JP2017011404A - 通信装置、通信システム、通信方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】共有した暗号鍵の消費量を低減することができる通信装置、通信システム、通信方法およびプログラムを提供する。
【解決手段】通信装置システム１００のノード１の盗聴時間決定部１１０１は、ノード２と接続するデータ通信路３のデータが盗聴される可能性のある期間を決定する。生成レート決定部１１０２は、その期間の長さを単位時間として、その単位時間ごとにデータ通信路３を介してノード２に送信されるデータを暗号化するための暗号鍵のサイズを決定する。生成部１０２は、ノード２との間で量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する蓄積部１０３から、前記サイズの第１暗号鍵を取得する。盗聴認識部１０７は、データ通信路３に対する盗聴の可能性を認識する。暗号化部１０５は、盗聴の可能性が認識されるまで、単位時間ごとに、ノード２に送信されるデータを、第１暗号鍵で繰り返し暗号化する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、通信装置、通信システム、通信方法およびプログラムに関する。

量子鍵配送システムは、送信機、受信機と、それを接続する光ファイバリンクとを含んで構成される。送信機は、光ファイバの通信路である光ファイバリンク（量子通信路）を介して、単一光子の列を受信機に送信する。その後、送信機と受信機とが相互に制御情報を交換することによって、送信機と受信機との間で暗号鍵を共有する。この技術は、一般に量子鍵配送（ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）と呼ばれる技術により実現される。送信機と受信機とが共有した暗号鍵は、送信機と受信機との間、または、それぞれに接続されたアプリケーション間の暗号データ通信を行うために利用され消費される。

量子鍵配送では、光ファイバリンクで光子列を誤りなく送受信することが重要であるが、環境の温度変化によって生じる光ファイバ長の変化または光ファイバの振動等の通信特性の変動によって、光子の状態が変化したり、適切な受信タイミングまたは受信光強度が変動したりする。これは、光子列のエラーレート（量子ビット誤り率（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ：ＱＢＥＲ））（以下、単に「誤り率」という）として現れる。また、量子鍵配送では、暗号鍵を共有するために利用される光子は、観測されることで物理的な状態が変化するという量子力学の基本原理の一つである不確定性原理を有する。この原理により、送信機が送信した暗号鍵の情報を含む光子を量子通信路上で盗聴者が観測（盗聴）すると、光子の物理的な状態が変化し、この盗聴によってもエラーレートが大きくなる。すなわち、このエラーレートの変化により光ファイバリンク上で盗聴されている可能性があることを検出することができる。ただし、量子鍵配送により送信機から受信機に対して送信された光子列に基づく情報は、盗聴等によって誤りが生じたビットを打ち消すために、上述のように制御情報の交換を伴う鍵蒸留処理が行われる。この鍵蒸留処理によって安全な暗号鍵が共有されることが保証されるが、エラーレートが大きい分だけ打ち消されるビットが多くなるので、最終的に得られる暗号鍵のサイズが小さくなる。ここで、共有される暗号鍵の単位時間当たりの量は、セキュア鍵レートと呼ばれ、量子鍵配送システムの動作速度性能の指標となる。すなわち、多くの暗号鍵を利用できる方が、より高速かつ安全な暗号データ通信が実現されるため、セキュア鍵レートが高い方がより高性能な量子鍵配送システムであるといえる。

送信機と受信機とで共有された暗号鍵は、暗号データ通信の際にデータの暗号化および復号化のために消費されるが、一般にワンタイムパッド（Ｏｎｅ Ｔｉｍｅ Ｐａｄ：ＯＴＰ）と呼ばれる暗号通信方式を利用される。このワンタイムパッドの暗号鍵による暗号通信方式では、いかなる知識を有する盗聴者によっても解読できないことが情報理論により保証されている。ただし、ワンタイムパッドでは送信するデータごとに異なる暗号鍵を適用するので大量の暗号鍵が必要となる。

データ通信の高速大容量化に対し、現状、ＱＫＤでのセキュア鍵レートは遅い。光ファイバでの伝送において、データ通信速度が毎秒ギガビットオーダであるのに対し、例えば、現状、ＱＫＤでのセキュア鍵レートはメガビットオーダである。そのため、全てのデータ通信に対し、事前に共有した暗号鍵をワンタイムパッドとして運用するためには、データ通信速度自体を落とすか、または、事前に大量の鍵を送受信して蓄積したものを利用することになる。しかし、データ通信速度がセキュア鍵レートを上回れば、蓄積された暗号鍵は次第に消費され、暗号鍵は枯渇してしまうという問題点がある。

ＧＢ２４０５２９４Ａ

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、共有した暗号鍵の消費量を低減することができる通信装置、通信システム、通信方法およびプログラムを提供することを目的とする。

実施形態の通信装置は、第１決定手段と、第２決定手段と、第１取得手段と、認識手段と、暗号化手段と、を備える。第１決定手段は、他の通信装置と接続するデータ通信路のデータが盗聴される可能性のある期間を決定する。第２決定手段は、その期間の長さを単位時間として、その単位時間ごとにデータ通信路を介して他の通信装置に送信されるデータを暗号化するための暗号鍵のサイズを決定する。第１取得手段は、他の通信装置との間で量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する第１蓄積手段から、そのサイズの第１暗号鍵を取得する。認識手段は、データ通信路に対する盗聴の可能性を認識する。暗号化手段は、認識手段により盗聴の可能性が認識されるまで、単位時間ごとに、他の通信装置に送信されるデータを、第１取得手段により取得された第１暗号鍵で繰り返し暗号化する。

図１は、通信システムの全体構成の一例を示す図である。 図２は、ノードのハードウェア構成の一例を示す図である。 図３は、第１の実施形態のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。 図４は、ノードの暗号鍵の生成動作の一例を示すシーケンス図である。 図５は、盗聴開始から盗聴検出までにわたる誤り率の変化の一例を示す図である。 図６は、第１の実施形態の盗聴期間を説明する図である。 図７は、盗聴の検出により暗号鍵の繰り返し利用を停止する動作を説明する図である。 図８は、盗聴期間およびデータの生成レートから取得する暗号鍵のサイズを算出する動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、盗聴期間での暗号鍵の取得動作と暗号データ通信の動作とを説明するフローチャートである。 図１０は、盗聴期間における暗号鍵の利用方法の一例を説明する図である。 図１１は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、ワンタイムパッドによる暗号鍵の利用に切り替える動作を説明する図である。 図１２は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、別の暗号鍵の繰り返し利用を再開する動作を説明する図である。 図１３は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、ワンタイムパッドに切り替え、さらに繰り返し利用を再開する動作を説明する図である。 図１４は、第１の実施形態の変形例１のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。 図１５は、２種類の暗号化の繰り返し利用の動作を説明する図である。 図１６は、第２の実施形態の通信システムの配置例を示す図である。 図１７は、第２の実施形態のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。 図１８は、第２の実施形態の盗聴期間を説明する図である。 図１９は、第２の実施形態の通信システムが複数の撮像装置を備えた例を示す図である。 図２０は、第２の実施形態の通信システムの量子通信路および古典通信路が同一の光ファイバで構成された例を示す図である。 図２１は、第２の実施形態の変形例１のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。 図２２は、第２の実施形態の変形例２のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る通信装置、通信システム、通信方法およびプログラムを詳細に説明する。ただし、図面は模式的なものであるため、具体的な構成は以下の説明を参酌して判断すべきものである。

（第１の実施形態）
図１は、通信システムの全体構成の一例を示す図である。図１を参照しながら、通信システム１００の構成について説明する。

図１に示すように、通信システム１００は、送信機であるノード１（通信装置）と、受信機であるノード２（通信装置）と、光ファイバリンク３（物理媒体）と、を含んで構成されている。

ノード１は、レーザにより発生した、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子列を、光ファイバリンク３を介して、ノード２へ送信する送信機である。ノード１は、送信した光子列を基に、後述する鍵蒸留処理（シフティング処理、誤り訂正処理および秘匿性増強処理）等を実行して、暗号鍵を生成する。また、ノード１は、鍵蒸留処理の際、ノード２との間で制御情報（単一光子ではなく一般のデジタルデータ）の交換を行う。なお、制御情報は、ノード１とノード２との間の光ファイバリンク３を介して転送されてもよく、これ以外の通信経路（例えば、一般のインターネット回線等）を用いて転送されてもよい。また、制御情報の交換に用いられるデジタルデータの通信経路を、古典通信路と呼ぶことがある。

ノード２は、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子列を、光ファイバリンク３を介して、ノード１から受信する受信機である。ノード２は、受信した光子列を基に、後述する鍵蒸留処理（シフティング処理、誤り訂正処理および秘匿性増強処理）等を実行して、ノード１が生成した暗号鍵と同一の暗号鍵を生成する。また、ノード２は、鍵蒸留処理の際、ノード１との間で制御情報の交換を行う。

光ファイバリンク３は、異なる波長の光を用いるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：光波長多重化）技術により、光子の送受信をするための光子通信チャネル、および光によるデータ通信を行うための光データ通信チャネル（データ通信路）が形成された光ファイバである。このように、一本の光ファイバ上で、光子の送受信をするための量子通信路として機能する光子通信チャネル、および、データ通信をするための古典通信路として機能する光データ通信チャネルを同時に運用するための技術を「一本化技術」と称するものとする。この一本化技術により、一本の光ファイバに光子通信チャネルおよび光データ通信チャネルを形成することによって、量子鍵配送システムである通信システム１００を運用するために必要となる敷設する光ファイバのコストを低減させることができる。また、一般に、光データ通信チャネルで用いる光強度は強く、光子通信チャネルで用いる光強度は弱いため、光データ通信チャネル上の光が、光子通信チャネル上の光子に対するノイズとしてあらわれる。このノイズは、光子通信チャネルの誤り率を上昇させ、結果として、量子鍵配送システムの安定動作を困難にする。上述の一本化技術では、異なる波長の光を用いるＷＤＭ技術と、それらの光の相互の干渉を排除するための周波数フィルタ技術等とを活用することによって、光データ通信チャネルの光が、光子通信チャネルのノイズとなってあらわれる割合を低減し、両チャネルをそれぞれ同時に実現することができる。

ノード１が出力した単一光子は、量子通信路として機能する光子通信チャネルを介して、ノード２へ送信される。また、上述の制御情報等の通信データは、古典通信路として機能する光データ通信チャネルを介してノード１とノード２との間で通信される。

このようなノード１とノード２とを含む通信システム１００では、盗聴者が、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルから通信データを盗聴しようとすると、同じ光ファイバリンク３に形成されている光子通信チャネルにおける光子列の物理的状態が変化して、光子列の誤り率が上昇し、盗聴者によって光データ通信チャネルでの通信データが盗聴されている可能性があることを認識することができる。

なお、図１では、光ファイバリンク３は一本で構成されているが、複数本で構成されていてもよい。ただし、複数本の光ファイバリンクのうち、少なくとも一本の光ファイバリンク上には、光子通信チャネルおよび光データ通信チャネルが同時に運用されているものとする。また、これ以外にも、例えば、ノード１とノード２との間でのタイミング同期を行う上で必要なクロック信号を交換するためのクロックチャネル等、上述の光子通信チャネルおよび光データ通信チャネル以外のチャネルが別途運用されていても構わない。

また、通信システム１００において、ノード１およびノード２が暗号鍵の共有を行う上で必要な処理である鍵蒸留処理の際に、必要となる制御情報の交換は、光データ通信チャネル上で行われてもよいし、または、上述の光子通信チャネルおよび光データ通信チャネル以外のチャネルを同一の光ファイバリンク３で専用に設け、この専用チャネル上で行われてもよい。

また、光データ通信チャネル上で通信されるデータは、どのようなデータであってもよい。上述のように、鍵蒸留処理に必要な制御情報がデータとして交換されてもよく、これ以外の一般的なデータが、光データ通信チャネル上で交換されてもよい。例えば、通信システム１００が、光データ通信インフラの一部として構築および運用される場合を考える。ノード１またはノード２を、暗号鍵の共有の機能以外に、外部装置がこの光ファイバリンク３を介してデータ通信するための光トランシーバとして機能させる可能性が考えられる。この場合、ノード１またはノード２が光データ通信チャネル上で通信するデータは、量子鍵配送システムとしての通信システム１００に限定されない、多様なデータであると想定できる。

図２は、ノードのハードウェア構成の一例を示す図である。図２を参照しながら、ノードのハードウェア構成について説明する。なお、以下では、ノード１を例にして説明をする。

図２に示すように、ノード１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）８０と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８１と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８２と、通信Ｉ／Ｆ８３と、補助記憶装置８４と、光学処理装置８５と、を備えている。

