JP2015226277A - 量子鍵配送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランダム位相パルス列の生成部分を簡略化した差動位相シフト量子鍵配送システムを提供する。【解決手段】差動位相シフト型の量子鍵配送システムで用いられる送信器３０であって、縮退光パラメトリック発振により相対位相がランダムに０またはπである一定周期の光パルス列を出力する縮退光パラメトリック発振器３１と、光パラメトリック発振器３１からの光パルス列を２分岐するビームスプリッタ３２と、ビームスプリッタの一方の光パルス列を減衰して光伝送路へ送出する光減衰器３６と、ビームスプリッタの他方の光パルス列が入力され、光パルス列を干渉させて２つの出力端から出力するマッハツェンダ干渉計３３と、マッハツェンダ干渉計の２つの出力端からの光出力強度を検出する光検出器３４、３５と、検出された光パルスの位置と位相差とを記憶する位相差データ記憶手段を備え、記憶したパルス位置と位相差を利用して秘密鍵を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、暗号通信に用いる秘密鍵を離れた２者に供給する量子鍵配送装置に関する。

暗号通信に用いる秘密鍵を量子力学の原理を利用して安全に離れた２者に供給する量子鍵配送（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ： ＱＫＤ）の研究開発が進められている。量子鍵配送にもいくつかの方式があり、例えば、差動位相シフト（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ： ＤＰＳ）ＱＫＤと呼ばれる方式が知られている。

図１は、従来のＤＰＳ−ＱＫＤシステムの基本構成である。送信器１０は、コヒーレントパルス光源１１と、位相変調器１２と、光減衰器１３とを備えている。コヒーレントパルス光源１１から出力されたコヒーレント光パルス列の各パルスの搬送波位相を、位相変調器１２において｛０，π｝のいずれかでランダムに位相変調し、かつ光減衰器１３においてその光パワーを１パルス当たり平均１光子未満（例えば、０．２光子／パルス）まで弱めて光伝送路に送出する。この際、送信器１０では位相変調データを記録しておく。受信器２０は、遅延マッハツェンダ干渉計２１において、送られてきた光パルス列Ｐ１を２分岐し、一方にパルス間隔分の時間遅延を与えた後、２×２光カップラにより再び合波する。この構成は、遅延マッハツェンダ干渉計と呼ばれているものである。この遅延マッハツェンダ干渉計内の２経路の伝播遅延位相差は０とする。光カップラの２つの出力端子にはそれぞれ光子検出器２２、２３が備えられている。すると、合波カップラでは隣接するパルスが干渉し、干渉の結果、２つの光子検出器２２、２３のいずれかで光子を検出する。２経路の伝播遅延位相差を０としているので、隣接パルスの位相差が０なら光子検出器２２で、πなら光子検出器２３で、光子が検出される。ただし、受信光パワーが１光子未満／パルスなので、光子が検出されるのは稀かつ時間的にランダムである。

上記装置を用いて、送受信者は次の手順により秘密鍵を獲得する。（１） 光パルス列送受信後、受信器２０は光子検出時刻を送信器１０に通知する。（２） 送信器１０は、光子検出時刻および自身の位相変調データからどちら光子検出器２２、２３で光子が検出されたかを知る。（３） 送信器１０および受信器２０では、検出器２２で光子検出された事象をビット「０」、検出器２３で光子検出された事象をビット「１」とする。上記動作原理により、両者のビットは一致している。ここで外部に公開されるのは光子検出時刻のみであり、ビット情報は非公開である。そこで、送信器１０および受信器２０では、上記により得たビット列を秘密鍵とする。

得られた秘密鍵の安全性は、送信される光パルス列のパワーが１光子未満／パルスであることにより保証される。盗聴者がこのような低パワーの光パルス列の全ての位相差を測定することは量子力学的に不可能であり、一部の鍵情報しか盗聴することはできない。一部の漏洩分は秘匿性増強と呼ばれるデータ処理により消去可能であり、これにより、送受信者は完全に安全な秘密鍵を得る。

K. Inoue, et al., "Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light", PHYSICAL REVIEW A 68, 022317 (2003). Hiroki Takesue, et al., "Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors", nature photonics, VOL. 1, JUNE 2007.

