JP2020025196A - 通信装置、通信方法、プログラムおよび通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】外乱が生じたときの迅速な偏光補正および外乱が生じていない定常時の偏光補正の安定化を両立することができる通信装置、通信方法、プログラムおよび通信システムを提供する。【解決手段】通信装置は、推定部と、決定部と、を備える。推定部は、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。決定部は、偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する。【選択図】図３

Description

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

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、送信する情報の秘匿性および安全性の確保が大きな課題となっている。その中でも、コンピュータの計算能力が向上しても解読できない暗号技術として量子暗号通信技術があり、実用化が期待されている。

量子暗号通信装置には、鍵情報を干渉計で生じる２つのパルスの位相差にエンコードするタイプ（位相エンコード型）、および、光子の偏光にエンコードするタイプなどがある。位相エンコード型の量子暗号通信装置として、受信装置（受信機）側の干渉計において偏光による光路選択を利用して鍵の生成速度を改善する装置が提案されている。通信路の温度変化や振動により発生する偏光の回転を補正することで、光路選択を安定的に行うことができる。

英国特許第２３９９２２０号明細書 英国特許第２４０４１０３号明細書

しかしながら、偏光の回転を補正する場合、従来技術では、強風などにより通信路に大きく速い外乱が生じたときの迅速な偏光変化の補正（偏光補正）、および、外乱が生じていない定常時の偏光補正の安定化が両立されていなかった。

実施形態の通信装置は、推定部と、決定部と、を備える。推定部は、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。決定部は、偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する。

第１の実施形態の通信システムの機能ブロック図。 第１の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。 第１の実施形態の制御部の機能ブロック図。 第１の実施形態における制御処理のフローチャート。 変形例１の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。 第２の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。 第２の実施形態の制御部の機能ブロック図。 第２の実施形態における通信処理のフローチャート。 第２の実施形態における制御処理のフローチャート。 第３の実施形態の光子送信部および光子受信部の機能ブロック図。 第３の実施形態の制御部の機能ブロック図。 第３の実施形態における制御処理のフローチャート。 第１〜第３の実施形態の装置の主要部のハードウェア構成図。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる通信装置の好適な実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
従来技術では、偏光を補正するための信号の観測時間が一定である。このため、外乱時の迅速な偏光変化の補正、および、定常時の偏光補正の安定化が両立されていなかった。第１の実施形態の通信システムは、偏光による光路選択により高い鍵配送速度が得られるようにした位相エンコード型の量子暗号通信システムである。第１の実施形態では、外乱などにより偏光の回転が速く大きく生じた場合に観測時間を短く、すなわち制御周期を短くする。これにより、外乱時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。また、外乱時のみ制御周期を短くすることで、不必要なまでに頻繁な制御による装置への負担も軽減できる。なお定常時とは、偏光の回転が生じていない状態、または、偏光の回転が所定の範囲内である状態をいう。

次に、第１の実施形態の通信システムの構成例について説明する。図１は、第１の実施形態の通信システムの機能構成例を示すブロック図である。図１に示すように、通信システムは、送信装置１００と、受信装置２００（通信装置の一例）とが、量子通信路１１および古典通信路１２を介して接続された構成となっている。

まず送信装置１００について説明する。送信装置１００は、光子送信部１１０と、鍵生成部１２０と、記憶部１３１と、を備えている。

光子送信部１１０は、量子暗号通信に用いる光子を受信装置２００に送信する。例えば光子送信部１１０は、量子鍵配送（ＱＫＤ：Quantum Key Distribution）技術により暗号鍵を共有するために用いる、量子信号を示す光子を送信する。量子鍵配送は、光ファイバにより接続された送信装置１００と受信装置２００との間で連続的に送信された単一光子を利用して、安全に暗号鍵を共有する技術である。光子送信部１１０の機能の詳細は後述する。

鍵生成部１２０は、光子送信部１１０の動作を制御し、暗号鍵を生成する。例えば鍵生成部１２０は、量子鍵配送のシフティング処理、誤り訂正処理、および、秘匿性増強処理を実行し、受信装置２００との間で共有する暗号鍵を生成する。

記憶部１３１は、送信装置１００で実行される各種処理で用いられる各種情報を記憶する。例えば記憶部１３１は、秘匿性増強処理によって生成された暗号鍵情報を記憶する。

次に、受信装置２００について説明する。受信装置２００は、光子受信部２１０と、鍵生成部２２０と、記憶部２３１と、を備えている。

光子受信部２１０は、量子暗号通信に用いる光子を送信装置１００から受信する。例えば光子受信部２１０は、量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる、量子信号を示す光子を受信する。光子受信部２１０の機能の詳細は後述する。

