JP2014232989A - Quantum encryption key distribution device, transmitting device, receiving device, quantum encryption key distribution method, and program - Google Patents

Quantum encryption key distribution device, transmitting device, receiving device, quantum encryption key distribution method, and program Download PDF

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Yoshihiro Nanbu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform efficient and safe key generation without extremely reducing a light intensity of decoy light, and to generate a safe key from an ensemble of signal light sending events of both straight and diagonal polarization bases, and make a protocol approach a quantum entanglement-based protocol to make safety certification approach a firm one.SOLUTION: A quantum encryption key distribution device 100 includes a transmitting device 10, a receiving device 15, and a transmission path 14. The transmitting device 10 has: a coherent light source part 11 generating coherent light to be transmitted to the transmission path 14; a modulator 12 modulating a polarization state of the coherent light at random; and an attenuation part 13 for attenuating an average photon number of the coherent light at random. The receiving device 15 includes: a pseudo single photon light source part 1B generating pseudo single photon light; and a partial Bell state measurement part 18 measuring a quantum-mechanical correlation between the polarization states of the coherent light as a carrier photon received from the transmission path 14 and of the pseudo single photon light.

Description

本発明は量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムに関し、効率よく安全な鍵生成を行う技術に関する。   The present invention relates to a quantum cryptography key distribution device, a transmission device, a reception device, a quantum cryptography key distribution method, and a program, and to a technique for efficiently and safely generating a key.

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4は従来の一般的量子暗号鍵配付装置を、盗聴装置を含めて図示したブロック図である。従来の量子暗号鍵配付装置は、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。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とは光伝送路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。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a conventional general quantum key distribution device including an eavesdropping device. In the conventional quantum cryptography key distribution apparatus, the transmission apparatus 61 includes a light source 62 that generates photons, a 2-bit random number generator 63, and an encoder 64 that codes the key data and the modulation base state into a photon state based on the light source 62. On the other hand, the receiving device 68 includes a 1-bit random number generator 69, a decoder 6A that modulates the observation ground state into photons based on the random number generator 69, and a photon detector 6B that generates a signal serving as key data. The transmission device 61 and the reception device 68 are connected by an optical transmission line 66. The eavesdropping device 67 is inserted in the middle of the optical transmission path 66 and can freely access the optical transmission path 66 and any signals propagated thereby.

量子暗号鍵配付プロトコルは、安全性が証明可能であるという現代暗号にない特徴を持つが、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及び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。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及び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。   Quantum cryptographic key distribution protocol has characteristics that modern cryptography can prove its security, but in proof of its security, the transmission / reception device can be trusted and leaks key data, encoding and decoding base information, Or it is assumed a priori that there is no side channel which controls 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. The problem is that there may be side channels that pass through this transmission path, and the side channel 65 that leaks key data, encoding and decoding base information on the transmission side, and the side that controls these from the outside on the reception side. The channel 6C is an important security issue.

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。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。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)、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、3)。   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. 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. 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 (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). References 2, 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)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、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乃至10)。   On the other hand, the receiving side channel used for quantum hacking is known to be caused by inappropriate use of a decoder (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. It is assumed that an ideal photon detector having an equal reaction probability for any number of photon states is used (Non-Patent Documents 5 and 6). 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 (Non-Patent Documents 7 to 10).

サイドチャンネルの問題のポイントは、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にある。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。   The point of the problem of the side channel 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. 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ものより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 of the receiving side channel seems to be more serious than that of the transmitting side. This is because the characteristics of the photon detector used are extremely difficult to model quantitatively 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の問題については、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る。   With regard to the problem of the receiving side channel, a new security hole has been pointed out even if countermeasures are considered. 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 the development of a receiving device capable of performing consistent security proof is desired.

近年、この受信側サイドチャンネルアタックを本質的に解決する方法として、測定デバイスに独立な安全性を持つ量子鍵配付(Measurement Device Independent QKD:MDI−QKD)という方法が提案された。この方法では、正規ユーザーが共に信頼おける光源を持つことだけを要請し、セキュリティホールが指摘された光子検出器の動作について一切の仮定を置くこと無しに、正規ユーザー間に無条件安全な共有秘密鍵を生成できるという優れた特徴を持つ。   In recent years, as a method for essentially solving the reception side channel attack, a method called quantum device distribution (Measurement Device Independent QKD: MDI-QKD) having independent security for a measurement device has been proposed. This method requires only authorized users to have a reliable light source, and without making any assumptions about the operation of the photon detector that has been pointed out to a security hole, unconditionally secure shared secrets between authorized users It has an excellent feature that it can generate a key.

図5はLoらによって提案されたMDI−QKDシステムの一例を示している。この例では、正規ユーザーが共に信頼の置ける微弱コヒーレント光源を持ち、おとり光子法を併用して、遠隔(≧5km)に位置する正規ユーザー間に無条件安全な共有秘密鍵を生成できる。正規ユーザーは、そのテリトリー71の内部に校正済みレーザー光源72、偏波変調器73および強度変調器74を持つ。これらのデバイスは、信頼できるものと仮定する。安全性上で問題となる光子検出器78は協力者Charlieのテリトリーに属しており、Charlie自身およびそのテリトリーにあるデバイスに、何らの信頼性も仮定しない。Charlieは盗聴者Eveと共謀して盗聴行為に加担しても良い。Alice、BobおよびCharlie間には公開の公衆回線が引かれており、任意の情報開示が可能である。AliceおよびBobは、それぞれ独立に同一発光周波数の微弱コヒーレント光源から時間同期して出射される光パルスを、偏波変調器73により偏波変調し、強度変調器74により十分な減衰を経ることにより、BB84偏波状態(水平(H)、垂直(V)、45°(D)、135°(X)直線偏波状態)のいずれかに変調された出力光パルスを得る。AliceおよびBobの出力光パルスは外部光リンクを経由してCharlieに送られる。Charlieのテリトリー77内には、対称ビームスプリッター(BS)75、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッター(PBS)76からなる線形光学回路が構成され、AliceとBobから到着した光子の偏波状態に関する部分ベル状態測定が行われる。4つの光子検出器{D1H,D1V,D2H,D2V}78のうち、同一の出力ポートに配置されたD1HとD1V、またはD2HとD2Vで光子が同時検出されたときトリプレット二光子状態
の、また異なる出力ポートに配置されたD1HとD2V、またはD1VとD2Hで光子が同時検出されたときシングレット二光子状態
の部分空間への射影測定成功事象として利用し、これ以外の同時検出イベントは廃棄する。AliceとBobの送出光子の偏波状態の相関に関して以下の判定が可能になる。
FIG. 5 shows an example of the MDI-QKD system proposed by Lo et al. In this example, both authorized users have weak coherent light sources that can be trusted, and the decoy photon method can be used together to generate an unconditionally secure shared secret key between authorized users located remotely (≧ 5 km). A regular user has a calibrated laser light source 72, a polarization modulator 73, and an intensity modulator 74 inside the territory 71. These devices are assumed to be reliable. The photon detector 78, which is a security issue, belongs to the collaborator Charlie's territory and assumes no trust in Charlie himself and the devices in the territory. Charlie may conspire with the eavesdropper Eve to participate in the eavesdropping. An open public line is drawn between Alice, Bob, and Charlie, and arbitrary information disclosure is possible. Alice and Bob each independently modulates a light pulse emitted from a weakly coherent light source having the same emission frequency in time synchronization by a polarization modulator 73 and undergoes sufficient attenuation by an intensity modulator 74. , BB84 polarization state (horizontal (H), vertical (V), 45 ° (D), 135 ° (X) linear polarization state) output light pulse is obtained. The output light pulses of Alice and Bob are sent to Charlie via an external optical link. In the Charlie territory 77, a linear optical circuit comprising a symmetric beam splitter (BS) 75 and a polarization beam splitter (PBS) 76 that separates the linearly polarized state {H, V} is constructed and arrives from Alice and Bob. A partial bell state measurement is performed on the polarization state of the photon. Among the four photon detectors {D 1H , D 1V , D 2H , D 2V } 78, when photons are simultaneously detected by D 1H and D 1V or D 2H and D 2V arranged at the same output port Triplet two-photon state
Singlet two-photon states when photons are simultaneously detected at D 1H and D 2V , or D 1V and D 2H , located at different output ports
This is used as an event that succeeds in the measurement of projection into the subspace, and other simultaneous detection events are discarded. The following determination is possible with respect to the correlation between the polarization states of the outgoing photons of Alice and Bob.

A. AliceとBobの送出光子の偏波状態が共に直線偏波基底r={H,V}から選ばれ、かつCharlieによってBell状態測定結果|Ψ>または|Ψ>が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。 A. If the polarization states of the outgoing photons of Alice and Bob are both selected from the linear polarization basis r = {H, V} and the Bell state measurement result | Ψ + > or | Ψ > is obtained by Charlie, they The polarization states are orthogonal.

