JP2014131259A - 強度モニタリングのためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変調パルスのストリームの強度をモニタリングするための検出システムを構成する。
【解決手段】変調パルスを出力するコンポーネント１７に、コンポーネントから出る各パルスに関する変調のレベルを制御する制御信号を提供するコントローラ２１と、変調パルスを出力するコンポーネントから出るパルスストリーム中でパルスの強度を測定する検出器１９と、を具備し、検出器はゲート検出器を備え、コントローラは検出器にゲート信号を送信するように構成され、ゲート信号は、選択された変調レベルのパルスが検出されることができるように、制御信号に応じて検出器の利得を変える。
【選択図】図２

Description

本明細書に記載されている実施形態は、一般に、強度モニタリングのためのシステム及び方法に関連する。

量子通信システムなどの多くの通信システムは、高周波パルス列、例えば、１秒当たり１０^８のパルスを超える周波数を使用して、情報を送信する。いくつかのそのようなシステムでは、パルスは、例えば、セキュリティをモニターするために、異なる強度で送信される。量子通信システムにおいてパルスの強度を変えることにより、うまく送信された異なる強度のパルスの数を決定することによってシステムのセキュリティをモニターすることが可能である。そのような方法は、高周波パルスの強度についてのよい知識が送信されることを要求する。

そのようなパルスの強度は、強度変調器によって典型的に変えられる。しかしながら、そのような変調器の性能は、時間とともに変わる傾向があり、温度変動に非常に敏感である。

さらに、位相変調器及び偏光変調器などの他の変調器は、高周波パルス列を変調するために使用される。そのような変調器はパルスの強度を制御しようとしないが、それらは偏光／位相などの変調中に非意図的に強度を変えることがある。

図１は、量子通信システムの概略図である。 図２は、本発明の実施形態に従う検出システムを内蔵する送信ユニットの概略図である。 図３は、図２の変調器のパルス列のプロットである。 図４は、本発明の実施形態に従うビット／基底選択に使用される変調器を備えた送信ユニットの概略図である。 図５は、本発明のさらなる実施形態に従う検出システムを内蔵する送信ユニットの概略図である。

実施形態では、変調パルスのストリームの強度をモニタリングするための検出システムであって、変調パルスを出力するコンポーネントに、前記コンポーネントから出る各パルスに関する変調のレベルを制御する制御信号を提供するコントローラと、前記変調パルスを出力するコンポーネントから出るパルスストリーム中で前記パルスの強度を測定する検出器と、を具備し、前記検出器はゲート検出器を備え、前記コントローラは前記検出器にゲート信号を送信するように構成され、前記ゲート信号は、選択された変調レベルのパルスが検出されることができるように、前記制御信号に応じて前記検出器の利得を変える、検出システムが提供される。

上記のシステムは、パルスストリームの強度をパルスごとに正確に測定することを可能にする。

さらなる実施形態では、前記コントローラは、前記パルスを、各々が複数のパルスを含むフレームにグループ化し（group）、前記コントローラは、選択された制御信号によって変調されたパルスを検出するために、前記検出器の前記利得を制御するように構成される。

一例では、前記コントローラは、異なるＪのレベル間で前記変調を変えるために、前記コンポーネントを制御するように構成され、ここでＪは少なくとも１の整数であり、前記コントローラは、前記検出器の前記利得がＪのフレームの各々に関して強度レベルＪのパルスを検出するために設定されるように、少なくともＪのフレームに関して測定するために前記検出器を制御するように構成される。さらなる実施形態では、検出器の利得は、暗カウントレベル（dark count level）を測定するために、少なくとも１つの追加フレームに関してパルスを検出しないレベルに切り替えられる。

一実施形態では、前記検出器の出力は各フレームに関して積分される。しかしながら、検出器が制御信号でゲート制御される（gated）ので、その利得は、積分期間内に、選択された変調のパルスのためだけの検出レベルに増大されることができる。

一実施形態では、前記検出器はアバランシェフォトダイオードである。

一実施形態では、システムは、例えば１秒当たり１０^６のパルスを超えるような、非常に高い周波数のソース（very high frequency source）を備えて動作する。他の実施形態では、１秒当たり少なくとも１０^８のパルス又は１秒当たり少なくとも１０^９のパルスである。いくつかの実施形態では、フレームは、送信器が１秒当たり少なくとも１０^６のパルスというレートで送信するように、１秒続く。他の実施形態では、１秒当たり少なくとも１０^２又は１０^３のパルスがある。さらなる実施形態では、より長い又はより短いフレーム長が使用されてもよい。

