JP2015130628A - 量子通信装置、量子通信方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】暗号鍵データの生成を効率的に行う。【解決手段】実施形態の量子通信装置は、受信部、シフト処理部、推定部、第１記憶部、第２記憶部、決定部、訂正部、測定部及び秘匿性増強部を備える。シフト処理部は複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得する。推定部はシフト処理データの一部のデータの誤り率により、シフト処理データの推定誤り率を取得する。第２記憶部はシフト処理データの誤り率毎に、シフト処理データの誤り訂正処理の処理速度と、シフト処理データの秘匿性増強処理の処理速度と、の差を示す差分データを記憶する。決定部は第１記憶部に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、推定誤り率と、差分データと、に基づいて誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は量子通信装置、量子通信方法及びプログラムに関する。

情報通信技術の進展により多様なデータがやり取りされるようになり、送信するデータの秘匿性（安全性）の確保が大きな課題となっている。データの秘匿性を確保するために現在用いられているＲＳＡ等の暗号は、計算の複雑性に基づくコンピュータの暗号解読時間を安全性の根拠としている。しかしながらコンピュータの計算能力が更に向上すれば、ＲＳＡ等の暗号は安易に解読されるようになる恐れがある。

一方、光の物理法則を根拠としてデータの秘匿性を実現する量子鍵配送（ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）システムが知られている。量子鍵配送システム（量子暗号通信システム）は光の量子状態を０又は１を示すデータとして扱うことにより、通信路上の盗聴を検出できるシステムである。量子鍵配送システムは、コンピュータによる暗号解読時間を安全性の根拠にしない情報理論的安全性を実現する暗号方式として期待されている。

一般に、量子鍵配送システムに用いられる量子通信装置では、誤り訂正（ＥＣ：Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ）処理と、秘匿性増強（ＰＡ：Ｐｒｉｖａｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理とが行われている。

特許第４４５９５２６号公報 特許第４３４６９２９号公報

Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，"Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ： Ｐｕｂｌｉｃ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｉｎ Ｔｏｓｓｉｎｇ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ Ｉｎｄｉａ，ｐｐ．１７５−１７９，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ （１９８４）． Ｉｒｉｓ Ｃｈｏｉ， Ｒｏｂｅｒｔ Ｊ．Ｙｏｕｎｇ ａｎｄ Ｐａｕｌ Ｄ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ，"Ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ａ １０Ｇｂ／ｓ ＷＤＭ−ＰＯＮ"，ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ９６０１，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．９，Ａｐｒｉｌ ２０１０． Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈ． Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｇｉｌｌｅｓ Ｂｒａｓｓａｒｄ， Ｃｌａｕｄｅ Ｃｒｅｐｅａｕ， ａｎｄ Ｕｅｌｉ Ｍ． Ｍａｕｒｅｒ， "Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｐｒｉｖａｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ． ６， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９５．

しかしながら従来の技術では、誤り訂正処理と、秘匿性増強処理との処理速度の違いが考慮されておらず、暗号鍵データの生成を効率的に行うことができなかった。

実施形態の量子通信装置は、受信部、シフト処理部、推定部、第１記憶部、第２記憶部、決定部、訂正部、測定部及び秘匿性増強部を備える。受信部は光子の量子状態を利用した複数の基底のうち一の基底により表現された暗号鍵ビットを、量子通信路を介して受信し、受信した複数の前記暗号鍵ビットから成る暗号鍵ビット列を取得する。シフト処理部は前記複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で前記暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得する。推定部は前記シフト処理データの一部のデータの誤り率により、前記シフト処理データの誤り率を推定した推定誤り率を取得する。第１記憶部は前記シフト処理データと前記推定誤り率とを関連付けて記憶する。第２記憶部は前記シフト処理データの誤り率毎に、前記シフト処理データの誤り訂正処理の処理速度と、前記シフト処理データの秘匿性増強処理の処理速度と、の差を示す差分データを記憶する。決定部は前記第１記憶部に記憶されている前記シフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、前記推定誤り率と、前記差分データと、に基づいて誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する。訂正部は複数の前記シフト処理データのうち一の前記シフト処理データを、前記決定部により決定された順序で前記第１記憶部から取得し、取得した前記シフト処理データを前記誤り訂正処理により訂正した誤り訂正処理データを生成する。測定部は前記誤り訂正処理データと、前記誤り訂正処理データに対応する訂正前の前記シフト処理データとを比較することにより前記訂正前のシフト処理データの誤り率を測定する。秘匿性増強部は前記測定部により測定された前記誤り率に基づいて、前記誤り訂正処理データに前記秘匿性増強処理を行うことにより暗号鍵データを生成する。

第１実施形態の量子通信装置の構成の例を示す図。 第１実施形態の誤り訂正処理のスループットの例を示す図。 第１実施形態の秘匿性増強処理の処理時間の例を示す図。 第１実施形態の秘匿性増強処理の例を示す図。 第１実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理の処理速度の違いの例を示す図。 第１実施形態の誤り訂正処理と秘匿性増強処理のスループットの差分の例を示す図。 第１実施形態のバッファのシフト処理データ（時系列順）の例を示す図。 第１実施形態の決定部が決定した処理順序の例を示す図。 第１実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（時系列順）の例を示す図。 第１実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（処理順序変更後）の例を示す図。 第１実施形態の量子通信方法の例を示すフローチャート。 第２実施形態のバッファのシフト処理データ（時系列順）の例を示す図。 第２実施形態の決定部が決定した処理順序の例を示す図。 第２実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（時系列順）の例を示す図。 第２実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（処理順序変更後）の例を示す図。 第３実施形態の量子通信装置の構成の例を示す図。 第３実施形態の推定ＱｂＥＲの推定誤差の例を示す図。 第３実施形態の更新部の動作方法の例を示すフローチャート。 第３実施形態の調整部の動作方法の例を示すフローチャート。 第４実施形態の量子アクセスネットワーク（ＱＡＮ）の例を示す図。 第４実施形態の量子通信装置の構成の例を示す図。 第１〜第４実施形態の量子通信装置の構成の例を示す図。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の量子通信装置１００の構成の例を示す図である。第１実施形態の量子通信装置１００は、受信部１、シフト（Ｓｉｆｔ）処理部２、推定部３、バッファ４（第１記憶部の例）、決定部５、記憶部６（第２記憶部の例）、訂正（ＥＣ：Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ）部７、測定部８、秘匿性増強（ＰＡ：Ｐｒｉｖａｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）部９及びアプリケーション部１０を備える。

受信部１は暗号鍵ビットを、光子の量子状態を利用した量子通信路を介して送信側の装置から受信する。送信側の装置は光子の量子状態を利用した複数の基底のうち一の基底により暗号鍵ビットを表現する。光子の量子状態は、光子の偏光や位相などを利用する。また基底は、偏光を利用する場合には、例えば直線偏光（垂直（０）及び水平（１））又は円偏光（右回り（０）及び左回り（１））を利用する。受信部１は複数の暗号鍵ビットを、量子通信路を介して受信し、受信した複数の暗号鍵ビットから成る暗号鍵ビット列を取得する。なお、このような暗号鍵ビット列の送受信方法の例としてはＢＢ８４プロトコルが知られている。受信部１は暗号鍵ビット列をシフト処理部２に送信する。また受信部１は後述のシフト処理データの一部を、量子通信路でない古典通信路（従来の通信路）を介して送信側の装置から受信する。受信部１は後述のシフト処理データの一部を推定部３に送信する。

シフト処理部２は暗号鍵ビット列を受信部１から受信する。シフト処理部２は受信側が複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で暗号鍵ビット列を参照してビット列（以下、「シフト処理データ」という。）を取得する。なお送信側の装置で使用された基底と、参照基底とが一致しない場合、シフト処理部２は暗号鍵ビットの情報を利用しない。例えば光子の直線偏光の量子状態を利用して暗号化ビットを送信した場合、シフト処理部２が参照基底に光子の円偏光の量子状態を利用した場合、当該暗号化ビットの情報を利用しない。シフト処理部２はシフト処理データを推定部３に送信する。

