JP2019125961A - 送信装置、受信装置、及び量子鍵配送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 量子伝送路で生じた偏光乱れを効率的に補正する。【解決手段】 一実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信装置は、光源と、第１の分波器と、エンコーダと、第１の合波器と、を備える。光源は、光パルスを生成する。第１の分波器は、前記光パルスを、第１の経路を移動する信号パルスと、前記第１の経路と光路長が異なる第２の経路を移動する偏光制御用パルスと、に分波する。エンコーダは、前記第１の経路に設けられ、前記信号パルスに情報を符号化する。第１の合波器は、前記エンコーダを通過した前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとを合波する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、量子鍵配送システムに関する。

量子鍵配送システムは、送信器、受信器、及びこれらを接続する量子伝送路を含んで構成される。送信器は、量子伝送路を介して光子を受信器に送信する。その後、送信器と受信器とが相互に信号情報を確認することによって、送信器と受信器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（Quantum Key Distribution：ＱＫＤ）と呼ばれる。量子力学の基本原理により、盗聴者が量子伝送路の途中で光子を盗聴した場合、光子の物理的な状態が変化する。その結果、送信器と受信器との間で信号に誤差が生じる。ＱＫＤでは、信号の共通部分を比較することによって量子伝送路の途中に盗聴者がいたことを検出することが可能である。

ＱＫＤが成り立つためには、量子伝送路において光子の状態が変化しないことが望ましい。しかしながら、量子伝送路の温度変化や振動などにより、光子の偏光状態及び位相状態に変化が生じる。量子鍵配送システムは、このような偏光及び位相の乱れを補正するフィードバック機構を備える。

特許第４６１９５７８号公報

本発明が解決しようとする課題は、量子伝送路で生じた偏光乱れを効率的に補正することができる量子鍵配送システム、並びに、この量子鍵配信システムのための送信装置及び受信装置を提供することである。

一実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信装置は、光源と、第１の分波器と、エンコーダと、第１の合波器と、を備える。光源は、光パルスを生成する。第１の分波器は、前記光パルスを、第１の経路を移動する信号パルスと、前記第１の経路と光路長が異なる第２の経路を移動する偏光制御用パルスと、に分波する。エンコーダは、前記第１の経路に設けられ、前記信号パルスに情報を符号化する。第１の合波器は、前記エンコーダを通過した前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとを合波する。

一実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信器を示す図。 一実施形態に係る量子鍵配送システムのための受信器を示す図。 従来の量子鍵配送システムにおける量子ビット誤り率の時間変化を模式的に示す図。 偏光乱れがない状況での従来の量子鍵配送システムにおける量子ビット誤り率の時間変化を模式的に示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。

図１及び図２は、一実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信器（送信装置）１００及び受信器（受信装置）２００をそれぞれ示している。送信器１００は、伝送路１９０によって受信器２００に接続される。伝送路１９０は、シングルモードファイバなどの光ファイバである。送信器１００と受信器２００は同期される。例えば、量子鍵配送システムは、送信器１００及び受信器２００を同期するための同期信号を生成するタイミング制御器（図示せず）を備えていてもよい。一例として、タイミング制御器は受信器２００に設けられ、同期信号は古典チャネルで送信器１００へ送信される。

図１に示されるように、送信器１００は、光源１０２、分波器１０４、干渉計１０６、減衰器１１４、合波器１１６、及び減衰器１１８を備える。光源１０２は、分波器１０４の入力ポートに接続される。分波器１０４の第１の出力ポートは、干渉計１０６を経由して合波器１１６の第１の入力ポートに接続され、分波器１０４の第２の出力ポートは、減衰器１１４を経由して合波器１１６の第２の入力ポートに接続される。干渉計１０６は、分波器１０８、変調器１１０、及び合波器１１２を備える。干渉計１０６において、分波器１０８の入力ポートが分波器１０４の第１の出力ポートに接続される。分波器１０８の第１の出力ポートは、変調器１１０を経由して合波器１１２の第１の入力ポートに接続され、分波器１０８の第２の出力ポートは、合波器１１２の第２の入力ポートに接続される。合波器１１２の出力ポートは、合波器１１６の第１の入力ポートに接続される。光源１０２から合波器１１６までにおいて、コンポーネント同士（例えば光源１０２及び分波器１０４）を接続する光ファイバは全て偏光保持ファイバであり得る。合波器１１６の出力ポートは、減衰器１１８を経由して伝送路１９０に接続される。合波器１１６と減衰器１１８とを接続する光ファイバは、例えば、シングルモードファイバである。