システムは、変動する（drifting）強度を修正するために、強度測定から制御信号にフィードバックを提供するように構成される。例えば、コントローラは、測定された強度に応じて、変調コンポーネントに送信される制御信号を変えるように構成される。

検出システムは、量子通信システムの送信器において使用されることができる。いくつかの場合には、変調パルスを出力するコンポーネントは強度変調器である。しかしながら、コンポーネントは、他のタイプの変調器、例えば、位相変調器又は偏光変調器であってもよい。そのような変調器は強度に非意図的に（unintentionally）影響を及ぼすことがあり、システムは、これらの変調制御信号が強度を変えるように意図されないとしても、異なる変調信号が適用される場合における強度の変動を検出するために使用されることができる。

さらなる実施形態では、変調パルスは、強度可変ソース、例えば、出力パルスの強度が印加電圧に依存する且つコントローラがその電圧を制御するように構成されるパルスレーザによって提供される（provided）。

さらなる実施形態では、強度可変ソースは複数の光ソースによって提供され、これらソースの各々は異なるものであり、ソースの出力は、出力の強度が特定のソースを選択することによって制御されることができるように組み合わされ、ソースはコントローラからの制御信号を使用して選択される。

さらなる実施形態では、変調パルスのストリームの強度をモニター（monitor）する検出システムであって、変調パルスを出力するコンポーネントに制御信号を提供するように構成されるコントローラと、前記変調パルスを出力するコンポーネントから出るパルスストリーム中でパルスの強度を測定するように構成される検出器と、を具備し、前記コントローラは、前記パルスをフレームにグループ化し、各フレームの平均強度を測定するために前記検出器を制御するように構成され、前記コントローラは、異なるＪの制御信号から選択される制御信号を適用し、ここでＪは少なくとも１の整数であり、Ｊのフレームが各フレーム中で前記制御信号に従う異なる分布パルスを備えて生成されることができるように、前記フレーム間で前記パルスの分布を変えるように構成され、前記コントローラは、各フレームに関して、パルスの前記分配を前記検出された平均強度値に関連付けるように構成される、検出システムが提供される。

一実施形態では、前記コントローラは算出部をさらに備え、前記算出部は、各フレームに関して前記検出された平均強度を含む、フレーム中のパルスの前記分布に関する情報を受信し、下記方程式から、前記制御部によって適用される各制御信号に関して前記変調コンポーネントから出る前記パルスの前記強度を算出するように構成され、

ここで、＜Ｉ＞_ｊはパルスのフレームにわたる平均強度であり、Ｉ_ｄｃは暗カウント電流であり、νは前記光パルスの繰り返し率であり、ｑは「検出器ゲイン」であり、Ｊは前記変調コンポーネントに適用される制御信号のレベルの合計数であり、ｕ_ｊはレベルｊの信号によって制御される前記変調コンポーネントから出る前記パルスの前記強度であり、ｐ（ｕ_ｊ）は前記パルスが前記変調コンポーネントを通過したときにレベルｊが前記変調器に適用された確率である。

一実施形態では、変調パルスのストリームの強度をモニターする方法であって、
コンポーネントから変調パルスのストリームを出力することと、
前記パルスを変調するために、前記コンポーネントによって各パルスに適用される変調のレベルを制御する制御信号を前記コンポーネントに提供することと、
ゲート検出器を使用して、前記コンポーネントから出る前記パルスの強度を測定することと、前記検出器は、選択された変調レベルを備えたパルスが検出されることができるように、ゲート信号を使用して制御される、
を具備する方法が提供される。

一実施形態では、変調パルスのストリームの強度をモニターする方法であって、
コンポーネントから変調パルスのストリームを出力することと、
前記パルスを変調するために前記コンポーネントに制御信号を提供することと、前記制御信号は異なるＪの変調レベルから選択され、ここで、Ｊは少なくとも１の整数である、
前記パルスをＪのフレームにグループ化することと、ここにおいて、異なる変調レベルを備えた前記パルスの分布は前記フレーム間で変えられる、
前記フレームの各々の平均強度を測定することと、
を具備する方法が提供される。