ＣＰＵ８０は、ノード１全体の動作を制御する演算装置である。ＲＯＭ８１は、ＣＰＵ８０が各機能を制御するために実行するプログラムを記憶する不揮発性記憶装置である。ＲＡＭ８２は、ＣＰＵ８０のワークメモリ等として機能する揮発性記憶装置である。

通信Ｉ／Ｆ８３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のネットワークまたは無線ネットワーク等を介して外部機器とデータ通信を行うためのインターフェースである。

補助記憶装置８４は、ＣＰＵ８０で実行される各種プログラム、および暗号鍵の生成動作によって生成した暗号鍵等を記憶して蓄積する不揮発性記憶装置である。補助記憶装置８４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、フラッシュメモリまたは光ディスク等の電気的、磁気的または光学的に記憶可能な記憶装置である。

光学処理装置８５は、光ファイバリンク３の光子通信チャネル（量子通信路）を介して、光子列を送信または受信する光学装置である。ノード１の光学処理装置８５は、例えば、乱数によって発生させたビット情報であるビット列（光子ビット列）を基に、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づく偏光状態または位相状態となるように生成した単一光子から構成される光子列を、光子通信チャネルを介して、ノード２の光学処理装置８５に送信する。すなわち、ノード１の光学処理装置８５により発生された光子列の各光子は、「０」から「１」かの１ビットの情報を有する。ノード２の光学処理装置８５は、光子通信チャネルを介して、ノード１の光学処理装置８５から光子列を受信し、受信した光子列を、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づいて読み取ることによってビット情報である光子ビット列を得る。また、光学処理装置８５は、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、データを光信号に変換して送信、または、受信した光信号をデータに変換する。

上述のＣＰＵ８０、ＲＯＭ８１、ＲＡＭ８２、通信Ｉ／Ｆ８３、補助記憶装置８４、および光学処理装置８５は、アドレスバスおよびデータバス等のバス８６によって互いに通信可能に接続されている。

図３は、第１の実施形態のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。図３を参照しながら、ノード１およびノード２の機能ブロックの構成について説明する。

図３に示すように、通信システム１００のノード１は、量子送信部１０１（共有手段）と、生成部１０２（第１取得手段）と、蓄積部１０３（第１蓄積手段）と、データ生成部１０４と、暗号化部１０５（暗号化手段）と、データ送信部１０６と、盗聴認識部１０７（認識手段）と、盗聴通知受信部１０８と、盗聴対策部１０９と、決定部１１０（第２決定手段）と、を有する。

量子送信部１０１は、例えば、乱数によって発生させたビット情報である光子ビット列を基に、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づく偏光状態または位相状態となるように生成した単一光子から構成される光子列を、光子通信チャネルを介して、ノード２の量子受信部２０１に送信する機能部である。量子送信部１０１は、生成した光子ビット列を、蓄積部１０３に一時的に蓄積する。量子送信部１０１は、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

生成部１０２は、後述するように決定部１１０により決定された長さ（サイズＬ’とする）の暗号鍵を蓄積部１０３から取得することにより、データ送信部１０６から送信されるデータを暗号化するための暗号鍵として生成する機能部である。この際、蓄積部１０３に蓄積された暗号鍵は、生成部１０２により取得されたサイズ分だけ消費される。また、生成部１０２は、決定部１１０より決定された暗号鍵の長さであるサイズＬ’の情報を、光データ通信チャネルを介して、生成部２０２に送信する。また、生成部１０２は、鍵蒸留部１０２１（鍵蒸留手段）を有する。

鍵蒸留部１０２１は、後述するノード２の鍵蒸留部２０２１との間で、光データ通信チャネルを介して、制御情報の通信を行うことによって、光子ビット列から暗号鍵を生成する鍵蒸留処理を実行する機能部である。鍵蒸留処理の詳細については、後述する。

蓄積部１０３は、量子送信部１０１により生成された光子ビット列、ならびに、鍵蒸留部１０２１の鍵蒸留処理により生成される中間データ、および最終的に生成される暗号鍵を記憶して蓄積する機能部である。蓄積部１０３は、図２に示す補助記憶装置８４によって実現される。なお、蓄積部１０３は、図３では、ノード１内に備えられるものとしているが、これに限定されるものではなく、ノード１の外部の記憶装置によって実現されるものとしてもよい。

データ生成部１０４は、ノード１で動作している各種データを扱うアプリケーションであり、ノード２に送信したいデータ（以下、「アプリケーションデータ」と称する場合がある）を暗号化部１０５に送る機能部である。

暗号化部１０５は、データ生成部１０４からアプリケーションデータを受け取ると、生成部１０２から暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いてアプリケーションデータを暗号化する機能部である。また、暗号化部１０５は、暗号化したアプリケーションデータ（以下、「暗号化データ」と称する場合がある）をデータ送信部１０６に送る。

データ送信部１０６は、暗号化部１０５から受け取った暗号化データを光信号に変換して、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、暗号化データの光信号をノード２のデータ受信部２０６へ送信する機能部である。データ送信部１０６は、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

盗聴認識部１０７は、後述するように、盗聴通知受信部１０８から盗聴検出信号を受け取ることによって、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルに対する盗聴の可能性を認識する機能部である。盗聴認識部１０７は、盗聴の可能性を認識すると、盗聴対策部１０９に対して盗聴対策処理の実行を指示する。

盗聴通知受信部１０８は、後述するように、ノード２の盗聴通知送信部２０８から、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して盗聴検出通知信号を受信すると、盗聴検出信号を盗聴認識部１０７に送る機能部である。盗聴通知受信部１０８は、光データ通信チャネルを介して盗聴検出通知信号を受信する場合、図２に示す光学処理装置８５によって実現され、光データ通信チャネル以外の古典通信路を介して盗聴検出信号を受信する場合、図２に示す通信Ｉ／Ｆ８３によって実現される。なお、盗聴通知受信部１０８は、盗聴通知送信部２０８から受け取った盗聴検出通知信号が暗号化されている場合、生成部１０２から盗聴検出通知信号のサイズ分の暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いて盗聴検出通知信号を復号化するものとしてもよい。後述する盗聴終了通知信号についても同様である。

盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、盗聴対策処理を実行する機能部である。具体的な盗聴対策処理の内容については、後述する。

決定部１１０は、光データ通信チャネルにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔにデータ生成部１０４が暗号化部１０５に送るアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’を決定する機能部である。サイズＬ’を決定する方法については、後述する。決定部１１０は、盗聴時間決定部１１０１（第１決定手段）と、生成レート決定部１１０２と、を有する。

盗聴時間決定部１１０１は、光データ通信チャネルにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔを決定する機能部である。盗聴期間Ｔを決定する方法については、後述する。

生成レート決定部１１０２は、データ生成部１０４が暗号化部１０５に単位時間あたりにアプリケーションデータを生成して送る生成レートＲの最大値よりも大きな生成レートＲ’を決定する機能部である。生成レートＲ’を決定する方法については、後述する。

上述の生成部１０２、データ生成部１０４、暗号化部１０５、盗聴認識部１０７、盗聴対策部１０９、および決定部１１０は、図２に示すＣＰＵ８０が補助記憶装置８４等に記憶されたプログラムをＲＡＭ８２に読み出して実行することによって実現される。なお、生成部１０２、データ生成部１０４、暗号化部１０５、盗聴認識部１０７、盗聴対策部１０９、および決定部１１０のすべてがプログラムの実行により実現されることに限定されるものではなく、少なくともいずれかが、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはその他の集積回路等のハードウェア回路によって実現されるものとしてもよい。

なお、図３に示す量子送信部１０１、生成部１０２、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６、盗聴認識部１０７、盗聴通知受信部１０８、盗聴対策部１０９、および決定部１１０は、機能を概念的に示したものであって、このような構成に限定されるものではない。例えば、図３で独立した機能部として図示した複数の機能部を、１つの機能部として構成してもよい。一方、図３の１つの機能部が有する機能を複数に分割し、複数の機能部として構成するものとしてもよい。

図３に示すように、通信システム１００のノード２は、量子受信部２０１と、生成部２０２（第２取得手段）と、蓄積部２０３（第２蓄積手段）と、データ利用部２０４と、復号化部２０５（復号化手段）と、データ受信部２０６（受信手段）と、盗聴検出部２０７と、盗聴通知送信部２０８と、を有する。

量子受信部２０１は、光子通信チャネルを介して、ノード１の量子送信部１０１から光子列を受信し、受信した光子列を、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づいて読み取ることによってビット情報である光子ビット列を得る機能部である。量子受信部２０１は、生成した光子ビット列を、蓄積部２０３に一時的に蓄積する。量子受信部２０１は、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

生成部２０２は、生成部１０２から光データ通信チャネルを介して、暗号鍵の長さ（サイズＬ’）の情報を受信し、そのサイズＬ’の暗号鍵を蓄積部２０３から取得することにより、データ受信部２０６により受信されたデータを復号化するための暗号鍵として生成する機能部である。この際、蓄積部２０３に蓄積された暗号鍵は、生成部２０２により取得されたサイズ分だけ消費される。また、生成部２０２は、鍵蒸留部２０２１を有する。

鍵蒸留部２０２１は、ノード１の鍵蒸留部１０２１との間で、光データ通信チャネルを介して、制御情報の通信を行うことによって、光子ビット列から暗号鍵を生成する鍵蒸留処理を実行する機能部である。

蓄積部２０３は、量子受信部２０１により生成された光子ビット列、ならびに、鍵蒸留部２０２１の鍵蒸留処理により生成される中間データ、および最終的に生成される暗号鍵を記憶して蓄積する機能部である。蓄積部２０３は、図２に示す補助記憶装置８４によって実現される。なお、蓄積部２０３は、図３では、ノード２内に備えられるものとしているが、これに限定されるものではなく、ノード２の外部の記憶装置によって実現されるものとしてもよい。

データ利用部２０４は、ノード２で動作している各種データを扱うアプリケーションであり、ノード１から受信したアプリケーションデータを復号化部２０５から受け取り、利用する機能部である。

復号化部２０５は、後述するように、データ受信部２０６から暗号化データを受け取ると、生成部２０２から暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いて暗号化データを復号化する機能部である。また、復号化部２０５は、暗号化データを復号化して得たアプリケーションデータをデータ利用部２０４に送る。

データ受信部２０６は、データ送信部１０６から光データ通信チャネルを介して受信した光信号を暗号化データに変換し、暗号化データを復号化部２０５へ送る機能部である。データ受信部２０６は、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

盗聴検出部２０７は、生成部２０２の鍵蒸留部２０２１による鍵蒸留処理の過程で算出される光子通信チャネル（量子通信路）の誤り率を取得し、この誤り率に基づいて後述する盗聴判定処理を行い、盗聴者による盗聴の可能性を検出する機能部である。盗聴検出部２０７は、例えば、取得した誤り率が所定の閾値よりも高くなった場合に、盗聴の可能性があることを検出するものとすればよい。盗聴検出部２０７は、盗聴の可能性を検出した場合、盗聴検出信号を盗聴通知送信部２０８に送る。ここで、盗聴者による盗聴の対象は、光データ通信チャネル上で通信されているデータ（アプリケーションデータ等）であり、一本化技術によって同じ光ファイバリンク３に形成されている光子通信チャネルの光子列の誤り率の変化に基づいて、光データ通信チャネルのデータに対する盗聴の可能性を検出していることになる。

盗聴通知送信部２０８は、盗聴検出部２０７から盗聴検出信号を受け取ると、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、盗聴検出通知信号をノード１の盗聴通知受信部１０８に送信する機能部である。すなわち、盗聴通知送信部２０８は、盗聴検出通知信号をノード１に送信することによって、光データ通信チャネルのデータに対する盗聴の可能性を検出したことを、ノード１に対して通知する。盗聴通知送信部２０８は、光データ通信チャネルを介して盗聴検出通知信号を送信する場合、図２に示す光学処理装置８５によって実現され、光データ通信チャネル以外の古典通信路を介して盗聴検出信号を送信する場合、図２に示す通信Ｉ／Ｆ８３によって実現される。なお、盗聴通知送信部２０８は、盗聴検出通知信号を送信する場合、生成部２０２から盗聴検出通知信号のサイズ分の暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いて盗聴検出通知信号を暗号化して、盗聴通知受信部１０８に送信するものとしてもよい。後述する盗聴終了通知信号についても同様である。

上述の生成部２０２、データ利用部２０４、復号化部２０５、および盗聴検出部２０７は、図２に示すＣＰＵ８０が補助記憶装置８４等に記憶されたプログラムをＲＡＭ８２に読み出して実行することによって実現される。なお、生成部２０２、データ利用部２０４、復号化部２０５、および盗聴検出部２０７のすべてがプログラムの実行により実現されることに限定されるものではなく、少なくともいずれかが、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはその他の集積回路等のハードウェア回路によって実現されるものとしてもよい。

