JP2013201523A - Quantum encryption key distribution system and quantum encryption key reception device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子暗号鍵配付システムとその量子暗号鍵受信装置に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography key distribution system and a quantum cryptography key receiver.
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ニーズが高まっており、光通信技術を用いて遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、量子暗号鍵配付技術が注目されている。 With the explosive spread of the Internet and the commercialization of electronic commerce, the social needs of cryptographic technologies such as confidentiality and tampering prevention of communication and personal authentication are increasing. Quantum cryptographic key distribution technology, which is a technology for sharing a secure secret key, is attracting attention.
図8は一般的な量子暗号鍵配付システムを、盗聴装置を含めて図示したブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram illustrating a general quantum cryptography key distribution system including an eavesdropping device.
図8に示す量子暗号鍵配付システムにおいては、送信装置61は光子を発生する光源62、2ビットの乱数発生器63、およびこれに基づき鍵データ及び変調基底状態を光子の状態にコーディングするエンコーダー64からなる。
In the quantum cryptography key distribution system shown in FIG. 8, the
一方、受信装置68は1ビットの乱数発生器69、およびこれに基づき観測基底状態を光子に変調するデコーダー6A、鍵データとなる信号を生成する光子検出器6Bからなる。送信装置61と受信装置68は光伝送路66によって結ばれている。盗聴装置67は光伝送路66の途中に挿入され、光伝送路66、および、これにより伝搬されるあらゆる信号に自由にアクセスできる。
On the other hand, the
安全性が証明可能であるという現代暗号にない特徴を量子暗号鍵配付プロトコルは持つが、その安全性の証明においては、送受信装置が信頼でき、鍵データやエンコード/デコード基底情報を漏洩する、あるいはこれらを外部から制御するサイドチャンネルがないことが、アプリオリに仮定される。しかるに、量子暗号鍵配付装置は、鍵伝送のための伝送路を有するため、伝送路への入出力チャンネルが必然的に存在する。この伝送路への入出力チャンネルはセキュリティ上のリスクになり得る。 The quantum cryptography key distribution protocol has a characteristic that modern cryptography cannot prove to be secure, but in proof of its security, the transmitter / receiver can be trusted and leak key data and encode / decode base information, or It is assumed a priori that there is no side channel to control these from the outside. However, since the quantum key distribution device has a transmission path for key transmission, an input / output channel to the transmission path necessarily exists. This input / output channel to the transmission path can be a security risk.
問題となるのは、この伝送路を経由するサイドチャンネルがあり得ることであり、送信側では鍵データやエンコード/デコード基底情報を漏洩するサイドチャンネル65が、受信側ではこれらを外部から制御するサイドチャンネル6Cがセキュリティ上、重要な問題となる。
The problem is that there may be a side channel that passes through this transmission path. The
理論的モデルでは理想的な構成要素デバイスを仮定するのに対して、現実に用いられるデバイスは理想とは異なる様々な特性を持ち、セキュリティ上の脆弱性の要因となる。このような脆弱性を突いた量子暗号鍵配付装置の量子ハッキングが提案されている。 The theoretical model assumes an ideal component device, whereas a device used in reality has various characteristics different from the ideal and causes security vulnerabilities. Quantum hacking of a quantum cryptography key distribution device that exploits such vulnerability has been proposed.
量子ハッキングに利用される送信側サイドチャンネルとしては、光源の非理想性により情報のキャリアとなる光子パルスの状態空間が拡大されることによって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、光源は単一光子のみを生成すると仮定されている。 A transmission side channel used for quantum hacking is known to be generated by expanding the state space of a photon pulse serving as an information carrier due to non-ideality of a light source. In the standard safety proof, it is assumed that the light source produces only a single photon.
しかしながら、現実の量子暗号鍵配付装置では、微弱レーザー光源や疑似単一光子光源が用いられる。これらの非理想光源は、単一光子状態以外の状態(バキューム状態とマルチフォトン状態)を含み、これを利用するサイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。具体的な攻撃として光子数分割攻撃が問題提起されたが(非特許文献1参照)、これらのセキュリティホールは囮光子の使用や、単一光子光源の使用によりクローズされたと考えられている(非特許文献2、非特許文献3参照)。 However, in an actual quantum cryptography key distribution device, a weak laser light source or a pseudo single photon light source is used. These non-ideal light sources include states other than the single photon state (vacuum state and multi-photon state), and the possibility of side channel attack using this opens. Although a photon number split attack has been raised as a specific attack (see Non-Patent Document 1), it is considered that these security holes were closed by using a photon or a single photon light source (Non-Patent Document 1). (See Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).
