JP2010178303A

JP2010178303A - 量子暗号装置、量子暗号装置の観測結果記録装置および方法

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Publication number: JP2010178303A
Application number: JP2009021816A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nanbu; 芳弘南部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】簡単な装置構成の観測結果記録装置を、性能を損なうことなく提供し、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減する。
【解決手段】本発明の量子暗号装置の観測結果記録装置は、光子の到着ポートを記録する装置と光子の到着タイミングを記録する装置とを有し、それらを並列的に動作させ、両者の記録データをバッファメモリ上で集積することにより光子の到着ポートと到着タイミングを記録する観測結果記録装置において、両者の記録データが揃ったことが確認された場合にのみ、これらをバッファメモリ上で集積する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信により秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布を行う量子暗号装置に関し、特に、暗号鍵を抽出する基となる観測結果データを記録収集する観測結果記録装置および方法に関する。

インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。

現在、DES（データ暗号化規格：Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やRSA（R. Rivest、A. Shamir、L. Adelman）暗号のような共通鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。

つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。

情報理論で無条件安全性が証明されている暗号式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。

非特許文献1（ベネット（Bennett）、ブラッサード（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)））で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。

量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、単一光子の状態は精度良く操作可能であり、かつ光子にエンコードされた情報は環境による擾乱に強いという事情による。

理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態とそれに共役な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。

盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。

量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、数学的にはスピン１／２系と等価である。量子ビットに載せられた量子情報は、１ビットデータ（０か１か）およびその基底を指定することによってのみ特定される。

光子を量子ビット担体として用いる暗号鍵配布では、空間を伝搬する光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装（非特許文献１）や２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が、非特許文献２（ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ）、非特許文献３（エカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ）、非特許文献４（ジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ）に開示されている。

以下、本発明に関わる従来技術の量子暗号装置に用いられている受信装置に共通の特徴とその問題点について説明する。

図２および図３は、従来の量子暗号装置に用いられている受信装置の典型的な実施例におけるブロックダイヤグラムである。

図２は２つの光子検出器を用いる実施例、図３は４つの光子検出器を用いる実施例である。一部の例外を除けば、量子暗号装置に用いられている受信装置はこのどちらかに分類される。

図２に示した受信装置において、伝送路３１は量子ビット担体の伝送路であり、自由空間あるいは光ファイバー伝送路が用いられる。伝送路３１を伝送してきた単一光子からなる量子ビットの時系列は、分析光学系３２に入力される。

分析光学系３２、乱数発生器３３、および記録装置３７は送信者から提供された同期信号３８により、伝送光子時系列と時間同期される。

分析光学系３２の観測基底はオンデマンドでスイッチすることができるように、変調素子が内蔵されている。偏波コーディングの場合は偏波ビームスプリッターおよび偏波回転素子が、位相コーディングの場合は非対称マッハツェンダー干渉系および位相変調器が用いられることが多い。

変調素子は乱数発生器３３の発生する乱数時系列データに基づいて制御され、光子毎に観測基底がランダムに選択される。分析光学系３２に入力された光子時系列は０および１とラベルのついた２つの光子出力チャンネル３４₀，３４₁の何れかに出力され、２つの光子検出器３５₀，３５₁で光子到着の有無が検出される。

観測結果は、３つの可能なデータ（０，１，Null）から成り、それぞれラベル０の光子出力チャンネル３４₀での光子検出器３５₀による光子検出、ラベル１の光子出力チャンネル３４₁での光子検出器３５₁による光子検出、光子非検出事象に対応する。結果Nullに対応する観測結果データは廃棄する。

観測基底が適正に選択された場合には、残った観測結果（０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに正確に依存する。逆に、観測基底の選択が不適正な場合には、観測結果（０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに完全に依存しない。これらが、量子暗号装置の受信装置に求められる一般的仕様である。

観測結果および乱数発生器３３からの乱数データは観測結果記録装置３７により逐次時系列データとして記録される。送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、観測結果記録装置３７の観測結果記録から送信基底および観測基底が合致した観測結果の部分系列データが選別され、秘密鍵の候補となるシフト鍵が得られ、シフト鍵のビット誤り率がサンプリング評価される（パラメータ推定）。

