間領域を説明するためのヒストグラムである。 ＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。 非特許文献２に開示された単一方向型ＱＫＤシステムを概略的に示すブロック図である。 ＦＳ（Faked State）攻撃の概念を説明するための模式図である。 ＦＳ攻撃の効果の一例を示す図である。 （Ａ）は非特許文献４に示すような往復型の量子暗号鍵配付方法における光部品のポート長の実装誤差を説明するための模式図であり、（Ｂ）は非特許文献２に示すような単一方向型の量子暗号鍵配付方法における光部品のポート長の実装誤差を説明するための模式図である。

１．第１実施形態
１．１）構成
本実施形態による光受信装置では、光子検出器としてゲートモード駆動するＡＰＤ(Avalanche Photo Diode)を用いる。

図１は本発明の第１実施形態による光受信装置を用いた光通信システムの構成を示すブロック図である。ここでは、光送信器１０（以下、適宜、Ａｌｉｃｅという。）と光受信器２０（以下、適宜、Ｂｏｂという。）とは光ファイバ伝送路３０により接続されている光通信システムを例示する。

Ａｌｉｃｅ１０は、光子パルスを生成するレーザ光源１０１と、マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計１０２と、位相変調器１０３とを有する。ただし、Mach-Zehnder干渉計１０２は、２入力２出力非対称Mach-Zehnder干渉計である。

レーザ光源１０１は、クロック源１０４からのクロックを可変遅延器１０５を通して入力し、このクロックに従って光子パルスを生成する。レーザ光源１０１により生成された光子パルスは、Mach-Zehnder干渉計１０２により時間的に分離し、２連光子パルスとして位相変調器１０３へ出力される。位相変調器１０３は、２連光子パルスに所定の位相差を加えて光ファイバ伝送路３０へ送出する。

Ｂｏｂ２０は、Ａｌｉｃｅ１０から光ファイバ伝送路３０を通して２連光子パルスを受信する。位相変調器２０１は、受信した２連光子パルスに再度位相差を与え、Mach-Zehnder干渉計２０２へ出力する。ただし、Mach-Zehnder干渉計２０２は、２入力２出力非対称Mach-Zehnder干渉計である。Mach-Zehnder干渉計２０２による干渉結果として、２つのゲートモード光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１のいずれかへ光子パルスが出力される。

光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１は、制御部２０３によりゲートモード駆動される。制御部２０３には、後述するように、比較的に短いパルス幅のゲートＧ１を生成するゲート発生器２０４と、比較的に長いパルス幅のゲートＧ０を生成するゲート発生器２０５と、発生したゲートを遅延させる可変遅延器２０６とを有する。以下、本実施形態の動作を説明する。

１．２）動作
図１において、Ａｌｉｃｅ１０のレーザ光源１０１により生成された光パルスは、Mach-Zehnder干渉計１０２によって２連光パルスに変換される。位相変調器１０３は、２連光パルスの一方に対して、２連光パルスの相対位相差(ΦA)が０、π、π／２、３π／２の４状態をランダムにとるように位相変調し、光ファイバ伝送路３０へ送り出す。

２連光パルスは伝送路３０を通過してＢｏｂ２０へ到達する。Ｂｏｂ２０の位相変調器２０１は、受信した２連光パルスの一方に対して、２連光パルスの相対位相差(ΦB)が０、−π／２となるようにランダムに位相変調を行う。この２連光パルスをMach-Zehnder干渉計２０２を用いて合波させることで、Ａｌｉｃｅ１０およびＢｏｂ２０で施した変調位相に従って、光子検出器ＡＰＤ０あるいはＡＰＤ１において光子が検出される。

具体的には、ΔΦ＝ΦA＋ΦBが０の場合、光子検出器ＡＰＤ０が光子パルスを検出し、鍵データは“０”となる。ΔΦがπの場合、光子検出器ＡＰＤ１が光子パルスを検出し、鍵データは“１”となる。

１．３）ゲート位相関係
光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１はゲート化ガイガーモード（gated-Geiger-mode）で駆動され、単一光子レベル程度の微弱な光信号が到達するタイミングの有効時間域で検出することが可能となる。まず、ゲート化ガイガーモードについて図２を用いて簡単に説明する。