本発明の実施形態に従う方法は、ハードウェアにより又は汎用コンピュータ中のソフトウェアにより実施することができる。さらに、本発明の実施形態に従う方法は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより実施することができる。本発明の実施形態に従う方法は、単一の処理装置又は処理装置の分散ネットワークによって実施することもできる。

図１は、送信器アリス１が量子通信チャンネル５上で受信器ボブ３にメッセージを送信する基本的な量子通信システムの概略図である。アリス１及びボブ３はまた、古典的チャネル７上で通信することもできる。イブ９と呼ばれる不正な第３者は、彼らが言っていることを盗聴したい。

図２は、本発明の一実施形態に従う強度変調器を含む送信器である。送信器１１はソース（source）１３を備え、ソース１３はこの場合パルスレーザである。しかしながら、ソースは、光学的に若しくは電気的に駆動される専用の単一光子源であり得る。

パルスレーザは、規則的なパルスの列を発生する。いくつかの実施形態では、１秒当たり１０^８パルス以上という速さでパルスを発する高周波パルスレーザが使用される。

送信器１１は、パルスレーザの出力を減衰させる減衰器（図示せず）をさらに含む。減衰器の前では、パルスは、ｕ_ａに等しい１パルス当たりの平均光子数を有する。減衰器は、新しいレベルｕ_ｂになるように、数桁だけそのような強度を減少させる。これは、各パルスに少数の光子だけを持つことを要求する量子系（quantum regime）に近づくために行われる。一実施形態では、ｕ_ａの典型的な値は１０^８であり得るが、ｕ_ｂは約１である。減衰器は、必ずしも送信器１１の他の部分の前に置かれるわけではなく、実際に、いくつかの実施形態では、減衰器は送信器１１に他のコンポーネントの後に配置される。

次に、パルスは検出システムブロック１５に入る。一実施形態では、減衰されたパルスは強度変更コンポーネント１７を通過し、そこで強度がさらに修正される。この特定の実施形態では、変調器は、パルスのストリームの強度を変調する強度変調器である。しかしながら、パルスを変調することができる他のコンポーネントが使用されてもよい。例えば、コンポーネント（component）１７は、レーザによって出力されるパルスの強度を変えるための制御信号を受け取ることができるパルスレーザソースである。或いは、レーザソースは複数のパルスレーザソースであってもよく、コンポーネントはこれらのソースから選択するように構成される。コンポーネントは、強度以外のパルスの特性を変えるための制御信号を受信する変調器又は他のコンポーネントであってもよいが、そこでは、強度は意図的にさらに変調されることはないだろう。

コンポーネント１７は、特定用途によって要求されるように、１パルス当たりの平均光子数を非常に正確なレベルに設定することができる。例えば、コンポーネント１７は、平均光子数がｕ_０、ｕ_１及びｕ_２である３つの状態を用意することができる。一実施形態では、３つの状態が用意される。しかしながら、異なる数の状態が使用されることができる。一実施形態では、３つの状態が使用される場合、それらは、ｕ_０＝１０^−４、ｕ_１＝０．１、ｕ_２＝０．５という値に設定されることができる。しかし、異なる値が使用されることができる。

特定の状態の一般光子数値はｕ_ｊと表され、ここで、ｊ＝｛０，１，２，３，．．．｝である。状態ｕ_ｊはコンポーネント１７によって異なる確率ｐ（ｕ_ｊ）で用意されることができる。それらが同じ確率で用意されることは要求されない。例えば、状態ｕ_２は９０％の確率で、状態ｕ_１は９％の確率で、ｕ_０は１％の確率で用意されることができる。

図２に関連して記述される実施形態では、コンポーネント１７の動作は、ユーザが送信ユニット１１から出る光子の実際の強度を知ることを保証するために、検出器１９を使用して確認される。

コンポーネントはコントローラ／プロセッサ２１によって制御される。図示される（ｕ_２、ｕ_２、ｕ_１、ｕ_２、ｕ_０、ｕ_２）という強度変調パターンを用意するために、コントローラ２１は、同じパターンを持つ電圧信号を生成し、コンポーネント１７にそれを適用する。