B. AliceとBobの送出光子の偏波状態が共に対角偏波基底d={D,X}から選ばれ、かつCharlieによってBell状態測定結果|Ψ>が得られた場合、彼らの偏波状態は一致し、Bell状態測定結果|Ψ>が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。 B. When the polarization states of the outgoing photons of Alice and Bob are both selected from the diagonal polarization basis d = {D, X} and the Bell state measurement result | Ψ + > is obtained by Charlie, their polarization states When the Bell state measurement results | Ψ > are obtained, their polarization states are orthogonal.

Bell状態測定の結果は、AliceとBobの偏波状態の量子力学的相関関係のみを示しているため、CharlieはBell状態測定の結果とAliceとBobの偏波基底の情報だけを基に、彼らのそれぞれの偏波状態を推測することはできない。   Since the Bell state measurement result shows only the quantum mechanical correlation between the polarization states of Alice and Bob, Charlie uses only the information on the polarization state basis of the Bell state measurement and the polarization states of Alice and Bob. It is impossible to estimate the polarization state of each of the above.

A、Bの事実を利用すれば、以下のプロトコルを実行することにより、AliceとBob間に安全な秘密鍵を共有できる。   If the facts of A and B are used, a secure secret key can be shared between Alice and Bob by executing the following protocol.

1. AliceとBobは、それぞれ独立に真性乱数発生器からの4値ランダム数列に基づいて、偏波変調器73によりレーザー光パルスを任意のBB84偏波状態に変調する。その後、真性乱数発生器からの3値ランダム数列に基づいて、それぞれの出力光パルスの平均光子数を{μ(<1),μ(<1)}(信号光)、{ν(<μ),ν(<μ)}(おとり光)、0(真空場)(下付きAはAliceの、下付きBはBobの選択値を意味する)のいずれかになるように強度変調器74により減衰する。位置タグ、偏波状態と平均光子数を記録した各々の光パルスを、AliceとBobは外部光リンクを経由して協力者Charlieに送りこむ。 1. Alice and Bob independently modulate the laser light pulse into an arbitrary BB84 polarization state by the polarization modulator 73 based on the quaternary random number sequence from the true random number generator. After that, based on the ternary random number sequence from the true random number generator, the average number of photons of each output light pulse is {μ A (<1), μ B (<1)} (signal light), {ν A ( <Μ A ), ν B (<μ B )} (decoy light), 0 (vacuum field) (subscript A means Alice, subscript B means Bob's selected value) It is attenuated by the intensity modulator 74. Alice and Bob send each optical pulse recording the position tag, polarization state and average photon number to the collaborator Charlie via the external optical link.

2. CharlieはAliceとBobから到着した光パルスの偏波状態に関する部分ベル状態測定を行う。彼は公衆回線を通じて、対称状態|Ψ>および反対称状態|Ψ>なる測定結果が得られた光子の位置タグと測定結果をAlice、Bobにアナウンスする。 2. Charlie performs a partial bell state measurement on the polarization state of optical pulses arriving from Alice and Bob. He announces to Alice and Bob the position tag of the photon and the measurement result from which the measurement result of the symmetric state | ψ + > and the antisymmetric state | ψ > is obtained through the public line.

3. AliceとBobは、Charlieからアナウンスされた位置タグの光パルスの偏波状態と平均光子数のデータと対応するCharlieの測定結果(|Ψ>か|Ψ>か)をマージして記録し、それ以外のデータを廃棄する。AliceとBobは、残されたデータセットについて彼らの選択した偏波基底(直線か対角か)を照合し、基底が合致したデータセットのみを残し、残りを廃棄する。 3. Alice and Bob merge and record the polarization state and average photon number data of the position tag optical pulse announced by Charlie and the corresponding Charlie measurement result (| Ψ + > or | Ψ >). Discard other data. Alice and Bob collate their selected polarization basis (straight or diagonal) for the remaining data set, leave only the data set whose basis matches, and discard the rest.

4. AliceまたはBobのどちらか一方は、それぞれのデータについてCharlieの測定結果と上記ケースA、Bの判定基準を照らし合わせて、相手方の偏波状態を推定し、推定結果を自らの偏波状態データと置きかえて、生鍵データセットを得る。 4). Either Alice or Bob compares the Charlie measurement results and the judgment criteria of cases A and B above for each data, estimates the polarization state of the other party, and uses the estimation results as its own polarization state data. Replace it to get a raw key dataset.

5. AliceとBobは、生鍵データセットを、彼らの選択偏波基底i(=r,d)、選択平均光子数α(=μ,ν,0)、β(=μ,ν,0)に応じて18のサブアンサンブルに分別する。また、
a. それぞれのサブアンサンブルの要素数から、彼らの選択偏波基底がi、選択平均光子数が(α,β)の場合に対するサブアンサンブルの生鍵生成確率=ゲインQ(α,β)
b. それぞれのサブアンサンブルからランダムサンプリングして、4による推定偏波を公開することにより、それぞれのサブアンサンブルにおける4の推定の誤り率=量子ビットエラーレート(QBER)E(α,β)
の統計的評価を行う。
5. Alice and Bob categorize the raw key data set with their selected polarization basis i (= r, d), selected average photon number α (= μ A , ν A , 0), β (= μ B , ν B , According to 0), it is sorted into 18 subensembles. Also,
a. From the number of elements of each sub-ensemble, the sub-ensemble raw key generation probability when the selected polarization basis is i and the selected average photon number is (α, β) = gain Q i (α, β)
b. Random sampling from each sub-ensemble and publishing the estimated polarization by 4 so that the estimation error rate of 4 in each sub-ensemble = qubit error rate (QBER) E i (α, β)
Statistical evaluation of

6. AliceとBobは、残った信号光サブアンサンブル(α=μ、β=μのサブアンサンブル)の直線偏波基底i=rに関する偏波状態データ列(H=論理0、V=論理1とみなす)を鍵候補とし、これに対してE(μ,μ)の値に応じた論理的誤り訂正を行い、彼らの鍵候補データ列を完全相関させる。 6). Alice and Bob are polarization state data strings (H = logic 0, V = logic 1) regarding the linear polarization base i = r of the remaining signal light sub-ensemble (sub-ensemble of α = μ A , β = μ B ). Is considered as a key candidate, and logical error correction is performed according to the value of E rA , μ B ), and their key candidate data strings are completely correlated.

7. AliceとBobは、おとり手法に基づき、信号光出射事象サブアンサンブル中の単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのゲインの下限:
およびQBERの上限
を評価する。彼らはこれらの値に応じて鍵候補データ列に論理的秘匿性増強を行い、盗聴者との相関情報を消去する。
7). Alice and Bob, based on the decoy method, lower bound of the gain of the single photon emission event virtual subensemble in the signal light emission event subensemble:
And the upper limit of QBER
To evaluate. They perform logical secrecy enhancement on the key candidate data string according to these values, and erase the correlation information with the eavesdropper.

8. 残った鍵候補データ列を秘密鍵とする。 8). The remaining key candidate data string is used as a secret key.

以上のプロトコルのポイントを以下にまとめる。   The points of the above protocol are summarized below.

(1) ケースBの対角偏波基底入力時の部分ベル状態測定はHong−Ou−Mandelの二光子干渉(HOM干渉)に依存し、理想的にはCharlieへの到着光パルスが0個または単一光子を含み、その周波数、時間波形、コヒーレンス長や検出器への到着時間などから、両者の由来が識別不能である必要がある。例えば、同じ対角偏波状態(D,D)または(X,X)の単一光子がそれぞれの入射ポートに入射された場合、|Ψ>の測定結果(BSの異なる出力ポートに光子が出力される)が得られる確率は、HOM干渉により理想的には0である。理想的条件が満たされない場合、例えば異なる波長を持つフェイク光子や、多光子が入射された場合、対角偏波基底に関するBの判定結果にはエラーが生じるが、直線偏波基底に関するAの判定結果にはエラーは生じない。エラー増加に基づく多光子照射の検出は、ケースBによってのみ可能である。 (1) Partial Bell state measurement at the time of diagonal polarization base input in Case B depends on two-photon interference (HOM interference) of Hong-Ou-Mandel, and ideally zero arrival optical pulses or Including a single photon, its origin must be indistinguishable from its frequency, time waveform, coherence length, arrival time at the detector, and the like. For example, when a single photon of the same diagonal polarization state (D, D) or (X, X) is incident on each incident port, the measurement result of | Ψ > (a photon is generated at a different output port of BS Output) is ideally zero due to HOM interference. When the ideal condition is not satisfied, for example, when a fake photon having a different wavelength or a multiphoton is incident, an error occurs in the determination result of B regarding the diagonal polarization base, but the determination of A regarding the linear polarization base There is no error in the result. Detection of multiphoton irradiation based on increased errors is only possible with case B.