鍵生成部２２０は、光子受信部２１０の動作を制御、及び受信した光子の情報を元に暗号鍵を生成する。例えば鍵生成部２２０は、量子鍵配送のシフティング処理、誤り訂正処理、および、秘匿性増強処理を実行し、送信装置１００との間で共有する暗号鍵を生成する。

記憶部２３１は、受信装置２００で実行される各種処理で用いられる各種情報を記憶する。例えば記憶部２３１は、秘匿性増強処理によって生成された暗号鍵情報を記憶する。

量子通信路１１は、光子の伝送経路（光通信路）である。量子通信路１１は、光ファイバに限られず、自由空間であってもよい。古典通信路１２は、例えば送信装置１００と受信装置２００との間の同期を取るための制御情報などの送受信に用いられる。古典通信路１２は、通常、量子通信路１１とは別の光ファイバを使用する。量子通信路１１および古典通信路１２は、標準的なシングルモード光ファイバがよく用いられるが、マルチモード光ファイバが用いられてもよい。

上記各部（鍵生成部１２０、鍵生成部２２０）は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のＩＣ（Integrated Circuit）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。

記憶部１３１、２３１は、フラッシュメモリ、メモリカード、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、および、光ディスクなどの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。

次に、光子送信部１１０および光子受信部２１０の詳細について説明する。図２は、光子送信部１１０および光子受信部２１０の機能構成例を示すブロック図である。

光子送信部１１０は、無偏光光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、位相変調器１０３と、合波器１０４と、遅延回路１０５と、を備えている。

無偏光光源１０１は、量子信号となる、無偏光の光（光子）を放出する光源である。

偏光ビームスプリッタ１０２は、無偏光光源１０１から放出された光を、偏光が相互に異なる２つの光に分割する。例えば偏光ビームスプリッタ１０２は、第１の偏光を持つ光子を第１の光路に送り、第１の偏光と直交する第２の偏光を持つ光子を第２の光路に送る。第１の光路は、位相変調器１０３を含む光路である。第２の光路は、遅延回路１０５を含む光路である。

位相変調器１０３は、第１の光路に進んだ光子の位相を変調する。例えば位相変調器１０３は、鍵生成部１２０からの指示に従い、第２の光路へ進んだ光子に対して４通りの位相差からランダムに選択された位相差を有するように光子の位相を変調する。

遅延回路１０５は、第２の光路に進んだ光子を遅延させて合波器１０４に到達させるための回路である。

合波器１０４は、第１の光路および第２の光路を進んだ光子を合波して出力する。

偏光ビームスプリッタ１０２、位相変調器１０３、合波器１０４、および、遅延回路１０５は、光に情報をエンコードするための干渉計に相当する。

光子受信部２１０は、偏光回転装置２０１と、偏光ビームスプリッタ２０２と、位相変調器２０３と、遅延回路２０４と、ビームスプリッタ２０５と、光子検出器２０６、２０７と、制御部２０８と、を備えている。

偏光回転装置２０１は、量子通信路１１で発生した偏光の回転を補正する。例えば偏光回転装置２０１は、制御部２０８からの制御信号に従い、偏光の回転を補正する。

偏光ビームスプリッタ２０２は、第１の偏光を持つ光子を第３の光路に送り、第２の偏光を持つ光子を第４の光路へ送る。第３の光路は、遅延回路２０４を含む光路である。第４の光路は、位相変調器２０３を含む光路である。

位相変調器２０３は、第４の光路に進んだ光子の位相を変調する。例えば位相変調器２０３は、鍵生成部２２０からの指示に従い、２通りの位相からランダムに選択された位相分、光子の位相を変調する。

遅延回路２０４は、第３の光路に進んだ光子を遅延させてビームスプリッタ２０５に到達させるための回路である。

ビームスプリッタ２０５は、第３の光路へ進んだ光子と第４の光路へ進んだ光子との干渉結果に応じて、光子の光路を選択する。例えばビームスプリッタ２０５は、干渉した光子を光子検出器２０６に送り、干渉しない光子を光子検出器２０７に送る。