続いて、コンポーネント１７の出力はビームスプリッタ２３に渡される。この実施形態では、入射光の５０％がビームスプリッタ２３を通過して量子チャネルに入り、５０％が検出器１９に向けられるように、ビームスプリッタ２３は５０：５０ビームスプリッタである。しかしながら、他の比率を持つビームスプリッタが使用されることができる。減衰器（図示せず）がビームスプリッタの前に設けられる場合、減衰器によってもたらされる減衰は、ビームスプリッタの影響を考慮に入れる。例えば、パルスが量子チャネルに入るためのレベルｕ_ｊに減衰されることになる場合、減衰器は２ｕ_ｊにパルスを減衰させ、ビームスプリッタ２３（５０：５０スプリッタである場合）は、強度をさらにｕ_ｊに低減する。

ビームスプリッタ２３は、パルス列を分割し、その一部を量子チャネルに導き、一部を検出器１９に導く。検出器１９はゲート検出器（Gated Detector）である。この検出器は、その応答がそれに印加され得る外部電圧に依存する特性を持つ。ゲート検出器の代表例はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）検出器である。ＡＰＤでは、入射光子は最初に電子と正孔の対に変換される。電荷は、電場によって加速され、衝突電離によって電子雪崩（avalanche）を生成する。電子雪崩中に生成された２次電荷は、入射光子の数に比例する電流を生じさせる。この電流を測定することにより、衝突した光子の総数を知ることができる。入射光子の数と検出された電流との間の比例係数は「利得」である。ＡＰＤ利得は、電子雪崩に関与する電場に従って、１〜１０００というおおよその範囲で変えることができる。実験者は、ＡＰＤに適用される電場を制御し、それにより利得を変えることができる。ＡＰＤの実用的原則は多くのゲート検出器に共通である。利得は、検出器が光子を検出するハイレベル（ｑ_ｈｉｇｈ）と検出器が光子を検出しないローレベル（ｑ_ｌｏｗ）との間で制御されることができる。

図２のシステムでは、ラベル“ｑ_２”、“ｑ_１”、“ｑ_０”の横に方形パターンで描かれる、電場を急速に変える３つの例がある。このようなパターンは光パルスのクラスｊを測定するためにしかるべく選択される。

図２の実施形態では、変調パターンは、強度変調器と関連する方法で、検出器利得を変更する目的で、コンポーネント１７に送られる強度変調パターンと同様にコントローラ２１から検出器１９に送られる。

図３は、本発明の一実施形態に従って利得を調整する可能な方法を示す。
第１のパターンは、クラスｊ＝２を測定するために用意される。ゲート検出器の利得は、強度変調パターンが値ｕ_２を示すタイムスロットに対応して“ｑ_ｈｉｇｈ”に設定される。図２及び３では、これは、第１、第２、第４及び第６のタイムスロットの対応において起こる。他の全てのタイムスロットでは、利得は、“ｑ_ｌｏｗ”と表される基準値に等しく設定される。
第２のパターンは、クラスｊ＝１を測定するために用意される。ゲート検出器における電圧は、強度変調パターンが値ｕ_１を示すそのタイムスロットに対応して“ｑ_ｈｉｇｈ”に設定される。図２及び３では、これは、第３のタイムスロットの対応において起こる。他の全てのタイムスロットでは、利得はｑ_ｌｏｗに設定される。
同じ手順は、ｊ＝３及びｊの他の全ての値に関して繰り返される。

図３の上の部分では、強度変調器のためのランダムパターンが与えられる。図２と同様に、それは、ｊの３つの値、すなわち、ｊ＝２、ｊ＝１、ｊ＝０を含む。強度変調器によって用意された対応する強度はそれぞれ、サンプルに沿ってランダムに分配されているｕ_２、ｕ_１、ｕ_０である。

ゲート検出器利得に関する対応するパターンは図３の下の部分に描かれている。それは４つの連続するフレームからなり、フレームの長さがゲート検出器積分時間に、すなわち、出力電流を提供する前にゲート検出器がどれくらいの時間、光子を収集するかに関連する。各フレームでは、異なる配列（setting）が配置されている。フレーム２では、配列はクラスｊ＝２における強度ｕ_２を測定するためのものである。その後には、ｕ_１を測定するためのフレーム１、ｕ_０を測定するためのフレーム０、及びｕ_ａｖｅで示されるｕ_ｊの平均値を測定するためのフレーム３が続く。この後者の場合では、ゲート検出器の利得は最低値ｑ_ｌｏｗに常に設定される。フレームは図３に示されるものと異なる配列で配置されることができる。例えば、フレーム１の前にフレーム０を測定することができ、或いは、フレーム２の後にフレーム３を測定し、フレーム１の後及びフレーム０の後に再びフレーム３を測定することができる。