上記従来構成では、｛０，π｝ランダム位相パルス列の生成には、コヒーレントパルス光源からの出力光を、乱数発生装置から出力される乱数データに基づいて位相変調する手段が用いられていた。安全な量子鍵配送を実現するには、パターンに周期性が発生する疑似乱数は使用できず、完全にランダムな乱数を用いて位相変調を行う必要がある。そのため、これまではランダムな物理現象に基づいて乱数を発生する物理乱数発生器が用いられてきた。物理乱数発生器としては、たとえば雑音の物理量を検出し、検出された物理量が所定の閾値を超えるか否かを基準としてバイナリデータを出力するなどの方式がある。すなわち、従来の構成では、コヒーレントパルス光源に加え、物理乱数発生装置と位相変調器を組み合わせて、｛０，π｝ランダム位相パルス列の生成していたため、構成が複雑となる問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、｛０，π｝ランダム位相パルス列の生成部分を大幅に簡略化した差動位相シフト量子鍵配送システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、差動位相シフト型の量子鍵配送システムにおいて用いられる送信器であって、縮退光パラメトリック発振により相対位相がランダムに０またはπである一定周期の光パルス列を出力する縮退光パラメトリック発振器と、前記光パラメトリック発振器からの光パルス列を２分岐する分岐手段と、前記分岐手段の一方の光パルス列を減衰して光伝送路へ送出する手段と、前記分岐手段の他方の光パルス列が入力され、該光パルス列を干渉させて２つの出力端から出力するマッハツェンダ干渉計と、前記マッハツェンダ干渉計の２つの出力端からの光出力強度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された光パルスのパルス位置とその位相差とを記憶する位相差データ記憶手段とを備え、前記位相差データ記憶手段に記憶したパルス位置とその位相差を利用して秘密鍵を生成することを特徴とする送信器である。

本発明によれば、送信器では乱数発生器及び光位相変調器を不要とすることができ、従来よりも簡便な量子鍵配送システムが提供できる。

従来のＤＰＳ−ＱＫＤシステムの基本構成である。 本発明実施形態の量子鍵配送システムの基本構成例を示す図である。 縮退光パラメトリック発振器の構成の一例を示す図である。 縮退光パラメトリック発振器の構成の他の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態の量子鍵配送システムは、差動位相シフト量子鍵配送システムにおいて、送信器の光源として縮退光パラメトリック発振による連続光パルス列を用いている。縮退光パラメトリック発振で得られる連続光パルス列の各パルスは、その搬送波の相対位相が０またはπであり、いずれの位相となるかは完全にランダムとなる。

このように本実施形態の量子鍵配送システムでは、縮退光パラメトリック発振で得られた連続光パルス列そのものを光源として利用できるため、新たに乱数発生器と光位相変調器を必要とせず、従来よりも簡便な構成の差動位相シフト量子鍵配送システムを実現できる。

図２は、本発明実施形態の量子鍵配送システムの基本構成例を示す図である。本実施形態の量子鍵配送システムは、縮退光パラメトリック発振による連続光パルス列を出力する光源を有する送信器３０と従来と同様の構成の受信器２０とを備えている。

送信器３０は、縮退光パラメトリック発振器３１と、ビームスプリッタ３２と、遅延マッハツェンダ干渉計３３と、光検出器３４、３５と、光減衰器３６とを有している。縮退光パラメトリック発振器３１は、縮退光パラメトリック発振による連続光パルス列を発生させる。発生したパルス列はビームスプリッタ３２により２分岐され、一方は光減衰器３６により１光子／パルス未満まで弱められた後、光伝送路へ送出される。分岐された他方は、従来システムで受信器２０において用いたものと同様の遅延マッハツェンダ干渉計３３を経て、光検出器３４、３５に入力される。この光検出器３４、３５は光子検出器ではなく、通常の光通信システムで用いられているのと同様の光検出器を用いることができる。