光源１０２は、光パルスを生成する。本実施形態では、光源１０２は、直線偏光した光パルスを生成する。光源１０２は、レーザーダイオードであり得るが、これに限定されない。光源１０２は、図示しない制御回路により適用されるトリガー信号によって駆動される。トリガー信号は、例えば、所定の周波数（例えば１ＧＨｚ）を有する電圧信号であり、それにより、光源１０２は、一定間隔で（例えば１ナノ秒間隔で）光パルスを生成する。光源１０２は、光パルスの偏光方向が偏光保持ファイバの特定の軸（典型的には遅軸）に平行になるように光パルスを出力する。

分波器１０４は、光源１０２から出力された光パルスを２つに分波する。分波器１０４の第１の出力ポートから出力される光パルスの第１の部分１５１は、暗号鍵の生成に利用されるものであり、信号パルスと呼ぶこととする。分波器１０４の第２の出力ポートから出力される光パルスの第２の部分１５４は、伝送中に信号パルスに生じた偏光乱れを補正するために使用されるものであり、偏光制御用パルスと呼ぶこととする。

分波器１０４は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。例えば、分波器１０４として、ビームスプリッタなどの他の光学素子が使用されてもよい。偏光制御用パルス１５４の強度が信号パルス１５１の強度よりも強くなるように、分波器１０４の分岐比が設定されることが望ましい。分岐比がそのように設定される場合、偏光制御用パルス１５４が送信器１００から出力されるときにより多くの光子を有する。なお、分岐比は、１：１であってもよく（すなわち、偏光制御用パルス１５４の強度が信号パルス１５１の強度と等しくなるように設定されてもよく）、偏光制御用パルス１５４の強度が信号パルス１５１の強度よりも弱くなるように設定されてもよい。

干渉計１０６は、分波器１０４から信号パルス１５１を受け取り、この信号パルス１５１に情報を符号化するエンコーダに相当する。情報は、送信器１００と受信器２００とが共有することになる暗号鍵を生成するために受信器２００へ送信される情報である。干渉計１０６は、非対称マッハツェンダー干渉計である。

干渉計１０６において、信号パルス１５１は分波器１０８に入射する。分波器１０８は、信号パルス１５１を２つに、すなわち、信号パルス１５２及び信号パルス１５３に分波する。分波器１０８は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。

分波器１０８の第１の出力ポートから出力された信号パルス１５２は変調器１１０に入射する。変調器１１０は、送信する情報に基づいて信号パルス１５２の位相を変調する。変調器１１０を通過した信号パルス１５２は合波器１１２に入射する。分波器１０８の第２の出力ポートから出力された信号パルス１５３は合波器１１２に入射する。合波器１１２は、変調器１１０を通過した信号パルス１５２と信号パルス１５３とを合波する。合波器１１２は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。干渉計１０６を通過した信号パルス１５２、１５３は、合波器１１６に入射する。

信号パルス１５３が移動する分波器１０８から合波器１１２までの経路１３２の光路長は、信号パルス１５２が移動する分波器１０８から合波器１１２までの経路１３１の光路長よりも長い。経路１３１と経路１３２との間の光路長差は、ｔ_{ｄｅｌａｙ}の光伝搬遅延時間に対応する。すなわち、干渉計１０６の出口では、信号パルス１５３は、信号パルス１５２よりもｔ_{ｄｅｌａｙ}の時間だけ遅れる。

合波器１１２の第１の入力ポート及び第２の入力ポートに接続される偏光保持ファイバの遅軸は、同じ方向にそろえられる。これにより、干渉計１０６の出口では、信号パルス１５２の偏光は信号パルス１５３の偏光と同一になる。

分波器１０４から出力された偏光制御用パルス１５４は、減衰器１１４に入射する。減衰器１１４は、偏光制御用パルス１５４の強度を減衰させる。減衰器１１４を通過した偏光制御用パルス１５４は、合波器１１６に入射する。

合波器１１６は、信号パルス１５２、１５３と偏光制御用パルス１５４とを合波し、光パルス列１５５を生成する。合波器１１６は、偏光ビームスプリッタであり得るが、これに限定されない。偏光制御用パルス１５４が移動する分波器１０４から合波器１１６までの経路１３５の光路長は、経路１３１を含む分波器１０４から合波器１１６までの経路１３３の光路長よりも長く、経路１３２を含む分波器１０４から合波器１１６までの経路１３４の光路長よりも短い。したがって、合波器１１６の出口では、偏光制御用パルス１５４は、信号パルス１５２と信号パルス１５３との間に存在する。経路１３３と経路１３５との光路長差が経路１３５と経路１３４との光路長差と等しい場合には、偏光制御用パルス１５４は、信号パルス１５２と信号パルス１５３との中間に位置する。