乱数データ時系列からなる選別鍵データ集合は、誤り訂正プロトコルならびに秘匿性増強プロトコルからなる論理的後処理過程装置３９に入力される。誤り訂正により鍵中の誤りが除去された後、秘匿性増強プロトコルにより評価されたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列が部分抽出され、縮小された乱数ビット列からなる安全な秘密鍵３Ａが得られる。

図３に示した受信装置では、光子検出器の数が倍増することを代償として、乱数発生器および変調素子が排除されている。

量子ビット担体である光子の伝送路４１を伝送してきた単一光子は、量子ビットの分析光学系４２に入力され、２ビット値００〜１１のラベルのついた４つの光子出力ポート４３₀₀〜４３₁₁の何れかに出力され、４つの光子検出器４４₀₀〜４４₁₁で検出される。

ポート００と０１、１０と１１のペアが２つの観測基底に関する観測結果に対応しており、それらは非直交となるように分析光学系４２は構成されている。観測基底の選択は、分析光学系４２の内部で受動的に行われ、その選択結果は光子の検出チャンネルによって知ることができる。光子非検出事象に対応するデータは観測結果から廃棄される。

観測基底が適正に選択された場合（適正なチャンネルで光子が検出された場合）には、光子検出チャンネル（ラベル最下位ビット値が０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに正確に依存する。

光子検出器４４から出力される電気パルス４５の観測結果は、観測結果記録装置４６により逐次時系列として記録される。観測結果記録装置４６は、送信者から提供された同期信号４７により、送信者の装置と同期される。

送信者から提供される送信基底データ時系列を基に、送信および観測基底の合致する観測結果の部分系列が選別され、秘密鍵の候補となるシフト鍵が得られる。シフト鍵をサンプリングすることにより評価されたシフト鍵のビット誤り率とともに残存鍵データは論理的後処理過程装置４８に入力され、最終的に縮小された乱数ビット列からなる安全な秘密鍵４９が得られる。

次に、本発明に直接に関連する、図２に示した観測結果記録装置３７や図３に示した観測結果記録装置４６の具体例について説明する。

これらの記録装置の目的は、量子ビット担体である光子が、
１．どの出力チャンネルに到着したか、
２．どのようなタイミングで到着したか、
を逐次時系列として記録し、送信者から提供された送信基底時系列データと照合することにより、秘密鍵の候補となるシフト鍵を抽出することにある。

第１点の、どの出力チャンネルに到着したかを確認することは、量子ビットにエンコードされた暗号鍵となる１ビット乱数データをデコードするために必要であり、図３に示した観測結果記録装置４６では、さらに、受動選択された観測基底を得るために必要である。

第２点の、どのようなタイミングで到着したかを確認することは、観測結果時系列データと送信時系列データとの対応づけを行い、シフト鍵を適正に選別し、ビット誤り率を正しく評価するために必要である。

図４（ａ）,（ｂ）は、図２および図３中の観測結果記録装置３７,４６の要部構成示すブロック図である。

観測結果記録装置３７は、光出力チャンネル３４₀，３４₁を介して分析光学系３２の出力を検出する光子検出器３５₀，３５₁の光子検出タイミングを記録するタイミング記録装置５１₀，５１₁を備えている。

観測結果記録装置４６は、光出力チャンネル４３₀₀〜４３₁₁を介して分析光学系４２の出力を検出する光子検出器４４₀₀〜４４₁₁の光子検出タイミングを記録するタイミング記録装置５２₀₀〜５２₁₁を備えている。

タイミング記録装置５１₀，５１₁、５２₀₀〜５２₁₁を配置することによって、上記の２つの目的を達成する。なお、観測結果記録装置３７、４６には、図４（ａ）,（ｂ）に示した構成の他に、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、タイミング記録装置５１₀，５１₁、５２₀₀〜５２₁₁の記録内容から送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別し、秘密鍵の候補となるシフト鍵を得、シフト鍵のビット誤り率をサンプリングにより評価するパラメータ推定部が設けられている。