偏光ビームスプリッタ２０２、位相変調器２０３、遅延回路２０４、および、ビームスプリッタ２０５は、光の情報を読み出し可能な状態へ変化させる干渉計に相当する。

光子検出器２０６、２０７は、光子を検出して、光の状態を読み出す。光子検出器２０６、２０７による検出結果である観測信号は、制御部２０８に出力される。

制御部２０８は、観測信号の情報を鍵生成部２２０に出力し、さらに偏光回転装置２０１による偏光の回転の補正を制御する。例えば制御部２０８は、光子検出器２０６、２０７から観測信号を入力し、鍵生成部２２０へと出力する。さらに、観測信号から偏光回転量を推定する。制御部２０８は、推定結果に応じて、回転の補正制御に用いる制御条件を偏光回転装置２０１へ出力する。制御部２０８は、観測信号から次の推定に用いる観測条件を決定する。

図３は、制御部２０８の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、制御部２０８は、偏光推定部２５１と、偏光補正出力部２５２と、条件決定部２５３と、信号出力部２５４と、を備えている。

偏光推定部２５１は、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。例えば偏光推定部２５１は、量子暗号通信に用いる光子の観測量（一定時間観測した光子数など）の変化に基づいて、偏光回転量を推定する。

偏光補正出力部２５２は、偏光回転量を参照して、例えば偏光の回転を補正する量（偏光補正量）を偏光回転装置２０１へ出力する。

条件決定部２５３は、量子暗号通信に用いる光子の観測量（一定時間観測した光子数など）に応じて、偏光推定部２５１による推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する。観測条件は、例えば、光子を観測する観測時間、および、光子のカウント数などである。条件決定部２５３は、例えば光子の観測量が大きく変動した場合に、観測時間を短くする、または、カウント数を小さくすることにより、推定に用いられる光子の観測量を小さくする。光子の観測量を小さくすることは、推定にかかる時間を短くすること、最終的には偏光の補正の制御周期を短くすることに相当する。条件決定部２５３が用いる光子の観測量は、偏光推定部２５１が推定用いる観測量と同じである必要はない。

信号出力部２５４は、光の情報（観測信号）を光子検出器２０６と２０７から受け取り、鍵生成部２２０へ出力（送信）する。

制御部２０８は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば制御部２０８は、ＣＰＵなどのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。制御部２０８は、高速な制御が可能となるＦＰＧＡや専用のＩＣなどのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。制御部２０８は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、制御部２０８の各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。

次に、このように構成された第１の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。制御処理は、光子の観測量に基づき偏光の回転の補正を制御する処理である。本実施形態の制御処理は、例えば量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる光子を送受信する処理（通信処理）を含んでいる。図４は、第１の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。

無偏光光源１０１は、光子を放出する（ステップＳ１０１）。偏光ビームスプリッタ１０２は、第１の偏光を持つ光子を第１の光路に送り、第１の偏光と直交する第２の偏光を持つ光子を第２の光路に送る。

位相変調器１０３は、第１の光路に進んだ光子の位相をエンコードする（ステップＳ１０２）。例えば位相変調器１０３は、第１の光路に進んだ光子の位相を、第２の光路へ進んだ光子に対して４通りからランダムに選んだ位相差を持つように変調する。第２の光路へ進んだ光子は、遅延回路１０５により第１の光路に進んだ光子に対して遅れて合波器１０４に送られる。合波器１０４は、第１の光路に進んだ光子、および、第２の光路に進んだ光子を合波する。

合波器１０４で合波された光子は、量子通信路１１を通過して光子受信部２１０へ伝達される（ステップＳ１０３）。光子受信部２１０の偏光回転装置２０１は、制御部２０８からの制御信号に従い、量子通信路１１中で発生した偏光の回転を補正する（ステップＳ１０４）。

偏光ビームスプリッタ２０２は、第１の偏光を持つ光子を第３の光路へ送り、第２の偏光を持つ光子を第４の光路へと送る。位相変調器２０３は、第４の光路に進んだ光子の位相をデコードする（ステップＳ１０５）。例えば位相変調器２０３は、第４の光路に進んだ光子の位相を２通りからランダムに選んだ位相分だけ変調する。第３の光路へ進んだ光子は、遅延回路１０５と同じ長さの遅延回路２０４により、第４の光路に進んだ光子と同じタイミングでビームスプリッタ２０５に送られる。これにより、第３の光路へ進んだ光子と第４の光路へ進んだ光子が干渉する。

ビームスプリッタ２０５は、干渉の結果に応じて光子の光路を選択する。光子検出器２０６または２０７は、光子を検出することにより、光の情報（信号）を読み出す（ステップＳ１０６）。制御部２０８の信号出力部２５４は、光の情報を光子検出器２０６と２０７から受け取り、鍵生成部２２０へ送信する。

