JP2012034062A - 暗号光送信装置及び受信装置、暗号光送信方法及び受信方法、並びに暗号通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】暗号文単独攻撃に対する無条件安全性を確保し、正規通信者が長距離通信可能な光信号の構成法、暗号装置及び暗号システムを提供する。
【解決手段】本発明の光強度信号の配置方法は、擬似乱数列にしたがって選択された基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成し、該光強度は最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、中間点の上にある信号群及び中間点の下にある信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定される。配置された光強度を受信し、光送信装置の初期鍵を用いて発生した擬似乱数列にしたがって選択される基底を用いて信号判定することにより、受信データが得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、暗号光送信装置及び受信装置、暗号光送信方法及び受信方法、並びに暗号通信システムに関する。

従来、悪意ある第三者による通信文の盗聴を防ぐために、伝送する情報を数学的方法で攪乱する暗号化の手法が多用されている。一方、通信手段における信号系の物理現象を利用し、より高度な安全性を実現しようとする物理暗号が知られている。

物理暗号の中でも、光信号を受信した際に不可避に発生する量子ショット雑音によって暗号としての高度な安全性を実現する暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００プロトコル（Ｙ−００と呼称）に基づくＹｕｅｎ暗号と呼ばれている。この暗号においては、情報ビットを伝送するための２つの信号のセットを基底と呼び、基底を多数（Ｍ個）用意し、初期鍵を擬似乱数生成器によって伸長した擬似乱数列を用いて、不規則にその基底を選び、選ばれた基底に対応する光信号によって情報ビットを送信する。受信者は送信側と同期された送信者と同じ秘密鍵と擬似乱数生成器を用いて、２値の信号を識別する。

Ｙｕｅｎ暗号においては、鍵を知らない盗聴者はどの基底が用いられているか解らないので、２Ｍ個の信号を識別する必要がある。このとき、正規受信者の２値の識別の誤り特性はほぼゼロとなり、盗聴者の２Ｍ個の識別の誤り特性が極めて劣化するように信号と雑音効果を設計すると、盗聴者に対して高度な秘匿効果が得られる。このようにして秘匿効果を得ることは、Ｙｕｅｎ暗号における安全性利得の生成原理と呼ばれる。

Ｙｕｅｎ暗号を実装する通信方式には、非特許文献１に開示されている光位相変調方式と、非特許文献２に開示されている光強度変調方式とが知られている。これらの方式では、基底に対応する光信号は１つの関係式にしたがって配置される。光位相変調方式では位相平面上で振幅Ａによる円周を信号数２Ｍで等間隔に分割した位置に配置される。光強度変調方式では、最大強度と最小強度との中間点を基準として信号数に合わせて等分あるいは最大から最小にかけて線形に間隔を小さくするなどの配置が用いられる。

前述の信号配置は、量子ショット雑音の効果が均等に出現するようにするための工夫である。安全性（Ｑ）は次式によって簡易的に評価される（非特許文献２）。

式中、Γは量子ショット雑音に隠れる信号の数、Ｋは秘密鍵長、Ｍは基底数である。

図１は、非特許文献２に記載の、従来技術に係る光強度変調を用いたＹｕｅｎ暗号の構成を表す図である。以下、図１を用いて、光強度変調方式によるＹｕｅｎ暗号装置の基本原理を説明する。

図１において、従来の暗号通信装置は、光送信装置１０と光受信装置２０とが、光ファイバ等の光通信路３０で接続された構成である。光送信装置１０は、搬送波発生部１１と、Ｍ−ａｒｙ強度変調部１２と、擬似乱数発生部１３と、基底選択制御部１４と、送信データ発生部１５とを備える。光受信装置２０はフォトダイオード２１と、しきい値制御部２２と、擬似乱数発生部２３と、基底選択制御部２４とを備える。光送信装置１０の擬似乱数発生部１３と光受信装置２０の擬似乱数発生部２３とは、構成及び機能が実質的に同一である。また、光送信装置１０の基底選択制御部１４と光受信装置２０の基底選択制御部２４とは、構成・機能が実質的に同一である。