タイミング記録装置の実装方法としては、第一に分析光学系などから要請される周波数帯域（時間分解能）に適合した周波数をもつクロックにより駆動された同期デジタル回路により、伝送中のすべての時間にわたって光子検出の有無をこの時間分解能で標本化して記録するデジタルイベントレコーダー方式がある。

デジタルイベントレコーダー方式では、単一のクロックにもとづいて同期処理が行われることから、装置ドリフトの懸念が小さいこと、および、近年のＦＰＧＡやＣＰＬＤなどの汎用デジタル回路設計技術により短期間で装置開発が行えることがメリットとしてあげられる。逆に、この方式は暗号鍵に利用されない光子非検出事象（Null）のために無駄となるイベント記録用のバッファメモリを大量に用意しなくてはならないという問題を抱えている。

第二の方法としては、タイム・トゥ・アンプリチュードコンバーターやタイムインターバルアナライザなどのデジタル・アナログ混在回路や、タイムデジタイザのような高クロックカスタムデジタル回路を用いて、イベント駆動により光子検出事象の生起時間を非同期的に記録するタイムスタンプ方式が考えられる。

タイムスタンプ方式では、イベント記録用のバッファメモリの浪費を抑制することは可能であると思われるが、装置そのものが技術的・経済的に高コストとなる問題を抱えている。観測結果記録装置の抱えるこれらの問題は、初期の低速な量子暗号装置では深刻な問題としては捉えられていなかったが、その進化に伴い装置の駆動速度が向上すればするほどますます深刻な問題として捉えられるようになっている。

特許文献１には、図２および図３に対応する観測結果記録装置を改良することにより、以上のような問題を解決する観測結果記録装置について開示されている。

図５および図６は、それぞれ図２および図３に示した装置を改良した観測結果記録装置の構成を示すブロック図である。

図５に示す観測結果記録装置では、分析光学系の２つの出力チャンネルに接続された光子検出器６６₀、６６₁から光子検出の有無を告知する電気信号パルス６８が信号線６７を通じて観測結果記録装置６１に入力される。

観測結果記録装置６１は、論理回路６２、ＯＲ回路６３、タイミング記録装置６４およびバッファメモリ６５を備えるもので、信号線６７からの入力信号は分岐され、論理回路６２およびＯＲ回路６３に入力される。

論理回路６２は２つの入力を有し、電気信号パルス６８の高電圧状態をラッチして、２ビットデジタルデータに変換して出力バスを介してバッファメモリ６５へ出力する機能を有する。

例えば、図５において上部信号線をＬＳＢ、下部信号線をＭＳＢと定義したとき、下部信号線のみが高電圧状態に遷移したときに論理回路６２は２ビットデジタルデータ「１０」を出力バス上に出力する。

ここで論理回路６２は信号線６７のいずれかが高電圧状態に遷移したときにのみデジタルデータを出力するように設計されている。

従って、論理回路６２から全事象の多数を占める光子非検出事象に対応する２ビットデジタルデータ「００」が出力されることはない。このような無意義なデータはバッファメモリ６５に記録されることなく即時廃棄され、後段のバッファメモリ６５の利用効率を高めることができる。

論理回路６２からは、光子検出事象に対応する有意義な「０１」、「１０」、「１１」のデータのみが出力バスを通じてバッファメモリ６５に転送される。

ＯＲ回路６３は２つの光子検出器６６からの電気信号パルス６８の論理和を取り、遅滞なくタイミング記録装置６４へ出力する。

タイミング記録装置６４は、ＯＲ回路６３からの信号の到着時刻を、別途供給される同期信号６９をリファレンスとして測定し、測定結果を出力バスを通じてバッファメモリ６５に転送する。

バッファメモリ６５上では、論理回路６２およびタイミング記録装置６４からの転送データを結合して、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成する。

以上の装置により、目的とする光子の到着ポートおよび到着時刻の時系列データを逐次記録する観測結果記録装置を構成できる。

図６に示す観測結果記録装置では、分析光学系の４つの出力チャンネルに接続された光子検出器７６₀₀、７６₀₁、７６₁₀、７６₁₁が出力する光子検出の有無を告知する電気信号パルス７８が信号線７７を通じて観測結果記録装置７１に入力される。