図２は光子検出器のgated-Geiger-modeの動作原理を説明するためのグラフであり、図２（Ａ）はＡＤＰのＩ−Ｖ特性図、図２（Ｂ）はゲート電圧の波形図である。一般的に、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性は、図２（Ａ）に示すように、ブレークダウン電圧(Ｖ_BR)を超えるまでは電圧と共に電流がなだらかな傾きで上昇し、Ｖ_BRを超えると急激に電流値が上昇する。gated-Geiger-modeは、この特性を利用して、光子が到達しないタイミングではＶ_BRを下回る電圧をAPDに印加し、光子が来るタイミングに合わせてＶ_BRを超える電圧を印加する駆動モードである。光子が来るタイミングは、Ａｌｉｃｅ１０とＢｏｂ２０との間で、たとえばクロック源１０４のタイミングに同期させた同期信号により与えられる。

図３は本実施形態における複数の光子検出器をそれぞれ駆動するゲート電圧波形の位相関係を示すグラフである。ここでは、２つの光子検出器ＡＰＤ０およびＡＰＤ１にそれぞれ与えるゲート波形Ｇ０、Ｇ１が示されている。本実施形態によれば、光子検出器ＡＰＤ０に与えられるゲートＧ０のパルス幅は、図１１に示す時間領域Ｖ１およびＶ２のうち一方の時間領域が成立しないように、光子検出器ＡＰＤ１に与えられるゲートＧ１のパルス幅より十分長く、かつ、ゲートＧ１を時間領域で包含している。

図３に示すように、長いゲートＧ０の立上りから短いゲートＧ１の立上りまでの時間的距離Δｔ１は図１１に示す時間領域Ｖ１と同様にＡＰＤ０が検知できてＡＰＤ１が検知できない領域である。しかしながら、短いゲートＧ１の立下りから長いゲートＧ１の立下りまでの時間的距離Δｔ２はＡＰＤ０が検知できてＡＰＤ１が検知できない領域であり、図１１に示す時間領域Ｖ２（ＡＰＤ１が検知できてＡＰＤ０が検知できない領域）ではない。このように、本実施形態によれば、図１１に示す時間領域Ｖ１およびＶ２のうち一方の時間領域が成立しないように、ゲートＧ０およびＧ１の幅および位相関係が設定される。

なお、上述した本実施形態では、光子検出器ＡＰＤ０を駆動するゲートＧ０の幅を光子検出器ＡＰＤ１を駆動するゲートＧ１の幅よりも広く設定したが、本発明はこれに限定されない。逆の関係となるようにゲート幅を設定しても良い。

また、一方のＡＰＤに印加するゲート幅を広くすることによる検出効率の上昇は、当該ＡＰＤのバイアス電圧を低減させたり、あるいは当該ゲート電圧を低くしたりすることで相殺することが可能である。図３に示す例では、短幅ゲートＧ１の電圧を長幅ゲートＧ０のそれよりも高く設定することで、光子検出効率の均衡を図っている。

１．４）ゲート位相関係の調整
次に、図３に示すゲート位相関係を達成するための調整方法について説明する。

図４（Ａ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０の時の光子検出器ＡＰＤ０の出力カウント数の変化を示す波形図、図４（Ｂ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０の時の光子検出器ＡＰＤ１の出力カウント数の変化を示す波形図、図４（Ｃ）は、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓに対する、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇを所定値αに設定した時の光子検出器ＡＰＤ０の出力カウント数の変化を示す波形図である。

まず、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０とした状態で、ΔΦ＝０となるように位相変調器１０３および２０１を設定する。そして、Ａｌｉｃｅ１０の可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓを変化させて送信光子パルスの時間を変化させる。

図４（Ａ）に示すように、可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓ＝０の状態から遅延量ΔＴｓを増加させていくと、ΔＴｓが０〜ｔ_a0の領域では光子検出器ＡＰＤ０でのカウント数は殆ど０(ノイズのみ)、ΔＴｓがｔ_a0〜ｔ_b0の領域では光子パルスが徐々に光子検出器ＡＰＤ０のゲートに入ってくるのでカウント数も増え続ける。ΔＴｓがｔ_b0〜ｔ_c0の領域ではカウント数は僅かに増え続ける。これは、光子検出器に印加するゲートの終盤に光子が入射するよりも序盤に光子が入射した方が検出効率が上がるためである。ΔＴｓがｔ_c0〜ｔ_d0の領域では光子パルスが徐々に光子検出器ＡＰＤ０のゲートから外れてくるためにカウント数は減り続け、ΔＴｓがｔ_d0〜の領域では再びノイズのみのカウントとなる。