一方、量子ハッキングに利用される受信側サイドチャンネルとしては、デコーダーの不適切な使用(非特許文献4参照)や、光子検出器の非理想性によって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、スレッショルドデテクタと呼ばれる、理想的光子検出器の使用が仮定されている。スレショルドデテクタは、単一光子状態以外に多光子状態にも反応し、光子の有無に応じた2値検出信号を生成する光子検出器であり、その安全性証明においては、光子数に依存せず、どの光子数状態に対しても等しい反応確率を持つ理想的光子検出器の使用が仮定されている(非特許文献5、非特許文献6参照)。 On the other hand, the receiving side channel used for quantum hacking is known to be caused by inappropriate use of a decoder (see Non-Patent Document 4) or non-ideality of a photon detector. Standard security proofs assume the use of an ideal photon detector, called a threshold detector. The threshold detector is a photon detector that reacts not only to a single photon state but also to a multi-photon state and generates a binary detection signal according to the presence or absence of the photon, and its safety proof does not depend on the number of photons. The use of an ideal photon detector having an equal reaction probability for any number of photon states is assumed (see Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6).
しかしながら、現実の光子検出器の反応確率は光子数状態に依存する。この想定特性との乖離を利用することにより、サイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。様々なタイプのサイドチャンネルアタック(time-shiftアタック、blindingアタックなど)が具体的な攻撃法として例示され、一部は実験により実証されている(非特許文献7ないし非特許文献10参照)。 However, the reaction probability of an actual photon detector depends on the photon number state. By utilizing the deviation from this assumed characteristic, the possibility of side channel attack opens. Various types of side channel attacks (time-shift attack, blinding attack, etc.) are exemplified as specific attack methods, and some have been demonstrated by experiments (see Non-Patent Document 7 to Non-Patent Document 10).
量子暗号鍵配布プロトコルにおいて想定された信号量子状態以外のキャリアの量子状態を第3者が利用できる可能性があることが、サイドチャンネルの問題のポイントである。 The point of the side channel problem is that a third party may be able to use the quantum state of the carrier other than the signal quantum state assumed in the quantum key distribution protocol.
キャリアの利用において、そのような想定外の量子状態の生成、観測、エンコードならびにデコードをなくす、あるいはその存在を検知可能にすることが、このようなリスクをなくすために是非とも必要である。 In the use of carriers, it is necessary to eliminate such risks by eliminating the generation, observation, encoding and decoding of such unexpected quantum states, or making their presence detectable.
特に、受信側サイドチャンネルの問題は送信側の問題よりも深刻であると思われる。これは、用いられる光子検出器の特性は定量的モデル化が著しく困難であり、かつ、デバイス毎にばらつきがあるため、一般的な安全性証明を行うことが困難であることによる。受信装置の安全性が検出器特性に依存すること自体、実用的量子暗号鍵配付装置の信頼性を揺るがせる大きな原因となっている。 In particular, the problem on the receiving side channel seems to be more serious than the problem on the transmitting side. This is because the characteristics of the photon detector used are extremely difficult to quantitatively model and vary from device to device, making it difficult to perform general safety certification. The fact that the security of the receiving device depends on the detector characteristics itself is a major cause of shaking the reliability of a practical quantum cryptography key distribution device.
受信側サイドチャンネルについては、その対策を考えても、また新たにセキュリティホールが指摘され、いわゆる、いたちごっこから抜け出せない状況にある。仮に知られた攻撃に対する対策をとることができるとしても、実用的量子暗号鍵配付装置が安全と証明されるわけではない。量子暗号鍵配付装置のセキュリティホールは、インプリメントの改良と、改良されたデバイスをモデル化して安全性証明を改良することによって、首尾一貫してつぶすことが重要である。これが実用的量子暗号鍵配付装置が現代暗号に勝るという証明可能安全性を獲得しうる唯一の方法であり、首尾一貫した安全性証明を行うことが可能な受信装置の開発が望まれていた。 Regarding the receiving side channel, a new security hole has been pointed out even if the countermeasures are taken into consideration. Even if a countermeasure against a known attack can be taken, a practical quantum cryptography key distribution device is not proven to be secure. It is important that security holes in the quantum cryptography key distribution device be crushed consistently by improving implementation and modeling improved devices to improve security proofs. This is the only method that can achieve provable security that a practical quantum cryptography key distribution device is superior to modern cryptography, and it has been desired to develop a receiving device capable of performing consistent security proof.