受信器２０では、送られてきた光パルス列を従来のＤＰＳ−ＱＫＤシステムと同様の構成により受信する。

ここで、縮退光パラメトリック発振器３１について説明する。光パラメトリック発振器３１は、２次または３次の非線形光学媒質に高パワーのポンプ光を入射した時に起こる光パラメトリック増幅現象を増幅手段とする光発振器である。

例えば、２次非線形光学媒質にＥ_ｐ＝Ａ_ｐｅｘｐ（ｉ２πｆ_ｐｔ）で表される光周波数ｆ_ｐのポンプ光とＥ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉ２πｆ_ｓｔ）で表される光周波数ｆ_ｓのシグナル光を入射する（Ａ：複素振幅、ｔ：時間）。すると、Ｐ＝ε_０χ_２Ｅ_ｐＥ_ｓ ^＊＝ε_０χ_２Ａ_ｐＡ_ｓ ^＊ｅｘｐ［ｉ２π（ｆ_ｐ−ｆ_ｓ）ｔ］という非線形分極が生じ（ε_０：真空中の誘電率、χ_２：２次非線形感受率、^＊は複素共役を表す）、これより、ｆ_ｐ−ｆ_ｓ＝ｆ_ｉという周波数位置に新たな光（これをアイドラー光と呼ぶ）が発生する。この光は上記非線形分極から生じるため、その振幅はε_０χ_２Ａ_ｐＡ_ｓ ^＊に比例している。すなわち、シグナル光振幅の複素共役に比例している。アイドラー光が発生すると、この光とポンプ光とのパラメトリック相互作用により、ｆ_ｐ−ｆ_ｉ＝ｆ_ｐ−（ｆ_ｐ−ｆ_ｓ）＝ｆ_ｓという周波数位置に新たな光が発生する。この光はシグナル光と同じ周波数であり、シグナル光に同位相で重畳される。すなわち、シグナル光増加となる。シグナル光が増加すると、それによりアイドラー光がさらに発生し、それによりさらにシグナル光が増加し、ということが誘導的に起こる。このようにしてシグナル光が増幅される現象を光パラメトリック増幅という。ここで、増幅されるシグナル光周波数は、新たに発生した光が元のシグナル光に同位相で重畳されるための条件で決まる。これを位相整合条件という。

一般に、光増幅媒質を光共振器内に配置すると光発振器として動作し、外部から信号光を入射しなくても、コヒーレントな光が発振・出力される。光パラメトリック増幅の場合も同様で、非線形光学媒質を光共振器内に配置して光パラメトリック増幅条件を満たすポンプ光を入射すると、コヒーレントな光が発振・出力される。これが光パラメトリック発振器である。発振光周波数は位相整合条件で決まり、これを調整することにより、波長可変な光発振器として利用されている。

縮退光パラメトリック発振器３１は、光パラメトリック発振器のシグナル光とアイドラー光が縮退した特殊な形態である。光パラメトリック増幅現象の説明では、暗にシグナル光とアイドラー光は別々の光としたが、シグナル光周波数をｆ_ｓ＝ｆ_ｐ／２とすると、アイドラー光周波数はｆ_ｉ＝ｆ_ｐ−ｆ_ｓ＝ｆ_ｐ／２＝ｆ_ｓとなり、シグナル光とアイドラー光が重なり合う（縮退する）。ここで、前述のように、アイドラー光にはシグナル光の複素共役波という性質がある。また、パラメトリック増幅の利得が十分であれば、シグナル光とアイドラー光の大きさはほぼ等しい。すると、縮退波の複素振幅はＥ＝Ａｅｘｐ［ｉ（θ_０＋θ_ｓ）］＋Ａｅｘｐ［ｉ（θ_０−θ_ｓ）］＝Ａｅｘｐ（ｉθ_０）｛ｅｘｐ（ｉθ_ｓ）＋ｅｘｐ（−ｉθ_ｓ）｝＝２ｃｏｓ（θ_ｓ）Ａｅｘｐ（ｉθ_０）、その光強度は｜Ｅ｜^２＝４Ａ^２ｃｏｓ^２（θ_ｓ）と表される。ここで、Ａは実数振幅、θ_ｓはシグナル光位相、θ_０はθ_ｓ以外の位相成分である。