なお、図３に示す量子受信部２０１、生成部２０２、蓄積部２０３、データ利用部２０４、復号化部２０５、データ受信部２０６、盗聴検出部２０７、および盗聴通知送信部２０８は、機能を概念的に示したものであって、このような構成に限定されるものではない。例えば、図３で独立した機能部として図示した複数の機能部を、１つの機能部として構成してもよい。一方、図３の１つの機能部が有する機能を複数に分割し、複数の機能部として構成するものとしてもよい。

図４は、ノードの暗号鍵の生成動作の一例を示すシーケンス図である。図４を参照しながら、シフティング処理、鍵蒸留処理を含む暗号鍵の生成動作の流れを説明する。

＜ステップＳ１１＞
量子送信部１０１は、例えば、乱数によって発生させたビット情報である光子ビット列（ビット列）を基に、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づく偏光状態または位相状態となるように生成した単一光子から構成される光子列を、光子通信チャネルを介して、ノード２の量子受信部２０１に送信する。量子送信部１０１は、生成した基底情報および光子ビット列を生成部１０２の鍵蒸留部１０２１に送る。

＜ステップＳ１２＞
量子受信部２０１は、光子通信チャネルを介して、ノード１の量子送信部１０１から光子列を受信し、受信した光子列を、ランダムに選択した基底により生成した基底情報に基づいて読み取ることによってビット情報である光子ビット列（ビット列）を得る。量子受信部２０１は、生成した基底情報および光子ビット列を生成部２０２の鍵蒸留部２０２１に送る。

＜ステップＳ１３＞
鍵蒸留部１０２１は、ノード２の量子受信部２０１が生成した基底情報を、ノード２の鍵蒸留部２０２１から古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して受信し、受信した基底情報と、量子送信部１０１が生成した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列を生成するシフティング処理を実行する。

＜ステップＳ１４＞
鍵蒸留部２０２１は、ノード１の量子送信部１０１が生成した基底情報を、ノード１の鍵蒸留部１０２１から古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して受信し、受信した基底情報と、量子受信部２０１が生成した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列を生成するシフティング処理を実行する。

＜ステップＳ１５＞
鍵蒸留部１０２１は、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、ノード２の鍵蒸留部２０２１と制御情報（ＥＣ（Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：誤り訂正）情報）を交換することにより、生成した共有ビット列のビット誤りを訂正して訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。

＜ステップＳ１６＞
鍵蒸留部２０２１は、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、ノード１の鍵蒸留部１０２１と制御情報（ＥＣ情報）を交換することにより、生成した共有ビット列のビット誤りを訂正して訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。また、鍵蒸留部２０２１は、共有ビット列から誤り訂正処理を実行して訂正後ビット列を生成した場合において、誤り訂正処理でノード１とノード２との間で共有したビットに含まれる誤りを訂正した数から算出される誤りのあるビットの割合である誤り率を算出する。そして、鍵蒸留部２０２１は、算出した誤り率を盗聴検出部２０７に送る。

＜ステップＳ１７＞
鍵蒸留部１０２１は、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、ノード２の鍵蒸留部２０２１から制御情報（ＰＡ（Ｐｒｉｖａｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：秘匿性増強）情報）を受信して、このＰＡ情報に基づいて、生成した訂正後ビット列に対して、誤り訂正処理の際に通信したＥＣ情報等から、盗聴者により盗聴された可能性のある情報量を打ち消すための鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）を行って暗号鍵を生成する。鍵蒸留部１０２１は、生成した暗号鍵を蓄積部１０３に蓄積させる。

＜ステップＳ１８＞
鍵蒸留部２０２１は、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、制御情報（ＰＡ情報）を生成してノード１の鍵蒸留部１０２１に送信し、このＰＡ情報に基づいて、生成した訂正後ビット列に対して、誤り訂正処理の際に通信したＥＣ情報等から、盗聴者により盗聴された可能性のある情報量を打ち消すための鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）を行って暗号鍵を生成する。鍵蒸留部２０２１は、生成した暗号鍵を蓄積部２０３に蓄積させる。

以上のような動作によって、ノード１およびノード２において、同一の暗号鍵が生成され共有される。上述の動作を繰り返し実行することによって、異なる暗号鍵が繰り返し生成される。繰り返し生成された暗号鍵は、蓄積部１０３、２０３に蓄積され、ノード１とノード２との間の光データ通信チャネルを介したデータ通信、または、ノード１およびノード２に接続された外部のアプリケーション同士の外部ネットワークを介したデータ通信に使用される。

なお、上述のように、鍵蒸留処理においてノード１とノード２との間の基底情報および各制御情報の通信は、光データ通信チャネルを用いてもよいが、量子鍵配送システムで閉じた特殊な通信であり、鍵蒸留処理に直結した基本的な通信であり、かつ、鍵蒸留処理は複雑な演算が必要になることから、光ファイバリンク３において専用チャネルを形成するものとしてもよい。この場合、量子鍵配送システムのノード１とノード２とが内部的に使用する特殊なチャネルとなるため、この専用チャネルの光強度を自由に設計が可能となる。専用チャネルの光強度を十分に弱く設定しておけば、専用チャネルが光子通信チャネルに与えるノイズの影響はほとんど無視できる。

図５は、盗聴開始から盗聴検出までにわたる誤り率の変化の一例を示す図である。図５を参照しながら、盗聴検出部２０７による盗聴判定処理について説明する。

図５に示す時間軸において、盗聴検出部２０７は、所定時間間隔で量子通信路（光子通信チャネル）の光子列についての誤り率について測定を行う。図５では、誤り率に測定する期間として、誤り率測定期間ＴＱ１〜ＴＱ３の３つの期間が示されている。ここで、時間軸において、時刻ｔａは、誤り率測定期間ＴＱ１から誤り率測定期間ＴＱ２に移る時刻であり、時刻ｔｃは、誤り率測定期間ＴＱ２から誤り率測定期間ＴＱ３に移る時刻である。誤り率測定期間ＴＱ２は、時刻ｔａから時刻ｔｃまでの期間で表されるが、この期間を誤り率測定期間Ｔ１とする。ただし、上述のように誤り率の測定期間はすべて一定とするので、誤り率測定期間ＴＱ１、ＴＱ３も、誤り率測定期間Ｔ１である。

盗聴検出部２０７は、各誤り率測定期間後に盗聴判定処理を所定時間（後述する図６に示す盗聴判定処理時間Ｔ２）で実行する。例えば、図５では、誤り率測定期間ＴＱ２の経過後に、盗聴検出部２０７による盗聴判定処理が開始される時刻は時刻ｔｃであり、盗聴判定処理が終了する時刻が時刻ｔｄであることが示されている。盗聴検出部２０７は、具体的な盗聴判定処理としては、上述のように、鍵蒸留部２０２１による鍵蒸留処理の過程で算出される光子通信チャネルの誤り率を取得し、誤り率が所定の閾値よりも高くなった場合に、盗聴の可能性があると判定する。すなわち、盗聴検出部２０７は、誤り率が所定の閾値よりも低い場合、盗聴の可能性はないと判定し、所定の閾値よりも高い場合、盗聴の可能性があると判定し、盗聴の可能性があることを検出する。

ここで、時刻ｔａと時刻ｔｃとの間、すなわち、誤り率測定期間ＴＱ２の時刻ｔｂにおいて、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルに対する盗聴者による盗聴が開始されたものとする。盗聴が開始された時刻ｔｂ以降は、光子通信チャネルでの誤り率が上昇することになる。盗聴検出部２０７は、誤り率測定期間ＴＱ１の経過後の盗聴判定処理では、盗聴がまだ開始されていないため、誤り率は所定の閾値より低く、盗聴の可能性がないと判定する。一方、時刻ｔｂに盗聴が開始された場合、盗聴検出部２０７は、誤り率測定期間ＴＱ２の経過後の盗聴判定処理では、盗聴の影響によって誤り率が所定の閾値より高くなり、盗聴の可能性があると判定する。すなわち、盗聴検出部２０７は、誤り率測定期間ＴＱ２の経過後の盗聴判定処理の結果、時刻ｔａ以降の誤り率測定期間ＴＱ２のいずれかのタイミングで盗聴が開始された可能性があることを検出する。

なお、誤り率測定期間Ｔ１を短くすることにより、誤り率測定期間の開始の時刻（図５の例では、時刻ｔａ）と、盗聴が開始された時刻（図５の例では時刻ｔｂ）との間隔が小さくなるが、誤り率測定期間Ｔ１をあまり小さくすると、誤り率の変動誤差に対して脆弱になるので、所定期間以上の誤り率測定期間Ｔ１を確保することが好ましい。

また、盗聴検出部２０７は、鍵蒸留部２０２１が鍵蒸留処理ごとに算出される誤り率に基づいて、盗聴の可能性の有無を判定するものとしてもよいが、各誤り率測定期間Ｔ１の誤り率の平均値もしくは積分値、または誤り率測定期間Ｔ１に亘る誤り率の移動平均値に基づいて判定するものとしてもよい。

図６は、第１の実施形態の盗聴期間を説明する図である。図６を参照しながら、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１によって決定される盗聴期間Ｔについて説明する。

図６において、時刻ｔａは、図５で上述したように、誤り率測定期間Ｔ１（図５の例では誤り率測定期間ＴＱ２）（第１期間）の開始時刻であり、時刻ｔｃは、図５で上述したように、誤り率測定期間Ｔ１の終了時刻である。そして、上述のように、時刻ｔａと時刻ｔｃとの間の時刻ｔｂで、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルに対する盗聴者による盗聴が開始されたものとする。また、盗聴検出部２０７は、誤り率測定期間Ｔ１の経過した時刻ｔｃに盗聴判定処理を開始し、時刻ｔｄに盗聴判定処理を終了する。ここで、時刻ｔｃと時刻ｔｄとの間の時間、すなわち、盗聴検出部２０７が盗聴判定処理にかかる時間を盗聴判定処理時間Ｔ２とする。

図６に示すように、時刻ｔｂで盗聴が開始されているので、盗聴検出部２０７は、盗聴判定処理を終了した時刻ｔｄにおいて、盗聴の可能性があることを検出する。盗聴検出部２０７は、盗聴の可能性を検出した場合、盗聴検出信号を盗聴通知送信部２０８に送り、盗聴通知送信部２０８は、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、盗聴検出通知信号をノード１の盗聴通知受信部１０８に送信する。盗聴通知受信部１０８は、盗聴通知送信部２０８から盗聴検出通知信号を受信すると、盗聴検出信号を盗聴認識部１０７に送る。盗聴認識部１０７は、盗聴通知受信部１０８から盗聴検出信号を受け取ることによって、光データ通信チャネルに対する盗聴の可能性を認識する。図６に示すように、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識した時刻を、時刻ｔｅとする。ここで、時刻ｔｄと時刻ｔｅとの間の時間、すなわち、ノード２からノード１に盗聴の可能性を通知する時間を盗聴通知時間Ｔ３（第２期間）とする。

盗聴認識部１０７は、盗聴検出信号を受け取ることにより盗聴の可能性を認識すると、盗聴対策部１０９に対して盗聴対策処理の実行を指示する。盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、盗聴対策処理を実行する。図６に示すように、盗聴対策部１０９が盗聴対策処理を実行する時刻を、時刻ｔｆとする。ここで、時刻ｔｅと時刻ｔｆとの間の時間、すなわち、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識してから盗聴対策部１０９が盗聴対策処理を実行するまでの時間を、盗聴対策時間Ｔ４とする。

決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１は、所定期間として与えられる誤り率測定期間Ｔ１、ならびに、推定値として与えられる盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４の和として盗聴期間Ｔ（＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）を決定する。図６に示すように、盗聴期間Ｔのうち、実際に盗聴された時刻は時刻ｔａ後の時刻ｔｂなので、実際にデータが盗聴された期間である実際の盗聴期間Ｔｒは、盗聴期間Ｔに含まれる（すなわち、Ｔ＞Ｔｒ）ことになる。なお、盗聴時間決定部１１０１は、盗聴期間Ｔの代わりに、盗聴期間Ｔにマージン値αを加算した盗聴期間Ｔ’（＝Ｔ＋α）を決定して用いるものとしてもよい。マージン値αは、推定値である盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４の推定誤差を吸収するための値である。例えば、盗聴判定処理時間Ｔ２はノード２のリソース量によって、盗聴通知時間Ｔ３は光ファイバリンク３の光データ通信チャネルの状態によって、そして、盗聴対策時間Ｔ４はノード１のリソース量によって変動するため、マージン値αはこの変動分を考慮した値とする。なお、この盗聴期間Ｔ、Ｔ’は事前に計算しておくことができる。このように、盗聴時間決定部１１０１は、盗聴期間Ｔまたは盗聴期間Ｔ’のいずれの期間を決定するものとしてもよいが、以降の説明では盗聴期間Ｔを決定したものとして説明する。