本発明は量子暗号鍵配付装置の抱える上記の課題に鑑みてなされたものであり、光子検出器の特性に依らず、首尾一貫した安全性証明が可能な受信装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of a quantum cryptography key distribution apparatus, and provides a receiving apparatus capable of consistently certifying security regardless of the characteristics of the photon detector.
本発明の量子暗号鍵配付の受信装置は、送信装置から伝送された伝送信号光を受信する量子暗号鍵配付システムの量子暗号鍵受信装置において、
リファレンス光を発生する、あらかじめ特性が校正されたリファレンス光源と、
前記伝送信号光を前記リファレンス光の量子状態と比較することにより、該伝送信号光の量子状態を測定する量子状態測定手段と、
を有することを特徴とする。
The quantum cryptographic key distribution receiving device of the present invention is a quantum cryptographic key receiving device of a quantum cryptographic key distribution system that receives transmission signal light transmitted from a transmitting device.
A reference light source that generates reference light and is calibrated in advance.
A quantum state measuring means for measuring the quantum state of the transmission signal light by comparing the transmission signal light with the quantum state of the reference light;
It is characterized by having.
本発明の量子暗号鍵配布システムは、上記の量子暗号鍵受信装置を用いることを特徴とする。 The quantum key distribution system of the present invention is characterized by using the above quantum key receiver.
本発明によると、受信装置の安全性が検出器特性に依存するという、従来受信装置の持つ最大の問題を解決し、受信装置内に配置されたリファレンス光源と乱数発生器の信頼性を仮定することにより、受信装置内に含まれる光子検出器の特性に依らず、首尾一貫して安全性を証明できる量子暗号鍵配付装置を実現できる。これにより、量子暗号鍵配付装置により配付された秘密鍵の安全性を向上させることができる。 According to the present invention, the greatest problem of the conventional receiving apparatus that the safety of the receiving apparatus depends on the detector characteristics is solved, and the reliability of the reference light source and the random number generator arranged in the receiving apparatus is assumed. Thus, it is possible to realize a quantum key distribution device that can consistently prove security regardless of the characteristics of the photon detector included in the receiving device. Thereby, the security of the secret key distributed by the quantum cryptographic key distribution apparatus can be improved.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a quantum encryption key receiving apparatus used in a quantum encryption key distribution system according to the present invention.
本実施形態は、リファレンス光源11、エンコーダー12、乱数発生器13、量子一括状態比較測定回路14、光検出器群15、および、鍵データ分析装置16により構成されている。
This embodiment includes a
校正済みのリファレンス光源11により生成された光の量子状態は、乱数発生器13で生成された1ビット乱数に基づいてエンコーダー(変調器)12により、量子力学的に相補的な2状態のいずれかの状態にランダムに変換される。量子一括状態比較測定回路14は2つの入力ポートを有しており、エンコーダー12により状態変換されたリファレンス光は一方の入力ポートに入射される。
The quantum state of the light generated by the calibrated
量子一括状態比較測定回路14の他方の入力ポートには、送信装置(不図示)より光伝送路17を経由して伝送されてきた信号光が入射される。量子一括状態比較測定回路14は、各入力ポートに入力された光の量子もつれを制御することにより、2つの入力ポートから入射された光の個別量子状態変数を測定すること無く、協同的量子状態変数(個別量子状態変数の関数値)を測定するもので、測定結果を示す4個の信号光を出力する。
The signal light transmitted from the transmitting device (not shown) via the
光検出器群15は、量子一括状態比較測定回路14が出力する4個の信号光を検出する4個の光検出器からなるもので、光検出器群15が検出した光検出パターンにより、得られた協同的量子状態変数が判明する。判明した協同的量子状態変数値は鍵データ分析装置16に入射される。鍵データ分析装置16には、協同的量子状態変数値に同期する、相補的状態変換に用いられた乱数データ、および、送信者からアナウンスされた基底変調データ(不図示)が入力され、各入力内容が分析され、安全鍵が抽出される。
The
エンコーダー12および乱数発生器13、比較測定回路14および光検出器群15の配置は2つの入射光間で入れ替えることもできる。これは、量子一括状態比較測定回路14が2つの入力ポートから入射された光の量子状態の比較測定を行うことを反映している。図2は、この配置を入れ替えた、本発明による量子暗号鍵受信装置の第2の実施形態の構成を示すブロック図である。