上記の手法では、異なる値ｕ_ｊにアクセスすることが可能である。それを理解するために、３の強度ｕ_２、ｕ_１及びｕ_０を含む好ましい実施形態を考慮し、例えばアリスがｕ_２の値のみを測定したいと仮定する。フレームｊ−ａｖｅから、彼女は次に示す電流を得る。

次に、説明されるように、フレームｊ＝２において、アリスは、強度変調パターンのｊ＝２値の対応でのみ、ゲート検出器の利得をｑ_ｈｉｇｈに設定することができる。結果として、ゲート検出器は次の電流を出力する。

方程式（１）からから方程式（２）を引くことによって次の方程式を得る。

最後の過程では、全ての実際的な設定においてｑ_ｈｉｇｈがｑ_ｌｏｗより約３桁大きいと見なされる。方程式（３）からｕ_２を得ることは簡単である。

方程式（４）の分子中の全ての量はアリスに知られ、分母中の量は測定されることができ、従って、ｕ_２を得ることができる。他の強度ｕ_ｊが全て決定されるまで、同じ手順が繰り返されることができる。

上記の実施形態では、フレーム長は８つのパルスとして示される。しかしながら、これは例証する目的だけのためである。いくつかの実施形態では、フレーム長は少なくとも１０^６のパルスである。他の実施形態では、少なくとも１０^８のパルス又は少なくとも１０^９のパルスである。

いくつかの実施形態では、フレームは、送信器が１秒当たり少なくとも１０^６のパルスというレートで送信するように、１秒続く。さらなる実施形態では、より長い又はより短いフレーム長が使用されてもよい。

図２では、囲みが検出システム１５の周囲に示されている。いくつかの実施形態では、物（one）が、ゲート信号（gating signal）をモニターすることによって、送信される強度についての情報を得ることができないように、コンポーネントは保護される。

一実施形態では、提供される制御信号は、強度分布がランダムであることを可能にする。

図４は、基底／ビット選択を扱うように構成される送信器１１の概略図である。送信ユニットが量子通信システムにおいて使用される場合、システムは、ポアンカレ球のＺ軸に沿って又はポアンカレ球のＸ軸に沿ってそれを調整することにより、光子偏光又はその相対位相を定義する基底（Ｚ，Ｘ）を選択するためのユニットを備えることができる。この選択は無作為の方法で実行することができ、基底Ｚは確率ｐ_Ｚ（０≦ｐ_Ｚ≦１）で選択され、基底Ｘは確率ｐ_Ｘ＝１−ｐ_Ｚで選択される。

システムはまた、ビット値（０，１）を選択するためのユニットを備えることができる。それにより、アリスがボブに送信したいビットの値を設定する。一例では、光子がＺ軸に沿って調整された偏光を有する場合、０又は１はそれぞれＺ軸の正方向又は負方向に沿って偏光をさらに調整することに対応する。同様に、偏光がＸ軸に沿って調整される場合、０又は１はそれぞれＸ軸の正方向又は負方向に沿ってそれをさらに調整することに対応する。偏光が他の自由度（ＤｏＦ）に置き換られる場合にも同じことが当てはまる。前述のビット選択は通常、無作為の方法でアリスによって達成され、ビット０及び１はそれぞれ確率ｐ_０及びｐ_１で選択される。

基底及びビット選択が行われる場合、使用されるコンポーネントはパルスの強度を変調することができる。しかしながら、強度を変調することがこれらのコンポーネントの意図ではない。

図４のシステムは図２のものと同様であるが、コンポーネント１７が基底／ビット選択モジュール３１に置き換えられている。不必要な反復を回避するために、同様の参照番号を同様の特徴を示すために使用される。

基底／ビット選択ボックスを出る光の強度は、基底変調パターンに（わずかに）依存する。ＱＫＤでは出射の強度が選択された基底に依存しないことを保証することが重要であるので、これは望ましくない動作である。

今回は、基底／ビット選択ボックスから出てくる強度は基底ラベル“ｂ”に明確に依存するだろう。そのような効果は、盗聴者への情報漏洩を引き起こす可能性があるので、ＱＫＤでは回避されるべきである。従って、そのような効果がないことを確認するために、各ｕ_ｂを別々に測定することが重要になる。