推定部３はシフト処理データをシフト処理部２から受信し、シフト処理データの一部を受信部１から受信する。推定部３は推定ＱｂＥＲ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）の推定処理を行う。具体的には推定部３は、受信部１が古典通信路を介して受信したシフト処理データの一部と、シフト処理部２から受信したシフト処理データのうち受信部１が古典通信路を介して受信した当該シフト処理データの一部に対応するデータと、を比較する。これにより推定部３はシフト処理データの一部のデータのＱｂＥＲを算出する。推定部３は、シフト処理データの一部のデータのＱｂＥＲにより、当該シフト処理データの推定ＱｂＥＲを推定する。推定部３はシフト処理データと、当該シフト処理データの推定ＱｂＥＲとを関連付けてバッファ４に送信する。

ここでＱｂＥＲ（誤り率の例）について説明する。ＱＫＤでは暗号鍵ビット列は、量子（光子）の量子状態を利用して暗号鍵ビット（１ビット）毎に送信される。量子力学の基本原理の一つである不確定原理により量子は観測されると量子状態が変化する。この性質により、送信側の装置が送信した暗号鍵ビットの情報を含む量子を量子通信路上で盗聴者が観測すると、量子状態が変化する。これにより量子を受け取った受信側の装置は、盗聴者に量子を観測されたことを知ることができる。ＱｂＥＲ（量子ビット誤り率）は、量子状態の変化に起因する暗号鍵ビット列の誤り率を示す。量子通信路上に送信した暗号鍵ビット列のＱｂＥＲの変動により量子通信路の盗聴の有無を確認できる。

具体的には、盗聴者が量子通信路上に流れる暗号鍵ビット列を盗聴する場合、上述のシフト処理部２によるシフト処理データの取得方法と同じ方法で盗聴する必要がある。そのため盗聴者も一定の確率でしか盗聴が成功しない。例えば基底の種類が２種類であれば、盗聴が成功する確率は１／２である。また盗聴者が一度盗聴すると量子状態が変わってしまうため、基底を変更して同じ量子状態を再度盗聴することができない。つまり盗聴に失敗した暗号鍵ビットについては正しい値がわからないため、盗聴者が盗聴に失敗した暗号鍵ビットを、盗聴者自身が作成して受信側に送信しても正しい値を受信側に送信できない。これにより送信側と受信側とで基底が一致している場合のＱｂＥＲを低下させることになり盗聴が発覚する。なお送信側と受信側とで基底が一致している場合でも、量子通信路上のノイズや光子の検出装置の誤検出などで一定のＱｂＥＲが得られるため、この一定のＱｂＥＲに顕著な変化が有った場合に盗聴が発覚することになる。

バッファ４はシフト処理データと、当該シフト処理データの推定ＱｂＥＲとを受信する。バッファ４はシフト処理データと、当該シフト処理データの推定ＱｂＥＲとを関連付けて（一時的に）記憶する。バッファ４のシフト処理データは、当該シフト処理データの識別情報により識別する。例えば識別情報は当該シフト処理データの記憶場所を示すアドレス情報などである。

決定部５はバッファ４に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上であるか否かを判定する。バッファ４に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、決定部５は、ＱｂＥＲに応じた誤り訂正処理速度（誤り訂正処理のスループット）と、ＱｂＥＲに応じた秘匿性増強処理速度（秘匿性増強処理のスループット）と、の差を示す差分データ（後述の図６参照）と、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲと、に基づいて誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する。

まず処理対象のシフト処理データのＱｂＥＲと、誤り訂正処理のスループットとの関係について説明する。図２は第１実施形態の誤り訂正処理のスループットの例を示す図である。図２の横軸はＱｂＥＲである。ＱｂＥＲの値は浮動小数点数で表現されている。図２の縦軸はスループット（Ｍｂｉｔ／ｓ）である。図２の例では、誤り訂正処理にＬＤＰＣ（Ｌｏｗ−Ｄｅｎｓｉｔｙ−Ｐａｒｉｔｙ−Ｃｈｅｃｋ）符号を用いている。図２に示された４つの異なるパラメータ（検査行列）を使用した誤り訂正処理のスループットは、いずれもＱｂＥＲが増加する程低下することを示している。

ここで誤り訂正処理について説明する。誤り訂正処理は検査行列と、シフト処理データ（シフト処理データを０又は１の値を成分に持つベクトルとみなす。）と、を掛けた結果によってシフト処理データに誤りがあるか否かを判定する。この結果はシンドロームと呼ばれる。シンドロームがゼロベクトルである場合、当該シフト処理データに誤りがないことがわかる。シンドロームがゼロベクトルでない場合、当該シフト処理データに誤りがあることがわかる。更に、結果として得られた列ベクトルにおいて０でない成分の位置に応じて当該シフト処理データの誤りの位置を特定（訂正）することができる。なお検査行列を使用した誤り訂正処理の方法は既によく知られているため、本実施形態の説明では検査行列に関する説明を省略する。

一般に、誤り訂正処理はＱｂＥＲが増大すると処理量が増加する。例えばＬＤＰＣ符号の場合、処理対象のシフト処理データのＱｂＥＲが大きい程、反復復号回数が増加するため復号計算量が増大する。つまりＬＤＰＣ復号アルゴリズムの並列計算数が一定になるように、ハードウェア又はソフトウェアを実装した場合、誤り訂正処理のスループットが減少する。

次に処理対象のシフト処理データのＱｂＥＲと、秘匿性増強処理時間との関係について説明する。図３は第１実施形態の秘匿性増強処理時間の例を示す図である。図３の横軸はＱｂＥＲである。図３の縦軸は秘匿性増強処理の処理時間（ｓ）である。図３に示されるように、秘匿性増強処理の処理時間はＱｂＥＲの値に関係なくほぼ一定である。

ここで秘匿性増強処理について説明する。図４は第１実施形態の秘匿性増強処理の例を示す図である。秘匿性増強処理は、入力データＥ（後述の誤り訂正処理データ）にテップリッツ（Ｔｏｅｐｌｉｔｚ）行列Ｔのような特殊なハッシュ関数を掛けて暗号鍵データに使用するビット列Ｓを得る処理である。秘匿性増強処理は、入力データＥを当該ハッシュ関数に応じた出力サイズのビット列Ｓに圧縮する。なおハッシュ関数はテップリッツ（Ｔｏｅｐｌｉｔｚ）行列Ｔに限られず、秘匿性増強処理に利用できるハッシュ関数であれば別のハッシュ関数でもよい。

シフト処理データのＱｂＥＲが大きい場合、盗聴者にデータが盗聴されている可能性が高いと考えられるため、入力データＥ（シフト処理データを訂正した後述の誤り訂正処理データ）を秘匿性増強処理後に得られるビット列Ｓのデータ長は短くなる。すなわち暗号鍵データの生成に使用するビット列のうち、盗聴者にデータが盗聴されている可能性が高いシフト処理データから得られたビット列のデータ長は、安全性が確保できる分だけ使用する。つまりシフト処理データのＱｂＥＲが大きい場合、入力データＥを処理するときのテップリッツ行列Ｔの列数は小さくなる。したがってＱｂＥＲが増大する程、秘匿性増強処理の処理量は減少する。

行列同士の掛け算の際、入力データＥとテップリッツ行列Ｔの各行を掛け合わせる計算がある。この計算をテップリッツ行列Ｔの行数と同じ並列数で計算するように、ハードウェア又はソフトウェアを実装した場合、テップリッツ行列Ｔの列数の変化に関わらず、行サイズクロック後に計算が終了する。そのため、秘匿性増強処理のスループットは一定になる。本実施形態の量子通信装置１００の秘匿性増強処理の実装方法は、秘匿性増強処理のスループットがＱｂＥＲに依らず一定になるように実装されているものとする。なお、その他の実装方法の場合、一般に秘匿性増強処理のスループットはＱｂＥＲに応じて変化（減少）する。

なお秘匿性増強処理については既によく知られているため詳細な説明は省略する。例えば秘匿性増強処理の詳細は非特許文献３に開示されている。

次に誤り訂正処理及び秘匿性増強処理の処理速度の違いについて説明する。図５は第１実施形態の誤り訂正処理（ＬＤＰＣ（Ｒａｔｅ０．８５））及び秘匿性増強処理（ＰＡ）の処理速度の違いの例を示す図である。図５の横軸はＱｂＥＲである。ＱｂＥＲの値は浮動小数点数で表現されている。図５の縦軸はスループット（Ｍｂｉｔ／ｓ）である。