搬送波発生部１１は、例えばレーザ・ダイオードからなり、所定の光搬送波を出力する。送信データ発生部１５は、情報「１」及び「０」で構成される送信データを発生する。擬似乱数発生部１３は、入力する初期鍵Ｋに基づいて２進数擬似乱数列、すなわち２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を生成する。基底選択制御部１４は、この２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を、ｌｏｇＭビット毎にブロック分割し、その各ブロックに応じた１０進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に変換する。そして、基底選択制御部１４は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従って基底群から１つの基底を選択し、基底情報としてＭ−ａｒｙ強度変調部１２に指示する。Ｍ−ａｒｙ強度変調部１２は、送信データで光搬送波を強度変調すると共に、基底情報で指示されている基底に対応する光強度を用いて情報「１」又は「０」を、光通信路３０を介して光受信装置２０へ出力する。

フォトダイオード２１は、光通信路３０を介して光送信装置１０から出力される強度変調光信号を受信する。擬似乱数発生部２３は、入力する初期鍵Ｋに基づいて２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を生成する。基底選択制御部２４は、この２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を、ｌｏｇＭビット毎にブロック分割し、その各ブロックに応じた１０進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に変換する。そして、基底選択制御部２４は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従って基底群から１つの基底を選択肢、基底情報としてしきい値制御部２２に指示する。しきい値制御部２２は、基底選択制御部２４によって指示される基底情報に基づいて、受信信号をどのしきい値で判定するかを制御して、信号に含まれている情報「１」及び「０」を抽出し受信データとして出力する。

上述の従来のＹｕｅｎ暗号通信装置において、基底選択制御部１４及び２４で用いられる基底群、すなわち各基底に対応する光信号の配置は、暗号の強さを決定する重要な要素である。

図２は、従来技術に係る光強度変調を用いたＹｕｅｎ暗号の光強度信号の配置図である。以下、図２を用いて、従来の光信号配置方法を説明する。まず、強度変調のダイナミックレンジを、最大強度Ｓ_ｍａｘ〜最小強度Ｓ_ｍｉｎとして設定する。この最大強度Ｓ_ｍａｘと最小強度Ｓ_ｍｉｎとの中心強度を、［（Ｓ_ｍａｘ＋Ｓ_ｍｉｎ）／２］とする。各基底に対応する光信号は、高強度と低強度とで構成され、高強度は中心強度よりも高く、低強度は中心強度よりも低くなる規則で配置される。また、基底数Ｍは基底に対応する光信号群の中で、隣接する信号間（例えば、強度Ｓ_ｉと強度Ｓ_ｉ＋１との間）の距離（強度差）が、量子ショット雑音に埋没するに十分な数として決められる。例えば、図２で示すように、各信号強度を最大強度Ｓ_ｍａｘから最小強度Ｓ_ｍｉｎまで順番にＳ_１，Ｓ_２，・・・・，Ｓ_Ｍ−１，Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｍ＋１，・・・・，Ｓ_２Ｍとして、基底に対応する光信号のセットは｛Ｓ_１，Ｓ_Ｍ＋１｝，｛Ｓ_２，Ｓ_Ｍ＋２｝，・・・・のように規定する。なお、隣り合う基底間では、送信データの情報「１」を伝送する強度信号と、情報「０」を伝送する強度信号とが、反転するように配置設計されている。

上述した従来のＹｕｅｎ暗号通信装置においては、正規受信者は、信号間距離が大きい２値の信号識別を行うことになるので誤りがほとんど無い。しかし、初期鍵Ｋを知らない盗聴者は、信号間距離の小さい２Ｍ値の信号識別のための受信方法に制限されるため、その受信データには量子ショット雑音により誤りが発生する。よって、盗聴者は、暗号文自体の情報を得ることができない。

このような仕組みはランダム・ストリーム暗号の一種であるが、量子ショット雑音によってランダム化されるため、そのランダム性を計算によって確定値に戻すことは不可能である。従って、これらの理由から、Ｙｕｅｎ暗号は、従来の数学的な暗号システムに比べて高い安全性を持つ暗号を実現できると言える。

このように、Ｙｕｅｎ暗号は、通信システム自体が量子性の弱い従来の光通信で構成される。鍵を知らない盗聴者に対しては、量子ショット雑音によって情報が得られない工夫がなされていることに基づく極めて高い安全性を提供する。

Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ， Ｃ．Ｌｉａｎｇ， Ｇ．Ｓ．Ｋａｎｔｅｒ， Ｐ．Ｋｕｍａｒ， Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｎｏｉｓｅ ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ， ｖｏｌ−７１， ０６２３２６， （２００５年） Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ， Ｍ．Ｓｏｈｍａ， Ｍ．Ｆｕｓｅ， Ｋ．Ｋａｔｏ， "Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔｒｅａｍ ｃｉｐｈｅｒ ｂｙ Ｙｕｅｎ−２０００ ｐｒｏｔｏｃｏｌ：ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂｙ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ， ｖｏｌ−７２， ０２２３３５， （２００５年）

上記Ｙｕｅｎ暗号を用いる暗号通信装置においては、盗聴者に対する安全性と正規通信者に対する通信距離や信頼性とが同時に高性能である必要がある。暗号文単独攻撃に対する無条件安全性を達成するためには、ΓがＭ、すなわち中間にある信号レベルの上半分、あるいは下半分が量子ショット雑音に隠れることが必要となる。このとき、従来のＹｕｅｎ暗号では、同時に既知平文攻撃に対する情報理論的安全性も従来暗号に比べて大幅な改善が実現される。

しかしながら、強度変調方式によるＹｕｅｎ暗号では、安全性のパラメータであるΓを大きくするためには最大強度と最小強度の差を小さくしなければならず、その際、正規の通信の信頼性が劣化し、通信可能距離が大幅に短くなる。それは最大強度と最小強度の差を小さくするとき、隣接する信号の信号間距離が小さくなり、正規受信者の信号間距離も小さくなるからである。現状技術では、基底数Ｍ＝４０００を用いても、Γは１０から２０程度と推定され、それをさらに大きくしようとすれば、中継増幅を用いない評価で通信可能距離は１０ｋｍ程度に制約されるという問題があった。

本発明の目的は、安全性特性の劣化を抑制して暗号文単独攻撃に対する無条件安全性を確保し、正規通信者の通信可能距離をより長距離とすることが可能な、通信能力を高めた光信号の構成法と、その受信法とを提供することである。

本発明は、Ｙｕｅｎ暗号において、初期鍵を持つ擬似乱数発生部からの出力系列によってランダムに選択される基底を用いて２値の情報ビットを伝送する際の、基底に対応する光信号の配置に関する。

本発明に係るＹｕｅｎ暗号光送信装置は、擬似乱数発生部と、その出力系列を多数の基底に対応させる基底選択制御部と、選択された一つの基底と情報ビットに基づいた光強度信号を送信する強度光変調部とを備える。

すなわち、本発明に係るＹｕｅｎ暗号光送信装置は、光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを実装するＹｕｅｎ暗号光送信装置であって、初期鍵から擬似乱数列を発生する擬似乱数生成部と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御部と、選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調部とを備え、基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、中間点の上にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、中間点の下にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、中間点の上にある信号群及び中間点の下にある信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る光送信装置から出力される光信号を受信する光受信装置は、受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定部と、判定値に対して、光送信装置の初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御部と、基底選択制御部により選択された基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るＹｕｅｎ暗号光送信方法においては、基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する二つの光信号は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持つ。さらに中間点の上にある信号群は中間点より、十分離れた最大光強度周辺に集中的に配置され、また中間点の下にある信号群は中間点より十分離れた最小光強度付近に集中的に配置される。その集中の領域はその付近のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定する。

すなわち、本発明は、光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを用いるＹｕｅｎ暗号光送信方法であって、初期鍵から擬似乱数列を発生する擬似乱数生成処理と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御処理と、選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調処理とを含み、基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、中間点の上にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、中間点の下にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、中間点の上にある信号群及び中間点の下にある信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定されることを特徴とする。

また、本発明は、Ｙｕｅｎ暗号光送信方法を用いて送信された光信号を受信するＹｕｅｎ暗号光受信方法であって、受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定処理と、判定値に対して、光送信装置の初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する擬似乱数発生処理と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御処理と、基底選択制御部により選択された基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定処理と、を含む。