図４では、ゲート検出器利得のための変調パターンは次の通りである。
第１のパターンは、基底ｂ＝１を測定するために用意される。ゲート検出器における電圧は、基底変調パターンが１に等しい値を示すタイムスロットに対応してｑ_ｈｉｇｈに設定される。図４では、これは、第１、第２、第４及び第６のタイムスロットの対応において起こる。他の全てのタイムスロットでは、利得は、“ｑ_ｌｏｗ”に設定される。
第２のパターンは、基底ｂ＝０を測定するために用意される。ゲート検出器における電圧は、基底変調パターンが０に等しい値を示すタイムスロットに対応してｑ_ｈｉｇｈに設定される。図４では、これは、第３及び第５のタイムスロットの対応において起こる。他の全てのタイムスロットでは、利得はｑ_ｌｏｗに設定される。
基底選択に加えて、同じ手順は、ビット変調パターンと関連する利得変調パターンをゲート検出器に提供することによって、ビット選択の動作をモニターするために採用することができる。

基底選択に関する限り、方程式は、強度変調の場合について既に提供されたものと同様である。例えば、ｂ＝１の場合、次の通りである。

方程式（６）から方程式（５）を引くことによって、次の方程式が得られる。

方程式（７）からｕ_ｂ＝１を得ることは簡単である。

分子中の量は全てアリスに知られ、彼女は分母中の量を測定することができる。従って、ｕ_１はアリスにとってアクセス可能である。

上記の実施形態では、ｕ_ｊ又はｕ_ｂに関する厳重な評価は、ＱＫＤのまさしく実行中にリアルタイムに適用することができる。

上記の実施形態は、ゲート検出器を使用する。しかしながら、図５の実施形態は標準的な電力計を使用する。しかしながら、図５のシステムのコンポーネントは図２のものと同様であるが、図２のゲート検出器は、電力計４１又は他のタイプの光検出器に置き換えられている。不必要な反復を回避するために、同様の参照番号が同様の特徴を示すために使用されている。

電力計４１は、ビームスプリッタ（２３）からパルスを受け取り、量子チャネルへ送られた光強度に生じる任意の変動をモニターするために使用される。しかしながら、電力計４１は、それに衝突する光の平均強度＜ｕ_ｊ＞を測定するものであって、各クラスにおける光の強度ｕ_ｊを測定するのではない。これは、電力計がクラスインデックス“ｊ”にアクセスしないために起こる。一実施形態では、電力計は、長い積分時間を有し、そのような時間間隔の全期間中にそれに衝突する光パルスを全て収集する。取得期間の終わりに、電力計は、受信した平均光強度をもたらす信号をコントローラに出力する。従って、電力計で得られる結果は、ｊの取り得る全ての値に関して実際に平均される。電力計からの平均電流はその結果次の形態をとる。

Ｉ_ｄｃは、暗カウント電流（dark count current）であり、νは光パルスの繰り返し率（repetition rate）であり、ｑは、後に「検出器利得」と称されるものであって、問題に適切な大きさを提供する倍数因子であり、Ｊはプロトコル中で使用される光強度の総数であり、ｕ_ｊはクラスｊにおけるパルスの強度であり、ｐ（ｕ_ｊ）は、「クラス確率」、すなわち、クラス“ｊ”のパルスがアリスによって用意される確率である。強度変調器によって用意される３つの異なる強度がある実施形態では、方程式（９）は次のように明確に書き換えられる。

方程式（９）において、ｐ（ｕ_ｊ）＝ｐ_ｊである。上記の方程式では、Ｉ_ｄｃ及びｕ_ｊは未知である。一般に、暗電流Ｉ_ｄｃは、個別の実験で測定することができ、或いは、電力計の工場仕様書から確認することができる。しかしながら、問題は、方程式（９）並びに２以上の未知要素、例えば、ｕ_２、ｕ_１、及びｕ_０に帰着する傾向がある。従って、問題は未決定であり、各ｕ_ｊの値を別々に得るためにそれを解くことはできない。

図５のシステムでは、図５に概略的に描かれるように、方程式（９）はクラス確率ｐ_ｊを変えることにより解決され得る。この設定では、検出器利得は、もはや調整されず、ラベル“ｑ”で単に示される。