The arrangement of the
本実施形態は、リファレンス光源21、デコーダー(復調器)22、乱数発生器23、量子一括状態比較測定回路24、光検出器群25、および、鍵データ分析装置26により構成されている。
The present embodiment includes a
量子一括状態比較測定回路24は2つの入力ポートを有しており、校正済みのリファレンス光源21により生成された光は一方の入力ポートに入射される。送信装置(不図示)より光伝送路27を経由して伝送されてきた信号光は、乱数発生器23で生成された1ビット乱数に基づいてデコーダー22により、量子力学的に相補的な2状態のいずれかの状態にランダムに変換されて量子一括状態比較測定回路24の他方の入力ポートに入射される。
The quantum collective state comparison and
量子一括状態比較測定回路24は、各入力ポートに入力された光の量子もつれを制御することにより、2つの入力ポートから入射された光の個別量子状態変数を測定すること無く、協同的量子状態変数(個別量子状態変数の関数値)を測定するもので、測定結果を示す4個の信号光を出力する。
The quantum collective state comparison and
光検出器群25は、量子一括状態比較測定回路24が出力する4個の信号光を検出する4個の光検出器からなるもので、光検出器群25が検出した光検出パターンにより、得られた協同的量子状態変数が判明する。判明した協同的量子状態変数値は鍵データ分析装置26に入射される。鍵データ分析装置26には、協同的量子状態変数値に同期する、相補的状態変換に用いられた乱数データ、および、送信者からアナウンスされた基底変調データ(不図示)が入力され、各入力内容が分析され、安全鍵が抽出される。
The
図1に示した実施形態では、リファレンス光に対してエンコーダー(変調器)12により相補的状態変換が行われているのに対して、本実施形態では、信号光に対してデコーダー(変調器)22により相補的状態変換が行われている。この状態変換の配置のバリエーションは、鍵データ分析装置26における分析ロジックに影響を与えるだけで、両者は等価である。
In the embodiment shown in FIG. 1, the encoder (modulator) 12 performs complementary state conversion on the reference light, whereas in this embodiment, the decoder (modulator) is used for the signal light. 22 performs complementary state conversion. The variation in the arrangement of the state conversion only affects the analysis logic in the key
量子鍵配付プロトコルにおいては、単一光子あるいは単一光子レベルの微弱レーザー光を信号光とし、偏光やタイムビンなどの二次元状態変調空間に鍵データがエンコードされる、BB84プロトコルが最も信頼性の高いプロトコルとして知られている(非特許文献11参照)。 In the quantum key distribution protocol, the BB84 protocol, which uses single photon or weak laser light of single photon level as signal light and encodes key data in a two-dimensional state modulation space such as polarized light or time bin, is the most reliable. It is known as a protocol (see Non-Patent Document 11).
図3および図4は、BB84プロトコルを用いた受信動作を行う、本発明による量子暗号鍵配付システムに用いられる量子暗号鍵受信装置の第3の実施形態および第4の実施形態の構成をそれぞれ示すブロック図である。 FIGS. 3 and 4 respectively show the configurations of a third embodiment and a fourth embodiment of a quantum encryption key receiving device used in the quantum encryption key distribution system according to the present invention, which performs a reception operation using the BB84 protocol. It is a block diagram.
第3および第4の実施形態は、図1および図2に示した各実施形態における、リファレンス光源11、12として単一光子光源31、41を用い、量子一括状態比較測定回路14、24としてベル状態測定回路34、44を用いた例である。
In the third and fourth embodiments, single
図3に示した、単一光子光源31、エンコーダー32、乱数発生器33、ベル状態測定回路34、光検出器群35、および、鍵データ分析装置36の動作は図1に示したリファレンス光源11、エンコーダー12、乱数発生器13、量子一括状態比較測定回路14、光検出器群15、および、鍵データ分析装置16と同様であり、図4に示した、単一光子光源41、デコーダー42、乱数発生器43、ベル状態測定回路44、光検出器群45、および、鍵データ分析装置46の動作は図2に示したリファレンス光源21、デコーダー22、乱数発生器23、量子一括状態比較測定回路24、光検出器群25、および、鍵データ分析装置26と同様である。
The operations of the single
校正済み光源11の例としては、単一光子光源以外にも、囮光子プロトコルにおいて送信装置内で校正済み光源として用いられる、数種の校正済み強度にランダム強度変動する微弱コヒーレント光源が考えられる(非特許文献2、3参照)。
As an example of the calibrated
[動作の説明]
以下、BB84プロトコルを例にして、図3、図4および図5を参照しながら本発明の量子暗号鍵配付装置の受信装置の動作について説明する。
[Description of operation]
Hereinafter, the operation of the receiving device of the quantum cryptography key distribution device according to the present invention will be described with reference to FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 5, taking the BB84 protocol as an example.