図４（Ａ）のグラフが得られると、続いて、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０とした状態で、ΔΦ＝πとなるように位相変調器１０３および２０１を設定する。そして、Ａｌｉｃｅ１０の可変遅延器１０５の遅延ΔＴｓを変化させて送信光子パルスの時間を変化させながら、上述と同様にして光子検出器ＡＰＤ１でのカウント数を測定し、図４（Ｂ）に示すグラフを得る。

ゲート発生器２０４で発生するＡＰＤ１に印加されるゲートＧ１は、ＡＰＤ０に印加されるゲートＧ０よりも短いので、図４（Ｂ）に示す遅延ΔＴｓの遅延領域(ｔ_a1〜ｔ_d1)は、図４（Ａ）に示す遅延ΔＴｓの遅延領域(ｔ_a0〜ｔ_d0)はよりも狭くなり、さらに、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、ｔ_d1＞ｔ_d0となる位相関係にある。このような位相関係では、ＡＰＤ１で光子検出を行えるがＡＰＤ０では光子検出を行えない時間領域と、逆にＡＰＤ０で光子検出を行えるがＡＰＤ１では光子検出を行えない時間領域と、が存在することになる。本実施形態によれば、このような時間領域をなくすために、可変遅延器２０６を用いてゲート発生器２０５のゲート位相を遅らせる。

すなわち、図４（Ａ）に示すΔＴｇ＝０の状態から、図４（Ｃ）に示すように、ｔ_d1＜ｔ_d0かつｔ_a1＞ｔ_a0、すなわち（ｔ_d1＜ｔ_d0）Λ（ｔ_a1＞ｔ_a0）、となるように可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇを所定量αだけ遅延させる。この遅延量ΔＴｇ＝αは、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇを変化させながら、上述したように光子検出器ＡＰＤ０のカウント数を測定し、ｔ_d1＜ｔ_d0かつｔ_a1＞ｔ_a0を満たす時の遅延ΔＴｇをαとして決定することができる。

その他に、図４（Ａ）と図４（Ｂ）の波形を比較することで遅延量ΔＴｇ＝αを決定することも可能である。例えば、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇ＝０とした時、ｔ_d1−ｔ_d0＝５００ピコ秒（ｐｓ）、ｔ_a1−ｔ_a0＝１５００ｐｓであった場合、可変遅延器２０６の遅延ΔＴｇを５００ｐｓ〜１５００ｐｓの間に設定すれば、上述した（ｔ_d1＜ｔ_d0）Λ（ｔ_a1＞ｔ_a0）なる関係を満たすことができる。

逆に、図４（Ｂ）のグラフにおける山が図４（Ａ）の山よりも左側にある場合、つまりｔ_a1＜ｔ_a0の場合は、ゲート発生器２０５のゲート位相を進めるか、若しくはゲート発生器２０４のゲート位相を１周期以上遅らせることで（ｔ_d1＜ｔ_d0）Λ（ｔ_a1＞ｔ_a0）の関係を満たす位相関係に設定すればよい。

なお、上述した制御部２０３の機能は、ＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行させることにより実行することもできる。

１．５）ゲート発生器の変形例
図１に示す回路構成では、複数の光子検出器にそれぞれ印加される幅の異なるゲート電圧は各々別のゲート発生器により生成されるが、本発明はこれに限定されるわけではなく、１つのゲート発生器を用いて同様の複数の幅の異なるゲートを生成することも可能である。以下、その一例を示す。

図５は本実施形態におけるゲート発生部の別の回路構成を示すブロック図である。１つのゲート発生器２１０からは短幅のゲートが生成され、分岐部２１１により２つに分岐される。分岐された一方のゲートはそのまま光子検出器ＡＰＤ１へ印加される。分岐部２１１により分岐された他方のゲートは、ゲート幅を拡張する拡幅回路２１２により長幅ゲートとなり、上述した可変遅延器２０６を通して光子検出器ＡＰＤ０へ印加される。その他の構成および動作は、図１に示す光受信器２０と同様であるから説明は省略する。