制御部２０８の偏光推定部２５１は、量子暗号通信に用いるための光子を観測信号とし、光子検出器２０６と２０７で検出した光子数の合計値を一定時間観測し、検出した合計値から偏光回転量を推定する（ステップＳ１０７）。制御部２０８の偏光補正出力部２５２は、偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置２０１へ送信する。

制御部２０８の条件決定部２５３は、量子暗号通信に用いるための光子を観測信号とし、光子検出器２０６と２０７で検出した光子数の合計値を一定時間観測し、検出した合計値から、次の推定に用いる観測条件として、例えば次の観測時間を決定する（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０１〜ステップＳ１０８までの処理が繰り返し実行される。次のサイクルでは、ステップＳ１０８で決定された観測時間に観測された光子数の合計値が、偏光回転量の推定に用いられる（ステップＳ１０７）。

次に、偏光推定部２５１による偏光回転量の推定方法の詳細について説明する。

量子通信路１１における偏光の回転は、例えば、風による架空ファイバの揺れ、温度変化、および、振動の影響により、光ファイバ内部の屈折率が変化することで生じる。

偏光を補正しない場合には、偏光ビームスプリッタ２０２において第１の偏光の光子が第４の光路へ進む割合、および、第２の偏光の光子が第３の光路へ進む割合が増える。その場合には、第１の偏光の光子と第２の偏光の光子がビームスプリッタ２０５に到達するタイミングが同時ではなくなり、干渉が起こらなくなる。この結果、適切な情報が取り出せなくなり、最終的に暗号鍵の生成率が低下する。これを防ぐためには、光子受信部２１０の偏光ビームスプリッタ２０２に入る前に偏光を補正する必要がある。

偏光を補正するためには、偏光回転量を推定する必要がある。偏光推定部２５１は、ビームスプリッタ２０５に同時に到達した光子のみを観測信号として取り出し、これを一定時間取得して、その単位時間あたりの観測量（光子数）の基準値からの減少率を用いて偏光回転量を推定する。基準値は、例えば、予め測定しておいた偏光が回転していない時の観測量、または、長期間観測量を計測した場合の最大値から設定する。基準値に対する減少率は、偏光回転量θに対して、以下の（１）式に示す関係にある。偏光推定部２５１は、（１）式に従い、減少率に対応する偏光回転量θを算出（推定）する。
基準値からの減少率（％）＝（１−０．５×ｃｏｓθ）×１００ ・・・（１）

偏光推定部２５１による偏光回転量の推定方法はこれに限られるものではない。例えば偏光推定部２５１は、基準値からの減少量に比例したステップサイズを設定し、段階的な値となる偏光回転量を推定してもよい。

基準値からの減少率の代わりに、ビームスプリッタ２０５に同時に到達しなかった光子のみを観測信号として取り出し、その観測信号のゼロからの増加量を推定に用いてもよい。この場合、観測信号のゼロからの増加量は、基準値に対して以下の（２）式に示す関係にある。偏光推定部２５１は、（２）式に従い、増加量に対応する偏光回転量θを算出（推定）する。
増加量＝基準値×０．５×ｓｉｎθ ・・・（２）

偏光補正出力部２５２は、推定された偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置２０１へ送信することにより、回転を補正する。制御部２０８は、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御などのフィードバック制御手法を用いてもよい。

偏光推定部２５１は、光ファイバの近傍に設置された風力センサ、および、光ファイバに取り付けた加速度センサなどの、量子通信路１１の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、偏光回転量を推定してもよい。

次に、条件決定部２５３による、推定に用いられる観測条件を決定する方法の詳細について説明する。

例えば条件決定部２５３は、ビームスプリッタ２０５に同時に到達した光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間当たりの観測量が閾値（例えば定常時の７５％）を下回った場合に、観測時間を短くするよう決定する。

量子信号に使用する光子は非常に少なく、平均光子数が１光子以下となるように設定されている。このため、偏光推定部２５１が偏光の回転量を精度良く推定するためには一定の観測時間が必要となる。特にレーザー光を用いて疑似単一光子を生成する場合には、平均光子数が０．５光子以下となるように設定することもある。光子数の変化から偏光回転量を推定するためには１０００から１００００個の光子を集める必要がある。ダークカウントと呼ばれるノイズ光子がカウントに含まれることもあるため、さらに長い時間光子を観測する必要がある。そのため観測時間は例えば１００ミリ秒に設定される。この場合、観測時間経過後に偏光制御装置へ補正量の出力が行われるため、偏光制御周期は１００ミリ秒以上となる。