図3に示した実施形態では、送信装置からの伝送光子に同期して単一光子光源31から光子が出射された光子は、エンコーダー32により、1ビットの乱数発生器33に基づいて相補的な非直交2信号量子状態のいずれかに状態変換される。光子は送信装置からの伝送光子とともにベル状態測定回路34に入射される。ベル状態測定回路34は、4種の可能な結果からなる2つの入射光子の信号量子状態の協同的量子状態変数
In the embodiment shown in FIG. 3, the photons emitted from the single
の値を測定する。ここで、 Measure the value of. here,
は相補的な非直交2信号量子状態に対応するx(y),z成分演算子であり、 Is the x (y), z component operator corresponding to the complementary non-orthogonal two-signal quantum state,
の値は、0または1をとる。i=0(1)は、送受信装置の選択基底が合致したデータについて、送受信データが相関(反相関)することを意味する。光子検出器群35の光子検出パターンにより、その測定結果が判明する。鍵データ分析装置36は、送信装置の選択基底のアナウンスおよび受信装置の選択基底を示す乱数発生器33の乱数データを元に、送受信装置の選択基底が合致した意味のある鍵データを抽出し、これらの測定結果データのビット値を必要に応じて反転し、鍵データの候補とする。候補となった鍵データ乱数ビット列を誤り訂正や秘匿性増強などの後段プロセスに渡すことにより、安全な最終鍵を抽出する。
The value of takes 0 or 1. i = 0 (1) means that transmission / reception data correlates (anti-correlation) with respect to data that matches the selection basis of the transmission / reception device. The measurement result is determined by the photon detection pattern of the
図4に示した実施形態では、相補的な非直交2信号量子状態とする状態変換が、デコーダー42によって送信装置からの伝送光子に施されることだけが異なり、他は同様である。鍵データ分析装置46は、送信装置のアナウンス、乱数発生器43の乱数データおよびベル状態測定回路44により判明した測定結果を元に、意味のある鍵データ候補を抽出し、後段プロセスに渡す。
In the embodiment shown in FIG. 4, the only difference is that the state conversion to a complementary non-orthogonal two-signal quantum state is performed by the
図5は、図3に示した実施形態に対応する実施例であり、偏光状態空間を信号量子状態空間とし、確率的なベル状態測定回路を用いて構成した本発明による量子暗号鍵受信装置の一実施例を示す図である。 FIG. 5 is an example corresponding to the embodiment shown in FIG. 3 and shows a quantum key receiving device according to the present invention configured using a probabilistic bell state measurement circuit with a polarization state space as a signal quantum state space. It is a figure which shows one Example.
本実施例は、単一光子光源51、偏光変調器52、乱数発生器53、ビームスプリッター54、偏光ビームスプリッター55、光子検出器56−59、同時信号検出分析器5A、鍵データ分析装置5Bから構成されている。
This embodiment includes a single
ビームスプリッター54、タテヨコ偏光を分離する偏光ビームスプリッター55は、確率的なベル状態測定回路を構成し、偏光変調器52がエンコーダーとして作用し、光子検出器56−59、同時信号検出分析器5Aは光子検出器群を構成する。
The
単一光子光源51により生成された光子は、1ビット乱数発生器53の生成するデータに基づき、偏光変調器52によりその偏光がタテまたは斜め偏光に変換され、伝送路5Cを介して送られてきた送信装置(不図示)からの伝送光子とともにビームスプリッター54に入射される。ビームスプリッター54からの2つの伝搬光子は、2つ設けられた偏光ビームスプリッター55にそれぞれ入射し、偏光状態に応じて分離されて出射される。
The photons generated by the single
伝搬光子は、光子検出器56−59により検出され、その同時検出パターンにより4種の可能な協同的量子状態変数の測定結果のうち2つの結果だけが確定的に判別され、他の2つの結果については判別不可能となる。 Propagating photons are detected by the photon detectors 56-59, and only two of the four possible cooperative quantum state variable measurement results are deterministically determined by the simultaneous detection pattern, and the other two results. Cannot be determined.