領域１５では、秘匿性増強処理のスループットが誤り訂正処理のスループットよりも低い。秘匿性増強処理は誤り訂正処理の後に行われる。つまり常にこの状態で誤り訂正処理及び秘匿性増強処理が行われると、秘匿性増強処理の処理対象のデータ（後述の誤り訂正処理データ）を記憶する領域がオーバーフローする可能性がある。

一方、領域１６では、秘匿性増強処理のスループットが誤り訂正処理のスループットよりも高い。つまり常にこの状態で誤り訂正処理及び秘匿性増強処理が行われると、秘匿性増強処理の処理対象のデータ（後述の誤り訂正処理データ）の生成に時間がかかり、秘匿性増強処理を開始するまでの待ち時間が増大する。

次に決定部５が、誤り訂正処理の処理速度と、秘匿性増強処理の処理速度との違いを利用して、バッファ４に溜められたシフト処理データを訂正する順序を決定する方法について説明する。

図６は第１実施形態の誤り訂正処理（ＬＤＰＣ）と秘匿性増強処理（ＰＣ）のスループットの差分の例を示す図である。図６の横軸はＱｂＥＲである。ＱｂＥＲの値は浮動小数点数で表現されている。図６の縦軸はスループット（Ｍｂｉｔ／ｓ）である。記憶部６は図６のグラフにより示されるＱｂＥＲに応じた差分データを記憶する。

決定部５は、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲの各々について、推定ＱｂＥＲと一致するＱｂＥＲに対応する差分データを記憶部６から取得することにより複数の差分データを取得する。

次に決定部５は訂正順序決定処理を行う。具体的には、まず決定部５は２つの差分データの和が０に近づくようにして、複数の差分データを２つの差分データ毎に組み合わせる。次に決定部５は組み合わされた差分データを、組み合わせを維持して任意の順序で順序付ける。次に決定部５は組み合わされた差分データの順序により、差分データに対応する誤り率に一致する推定誤り率に関連付けられたシフト処理データの誤りを訂正する順序を決定する。

ここで上述の訂正順序決定処理を、具体例を用いて説明する。図７Ａは第１実施形態のバッファのシフト処理データ（時系列順）の例を示す図である。具体的には、図７Ａはシフト処理データ（Ｄａｔａ−１〜Ｄａｔａ−１６）と、当該シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲとを、バッファ４に記憶された順序で時系列に示している。

まず推定ＱｂＥＲが１．８０Ｅ−０２であるシフト処理データについて説明する。推定ＱｂＥＲが１．８０Ｅ−０２の場合、誤り訂正処理の処理速度は４Ｍｂｉｔ／ｓであり、秘匿性増強処理の処理速度は８Ｍｂｉｔ／ｓである（図５参照）。また誤り訂正処理の処理速度と秘匿性増強処理の処理速度との差分は、−４Ｍｂｉｔ／ｓである（図６参照）。そのため、推定ＱｂＥＲが１．８０Ｅ−０２のシフト処理データが連続している場合、秘匿性増強処理の開始に待ち時間が発生する。

一方、推定ＱｂＥＲが９．００Ｅ−０３の場合、誤り訂正処理の処理速度は１２Ｍｂｉｔ／ｓであり、秘匿性増強処理の処理速度は８Ｍｂｉｔ／ｓである（図５参照）。また誤り訂正処理の処理速度と秘匿性増強処理の処理速度との差分は、４Ｍｂｉｔ／ｓである（図６参照）。そのため、推定ＱｂＥＲが９．００Ｅ−０３のシフト処理データが連続している場合、秘匿性増強処理が間に合わず、秘匿性増強処理の入力データＥ（誤り訂正処理データ）を記憶する領域がオーバーフローする可能性がある。

図８Ａは第１実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（時系列順）の例を示す図である。なお訂正部７から秘匿性増強部９に誤り訂正処理データを送信するための記憶領域（バッファメモリ）の容量は、秘匿性増強処理に必要なデータ長の２倍とする。例えばテップリッツ（Ｔｏｅｐｌｉｔｚ）行列の行サイズを１Ｍビットとすると、バッファメモリの容量は２Ｍビットとなる。また時系列に処理した時の所要処理時間と最適化した時の所要処理時間を簡易的に計算する。秘匿性増強処理にかかった時間を２Ｔとすると、図５の誤り訂正処理のスループットと秘匿性増強処理のスループットとの比率から、ＱｂＥＲ＝１．８Ｅ−２の場合、誤り訂正処理時間は３Ｔ、ＱｂＥＲ＝９Ｅ−３の場合、誤り訂正処理時間は１Ｔとなる。

Ｄａｔａ−１〜４の処理は、誤り訂正処理が遅いため、秘匿性増強処処理に待ち時間が発生する。またＤａｔａ−７〜９及びＤａｔａ−１５〜１６の処理は、記憶領域の容量の関係で誤り訂正処理が実行されない時間帯が存在する。これは例えばＤａｔａ−７が終了した時点（１５Ｔ）で次のＤａｔａ−８の誤り訂正処理を実施したいが、秘匿性増強処理は３個前のＤａｔａ−５の処理を実施しているためである。すなわち記憶領域には、Ｄａｔａ−６に対応する誤り訂正処理データ、及びＤａｔａ−７に対応する誤り訂正処理データが、秘匿性増強処理の入力データＥとして存在するので、Ｄａｔａ−８の誤り訂正処理が開始できない。

決定部５は、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を円滑に実行できるようにするため、具体的には以下のようにしてシフト処理データの処理順序を決定する。

図７Ｂは第１実施形態の決定部５が決定した処理順序の例を示す図である。決定部５は、推定ＱｂＥＲに基づいてシフト処理データを２つずつ組み合わせ、組み合わせ（１）〜（８）の順に処理順序を決定する。図７Ｂの組み合わせ（１）の作成について具体的に説明する。Ｄａｔａ−５の推定ＱｂＥＲは９．００Ｅ−０３であるため、Ｄａｔａ−５の誤り訂正処理の処理速度（１２Ｍｂｉｔ／ｓ）と、秘匿性増強処理の処理速度（８Ｍｂｉｔ／ｓ）との差分は、４Ｍｂｉｔ／ｓである（図５及び図６参照）。

一方、Ｄａｔａ−１の推定ＱｂＥＲは１．８０Ｅ−０２であるため、Ｄａｔａ−１の誤り訂正処理の処理速度（４Ｍｂｉｔ／ｓ）と、秘匿性増強処理の処理速度（８Ｍｂｉｔ／ｓ）との差分は、−４Ｍｂｉｔ／ｓである（図５及び図６参照）。これにより組み合わせ（１）の単位では、誤り訂正処理の処理速度と、秘匿性増強処理の処理速度との差分は０Ｍｂｉｔ／ｓである。以下、同様にして決定部５は、組み合わせ（２）〜（８）を作成し、組み合わせ（１）から組み合わせ（８）の順に誤り訂正処理を行うシフト処理データの順序を決定する。

なお決定部５は組み合わされたシフト処理データのうち、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲが小さい方から誤りを訂正するように順序を決定する。例えば組み合わせ（１）の場合、推定ＱｂＥＲの小さいＤａｔａ−５から誤りを訂正するように順序を決定する。これにより秘匿性増強処理の開始の待ち時間を低減することができる。

図８Ｂは第１実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（処理順序変更後）の例を示す図である。図８Ｂのタイミングチャートでは、最初の時間帯のみ秘匿性増強処理に待ち時間が発生するものの、それ以降は円滑に処理が進められていることが分かる。図８Ａと図８Ｂとを比較すると、最初の８個分のシフト処理データの処理終了時間は図８Ｂの方が４Ｔだけ早い。また次の８個分のシフト処理データの処理終了時間は、図８Ｂの方が６Ｔ速くなっている。よって、この状態で処理を進めていくと処理終了時刻に大きな差が出てくることが分かる。