(2) 盗聴行為によって単一光子成分の偏波状態が乱された場合には、A、Bいずれの判定結果にもエラーが生じる。単一光子成分のエラー増加によって、盗聴行為検出は可能である。 (2) When the polarization state of a single photon component is disturbed due to wiretapping, an error occurs in both A and B determination results. Eavesdropping detection is possible due to the increased error of the single photon component.

以上のプロトコルの無条件安全性は、Loらにより議論されている。HOM干渉の利用により、大強度光照射攻撃の量子ビットエラー観察による検出が可能となるが、光子検出器の不完全性を突くあらゆる攻撃に対して、この方法の無条件安全性は証明可能であるとされる。キーポイントは、次の通りである。おとり手法によって秘匿性増強後に得られた秘密鍵データは、単一光子によって生成された鍵データと置きかえて考えて良い。原理的に直線偏波基底および対角偏波基底に関するデータセットから同時に有限の鍵データを生成することができるならば、これらの鍵データに関しては、2つの非直交な偏波基底に関して観測データは完全相関している。2つの非直交な偏波基底に関して観測データが完全相関するのは、Charlieの行う測定がベル状態測定であるからに他ならない。このとき、プロトコル全体は量子エンタングルメントをベースにしたプロトコルと等価(その時間反転)であり、Charlieを含めた第3者が鍵情報を共有できる余地はないとされる。(非特許文献11)   The unconditional security of the above protocol is discussed by Lo et al. Although the use of HOM interference enables detection of high-intensity light irradiation attacks by qubit error observation, the unconditional safety of this method can be proved against any attack that exploits the imperfection of photon detectors. It is supposed to be. The key points are as follows. The secret key data obtained after enhancing the secrecy by the decoy method may be replaced with key data generated by a single photon. In principle, if finite key data can be generated simultaneously from the data sets for linear and diagonal polarization bases, for these key data, the observation data for two non-orthogonal polarization bases is Fully correlated. The observation data completely correlates with respect to two non-orthogonal polarization bases because the measurement performed by Charlie is the bell state measurement. At this time, the entire protocol is equivalent to a protocol based on quantum entanglement (its time reversal), and there is no room for a third party including Charlie to share key information. (Non-Patent Document 11)

"Limitations on Practical Quantum Cryptography",G.Brassard,N.Lutkenhaus,T.Mor,B.C.Sanders,PHYSICAL REVIEW LETTERS,Vol.85,No.1330,7 August 2000.“Limitations on Practical Quantum Cryptography”, G.M. Brassard, N.M. Lutkenhaus, T .; Mor, B.M. C. Sanders, PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 85, no. 1330, 7 August 2000. "Quantum Key Distribution with High Loss:Toward Global Secure Communication",W.−Y.Hwang,PHYSICAL REVIEW LETTERS,Vol.91,No.5,1 August 2003.“Quantum Key Distribution with High Loss: Tower Global Security Communication”, W.M. -Y. Hwang, PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 91, no. 5,1 August 2003. "What are single photons good for?",Nicolas Sangouard,Hugo Zbinden,arXiv:1202.0493,2 February 2012."What are single photons good for?", Nicolas Sangouard, Hugo Zbinden, arXiv: 1202.0493, 2 February 2012. "On the Security of Interferometric Quantum Key Distribution",R.Gelles,T.Mor,arXiv:1110.6573,30 October 2011.“On the Security of Interferometric Quantum Key Distribution”, R.A. Gelles, T .; Mor, arXiv: 1110.6573, 30 October 2011. "Squashing Models for Optical Measurements in Quantum Communication",N.J.Beaudry,T.Moroder,N.Lutkenhaus,PHYSICAL REVIEW LETTERS,PRL101,093601,29 August 2008.“Squashing Models for Optical Measurements in Quantum Communication”, N.A. J. et al. Beaudry, T .; Moroder, N .; Lutkenhaus, PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL101,093601,29 August 2008. "Security proof for quantum−key−distribution systems with threshold detectors",T.Tsurumaru,K.Tamaki,PHYSICAL REVIEW A,78,032302,2008.“Security profile for quantum-key-distribution systems with threshold detectors”, T.A. Tsumuraru, K .; Tamaki, PHYSICAL REVIEW A, 78, 032302, 2008. "Superlinear threshold detectors in quantum cryptography",L.Lydersen et.al.,PHYSICAL REVIEW A,84,032320,2011."Superlinear threshold detectors in quantum cryptography", L.L. Lydersen et. al. , PHYSICAL REVIEW A, 84, 032320, 2011. "Time−shift attack in practical quantum cryptosystems",B.Qi,C.−H.F.Fung,H.−K.Lo,X.Ma,Quantum Information and Computation,7,73,2007."Time-shift attack in practical quantum cryptosystems", B.C. Qi, C.I. -H. F. Fung, H.C. -K. Lo, X. Ma, Quantum Information and Computation, 7, 73, 2007. "Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination",L.Lydersen,C.Wiechers,C.Wittmann,D.Elser,J.Skaar,V.Makarov,nature Photonics,4,686,29 August 2010."Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination", L. Lydersen, C.I. Wiechers, C.I. Wittmann, D.W. Elser, J. et al. Skaar, V.M. Makarov, nature Photonics, 4,686, 29 August 2010. "Full−field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system",I.Gerhardt,Q.Liu,A.Lamas−Linares,J.Skaar,C.Kurtsiefer,V.Makarov,Nature Communications,2,349,14 June 2011."Full-field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system", I.D. Gerhardt, Q.M. Liu, A .; Lamas- Linares, J. et al. Skaar, C.I. Kurtsiefer, V.M. Makarov, Nature Communications, 2, 349, 14 June 2011. "Measurement−Device−Independent Quantum Key Distribution",Hoi−Kwong Lo,Marcos Curty,Bing Qi,PHYSICAL REVIEW LETTERS,PRL108,130503,30 March 2012.“Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution”, Hoi-Kong Lo, Marcos Curty, Bing Qi, PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 108, 130503, 30 March.

Loらの提案のMDI−QKDセットアップでは、測定装置として選択偏波基底に関する非対称性を持つセットアップが採用されている。これは、部分ベル状態測定を構成する偏波光学系において直線偏波状態dを分離するようにPBSがセットされていることに依存する。Loらはあえて非対称となるセットアップを提案している。これは、Loらの提案では、マルチフォトンが含まれる、微弱コヒーレント光をキャリアとして用いるためである。知られているように、微弱コヒーレント光のHOM干渉の干渉度は高々50%である。これは、微弱コヒーレント光に含まれるマルチフォトン成分による自己相関信号が干渉信号に重畳し、信号にオフセットが発生するためである。状態識別にHOM干渉を利用した場合、このノイズオフセットのため観測にかかる対角偏波信号光出射事象のサブアンサンブルのQBERは25%以上となり、誤り訂正によるペナルティが大きい。このため、Loらは、HOM干渉を利用しない直線偏波基底を鍵生成のためだけに、HOM干渉を利用する対角偏波基底を盗聴検知のためだけに用いることを提案した。これによって、理想的には直線偏波基底から誤り訂正によるロス無く鍵を生成できる(反面、対角偏波基底のデータの大半を放棄するというペナルティ(最大50%のロス)がある)。   In the MDI-QKD setup proposed by Lo et al., A setup having asymmetry with respect to a selective polarization base is adopted as a measurement apparatus. This depends on the PBS being set so as to separate the linear polarization state d in the polarization optical system constituting the partial bell state measurement. Lo et al. Have proposed a setup that is asymmetric. This is because, in the proposal of Lo et al., Weak coherent light including multiphotons is used as a carrier. As is known, the interference degree of HOM interference of weak coherent light is at most 50%. This is because the autocorrelation signal due to the multiphoton component included in the weak coherent light is superimposed on the interference signal, and an offset occurs in the signal. When HOM interference is used for state identification, the QBER of the sub-ensemble of the diagonally polarized signal light emission event to be observed due to this noise offset is 25% or more, and the penalty due to error correction is large. For this reason, Lo et al. Proposed using a linearly polarized wave base that does not use HOM interference only for key generation and a diagonally polarized wave base that uses HOM interference only for wiretapping detection. This makes it possible to generate a key ideally without loss due to error correction from the linearly polarized wave basis (although there is a penalty of abandoning most of the data on the diagonally polarized wave basis (maximum loss of 50%)).