合波器１１６の第１の入力ポートに接続される偏光保持ファイバの遅軸は、合波器１１６の第２の入力ポートに接続される偏光保持ファイバの遅軸に対して９０°回転される。これにより、偏光制御用パルス１５４の偏光は、信号パルス１５２、１５３の偏光と直交する。これにより、偏光制御用パルス１５４が信号パルス１５２、１５３と干渉することが防止又は抑制される。

合波器１１６から出力された光パルス列１５５は、減衰器１１８に入射する。減衰器１１８は、信号パルス１５２、１５３の強度が単一光子レベルになるように、光パルス列１５５を減衰させる。具体的には、減衰器１１８は、信号パルス１５２、１５３の各々の１パルス当たりの平均光子数が１未満になるように、光パルス列１５５を減衰する。減衰後の信号パルス１５２、１５３の各々の１パルス当たりの平均光子数をμ_１とすると、μ_１＜１である。例えばμ_１＝０．５である。偏光制御用パルス１５４も減衰器１１８により減衰されるが、偏光制御用パルス１５４の強度は信号パルス１５２、１５３の強度よりも強いため、減衰後の偏光制御用パルス１５４の１パルス当たりの平均光子数をμ_２とすると、μ_２＞μ_１である。本実施形態では、偏光制御用パルス１５４は、減衰器１１８を通過した後も多光子状態である。例えばμ_２＝１０である。減衰器１１８を通過した光パルス列１５５は、伝送路１９０を通じて受信器２００へ送信される。

なお、減衰器１１８は、分波器１０４と分波器１０８との間や合波器１１２と合波器１１６との間などの他の位置に設けられていてもよい。また、減衰器１１４は必ずしも必要というわけではない。

図２に示されるように、受信器２００は、偏光制御器２０２、分波器２０４、検出器２０６、制御回路２０８、干渉計２１０、及び制御回路２２８を備える。偏光制御器２０２の入力ポートに伝送路１９０が接続される。偏光制御器２０２の出力ポートは、分波器２０４の入力ポートに接続される。分波器２０４の第１の出力ポートは検出器２０６に接続され、分波器２０４の第２の出力ポートは干渉計２１０に接続される。干渉計２１０は、光スイッチ２１２、変調器２１８、可変遅延線２２０、合波器２２２、検出器２２４、及び検出器２２６を備える。干渉計２１０において、分波器２０４の第２の出力ポートは、光スイッチ２１２の入力ポートに接続される。光スイッチ２１２の第１の出力ポートは、変調器２１８を経由して合波器２２２の第１の入力ポートに接続される。光スイッチ２１２の第２の出力ポートは、遅延線２２０を経由して合波器２２２の第２の入力ポートに接続される。偏光制御器２０２から合波器２２２までにおいて、コンポーネント同士（例えば偏光制御器２０２及び分波器２０４）を接続する光ファイバは全て偏光保持ファイバであり得る。合波器２２２の第１の出力ポートは検出器２２４に接続され、合波器２２２の第２の出力ポートは検出器２２６に接続される。合波器２２２と検出器２２４とを接続する光ファイバ、合波器２２２と検出器２２６とを接続する光ファイバ、及び分波器２０４と検出器２０６とを接続する光ファイバは、例えば、シングルモードファイバである。

受信器２００は、送信器１００から出力された光パルス列１５５を受信する。受信器２００において、光パルス列１５５は偏光制御器２０２に入射する。上述したように、光パルス列１５５は、信号パルス１５２、１５３と、信号パルス１５２と信号パルス１５３との間の偏光制御用パルス１５４と、を含む。偏光制御器２０２は、入射光の偏光状態を制御するものである。偏光制御器２０２は、例えば、光ファイバに応力を適用することで入射光の偏光状態を任意の偏光状態に変更する。偏光制御器２０２は、光パルス列１５５の偏光を制御する。偏光制御器２０２は、偏光制御用パルス１５４が分波器２０４に入射するときにその偏光が所定の偏光になるように、制御回路２０８によって調整される。偏光制御器２０２を通過した光パルス列１５５は、分波器２０４に入射する。

分波器２０４は、光パルス列１５５を信号パルス１５２、１５３と偏光制御用パルス１５４とに分岐する。分波器２０４は、偏光制御用パルス１５４から所定の偏光を有する光成分を抽出する光学素子を含む。分波器２０４は、偏光ビームスプリッタであり得るが、これに限定されない。検出器２０６は、分波器２０４によって偏光制御用パルス１５４から抽出された光を検出する。本実施形態では、検出器２０６は、入射光の強度を測定し、測定した光強度を表す検出信号を制御回路２０８に出力する。制御回路２０８は、分波器２０４に入射する偏光制御用パルス１５４の偏光が所定の偏光になるように、検出器２０６から受け取った検出信号に基づいて偏光制御器２０２を制御する。制御回路２０８は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの専用のハードウェアプロセッサにより実現される。なお、制御回路２０８は、ＣＰＵ（Central Processing unit）などの汎用のハードウェアプロセッサにより実現されてもよい。