また、盗聴時間決定部１１０１は、盗聴期間Ｔを誤り率測定期間Ｔ１、盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４の和として決定するものとしたが、盗聴判定処理時間Ｔ２および盗聴対策時間Ｔ４は、誤り率測定期間Ｔ１および盗聴通知時間Ｔ３と比較して十分小さい時間であるため、盗聴時間決定部１１０１は、誤り率測定期間Ｔ１および盗聴通知時間Ｔ３に基づいて盗聴期間Ｔを決定するものとしてもよい。

また、盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４は、推定値としたが、実際に測定した値（実測値）を用いて、盗聴期間Ｔを決定するものとしてもよい。また、誤り率測定期間Ｔ１、盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４が、入力手段（図示せず）によってそれぞれ入力設定が可能であるものとしてもよい。また、盗聴期間Ｔ（またはＴ’）は、予め、定められた所定値として盗聴時間決定部１１０１に設定されているものとしてもよい。

図６に示すように、時刻ｔａ以降の盗聴期間Ｔでは、盗聴の可能性があるが、時刻ｔａ以前の期間では盗聴はされていないと考えられる。ただし、後述するように、時刻ｔａ以降、盗聴期間Ｔ内で送信するデータは、そのデータ長と同じ長さの暗号鍵をワンタイムパッドとして利用するため、盗聴されていたとしても、盗聴者がデータを復号することは不可能である。すなわち、時刻ｔｆ以降に、時刻ｔａから時刻ｔｆまでの期間で利用した暗号鍵を再利用しなければ、時刻ｔａから時刻ｔｆまでの間に盗聴されたデータを復号することができない。

また、時刻ｔａ以前に盗聴されていなければ、仮に時刻ｔａから時刻ｔｆまでの盗聴期間Ｔに利用していた暗号鍵を時刻ｔａ以前に利用していたとしても、時刻ｔａ以降に盗聴を開始した盗聴者は、時刻ｔａ以前には、その暗号鍵で暗号化されたデータを取得していないので、時刻ｔａから時刻ｔｆまでの盗聴期間Ｔに利用した暗号鍵は、盗聴者にとっては一度しか利用されていない使い捨ての暗号鍵と同様となる。以上のことから、以下の図７〜１０において、通信システム１００における暗号鍵の繰り返し利用動作、および盗聴の可能性が検出された場合の盗聴対策処理について説明する。

図７は、盗聴の検出により暗号鍵の繰り返し利用を停止する動作を説明する図である。図８は、盗聴期間およびデータの生成レートから取得する暗号鍵のサイズを算出する動作の一例を示すフローチャートである。図９は、盗聴期間での暗号鍵の取得動作と暗号データ通信の動作とを説明するフローチャートである。図１０は、盗聴期間における暗号鍵の利用方法の一例を説明する図である。図７〜１０を参照しながら、暗号鍵の繰り返し利用動作、および盗聴の可能性が検出された場合の盗聴対策処理について説明する。

図７に示すように、本実施形態の通信システム１００は、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１が決定した盗聴期間Ｔごとに、ノード１とノード２との間で生成および共有した同じ暗号鍵Ｋ１（第１暗号鍵）を繰り返し利用する。すなわち、ノード１の暗号化部１０５は、生成部１０２から取得した暗号鍵Ｋ１を、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部１０６を介してノード２へ暗号化データを送信する。また、ノード２の復号化部２０５は、生成部２０２から取得した暗号鍵Ｋ１（ノード１と共有された暗号鍵）を、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、受信した暗号化データを復号化する。ここで、暗号鍵Ｋ１を盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用するとは、盗聴時間決定部１１０１により決定された盗聴期間Ｔを単位時間として、その単位時間ごとに送信するアプリケーションデータを暗号鍵Ｋ１で暗号化し、かつ、その単位時間ごとに受信するアプリケーションデータを暗号鍵Ｋ１で復号化することである。

暗号化部１０５は、データ生成部１０４が暗号化部１０５に盗聴期間Ｔごとに出力するアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’の暗号鍵を生成部１０２から取得する。ここで、盗聴期間Ｔは、上述のように、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１によって決定され、サイズＬ’は、決定部１１０によって決定される。決定部１１０は、決定したサイズＬ’および盗聴期間Ｔの情報を生成部１０２へ送る。生成部１０２は、例えば、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、サイズＬ’および盗聴期間Ｔの情報を生成部２０２に送信する。これによって、復号化部２０５は、生成部２０２からサイズＬ’の暗号鍵を取得することができ、盗聴期間ＴごとにサイズＬ’の暗号鍵を繰り返し利用することができる。

次に、図８を参照しながら、決定部１１０がサイズＬ’を決定（算出）する動作について説明する。

＜ステップＳ１０１＞
決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１は、上述のように、所定期間として与えられる誤り率測定期間Ｔ１、ならびに、推定値として与えられる盗聴判定処理時間Ｔ２、盗聴通知時間Ｔ３および盗聴対策時間Ｔ４の和として盗聴期間Ｔ（＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）を決定（算出）する。この盗聴期間Ｔは、盗聴者が盗聴を開始してから、盗聴（の可能性）を検出し、盗聴対策処理が実行されるまでに必要となる時間である。なお、上述のように、盗聴時間決定部１１０１は、盗聴期間Ｔの代わりに、盗聴期間Ｔにマージン値αを加算した盗聴期間Ｔ’（＝Ｔ＋α）を決定して用いるものとしてもよい。そして、ステップＳ１０２へ移行する。

＜ステップＳ１０２＞
決定部１１０の生成レート決定部１１０２は、単位時間あたりのデータ生成部１０４が暗号化部１０５に出力するアプリケーションデータの生成レートＲ（バイト／秒）の最大値を決定し、この最大値よりも大きな値である生成レートＲ’を決定する。なお、生成レートＲ’は、予め、定められた所定値として生成レート決定部１１０２に設定されているものとしてもよい。また、生成レートＲは、実際に測定した値（実測値）を用いるものとしてもよい。そして、ステップＳ１０３へ移行する。

＜ステップＳ１０３＞
決定部１１０は、盗聴時間決定部１１０１により決定された盗聴期間Ｔと、生成レート決定部１１０２により決定された生成レートＲ’とを乗算することにより、データ生成部１０４が暗号化部１０５に盗聴期間Ｔごとに出力するアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’を決定（算出）する。なお、サイズＬ’は、予め、定められた所定値として決定部１１０に設定されているものとしてもよい。

以上の、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の動作によって、決定部１１０は、暗号鍵のサイズＬ’を決定する。また、決定部１１０が決定した暗号鍵のサイズＬ’は、上述のように、暗号化の対象であるアプリケーションデータのサイズＬよりも大きいので、サイズＬ’の暗号鍵によるアプリケーションデータの暗号化は、アプリケーションデータの解読を不能とする完全暗号方式による暗号化となる。

次に、図９および１０を参照しながら、暗号鍵の繰り返し利用動作の一例について説明する。暗号化部１０５は、盗聴の可能性が検出されるまでに繰り返し利用するサイズＬ’の暗号鍵（ここでは、図７と同様に暗号鍵Ｋ１とする）を、予め、生成部１０２から取得しているものとする。

＜ステップＳ１１１＞
暗号化部１０５は、盗聴期間Ｔの経過を計測するためのタイマを開始させ、取得している暗号鍵Ｋ１において、使用の開始の部分を示すポインタを、図１０（ａ）に示すように、初期位置（暗号鍵Ｋ１の先頭位置）に設定する。ここで、暗号鍵Ｋ１の未使用分を示す「残暗号鍵サイズ」を、上述のように、盗聴期間Ｔおよび生成レートＲ’から算出したサイズＬ’とする。そして、ステップＳ１１２へ移行する。

＜ステップＳ１１２＞
暗号化部１０５は、タイマが盗聴期間Ｔを経過したか否かを判定する。タイマが盗聴期間Ｔを経過した場合（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１へ戻り、盗聴期間Ｔを経過していない場合（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、ステップＳ１１３へ移行する。

＜ステップＳ１１３＞
暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から、盗聴対策処理としての後述する暗号化中止命令を受け取っているか否かを判定する。暗号化中止命令を受け取っている場合（ステップＳ１１３：Ｙｅｓ）、暗号鍵の繰り返し利用動作を終了させ、暗号化中止命令を受け取っていない場合（ステップＳ１１３：Ｎｏ）、ステップＳ１１４へ移行する。

＜ステップＳ１１４＞
暗号化部１０５は、データ送信部１０６から、ノード２に送信するためのアプリケーションデータ（図１０（ｂ）に示す送信データ）を受け取っているか否かを判定する。アプリケーションデータを受け取っている場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１５へ移行し、受け取っていない場合（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、ステップＳ１１２へ戻る。

＜ステップＳ１１５＞
暗号化部１０５は、残暗号鍵サイズから、データ送信部１０６から受け取ったアプリケーションデータのサイズＬを差し引いたサイズを、新たな暗号鍵Ｋ１についての残暗号鍵サイズに設定する。そして、ステップＳ１１６へ移行する。

＜ステップＳ１１６＞
暗号化部１０５は、残暗号鍵サイズが０以上であるか否かを判定する。残暗号鍵サイズが０以上である場合（ステップＳ１１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１７へ移行し、残暗号鍵サイズが０以上でない場合（ステップＳ１１７：Ｎｏ）、すなわち、暗号鍵Ｋ１のうちアプリケーションデータの暗号化に利用できる分が残っていない場合、暗号鍵の繰り返し利用動作を終了させる。

＜ステップＳ１１７＞
暗号化部１０５は、取得している暗号鍵Ｋ１から、現在のポインタの位置からアプリケーションデータ（送信データ）のサイズＬ分の暗号鍵を取得する。そして、暗号化部１０５は、図１０（ｃ）に示すように、暗号鍵Ｋ１に設定しているポインタをサイズＬ分だけ移動させる。そして、ステップＳ１１８へ移行させる。

＜ステップＳ１１８＞
暗号化部１０５は、暗号鍵Ｋ１から取得したサイズＬの暗号鍵を用いて、サイズＬのアプリケーションデータを暗号化し、暗号化データを、データ送信部１０６を介してノード２へ送信する。

暗号化部１０５は、図７に示すように、盗聴の可能性が検出されるまで、上述のステップＳ１１１〜Ｓ１１８の動作を繰り返すことによって、生成部１０２から取得した暗号鍵Ｋ１を、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部１０６を介してノード２へ暗号化データを送信する。

次に、再び図７を参照しながら、盗聴対策処理について説明する。

図７では、時刻ｔｂに盗聴者による光データ通信チャネルの盗聴が開始され、時刻ｔｆに盗聴対策処理が実行される状態が示されている。図７の例では、盗聴対策処理として、時刻ｔｆまで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止するものとしている。具体的には、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識した後、盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部１０５に暗号化中止命令を送る。暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止する。暗号化部１０５による暗号鍵Ｋ１の利用の中止によって、データ送信部１０６によるデータの送信処理も停止する。なお、図７では、盗聴が開始された時刻ｔｂから盗聴採択処理が実行される時刻ｔｆまでの期間が、２つの盗聴期間Ｔにまたがっているが、上述の図９および１０で説明した通り、暗号鍵の重複利用はない。

以上のように、盗聴検出部２０７によって盗聴の可能性が検出され、盗聴対策部１０９によって盗聴対策処理が実行されるまでは、暗号化部１０５は、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵（図７の例では暗号鍵Ｋ１）を繰り返し利用して暗号化するものとしている。そして、盗聴検出部２０７によって盗聴の可能性が検出された場合、盗聴対策部１０９が実行する盗聴対策処理として、暗号化部１０５に盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵の利用を中止させ、データ送信部１０６によるデータの送信処理を停止させるものとしている。これによって、従来のワンタイムパッド方式により送信するデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化する場合と比較して、ノード１とノード２とが共有して蓄積している暗号鍵の消費量を大幅に低減することができる。

例えば、ノード１のデータ生成部１０４のアプリケーションデータの生成レートを１０［メガバイト／秒］とし、従来のワンタイムパッド方式により送信するデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化するものとして１０［時間］運用した場合、以下の式（１）に示すように、３６０［ギガバイト］の暗号鍵が消費されることになる。

１０［メガバイト／秒］×３６０００［秒］（１０［時間］）＝３６０［ギガバイト］ ・・・（１）

一方、本実施形態のように、盗聴の可能性が検出されるまで、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵を繰り返し利用する場合、盗聴期間Ｔを１［分］とし、データ生成部１０４のアプリケーションデータの生成レートを同様に１０［メガバイト／秒］とすると、１０［時間］の連続動作の間に盗聴がなければ、以下の式（２）に示すように、０．６［ギガバイト］の暗号鍵の消費だけで済む。