一方、例えば電柱間に設置された光ファイバを用いる場合には、強風の影響でファイバが速く大きく揺れることで、偏光制御が間に合わずに、補正できない偏光回転の影響が大きく生じる場合がある。具体的には暗号鍵の生成率の大幅な減少が挙げられる。このような場合には、偏光回転量の推定精度を落としてでも、偏光回転量を推定する時間を短くして偏光制御周期を短くすることで、風による偏光回転に対して偏光補正を追従させることができる。本実施形態によれば、条件決定部２５３は、観測信号の一定量の減少を確認した場合に、観測時間を短くするよう決定する。例えば上記観測時間を５ミリ秒と短く決定することで迅速なフィードバック補正を可能とする。なお、推定に用いられる観測時間を短くすることはすなわち推定に用いられる観測信号（光子）のカウント数を少なくすることと同義である。

低気圧の接近などによる強風の場合には観測信号は減少し続けるのではなく風の強弱によって観測量が大きく変動し、それが数十分から数十時間継続する。そのため、風以外の装置の故障などによる減少と区別するために、条件決定部２５３は、一定期間の観測量の標準偏差が閾値以上（例えば定常時の１０％）である場合に、観測時間を短くするよう決定してもよい。なお風以外の振動や温度変化による偏光回転は、強風と比較して変化が緩やかであるため区別が可能である。

（変形例１）
偏光回転装置２０１は、光子送信部側に設置されていてもよい。図５は、このように構成された変形例１にかかる光子送信部１１０ｂおよび光子受信部２１０ｂの機能構成例を示すブロック図である。

変形例１の光子送信部１１０ｂは、偏光回転装置２０１をさらに備える点が、第１の実施形態の光子送信部１１０と異なっている。変形例１の光子受信部２１０ｂは、偏光回転装置２０１を備えない点が、第１の実施形態の光子受信部２１０と異なっている。

本変形例では、制御部２０８は、例えば古典通信路１２を介して、制御信号を光子送信部１１０ｂ内の偏光回転装置２０１に送信する。

本変形例によれば、例えば、偏光回転装置２０１により回転が補正された光子が、量子信号の強度を最適化する減衰器を通過するように構成できる。このため、偏光回転装置２０１による光子の損失を避けることが可能となる。なお、偏光回転装置を光子送信部側に設置する変形は、以下の各実施形態に対しても適用できる。

（変形例２）
変形例２では、量子通信路１１の長さ（通信距離）に応じて、推定に用いられる観測条件の初期値を決定する方法について説明する。本変形例では、条件決定部２５３は、定常時に一定時間観測した光子の観測量に基づいて観測条件の初期値を決定する。

ここではカウントレートを１秒あたりの光子のビットカウントと定義する。光子送信部１１０から放出される光子は、盗聴を防ぐためには１光子以下の強度でなければならない。一方、量子通信路１１の途中では、量子状態を検出して増幅することができない。また、量子通信路１１が長いほど、量子通信路１１である光ファイバ内の不純物での吸収や散乱により、次第に光子の数が減少する。例えば通信波長帯の一般的なシングルモードファイバを用いた場合、１キロメートルあたり０．２デシベルの減衰がある。従って、光ファイバでの損失のみを考慮した場合のカウントレートの距離依存性は以下の（３）式で表される。
距離Ｌのカウントレート＝
距離ゼロのカウントレート×１０^（−０．２×Ｌ／１０） ・・・（３）

例えば、量子通信路１１が１０キロメートルで観測信号のカウントレートが１０メガビット毎秒である場合、減衰の原因がファイバ中での損失のみであると仮定すると、量子通信路１１が３０キロメートルでのカウントレートが４メガビット毎秒まで減衰すると予測される。

前述のように、光子数の変化から偏光回転量を推定するためには一定量の光子を集める必要がある。上記（３）式より、一定の光子のビットカウントＣを得るのに必要な観測時間Ｔは以下の（４）式で表される。
観測時間＝Ｃ／距離ゼロでのカウントレート×１０^（０．２×Ｌ／１０）・・・（４）