本実施形態では、分波器２０４は偏光ビームスプリッタであり、所定の偏光を有する光が第１の出力ポートから出力され、所定の偏光と直交する偏光を有する光が第２の出力ポートから出力される。理想的には、偏光制御用パルス１５４は所定の偏光と同じ偏光を有し、偏光制御用パルス１５４の全部が検出器２０６で検出される。偏光制御用パルス１５４の偏光に乱れが生じた場合、偏光制御用パルス１５４の一部は干渉計２１０に入射し或いは分波器２０４で失われ、それにより、検出器２０６で測定される偏光制御用パルス１５４の強度が低下する。制御回路２０８は、検出器２０６からの検出信号により示される強度が最大になるように偏光制御器２０２を調整する。

干渉計２１０は、分波器２０４から信号パルス１５２、１５３を受け取り、これらの信号パルス１５２、１５３から情報を復号するデコーダに相当する。干渉計２１０は、非対称マッハツェンダー干渉計である。

干渉計２１０において、信号パルス１５２、１５３は光スイッチ２１２に入射する。光スイッチ２１２は、信号パルス１５２と信号パルス１５３を分離し、信号パルス１５３を経路２３１へ導き、信号パルス１５２を経路２３２へ導く。本実施形態では、光スイッチ２１２は、高速偏光制御器２１４と、高速偏光制御器２１４に後段に設けられた偏光ビームスプリッタ２１６と、を含む。高速偏光制御器２１４は、信号パルス１５２、１５３の一方の偏光を制御する。例えば、高速偏光制御器２１４は、信号パルス１５２の偏光を９０°回転させ、信号パルス１５３をそのまま通過させる。これにより、高速偏光制御器２１４の出口では、信号パルス１５２の偏光が信号パルス１５３の偏光と直交し、偏光ビームスプリッタ２１６で信号パルス１５２が信号パルス１５３と分離される。

経路２３１を移動する信号パルス１５３は、変調器２１８に入射する。変調器２１８は、信号パルス１５３の位相を変調する。変調器２１８を通過した信号パルス１５３は、合波器２２２に入射する。経路２３２を移動する信号パルス１５２もまた、合波器２２２に入射する。合波器２２２は、変調器２１８を通過した信号パルス１５３と信号パルス１５２とを合波する。合波器２２２は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。

光スイッチ２１２から合波器２２２までの経路２３２の光路長は、光スイッチ２１２から合波器２２２までの経路２３１の光路長よりも長い。経路２３１及び経路２３２は、それらの間の光路長差がｔ_{ｄｅｌａｙ}の光伝搬遅延時間に対応するように設計される。すなわち、送信器１００内の干渉計１０６の光路長差は、受信器２００内の干渉計２１０の光路長差と等しい。このため、理想的には、信号パルス１５２、１５３が同時に合波器２２２に入射し、合波器２２２において信号パルス１５２、１５３が干渉する。合波器２２２から出力される光子は、検出器２２４、２２６で検出される。検出器２２４、２２６は、アバランシェフォトダイオードなどの単一光子検出器である。

前述したように、非理想的な偏光により、偏光制御用パルス１５４の一部が干渉計２１０に入射することがある。このため、検出器２２４、２２６は、干渉計２１０に入射した偏光制御用パルス１５４を検出しないようにするために、すなわち、干渉した光パルスを選択的に検出できるようにするために、ゲート制御されることが望ましい。ゲート制御される単一光子検出器の例には、自己差分アバランシェフォトダイオードや正弦波ゲートアバランシェフォトダイオードが含まれる。干渉計２１０に入射した偏光制御用パルス１５４が検出器２２４又は２２６で検出されないようにするためには、光パルス列１５５において、偏光制御用パルス１５４は信号パルス１５２と信号パルス１５３との略中間に位置することが望ましい。

制御回路２２８は、信号パルス１５２、１５３の位相乱れを補正するために、検出器２２４、２２６による検出結果に基づいて遅延線２２０を制御する。遅延線２２０は、ファイバストレッチャーであり得るが、これに限定されない。制御回路２２８は、遅延線２２０を用いて経路２３２の光路長を調整する。制御回路２２８は、ＦＰＧＡなどの専用のハードウェアプロセッサにより実現される。なお、制御回路２２８は、汎用のハードウェアプロセッサにより実現されてもよい。

なお、遅延線２２０は経路２３１に設けられていてもよい。また、遅延線２２０は、送信器１００内の干渉計１０６の経路１３１又は１３２に設けられていてもよい。また、位相乱れの補正は、受信器２００内の変調器２１８又は送信器１００内の変調器１１０を用いて経路の光路長を調整することで達成されてもよい。この場合、遅延線２２０は設けられなくてよい。