図１に戻り、決定部５は訂正するシフト処理データの順序を示すデータを訂正部７に送信する。

訂正部７は、訂正するシフト処理データの順序を示すデータを決定部５から受信する。訂正部７はシフト処理データの訂正処理を行う。具体的には、訂正部７は複数のシフト処理データのうち一のシフト処理データを、決定部５により決定された順序でバッファ４から取得する。そして訂正部７は、取得したシフト処理データを、所定の並列計算数で訂正処理をすることにより誤り訂正処理データを生成する。訂正部７は誤り訂正処理データを測定部８及び秘匿性増強部９に送信する。

なお訂正部７が訂正に用いる誤り訂正符号は任意でよい。例えば、上述のＬＤＰＣ符号の他、ＲＳ（Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ）符号や、ＢＣＨ（Ｂｏｓｅ−Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ−Ｈｏｃｑｕｅｎｇｈｅｍ）符号などでもよい。またＢＢ８４方式の誤り訂正方式として用いられているＣａｓｃａｄｅプロトコルでもよい。

また、訂正部７は、シンドロームがゼロベクトルになるように、シフト処理データを訂正していたが、シンドロームを非ゼロベクトルとし、送信側のシフト処理データのシンドロームと一致するように、訂正部７はデータを訂正しても良い。訂正の際、送信側のシンドロームを、古典通信路を介して送信側の装置から受信し、訂正部７に入力する必要がある。

測定部８は誤り訂正処理データを訂正部７から受信する。また測定部８は当該誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データをバッファ４から取得する。測定部８は誤り訂正処理データと、誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データとを比較することによりシフト処理データのＱｂＥＲを測定する。測定部８は測定したＱｂＥＲを秘匿性増強部９に送信する。

秘匿性増強部９は誤り訂正処理データを訂正部７から受信し、当該誤り訂正処理データのＱｂＥＲを測定部８から受信する。秘匿性増強部９は誤り訂正処理データのＱｂＥＲに基づいて、所定の並列計算数で当該誤り訂正処理データの秘匿性増強処理を行う。そして秘匿性増強部９は誤り訂正処理データの秘匿性増強処理により得られたビット列を使用して、送信側の装置と共有する暗号鍵データを生成する。秘匿性増強部９は生成した暗号鍵データをアプリケーション部１０に送信する。

アプリケーション部１０は暗号鍵データを秘匿性増強部９から受信する。アプリケーション部１０は当該暗号鍵データを使用してデータの暗号化及び復号化を行う。アプリケーション部１０は当該暗号化されたデータを送信側の装置と送受信する。

次にフローチャートを参照して、第１実施形態の量子通信方法について説明する。図９は第１実施形態の量子通信方法の例を示すフローチャートである。受信部１は暗号鍵ビット列を、光子の量子状態を利用した量子通信路を介して送信側の装置から受信する（ステップＳ１）。次に、シフト処理部２は基底をランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得する（ステップＳ２）。

次に、受信部１はシフト処理データの一部を、量子通信路でない古典通信路（従来の通信路）を介して送信側の装置から受信する（ステップＳ３）。次に、推定部３は上述の推定ＱｂＥＲの推定処理を行う（ステップＳ４）。次に、推定部３はシフト処理データと、当該シフト処理データの推定ＱｂＥＲとを関連付けてバッファ４に送信する（ステップＳ５）。

次に、決定部５はバッファ４に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上あるか否かを判定する（ステップＳ６）。データ量が、第１閾値以上ある場合（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、決定部５は、各シフト処理データの推定ＱｂＥＲをバッファ４から取得する（ステップＳ７）。データ量が、第１閾値以上ない場合（ステップＳ６、Ｎｏ）、ステップＳ２の処理に戻る。

次に、決定部５は推定ＱｂＥＲの各々について、推定ＱｂＥＲと一致するＱｂＥＲに対応する差分データを記憶部６から取得する（ステップＳ８）。次に、決定部５はシフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲと、差分データと、に基づいて誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する処理（上述の訂正順序決定処理）を行う（ステップＳ９）。次に、訂正部７は上述のシフト処理データの訂正処理を行う（ステップＳ１０）。次に、測定部８は誤り訂正処理データと、誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データとを比較することによりシフト処理データのＱｂＥＲを測定する（ステップＳ１１）。次に、秘匿性増強部９は測定されたＱｂＥＲに基づいて当該誤り訂正処理データの秘匿性増強処理を行う（ステップＳ１２）。次に、秘匿性増強部９は誤り訂正処理データの秘匿性増強処理により得られたビット列を使用して、送信側の装置と共有する暗号鍵データを生成する（ステップＳ１３）。

以上説明したように、第１実施形態の量子通信装置１００は、ＱｂＥＲに応じた誤り訂正処理速度と、ＱｂＥＲに応じた秘匿性増強処理速度と、の差を示す差分データと、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲと、に基づいて誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する決定部を備える。これにより本実施形態の量子通信装置１００は誤り訂正処理の処理時間と、秘匿性増強処理の処理時間と、を削減することができるので暗号鍵データの生成を効率的に行うことができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態の決定部５は、組み合わされた差分データを、２つの差分データの絶対値の和が０に近い組み合わされた差分データの順に順序付ける。言い換えると決定部５は誤り訂正処理の処理速度と、秘匿性増強処理の処理速度と、の差が０に近いシフト処理データから順に順序付ける。

第２実施形態の量子通信装置１００の構成は第１実施形態と同じであるため説明を省略する。

第２実施形態の決定部５の訂正順序決定処理を、具体例を用いて説明する。図１０Ａは第２実施形態のバッファのシフト処理データ（時系列順）の例を示す図である。具体的には、図１０Ａはシフト処理データ（Ｄａｔａ−１〜Ｄａｔａ−１２）と、当該シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲとを、バッファ４に記憶された順序で時系列に示している。

推定ＱｂＥＲが１．２０Ｅ−０２であるシフト処理データについて説明する。推定ＱｂＥＲが１．２０Ｅ−０２の場合、誤り訂正処理の処理速度は８Ｍｂｉｔ／ｓであり、秘匿性増強処理の処理速度は８Ｍｂｉｔ／ｓである（図５参照）。また誤り訂正処理の処理速度と秘匿性増強処理の処理速度との差分は、０Ｍｂｉｔ／ｓである（図６参照）。

推定ＱｂＥＲが１．８０Ｅ−０２である場合と、推定ＱｂＥＲが９．００Ｅ−０３の場合については第１実施形態で説明したため、説明を省略する。

図１１Ａは第２実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（時系列順）の例を示す図である。Ｄａｔａ−１〜４の処理は、誤り訂正処理が遅いため、秘匿性増強処処理に待ち時間が発生する。またＤａｔａ−９〜１１の処理は、記憶領域の容量の関係で誤り訂正処理が実行されない時間帯が存在する。これは例えばＤａｔａ−９が終了した時点（１９Ｔ）で次のＤａｔａ−１０の誤り訂正処理を実施したいが、秘匿性増強処理は３個前のＤａｔａ−７の処理を実施しているためである。すなわち記憶領域には、Ｄａｔａ−８に対応する誤り訂正処理データ、及びＤａｔａ−９に対応する誤り訂正処理データが、秘匿性増強処理の入力データＥとして存在するので、Ｄａｔａ−１０の誤り訂正処理が開始できない。

決定部５は、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を円滑に実行できるようにするため、具体的には以下のようにしてシフト処理データの処理順序を決定する。

図１０Ｂは第１実施形態の決定部５が決定した処理順序の例を示す図である。決定部５は、推定ＱｂＥＲに基づいてシフト処理データを２つずつ組み合わせ、組み合わせ（１）〜（６）の順に処理順序を決定する。図１０Ｂの組み合わせ（１）の作成について具体的に説明する。Ｄａｔａ−５、及びＤａｔａ−６の推定ＱｂＥＲは１．２０Ｅ−０２であるため、誤り訂正処理の処理速度（８Ｍｂｉｔ／ｓ）と、秘匿性増強処理の処理速度（８Ｍｂｉｔ／ｓ）との差分は、０Ｍｂｉｔ／ｓである（図５及び図６参照）。すなわちＤａｔａ−５の差分データの絶対値と、Ｄａｔａ−６の差分データの絶対値と、の和は０である。したがって決定部５はＤａｔａ−５、及びＤａｔａ−６を組み合わせることにより組み合わせ（１）を作成し、組み合わせ（１）を最初に誤りを訂正するシフト処理データの組み合わせに決定する。決定部５は組み合わせ（１）と同様にして、組み合わせ（２）を作成する。また組み合わせ（３）〜（６）については第１実施形態と同様のため説明を省略する。