１０［メガバイト／秒］×６０［秒］（１［分］）＝０．６［ギガバイト］
・・・（２）

図１１は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、ワンタイムパッドによる暗号鍵の利用に切り替える動作を説明する図である。図１２は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、別の暗号鍵の繰り返し利用を再開する動作を説明する図である。図１３は、暗号鍵の繰り返し利用停止後に、ワンタイムパッドに切り替え、さらに繰り返し利用を再開する動作を説明する図である。図１１〜１３を参照しながら、図７に示した暗号化の動作以外の、暗号化の動作の類型について説明する。

図１１に示す例では、盗聴対策処理が実行される時刻ｔｆまで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止し、さらに、暗号鍵Ｋ１とは別の暗号鍵をワンタイムパッド方式で暗号化してデータ送信を継続するものである。

具体的には、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識した後、盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部１０５に暗号化中止命令を送る。暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止する。その後、暗号化部１０５は、データ生成部１０４からアプリケーションデータを受け取ると、生成部１０２から暗号鍵Ｋ１とは異なる別の暗号鍵を取得し、ワンタイムパッド方式によって暗号化して、データ送信部１０６は、暗号化データを送信する。すなわち、暗号化部１０５は、暗号鍵Ｋ１の利用中止後は、ワンタイムパッド方式でアプリケーションデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化する。このように、暗号化部１０５は、ワンタイムパッド方式で暗号化する場合、アプリケーションデータのサイズと同じサイズの暗号鍵を必要とする。

図１１に示す盗聴対策処理によって、盗聴の可能性が検出された場合、ワンタイムパッド方式に切り替えて、暗号化およびデータ送信を継続するので、ワンタイムパッド方式による暗号鍵の消費量は増加するものの、データ送信を停止せず継続することができる。

図１２に示す例では、盗聴対策処理が実行される時刻ｔｆまで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止し、その後、盗聴の可能性がないことが検出された場合、暗号鍵Ｋ１とは異なる暗号鍵（図１２では暗号鍵Ｋ２）によって、再び、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵を繰り返し利用するものである。

具体的には、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識した後、盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部１０５に暗号化中止命令を送る。暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止する。暗号化部１０５による暗号鍵Ｋ１の利用の中止によって、データ送信部１０６によるデータの送信処理も停止する。

その後、盗聴検出部２０７は、盗聴の可能性がなくなったことを検出すると、盗聴終了信号を盗聴通知送信部２０８に送る。盗聴通知送信部２０８は、盗聴検出部２０７から盗聴終了信号を受け取ると、古典通信路（例えば、光データ通信チャネル）を介して、盗聴終了通知信号をノード１の盗聴通知受信部１０８に送信する。すなわち、盗聴通知送信部２０８は、盗聴終了通知信号をノード１に送信することによって、光データ通信チャネルのデータに対する盗聴の可能性がなくなったことを、ノード１に対して通知する。盗聴通知受信部１０８は、盗聴通知送信部２０８から盗聴終了通知信号を受信すると、盗聴終了信号を盗聴認識部１０７に送る。盗聴認識部１０７は、盗聴通知受信部１０８から盗聴終了信号を受け取ることによって、光データ通信チャネルに対する盗聴の可能性がなくなったことを認識する。盗聴認識部１０７は、盗聴の可能性がなくなったことを認識すると、盗聴対策部１０９に対して、盗聴対策処理の不要の指示をする。盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の不要の指示を受けると、現在実行している盗聴対策処理を停止して、暗号化部１０５に暗号化再開命令を送る。

暗号化部１０５は、暗号鍵Ｋ１とは異なるサイズＬ’の暗号鍵Ｋ２（第２暗号鍵）を生成部１０２から取得する。そして、暗号化部１０５は、取得した暗号鍵Ｋ２を盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部１０６を介してノード２へ暗号化データを送信する。一方、復号化部２０５は、サイズＬ’の情報は既に暗号化部１０５から取得しているので、暗号鍵Ｋ１とは異なるサイズＬ’の暗号鍵Ｋ２（ノード１と共有された暗号鍵）を取得する。そして、復号化部２０５は、取得した暗号鍵Ｋ２を盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、受信した暗号化データを復号化する。

図１２の例では、盗聴対策処理（暗号鍵Ｋ１の繰り返し利用の停止）を実行中に、盗聴の可能性がなくなったことが検出されると、暗号化部１０５は、再び、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵（暗号鍵Ｋ１とは異なる鍵）を繰り返し利用して暗号化するものとしている。これによって、盗聴の可能性がある間はデータ送信を停止するので、データの盗聴を防ぐことができ、盗聴の可能性がなくなった場合は、再び、同じ暗号鍵（暗号鍵Ｋ１とは異なる鍵）を繰り返し利用して暗号化するので、暗号鍵の消費量を低減することができる。

図１３に示す例では、盗聴対策処理が実行される時刻ｔｆまで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止し、盗聴の可能性がある間は暗号鍵Ｋ１とは別の暗号鍵をワンタイムパッド方式で暗号化してデータ送信を継続し、そして、盗聴の可能性がないことが検出された場合、暗号鍵Ｋ１とは異なる暗号鍵（図１３では暗号鍵Ｋ２）（第２暗号鍵）によって、再び、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵を繰り返し利用するものである。すなわち、図１１に示す動作例と、図１２に示す動作例とを組み合わせたものである。

この図１３に示す例によって、盗聴の可能性がない期間においては、同じ暗号鍵が繰り返し利用されてアプリケーションデータが暗号化されるので暗号鍵の消費量を低減することができる。また、盗聴の可能性がある期間においては、ワンタイムパッド方式に切り替えて、暗号化およびデータ送信を継続するので、データ送信を停止せず継続することができる。

例えば、本実施形態のように、盗聴の可能性が検出されるまでは、盗聴期間Ｔ（１［分］とする）ごとに同じ暗号鍵Ｋ１を繰り返し利用し、盗聴の可能性が検出された場合は、従来のワンタイムパッド方式に切り替えて暗号化を行うものとし、盗聴の可能性が検出されてから、盗聴の可能性がなくなったことが検出されるまでを３［時間］とし、再び、盗聴期間Ｔごとに暗号鍵Ｋ１とは異なる暗号鍵Ｋ２を繰り返し利用する場合を考える。また、ノード１のデータ生成部１０４のアプリケーションデータの生成レートを１０［メガバイト／秒］とし、この運用を全体で１０［時間］継続されたものとする。この場合、上述の式（１）に示した暗号鍵の消費量３６０［ギガバイト］と比較して、以下の式（３）に示すように、１０９．２［ギガバイト］の暗号鍵の消費だけで済む。

０．６［ギガバイト］＋１０［メガバイト／秒］×１０８００［秒］（３［時間］）
＋０．６［ギガバイト］＝１０９．２［ギガバイト］ ・・・（３）

＜変形例１＞
本変形例について、上述の第１の実施形態に係る通信システム１００と相違する点を中心に説明する。第１の実施形態では、送信機であるノード１がデータ送信部（図３ではデータ送信部１０６）を備え、受信機であるノード２がデータ受信部（図３ではデータ受信部２０６）を備える構成を示した。本変形例では、送信機であるノードがデータ受信部を備え、受信機であるノードがデータ送信部を備える構成について説明する。

図１４は、第１の実施形態の変形例１のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。図１４を参照しながら、通信システム１００ａにおけるノード１ａおよびノード２ａの機能ブロック構成について説明する。

図１４に示すように、通信システム１００ａのノード１ａ（通信装置）は、量子送信部１０１と、生成部１０２ａ（第２取得手段）と、蓄積部１０３（第２蓄積手段）と、データ利用部１０４ａと、復号化部１０５ａ（復号化手段）と、データ受信部１０６ａ（受信手段）と、を有する。なお、量子送信部１０１および蓄積部１０３の機能は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード１の量子送信部１０１および蓄積部１０３の機能と同様である。

生成部１０２ａは、生成部２０２ａから光データ通信チャネルを暗号鍵の長さ（サイズＬ’）の情報を受信し、そのサイズＬ’の暗号鍵を蓄積部１０３から取得することにより、データ受信部１０６ａにより受信されたデータを復号化するための暗号鍵として生成する機能部である。また、生成部１０２ａは、鍵蒸留部１０２１を有する。なお、鍵蒸留部１０２１の機能は、図３に示した第１の実施形態に係るノード１の鍵蒸留部１０２１の機能と同様である。

データ利用部１０４ａは、ノード１ａで動作している各種データを扱うアプリケーションであり、ノード２ａから受信したアプリケーションデータを復号化部１０５ａから受け取り、利用する機能部である。

復号化部１０５ａは、後述するように、データ受信部１０６ａから暗号化データを受け取ると、生成部１０２ａから暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いて暗号化データを復号化する機能部である。また、復号化部１０５ａは、暗号化データを復号化して得たアプリケーションデータをデータ利用部１０４ａに送る。

データ受信部１０６ａは、データ送信部２０６ａから光データ通信チャネルを介して受信した光信号を暗号化データに変換し、暗号化データを復号化部１０５ａへ送る機能部である。データ受信部１０６ａは、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

図１４に示すように、通信システム１００ａのノード２ａ（通信装置）は、量子受信部２０１（共有手段）と、生成部２０２ａ（第１取得手段）と、蓄積部２０３（第１蓄積手段）と、データ生成部２０４ａと、暗号化部２０５ａ（暗号化手段）と、データ送信部２０６ａと、盗聴検出部２０７（認識手段）と、盗聴対策部２０９と、決定部２１０（第２決定手段）と、を有する。なお、量子受信部２０１および蓄積部２０３の機能は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード２の量子受信部２０１および蓄積部２０３の機能と同様である。

生成部２０２ａは、後述するように決定部２１０により決定された長さ（サイズＬ’とする）の暗号鍵を蓄積部２０３から取得することにより、データ送信部２０６ａから送信されるデータを暗号化するための暗号鍵として生成する機能部である。また、生成部２０２ａは、決定部２１０より決定された暗号鍵の長さであるサイズＬ’の情報を、光データ通信チャネルを介して、生成部１０２ａに送信する。また、生成部２０２ａは、鍵蒸留部２０２１（鍵蒸留手段）を有する。なお、鍵蒸留部２０２１の機能は、図３に示した第１の実施形態に係るノード２の鍵蒸留部２０２１の機能と同様である。

データ生成部２０４ａは、ノード２ａで動作している各種データを扱うアプリケーションであり、ノード１ａに送信したいアプリケーションデータを暗号化部２０５ａに送る機能部である。

暗号化部２０５ａは、データ生成部２０４ａからアプリケーションデータを受け取ると、生成部２０２ａから暗号鍵を取得し、その暗号鍵を用いてアプリケーションデータを暗号化する機能部である。また、暗号化部２０５ａは、暗号化したアプリケーションデータ（暗号化データ）をデータ送信部２０６ａに送る。

データ送信部２０６ａは、暗号化部２０５ａから受け取った暗号化データを光信号に変換して、光ファイバリンク３の光データ通信チャネルを介して、暗号化データの光信号をノード１のデータ受信部１０６ａへ送信する機能部である。データ送信部２０６ａは、図２に示す光学処理装置８５によって実現される。

盗聴検出部２０７は、生成部２０２ａの鍵蒸留部２０２１による鍵蒸留処理の過程で算出される光子通信チャネル（量子通信路）の誤り率を取得し、この誤り率に基づいて盗聴判定処理を行い、盗聴者による盗聴の可能性を検出する機能部である。盗聴検出部２０７は、例えば、取得した誤り率が所定の閾値よりも高くなった場合に、盗聴の可能性があることを検出するものとすればよい。盗聴検出部２０７は、盗聴の可能性を検出した場合、盗聴対策部２０９に対して盗聴対策処理の実行を指示する。ここで、盗聴者による盗聴の対象は、光データ通信チャネル上で通信されているデータ（アプリケーションデータ等）であり、一本化技術によって同じ光ファイバリンク３に形成されている光子通信チャネルの光子列の誤り率の変化に基づいて、光データ通信チャネルのデータに対する盗聴の可能性を検出していることになる。

盗聴対策部２０９は、盗聴検出部２０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、盗聴対策処理を実行する機能部である。

決定部２１０は、光データ通信チャネルにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔにデータ生成部２０４ａが暗号化部２０５ａに送るアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’を決定する機能部である。サイズＬ’を決定する方法は、第１の実施形態と同様である。決定部２１０は、盗聴時間決定部２１０１（第１決定手段）と、生成レート決定部２１０２と、を有する。