観測結果記録装置７１は、論理回路７２、ＯＲ回路７３、タイミング記録装置７４およびバッファメモリ７５を備えるもので、信号線７７からの入力信号は分岐され、論理回路７２およびＯＲ回路７３に入力される。

論理回路７２は４つの入力を有し、電気信号パルス７８の高電圧状態をラッチして、４ビットデジタルデータに変換して出力バス上に出力する機能を有する。

例えば、図６において最上部信号線をＬＳＢに最下部信号線をＭＳＢと定義したとき、上から３番目の信号線のみが高電圧状態に遷移したときに、論理回路７２は４ビットデジタルデータ「０１００」をバス上に出力する。

ここで論理回路７２は信号線７７のいずれかが高電圧状態に遷移したときにのみデジタルデータを出力するように設計されている。従って、論理回路７２から全事象の多数を占める光子非検出事象に対応する４ビットデジタルデータ「００００」が出力されることはない。

論理回路７２から「００００」が排除されて出力される有意義な４ビットデジタルデータのみがバスを通じてバッファメモリ７５に転送される。

ＯＲ回路７３は４つの光子検出器７６₀₀、７６₀₁、７６₁₀、７６₁₁からの出力電気信号パルス７８の論理和を取り、遅滞なく出力する。

出力された電気パルスの到着時刻が、別途供給される同期信号７９をリファレンスとしてタイミング記録装置７４により測定され、測定結果がバスを通じてバッファメモリ７５に転送される。

バッファメモリ７５では、これらの転送データを結合して、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成する。

これらの観測結果記録装置を有する量子暗号装置では、分析光学系における光子の到着チャンネルの監視・記録に専従するチャンネル記録装置と到着タイミングの監視・記録に専従するタイミング記録装置に分担し、両者を並列動作させることによって光子の到着チャンネルおよびタイミングを記録する。

光子の到着チャンネルおよびタイミングの記録データの系列をバッファメモリ上で結合することにより、光子の到着ポートと到着タイミングの時系列データを構成する。

チャンネル記録装置に要求される時間精度は低いので、ＦＰＧＡやＣＰＬＤなどの汎用デジタル回路設計技術により短期間かつ低コストで装置開発が行える。

また、高時間精度の要求されるタイミング記録装置は複数チャンネルで共用する。タイミング記録装置は光子検出事象のみを記録すればよいので、大容量の記録用バッファメモリも不要であり、量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減することができる。

ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページエカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」レビュー・オブ・モダン・フジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ

図５および図６に示された従来の観測結果記録装置を有する量子暗号装置では、光子の到着チャンネルの監視・記録に専従するチャンネル記録装置と到着タイミングの監視・記録に専従するタイミング記録装置の両者において信号記録の取りこぼしが一切なければ、バッファメモリ上で結合された時系列テーブルは目的とする光子の到着ポートおよび到着時刻の一連の時系列記録を構成する。

しかしながら、それぞれの記録装置は独立に信号検出に失敗する場合があり、記録の取りこぼしを完全になくすことは技術的に困難である。取りこぼしが発生し得る場合には、取りこぼしが発生した時点以降の時系列テーブルは、正しい観測結果記録を構成せず、無効となるが、取りこぼしが発生したイベントを知る手段がないため、データ全体を破棄するしか方法が無く、これが装置のスループット向上を阻むという問題を抱えていた。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は簡単な装置構成の観測結果記録装置を、性能を損なうことなく提供し、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減することにある。

本発明の量子暗号装置は、入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、 “Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、を備え、
前記観測結果記録装置は、
クロック信号の供給を受けて装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記論理回路出力と前記タイミング記録装置出力が揃ったことが確認された場合にのみ、これらを出力する条件論理回路と、
前記条件論理回路出力を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するバッファメモリと、を有する。

本発明の量子暗号装置の観測結果記録装置は、伝送路上の光子を入力し、複数の観測基底に応じて複数の出力チャンネルのいずれかより出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルに応じて複数設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の検出状態に応じて得られたシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を入力し、誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、ビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、ともに量子暗号装置を構成する量子暗号装置の観測結果記録装置であって、
クロック信号の供給を受けて装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記論理回路出力と前記タイミング記録装置出力が揃ったことが確認された場合にのみ、これらを出力する条件論理回路と、
前記条件論理回路出力を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するバッファメモリと、を有する。