偏光制御器２０２は、送信器１００内に設けられていてもよい。例えば、偏光制御器２０２は、合波器１１６又は減衰器１１８の後段に設けられてよい。この場合、受信器２００内の検出器２０６で得られた検出信号が古典チャネルで送信器１００へ送信され、送信器１００内の制御回路がその検出信号に基づいて偏光制御器２０２を制御する。また、偏光制御器２０２は、伝送路１９０の途中に設けられていてもよい。

次に、本実施形態に係る量子鍵配送システムにおいて暗号鍵を生成する方法例について説明する。

送信器１００内の変調器１１０は、信号パルス１５２ごとに２つの符号化基底の一方をランダムに選択し、選択した符号化基底を用いて信号パルス１５２の位相を変調する。第１の符号化基底は、情報“０”が０°の位相シフトに対応し、情報“１”が１８０°の位相シフトに対応するように、規定される。第１の符号化基底が選択された場合、変調器１１０は、情報“０”を符号化するために、信号パルス１５２に０°の位相シフトを適用する。変調器１１０は、情報“１”を符号化するために、信号パルス１５２に１８０°の位相シフトを適用する。第２の符号化基底は、情報“０”は９０°の位相シフトに対応し、情報“１”は２７０°の位相シフトに対応するように、規定される。第２の符号化基底が選択された場合、変調器１１０は、情報“０”を符号化するために、信号パルス１５２に９０°の位相シフトを適用する。変調器１１０は、情報“１”を符号化するために、信号パルス１５２に２７０°の位相シフトを適用する。

一方、受信器２００内の変調器２１８は、信号パルスごとに２つの復号基底の一方をランダムに選択し、選択した復号基底を用いて信号パルスの位相を変調する。第１の復号基底は、０°の位相シフトとして規定される。第１の復号基底が選択された場合、変調器２１８は、信号パルスに０°の位相シフトを適用する。第２の復号基底は、９０°の位相シフトとして規定される。第２の復号基底が選択された場合、変調器２１８は、信号パルスに９０°の位相シフトを適用する。

信号パルス１５２、１５３の偏光が理想的な場合には、信号パルス１５２は、下記（１）のルートを移動し、信号パルス１５３は、下記（２）のルートを移動する。
（１）送信器１００内の干渉計１０６の光路長の短い経路１３１及び受信器２００内の干渉計２１０の光路長の長い経路２３２に沿ったルート。
（２）送信器１００内の干渉計１０６の光路長の長い経路１３２及び受信器２００内の干渉計２１０の光路長の短い経路２３１に沿ったルート。

この場合には、信号パルス１５２、１５３は合波器２２２において干渉し、検出器２２４、２２６のいずれか一方で光子が検出される。検出器２２４で光子が検出された場合には、干渉計２１０は情報“０”を取得し、検出器２２４で光子が検出された場合には、干渉計２１０は情報“１”を取得する。どちらの検出器で光子が検出されるかは、変調器１１０により適用された位相シフトと変調器２１８により適用された位相シフトとに依存する。変調器１１０が０°の位相シフトを適用し、変調器２１８が０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２４で光子が検出される。変調器１１０が１８０°の位相シフトを適用し、変調器２１８が０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２６で光子が検出される。変調器１１０が９０°の位相シフトを適用し、変調器２１８が９０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２４で光子が検出される。変調器１１０が２７０°の位相シフトを適用し、変調器２１８が９０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２６で光子が検出される。これらの組み合わせは、送信器１００と受信器２００とで同じ変調基底が使用された場合に対応する。

上記の組み合わせ以外の組み合わせで変調が行われた場合には、検出器２２４で光子が検出される確率及び検出器２２６で光子が検出される確率がそれぞれ５０％になる。例えば、変調器１１０が０°の位相シフトを適用し、変調器２１８が９０°の位相シフトを適用する場合、５０％の確率で検出器２２４で光子が検出され、５０％の確率で検出器２２６で光子が検出される。このような場合には、情報を正しく復号できないので、このような光子は暗号鍵の生成に寄与しない。

非理想的な偏光により、短い経路１３１を移動した信号パルス１５２が短い経路２３１を移動することがあり、また、長い経路１３２を移動した信号パルス１５３が長い経路２３２を移動することがある。このような場合には、信号パルス１５２、１５３は干渉せずに検出器２２４又は２２６に到達する。これらの干渉しない光子は、暗号鍵の生成に寄与しないため、それらの検出結果は破棄される。検出器２２４、２２６がゲート制御される場合には、検出器２２４、２２６は、これらの干渉しない光子を自動的に排除することができる。干渉しない光子を効率的に排除するためには、遅延時間ｔ_{ｄｅｌａｙ}は、ゲート動作周期の半分に設定される。１ＧＨｚのゲート動作にとって遅延時間ｔ_{ｄｅｌａｙ}は５００ピコ秒である。