再び３つの値ｕ_２、ｕ_１及びｕ_０を含む好ましい実施形態を考える。アリスは、確率ｐ_ｊ＝ｐ（ｕ_ｊ）で無作為に各クラスｊを選択する。一例として、ｐ_２は約９０％、ｐ_１は約９％、ｐ_０は約１％であり得るが、異なる値が可能である。この場合、電力計によって出力された電流は方程式（１１）と同じである。これは、図５及び図３に関連して、「フレームＡ電流」と称される。図３のように、フレームの長さは特に電力計積分時間によって規定され、その一方で、ラベル「フレームＡ」は、図５からもたらされ、３つ（ｐ_２、ｐ_１、ｐ_０）の特別の選択に言及する。フレームＡ電流は次のように与えられる。

アリスは、彼女の線形システムに関する２以上の方程式を得るために、２つの追加のフレームを選択することができる。フレームＢ及びＣが選択される場合、次の電流が電力計によって生成される。

暗電流Ｉ_ｄｃについての付加的な知識によって、アリスは今３つの未知要素において３つの方程式を有し、彼女は各ｕ_ｊの問題を解くことができる。

ｐ_ｊの選択の際に２つの拘束がある。第１の拘束は次の完全条件である。

第２の拘束は、様々な確率セットのラインが線形独立でなければならないという事実である。これは、次の確率行列のランクによって表すことができる。

Jは強度変調器の設定の最大数である。ｊ＝｛０，１，２，... ，Ｊ｝である。

同じ技術はボックス基底／ビット選択をモニターする及び／又は調整するために使用されることができる。この場合、始めの方程式は２つの確率ｐ_ｂ＝１及びｐ_ｂ＝０が明確に出現する方程式（５）である。アリスは、２つの未知要素における２つの方程式のシステムを得ることができるように確率ｐ_ｂ＝０及びｐ_ｂ＝１に関する２つの異なるフレームを選択することができ、各ｕ_ｂを別々に得ることができるように再びそれを解くことができる。

上記の実施形態は、標準的な電力計の使用を可能にし、調整をほとんど要求しない。

図２から図５に関して説明した実施形態では、フィードバックループが設けられてもよい。例えば、コントローラにコンポーネントから出力された必要な強度に関する情報が提供される場合、コントローラは、検出システムによって測定された強度に応じて、必要に応じ、制御信号を増やす又は減らすことができる。従って、上記の実施形態は、調整システムが量子通信システムに導入されることを可能にする。上記の実施形態は１つの検出システムを示しているが、複数の検出システムが、強度に影響を与えるコンポーネントごとに設けられることができる。さらに、複数のコンポーネントが単一の検出システムを使用してモニターされてもよい。

上記のシステムは、強度を意図的に若しくは非意図的に変えるコンポーネントに起因する強度における予期しないずれによる問題を回避する。従って、上記のシステムは、ビット／基底選択と強度変動との間に起こる隠れた相関を回避することができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際に、ここで説明した新規な方法及び装置は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここで説明した方法及び装置の形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲とその均等物は、発明の範囲や要旨に含まれるように、そのような変形の形態を含むように意図される。

Claims (17)