１．６）効果
図１１を参照して説明したように、ＦＳ攻撃では、η₀(t₀)>>η₁(t₀)およびη₁(t₁)>>η₀(t₁) の２つの仮定が成り立つときに、式（１）に示すＡｌｉｃｅとＢｏｂの共有する暗号鍵の誤り率ＱＢＥＲがほぼ０になることを利用している。

これに対して、本実施形態によれば、図３に例示したように、η₁(t₁)>>η₀(t₁)となるような時間領域がないので、式（１）に示すＱＢＥＲが０なるような時間領域Ｖ２が存在しない。したがって、ＦＳ攻撃を受けた場合には必ず誤り率が上昇する。この誤り率上昇によってＦＳ攻撃を検知することができ、ＦＳ攻撃による安全性劣化を有効に回避することが可能となる。

なお、上述した本実施形態では、“０”の光子検出器ＡＰＤ０を駆動するゲート幅を“１”の光子検出器ＡＰＤ１を駆動するゲート幅よりも広く設定したが、本発明はこれに限定されない。逆の関係となるようにゲート幅を設定しても良い。この場合には、図１１における時間領域Ｖ１が存在しなくなり、上述した効果を得ることができる。

このように、本発明によれば、複数の光子検出器に印加するゲート幅をそれぞれ異ならせるように制御することによって、一方的なゲートのずれを無くすよう制御することが可能となる。その結果、量子暗号鍵配付に対するFaked State攻撃やTime Shift攻撃といった実装不完全性を狙った盗聴行為を回避することができる。この効果によって、量子暗号鍵配付に対する盗聴方法の中で、現在の技術を用いて実現できる数少ない盗聴方法の内の二つを無効化できる。

２．第２実施形態
上述した第１実施形態では、ゲートモードで光子検出器を駆動する場合を説明したが、本発明は非ゲートモードの光子検出器を用いた光受信装置でも適用可能である。ここでは、非特許文献２に開示された２値位相＋２値時間コーディングを適用し、非ゲートモードの光子検出器を使用する単一方向型ＱＫＤシステムを一例として、詳細に説明する。

２．１）構成
図６は本発明の第１実施形態による光受信装置を用いた光通信システムの構成を示すブロック図である。ここでは、光送信器４０（以下、適宜、Ａｌｉｃｅという。）と光受信器５０（以下、適宜、Ｂｏｂという。）とは光ファイバ伝送路３０により接続されている光通信システムを例示する。

Ａｌｉｃｅ４０には、光源ＬＤ１〜ＬＤ４、４入力２出力の２×４Mach-Zehnder干渉計４０１および光源ＬＤを駆動するＬＤドライバ４０２が設けられている。ＬＤドライバ４０２には、基底データと鍵データとが入力し、そのデータの４通りの組み合わせに応じてＬＤドライバ４０２は光源ＬＤ１〜ＬＤ４のいずれかを駆動する。基本的には、図１０で例示した光送信器１２０１と同様である。

Ｂｏｂ５０には、２入力４出力の２×４Mach-Zehnder干渉計５０１、非ゲートモード光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４、および制御部５０２が設けられている。２×４干渉計５０１については、図１０を参照しながら説明した通りである。ただし、本実施形態における光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４としては、非ゲート動作の超伝導光子検出器を使用する。

制御部５０２は、光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４の各々の検出出力信号を時間情報（タイミング信号）に従って格納するメモリＭ１〜Ｍ４と、光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４にそれぞれ対応して設定された有効時間域（有効窓）でデータを抽出する有効時間帯データ抽出部５０３とを有する。

既に述べたように、Ａｌｉｃｅ側のＬＤドライバ４０２は、基底および鍵データに従って、光源ＬＤ１−ＬＤ４のうちのどの光源から光パルスを発生させるかを選択し、Ｂｏｂ側は光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４のいずれかで光子を検出することによりビットおよび基底を同時に判定することができる。

２．１）動作
以下、図６に示すシステムでは、一例として、繰り返し周期が１．６ｎｓ（ナノ秒）（６２５ＭＨｚ）、Mach-Zehnder干渉計４０１および５０１の両経路の遅延差が８００ｐｓとして、動作を説明する。

図７は第２実施形態におけるＡｌｉｃｅ側の光源ＬＤ１−ＬＤ４による光パルス生成と基底および鍵データとの対応の一例を示す図である。図７に示す対応に従って、光源ＬＤ１−ＬＤ４のいずれかが繰返し周期毎に光子パルスを生成する。