おとり光手法を用いることで、これらのノイズオフセットは相殺され、秘匿増強の際に必要な、対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するQBERを低減できる。図6は、CharlieがAliceとBobの中間地点に配置され(η=η)、AliceとBobが同一平均光子数のおとり光を用いる(ν=ν=ν)、典型的な状況において対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するQBERの下限eを計算した結果である。図から明らかなように、eはおとり光強度に依存し、その強度が小さいほど低下する。その原因は、相殺されるのはノイズオフセットの一部のみであり、その相殺の度合いはおとり光強度に依存するためである。Loらの方法では秘匿性増強を効率的に行うために、QBER評価において、可能な限り強度の小さなおとり光を用いてノイズオフセット成分の相殺を行う必要があるが、反面、これはおとり光事象アンサンブルの生成速度を低下させ、データ収集時間やエラー評価における系統誤差の拡大につながるため望ましいことではない。特に、MDI−QKDでは、おとり光事象アンサンブルの生成速度はAliceとBobのおとり光強度の積で決まるため、おとり光強度を小さくとることの副作用としてのアンサンブル生成速度の低下は深刻なものとなる可能性がある。 By using the decoy light technique, these noise offsets are canceled out, and the QBER for the diagonally polarized single photon emission event virtual sub-ensemble required for the enhancement of secrecy can be reduced. FIG. 6 shows a typical situation where Charlie is placed at the midpoint between Alice and Bob (η A = η B ), and Alice and Bob use decoy light with the same average photon number (ν A = ν B = ν). Is a result of calculating the lower limit e L of QBER for the diagonally polarized single photon emission event virtual subensemble. As is apparent from the figure, e L depends on the decoy light intensity, and decreases as the intensity decreases. The reason is that only a part of the noise offset is canceled out, and the degree of the cancellation depends on the decoy light intensity. In the method of Lo et al., In order to efficiently enhance confidentiality, it is necessary to cancel the noise offset component using decoy light with the lowest possible intensity in the QBER evaluation. It is not desirable because it reduces the speed of ensemble generation and leads to an increase in systematic errors in data collection time and error evaluation. In particular, in MDI-QKD, the decoy light event ensemble generation rate is determined by the product of the decoy light intensity of Alice and Bob, so the decrease in the ensemble generation rate as a side effect of reducing decoy light intensity becomes serious. there is a possibility.

また、この方法では誤り訂正により課せられる大きなペナルティのために、対角偏波信号光出射事象サブアンサンブルから鍵生成を行うことは現実的に困難である。そこで彼らは、対角偏波直線基底の状態識別がHOM干渉に依存し、直線偏波基底の状態識別は依存しない非対称的光学セットアップをCharlieの部分ベル状態測定に用いることを提案した。この非対称セットアップでは、AliceとBobからどのような光子数が入射されても、それが直線偏波状態であればCharlieは正しい偏波相関結果を得ることができる。このため、AliceとBobが微弱コヒーレント光を用いたとしても、直線偏波信号光出射事象のサブアンサンブルについては小さなQBERを得ることができ、誤り訂正のペナルティを減らすことができる。相補的な対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのQBER評価では、上述のようにノイズオフセットの一部が相殺されるため、秘匿性増強のペナルティもある程度回避である。しかしながら、この方法では直線偏波信号光出射事象のサブアンサンブルのみから鍵生成を行うため、非直交な直線偏波および対角偏波信号光出射事象のデータセットから同時に完全相関する鍵データを生成することには成功していない。従って、このプロトコルが量子エンタングルメントをベースにしたプロトコルと等価であるという主張は、直ちには受け入れられない可能性が残る。   Also, with this method, it is practically difficult to generate a key from the diagonally polarized signal light emission event subensemble due to a large penalty imposed by error correction. Therefore, they proposed using an asymmetric optical setup for Charlie's partial bell state measurement where the state identification of the diagonally polarized linear basis depends on HOM interference and the state identification of the linearly polarized basis does not. In this asymmetric setup, regardless of the number of photons incident from Alice and Bob, Charlie can obtain a correct polarization correlation result if it is in a linear polarization state. For this reason, even if Alice and Bob use weak coherent light, a small QBER can be obtained for the sub-ensemble of the linearly polarized signal light emission event, and the error correction penalty can be reduced. In the QBER evaluation of the complementary diagonally polarized single-photon emission event virtual subensemble, a part of the noise offset is canceled as described above, and thus the penalty of increasing confidentiality is avoided to some extent. However, in this method, key generation is performed only from the sub-ensemble of the linearly polarized signal light emission event, so key data that is completely correlated at the same time is generated from the non-orthogonal linearly polarized signal light emission event data set at the same time. Has not been successful. Therefore, the claim that this protocol is equivalent to a protocol based on quantum entanglement remains unacceptable.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、おとり光の光強度を極端に低下させることなく効率よく安全な鍵生成を行うこと、および、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが可能な量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems, and performs efficient and safe key generation without drastically reducing the light intensity of decoy light, and linear and diagonal polarization. Quantum key distribution device, transmitter, and receiver that can generate a secure key from an ensemble of signal light transmission events on both bases, can make the protocol closer to a quantum entanglement-based protocol, and can bring the security proof closer to a firm one An apparatus, a quantum cryptography key distribution method, and a program are provided.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

本発明にかかる量子暗号鍵配付装置は、送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、前記送信装置は、前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、前記受信装置は、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含むものである。   A quantum key distribution device according to the present invention is a quantum key distribution device including a transmission device, a reception device, and a transmission path that connects the transmission device and the reception device, and the transmission device includes: A coherent light source that generates coherent light to be transmitted to the transmission path, a modulator that randomly modulates the polarization state of the coherent light, and an attenuator that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light. The receiver includes a pseudo single photon light source unit that generates pseudo single photon light, and the coherent light as carrier photons received from the transmission path and a quantum of polarization states of the pseudo single photon light. And a partial bell state measurement unit for measuring a mechanical correlation.

本発明にかかる送信装置は、伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有するものである。   A transmission device according to the present invention is a transmission device connected to a reception device by a transmission path, and a coherent light source unit that generates coherent light to be transmitted to the transmission path, and a polarization state of the coherent light at random A modulation unit that modulates the signal; and an attenuation unit that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light.

本発明にかかる受信装置は、伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含むものである。   A receiving apparatus according to the present invention is a receiving apparatus connected to a transmitting apparatus by a transmission line, a pseudo single photon light source unit that generates pseudo single photon light, and coherent as carrier photons received from the transmission line And a partial bell state measuring unit for measuring a quantum mechanical correlation between the polarization state of the light and the pseudo single photon light.

本発明にかかる量子暗号鍵配付方法は、送信装置が、伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、受信装置が、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含むものである。   In the quantum key distribution method according to the present invention, a transmission device generates a coherent light that generates coherent light to be transmitted to a transmission line, a modulation step that randomly modulates a polarization state of the coherent light, and the coherent light An attenuation step for randomly attenuating the average number of photons of light; a pseudo-single-photon light generation step in which the receiver generates pseudo-single-photon light; the coherent light as carrier photons received from the transmission path; And a partial bell state measurement step of measuring a quantum mechanical correlation of the polarization state of the pseudo single photon light.

本発明にかかるプログラムは、上記量子暗号鍵配付方法を、前記送信装置又は前記受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラムである。   A program according to the present invention is a program for causing a computer as at least one of the transmitting device and the receiving device to execute the quantum key distribution method.

本発明により、おとり光の光強度を極端に低下させることなく効率よく安全な鍵生成を行うこと、および、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが可能な量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to efficiently generate a safe key without extremely reducing the light intensity of the decoy light, and to generate a safety key from an ensemble of signal light transmission events of both linear and diagonal polarization bases, It is possible to provide a quantum encryption key distribution device, a transmission device, a reception device, a quantum encryption key distribution method, and a program capable of bringing a protocol closer to a protocol based on quantum entanglement and making a security proof closer to a firm one.

本発明の実施の形態1の量子暗号鍵配付装置100の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum cryptography key distribution apparatus 100 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2の量子暗号鍵配付装置100の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum cryptography key distribution apparatus 100 of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態1における対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するQBERの下限eのおとり光平均光子数νの計算例を示した図である。Is a diagram showing a calculation example of bait light mean photon number [nu A lower limit e L of QBER for diagonal polarization single photon emission events virtual sub ensemble in the first embodiment of the present invention. 従来の量子暗号鍵配付装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional quantum encryption key distribution apparatus. 従来のMDI−QKD装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional MDI-QKD apparatus. 従来の対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するQBERの下限eのおとり光平均光子数νの計算例を示した図である。Is a diagram showing a calculation example of bait light mean photon number [nu A lower limit e L of QBER to conventional diagonal polarization single photon emission events virtual sub-ensemble.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<実施の形態1>
まず、図1のブロック図を用いて、本発明の実施の形態1にかかる量子暗号鍵配付装置100の構成について説明する。量子暗号鍵配付装置100は、送信者装置10、受信者装置15から構成される。
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
First, the configuration of the quantum key distribution apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention will be described using the block diagram of FIG. The quantum cryptographic key distribution apparatus 100 includes a sender apparatus 10 and a receiver apparatus 15.