本発明の観測結果記録方法は、入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、
を備える量子暗号装置で行われる観測結果記録方法であって、
前記観測結果記録装置が、
供給されるクロック信号について、装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに生成するステップと、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を生成するステップと、
前記論理和が生成された時刻と前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定するステップと、
前記複数ビットのデジタルデータ、カウントしたクロック数、デジタルデータおよび前記論理和が生成された時刻と前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分が生成されたことが確認された場合にのみ、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するステップと、を行う。

上記課題を解決するため、チャンネル記録装置とタイミング記録装置のいずれかで信号検出失敗した場合に発生する信号記録の取りこぼしの発生を知る手段が必要である。本発明の量子暗号装置に含まれる観測結果記録装置においては、両者の出力データが揃ったことを装置の動作クロック毎に確認し、その条件を満たす場合に限ってデータをバッファメモリ上に書き出すようにする条件論理回路を追加構成する。これにより、何れかの装置で発生した取りこぼし事象のデータを排除することができ、目的とする光子の到着ポートおよび到着時刻の一連の時系列記録が正しくバッファメモリ上に構成される。

本発明によると、性能を損なうことなく簡単な装置構成の観測結果記録装置を提供でき、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減できる。

本発明の量子暗号受信装置の実施の形態を示すブロック図である。一般的な量子暗号受信装置の一例を示すブロック図である。一般的な量子暗号受信装置の一例を示すブロック図である。一般的な観測結果記録装置のブロック図である。一般的な観測結果記録装置のブロック図である。一般的な観測結果記録装置のブロック図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明による量子暗号装置に関わる観測結果記録装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態の観測結果記録装置１１は、４つの光子検出器１６₀₀、１６₀₁、１６₁₀、１６₁₁における光子検出の有無を告知する電気信号パルス１８の高電圧状態をラッチして、４つの光子検出器１６₀₀、１６₀₁、１６₁₀、１６₁₁からの光子検出の有無を１ビットデジタルデータに変換する論理回路１２、光子検出器１６₀₀、１６₀₁、１６₁₀、１６₁₁からの電気信号パルス１８のＯＲをとるＯＲ回路１３、タイミング記録装置１４、論理回路１２からの４ビットデジタルデータおよびタイミング記録装置１４からのタイミングデータが共に出力されたか否かを判定し、共に出力された場合に限って両データを出力する条件論理回路１ａ、出力された２種のデータを結合して順次記録するバッファメモリ１５により構成される。

本実施形態の観測結果記録装置１１は、図３に示したような４つの光子検出器を用いる量子暗号装置に設けられるものである。量子暗号装置にはこれらの他に図３に示した分析光学系や論理的後処理過程装置が設けられる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例の動作について説明する。

図１に示した本実施形態において、分析光学系の４つの出力チャンネルに接続された光子検出器１６₀₀、１６₀₁、１６₁₀、１６₁₁から光子検出の有無を告知する電気信号パルス１８が信号線１７を通じて観測結果記録装置１１に入力される。それらの信号は分岐され、論理回路１２およびＯＲ回路１３に入力される。

論理回路１２は４入力を有し、電気信号パルス１８の高電圧状態をラッチして、４ビットデジタルデータに変換して出力バス上に出力する機能を有する。例えば、図１において上部信号線をＬＳＢ、下部信号線をＭＳＢと定義したとき、上から３番目の信号線のみが高電圧状態に遷移したとき論理回路１２は４ビットデジタルデータ「０１００」をバス上に出力する。

ここで論理回路１２は信号線１７のいずれかが高電圧状態に遷移したときにのみデジタルデータを出力するように設計されている。従って、論理回路１２から全事象の多数を占める光子非検出事象に対応する無意義な４ビットデジタルデータ「００００」が出力されることはない。このような無意義なデータを捨てることは、後段のバッファメモリ１５の利用効率を高める上で極めて有意義である。