図１１Ｂは第２実施形態の誤り訂正処理及び秘匿性増強処理のタイミングチャート（処理順序変更後）の例を示す図である。図１１Ｂのタイミングチャートでは、最初の時間帯のみ秘匿性増強処理に待ち時間が発生するものの、それ以降は円滑に処理が進められていることが分かる。

以上説明したように、第２実施形態の量子通信装置１００は、決定部５が第１実施形態と同様の方法で２つのシフト処理データを組み合わせて、誤り訂正処理の処理順序を決定する。更に、第２実施形態の決定部５は誤り訂正処理の処理速度と、秘匿性増強処理の処理速度と、が等しいシフト処理データが複数ある場合、当該シフト処理データを組み合わせて最初に誤り訂正処理をするように処理順序を決定する。これにより本実施形態の量子通信装置１００は誤り訂正処理の処理時間と、秘匿性増強処理の処理時間と、を削減することができるので暗号鍵データの生成を効率的に行うことができる。

（第３実施形態）
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態では、量子通信装置１００における処理の実行により得られた関連データ（訂正処理時間、ＱｂＥＲ、及び秘匿性増強処理時間）をフィードバックすることにより、記憶部６に記憶されているデータを更新（最適化）する。第３実施形態の説明では第１実施形態と同様の説明は省略し、第１実施形態と異なる箇所について詳細に説明する。

図１２は第３実施形態の量子通信装置１００の構成の例を示す図である。第３実施形態の量子通信装置１００は、受信部１、シフト処理部２、推定部３、バッファ４、決定部５、記憶部６、訂正部７、測定部８、秘匿性増強部９、アプリケーション部１０、更新部１１及び調整部１２を備える。受信部１、シフト処理部２、推定部３、バッファ４、及びアプリケーション部１０は第１実施形態と同じであるため説明を省略する。

決定部５はバッファ４に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上あるか否かを判定する。バッファ４に記憶されているシフト処理データのデータ量が、第１閾値以上ある場合、決定部５は、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲと、推定ＱｂＥＲの推定誤差と、ＱｂＥＲに応じた上述の差分データと、に基づいて誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する。第３実施形態の決定部５は、シフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲをそのまま使用せずに、推定ＱｂＥＲの推定誤差に基づいた補正後の推定ＱｂＥＲを使用して、誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する。

ここで推定ＱｂＥＲの推定誤差について説明する。図１３は第２実施形態の推定ＱｂＥＲの推定誤差の例を示す図である。図１３には推定ＱｂＥＲの範囲毎の推定誤差が示されている。例えば推定ＱｂＥＲの範囲が０≦ＱｂＥＲ＜（５ｅ−３）の場合の推定誤差はａである。推定誤差は、後述の更新部１１が、推定部３が推定した推定ＱｂＥＲと、測定部８が測定したＱｂＥＲと、の差に基づいて算出された値である。推定誤差の詳細な説明は後述する。

また決定部５は第１実施形態で説明した訂正順序決定処理の停止命令を更新部１１から受信する。訂正順序決定処理の停止命令を受信した場合、決定部５は誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する処理を停止する。すなわち訂正部７はバッファ４のシフト処理データを時系列に処理する。

記憶部６はＱｂＥＲに応じた上述の差分データ、及び推定誤差データベースを記憶する。ＱｂＥＲに応じた上述の差分データは第１実施形態と同じであるため説明を省略する。推定誤差データベースは推定ＱｂＥＲの推定誤差を記憶する（図１３参照）。

訂正部７は訂正するシフト処理データの順序を示すデータを決定部５から受信する。訂正部７は第１実施形態と同じ方法でシフト処理データの訂正処理を行い、誤り訂正処理データを生成する。このとき第２実施形態の訂正部７は実際にシフト処理データの訂正処理にかかった訂正処理時間を取得する。訂正部７は当該訂正処理時間と、当該訂正処理時間の取得の対象としたシフト処理データを識別する識別情報と、を含む訂正処理情報を更新部１１に送信する。また訂正部７は誤り訂正処理データと、当該誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データを識別する識別情報と、を秘匿性増強部９に送信する。

測定部８は第１実施形態と同じ方法でシフト処理データのＱｂＥＲを測定する。このとき第３実施形態の測定部８はＱｂＥＲと、当該ＱｂＥＲの測定の対象としたシフト処理データを識別する識別情報と、を含む測定情報を更新部１１に送信する。また第３実施形態の測定部８はＱｂＥＲを調整部１２に送信する。

秘匿性増強部９は誤り訂正処理データと、当該誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データの識別情報と、を訂正部７から受信し、当該誤り訂正処理データのＱｂＥＲを測定部８から受信する。秘匿性増強部９は第１実施形態と同じ方法で誤り訂正処理データの秘匿性増強処理を行う。このとき第３実施形態の秘匿性増強部９は実際に誤り訂正処理データの秘匿性増強処理にかかった秘匿性増強処理時間を取得する。秘匿性増強部９は当該秘匿性増強処理時間と、当該秘匿性増強処理時間の取得の対象とした誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データの識別情報と、を含む秘匿性増強処理情報を更新部１１に送信する。

更新部１１は上述の訂正処理情報を訂正部７から受信し、上述の秘匿性増強処理情報を秘匿性増強部９から受信し、上述の測定情報を測定部８から受信する。また更新部１１はシフト処理データの識別情報により識別されるシフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲをバッファ４から取得する。

更新部１１はシフト処理データのＱｂＥＲと、当該シフト処理データの訂正処理時間と、当該シフト処理データに対応する誤り訂正処理データの秘匿性増強処理時間と、に基づいて、記憶部６のＱｂＥＲに応じた差分データを更新する。また更新部１１は推定ＱｂＥＲとＱｂＥＲとの差により推定誤差を算出する。更新部１１は、算出した複数の推定誤差を用いて推定ＱｂＥＲの推定誤差の平均値を算出し、当該平均値により当該推定ＱｂＥＲの推定誤差を更新する。

なお更新部１１は推定誤差の平均値が第２閾値以上の場合、推定誤差を更新しない。更新部１１は記憶部６に記憶されているデータを更新（最適化）する代わりに、上述の訂正順序決定処理を停止する停止命令を決定部５に送信する。これは訂正部７及び測定部８の動作状態と、推定部３の動作状態との整合性が取れていないと考えられるためである。つまり、このような状況では実際の訂正処理で得られたデータをフィードバックして記憶部６のデータを更新するよりも、各データベースの初期化などを伴うメンテナンス作業や、量子通信装置１００の初期化（再起動など）を行う方がよいためである。

調整部１２はＱｂＥＲを測定部８から受信する。又は調整部１２は推定ＱｂＥＲをバッファ４から取得する。調整部１２は推定ＱｂＥＲの平均値又はＱｂＥＲの平均値を算出する。また調整部１２は差分データが０であるＱｂＥＲを記憶部６から取得する。そして調整部１２は算出した推定ＱｂＥＲの平均値又はＱｂＥＲの平均値と、差分データが０であるＱｂＥＲと、の差を算出する。調整部１２は差が第３閾値以上である場合、推定ＱｂＥＲの平均値又はＱｂＥＲの平均値と、差分データが０であるＱｂＥＲと、が一致するように、訂正部７の並列計算数、又は（及び）秘匿性増強部９の並列計算数を調整する。

このように調整する理由は、処理対象のシフト処理データのＱｂＥＲの平均値と、上述の差分データが０になるＱｂＥＲと、が一致している場合に、上述の訂正順序決定処理の効果が最も発揮されるためである。