送信者装置10の校正済みレーザー光源11により生成された光パルスは、偏波変調器12により、BB84偏波状態(水平(H)、垂直(V)、45°(D)、135°(X)直線偏波状態)のいずれかの状態に変調される。光パルスは、その平均光子数がμ(<1)(信号光)、ν(<μ)(おとり光)、0(真空場)のいずれかになるように強度変調器13により減衰され、受信者装置15に向けて外部に公開された光伝送路14に送出される。光伝送路14から外界と隔離された受信者装置15内に到着した光パルスは、対称ビームスプリッター(BS)16と直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッター(PBS)17からなる線形光学回路により構成された、2入力光子の偏波状態の量子力学的相関を測定するための部分ベル状態測定装置18の入力ポートA19に入力される。部分ベル状態測定装置18は、4つの光子検出器1Dの同時光子検出パターンに基づき、2入力光子の偏波状態の量子力学的相関を測定する。疑似単一光子光源1Bにより生成された光パルスは、偏波変調器1Cにより、BB84偏波状態(水平(H)、垂直(V)、45°(D)、135°(X)直線偏波状態)のいずれかの状態に変調され、部分ベル状態測定装置18の入力ポートB1Aに入射される。 The optical pulse generated by the calibrated laser light source 11 of the transmitter 10 is transmitted by the polarization modulator 12 to the BB84 polarization state (horizontal (H), vertical (V), 45 ° (D), 135 ° (X ) Linear polarization state). The light pulse is attenuated by the intensity modulator 13 so that the average number of photons is μ A (<1) (signal light), ν A (<μ A ) (bait light), or 0 (vacuum field). Then, it is sent to the optical transmission path 14 opened to the outside toward the receiver device 15. An optical pulse arriving in the receiver device 15 isolated from the outside from the optical transmission line 14 is separated from the symmetric beam splitter (BS) 16 and the linearly polarized state {H, V} by a polarization beam splitter (PBS) 17. And input to the input port A19 of the partial bell state measuring device 18 for measuring the quantum mechanical correlation of the polarization state of the two input photons. The partial bell state measurement device 18 measures the quantum mechanical correlation of the polarization states of the two input photons based on the simultaneous photon detection patterns of the four photon detectors 1D. The optical pulse generated by the pseudo single photon light source 1B is converted into a BB84 polarization state (horizontal (H), vertical (V), 45 ° (D), 135 ° (X) linearly polarized wave by the polarization modulator 1C. State) and is incident on the input port B1A of the partial bell state measuring device 18.

つづいて、図1および従来技術にかかる図5を参照しながら、本発明の実施の形態1にかかる量子暗号鍵配付装置100の動作について説明する。   Next, the operation of the quantum key distribution device 100 according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 5 related to the prior art.

本発明の実施の形態1にかかる量子暗号鍵配付装置100(図1)は、Loらの提案(図5)と比較して、Aliceのテリトリー内に配置された装置およびその作用に変化はない。一方、Charlieのテリトリーに配置されていた部分ベル状態測定装置はBobのテリトリーに吸収されている。Bobは微弱コヒーレント光源の代わりに、平均光子数:μ、二次コヒーレンス:g(2)(0)が校正された疑似単一光子光源をもち、真性乱数発生器により作成した4値乱数データに基づき、その偏波状態がBB84状態のいずれかに変調され、部分ベル状態測定装置の一方の入力ポートBに入力される。これらは外界に対して閉鎖された環境下に置かれており、Bobのみが入力ポートB、彼の送出光子とその偏波状態、およびBell状態測定結果にアクセス可能である。従ってBobの送出光については、おとり光手法による光子数空間上の監視を行う必要は無い。他方の入力ポートAはAliceから送出され、透過率ηの伝送路を経由して到達した光子を受け入れるために盗聴者を含む外界に対して開放されている。AliceおよびBobの持つ光源、真性乱数発生器、偏波変調器および強度変調器は、Loらの提案同様に信頼おけると仮定するが、部分ベル状態測定装置に属するデバイスの信頼性については一切の仮定を置かない。Alice、Bob間には公開の公衆回線が引かれており、任意の情報開示が可能である。Loらの提案同様、4つの光子検出器{D1H,D1V,D2H,D2V}の同時光子検出パターンに応じてトリプレット二光子状態|Ψ>またはシングレット二光子状態|Ψ>の部分空間への射影測定成功事象を判定する。Bobは彼の光子の偏波状態およびBell状態測定結果から、以下のようにAliceの送信光子の偏波状態の推定を行うことができる。 The quantum key distribution apparatus 100 (FIG. 1) according to the first exemplary embodiment of the present invention has no change in the apparatus arranged in the Alice territory and its operation, compared with the proposal by Lo et al. (FIG. 5). . On the other hand, the partial bell state measuring device arranged in Charlie's territory is absorbed in Bob's territory. Bob has a quasi-single-photon light source in which the average photon number: μ B and secondary coherence: g (2) (0) are calibrated instead of the weak coherent light source. The polarization state is modulated to one of the BB84 states and is input to one input port B of the partial bell state measuring apparatus. They are placed in an environment closed to the outside world, and only Bob has access to input port B, his outgoing photons and their polarization states, and Bell state measurements. Therefore, it is not necessary to monitor the transmitted light of Bob in the photon number space by the decoy light method. Other input port A is delivered from Alice, which is open to the outside world, including the eavesdropper to accept photons arriving via the transmission path of the transmission eta A. The light source, true random number generator, polarization modulator and intensity modulator of Alice and Bob are assumed to be reliable as proposed by Lo et al., But the reliability of devices belonging to the partial bell state measurement device is not Make no assumptions. An open public line is drawn between Alice and Bob, and arbitrary information disclosure is possible. Like the Lo et al. Proposal, the triplet two-photon state | Ψ + > or the singlet two-photon state | Ψ > depends on the simultaneous photon detection pattern of the four photon detectors {D 1H , D 1V , D 2H , D 2V }. The success event of projective measurement to the subspace is determined. Bob can estimate the polarization state of Alice's transmitted photons from his polarization state and Bell state measurement results as follows.

A. AliceおよびBobの送出光子の偏波状態が共に直線偏波基底rから選ばれ、かつBell状態測定結果|Ψ>または|Ψ>が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態の直交状態がAliceの選択した偏波状態である。 A. If the polarization states of the outgoing photons of Alice and Bob are both selected from the linear polarization basis r and the Bell state measurement result | Ψ + > or | Ψ > is obtained, the state of his selected linear polarization state The orthogonal state is the polarization state selected by Alice.

B. AliceとBobの送出光子の偏波が共に対角偏波基底dから選ばれ、かつBell状態測定結果|Ψ>が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態がAliceの選択した偏波状態であり、Bell状態測定結果|Ψ>が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態の直交状態がAliceの選択した偏波状態である。 B. If the polarizations of the outgoing photons of Alice and Bob are both selected from the diagonal polarization basis d and the Bell state measurement result | Ψ + > is obtained, his selected linear polarization state is the polarization selected by Alice. In the wave state, if the Bell state measurement result | Ψ > is obtained, the orthogonal state of the linear polarization state selected by him is the polarization state selected by Alice.

A、Bの事実から、Bobのテリトリー内にある装置は従来のBB84プロトコルを実行する受信器と同等であると考えられる。違いは、従来の受信器では、Aliceからの到着光子に直接的に基底選択のための偏波変調を行い、直接的に偏波射影測定を行うのに対して、本提案の受信器では、Bobの準備する光子に間接的に基底選択の偏波変調を行い、Bell状態測定で彼らの光子の偏波相関測定結果を得ることによって間接的にAliceからの到着光子の偏波射影測定結果を得ることにある。入力ポートAからの入射光子の単一光子性は、信頼おける校正済み単一光子との良好なHOM干渉の観測(量子状態相関測定)により保証される。従って、おとり光手法を併用したBB84プロトコルを踏襲して鍵配布プロトコルを実行することにより安全な鍵を配布することが出来る。対角偏波基底に関する単一光子光入射事象仮想アンサンブルのQBERを十分小さく押さえることができることが、安全な鍵を抽出できる必要条件である。   From the facts of A and B, a device in Bob's territory is considered equivalent to a receiver that implements the conventional BB84 protocol. The difference is that in the conventional receiver, the incoming photon from Alice is directly subjected to polarization modulation for base selection and directly performs the polarization projection measurement, whereas in the proposed receiver, Indirect photo-polarization modulation measurement of arrival photons from Alice by indirectly performing base-selection polarization modulation on photons prepared by Bob and obtaining polarization correlation measurement results of their photons in Bell state measurement There is to get. The single photon nature of the incident photons from input port A is ensured by observation of good HOM interference (quantum state correlation measurements) with a reliable calibrated single photon. Therefore, it is possible to distribute a secure key by executing the key distribution protocol following the BB84 protocol combined with the decoy light technique. It is a necessary condition that a secure key can be extracted that the QBER of a single-photon light incident event virtual ensemble with respect to a diagonally polarized base can be kept sufficiently small.