同時信号検出分析器5Aは検出パターンに基づき、確定的な判別結果が得られたデータと判別不可能であったデータを仕分けし、後者については廃棄する。鍵データ分析装置5Bは、送信装置のアナウンス、乱数発生器53の乱数データを基に、送受信装置の選択基底が合致し、かつ確定的な判別結果が得られたデータについて、基礎ビット0に必要なビット反転を施した上で鍵データ候補とする。
Based on the detection pattern, the simultaneous
次に、このようにして得られる配付鍵データの安全性を定性的に説明する。 Next, the security of the distributed key data obtained in this way will be qualitatively described.
図6は、配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第1の概念図であり、上図が、本発明による受信装置を、単一光子を送出する理想的送信装置と組み合わせた構成を示すブロック図である。 FIG. 6 is a first conceptual diagram for qualitatively explaining the security of distributed key data. The above diagram combines a receiving device according to the present invention with an ideal transmitting device that transmits a single photon. It is a block diagram which shows a structure.
単一光子光源71、乱数発生器72、エンコーダー73、ベル状態測定回路74,光子検出器群75が受信装置に対応し、単一光子光源76、乱数発生器77、エンコーダー78が送信装置に対応する。
The single
図6上図に示した装置系は、図6下図に示した、量子エンタングル光源ベースの量子暗号鍵配付装置系の時間反転系になっており、時間反転量子エンタングルスキームと呼ばれる(非特許文献12参照)。 The apparatus system shown in the upper diagram of FIG. 6 is a time reversal system of the quantum entangled light source-based quantum cryptography key distribution apparatus system shown in the lower diagram of FIG. 6, and is called a time reversal quantum entanglement scheme (Non-Patent Document 12). reference).
量子エンタングル光源ベースの量子暗号では、送受信者のテリトリに配置された光子検出器群79および乱数発生器7Aの信頼性を保証できれば、量子エンタングル光源7Cの信頼性に依存することなく配付鍵の安全性を証明できる。これに類似して、時間反転量子エンタングルスキームでは、送受信者のテリトリに配置された単一光子光源71/76、乱数発生器72/77の信頼性を保証できれば、ベル状態測定回路74や光子検出器群75の信頼性に依存することなく配付鍵の安全性を証明できることが、以下の説明のごとく非特許文献12に示されている。
In the quantum cryptography based on the quantum entangled light source, if the reliability of the
図7(a),(b)は非特許文献12に示された、配付鍵データの安全性を定性的に説明するための第2の概念図である。図7(a),(b)は、共に2つの量子エンタングル光源81/84により生成された量子エンタングルした光子対の片割れをベル状態測定82/86により量子エンタングルさせる構成のスキームになっている。
FIGS. 7A and 7B are second conceptual diagrams for qualitatively explaining the security of distributed key data shown in
図7(b)に示すように、AおよびBにおける量子エンタングル光子対の片割れの観測が、ベル状態測定86よりも時間的に先だって行われると仮定する。
As shown in FIG. 7B, it is assumed that the observation of the half-break of the quantum entangled photon pair in A and B is performed prior to the
AおよびBにおける観測が、BB84状態と呼ばれるBB84プロトコルで用いられる4状態への射影測定である場合、観測後ベル状態測定86に向かう他方の片割れの系の量子状態はBB84状態85になり、時間反転量子エンタングルスキームと等価になる。
If the observations at A and B are projection measurements to the four states used in the BB84 protocol called the BB84 state, the quantum state of the other half-cracked system toward the
一方、図7(a)に示すように、ベル状態測定82がAおよびBにおける量子エンタングル光子対の片割れの観測に先だって行われると仮定すると、観測後AおよびBに向かう他方の片割れの系の量子状態は最大量子エンタングル状態83になる。
On the other hand, as shown in FIG. 7 (a), assuming that the
最大量子エンタングル状態は盗聴者の用いる量子系を含め、全ての系から孤立している状態であるので、盗聴者はこの系からいかなる情報も得ることができない。AおよびBに向かう系の量子状態が最大量子エンタングル状態であるかどうかは、2つの量子エンタングル光源84やベル状態測定86の信頼性の如何に依らず、ランダムな相補的基底を用いて配送された配付暗号鍵の量子ビットエラーから実験的に検証することができる。
Since the maximum quantum entangled state is isolated from all systems including the quantum system used by the eavesdropper, the eavesdropper cannot obtain any information from this system. Whether the quantum state of the system towards A and B is the maximum quantum entangled state is delivered using a random complementary basis, regardless of the reliability of the two quantum entangled
上記のようにして得られる配付暗号鍵の量子ビットエラーが十分小さければ、AおよびBに向かう系の量子状態が最大量子エンタングル状態であることが証明され、配付鍵の安全性が証明される。 If the quantum bit error of the distributed encryption key obtained as described above is sufficiently small, it is proved that the quantum state of the system toward A and B is the maximum quantum entangled state, and the security of the distributed key is proved.