送信器１００は、光パルス列１５５を周期的に送信し、それにより、受信器２００は、多数の干渉検出結果を取得する。その後に、送信器１００とともに使用される第１の古典通信装置から、受信器２００とともに使用される第２の古典通信装置は、それぞれの光パルスに対して選択した符号化基底を表す基底情報を受信する。基底情報は古典チャネルで送受信される。受信器２００の制御回路２２８は、送信器１００が選択した符号化基底に適合する復号基底を選択したときに得られた情報を結合し、それによりビット列（シフト鍵）を生成する。同様にして、基底情報が第１の古典通信装置から第２の古典通信装置に送信され、送信器１００においてシフト鍵が生成される。その後に、誤り訂正処理及び秘匿性増幅処理が行なわれ、送信器１００と受信器２００とに共有される暗号鍵が生成される。

次に、偏光乱れ及び位相乱れを補正する方法例について説明する。

偏光乱れ及び位相乱れは、積極的に安定させる必要がある。本実施形態では、偏光乱れは、検出器２０６による検出結果に基づいて偏光制御器２０２を積極的に調整することによって補正され、位相乱れは、検出器２２４、２２６による検出結果に基づいて遅延線２２０を積極的に調整することによって補正される。

送信器１００では、偏光乱れを補正するための偏光制御用パルス１５４が生成され、信号パルス１５２、１５３とともに伝送路１９０へ送出される。受信器２００では、偏光制御用パルス１５４は偏光制御器２０２によって偏光を制御され、所定の偏光を有する偏光制御用パルス１５４の光成分が分波器２０４によって検出器２０６へ導かれる。偏光制御用パルス１５４の光強度が検出器２０６によって測定され、制御回路２０８は、検出器２０６によって測定される偏光制御用パルス１５４の光強度が最大になるように、偏光制御器２０２を調整する。検出器２０６によって測定される偏光制御用パルス１５４の光強度が最大になるように偏光制御器２０２が調整されると、偏光制御器２０２を通過した偏光制御用パルス１５４の偏光は所定の偏光と同一になり、すなわち、偏光乱れが適切に補正される。

信号パルス１５２、１５３に生じる偏光乱れは偏光制御用パルス１５４に生じる偏光乱れと実質的に同じである。このため、上述のようにして調整された偏光制御器２０２は、信号パルス１５２、１５３の偏光乱れを適切に補正することができる。このようなフィードバック制御により、偏光乱れが補正される。

制御回路２２８は、検出器２２４、２２６による検出結果に基づいて生成されるフィードバック信号に基づいて遅延線２２０を調整する。フィードバック信号は、例えば量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）である。量子ビット誤り率は、シフト鍵に含まれるビットの総数に対する間違ったビットの割合として定義される。量子ビット誤り率は、誤り訂正処理後に算出される。位相乱れは、量子ビット誤り率を増大させる。制御回路２２８は遅延線２２０を調整し、それにより、量子ビット誤り率が最小化される。このようなフィードバック制御により、位相乱れが適切に補正される。

図３は、偏光制御用パルスを用いない従来の量子鍵配送システムにおける量子ビット誤り率の時間変化を模式的に示している。従来の量子鍵配送システムでは、検出器（本実施形態の検出器２２４、２２６に対応する）による干渉の測定結果に基づいて偏光乱れ及び位相乱れの両方が補正される。図３に示されるように、従来の量子鍵配送システムでは、量子ビット誤り率のばらつきが大きい。量子ビット誤り率が大きい場合には、暗号鍵の生成速度が低下する。

図４は、偏光乱れがない状況下での従来の量子鍵配送システムにおける量子ビット誤り率の時間変化を模式的に示している。ここで、図４の縦軸及び横軸のスケールは図３のものと同じである。図４に示されるように、位相乱れのみを補正する場合には、量子ビット誤り率のばらつきが小さく、量子ビット誤り率は低く保たれている。

干渉測定結果は、偏光乱れ及び位相乱れの両方に依存する。このため、従来の量子鍵配送システムでは、偏光及び位相を同時に制御する必要があり、制御が複雑である。これに対し、本実施形態に係る量子鍵配送システムでは、偏光乱れと位相乱れが別々のパラメータで補正される。偏光乱れは、干渉測定結果ではなく、偏光制御用パルス１５４の検出結果に基づいて補正される。すなわち、偏光乱れの補正については位相乱れの影響を受けない。これにより、偏光乱れを効率的に補正することができる。偏光乱れの補正が高効率になると、位相乱れも高効率で補正できるようになり、図４に示されるような量子ビット誤り率の改善が期待される。