盗聴時間決定部２１０１は、光データ通信チャネルにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔを決定する機能部である。盗聴期間Ｔを決定する方法は、盗聴通知時間Ｔ３を考慮する必要がない点以外は第１の実施形態と同様である。

生成レート決定部２１０２は、データ生成部２０４ａが暗号化部２０５ａに単位時間あたりにアプリケーションデータを生成して送る生成レートＲの最大値よりも大きな生成レートＲ’を決定する機能部である。生成レートＲ’を決定する方法は、第１の実施形態と同様である。

次に、通信システム１００ａでの暗号鍵の繰り返し利用動作、および盗聴の可能性が検出された場合の盗聴対策処理について説明する。

第１の実施形態の図７に示した動作と同様に、本変形例の通信システム１００ａは、決定部２１０の盗聴時間決定部２１０１が決定した盗聴期間Ｔごとに、ノード１ａとノード２ａとの間で生成および共有した同じ暗号鍵Ｋ１（第１暗号鍵）を繰り返し利用する。すなわち、ノード２ａの暗号化部２０５ａは、生成部２０２ａから取得した暗号鍵Ｋ１を、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部２０６ａを介してノード１ａへ暗号化データを送信する。また、ノード１ａの復号化部１０５ａは、生成部１０２ａから取得した暗号鍵Ｋ１（ノード２ａと共有された暗号鍵）を、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、受信した暗号化データを復号化する。

暗号化部２０５ａは、データ生成部２０４ａが暗号化部２０５ａに盗聴期間Ｔごとに出力するアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’の暗号鍵を生成部２０２ａから取得する。ここで、盗聴期間Ｔは、上述のように、決定部２１０の盗聴時間決定部２１０１によって決定され、サイズＬ’は、決定部２１０によって決定される。決定部２１０は、決定したサイズＬ’および盗聴期間Ｔの情報を生成部２０２ａへ送る。生成部２０２ａは、例えば、光ファイバリンク３（物理媒体）の光データ通信チャネルを介して、サイズＬ’および盗聴期間Ｔの情報を生成部１０２ａに送信する。これによって、復号化部１０５ａは、生成部１０２ａからサイズＬ’の暗号鍵を取得することができ、盗聴期間ＴごとにサイズＬ’の暗号鍵を繰り返し利用することができる。

盗聴対策処理としては、時刻ｔｆ（図７参照）まで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止するものとしている。具体的には、盗聴検出部２０７が盗聴の可能性を検出した後、盗聴対策部２０９は、盗聴検出部２０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部２０５ａに暗号化中止命令を送る。暗号化部２０５ａは、盗聴対策部２０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止する。暗号化部２０５ａによる暗号鍵Ｋ１の利用の中止によって、データ送信部２０６ａによるデータの送信処理も停止する。

以上のように、送信機であるノード１ａがデータ受信部を備え、受信機であるノード２ａがデータ送信部を備える構成においても、第１の実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、本変形例では、盗聴検出部２０７によって盗聴の可能性が検出され、盗聴対策部２０９によって盗聴対策処理が実行されるまでは、暗号化部２０５ａは、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵（図７の例では暗号鍵Ｋ１）を繰り返し利用して暗号化するものとしている。そして、盗聴検出部２０７によって盗聴の可能性が検出された場合、盗聴対策部２０９が実行する盗聴対策処理として、暗号化部２０５ａに盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵の利用を中止させ、データ送信部２０６ａによるデータの送信処理を停止させるものとしている。これによって、従来のワンタイムパッド方式により送信するデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化する場合と比較して、ノード１ａとノード２ａとが共有して蓄積している暗号鍵の消費量を大幅に低減することができる。

なお、第１の実施形態で説明した図１１〜１３で示される他の暗号化の動作についても、本変形例に係る通信システム１００ａに適用することができる。

また、送信機であるノード１ａおよび受信機であるノード２ａが、それぞれデータ送信部およびデータ受信部を備える構成であってもよい。この場合、ノード１ａがデータを送信するときに暗号化する際に用いる暗号鍵（すなわち、ノード２ａがデータを受信するときに復号化する際に用いる暗号鍵）と、ノード２ａがデータを送信するときに暗号化する際に用いる暗号鍵（すなわち、ノード１ａがデータを受信するときに復号化する際に用いる暗号鍵）は、異なる暗号鍵を用いることが好ましい。これによって、光データ通信チャネルに対して盗聴による盗聴が行われた場合、同一の暗号鍵で暗号化されたアプリケーションデータを複数盗聴されてしまう事態を回避することができる。

＜変形例２＞
本変形例について、上述の第１の実施形態に係る通信システム１００と相違する点を中心に説明する。なお、本変形例に係る通信システムの構成は、図１〜３に示す第１の実施形態に係る通信システム１００の構成と同様であるものとする。

図１５は、２種類の暗号化の繰り返し利用の動作を説明する図である。図１５を参照しながら、暗号鍵の繰り返し利用動作について説明する。

図７、１１〜１３で示したように、第１の実施形態に係る通信システム１００は、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１が決定した盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵Ｋ１を繰り返し利用するものとした。本変形例に係る通信システムは、図１５に示すように、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１が決定した盗聴期間Ｔごとに、ノード１とノード２との間で生成および共有した暗号鍵Ｋ１ａおよび暗号鍵Ｋ１ｂを交互に繰り返し利用する。すなわち、ノード１の暗号化部１０５は、生成部１０２から取得したサイズＬ’の暗号鍵Ｋ１ａおよび暗号鍵Ｋ１ｂを、盗聴期間Ｔごとに交互に繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部１０６を介してノード２へ暗号化データを送信する。また、ノード２の復号化部２０５は、生成部２０２から取得したサイズＬ’の暗号鍵Ｋ１ａおよび暗号鍵Ｋ１ｂ（ノード１と共有された暗号鍵）を、盗聴期間Ｔごとに交互に繰り返し利用して、受信した暗号化データを復号化する。

そして、盗聴認識部１０７が盗聴の可能性を認識した後、盗聴対策部１０９は、盗聴認識部１０７から盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部１０５に暗号化中止命令を送る。暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１ａおよび暗号鍵Ｋ１ｂの利用を中止する。暗号化部１０５による暗号鍵Ｋ１ａおよび暗号鍵Ｋ１ｂの利用の中止によって、データ送信部１０６によるデータの送信処理も停止する。

以上の動作によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る通信システムについて、第１の実施形態に係る通信システムと相違する点を中心に説明する。第１の実施形態では、光ファイバリンク３における光子通信チャネルの誤り率に基づいて、古典通信路（光データ通信チャネル）に対するデータの盗聴の可能性を検出するものとしたが、本実施形態では、撮像装置によって監視エリアを撮像することによって盗聴の可能性を検出する動作を説明する。

図１６は、第２の実施形態の通信システムの配置例を示す図である。図１６を参照しながら、通信システム１００ｂの構成および配置例について説明する。

図１６に示すように、通信システム１００ｂは、送信機であるノード１ｂ（通信装置）と、受信機であるノード２ｂ（通信装置）と、量子通信路３ａと、古典通信路３ｂ（データ通信路）と、撮像装置４（検知手段）と、を含んで構成されている。

ノード１ｂは、レーザにより発生した、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子列を、量子通信路３ａを介して、ノード２ｂへ送信する送信機である。図１６に示す例では、ノード１ｂは、建物Ａ内に設置されている。ノード１ｂは、送信した光子列を基に、鍵蒸留処理（シフティング処理、誤り訂正処理および秘匿性増強処理）等を実行して、暗号鍵を生成する。また、ノード１ｂは、鍵蒸留処理の際、ノード２ｂとの間で、古典通信路３ｂを介して、制御情報（単一光子ではなく一般のデジタルデータ）の交換を行う。

ノード２ｂは、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子列を、量子通信路３ａを介して、ノード１ｂから受信する受信機である。図１６に示す例では、ノード２ｂは、建物Ｂ内に設置されている。ノード２ｂは、受信した光子列を基に、鍵蒸留処理（シフティング処理、誤り訂正処理および秘匿性増強処理）等を実行して、ノード１ｂが生成した暗号鍵と同一の暗号鍵を生成する。また、ノード２ｂは、鍵蒸留処理の際、ノード１ｂとの間で、古典通信路３ｂを介して、制御情報の交換を行う。

量子通信路３ａは、光子の送受信をするための光ファイバである。古典通信路３ｂは、上述の制御情報またはアプリケーションデータ等の送受信をするための通信路である。古典通信路３ｂは、光ファイバまたはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ケーブル等の通常のデジタルデータを送受信するための通信ケーブルによって実現される。

撮像装置４は、監視エリア５の状態を撮像するカメラデバイスである。撮像装置４は、ノード１ｂに有線または無線で、データ通信が可能なように接続されている。なお、撮像装置４が撮像するデータは、所定間隔で撮像される静止画、または動画のいずれであってもよい。以下、撮像装置４によって撮像されたデータを、単に「画像情報」（検知結果）という場合がある。図１６に示すように、撮像装置４の撮像対象となる監視エリア５は、量子通信路３ａおよび古典通信路３ｂが含まれているが、少なくとも、制御情報またはアプリケーションデータ等の通信が行われる古典通信路３ｂが含まれるようにする。すなわち、撮像装置４の撮像対象となる監視エリア５は、古典通信路３ｂの近傍のエリアである。

ノード１ｂが出力した単一光子は、量子通信路３ａを介して、ノード２ｂへ送信される。また、上述の制御情報またはアプリケーションデータ等の通信データは、古典通信路３ｂを介して、ノード１ｂとノード２ｂとの間で通信される。

なお、通信システム１００ｂにおいて、ノード１ｂおよびノード２ｂが暗号鍵の共有を行う上で必要な処理である鍵蒸留処理の際に、必要となる制御情報の交換は、上述のように、古典通信路３ｂ上で行われてもよいし、または、上述の光ファイバである量子通信路３ａにおいて、ＷＤＭ技術により、光子の送受信をするためのチャネルとは別のチャネルを設け、この専用チャネル上で行われてもよい。

また、古典通信路３ｂ上で通信されるデータは、どのようなデータであってもよい。上述のように、鍵蒸留処理に必要な制御情報およびアプリケーションデータが交換されてもよく、これ以外の一般的なデータが、古典通信路３ｂ上で交換されてもよい。

図１７は、第２の実施形態のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。図１７を参照しながら、ノード１ｂおよびノード２ｂの機能ブロックの構成について説明する。

図１７に示すように、通信システム１００ｂのノード１ｂは、量子送信部１０１（共有手段）と、生成部１０２（第１取得手段）と、蓄積部１０３（第１蓄積手段）と、データ生成部１０４と、暗号化部１０５（暗号化手段）と、データ送信部１０６と、盗聴検出部１０７ｂ（認識手段）と、盗聴対策部１０９と、決定部１１０（第２決定部）と、を有する。なお、量子送信部１０１、生成部１０２、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６の機能は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード１の量子送信部１０１、生成部１０２、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６の機能と同様である。

盗聴検出部１０７ｂは、撮像装置４によって撮像された画像情報に対する画像解析を実行することによって、監視エリア５内で古典通信路３ｂに対するデータの盗聴を行う可能性がある人物または物体等を検出する。すなわち、盗聴検出部１０７ｂは、画像情報に対する画像解析により盗聴を行う可能性がある人物または物体等を検出した場合、盗聴の可能性があるものとして検出する。盗聴検出部１０７ｂは、盗聴の可能性を検出すると、盗聴対策部１０９に対して盗聴対策処理の実行を指示する。

盗聴対策部１０９は、盗聴検出部１０７ｂから盗聴対策処理の実行の指示を受けると、盗聴対策処理を実行する機能部である。具体的な盗聴対策処理の内容は、第１の実施形態と同様である。

決定部１１０は、古典通信路３ｂにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔにデータ生成部１０４が暗号化部１０５に送るアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’を決定する機能部である。サイズＬ’を決定する方法については、第１の実施形態と同様である。決定部１１０は、盗聴時間決定部１１０１（第１決定手段）と、生成レート決定部１１０２と、を有する。

盗聴時間決定部１１０１は、古典通信路３ｂにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔを決定する機能部である。盗聴期間Ｔを決定する方法については、後述する。

生成レート決定部１１０２は、データ生成部１０４が暗号化部１０５に単位時間あたりにアプリケーションデータを生成して送る生成レートＲの最大値よりも大きな生成レートＲ’を決定する機能部である。生成レートＲ’を決定する方法は、第１の実施形態と同様である。

図１７に示すように、通信システム１００ｂのノード２ｂは、量子受信部２０１と、生成部２０２（第２取得手段）と、蓄積部２０３（第２蓄積手段）と、データ利用部２０４と、復号化部２０５（復号化手段）と、データ受信部２０６（受信手段）と、を有する。なお、ノード２ｂの各機能部は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード２の対応する機能部の機能と同様である。