具体的には、鍵データおよび基底が共に０であれば、光源ＬＤ２が光パルスを生成し、この光パルスがMach-Zehnder干渉計４０１を通して２連光パルスとなって光ファイバ伝送路３０へ送出される。この場合の相対光位相差を０（Ｘ０）で表す。同様にして、鍵データ＝１、基底＝０の場合には、光源ＬＤ３が光パルスを生成し、Mach-Zehnder干渉計４０１から出力される２連光パルスの相対光位相差はπ（Ｘ１）となる。

さらに、鍵データ＝０、基底＝１の場合は、光源ＬＤ１が光パルスを生成し、Mach-Zehnder干渉計４０１から出力される光パルスは、２連光パルスの内の位相の遅れた片パルス（Ｚ１）のみとなる。同様に鍵データ＝１、基底＝１の場合は、光源ＬＤ４が光パルスを生成し、２連光パルスの内の位相の進んだ片パルス（Ｚ０）のみとなる。このようにビット毎に鍵データおよび基底をランダムに設定し２連光パルスを伝送路３０へと送出する。

２連光パルスは伝送路３０を通過してＢｏｂ５０へと到達し、Mach-Zehnder干渉計５０１によってデコードされ、光子検出器ＰＤ１〜ＰＤ４で検出される。光子検出器での検出情報は、３２ｐｓの時間分解能のタイミング信号に従って検出時刻がメモリＭ１〜Ｍ４にそれぞれ記録される。

図８は、第２実施形態におけるメモリＭ１−Ｍ４の検出情報に対してそれぞれ設定された有効時間領域を説明するためのヒストグラムである。図８に示すヒストグラムは、メモリＭ１〜Ｍ４に記録された光子検出時刻の情報を繰返し周期である１．６ｎｓ（６２５ＭＨｚ）毎に重ね合わせて得られる。図８に例示するように、どのメモリの情報も、１．６ｎｓ周期の中に２つのピークを持つ。

たとえば、光子検出器ＰＤ１とメモリＭ１の組で考えると、光源ＬＤ１で発生した光子と光源ＬＤ４で発生した光子のＢｏｂでの到達タイミングは、Mach-Zehnder干渉計４０１の遅延量である８００ｐｓ分ずれており、光源ＬＤ２と光源ＬＤ３でそれぞれ発生した光子のＢｏｂ到達タイミングは、そもそも１／２の確率で前後どちらかの光パルスとして検出されるからである。

このような２つのピークのうちの片方は意味の無いパルスとして無視する。本実施形態では、簡単のために、光源ＬＤ１で発生した光子が図８に示すメモリＭ１のヒストグラムの左側に、光源ＬＤ２で発生した光子が図８に示すメモリＭ２の左側に、光源ＬＤ３で発生した光子が図８に示すメモリＭ３の左側に、光源ＬＤ４で発生した光子が図８に示すメモリＭ４の左側に、それぞれカウントされているものとする。

したがって、本実施形態における有効時間帯データ抽出部５０３は、図８の紙面左側の検出情報のみを意味のある情報として抽出するために、特定の時間領域を有効窓Ｗ１〜Ｗ４としてそれぞれ設定し、この有効時間帯内に発生した検出情報のみを検出データとして抜き出す。

図８において、メモリＭ１〜Ｍ４にそれぞれ対応する有効窓Ｗ１〜Ｗ４の時間幅は次のように設定される。すなわち、有効窓Ｗ２は有効窓Ｗ３より時間幅が広く、かつ、Ｗ２がＷ３を包含するように設定され、同様に、有効窓Ｗ１は有効窓Ｗ４より時間幅が広く、かつ、Ｗ１がＷ４を包含するように設定される。このように有効窓の時間幅が包含関係を有するように設定することで、図１１に示すような時間領域Ｖ１あるいはＶ２を排除することができる。

なお、上述した制御部５０２の機能は、ＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上でプログラムを実行させることにより実行することもできる。

２．３）効果
上述した第２実施形態により、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、図８に例示したように有効窓を設定することにより、式（１）に示すＱＢＥＲが０なるような時間領域の一方を除外でき、これによってＦＳ攻撃を受けた場合に必ず誤り率が上昇するようになる。この誤り率上昇によってＦＳ攻撃を検知することができ、ＦＳ攻撃による安全性劣化を有効に回避することが可能となる。