ここで、観測実行タイミングには任意性があり、図7(a)に示した構成と図7(b)に示した構成は量子力学的に等価であるので、結果として時間反転量子エンタングルスキームによる配付鍵の安全性も証明される。 Here, the observation execution timing is arbitrary, and the configuration shown in FIG. 7A and the configuration shown in FIG. 7B are quantum-mechanically equivalent. As a result, the time-reversed quantum entanglement scheme is used. The security of the distribution key is also proved.
以上の説明では、送信装置の光源は信頼性のある単一光子光源であると仮定したが、多光子成分が混入している場合には、非特許文献13の方法により、多光子成分に相当する一部の鍵データを廃棄することにより、安全性を確保することができ、本発明の方法が安全であることを証明可能である。 In the above description, it is assumed that the light source of the transmission device is a reliable single photon light source. However, when a multiphoton component is mixed, it corresponds to the multiphoton component by the method of Non-Patent Document 13. By discarding a part of the key data, security can be ensured and it can be proved that the method of the present invention is safe.
先にも述べたように、受信装置の安全性証明の困難さは、用いられる光子検出器の特性の定量的モデル化が著しく困難ことに起因する。これに比較して、光源特性の評価とその定量的モデル化は容易である。そこで、本発明では、光源特性は安全な環境下で評価可能で、その特性を信頼性高く知ることができると仮定する。この光源が発生する光子の既知の量子状態をリファレンスとして伝送信号光の量子状態の比較観測を行うことにより、既知の量子状態以外の伝送信号光の量子状態をリジェクトしたり、対応する観測データを後除外したり、伝送鍵データにおけるエラー増加として受信側サイドチャンネルアタックを検出することが可能になる。リファレンス光の量子状態は既知であるから、信号量子状態を限定した量子暗号鍵配布プロトコルを実行した場合の安全鍵の生成量を計算可能である。 As described above, the difficulty in proving the safety of the receiving apparatus is caused by the difficulty in quantitatively modeling the characteristics of the photon detector used. Compared to this, it is easy to evaluate the light source characteristics and quantitatively model them. Therefore, in the present invention, it is assumed that the light source characteristics can be evaluated in a safe environment and the characteristics can be known with high reliability. By comparing and observing the quantum state of the transmitted signal light using the known quantum state of the photon generated by this light source as a reference, the quantum state of the transmitted signal light other than the known quantum state is rejected, and the corresponding observation data is It becomes possible to detect a side channel attack on the receiving side as an error increase in transmission key data, or to be excluded later. Since the quantum state of the reference light is known, it is possible to calculate a secure key generation amount when a quantum encryption key distribution protocol with a limited signal quantum state is executed.
以上の説明においては、単一光子光源や微弱コヒーレント光源を用い、偏光状態空間を信号状態空間とするBB84プロトコルを例に、本発明の動作原理について説明したが、本発明で主張する、校正済みリファレンス光源と量子一括状態比較測定を含む量子暗号鍵配付装置の受信装置は、任意の光源、任意の信号状態空間、および任意の量子暗号鍵配付プロトコルに対して適用することが可能である。 In the above description, the operation principle of the present invention has been described by taking the BB84 protocol using a single-photon light source or a weakly coherent light source and using the polarization state space as the signal state space as an example. The receiving device of the quantum cryptographic key distribution apparatus including the reference light source and the quantum collective state comparison measurement can be applied to an arbitrary light source, an arbitrary signal state space, and an arbitrary quantum cryptographic key distribution protocol.
例えば、偏光状態空間をタイムビン状態空間としても良いし、コヒーレント光とその位相空間を用いた量子暗号鍵配付スキームにも、原理的に適用可能である。 For example, the polarization state space may be a time bin state space, and can be applied in principle to a quantum key distribution scheme using coherent light and its phase space.
また、本発明は量子暗号鍵配付装置の受信装置という位置づけで記述したが、量子鍵配付プロトコルに限定されず、あらゆる量子暗号プロトコルを用いるタスクを実行する際の受信装置として用いることができる。 Further, the present invention has been described as a receiving device of the quantum cryptography key distribution device. However, the present invention is not limited to the quantum key distribution protocol, and can be used as a reception device when executing a task using any quantum cryptography protocol.