このシステムを用いた場合、スタンダードなおとり光手法の結果から、次のような結果が得られる。Aliceは平均光子数μ(<1)(信号光)、ν(<μ)(おとり光)、0(真空場)のいずれかになるようにランダムに強度変調器により減衰して彼女の光子を送出するものとする。AliceとBobは、基底照合後に得られた生鍵データセットを、彼らの選択偏波基底i(=r,d)、Aliceの選択平均光子数α=(μ,ν,0)に応じて6つのサブアンサンブルに分別し、それぞれのサブアンサンブルのゲインQ(α)、QBER E(α)の統計的評価を行う。これらから対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するQBERの下限eを評価できる。 When this system is used, the following results are obtained from the results of the standard decoy light method. Alice is attenuated by the intensity modulator at random so that the average photon number is either μ A (<1) (signal light), ν A (<μ A ) (bait light), or 0 (vacuum field). Shall be transmitted. Alice and Bob use the raw key data set obtained after basis matching according to their selected polarization basis i (= r, d) and Alice's selected average photon number α = (μ A , ν A , 0). The sub-ensembles are classified into six sub-ensembles, and the gains Q i (α) and QBER E i (α) of each sub-ensemble are statistically evaluated. From these, the lower limit e L of QBER for the diagonally polarized single-photon emission event virtual subensemble can be evaluated.

試算として、η=0.01(100kmファイバー伝送時)、μ=0.1を考える。この状況下では部分Bell状態測定装置の2つのポートから入力される光の強度にはアンバランス(X=ην/μ<1)がある。図3はeのν依存性をg(2)(0)=0.001,0.01,0.1,1の場合についてプロットしたグラフである。図3と図6を比較すると、単一光子源の純粋度が高く、g(2)(0)が小さければ、νの大きさにあまりよらず小さなeを実現出来ることがわかる。現在までに量子ドット単一光子光源で達成されているレコードg(2)(0)〜0.002を考えると、g(2)(0)<0.01は十分達成可能な条件である。従って、g(2)(0)の小さい疑似単一光子光源と図1のセットアップを用いることにより、Loらの方法に比べて大きな強度のおとり光を用いることが可能となり、かつおとり光手法によるBobの光子の光子空間上の監視を省略することが出来るため、おとり光事象アンサンブルの生成速度低下の問題については改善しうる可能性がある。 As a trial calculation, η A = 0.01 (during 100 km fiber transmission) and μ B = 0.1 are considered. Under this situation, there is an imbalance (X = η A ν A / μ B <1) in the intensity of light input from the two ports of the partial Bell state measurement apparatus. FIG. 3 is a graph in which the dependence of e L on ν A is plotted for the cases of g (2) (0) = 0.001, 0.01, 0.1, 1. Comparing FIG. 3 and FIG. 6, it can be seen that if the purity of the single photon source is high and g (2) (0) is small, a small e L can be realized regardless of the size of ν A. Considering records g (2) (0) to 0.002 that have been achieved with quantum dot single photon light sources to date, g (2) (0) <0.01 is a sufficiently achievable condition. Therefore, by using a pseudo single photon light source having a small g (2) (0) and the setup of FIG. 1, it becomes possible to use decoy light having a higher intensity than the method of Lo et al. Since the monitoring of Bob's photons in the photon space can be omitted, there is a possibility that the problem of the generation speed reduction of the decoy light event ensemble may be improved.

本実施の形態によれば、量子暗号鍵配付装置100は、二次の光学コヒーレンスg(2)(0)の小さい疑似単一光子光源と提案の光学セットアップを用いることにより、Loらの方法に比べて大きな強度のおとり光を用いることが可能となり、かつおとり光手法によるBobの光子の光子空間上の監視を省略することが出来るため、おとり光事象アンサンブルの生成速度低下の問題について改善されている。 According to the present embodiment, the quantum key distribution apparatus 100 uses the pseudo-single-photon light source with a small second-order optical coherence g (2) (0) and the proposed optical setup, so that the method of Lo et al. Compared to the problem that the decoy light event ensemble generation speed is reduced, it is possible to use decoy light with a larger intensity than that, and the monitoring of the photons of Bob photons in the decoy light method can be omitted. Yes.

これにより、おとり光の光強度を極端に低下させることなく安全な鍵生成を行うことができ、データ収集時間短縮や、エラー評価における系統誤差の低減など、量子暗号鍵配付装置100の性能向上に寄与する。   This enables safe key generation without drastically reducing the light intensity of the decoy light, and improves the performance of the quantum cryptography key distribution device 100, such as shortening the data collection time and reducing systematic errors in error evaluation. Contribute.

<実施の形態2>
つぎに、図2のブロック図を用いて、本発明の実施の形態2にかかる量子暗号鍵配付装置100の構成について説明する。
<Embodiment 2>
Next, the configuration of the quantum key distribution apparatus 100 according to the second embodiment of the present invention will be described using the block diagram of FIG.

実施の形態2にかかる量子暗号鍵配付装置100においては、偏波変調器12が入力光子の偏波状態をB92偏波状態(水平(H)、45°(D)直線偏波状態)のいずれかの状態に変調する。これに加えて、1/4波長板21が対称ビームスプリッター(BS)16と偏波ビームスプリッター(PBS)17の間に配置され、これにより偏波ビームスプリッター(PBS)17は入力光子を円偏波状態{R,L}に分離する偏波ビームスプリッターとして機能する。その余の構成要素の配置と機能は、実施の形態1(図1)と同様である。   In the quantum key distribution device 100 according to the second exemplary embodiment, the polarization modulator 12 changes the polarization state of the input photon to any of the B92 polarization state (horizontal (H) or 45 ° (D) linear polarization state). Modulate to some state. In addition, a quarter wave plate 21 is disposed between the symmetric beam splitter (BS) 16 and the polarization beam splitter (PBS) 17, so that the polarization beam splitter (PBS) 17 circularly polarizes the input photons. It functions as a polarization beam splitter that separates into wave states {R, L}. The arrangement and functions of the remaining components are the same as those in the first embodiment (FIG. 1).

つづいて、図2を用いて、本発明の実施の形態2にかかる量子暗号鍵配付装置100の動作について説明する。   Next, the operation of the quantum key distribution apparatus 100 according to the second exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図2では、直線と対角偏波基底の状態識別が共に同等にHOM干渉に依存する対称的セットアップとなるように、部分Bell状態測定系に変更を加えている。このセットアップでは、実施の形態1の部分Bell状態測定光学系において、直線偏波基底r={H,V}を分解するようにセットされているPBSが、1/4波長板を挿入することによって円偏波基底c={L,R}を分解するように変更されている。4つの光子検出器{D1L,D1R,D2L,D2R}のうち、同一の出力ポートに配置されたD1LとD1R、またはD2LとD2Rで光子が同時検出されたときトリプレット二光子状態
の、また異なる出力ポートに配置されたD1LとD2R、またはD1RとD2Lで光子が同時検出されたときシングレット二光子状態
の部分空間への射影測定成功事象として利用し、これ以外の同時検出イベントは廃棄する。AliceとBobの送信光子の偏波状態の相関に関して以下の判定が可能になる。
In FIG. 2, the partial Bell state measurement system is modified so that the state identification of both the straight line and the diagonally polarized wave base is a symmetrical setup that is equally dependent on HOM interference. In this setup, in the partial Bell state measurement optical system of the first embodiment, the PBS set to decompose the linearly polarized wave basis r = {H, V} is inserted by inserting a quarter wavelength plate. The circular polarization basis c = {L, R} is changed to be decomposed. Of the four photon detectors {D 1L , D 1R , D 2L , D 2R }, a triplet is detected when photons are simultaneously detected by D 1L and D 1R or D 2L and D 2R arranged in the same output port. Two-photon state
Singlet two-photon states when photons are simultaneously detected at D 1L and D 2R , or D 1R and D 2L , located at different output ports
This is used as an event that succeeds in the measurement of projection into the subspace, and other simultaneous detection events are discarded. The following determination is possible regarding the correlation between the polarization states of Alice and Bob's transmitted photons.

A. AliceとBobの送出光子の偏波状態の基底が一致し、かつBell状態測定結果|Φ>が得られた場合、彼らの偏波状態は一致し、Bell状態測定結果|Ψ>が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。 A. When the bases of the polarization states of the outgoing photons of Alice and Bob match and the Bell state measurement result | Φ + > is obtained, their polarization states match, and the Bell state measurement result | Ψ > is obtained. Their polarization states are orthogonal.