本発明に係るＹｕｅｎ暗号通信システムは、上記光送信装置と、２値光強度信号の識別しきい値が最大受信強度と最小受信強度の中間点をしきい値とした強度判定部と、その判定値に対して、送信装置と同じ初期鍵を持つ擬似乱数発生部からの出力系列の値によって情報ビットの０と１を出力する信号判定部を有する光受信装置と、光送信装置と光受信装置を接続する光通信路とによって、構成される。

すなわち、本発明に係るＹｕｅｎ暗号通信システムは、光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを実装するＹｕｅｎ暗号通信システムであって、Ｙｕｅｎ暗号通信システムは、Ｙｕｅｎ暗号光送信装置と、Ｙｕｅｎ暗号光受信装置とを有し、Ｙｕｅｎ暗号光送信装置は、初期鍵から擬似乱数列を発生する送信機擬似乱数生成部と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する送信機基底選択制御部と、選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調部とを備え、基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、中間点の上にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、中間点の下にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、中間点の上にある信号群及び中間点の下にある信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定され、Ｙｕｅｎ暗号光受信装置は、受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定部と、判定値に対して、光送信装置の初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する受信機擬似乱数発生部と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する受信機基底選択制御部と、受信機基底選択制御部により選択された基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定部と、を備える。

本発明によれば、既知平文攻撃に対する情報理論的安全な暗号文の長さが短くなるが、数学的な暗号では達成できない既知平文攻撃に対する情報理論的安全な暗号文長を有し、かつ暗号文単独攻撃に対する無条件安全性を損なうことがなく、暗号ではない通常の光通信の通信距離と同じ長距離通信が実現できる。また従来のＹｕｅｎ暗号では受信装置のしきい値は信号スロット毎に、擬似乱数発生部の出力系列にしたがって変化させる必要があるが、本発明の場合には受信装置のしきい値は固定できるので、低コストで安定なＹｕｅｎ暗号通信システムを提供できる。

従来技術に係る光強度変調を用いたＹｕｅｎ暗号の構成を表す図である。 従来技術に係る光強度変調を用いたＹｕｅｎ暗号の光強度信号の配置図である。 本発明の実施形態に係る光強度信号の配置法を説明する図である。 本発明の実施形態に係る光強度信号の配置法を用いたＹｕｅｎ暗号の光受信装置４０の構成を表す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。

本発明のＹｕｅｎ暗号光送信装置は、基本的に図１に示した光送信装置１０と同様に構成できる。すなわち、本発明に係るＹｕｅｎ暗号の光送信装置１０は、搬送波発生部１１と、強度光変調部としてのＭ−ａｒｙ強度変調部１２と、擬似乱数発生部１３と、基底選択制御部１４と、送信データ発生部１５とを備える。また、本発明に係る光送信装置１０は、光ファイバ等の光通信路３０を介し、本発明に係る光受信装置４０（図４）と接続される。

本発明は、光送信装置１０の基底選択制御部１４によって指定される基底に対応する光強度信号の独自の配置を用いることに特徴があり、その信号配置によって、光受信装置２０のしきい値制御部２２におけるしきい値制御を廃止することが可能となる特徴を有している。以下に、本発明の特徴的な光信号の配置について図面を参照しながら説明する。

（光強度信号の配置）
図３は、本発明の実施形態に係る光強度信号の配置法を説明する図である。本発明の実施形態では以下のように光強度信号を配置する。

強度信号の最大強度Ｓ_ｍａｘ、最小強度Ｓ_ｍｉｎを設定し、（Ｓ_ｍａｘ＋Ｓ_ｍｉｎ）／２を中間点とする。最大強度と最小強度による量子ショット雑音の雑音領域はそれぞれ√Ｓ_ｍａｘと√Ｓ_ｍｉｎとなるので、各基底に対応する強度信号群で、中間点より上に来る信号は最大強度による量子ショット雑音領域（図３の円部分）に入る位置に、中間点より下に来る信号は最小強度による上記の量子ショット雑音領域（図３の円部分）に入るように配置する。例えば、前述の図２に示した信号強度の基底は、本実施形態においては、図３に示すように配置することができる。すなわち、最大強度Ｓ_ｍａｘにはＳ_１が、最小強度Ｓ_ｍｉｎにはＳ_２Ｍが、それぞれ対応する。このような配置によって、初期鍵を知らない盗聴者が全信号を識別しようとしても中間点より上の信号Ｍ個と下の信号Ｍ個は量子ショット雑音によって完全に隠され、式（１）のΓはＭとなる。