なお調整部１２には、予め、様々な並列計算数に対応した回路データや並列計算パラメータが格納されている。例えば、信号処理をＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）で実装している場合は、回路構成を示すバイナリファイルが格納されており、ソフトウェアで実装している場合は、信号処理プログラムやパラメータが格納されている。構成を変更させる場合、調整部１２は処理対象のシフト処理データのＱｂＥＲの平均値と、上述の差分データが０になるＱｂＥＲと、が最も近くなるように、誤り訂正処理、又は（及び）秘匿性増強処理の構成を格納されている候補（回路データや並列計算パラメータなど）の中から選択する。

また調整部１２は、誤り訂正処理と秘匿性増強処理とを円滑に処理させるための調整も行う。例えばＱｂＥＲが非常に低く、誤り訂正処理の方が非常に速い場合、秘匿性増強処理がボトルネックになる。よって、調整部１２は、例えば誤り訂正処理の並列計算数を減らす、又は秘匿性増強処理の並列計算数を増加させる、または、その両方を実施する。これにより調整部１２は、誤り訂正処理と秘匿性増強処理とを円滑に処理させることができる。

なお並列計算数の初期設定に関しては、例えば量子通信装置１００を量子通信路に接続する前に、予め測定しておいた量子通信路のＱｂＥＲの平均値を使用する。すなわち初期設定は測定したＱｂＥＲと、誤り訂正処理のスループット及び秘匿性増強処理のスループットが同じになるＱｂＥＲと、が一致するように決定する。

次にフローチャートを参照して、第３実施形態の更新部１１の動作方法の例について説明する。図１４は第３実施形態の更新部１１の動作方法の例を示すフローチャートである。更新部１１は訂正処理時間と、当該訂正処理時間の取得の対象としたシフト処理データを識別する識別情報と、を含む訂正処理情報を訂正部７から受信する（ステップＳ２１）。次に、更新部１１は秘匿性増強処理時間と、当該秘匿性増強処理時間の取得の対象とした誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データの識別情報と、を含む秘匿性増強処理情報を秘匿性増強部９から受信する（ステップＳ２２）。

次に、更新部１１はＱｂＥＲと、当該ＱｂＥＲの測定の対象としたシフト処理データを識別する識別情報と、を含む測定情報を測定部８から受信する（ステップＳ２３）。次に、更新部１１はシフト処理データの識別情報により識別されるシフト処理データに関連付けられた推定ＱｂＥＲをバッファ４から取得する（ステップＳ２４）。

次に、更新部１１はシフト処理データのＱｂＥＲと、当該シフト処理データの訂正処理時間と、当該シフト処理データに対応する誤り訂正処理データの秘匿性増強処理時間と、に基づいて、記憶部６のＱｂＥＲに応じた差分データを更新する（ステップＳ２５）。

次に、更新部１１は推定ＱｂＥＲと、ＱｂＥＲとの差により推定誤差を算出し、算出した複数の推定誤差を用いて推定ＱｂＥＲの推定誤差の平均値を算出する（ステップＳ２６）。更新部１１は推定誤差の平均値が第２閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２７）。第２閾値以上の場合（ステップＳ２７、Ｙｅｓ）、更新部１１は上述の訂正順序決定処理を停止する停止命令を送信する（ステップＳ２９）。第２閾値未満の場合（ステップＳ２７、Ｎｏ）、更新部１１は当該推定ＱｂＥＲの推定誤差を当該平均値で更新する（ステップＳ２８）。

次にフローチャートを参照して、第３実施形態の調整部１２の動作方法の例について説明する。図１５は第３実施形態の調整部１２の動作方法の例を示すフローチャートである。調整部１２は推定ＱｂＥＲの平均値又はＱｂＥＲの平均値を算出する（ステップＳ３１）。次に、調整部１２は差分データが０であるＱｂＥＲを記憶部６から取得する（ステップＳ２２）。次に、調整部１２は算出した推定ＱｂＥＲの平均値（又はＱｂＥＲの平均値）と、差分データが０であるＱｂＥＲと、の差が第３閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３３）。差が第３閾値以上である場合（ステップＳ３３、Ｙｅｓ）、調整部１２は推定ＱｂＥＲの平均値（又はＱｂＥＲの平均値）と、差分データが０であるＱｂＥＲと、が一致するように、訂正部７の並列計算数、又は（及び）秘匿性増強部９の並列計算数を調整する（ステップＳ３４）。差が第３閾値以上でない場合（ステップＳ３３、Ｎｏ）、処理を終了する。

以上説明したように、第３実施形態の量子通信装置１００では、更新部１１が訂正部７からフィードバックされた訂正処理時間、測定部８からフィードバックされたＱｂＥＲ、及び秘匿性増強部９からフィードバックされた秘匿性増強処理時間に基づいてＱｂＥＲに応じた上述の差分データを更新する。また更新部１１が推定ＱｂＥＲとＱｂＥＲとの差により推定誤差を算出し、算出した複数の推定誤差を用いて推定ＱｂＥＲの推定誤差の平均値を算出し、当該平均値により当該推定ＱｂＥＲの推定誤差を更新する。これにより第３実施形態の量子通信装置１００は、推定部３及び決定部５の処理を最適化することにより改善することができる。

また第３実施形態の量子通信装置１００では、調整部１２が推定ＱｂＥＲの平均値（又はＱｂＥＲの平均値）と、差分データが０であるＱｂＥＲと、の差が第３閾値以上である場合、推定ＱｂＥＲの平均値（又はＱｂＥＲの平均値）と、差分データが０であるＱｂＥＲと、が一致するように、訂正部７の並列計算数、又は（及び）秘匿性増強部９の並列計算数を調整する。これにより第３実施形態の量子通信装置１００は、上述の訂正順序決定処理の効果が最も発揮されるように決定部５の処理を最適化することができる。

（第４実施形態）
次に第４実施形態について説明する。第４実施形態の量子通信装置１００は、複数の装置から暗号鍵ビット列を受信する。第４実施形態の説明では第１実施形態と同様の説明は省略し、第１実施形態と異なる箇所について詳細に説明する。第４実施形態の量子通信装置１００は、一対多のノードで量子鍵配送による鍵共有を行う量子アクセスネットワーク（ＱＡＮ）で利用される。

図１６は、量子アクセスネットワーク（ＱＡＮ）の例を示す図である。図１６の例では、量子通信装置１００が、量子コアネットワーク（ＱＣＮ）に接続されている。そして量子通信装置１００に暗号鍵ビット列を送信する装置２００が３つ接続されている。図１６の例では、量子アクセスネットワーク（ＱＡＮ）は量子通信装置１００と、３つの装置２００と、により構成されている。なお装置２００の数は任意でよいが、本実施形態の説明では簡単のため装置２００の数を３つとする。

図１７は、第４実施形態の量子通信装置１００の構成の例を示す図である。第４実施形態の量子通信装置１００の構成は、第１実施形態の量子通信装置１００の構成のうち、シフト処理部２、推定部３、訂正部７、測定部８及び秘匿性増強部９が多重化されている。これにより複数の装置２００から暗号鍵ビット列を受信する場合でも、量子通信装置１００は装置２００毎に暗号鍵データを遅延することなく生成できる。

なお図１７の例では、シフト処理部２、推定部３、訂正部７、測定部８及び秘匿性増強部９は、全て送信側の装置２００の数（本実施形態では３つ）だけ多重化されている。しかしながら多重度は送信側の装置２００の数と同一にする必要はなく、また各々の機能ブロックの処理の負荷に応じて多重度を変更してもよい。

バッファ４は、シフト処理データと推定ＱｂＥＲとに、送信側の装置２００を識別する識別情報を更に関連付けて記憶する。なお装置２００の識別情報は、アプリケーション部１０が、暗号鍵データを装置２００毎に識別するときに参照される。

決定部５は、装置２００の識別情報は参照せずに、第１実施形態と同じ方法で誤りを訂正するシフト処理データの順序を決定する。すなわち、送信元の異なる暗号鍵ビット列から生成された複数のシフト処理データを混在させて訂正するシフト処理データの順序を決定する。決定部５は、３つの訂正部７のうち処理の負荷が一番小さい訂正部７に、訂正するシフト処理データの順序を示すデータを送信する。