光強度｜Ｅ｜^２＝４Ａ^２ｃｏｓ^２（θ_ｓ）は、シグナル光出力強度はシグナル光位相に依存し、θ_ｓ＝０またはπの時に最大となることを示している。すなわち、縮退型光パラメトリック増幅では、シグナル光位相が０またはπの時に増幅利得が最大となることが判る。一般に共振器構成においては、増幅利得最大の条件下で光発振を起こす。したがって、縮退光パラメトリック発振器３１からは相対位相が０またはπの光が出力される。どちらの位相値であるかは、発振の種となる自然放出光の位相で決まり、これは原理的に完全にランダムである。

ここで縮退光パラメトリック発振器３１の構成について説明する。図３は、縮退光パラメトリック発振器３１の構成の一例を示す図である。図３では、送信器３０は、一定間隔Ｔ_ｐの連続光パルス列をポンプ光として用いている。すなわち、縮退光パラメトリック発振器３１（図２参照）は、光周波数ｆ_ｐ、パルス間隔Ｔ_ｐである連続光パルスＰ３を生成する連続光パルスレーザ４０と、光スイッチ４１と、連続光パルスＰ３が入力される光共振器４４と、光共振器４４内に設けられた非線形光学媒質４２と、光周波数ｆ_ｐ／２の光を透過させることができる光フィルタ４３とを備えている。ポンプ光である連続光パルスＰ３が非線形光学媒質４２を伝搬すると、縮退光パラメトリック増幅現象により、光周波数ｆ_ｐ／２、パルス間隔Ｔ_ｐである連続光パルスＰ４がシグナル光として生成される。ここで、連続光パルスＰ３と連続光パルスＰ４とは、時間的に同期している。非線形光学媒質４２から出力された連続光パルスＰ３およびＰ４は、光フィルタ４３により連続光パルスＰ３が除去されるため、光共振器４４内にはシグナル光である連続光パルスＰ４のみが周回（共振）する。ここで、光共振器４４で縮退光パラメトリック増幅を効率的に起こすためには、光共振器４４内に入力される連続光パルスＰ３と、周回した連続光パルスＰ４とが時間的に重なり合う必要がある。連続光パルスＰ３とＰ４とは同期しているため、連続光パルスＰ３としては、パルス間隔Ｔ_ｐが共振器一周時間のＮ分の１である光パルス列（Ｎは自然数）とすればよい。連続光パルスレーザ４０の出力段に設けられる光スイッチ４１は、必要に応じて発振状態をリセットするためにポンプ光パルス入射を定期的に一定時間停止する機能を有する。

なお、縮退光パラメトリック発振器３１の構成例として図３ではファブリ・ペロー型の光共振器４４を用いた構成例を説明したが、これに限定されるものではなく、代わりに例えば図４に示すように、リング型の光共振器５０（光リング共振器）を用いてもよい。非線形光学媒質４２に光ファイバを用いる場合には、光リング共振器５０を用いる構成が好適である。図４は、縮退光パラメトリック発振器３１の構成の他の一例を示す図である。リング共振器５０は、光入力手段４５と非線形光学媒質４２と光フィルタ４３と光出力手段４６とを有している。リング共振器５０には、ポンプ光Ｐ５、Ｐ６が入力され、縮退光パラメトリック増幅が発生して、縮退光パラメトリック発振器パルスＰ７が出力される。