以上のように、本実施形態では、送信器１００は、光源１０２から出射された光パルスを２つに分岐し、２つの分岐光パルスの一方は、暗号情報を持つ信号パルス１５１として使用され、２つの分岐光パルスの他方は、偏光乱れを補正するための偏光制御用パルス１５４として使用される。これにより、偏光乱れと位相乱れを別々に制御することが可能になる。偏光乱れは偏光制御用パルス１５４の偏光状態に応じて制御されるので、位相乱れは偏光乱れの制御に影響を及ぼさない。このため、偏光乱れを効率的に補正することができる。

また、本実施形態では、偏光制御用パルス１５４は送信器１００から送信されるときに多光子状態である。これにより、検出器２０６で測定される光の強度に基づいて偏光乱れを制御することが可能になり、偏光制御用パルス１５４を受信するたびに偏光制御器２０２に対する調整を行うことが可能になる。その結果、偏光乱れをより効率的に制御することができる。

他の実施形態では、偏光制御用パルス１５４は送信器１００から送信されるときに単一光子状態であってもよい。偏光制御用パルスの強度をより弱くすることで、偏光制御用パルス１５４が信号パルス１５２、１５３と干渉することが防止又は抑制される。この場合、検出器２０６としては、アバランシェフォトダイオードなどの単一光子検出器が使用される。非理想的な偏光により、信号パルスが検出器２０６に導かれることがある。このため、好ましくは、自己差分アバランシェフォトダイオードや正弦波ゲートアバランシェフォトダイオードなどのゲート制御される単一光子検出器が使用される。制御回路２０８は、単位時間当たりに検出器２０６によって検出される偏光制御用パルス１５４（光子）の数をモニタする。単位時間は、光源１０２から光パルスが出射される時間間隔よりも十分に長い。光パルスが出射される時間間隔が１ナノ秒である場合、単位時間は、例えば、２０ナノ秒である。この場合、単位時間の間隔で偏光制御器２０２に対する調整を行うことになる。このため、制御効率の観点からは、偏光制御用パルスは多光子状態であることが望ましい。

さらに、本実施形態では、信号パルス１５１は２つの信号パルス１５２、１５３に分岐され、信号パルス１５２、１５３は、偏光方向が揃った状態で出力される。この場合、伝送中に信号パルス１５２と信号パルス１５３で実質的に同じ位相乱れが生じる。このため、２つの信号パルス１５２、１５３の偏光が直交する場合よりも、相対的な位相乱れが小さくなり、位相乱れの制御が容易になる。

さらにまた、本実施形態では、偏光制御用パルス１５４は、偏光制御用パルス１５４の偏光方向が信号パルス１５２、１５３の偏光方向と直交する状態で出力される。これにより、偏光制御用パルス１５４が信号パルス１５２、１５３と干渉することを防止又は抑制することができる。さらに、偏光ビームスプリッタなどの光学素子で偏光制御用パルス１５４と信号パルス１５２、１５３とを容易に分離することができる。

他の実施形態では、偏光制御用パルス１５４は、偏光制御用パルス１５４の偏光方向が信号パルス１５２、１５３の偏光方向と同じ状態で出力されてもよい。この場合、受信器２００内の分波器２０４は、例えば、高速偏光制御器と、高速偏光制御器の後段に設けられた偏光ビームスプリッタ又はポラライザと、を含む。高速偏光制御器は、偏光制御用パルス１５４の偏光又は信号パルス１５２、１５３の偏光を選択的に制御する。例えば、高速偏光制御器は、偏光制御用パルス１５４の偏光を９０°回転させ、信号パルス１５２、１５３をそのまま通過させる。偏光制御用パルス１５４の偏光方向が信号パルス１５２、１５３の偏光方向と直交する本実施形態では、このような高速偏光制御器が不要であり、分波器２０４の構造を簡単にすることができる。さらに、上述したように、偏光制御用パルス１５４が信号パルス１５２、１５３と干渉することが防止される。

上述した実施形態では、ＢＢ８４と呼ばれる量子鍵配送方式に基づいた量子鍵配送システムについて説明した。上述した偏光乱れ及び位相乱れを補正する方法は、他の量子鍵配送方式、例えば、差動位相シフト量子鍵配送（ＤＰＳ−ＱＫＤ）に適用することもできる。差動位相シフト量子鍵配送では、エンコーダは、送信する情報に基づいて信号パルスの位相を変調する位相変調器である。