これによって、円偏波基底と相補的な直線および対角偏波基底について対称的なHOM干渉が実現出来る。同時に、Bobの光子の偏波状態は、BB84状態からH、Dの非直交二偏波状態のみからなるB92状態に削減することもできる。ただし、この場合、直線、対角偏波状態基底の信号光出射事象のサブアンサンブルのQBERは、共に微弱コヒーレント光に含まれるマルチフォトン成分からくる自己相関信号によるノイズオフセットが重畳する。この偏波対称的セットアップを用いて安全鍵を効率よく生成するためには、誤り訂正、秘匿増強によるペナルティーを小さくするため、信号光出射事象のサブアンサンブルのQBER、および、おとり光出射事象中の単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのQBERがともに十分小さくなる必要があるが、計算によると現状の量子ドット単一光子光源で十分に実現可能なg(2)(0)の値に対して、この条件が成立しうることが分かった。従って、g(2)(0)の小さい疑似単一光子光源と図2の偏波対称的セットアップを用いることにより、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが出来る可能性がある。 As a result, a symmetric HOM interference can be realized with respect to a linear and diagonal polarization base complementary to the circular polarization base. At the same time, the polarization state of Bob's photon can be reduced from the BB84 state to the B92 state consisting of only the non-orthogonal dual polarization states of H and D. However, in this case, the QBER of the sub-ensemble of the signal light emission event based on the linear and diagonal polarization states is superimposed with the noise offset due to the autocorrelation signal coming from the multi-photon component included in the weak coherent light. In order to efficiently generate a security key using this polarization symmetric setup, in order to reduce the penalty due to error correction and increased confidentiality, the QBER of the subensemble of the signal light emission event, and the decoy light emission event The QBER of the single photon emission event virtual subensemble needs to be sufficiently small, but according to the calculation, for the value of g (2) (0) that can be sufficiently realized with the current quantum dot single photon light source, It was found that this condition can be established. Therefore, by using the pseudo single-photon light source with small g (2) (0) and the polarization symmetric setup of FIG. 2, a safety key is generated from the ensemble of signal light transmission events of both linear and diagonal polarization bases. There is a possibility that the protocol can be brought closer to a protocol based on quantum entanglement, and the security proof can be brought closer to a firm one.

本実施の形態では、直線と対角偏波基底の状態識別が共に同等にHOM干渉に依存する対称的セットアップとするために、部分Bell状態測定光学系において、直線偏波基底r={H,V}を分解するようにセットされているPBSが、1/4波長板を挿入することによって円偏波基底c={R,L}を分解するように変更されている。これにより、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものにすることが可能な量子暗号鍵配付装置を提供することができる。   In this embodiment, in order to obtain a symmetrical setup in which both the state identification of the straight line and the diagonal polarization base are equally dependent on HOM interference, in the partial Bell state measurement optical system, the linear polarization base r = {H, PBS set to decompose V} is modified to decompose the circular polarization basis c = {R, L} by inserting a quarter wave plate. As a result, a security key can be generated from an ensemble of signal light transmission events based on both linear and diagonal polarizations, and the protocol can be made closer to a protocol based on quantum entanglement and the security proof can be solidified. An encryption key distribution apparatus can be provided.

<その他の実施の形態>
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、以上の説明においては、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、本発明の量子暗号鍵配付装置は、偏波状態空間と数学的に相似な任意の信号状態空間に対して適用することが可能である。例えば、偏光状態空間をタイムビン状態空間にも原理的に適用可能である。
<Other embodiments>
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above description, the operation principle of the present invention has been described by taking the BB84 protocol in which the polarization state space is the signal state space as an example. It can be applied to any signal state space similar to. For example, the polarization state space can be applied in principle to a time bin state space.

また、上述の実施の形態では、本発明を主にハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non−transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。   In the above-described embodiment, the present invention has been mainly described as a hardware configuration. However, the present invention is not limited to this, and a CPU (Central Processing Unit) executes a computer program for arbitrary processing. Can also be realized. In this case, the computer program can be stored and provided to the computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (for example, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R / W, semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)). The program may also be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.

(付記1)
送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、
前記送信装置は、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、
前記受信装置は、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
量子暗号鍵配付装置。
(付記2)
前記減衰部は、平均光子数をμA(信号光)、νA(<μA)(おとり光)、又は0(真空場)のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記1記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記3)
前記変調部は、偏波状態をBB84偏波状態(水平、垂直、45度、又は135度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記1又は2記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記4)
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記3記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記5)
前記変調部は、偏波状態をB92偏波状態(水平、又は45度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記1又は2記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記6)
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態{R,L}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記5記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記7)
伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有する
送信装置。
(付記8)
前記減衰部は、平均光子数をμA(信号光)、νA(<μA)(おとり光)、又は0(真空場)のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記7記載の量子暗号鍵配付装置。
(付記9)
前記変調部は、偏波状態をBB84偏波状態(水平、垂直、45度、又は135度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記7又は8記載の送信装置。
(付記10)
前記変調部は、偏波状態をB92偏波状態(水平、又は45度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記7又は8記載の送信装置。
(付記11)
伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
受信装置。
(付記12)
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記11記載の受信装置。
(付記13)
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態{R,L}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記11記載の受信装置。
(付記14)
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
(付記15)
前記送信装置は、前記減衰ステップで、平均光子数をμA(信号光)、νA(<μA)(おとり光)、又は0(真空場)のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記14記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記16)
前記送信装置は、前記変調部で、偏波状態をBB84偏波状態(水平、垂直、45度、又は135度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記14又は15記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記17)
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記16記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記18)
前記送信装置は、前記変調ステップで、偏波状態をB92偏波状態(水平、又は45度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記14又は15記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記19)
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、円偏波状態{R,L}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記18記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記20)
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
(付記21)
前記送信装置は、前記減衰ステップで、平均光子数をμA(信号光)、νA(<μA)(おとり光)、又は0(真空場)のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記20記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記22)
前記送信装置は、前記変調部で、偏波状態をBB84偏波状態(水平、垂直、45度、又は135度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記20又は21記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記23)
前記送信装置は、前記変調ステップで、偏波状態をB92偏波状態(水平、又は45度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
付記20又は21記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記24)
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
(付記25)
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記24記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記26)
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、円偏波状態{R,L}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記24記載の量子暗号鍵配付方法。
(付記27)
付記14乃至26いずれか1項に記載の方法を、送信装置又は受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラム。
(Appendix 1)
A quantum key distribution device including a transmission device, a reception device, and a transmission path connecting the transmission device and the reception device,
The transmitter is
A coherent light source that generates coherent light to be transmitted to the transmission path;
A modulator that randomly modulates the polarization state of the coherent light;
An attenuation unit that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light,
The receiving device is:
A pseudo single photon light source that generates pseudo single photon light; and
And a partial bell state measurement unit that measures a quantum mechanical correlation between polarization states of the coherent light and the pseudo single photon light as carrier photons received from the transmission path.
(Appendix 2)
The quantum key distribution according to claim 1, wherein the attenuation unit randomly attenuates the average number of photons to be either μA (signal light), νA (<μA) (bait light), or 0 (vacuum field). apparatus.
(Appendix 3)
The quantum cryptography key distribution device according to attachment 1 or 2, wherein the modulation unit randomly modulates the polarization state into any of the BB84 polarization states (horizontal, vertical, 45 degrees, or 135 degrees linear polarization state).
(Appendix 4)
The quantum cryptography key distribution device according to attachment 3, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the linearly polarized state {H, V}.
(Appendix 5)
The quantum key distribution device according to claim 1 or 2, wherein the modulation unit randomly modulates the polarization state to any of the B92 polarization state (horizontal or 45 degree linear polarization state).
(Appendix 6)
The quantum cryptography key distribution device according to claim 5, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the circular polarization state {R, L}.
(Appendix 7)
A transmission device connected to a reception device by a transmission line,
A coherent light source that generates coherent light to be transmitted to the transmission path;
A modulator that randomly modulates the polarization state of the coherent light;
An attenuation unit that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light.
(Appendix 8)
The quantum cryptography key distribution according to claim 7, wherein the attenuation unit randomly attenuates the average photon number so as to be either μA (signal light), νA (<μA) (bait light), or 0 (vacuum field). apparatus.
(Appendix 9)
The transmission apparatus according to appendix 7 or 8, wherein the modulation unit randomly modulates the polarization state into any of the BB84 polarization states (horizontal, vertical, 45 degrees, or 135 degrees linear polarization state).
(Appendix 10)
The transmission device according to appendix 7 or 8, wherein the modulation unit randomly modulates the polarization state into any of the B92 polarization states (horizontal or 45-degree linear polarization state).
(Appendix 11)
A receiving device connected to a transmitting device by a transmission line,
A pseudo single photon light source that generates pseudo single photon light; and
And a partial bell state measurement unit that measures a quantum mechanical correlation between the coherent light as carrier photons received from the transmission path and the polarization state of the pseudo single photon light.
(Appendix 12)
The receiving apparatus according to claim 11, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the linearly polarized state {H, V}.
(Appendix 13)
The receiving apparatus according to claim 11, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates a circularly polarized state {R, L}.
(Appendix 14)
The transmitter is
A coherent light generation step for generating coherent light to be transmitted to the transmission line;
A modulation step for randomly modulating the polarization state of the coherent light;
An attenuation step for randomly attenuating the average number of photons of the coherent light;
The receiving device
A pseudo single photon light generation step for generating pseudo single photon light;
A partial bell state measurement step of measuring a quantum mechanical correlation between polarization states of the coherent light and the pseudo single photon light as carrier photons received from the transmission path.
(Appendix 15)
The transmission device randomly attenuates the average photon number so as to be any one of μA (signal light), νA (<μA) (bait light), and 0 (vacuum field) in the attenuation step. Quantum encryption key distribution method.
(Appendix 16)
The transmission apparatus randomly modulates the polarization state into any one of BB84 polarization states (horizontal, vertical, 45 degrees, or 135 degrees linear polarization state) by the modulation unit. Key distribution method.
(Appendix 17)
The quantum cryptography according to claim 16, wherein the receiver uses a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the linearly polarized state {H, V} in the partial bell state measurement step. Key distribution method.
(Appendix 18)
The quantum key distribution method according to supplementary note 14 or 15, wherein the transmitting device randomly modulates the polarization state into any of a B92 polarization state (horizontal or 45 degree linear polarization state) in the modulation step.
(Appendix 19)
The quantum cryptography according to claim 18, wherein the receiver uses a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the circularly polarized state {R, L} in the partial bell state measurement step. Key distribution method.
(Appendix 20)
The transmitter is
A coherent light generation step for generating coherent light to be transmitted to the transmission line;
A modulation step for randomly modulating the polarization state of the coherent light;
An attenuation step for randomly attenuating the average number of photons of the coherent light.
(Appendix 21)
The transmission device randomly attenuates the average photon number so as to be any one of μA (signal light), νA (<μA) (bait light), and 0 (vacuum field) in the attenuation step. Quantum encryption key distribution method.
(Appendix 22)
The transmission apparatus randomly modulates the polarization state into any one of BB84 polarization states (horizontal, vertical, 45 degrees, or 135 degrees linear polarization state) by the modulation unit. Key distribution method.
(Appendix 23)
The quantum key distribution method according to appendix 20 or 21, wherein, in the modulation step, the transmitter randomly modulates the polarization state into any of the B92 polarization states (horizontal or 45 degree linear polarization state).
(Appendix 24)
The receiving device
A pseudo single photon light generation step for generating pseudo single photon light;
A partial bell state measurement step of measuring a quantum mechanical correlation between polarization states of the coherent light and the pseudo single photon light as carrier photons received from a transmission path.
(Appendix 25)
25. The quantum cryptography according to claim 24, wherein the receiving device uses a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the linear polarization state {H, V} in the partial bell state measurement step. Key distribution method.
(Appendix 26)
25. The quantum cryptography according to claim 24, wherein the receiver uses a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the circularly polarized state {R, L} in the partial bell state measurement step. Key distribution method.
(Appendix 27)
A program for causing a computer as at least one of a transmission device and a reception device to execute the method according to any one of appendixes 14 to 26.