図１８は、第２の実施形態の盗聴期間を説明する図である。図１８を参照しながら、決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１によって決定される盗聴期間Ｔについて説明する。

図１８に示すように、時刻ｔｂ２に、監視エリア５内に人物または物体等が侵入したものとする。そして、盗聴検出部１０７ｂは、撮像装置４により撮像された画像情報に対する画像解析により、時刻ｔｅ２に、古典通信路３ｂに対する盗聴の可能性を検出する。

盗聴検出部１０７ｂは、盗聴の可能性を検出すると、盗聴対策部１０９に対して盗聴対策処理の実行を指示する。盗聴対策部１０９は、盗聴検出部１０７ｂから盗聴対策処理の実行の指示を受けると、盗聴対策処理を実行する。図１８に示すように、盗聴対策部１０９が盗聴対策処理を実行する時刻を、時刻ｔｆ２とする。

決定部１１０の盗聴時間決定部１１０１は、時刻ｔｂ２と時刻ｔｆ２との間の時間以上の時間を盗聴期間Ｔとして決定する。この場合、時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの時間は、撮像装置４の品質、画像処理の能力、または、撮像装置４と盗聴検出部１０７ｂとの間の通信品質によって変動する。そのため、時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの時間は、実際には変動するが、ワーストケースの値を盗聴期間Ｔとして設定するようにすればよい。盗聴期間Ｔのうち、実際に盗聴が開始された可能性がある時刻は時刻ｔｂ２後の時刻なので、実際にデータが盗聴された可能性がある期間は、盗聴期間Ｔに含まれることになる。なお、第１の実施形態と同様に、盗聴時間決定部１１０１は、盗聴期間Ｔの代わりに、盗聴期間Ｔにマージン値αを加算した盗聴期間Ｔ’（＝Ｔ＋α）を決定して用いるものとしてもよい。

なお、盗聴期間Ｔは、実際に測定した値（実測値）を用いて決定されるものとしてもよい。また、盗聴期間Ｔは、入力手段（図示せず）によってそれぞれ入力設定が可能であるものとしてもよい。また、盗聴期間Ｔ（またはＴ’）は、予め、定められた所定値として盗聴時間決定部１１０１に設定されているものとしてもよい。

図１８に示すように、時刻ｔｂ２以降の盗聴期間Ｔでは、盗聴の可能性があるが、時刻ｔｂ２以前の期間では盗聴はされていないと考えられる。ただし、後述するように、時刻ｔｂ２以降、盗聴期間Ｔ内で送信するデータは、そのデータ長と同じ長さの暗号鍵をワンタイムパッドとして利用するため、盗聴されていたとしても、盗聴者がデータを復号することは不可能である。すなわち、時刻ｔｆ２以降に、時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの期間で利用した暗号鍵を再利用しなければ、時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの間に盗聴されたデータを復号することができない。

また、時刻ｔｂ２以前に盗聴されていなければ、仮に時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの盗聴期間Ｔに利用していた暗号鍵を時刻ｔｂ２以前に利用していたとしても、時刻ｔｂ２以降に盗聴を開始した盗聴者は、時刻ｔｂ２以前には、その暗号鍵で暗号化されたデータを取得していないので、時刻ｔｂ２から時刻ｔｆ２までの盗聴期間Ｔに利用した暗号鍵は、盗聴者にとっては一度しか利用されていない使い捨ての暗号鍵と同様となる。

本実施形態に係る通信システム１００ｂによる暗号鍵の繰り返し利用動作は、第１の実施形態に係る通信システム１００と同様である。

次に、本実施形態の盗聴対策処理について説明する。図１８では、時刻ｔｂ２に監視エリア５内に人物または物体等が侵入し、時刻ｔｆ２に盗聴対策処理が実行される状態が示されている。本実施形態においても、第１の実施形態の図７に示す例のように、盗聴対策処理として、時刻ｔｆ２まで盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１（第１暗号鍵）の利用を中止するものとしている。具体的には、盗聴検出部１０７ｂが盗聴の可能性を検出した後、盗聴対策部１０９は、盗聴検出部１０７ｂから盗聴対策処理の実行の指示を受けると、暗号化部１０５に暗号化中止命令を送る。暗号化部１０５は、盗聴対策部１０９から暗号化中止命令を受けると、盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵Ｋ１の利用を中止する。暗号化部１０５による暗号鍵Ｋ１の利用の中止によって、データ送信部１０６によるデータの送信処理も停止する。

以上のように、盗聴検出部１０７ｂが、撮像装置４により撮像された画像情報に対して、画像解析を実行することにより、盗聴の可能性を検出し、盗聴対策部１０９によって盗聴対策処理が実行されるまでは、暗号化部１０５は、盗聴期間Ｔごとに同じ暗号鍵を繰り返し利用して暗号化するものとしている。そして、盗聴検出部１０７ｂによって盗聴の可能性が検出された場合、盗聴対策部１０９が実行する盗聴対策処理として、暗号化部１０５に盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用してきた暗号鍵の利用を中止させ、データ送信部１０６によるデータの送信処理を停止させるものとしている。これによって、従来のワンタイムパッド方式により送信するデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化する場合と比較して、ノード１ｂとノード２ｂとが共有して蓄積している暗号鍵の消費量を大幅に低減することができる。

なお、第１の実施形態で説明した図１１〜１３で示される他の暗号化の動作についても、本実施形態に係る通信システム１００ｂに適用することができる。特に、図１２および１３に示すように、同じ暗号鍵の繰り返し利用を再開する場合の動作は、具体的に以下のように行う。盗聴検出部１０７ｂは、撮像装置４によって撮像された画像情報に対する画像解析を実行することによって、監視エリア５内で古典通信路３ｂに対するデータの盗聴を行う可能性がある人物または物体等がいなくなったことを検出する。すなわち、盗聴検出部１０７ｂは、画像情報に対する画像解析により盗聴を行う可能性がある人物または物体等がいなくなったことを検出した場合、盗聴の可能性がなくなったものとして検出する。盗聴検出部１０７ｂが盗聴の可能性がなくなったことを検出すると、盗聴対策部１０９に対して、盗聴対策処理の不要の指示をする。盗聴対策部１０９は、盗聴検出部１０７ｂから盗聴対策処理の不要の指示を受けると、現在実行している盗聴対策処理を停止して、暗号化部１０５に暗号化再開命令を送る。

暗号化部１０５は、暗号鍵Ｋ１とは異なるサイズＬ’の暗号鍵Ｋ２を生成部１０２から取得する。そして、暗号化部１０５は、取得した暗号鍵Ｋ２を盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、アプリケーションデータを暗号化し、データ送信部１０６を介してノード２へ暗号化データを送信する。一方、復号化部２０５は、サイズＬ’の情報は既に暗号化部１０５から取得しているので、暗号鍵Ｋ１とは異なるサイズＬ’の暗号鍵Ｋ２（ノード１と共有された暗号鍵）を取得する。そして、復号化部２０５は、取得した暗号鍵Ｋ２を盗聴期間Ｔごとに繰り返し利用して、受信した暗号化データを復号化する。

また、本実施形態では、撮像装置４がカメラデバイスであるものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、人感センサー等のセンサデバイスであってもよい。

また、図１９は、第２の実施形態の通信システムが複数の撮像装置を備えた例を示す図である。図１６に示す通信システム１００ｂは、１つの撮像装置４を備えた構成であるが、これに限定されるものではなく、図１９に示すように、有線または無線でデータ通信が可能なように接続された複数の撮像装置（図１９の例では撮像装置４ａ〜４ｃ）（検知手段）を備えるものとしてもよい。このように複数の撮像装置を利用することによって、盗聴検出部１０７ｂによる、監視エリア５内で古典通信路３ｂに対するデータの盗聴を行う可能性がある人物または物体等の検出の精度を向上させることができる。

また、図２０は、第２の実施形態の通信システムの量子通信路および古典通信路が同一の光ファイバで構成された例を示す図である。図１７では、光子の送受信をするための量子通信路３ａと、制御情報またはアプリケーションデータ等の送受信をするための古典通信路３ｂとを別々の通信路として示したが、これに限定されるものではない。すなわち、図２０に示す通信システム１００ｂ＿１のように、一本の光ファイバである光ファイバリンク３（物理媒体）内に、ＷＤＭ技術により、量子通信路３ａと同様の機能を有する光子通信チャネル、および、古典通信路３ｂと同様の機能を有する光データ通信チャネルを形成するものとしてもよい。この場合、撮像装置４の撮像対象となる監視エリア５は、光子通信チャネルおよび光データ通信チャネルが形成された光ファイバリンク３が含まれるようにすればよい。

＜変形例１＞
本変形例について、上述の第２の実施形態に係る通信システム１００ｂと相違する点を中心に説明する。第２の実施形態では、送信機であるノード１に撮像装置４が接続される構成を示した。本変形例では、受信機であるノード２に撮像装置４が接続される構成について説明する。

図２１は、第２の実施形態の変形例１のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。図２１を参照しながら、通信システム１００ｃにおけるノード１ｃおよびノード２ｃの機能ブロック構成について説明する。

図２１に示すように、通信システム１００ｃのノード１ｃ（通信装置）は、量子送信部１０１（共有手段）と、生成部１０２（第１取得手段）と、蓄積部１０３（第１蓄積手段）と、データ生成部１０４と、暗号化部１０５（暗号化手段）と、データ送信部１０６と、盗聴認識部１０７（認識手段）と、盗聴通知受信部１０８と、盗聴対策部１０９と、決定部１１０（第２決定手段）と、を有する。なお、量子送信部１０１、生成部１０２、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６、盗聴認識部１０７、盗聴通知受信部１０８、および盗聴対策部１０９の機能は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード１の量子送信部１０１、生成部１０２、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６、盗聴認識部１０７、盗聴通知受信部１０８、および盗聴対策部１０９の機能と同様である。

決定部１１０は、古典通信路３ｂにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔにデータ生成部１０４が暗号化部１０５に送るアプリケーションデータのサイズＬよりも大きなサイズＬ’を決定する機能部である。サイズＬ’を決定する方法については、第１の実施形態と同様である。決定部１１０は、盗聴時間決定部１１０１（第１決定手段）と、生成レート決定部１１０２と、を有する。

盗聴時間決定部１１０１は、古典通信路３ｂにおいて、実際に盗聴される可能性があるデータが送信された時間帯を含む盗聴期間Ｔを決定する機能部である。盗聴期間Ｔを決定する方法については、第２の実施形態で上述した通りである。

生成レート決定部１１０２は、データ生成部１０４が暗号化部１０５に単位時間あたりにアプリケーションデータを生成して送る生成レートＲの最大値よりも大きな生成レートＲ’を決定する機能部である。生成レートＲ’を決定する方法は、第１の実施形態と同様である。

図２１に示すように、通信システム１００ｃのノード２ｃ（通信装置）は、量子受信部２０１と、生成部２０２（第２取得手段）と、蓄積部２０３（第２蓄積手段）と、データ利用部２０４と、復号化部２０５（復号化手段）と、データ受信部２０６（受信手段）と、盗聴検出部２０７ｃと、盗聴通知送信部２０８と、を有する。なお、量子受信部２０１、生成部２０２、蓄積部２０３、データ利用部２０４、復号化部２０５、データ受信部２０６、および盗聴通知送信部２０８の機能は、それぞれ、図３に示した第１の実施形態に係るノード２の量子受信部２０１、生成部２０２、蓄積部２０３、データ利用部２０４、復号化部２０５、データ受信部２０６、および盗聴通知送信部２０８の機能と同様である。

盗聴検出部２０７ｃは、撮像装置４（検知手段）によって撮像された画像情報（検知結果）に対する画像解析を実行することによって、監視エリア５内で古典通信路３ｂに対するデータの盗聴を行う可能性がある人物または物体等を検出する。すなわち、盗聴検出部２０７ｃは、画像情報に対する画像解析により盗聴を行う可能性がある人物または物体等を検出した場合、盗聴の可能性があるものとして検出する。盗聴検出部２０７ｃは、盗聴の可能性を検出した場合、盗聴検出信号を盗聴通知送信部２０８に送る。

撮像装置４は、監視エリア５の状態を撮像するカメラデバイスである。撮像装置４は、ノード２ｃ（盗聴検出部２０７ｃ）に有線または無線で、データ通信が可能なように接続されている。

以上のような構成によって、撮像装置４がノード２に接続されている構成としても、上述の第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜変形例２＞
本変形例について、上述の第２の実施形態に係る通信システム１００ｂと相違する点を中心に説明する。第２の実施形態に係る通信システム１００ｂは、各ノード間で光子の送受信、および鍵蒸留処理により暗号鍵を生成および共有する動作を行う機能部を有していたが、本実施形態では、予め蓄積部１０３および蓄積部２０３に共通の暗号鍵が大量に蓄積されており、光子の送受信、および鍵蒸留処理を行わない場合について説明する。