図２に戻ると、縮退光パラメトリック光発振器３１からは、上記の原理により、相対位相が完全にランダムに｛０，π｝である光パルス列が出力される。この光パルス列を２分岐し、一方を１光子／パルス未満まで減衰して、受信器２０に向け送出する。送出される光パルス列Ｐ２は、従来システムにおいて送信器１０（図１参照）が送出した光パルス列Ｐ１と同様の形態となっている。２分岐した他方は、受信器２０の遅延マッハツェンダ干渉計２１と同様の構成の遅延マッハツェンダ干渉計３３に入力され、その出力を光検出器３４、３５で光検出する。遅延マッハツェンダ干渉計３３に入力される光パルス列は減衰されていないので、各パルスについて、２つの光検出器３４、３５のいずれかから受信信号が出力され、これより各パルスの位相差が分かる。送信器３０では図示しない記録手段にこの情報（位相差データ：パルス位置とその位相差）を記録しておく。すなわち送信器３０は、ＤＰＳ−ＱＫＤ信号を送信し、かつ各パルスの位相差データを保持している。送信器３０は、受信器２０から送られた検出したパルス位置の情報に基づいてこの位相差データを利用して秘密鍵を生成する。これは、図１に示す従来のＤＰＳ−ＱＫＤシステムにおいて、送信器１０がコヒーレントパルス光源１１と乱数データで駆動された光位相変調器１２を用いて行った動作と同じである。

したがって本実施形態の送信器３０は、縮退光パラメトリック発振で得られた、ランダムな０かπの相対位相を有する連続光パルス列をそのまま光源として利用できるため、従来よりも簡便な構成の差動位相シフト量子鍵配送システムを実現できる。

本実施形態では、縮退光パラメトリック発振器３１として２次光非線形効果を利用したものを例としたが、これに限るものでなく、シグナル光とアイドラー光が縮退した他の光パラメトリック増幅過程、例えば、３次光非線形性による縮退四光波混合過程を増幅手段とする光発振器を用いても、同様の作用が得られる。この場合、縮退光パラメトリック発振器３１としては、図４に示すように、光源である連続光パルスレーザ４０として、異なる光周波数ｆ_ｐ１およびｆ_ｐ２である２つの連続光パルスレーザ４０と、当該２つの連続光パルスレーザ４０から出力される２つの連続光パルスＰ５、Ｐ６が入力される光共振器５０と、光共振器５０内に備えられる３次非線形光学媒質４２と、同じく光共振器５０内に備えられ、光周波数（ｆ_ｐ１＋ｆ_ｐ２）／２の光を３次非線形光学媒質へフィードバックする光フィルタ４３とを備えるようにすればよい。

縮退光パラメトリック発振器３１に用いる非線形光学媒質としては、２次非線形光学媒質としてＬｉＮｂＯ_３、３次非線形光学媒質として光ファイバ、などが利用可能である。但し、光ファイバを用いる場合、単位長さ当たりのパラメトリック増幅利得が大きくないため、パラメトリック発振のためのファイバ長が長くなり、そのため共振器長が長くなる場合がある。この場合、パルス間隔Ｔ_ｐを共振器一周時間と同等なポンプ光パルス列を用いると、速い繰り返しの信号パルス列を得ることができず、その結果、量子暗号鍵配送システムとしての動作速度を制限することになる。この制限を避けるためには、パルス間隔Ｔ_ｐが共振器一周時間のＮ分の１であるポンプ光パルス列（Ｎは１以外の自然数）を入射し、共振器内で複数の独立なパルス発振が起こるようにすればよい。このようにすれば、共振器からは時間間隔の狭い（繰返し周期の短い）発振光パルス列が出力される。もちろん、動作速度に制限のない用途では、パルス間隔Ｔ_ｐを共振器一周時間と同等なポンプ光パルス列（すなわち、Ｎ＝１のポンプ光パルス列）を用いてもよい。また、ポンプ光パルス列を連続的に入射し続けると、Ｎパルスごとに同じ位相の発振光パルスが出力されるので、発振状態をリセットするために、ポンプ光パルス入射を定期的に一定時間停止する光スイッチを、連続光パルスレーザの出力段に設けるようにすればよい。