なお、上述した本実施形態では、有効窓Ｗ２は有効窓Ｗ３より時間幅が広く、かつ、Ｗ２がＷ３を包含するように設定され、同様に、有効窓Ｗ１は有効窓Ｗ４より時間幅が広く、かつ、Ｗ１がＷ４を包含するように設定されるが、本発明はこれに限定されない。それぞれ逆の関係となるように有効窓の時間幅を設定しても良い。

このように、本発明によれば、複数の光子検出器の有効タイミング期間（ゲート幅あるいは有効窓の時間幅）が異なるように制御することで、一方的な有効タイミング期間のずれを無くすよう制御することが可能となる。その結果、量子暗号鍵配付に対するFaked State攻撃やTime Shift攻撃といった実装不完全性を狙った盗聴行為を回避できることができる。この効果によって、量子暗号鍵配付に対する盗聴方法の中で、現在の技術を用いて実現できる数少ない盗聴方法の内の二つを無効化できる。

本発明は、量子暗号鍵配付技術に代表される微弱光を用いた通信に利用可能である。量子暗号鍵配付方法は、単一方向型・往復型、そのプロトコルを問わない。

１０、４０ 光送信器（Ａｌｉｃｅ）
２０、５０ 光受信器（Ｂｏｂ）
３０ 光ファイバ伝送路
１０１ 光源
１０２ ２入力２出力Mach-Zehnder干渉計
１０３ 位相変調器
１０４ クロック源
１０５ 可変遅延器
２０１ 位相変調器
２０２ ２入力２出力Mach-Zehnder干渉計
２０３ 制御部
２０４ ゲート発生器（短幅ゲート）
２０５ ゲート発生器（長幅ゲート）
２０６ 可変遅延器
２１０ ゲート発生器
２１１ 分岐部
２１２ 拡幅回路
ＡＰＤ０、ＡＰＤ１ 光子検出器
４０１ ４入力２出力非対称Mach-Zehnder干渉計
４０２ ＬＤドライバ
５０１ ２入力４出力非対称Mach-Zehnder干渉計
５０２ 制御部
５０３ 有効時間帯データ抽出部
ＬＤ１−ＬＤ４ 光源
Ｍ１−Ｍ４ メモリ
ＰＤ１−ＰＤ４ 光子検出器

Claims (24)