訂正部７は、第１実施形態と同じ方法でシフト処理データの訂正処理を行う。このとき訂正部７は複数のシフト処理データのうち一のシフト処理データと、当該シフト処理データを送信した装置２００の識別情報と、を決定部５により決定された順序でバッファ４から取得する。訂正部７は誤り訂正処理データと、装置２００の識別情報と、を３つの秘匿性増強部９のうち処理の負荷が一番小さい秘匿性増強部９に送信する。また訂正部７は誤り訂正処理データと、装置２００の識別情報と、測定したＱｂＥＲを送信する秘匿性増強部９を識別する識別情報と、を３つの測定部８のうち処理の負荷が一番小さい測定部８に送信する。

測定部８は誤り訂正処理データと、装置２００の識別情報と、測定したＱｂＥＲを送信する秘匿性増強部９を識別する識別情報と、を訂正部７から受信する。また測定部８は当該誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データをバッファ４から取得する。測定部８は誤り訂正処理データと、誤り訂正処理データに対応する訂正前のシフト処理データとを比較することによりシフト処理データのＱｂＥＲを測定する。測定部８は装置２００の識別情報と測定したＱｂＥＲとを、訂正部７から受信した秘匿性増強部９の識別情報により識別される秘匿性増強部９に送信する。

秘匿性増強部９は誤り訂正処理データと、当該シフト処理データを送信した装置２００の識別情報と、を訂正部７から受信し、当該装置２００の識別情報と、当該誤り訂正処理データのＱｂＥＲと、を測定部８から受信する。秘匿性増強部９は誤り訂正処理データのＱｂＥＲに基づく当該誤り訂正処理データの秘匿性増強処理を行う。そして秘匿性増強部９は誤り訂正処理データの秘匿性増強処理により得られたビット列を使用して、共有する暗号鍵データを生成する。秘匿性増強部９は、装置２００の識別情報と生成した暗号鍵データと、をアプリケーション部１０に送信する。

アプリケーション部１０は装置２００の識別情報と暗号鍵データと、を秘匿性増強部９から受信する。アプリケーション部１０は送信側の装置２００毎に暗号鍵データをまとめ、装置２００毎に暗号鍵データを使用してデータの暗号化及び復号化を行う。アプリケーション部１０は当該暗号化されたデータを送信側の装置２００と送受信する。

以上説明したように、第４実施形態の量子通信装置１００では、バッファ４が送信側の装置２００の識別情報とシフト処理データと推定ＱｂＥＲとを関連付けて記憶する。決定部５、訂正部７及び測定部８は送信側の装置２００を識別せずに処理を行う。秘匿性増強部９は誤り訂正処理データの秘匿性増強処理により得られたビット列を使用して、送信側の装置２００毎に、共有する暗号鍵データを生成する。これにより第４実施形態の量子通信装置１００は、複数の装置２００と通信する場合でも誤り訂正処理を効率的に行うことができる。

なお、第４実施形態の量子通信装置１００では、装置２００を識別せずに決定部５、訂正部７、測定部８及び秘匿性増強部９の処理を行っていたが、装置２００毎に、処理を行っても良い。

また、第４実施形態の量子通信装置１００では、決定部５は、３つの訂正部７のうち処理の負荷が一番小さい訂正部７に、データを送信していたが、処理時間が均等になるように、各訂正部７にデータを割り振っても良い。また、決定部５は各訂正部７の中で利用する検査行列が全て同じになるようにデータを割り振っても良い。すなわち決定部５は、各シフト処理データの訂正に使用する検査行列に応じて、各訂正部７にデータを割り振っても良い。

また、第４実施形態の量子通信装置１００では、訂正部７は誤り訂正処理データと、装置２００の識別情報と、を秘匿性増強部９に送信していたが、誤り訂正処理データと、装置２００の識別情報と、を測定部８から秘匿性増強部９に送信してもよい。このようにすると、訂正部７は送信先の秘匿性増強部９を識別する識別情報を測定部８に送信しなくてよい。

また、複数の訂正部７と複数の秘匿性増強部９との間に共有メモリを置いてもよい。すなわち訂正部７が誤り訂正処理データを当該共有メモリに記憶し、測定したＱｂＥＲを当該共有メモリに記憶し、秘匿性増強部９が当該共有メモリに記憶された誤り訂正処理データ及びＱｂＥＲを取得してもよい。この場合も、秘匿性増強部９に入力する時、決定部５で決定した処理の組み合わせや処理順を保ったまま入力するのが望ましい。

また第２実施形態と第３実施形態を組み合わせてもよい。すなわち量子通信装置１００における処理の実行により得られた関連データ（訂正処理時間、ＱｂＥＲ及び秘匿性増強処理時間）をフィードバックすることにより、記憶部６に記憶されているデータを更新（最適化）してもよい。このとき送信側の装置２００を識別せずに最適化を行ってもよいし、送信側の装置２００毎に最適化を行ってもよい。送信側の装置２００毎に最適化を行う場合は、決定部５、訂正部７、測定部８及び秘匿性増強部９は送信側の装置２００を識別して処理を行い、フィードバックに使用する関連データがどの装置２００に関するデータであるかを識別する。

最後に、第１〜第４実施形態の量子通信装置１００のハードウェア構成の例について説明する。図１８は第１〜第４実施形態の量子通信装置１００の構成の例を示す図である。第１〜第４実施形態の量子通信装置１００は、制御装置２１、主記憶装置２２、補助記憶装置２３、表示装置２４、入力装置２５、量子通信ＩＦ２６及び古典通信ＩＦ２７を備える。制御装置２１、主記憶装置２２、補助記憶装置２３、表示装置２４、入力装置２５、量子通信ＩＦ２６及び古典通信ＩＦ２７は、バス２８を介して互いに接続されている。量子通信装置１００は上述のハードウェア構成を有する任意の装置でよい。例えば量子通信装置１００はＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）や携帯端末などである。

制御装置２１は補助記憶装置２３から主記憶装置２２に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置２２はＲＯＭやＲＡＭ等のメモリである。補助記憶装置２３はＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やメモリカード等である。表示装置２４は量子通信装置１００の状態などを表示する。入力装置２５はユーザーからの入力を受け付ける。量子通信ＩＦ２６は量子通信路に接続するためのインターフェースである。古典通信ＩＦ２７は古典通信路に接続するためのインターフェースである。

第１〜第４実施形態の量子通信装置１００で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

また、第１〜第４実施形態の量子通信装置１００で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、第１〜第４実施形態の量子通信装置１００が実行するプログラムを、ダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。

また、第１〜第４実施形態の量子通信装置１００のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

第１〜第４実施形態の量子通信装置１００で実行されるプログラムは、上述した各機能ブロック（受信部１、シフト処理部２、推定部３、決定部５、訂正部７、測定部８、秘匿性増強部９、アプリケーション部１０、更新部１１及び調整部１２）を含むモジュール構成となっている。当該各機能ブロックは、実際のハードウェアとしては、制御装置２１が記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、上記各機能ブロックが主記憶装置２２上にロードされる。すなわち、上記各機能ブロックは、主記憶装置２２上に生成される。

なお、上述した各部（受信部１、シフト処理部２、推定部３、決定部５、訂正部７、測定部８、秘匿性増強部９、アプリケーション部１０、更新部１１及び調整部１２）の一部又は全部を、ソフトウェアにより実現せずに、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよい。

以上説明したとおり、第１〜第４実施形態の量子通信装置１００によれば、誤り訂正処理の処理時間と、秘匿性増強処理の処理時間と、を削減することができるので暗号鍵データの生成を効率的に行うことができる。

本発明の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。これら新規な実施形態は、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、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 受信部
２ シフト処理部
３ 推定部
４ バッファ
５ 決定部
６ 記憶部
７ 訂正部
８ 測定部
９ 秘匿性増強部
１０ アプリケーション部
１１ 更新部
１２ 調整部
２１ 制御装置
２２ 主記憶装置
２３ 補助記憶装置
２４ 表示装置
２５ 入力装置
２６ 量子通信ＩＦ
２７ 古典通信ＩＦ
２８ バス

Claims (11)