また、論理回路１２は別途供給される同期信号１９を参照して、装置スタート時からのクロック数をカウントして常時出力するカウンタ機能を有する。これら論理回路１２から「００００」を除いた有意義な４ビットデジタルデータおよび対応するクロックカウントデータが出力バスに出力され、条件論理回路１ａに入力される。

ＯＲ回路１３は４つの光子検出器１６₀₀、１６₀₁、１６₁₀、１６₁₁からの電気信号パルス１８の論理和を取り、遅滞なく結果を出力する。出力された電気信号パルスの到着時刻と、別途供給される同期信号１９のパルスの立ち上がり時刻との差分がタイミング記録装置１４により測定され、時間差測定結果が出力バスに出力され、条件論理回路１ａに入力される。

条件論理回路１ａは、クロック毎にその入力を監視し、光子到着チャンネルに対応する４ビットデジタルデータおよび光子到着時刻に対応する時間差測定結果が共に入力された場合に限って、これらのデータとクロックカウントデータをバッファメモリ１５に転送する。

バッファメモリ１５では、これらの転送データを結合して、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成する。

以上の装置により、測定器で検出失敗があっても正しい光子の到着ポートおよび到着時刻の時系列テーブルを記録可能な観測結果記録装置を構成できる。

上述の実施形態において、論理回路１２は現代の汎用デジタル回路設計技術により、同期デジタル回路により構成可能である。無意義なデータ出力を抑制することにより、バッファメモリの浪費が回避できる。一方、ＯＲ回路１３およびタイミング記録装置１４は、前段の分析光学系などの制約から要請される時間分解能が必要である。

このためＯＲ回路１３は非同期アナログ回路で構成するか、あるいは十分に高クロック周波数で駆動された同期デジタル回路によって構成する必要がある。後者の場合、論理回路１２、条件論理回路１ａ、ＯＲ回路１３を同一のプラットフォーム上（ＦＰＧＡなど）に組み込むことも可能である。

上述の実施形態においては、４つの光子検出器を用いる受信装置を例として説明したが、３つ以下および５つ以上の光子検出器を用いる受信装置についても、同様の装置を構成できることは言うまでもない。

以上の本実施形態の観測結果記録装置によると、従来技術のように性能を損なうことなく低コストな観測結果記録装置を構成することができる。従って、従来の量子暗号装置に比べて、量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを大幅に軽減することができる。

なお、図１に示した実施形態は、図２および図３に示した構成の量子暗号装置内に設けられる観測結果記録装置を構成するものであり、本発明には、本実施形態の観測結果記録装置を備えた量子暗号装置も含まれる。

１ａ条件論理回路
１１観測結果記録装置
１２論理回路
１３ＯＲ回路
１４タイミング記録装置
１５バッファメモリ
１６光子検出器
１７信号線
１８電気パルス
１９同期信号

Claims

入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、 “Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、を備え、
前記観測結果記録装置は、
クロック信号の供給を受けて装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記論理回路出力と前記タイミング記録装置出力が揃ったことが確認された場合にのみ、これらを出力する条件論理回路と、
前記条件論理回路出力を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するバッファメモリと、を有する量子暗号装置。
伝送路上の光子を入力し、複数の観測基底に応じて複数の出力チャンネルのいずれかより出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルに応じて複数設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の検出状態に応じて得られたシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を入力し、誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、ビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、ともに量子暗号装置を構成する量子暗号装置の観測結果記録装置であって、
クロック信号の供給を受けて装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記論理回路出力と前記タイミング記録装置出力が揃ったことが確認された場合にのみ、これらを出力する条件論理回路と、
前記条件論理回路出力を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するバッファメモリと、を有する量子暗号装置の観測結果記録装置。
入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、
を備える量子暗号装置で行われる観測結果記録方法であって、
前記観測結果記録装置が、
供給されるクロック信号について、装置スタート時からのクロック数をカウントするとともに、前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを、カウントしたクロック数とともに生成するステップと、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を生成するステップと、
前記論理和が生成された時刻と前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分を測定するステップと、
前記複数ビットのデジタルデータ、カウントしたクロック数、デジタルデータおよび前記論理和が生成された時刻と前記クロック信号のパルスの立ち上がり時刻との差分が生成されたことが確認された場合にのみ、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成するステップと、を行う観測結果記録方法。