1. 変調された光パルスを受信する光受信装置において、
   前記光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出する複数の光検出手段と、
   前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光受信装置。
2. 前記制御手段は、前記有効時間域のうち相対的に長い時間域が相対的に短い時間域を包含するように設定することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
3. 前記制御手段は、前記複数の光検出手段をゲート駆動するための、それぞれ幅の異なる複数のゲートを生成するゲート生成手段を有し、各ゲートの幅により前記有効時間域が設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光受信装置。
4. 前記ゲート生成手段は第１ゲート発生器と第２ゲート発生器とを有し、前記第１ゲート発生器は前記複数の光検出手段の第１光検出手段に第１有効時間域のゲートを出力し、前記第２ゲート発生器は前記複数の光検出手段の第２光検出手段に第２有効時間域のゲートを出力し、前記第１有効時間域が前記第２有効時間域に包含されることを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
5. 前記制御手段は、前記相対的に短い有効時間域が前記相対的に長い有効時間域に包含されるように、いずれかのゲートを位相調整する可変遅延手段を更に有することを特徴とする請求項３または４に記載の光受信装置。
6. 前記ゲート生成手段は、
   第１有効時間域のゲートを発生するゲート発生器と、
   前記第１有効時間域のゲートを２つに分岐させ、一方の第１有効時間域のゲートを前記複数の光検出手段の第１光検出手段に出力する分岐手段と、
   前記分岐手段により分岐された他方の第１有効時間域のゲートを入力し、その幅を広げて第２有効時間域のゲートを生成する拡幅手段と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
7. 前記一方の第１有効時間域が前記第２有効時間域に包含されるように前記第２有効時間域のゲートを位相調整する可変遅延手段を更に有することを特徴とする請求項６に記載の光受信装置。
8. 前記制御手段は、
   前記複数の光検出手段から出力される光検出信号を時間領域でそれぞれ記憶する複数の記憶手段と、
   前記複数の記憶手段から前記複数の光検出手段にそれぞれ対応する異なる有効時間域で前記光検出信号を抽出する複数の抽出手段と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光受信装置。
9. 前記複数の抽出手段は、前記複数の光検出手段の第１光検出手段からの光検出信号を第１有効時間域で抽出し、前記複数の光検出手段の第２光検出手段からの光検出信号を第２有効時間域で抽出し、前記第１有効時間域が前記第２有効時間域に包含されることを特徴とする請求項８に記載の光受信装置。
10. 請求項１−９のいずれか１項に記載の光受信装置を光受信器として使用することを特徴とする量子暗号鍵配付システム。
11. 変調された光パルスを受信する光受信方法において、
    複数の光検出手段により前記光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出し、
    前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する、
    ことを特徴とする光受信方法。
12. 前記有効時間域は相対的に長い時間域が相対的に短い時間域を包含するように設定されることを特徴とする請求項１１に記載の光受信方法。
13. 前記複数の光検出手段をゲート駆動するための、それぞれ幅の異なる複数のゲートを生成し、各ゲートの幅により前記有効時間域が設定されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光受信方法。
14. 前記相対的に短い有効時間域が前記相対的に長い有効時間域に包含されるように、いずれかのゲートを位相調整することを特徴とする請求項１３に記載の光受信方法。
15. 前記複数の光検出手段から出力される光検出信号を時間領域でそれぞれ複数の記憶手段に記憶し、
    前記複数の記憶手段から前記複数の光検出手段にそれぞれ対応する異なる有効時間域で前記光検出信号を抽出する、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の光受信方法。
16. 前記複数の光検出手段の第１光検出手段からの光検出信号を第１有効時間域で抽出し、前記複数の光検出手段の第２光検出手段からの光検出信号を第２有効時間域で抽出し、前記第１有効時間域が前記第２有効時間域に包含されることを特徴とする請求項１５に記載の光受信方法。
17. 位相変調および／または強度変調された光パルスを光送信器から光受信器へ光伝送路を通して送信する光通信システムにおいて、
    前記光送信器は、
    所定タイミングで光パルスを生成する光源手段と、
    前記所定タイミングを可変遅延させるための第１可変遅延手段と、
    前記光パルスを時間的に分離した２連光パルスに変換する第１変換手段と、
    前記２連光パルスの間に位相差を与える第１位相変調手段と、
    を有し、
    前記光受信器は、
    前記光伝送路を通して到達した２連光パルスの変調状態に応じた光パルスに変換する第２変換手段と、
    前記第２変換手段から出力した光パルスを検出する複数の光検出手段と、
    前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする光通信システム。
18. 前記制御手段は、前記有効時間域のうち相対的に長い時間域が相対的に短い時間域を包含するように設定することを特徴とする請求項１７に記載の光通信システム。
19. 前記制御手段は、前記複数の光検出手段をゲート駆動するための、それぞれ幅の異なる複数のゲートを生成するゲート生成手段を有し、各ゲートの幅により前記有効時間域が設定されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の光通信システム。
20. 前記制御手段は、前記相対的に短い有効時間域が前記相対的に長い有効時間域に包含されるように、いずれかのゲートを位相調整する可変遅延手段を更に有することを特徴とする請求項１９に記載の光通信システム。
21. 前記制御手段は、
    前記複数の光検出手段から出力される光検出信号を時間領域でそれぞれ記憶する複数の記憶手段と、
    前記複数の記憶手段から前記複数の光検出手段にそれぞれ対応する異なる有効時間域で前記光検出信号を抽出する複数の抽出手段と、
    を有することを特徴とする請求項１７または１８に記載の光通信システム。
22. 前記複数の抽出手段は、前記複数の光検出手段の第１光検出手段からの光検出信号を第１有効時間域で抽出し、前記複数の光検出手段の第２光検出手段からの光検出信号を第２有効時間域で抽出し、前記第１有効時間域が前記第２有効時間域に包含されることを特徴とする請求項２１に記載の光通信システム。
23. 変調された光パルスを受信する光受信装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、前記コンピュータを
    複数の光検出手段により前記光パルスの変調状態に応じて光パルスを検出し、
    前記複数の光検出手段の有効時間域が各々異なる幅となるように制御する、
    ように機能させることを特徴とするプログラム。
24. 前記有効時間域は相対的に長い時間域が相対的に短い時間域を包含するように設定されることを特徴とする請求項２３に記載のプログラム。