１０ 送信器
１１ コヒーレントパルス光源
１２ 位相変調器
１３ 光減衰器
２０ 受信器
２１ 遅延マッハツェンダ干渉計
２２、２３ 光子検出器
３０ 送信器
３１ 縮退光パラメトリック発振器
３２ ビームスプリッタ
３３ 遅延マッハツェンダ干渉計
３４、３５ 光検出器
３６ 光減衰器
４０ 連続光パルスレーザ
４１ 光スイッチ
４２ 非線形光学媒質
４３ 光フィルタ
４４ 光共振器
４５ 光入力手段
４６ 光出力手段
５０ リング共振器

Claims (6)

1. 差動位相シフト型の量子鍵配送システムにおいて用いられる送信器であって、
   縮退光パラメトリック発振により相対位相がランダムに０またはπである一定周期の光パルス列を出力する縮退光パラメトリック発振器と、
   前記光パラメトリック発振器からの光パルス列を２分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段の一方の光パルス列を減衰して光伝送路へ送出する手段と、
   前記分岐手段の他方の光パルス列が入力され、該光パルス列を干渉させて２つの出力端から出力するマッハツェンダ干渉計と、
   前記マッハツェンダ干渉計の２つの出力端からの光出力強度を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された光パルスのパルス位置とその位相差とを記憶する位相差データ記憶手段とを備え、
   前記位相差データ記憶手段に記憶したパルス位置とその位相差を利用して秘密鍵を生成することを特徴とする送信器。
2. 前記縮退光パラメトリック発振器は、２次非線形光学媒質と、前記２次非線形光学媒質へ光周波数ｆ_ｐのポンプ光パルス列を入射する手段と、前記２次非線形光学媒質から出力される光を該２次非線形光学媒質にフィードバックして光共振をさせる光共振手段とを有し、前記２次非線形光学媒質は、前記ポンプ光パルス列を光周波数ｆ_ｐ／２の光パルス列に増幅することを特徴とする請求項１に記載の送信器。
3. 前記縮退光パラメトリック発振器は、３次非線形光学媒質と、前記３次非線形光学媒質へ光周波数がｆ_ｐ１およびｆ_ｐ２である２つのポンプ光パルス列を入射する手段と、前記３次非線形光学媒質から出力される光を該３次非線形光学媒質にフィードバックして光共振をさせる光共振手段とを有し、前記２次非線形光学媒質は、前記ポンプ光パルス列を光周波数（ｆ_ｐ１＋ｆ_ｐ２）／２の光パルス列に増幅することを特徴とする請求項１に記載の送信器。
4. 前記縮退光パラメトリック発振器内の３次非線形光学媒質は光ファイバであることを特徴とする請求項３に記載の送信器。
5. 前記縮退光パラメトリック発振器内の非線形光学媒質へのポンプ光パルス列入射を一定時間停止することを特徴とする請求項４に記載の送信器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載された送信器と、
   前記送信器から送信された該光パルス列を干渉させて２つの出力端から出力する受信側マッハツェンダ干渉計と、
   前記受信側マッハツェンダ干渉計の２つの出力端からの光出力を光子検出する光子検出手段とを有する受信器とを備え、
   前記受信器は、光検出器で観測できたパルス位置とその位相差とに基づいて量子鍵を生成するとともに、観測できたパルス位置を前記送信器に送り、
   前記送信器は、受信器から受け取ったパルス位置に対応するパルスの位相差に基づいて秘密鍵を生成することを特徴とする、量子鍵配送システム。

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