1. 変調パルスのストリームの強度をモニタリングするための検出システムであって、変調パルスを出力するコンポーネントに、前記コンポーネントから出る各パルスに関する変調のレベルを制御する制御信号を提供するコントローラと、前記変調パルスを出力するコンポーネントから出るパルスストリーム中で前記パルスの強度を測定する検出器と、を具備し、前記検出器はゲート検出器を備え、前記コントローラは前記検出器にゲート信号を送信するように構成され、前記ゲート信号は、選択された変調レベルのパルスが検出されることができるように、前記制御信号に応じて前記検出器の利得を変える、検出システム。
2. 前記コントローラは、前記パルスを、各々が複数のパルスを含むフレームにグループ化し、前記コントローラは、各フレーム中で選択された制御信号によって変調されたパルスを検出するために、前記検出器の前記利得を制御するように構成される、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記コントローラは、異なるＪのレベル間で前記変調を変えるために、前記コンポーネントを制御するように構成され、ここでＪは少なくとも１の整数であり、前記コントローラは、前記検出器の前記利得がＪのフレームの各々に関して強度レベルＪのパルスを検出するために設定されるように、少なくともＪのフレームに関して測定するために前記検出器を制御するように構成される、請求項２に記載の検出システム。
4. 前記検出器の出力は各フレームに関して積分される、請求項２に記載の検出システム。
5. 前記検出器はアバランシェフォトダイオードである、請求項１に記載の検出システム。
6. フレームは少なくとも１０^２のパルスを含む、請求項２に記載の検出システム。
7. 前記コントローラは、前記測定された強度に応じて、前記変調パルスを出力するコンポーネントに送信される前記制御信号を変える、請求項１に記載の検出システム。
8. パルスのソースと、請求項１に記載の前記検出システムと、を具備する量子通信システムのための送信ユニット。
9. 前記変調パルスを出力するコンポーネントは、前記パルスの基底又はビット値を設定するように構成されるコンポーネント、強度変調器、及びパルスの強度可変ソースの中から選択される、請求項８に記載の送信ユニット。
10. 変調パルスのストリームの強度をモニターする検出システムであって、変調パルスを出力するコンポーネントに制御信号を提供するように構成されるコントローラと、前記変調パルスを出力するコンポーネントから出るパルスストリーム中でパルスの強度を測定するように構成される検出器と、を具備し、前記コントローラは、前記パルスをフレームにグループ化し、各フレームの平均強度を測定するために前記検出器を制御するように構成され、前記コントローラは、異なるＪの変調レベルから選択される制御信号を適用し、ここでＪは少なくとも１の整数であり、Ｊのフレームが各フレーム中で前記制御信号に従う異なる分布パルスを備えて生成されることができるように、前記フレーム間で前記パルスの分布を変えるように構成され、前記コントローラは、各フレームに関して、パルスの前記分配を前記検出された平均強度値に関連付けるように構成される、検出システム。
11. 前記コントローラは算出部をさらに備え、前記算出部は、各フレームに関して前記検出された平均強度を含む、フレーム中のパルスの前記分布に関する情報を受信し、下記方程式から、前記制御部によって適用される各制御信号に関して前記変調コンポーネントから出る前記パルスの前記強度を算出するように構成され、
    ここで、＜Ｉ＞_ｊはパルスのフレームにわたる平均強度であり、Ｉ_ｄｃは暗カウント電流であり、νは前記光パルスの繰り返し率であり、ｑは「検出器ゲイン」であり、Ｊは前記変調コンポーネントに適用される制御信号のレベルの合計数であり、ｕ_ｊはレベルｊの信号によって制御される前記変調コンポーネントから出る前記パルスの前記強度であり、ｐ（ｕ_ｊ）は前記パルスが前記変調コンポーネントを通過したときにレベルｊが前記変調器に適用された確率である、請求項１２に記載の検出システム。
12. 前記フレームは少なくとも１０^２のパルスを含む、請求項１０に記載の検出システム。
13. 前記コントローラは、前記測定された強度に応じて前記変調コンポーネントに送信する前記制御信号を変えるように構成される、請求項１１に記載の検出システム。
14. パルスのソースと、請求項１０に記載の前記検出システムと、を具備する量子通信システムのための送信ユニット。
15. 前記変調パルスを出力するコンポーネントは、前記パルスの基底又はビット値を設定するように構成されるコンポーネント、強度変調器、及び光子の強度可変ソースの中から選択される、請求項１４に記載の送信ユニット。
16. 変調パルスのストリームの強度をモニターする方法であって、
    コンポーネントから変調パルスのストリームを出力することと、
    前記パルスを変調するために、前記コンポーネントによって各パルスに適用される変調のレベルを制御する制御信号を前記コンポーネントに提供することと、
    ゲート検出器を使用して、前記コンポーネントから出る前記パルスの強度を測定することと、前記検出器は、選択された変調レベルを備えたパルスが検出されることができるように、ゲート信号を使用して制御される、
    を具備する方法。
17. 変調パルスのストリームの強度をモニターする方法であって、
    コンポーネントから変調パルスのストリームを出力することと、
    前記パルスを変調するために前記コンポーネントに制御信号を提供することと、前記制御信号は異なるＪの変調レベルから選択され、ここで、Ｊは少なくとも１の整数である、
    前記パルスをＪのフレームにグループ化することと、ここにおいて、異なる変調レベルを備えた前記パルスの分布は前記フレーム間で変えられる、
    前記フレームの各々の平均強度を測定し、各フレームに関して、前記パルスの前記分布を前記検出された平均強度値に関連付けることと、
    を具備する方法。