さらに、量子暗号プロトコルに限らず、あらゆる量子情報タスクを実行する際の受信装置として有用である。 Furthermore, the present invention is useful as a receiving apparatus for executing any quantum information task, not limited to the quantum cryptography protocol.
11、21 リファレンス光源
12、32、73、78、7B エンコーダー
13、23、33、43、53、72、77、7A 乱数発生器
14、15 量子一括状態比較測定回路
15、25、35、45、75、79 光検出器群
16、26、36、46、5B 鍵データ分析装置
17、27、37、47、5C 光伝送路
22、42 デコーダー
31、41、51、71、76 単一光子光源
34、44、73 ベル状態測定回路
52 偏光変調器
54 ビームスプリッター
55 偏光ビームスプリッター
56〜59 光子検出器
5A 同時信号検出分析器
7C EPR光源
81、84 量子エンタングル光源
82、86 ベル状態測定
83 最大量子エンタングル状態
85 BB84状態
11, 21 Reference
Claims (9)
リファレンス光を発生する、あらかじめ特性が校正されたリファレンス光源と、
前記伝送信号光を前記リファレンス光の量子状態と比較することにより、該伝送信号光の量子状態を測定する量子状態測定手段と、
を有することを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 In the quantum key receiving device of the quantum key distribution system that receives the transmission signal light transmitted from the transmission device,
A reference light source that generates reference light and is calibrated in advance.
A quantum state measuring means for measuring the quantum state of the transmission signal light by comparing the transmission signal light with the quantum state of the reference light;
A quantum cryptography key receiving device comprising:
前記量子測定手段が、
乱数を発生する乱数発生器と、
前記リファレンス光を、前記乱数発生器が発生した乱数に応じて量子力学的に相補的な2状態のいずれかに変換するエンコーダーと、
前記伝送信号光と、前記エンコーダー出力とを入力し、これらの量子もつれを制御することにより協同的量子状態変数を測定する測定回路と、からなることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 The quantum cryptography key receiving device according to claim 1,
The quantum measuring means is
A random number generator for generating random numbers;
An encoder that converts the reference light into one of two quantum mechanically complementary states according to the random number generated by the random number generator;
A quantum cryptography key receiving device comprising: a measurement circuit that inputs the transmission signal light and the encoder output and measures cooperative quantum state variables by controlling the quantum entanglement.
前記量子測定手段が、
乱数を発生する乱数発生器と、
前記伝送信号光を、前記乱数発生器が発生した乱数に応じて量子力学的に相補的な2状態のいずれかに変換するエンコーダーと、
前記リファレンス光と、前記エンコーダー出力とを入力し、これらの量子もつれを制御することにより協同的量子状態変数を測定する測定回路と、からなることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 The quantum cryptography key receiving device according to claim 1,
The quantum measuring means is
A random number generator for generating random numbers;
An encoder for converting the transmission signal light into one of two quantum mechanically complementary states according to the random number generated by the random number generator;
A quantum cryptographic key receiving apparatus comprising: a reference circuit that inputs the reference light and the encoder output and measures a cooperative quantum state variable by controlling the quantum entanglement.
前記測定回路がベル状態測定回路であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 In the quantum key receiving device according to claim 2 or 3,
The quantum key receiving apparatus, wherein the measurement circuit is a bell state measurement circuit.
前記測定回路により測定された協同的量子状態変数と、前記乱数発生器出力と、前記伝送信号光を送信した送信者からアナウンスされた基底変調データと、から安全鍵を抽出する鍵データ分析装置を有することを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 In the quantum key receiving device according to any one of claims 2 to 4,
A key data analysis device for extracting a safety key from the cooperative quantum state variable measured by the measurement circuit, the output of the random number generator, and the base modulation data announced by the transmitter that has transmitted the transmission signal light; A quantum cryptography key receiving device comprising:
リファレンス光源が単一光子光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 In the quantum key receiving apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A quantum cryptography key receiving device, wherein the reference light source is a single photon light source.
リファレンス光源がコヒーレント光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 In the quantum key receiving apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A quantum key receiving apparatus, wherein the reference light source is a coherent light source.
コヒーレント光源が時間的に強度が変動するコヒーレント光源であることを特徴とする量子暗号鍵受信装置。 The quantum cryptography key receiving device according to claim 7, wherein
A quantum cryptography key receiving device, wherein the coherent light source is a coherent light source whose intensity varies with time.
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