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。

１００…送信器、１０２…光源、１０４…分波器、１０６…干渉計、１０８…分波器、
１１０…変調器、１１２…合波器、１１４…減衰器、１１６…合波器、
１１８…減衰器、１５１、１５２、１５３…信号パルス、１５４…偏光制御用パルス、
１９０…伝送路、２００…受信器、２０２…偏光制御器、２０４…分波器、
２０６…検出器、２０８…制御回路、２１０…干渉計、２１２…光スイッチ、
２１４…高速偏光制御器、２１６…偏光ビームスプリッタ、２１８…変調器、
２２０…遅延線、２２２…合波器、２２４…検出器、２２６…検出器、
２２８…制御回路。

Claims (10)

1. 量子鍵配送システムのための送信装置であって、
   光パルスを生成する光源と、
   前記光パルスを、第１の経路を移動する信号パルスと、前記第１の経路と光路長が異なる第２の経路を移動する偏光制御用パルスと、に分波する第１の分波器と、
   前記第１の経路に設けられ、前記信号パルスに情報を符号化するエンコーダと、
   前記エンコーダを通過した前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとを合波する第１の合波器と、
   を備える送信装置。
2. 前記偏光制御用パルスは、前記送信装置から送信されるときに多光子状態である、請求項１に記載の送信装置。
3. 前記第１の合波器の出口では、前記偏光制御用パルスの偏光は前記信号パルスの偏光と直交する、請求項１又は２に記載の送信装置。
4. 前記エンコーダは干渉計であり、
   前記干渉計は、
   前記信号パルスを、第３の経路を移動する第１の信号パルスと、前記第３の経路と光路長が異なる第４の経路を移動する第２の信号パルスと、に分波する第２の分波器と、
   前記情報に基づいて前記第１の信号パルスの位相を変調する変調器と、
   前記変調器を通過した前記第１の信号パルスと前記第２の信号パルスとを合波する第２の合波器と、
   を備え、
   前記第２の合波器の出口では、前記第１の信号パルスの偏光は前記第２の信号パルスの偏光と同一である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の送信装置。
5. 量子鍵配送システムのための受信装置であって、
   信号パルスと偏光制御用パルスとを含む、偏光制御器によって偏光を制御された光パルス列を受け取り、前記光パルス列を前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとに分波する分波器と、
   前記分波器から出力された前記偏光制御用パルスを検出し、前記偏光制御器を調整するために検出結果を出力する検出器と、
   前記分波器から出力された前記信号パルスから情報を復号する干渉計と、
   を備える受信装置。
6. 前記偏光制御器と、
   前記分波器に入射した前記光パルス列中の前記偏光制御用パルスの偏光が所定の偏光になるように、前記検出結果に基づいて前記偏光制御器を調整する制御回路と、
   をさらに備える請求項５に記載の受信装置。
7. 前記分波器は、前記分波器に入射した前記光パルス列中の前記偏光制御用パルスから前記所定の偏光を有する光成分を抽出する光学素子を含み、
   前記制御回路は、前記検出器によって測定される前記偏光制御用パルスの強度が最大になるように、前記偏光制御器を調整する、請求項６に記載の受信装置。
8. 前記分波器は、前記分波器に入射した前記光パルス列中の前記偏光制御用パルスから前記所定の偏光を有する光成分を抽出する光学素子を含み、
   前記制御回路は、単位時間当たりに前記検出器によって検出される前記偏光制御用パルスの数が最大になるように、前記偏光制御器を調整する、請求項６に記載の受信装置。
9. 前記光パルス列は、前記偏光制御用パルスの偏光が前記信号パルスの偏光と直交する状態で送信装置から送信され、
   前記分波器は、偏光ビームスプリッタである、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の受信装置。
10. 送信装置、受信装置、及び偏光制御器を備える量子鍵配送システムであって、
    前記送信装置は、
    光パルスを生成する光源と、
    前記光パルスを、第１の経路を移動する信号パルスと、前記第１の経路と光路長が異なる第２の経路を移動する偏光制御用パルスと、に分波する第１の分波器と、
    前記第２の経路に設けられ、前記信号パルスに情報を符号化するエンコーダと、
    前記エンコーダを通過した前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとを合波して光パルス列を生成する合波器と、
    を備え、
    前記偏光制御器は、前記光パルス列の偏光を制御し、
    前記受信装置は、
    前記偏光制御器を通過した前記光パルス列を受け取り、前記光パルス列を前記信号パルスと前記偏光制御用パルスとに分波する第２の分波器と、
    前記第２の分波器から出力された前記偏光制御用パルスを検出する検出器と、
    前記第２の分波器から出力された前記信号パルスから前記情報を復号する干渉計と、
    を備え、
    前記偏光制御器は、前記第２の分波器に入射した前記光パルス列中の前記偏光制御用パルスの偏光が所定の偏光になるように、前記検出器による検出結果に基づいて調整される、量子鍵配送システム。