100 量子暗号鍵配付装置
10 送信者装置
11 校正済みレーザー光源
12 偏波変調器
13 強度変調器
14 光伝送路
15 受信者装置
16 対称ビームスプリッター(BS)
17 偏波ビームスプリッター(PBS)
18 部分ベル状態測定装置
19 入力ポートA
1A 入力ポートB
1B 疑似単一光子光源
1C 偏波変調器
1D 光子検出器
21 1/4波長板
61 送信装置
62 光源
63 乱数発生器
64 エンコーダー(変調器)
65 送信側サイドチャンネル
66 光伝送路
67 盗聴装置
68 受信装置
69 乱数発生器
6A デコーダー(変調器)
6B 光子検出器
6C 受信側サイドチャンネル
71 正規ユーザーのテリトリー
72 校正済みレーザー光源72
73 偏波変調器
74 強度変調器
75 対称ビームスプリッター(BS)
76 偏波ビームスプリッター(PBS)
77 協力者Charlieのテリトリー
78 光子検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Quantum encryption key distribution apparatus 10 Sender apparatus 11 Calibrated laser light source 12 Polarization modulator 13 Intensity modulator 14 Optical transmission line 15 Receiver apparatus 16 Symmetric beam splitter (BS)
17 Polarization beam splitter (PBS)
18 Partial bell state measuring device 19 Input port A
1A Input port B
1B Pseudo Single Photon Light Source 1C Polarization Modulator 1D Photon Detector 21 1/4 Wave Plate 61 Transmitter 62 Light Source 63 Random Number Generator 64 Encoder (Modulator)
65 Transmission side channel 66 Optical transmission path 67 Eavesdropping device 68 Receiving device 69 Random number generator 6A Decoder (modulator)
6B Photon Detector 6C Receiving Side Channel 71 Territory for Authorized User 72 Calibrated Laser Light Source 72
73 Polarization modulator 74 Intensity modulator 75 Symmetric beam splitter (BS)
76 Polarized beam splitter (PBS)
77 Collier Charlie's Territory 78 Photon Detector

Claims (10)

送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、
前記送信装置は、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、
前記受信装置は、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
量子暗号鍵配付装置。
A quantum key distribution device including a transmission device, a reception device, and a transmission path connecting the transmission device and the reception device,
The transmitter is
A coherent light source that generates coherent light to be transmitted to the transmission path;
A modulator that randomly modulates the polarization state of the coherent light;
An attenuation unit that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light,
The receiving device is:
A pseudo single photon light source that generates pseudo single photon light; and
And a partial bell state measurement unit that measures a quantum mechanical correlation between polarization states of the coherent light and the pseudo single photon light as carrier photons received from the transmission path.
前記減衰部は、平均光子数をμ(信号光)、ν(<μ)(おとり光)、又は0(真空場)のいずれかになるようにランダムに減衰する
請求項1記載の量子暗号鍵配付装置。
The said attenuation | damping part attenuate | damps at random so that an average photon number may become either [mu] A (signal light), [nu] A (<[mu] A ) (bait light), or 0 (vacuum field). Quantum cryptographic key distribution device.
前記変調部は、偏波状態をBB84偏波状態(水平、垂直、45度、又は135度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
請求項1又は2記載の量子暗号鍵配付装置。
The quantum cryptography key distribution device according to claim 1 or 2, wherein the modulation unit randomly modulates the polarization state into any of BB84 polarization states (horizontal, vertical, 45 degrees, or 135 degrees linear polarization state).
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態{H,V}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
請求項3記載の量子暗号鍵配付装置。
The quantum cryptography key distribution device according to claim 3, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates the linearly polarized state {H, V}. .
前記変調部は、偏波状態をB92偏波状態(水平、又は45度直線偏波状態)のいずれかにランダムに変調する
請求項1又は2記載の量子暗号鍵配付装置。
3. The quantum key distribution apparatus according to claim 1, wherein the modulation unit randomly modulates a polarization state into any of a B92 polarization state (horizontal or 45 degree linear polarization state).
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態{R,L}を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
請求項5記載の量子暗号鍵配付装置。
The quantum cryptography key distribution device according to claim 5, wherein the partial bell state measurement unit includes a linear optical circuit including a symmetric beam splitter and a polarization beam splitter that separates a circularly polarized state {R, L}. .
伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有する
送信装置。
A transmission device connected to a reception device by a transmission line,
A coherent light source that generates coherent light to be transmitted to the transmission path;
A modulator that randomly modulates the polarization state of the coherent light;
An attenuation unit that randomly attenuates the average number of photons of the coherent light.
伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
受信装置。
A receiving device connected to a transmitting device by a transmission line,
A pseudo single photon light source that generates pseudo single photon light; and
And a partial bell state measurement unit that measures a quantum mechanical correlation between the coherent light as carrier photons received from the transmission path and the polarization state of the pseudo single photon light.
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
The transmitter is
A coherent light generation step for generating coherent light to be transmitted to the transmission line;
A modulation step for randomly modulating the polarization state of the coherent light;
An attenuation step for randomly attenuating the average number of photons of the coherent light;
The receiving device
A pseudo single photon light generation step for generating pseudo single photon light;
A partial bell state measurement step of measuring a quantum mechanical correlation between polarization states of the coherent light and the pseudo single photon light as carrier photons received from the transmission path.
請求項9に記載の方法を、前記送信装置又は前記受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラム。   A program for causing a computer as at least one of the transmission device and the reception device to execute the method according to claim 9.
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