図２２は、第２の実施形態の変形例２のノードの機能ブロック構成の一例を示す図である。図２２を参照しながら、ノード１ｄおよびノード２ｄの機能ブロックの構成について説明する。

図２２に示すように、通信システム１００ｄのノード１ｄ（通信装置）は、生成部１０２ｄ（第１取得手段）と、蓄積部１０３（第１蓄積手段）と、データ生成部１０４と、暗号化部１０５（暗号化手段）と、データ送信部１０６と、盗聴検出部１０７ｄ（認識手段）と、盗聴対策部１０９と、決定部１１０（第２決定手段）と、を有する。なお、蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６．盗聴検出部１０７ｄ、盗聴対策部１０９、および決定部１１０の機能は、それぞれ、図１７に示した第２の実施形態に係るノード１ｂの蓄積部１０３、データ生成部１０４、暗号化部１０５、データ送信部１０６、盗聴検出部１０７ｂ、盗聴対策部１０９、および決定部１１０の機能と同様である。

生成部１０２ｄは、決定部１１０により決定された長さ（サイズＬ’とする）の暗号鍵を蓄積部１０３から取得することにより、データ送信部１０６から送信されるデータを暗号化するための暗号鍵として生成する機能部である。また、生成部１０２ｄは、決定部１１０より決定された暗号鍵の長さであるサイズＬ’の情報を、光データ通信チャネルを介して、生成部２０２ｄに送信する。なお、本変形例では、生成部１０２ｄは、図１７に示す鍵蒸留処理を実行する鍵蒸留部１０２１を有しておらず、新たに暗号鍵を生成しない。その代わりに、蓄積部１０３には、大量の暗号鍵が蓄積されているものとする。

図２２に示すように、通信システム１００ｄのノード２ｄ（通信装置）は、生成部２０２ｄ（第２取得手段）と、蓄積部２０３（第２蓄積手段）と、データ利用部２０４と、復号化部２０５（復号化手段）と、データ受信部２０６（受信手段）と、を有する。なお、蓄積部２０３、データ利用部２０４、復号化部２０５、およびデータ受信部２０６の機能は、それぞれ、図１７に示した蓄積部２０３、データ利用部２０４、復号化部２０５、およびデータ受信部２０６の機能と同様である。

生成部２０２ｄは、生成部１０２ｄから光データ通信チャネルを介して、暗号鍵の長さ（サイズＬ’）の情報を受信し、そのサイズＬ’の暗号鍵（第１暗号鍵）を蓄積部２０３から取得することにより、データ受信部２０６により受信されたデータを復号化するための暗号鍵として生成する機能部である。なお、本変形例では、生成部２０２ｄは、図１７に示す鍵蒸留処理を実行する鍵蒸留部２０２１を有しておらず、新たに暗号鍵を生成しない。その代わりに、蓄積部２０３には、大量の暗号鍵が蓄積されているものとする。

以上のような光子の送受信処理、および鍵蒸留処理を行い暗号鍵を新たに生成しなくても、蓄積部１０３および蓄積部２０３に蓄積された暗号鍵を利用して、第２の実施形態の通信システム１００ｂのような暗号化（および復号化）の動作が可能である。また、従来のワンタイムパッド方式により送信するデータごとに次々と異なる暗号鍵によって暗号化する場合と比較して、ノード１ｄとノード２ｄとが共有して蓄積している暗号鍵の消費量を大幅に低減することができる。

なお、上述の各実施形態および各変形例では、本来ワンタイムパッド方式で用いる暗号鍵を生成して用いる場合として説明したが、これに限定されるものではなく、暗号鍵をワンタイムパッド方式として利用する以外の運用方法であってもよい。例えば、暗号化方式をＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）とし、盗聴の可能性のない期間はＡＥＳの暗号化鍵を繰返し用い、盗聴の可能性がある期間はＡＥＳの暗号化鍵の更新頻度を高めても用いてもよい。すなわち、盗聴の可能性のない期間は暗号鍵を繰返し利用し、盗聴の可能性がある期間は暗号強度を強める方法を採用すればよい。

また、上述の各実施形態および各変形例に係るノード（通信装置）で実行されるプログラムは、例えば、ＲＯＭ８１等に予め組み込まれて提供されるものとしてもよい。

また、上述の各実施形態および各変形例に係るノードで実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録し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ように構成してもよい。

また、上述の各実施形態および各変形例に係るノード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、上述の各実施形態および各変形例に係るノード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経由で提供または配布するように構成してもよい。

また、上述の各実施形態および各変形例に係るノードで実行されるプログラムは、コンピュータを上述したノードの各機能部として機能させ得る。このコンピュータは、ＣＰＵ８０がコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置上に読み出して実行することができる。

本発明の実施形態およびその変形例を説明したが、この実施形態および変形例は、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。この新規な実施形態は、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、および変更を行うことができる。この実施形態および変形例は、発明の範囲および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、１ａ〜１ｄ、２、２ａ〜２ｄ ノード
３ 光ファイバリンク
３ａ 量子通信路
３ｂ 古典通信路
４、４ａ〜４ｃ 撮像装置
５ 監視エリア
８０ ＣＰＵ
８１ ＲＯＭ
８２ ＲＡＭ
８３ 通信Ｉ／Ｆ
８４ 補助記憶装置
８５ 光学処理装置
８６ バス
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｂ＿１、１００ｃ、１００ｄ 通信システム
１０１ 量子送信部
１０２、１０２ａ、１０２ｄ 生成部
１０３ 蓄積部
１０４ データ生成部
１０４ａ データ利用部
１０５ 暗号化部
１０５ａ 復号化部
１０６ データ送信部
１０６ａ データ受信部
１０７ 盗聴認識部
１０７ｂ、１０７ｄ 盗聴検出部
１０８ 盗聴通知受信部
１０９ 盗聴対策部
１１０ 決定部
２０１ 量子受信部
２０２、２０２ａ、２０２ｄ 生成部
２０３ 蓄積部
２０４ データ利用部
２０４ａ データ生成部
２０５ 復号化部
２０５ａ 暗号化部
２０６ データ受信部
２０６ａ データ送信部
２０７、２０７ｃ 盗聴検出部
２０８ 盗聴通知送信部
２０９ 盗聴対策部
２１０ 決定部
１０２１ 鍵蒸留部
１１０１ 盗聴時間決定部
１１０２ 生成レート決定部
２０２１ 鍵蒸留部
２１０１ 盗聴時間決定部
２１０２ 生成レート決定部
Ａ、Ｂ 建物
Ｋ１、Ｋ１ａ、Ｋ１ｂ、Ｋ２ 暗号鍵
Ｔ、Ｔ’ 盗聴期間
Ｔ１ 誤り率測定期間
Ｔ２ 盗聴判定処理時間
Ｔ３ 盗聴通知時間
Ｔ４ 盗聴対策時間
ｔａ〜ｔｆ、ｔｂ２、ｔｅ２、ｔｆ２ 時刻
Ｔｒ 実際の盗聴期間
ＴＱ１〜ＴＱ３ 誤り率測定期間

Claims (13)

1. 他の通信装置と接続するデータ通信路のデータが盗聴される可能性のある期間を決定する第１決定手段と、
   前記期間の長さを単位時間として、該単位時間ごとに前記データ通信路を介して前記他の通信装置に送信されるデータを暗号化するための暗号鍵のサイズを決定する第２決定手段と、
   前記他の通信装置との間で量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する第１蓄積手段から、前記サイズの第１暗号鍵を取得する第１取得手段と、
   前記データ通信路に対する盗聴の可能性を認識する認識手段と、
   前記認識手段により前記盗聴の可能性が認識されるまで、前記単位時間ごとに、前記他の通信装置に送信されるデータを、前記第１取得手段により取得された前記第１暗号鍵で繰り返し暗号化する暗号化手段と、
   を備えた通信装置。
2. 前記他の通信装置との量子通信路を介した前記量子鍵配送によって、前記他の通信装置と光子列を共有して、前記光子列に対応するビット列を取得する共有手段と、
   をさらに備え、
   前記データ通信路および前記量子通信路は、同一の物理媒体に形成され、
   前記認識手段は、前記量子通信路での前記光子列の誤り率に基づいて、前記盗聴の可能性を認識する請求項１に記載の通信装置。
3. 前記認識手段は、前記データ通信路の近傍の情報を検知する検知手段の検知結果に基づいて、前記盗聴の可能性を認識する請求項１に記載の通信装置。
4. 前記第１決定手段は、前記誤り率が測定される単位期間の第１期間と、前記他の通信装置が前記盗聴の可能性を検出する場合に、前記他の通信装置が前記盗聴の可能性を検出してから、前記認識手段が、前記他の通信装置から送信される前記盗聴の可能性の検出の通知によって前記盗聴の可能性を認識するまでの第２期間と、に基づいて前記期間を決定する請求項２に記載の通信装置。
5. 前記暗号化手段は、前記認識手段によって前記盗聴の可能性が認識された後、前記他の通信装置に送信されるデータごとに、前記第１取得手段により取得される前記第１暗号鍵とは異なる別の暗号鍵によりワンタイムパッド方式で暗号化する請求項１に記載の通信装置。
6. 前記暗号化手段は、
   前記認識手段によって前記盗聴の可能性が認識された後、前記他の通信装置に送信されるデータを、前記第１暗号鍵で繰り返し暗号化する動作を停止し、
   前記認識手段によって前記盗聴の可能性がなくなったことが認識された後、前記第１取得手段により取得される前記第１暗号鍵とは異なる第２暗号鍵で、前記他の通信装置に送信されるデータを繰り返し暗号化する請求項１に記載の通信装置。
7. 前記第２決定手段は、前記他の通信装置に送信されるデータよりも大きい前記サイズを決定し、
   前記暗号化手段は、前記他の通信装置に送信されるデータを、前記第１暗号鍵で完全暗号方式により暗号化する請求項１に記載の通信装置。
8. 前記第２決定手段は、前記他の通信装置に送信されるデータの生成レートと、前記期間とに基づいて前記サイズを算出して決定する請求項１に記載の通信装置。
9. 前記他の通信装置との量子通信路を介した前記量子鍵配送によって、前記他の通信装置と光子列を共有して、前記光子列に対応するビット列を取得する共有手段と、
   前記ビット列から、鍵蒸留処理によって前記暗号鍵を生成する鍵蒸留手段と、
   を備え、
   前記データ通信路および前記量子通信路は、同一の物理媒体に形成された請求項１に記載の通信装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の通信装置から前記暗号化手段により暗号化されたデータを受信する受信手段と、
    前記通信装置との間で前記量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する第２蓄積手段から、前記サイズの第１暗号鍵を取得する第２取得手段と、
    前記認識手段により前記盗聴の可能性が認識されるまで、前記単位時間ごとに、前記暗号化されたデータを、前記第２取得手段により取得された前記第１暗号鍵で繰り返し復号化する復号化手段と、
    を備えた通信装置。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の通信装置と、
    請求項１０に記載の通信装置と、
    を含む通信システム。
12. 他の通信装置と隣接するデータ通信路のデータが盗聴される可能性のある期間を決定する第１決定ステップと、
    前記期間の長さを単位時間として、該単位時間ごとに前記データ通信路を介して前記他の通信装置に送信されるデータを暗号化するための暗号鍵のサイズを決定する第２決定ステップと、
    前記他の通信装置との間で量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する蓄積手段から、前記サイズの暗号鍵を取得する取得ステップと、
    前記データ通信路に対する盗聴の可能性を認識する認識ステップと、
    前記盗聴の可能性が認識するまで、前記単位時間ごとに、前記他の通信装置に送信されるデータを、取得した前記サイズの暗号鍵で繰り返し暗号化する暗号化ステップと、
    を有する通信方法。
13. 他の通信装置と接続するデータ通信路のデータが盗聴される可能性のある期間を決定する第１決定ステップと、
    前記期間の長さを単位時間として、該単位時間ごとに前記データ通信路を介して前記他の通信装置に送信されるデータを暗号化するための暗号鍵のサイズを決定する第２決定ステップと、
    前記他の通信装置との間で量子鍵配送により共有した暗号鍵を蓄積する蓄積手段から、前記サイズの暗号鍵を取得する取得ステップと、
    前記データ通信路に対する盗聴の可能性を認識する認識ステップと、
    前記盗聴の可能性が認識するまで、前記単位時間ごとに、前記他の通信装置に送信されるデータを、取得した前記サイズの暗号鍵で繰り返し暗号化する暗号化ステップと、
    をコンピュータに実現させるためのプログラム。

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