本発明の実施形態に係る光強度信号の配置法において、初期鍵から擬似乱数列を発生する擬似乱数生成処理は、光送信装置１０の擬似乱数発生部１３により行うことができる。多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御処理は、光送信装置１０の基底選択制御部１４により行うことができる。選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調処理は、光送信装置１０のＭ−ａｒｙ強度変調部１２により行うことができる。

図４は、本発明の実施形態に係る光強度信号の配置法を用いたＹｕｅｎ暗号の光受信装置４０の構成を表す図である。図４を用いて、上記の信号配置を用いたＹｕｅｎ暗号のための光受信装置４０を説明する。

本実施形態の光送信装置４０の構成は、従来の光送信装置１０と同様であるが、光強度信号の配置が異なる。図４に示す光受信装置４０は、フォトダイオード４１を介して光信号を受信する。フォトダイオード４１の動作は、図２に示したフォトダイオード２１と同等である。光受信装置４０は、正規の受信者による情報の受信において、光送信装置１０における中間点の信号強度に対応する受信信号強度にしきい値を設定し、該しきい値に対して上あるいは下の情報を出力する強度判定部４２と、送信装置で使用した同じ初期鍵と擬似乱数発生部４４からの出力系列によって、基底選択制御部４５を経由して情報ビットの０あるいは１を判定する信号判定部４３とからなる。

光受信装置４０は、図３に示した光強度信号の配置法により配置された受信信号を受信し、初期鍵を用いて受信データを生成することができる。したがって、本実施形態に係る光受信装置４０においては、図２に示した光受信装置２０のしきい値制御部２２におけるしきい値制御を廃止することが可能である。本発明によれば、従来技術による受信装置よりも、より低コストな小型の受信装置を提供することができる。

さらに、光送信装置１０と光受信装置４０とを、光ファイバ等の光通信路３０を介して接続することにより、本発明に係る暗号通信システムを構成することができる。

具体的には、本発明に係るＹｕｅｎ暗号通信システムは、光送信装置１０、光受信装置４０及び光通信路３０を備え、光送信装置１０は、２値光強度信号の識別しきい値が最大受信強度と最小受信強度の中間点をしきい値としたＭ−ａｒｙ強度変調部１２を備えて判定値を出力し、光受信装置４０は、光送信装置１０の送信機擬似乱数発生部としての擬似乱数発生部１３と同じ初期鍵を持つ受信機擬似乱数発生部としての擬似乱数発生部１３からの出力系列の値によって、情報ビットの０と１を出力する信号判定部４３を有する。

より具体的には、本発明に係るＹｕｅｎ暗号通信システムは、光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを実装するＹｕｅｎ暗号通信システムであって、該Ｙｕｅｎ暗号通信システムは、Ｙｕｅｎ暗号光送信装置としての光送信装置１０と、Ｙｕｅｎ暗号光受信装置としての光受信装置４０とを有し、Ｙｕｅｎ暗号光送信装置は、初期鍵から擬似乱数列を発生する送信機擬似乱数生成部としての擬似乱数発生部１３と、多数の基底から構成される基底群を保持し、擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する送信機基底選択制御部としての基底選択制御部１４と、選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調部としてのＭ−ａｒｙ強度変調部１２とを備え、基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、中間点の上にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、中間点の下にある信号群の強度は、中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、中間点の上にある信号群及び中間点の下にある信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定され、Ｙｕｅｎ暗号光受信装置としての光受信装置４０は、受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定部４２と、判定値に対して、光送信装置１０の初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する受信機擬似乱数発生部としての擬似乱数発生部４４と、多数の基底から構成される基底群を保持し、該擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する受信機基底選択制御部としての基底選択制御部４５と、基底選択制御部４５により選択された基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定部４３とを備える。