1. 光子の量子状態を利用した複数の基底のうち一の基底により表現された暗号鍵ビットを、量子通信路を介して受信し、受信した複数の前記暗号鍵ビットから成る暗号鍵ビット列を取得する受信部と、
   前記複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で前記暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得するシフト処理部と、
   前記シフト処理データの一部のデータの誤り率により、前記シフト処理データの誤り率を推定した推定誤り率を取得する推定部と、
   前記シフト処理データと前記推定誤り率とを関連付けて記憶する第１記憶部と、
   前記シフト処理データの誤り率毎に、前記シフト処理データの誤り訂正処理の処理速度と、前記シフト処理データの秘匿性増強処理の処理速度と、の差を示す差分データを記憶する第２記憶部と、
   前記第１記憶部に記憶されている前記シフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、前記推定誤り率と、前記差分データと、に基づいて誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する決定部と、
   複数の前記シフト処理データのうち一の前記シフト処理データを、前記決定部により決定された順序で前記第１記憶部から取得し、取得した前記シフト処理データを前記誤り訂正処理により訂正した誤り訂正処理データを生成する訂正部と、
   前記誤り訂正処理データと、前記誤り訂正処理データに対応する訂正前の前記シフト処理データとを比較することにより前記訂正前のシフト処理データの誤り率を測定する測定部と、
   前記測定部により測定された前記誤り率に基づいて、前記誤り訂正処理データに前記秘匿性増強処理を行うことにより暗号鍵データを生成する秘匿性増強部と、
   を備える量子通信装置。
2. 前記受信部は、
   前記暗号鍵ビット列を送信した送信側の装置から古典通信路を介して前記シフト処理データの一部を受信し、
   前記推定部は、
   前記シフト処理部が取得した前記シフト処理データのうち前記古典通信路を介して受信した前記シフト処理データの一部に対応するデータと、前記受信部が前記古典通信路を介して受信した前記シフト処理データの一部と、に基づいて前記シフト処理データの推定誤り率を取得する
   請求項１に記載の量子通信装置。
3. 前記決定部は、
   前記シフト処理データに関連付けられた前記推定誤り率の各々について、前記推定誤り率と一致する前記誤り率に対応する前記差分データを取得することにより複数の前記差分データを取得し、２つの前記差分データの和が０に近づくようにして、前記複数の差分データを２つの前記差分データ毎に組み合わせ、組み合わされた前記差分データを順序付け、前記組み合わされた差分データの順序により、前記差分データに対応する前記誤り率に一致する前記推定誤り率に関連付けられた前記シフト処理データの誤りを訂正する順序を決定する
   請求項１又は２に記載の量子通信装置。
4. 前記決定部は、
   前記組み合わされた差分データに含まれる差分データのうち、前記差分データに対応する前記誤り率が小さい方の前記誤り率に一致する前記推定誤り率に関連付けられた前記シフト処理データから誤りを訂正するように順序を決定する
   請求項３に記載の量子通信装置。
5. 前記決定部は、
   前記組み合わされた差分データを、２つの前記差分データの絶対値の和が０に近い前記組み合わされた差分データの順に順序付ける
   請求項３又は４に記載の量子通信装置。
6. 前記訂正部は、
   前記シフト処理データの誤り訂正処理にかかった時間を示す訂正処理時間を取得し、
   前記秘匿性増強部は、
   前記誤り訂正処理データの秘匿性増強処理にかかった時間を示す秘匿性増強処理時間を取得し、
   前記訂正処理時間と、前記秘匿性増強処理時間と、に基づいて前記差分データを更新する更新部、
   を更に備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子通信装置。
7. 前記第２記憶部は、
   前記推定誤り率の推定誤差を更に記憶し、
   前記更新部は、
   前記推定誤り率と、前記測定部により測定された前記誤り率との差により前記推定誤差を算出し、算出した複数の推定誤差を用いて前記推定誤差の平均値を算出し、前記推定誤差の平均値により前記推定誤り率の推定誤差を更新し、
   前記決定部は、
   前記第２記憶部の推定誤差に更に基づいて、誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する
   請求項６に記載の量子通信装置。
8. 前記更新部は、
   前記推定誤差の平均値が第２閾値以上である場合、前記推定誤差の平均値により前記推定誤り率の推定誤差を更新せずに、誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する停止通知を前記決定部に送信し、
   前記決定部は、
   前記停止通知を受信すると、誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する処理を停止する
   請求項７に記載の量子通信装置。
9. 前記推定誤り率の平均値又は前記誤り率の平均値を算出し、算出した前記推定誤り率の平均値又は前記誤り率の平均値と、前記差分データが０である前記誤り率と、の差が第３閾値以上である場合、前記推定誤り率の平均値又は前記誤り率の平均値と、前記差分データが０である前記誤り率と、が一致するように、前記訂正部の並列計算数、又は前記秘匿性増強部の並列計算数を調整する調整部、
   を更に備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載の量子通信装置。
10. 受信部が、光子の量子状態を利用した複数の基底のうち一の基底により表現された暗号鍵ビットを、量子通信路を介して受信し、受信した複数の前記暗号鍵ビットから成る暗号鍵ビット列を取得するステップと、
    シフト処理部が、前記複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で前記暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得するステップと、
    推定部が、前記シフト処理データの一部のデータの誤り率により、前記シフト処理データの前記誤り率を推定した推定誤り率を取得するステップと、
    第１記憶部が、前記シフト処理データと前記推定誤り率とを関連付けて記憶するステップと、
    第２記憶部が、前記シフト処理データの誤り率毎に、前記シフト処理データの誤り訂正処理の処理速度と、前記シフト処理データの秘匿性増強処理の処理速度と、の差を示す差分データを記憶するステップと、
    決定部が、前記第１記憶部に記憶されている前記シフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、前記推定誤り率と、前記差分データと、に基づいて誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定するステップと、
    訂正部が、複数の前記シフト処理データのうち一の前記シフト処理データを、前記決定部により決定された順序で前記第１記憶部から取得し、取得した前記シフト処理データを、前記誤り訂正処理により訂正した誤り訂正処理データを生成するステップと、
    測定部が、前記誤り訂正処理データと、前記誤り訂正処理データに対応する訂正前の前記シフト処理データとを比較することにより前記訂正前のシフト処理データの誤り率を測定するステップと、
    秘匿性増強部が、前記測定部により測定された前記誤り率に基づいて、前記誤り訂正処理データに前記秘匿性増強処理を行うことにより暗号鍵データを生成するステップと、
    を含む量子通信方法。
11. コンピュータを、
    光子の量子状態を利用した複数の基底のうち一の基底により表現された暗号鍵ビットを、量子通信路を介して受信し、受信した複数の前記暗号鍵ビットから成る暗号鍵ビット列を取得する受信部と、
    前記複数の基底からランダムに選択した参照基底により、所定のビット列単位で前記暗号鍵ビット列を参照してシフト処理データを取得するシフト処理部と、
    前記シフト処理データの一部のデータの誤り率により、前記シフト処理データの誤り率を推定した推定誤り率を取得する推定部と、
    前記シフト処理データと前記推定誤り率とを関連付けて記憶する第１記憶部と、
    前記シフト処理データの誤り率毎に、前記シフト処理データの誤り訂正処理の処理速度と、前記シフト処理データの秘匿性増強処理の処理速度と、の差を示す差分データを記憶する第２記憶部と、
    前記第１記憶部に記憶されている前記シフト処理データのデータ量が、第１閾値以上である場合、前記推定誤り率と、前記差分データと、に基づいて誤りを訂正する前記シフト処理データの順序を決定する決定部と、
    複数の前記シフト処理データのうち一の前記シフト処理データを、前記決定部により決定された順序で前記第１記憶部から取得し、取得した前記シフト処理データを前記誤り訂正処理により訂正した誤り訂正処理データを生成する訂正部と、
    前記誤り訂正処理データと、前記誤り訂正処理データに対応する訂正前の前記シフト処理データとを比較することにより前記訂正前のシフト処理データの誤り率を測定する測定部と、
    前記測定部により測定された前記誤り率に基づいて、前記誤り訂正処理データに前記秘匿性増強処理を行うことにより暗号鍵データを生成する秘匿性増強部、
    として機能させるためのプログラム。

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