以上のように、本実施形態に係る暗号通信のための光送信装置および光強度の配置と光受信装置によれば、安全性特性の劣化を抑制して暗号文単独攻撃に対する安全性を確保し、正規通信者の通信可能距離をより長距離とすることが可能な、通信能力を高めた光信号の構成法、送信法、受信法、光送信装置、光受信装置、及び暗号通信システムを低コストで提供することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明は、クラウド・コンピューテイング・システムに必須となるデータセンター間の超安全光通信網を実現するための基幹技術となり得る。

１０ 光送信装置
１１ 搬送波発生部
１２ Ｍ−ａｒｙ強度変調部
１３、２３、４４ 擬似乱数発生部
１４、２４、４５ 基底選択制御部
１５ 送信データ発生部
２０ 光受信装置
２１、４１ フォトダイオード
２２ しきい値制御部
３０ 光通信路
４０ 光受信装置
４２ 強度判定部
４３ 信号判定部

Claims (5)

1. 光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを実装するＹｕｅｎ暗号光送信装置であって、
   初期鍵から擬似乱数列を発生する擬似乱数生成部と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
   前記選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調部とを備え、
   前記基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、
   前記中間点の上にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、
   前記中間点の下にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、
   前記中間点の上にある前記信号群及び前記中間点の下にある前記信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、前記信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定されることを特徴とする
   Ｙｕｅｎ暗号光送信装置。
2. 請求項１に記載の光送信装置から出力される光信号を受信する光受信装置であって、
   受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定部と、
   前記判定値に対して、前記光送信装置の前記初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
   前記基底選択制御部により選択された前記基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定部と、を備えることを特徴とする
   Ｙｕｅｎ暗号光受信装置。
3. 光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを用いるＹｕｅｎ暗号光送信方法であって、
   初期鍵から擬似乱数列を発生する擬似乱数生成処理と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御処理と、
   前記選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調処理とを含み、
   前記基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、
   前記中間点の上にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、
   前記中間点の下にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、
   前記中間点の上にある前記信号群及び前記中間点の下にある前記信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、前記信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定されることを特徴とする、
   Ｙｕｅｎ暗号光送信方法。
4. 請求項３に記載のＹｕｅｎ暗号光送信方法を用いて送信された光信号を受信するＹｕｅｎ暗号光受信方法であって、
   受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定処理と、
   前記判定値に対して、前記光送信装置の前記初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する擬似乱数発生処理と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する基底選択制御処理と、
   前記基底選択制御部により選択された前記基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定処理と、を含む
   Ｙｕｅｎ暗号光受信方法。
5. 光強度変調方式によるＹ−００プロトコルを実装するＹｕｅｎ暗号通信システムであって、
   前記Ｙｕｅｎ暗号通信システムは、Ｙｕｅｎ暗号光送信装置と、Ｙｕｅｎ暗号光受信装置とを有し、
   前記Ｙｕｅｎ暗号光送信装置は、
   初期鍵から擬似乱数列を発生する送信機擬似乱数生成部と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する送信機基底選択制御部と、
   前記選択された１つの基底に対応する２つの光強度を用いて、送信情報に基づいた光変調信号を生成する強度光変調部とを備え、
   前記基底群を構成する全ての基底において、各基底に対応する２つの光信号の強度は、最大強度と最小強度の中間点を挟んで上と下に値を持ち、
   前記中間点の上にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度周辺に集中的に配置され、
   前記中間点の下にある信号群の強度は、前記中間点から十分離れた光強度付近に集中的に配置され、
   前記中間点の上にある前記信号群及び前記中間点の下にある前記信号群の強度が集中的に配置されるそれぞれの強度の範囲は、前記信号群の強度近傍のエネルギーに比例して出現する量子ショット雑音によって全て隠されるように設定され、
   前記Ｙｕｅｎ暗号光受信装置は、
   受信した２値光強度信号の最大受信強度と最小受信強度との中間点を識別しきい値として信号強度を判定して判定値を出力する強度判定部と、
   前記判定値に対して、前記光送信装置の前記初期鍵を用いて擬似乱数列を発生する受信機擬似乱数発生部と、
   多数の基底から構成される基底群を保持し、前記擬似乱数列にしたがって当該基底群から１つの基底を選択する受信機基底選択制御部と、
   前記受信機基底選択制御部により選択された前記基底を用いて情報ビットの０と１を判定する信号判定部と、を備える、
   Ｙｕｅｎ暗号通信システム。

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