例えば必要なビットカウントが１００００であるとすると、条件決定部２５３は、量子通信路１１が１０キロメートルの場合には１ミリ秒を、量子通信路１１が３０キロメートルの場合には、量子通信路１１が１０キロメートルに対して２．５倍である２．５ミリ秒を、推定に用いられる観測時間の初期値として決定する。

このように、条件決定部２５３は、定常時の光子の観測量が大きいほど（量子通信路１１の距離が短いほど）、推定に用いられる観測量がより小さくなることを示す観測条件の初期値を決定する。変形例２によれば、例えば、通信距離が短い場合には観測時間を短く、通信距離が長い場合には観測時間を長くすることで定常時の安定的な偏光補正が可能となる。なお、観測条件の初期値を決定する変形は、以下の各実施形態に対しても適用できる。

以上のように、第１の実施形態によれば、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。また、強風時のみ制御周期を短くすることで、不必要なまでに頻繁な制御による装置への負担も軽減できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の通信システムは、量子暗号通信に用いる光子と異なる光子（参照光）の観測量を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光に回転を推定する。

図６は、第２の実施形態にかかる光子送信部１１０−２および光子受信部２１０−２の機能構成例を示すブロック図である。図７は、制御部２０８−２の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。

図６に示すように、光子送信部１１０−２は、無偏光光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、位相変調器１０３−２と、合波器１０４と、遅延回路１０５と、参照光源１０６−２と、合波器１０７−２と、を備えている。

光子受信部２１０−２は、偏光回転装置２０１と、偏光ビームスプリッタ２０２と、位相変調器２０３−２と、遅延回路２０４と、ビームスプリッタ２０５と、光子検出器２０６、２０７と、制御部２０８−２と、を備えている。図７に示すように、制御部２０８−２は、偏光推定部２５１−２と、条件決定部２５３と、偏光補正出力部２５２と、信号出力部２５４と、を備えている。

第２の実施形態の光子送信部１１０−２は、参照光源１０６−２と合波器１０７−２とを追加したこと、および、位相変調器１０３−２の機能が、第１の実施形態の光子送信部１１０と異なっている。第２の実施形態の光子受信部２１０−２は、位相変調器２０３−２および制御部２０８−２（偏光推定部２５１−２）の機能が第１の実施形態の光子受信部２１０と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる通信システムのブロック図である図２と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。

参照光源１０６−２は、偏光回転量を推定するために用いる参照光を放出する光源である。参照光源１０６−２は、無偏光光源１０１が兼ねてもよい。

合波器１０７−２は、参照光源１０６−２から放出された参照光を、無偏光光源１０１から放出された光子と同じ経路に入射するために用いられる。

位相変調器１０３−２は、参照光の位相を変調する機能をさらに有する点が、第１の実施形態の位相変調器１０３と異なっている。例えば位相変調器１０３−２は、第２の光路へ進んだ参照光の光子に対して固定の位相差を有するように、第１の光路に進んだ参照光の光子の位相を変調する。

位相変調器２０３−２は、参照光の位相を変調する機能をさらに有する点が、第１の実施形態の位相変調器２０３と異なっている。例えば位相変調器２０３−２は、第４の光路に進んだ参照光の光子が第３の経路に進んだ参照光と干渉した結果、すべて光子検出器２０６へと進むように位相を変調する。

偏光推定部２５１−２は、参照光を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。

次に、このように構成された第２の実施形態にかかる通信システムによる通信処理について説明する。通信処理は、例えば量子鍵配送技術により暗号鍵を共有するために用いる光子を送受信する処理である。図８は、第２の実施形態における通信処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１からステップＳ２０６は、第１の実施形態にかかる通信システムにおけるステップＳ１０１からステップＳ１０６と同様の処理なので、その説明を省略する。このように、第２の実施形態では、検出された量子信号は偏光回転量の推定に用いられない。

次に、第２の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。図９は、第２の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。

合波器１０７−２は、参照光源１０６−２から放出された参照光を、量子信号を示す光子と同じ干渉計へ入射する（ステップＳ３０１）。偏光ビームスプリッタ１０２は、第１の偏光を持つ参照光を第１の光路に送り、第１の偏光と直交する第２の偏光を持つ参照光を第２の光路に送る。

位相変調器１０３−２は、第１の光路に進んだ光子の位相を変調する（ステップＳ３０２）。例えば位相変調器１０３−２は、第１の光路に進んだ光子の位相を、第２の光路へ進んだ光子に対して固定の位相差を持つように変調する。第２の光路へ進んだ光子は、遅延回路１０５により第１の光路に進んだ光子に対して遅れて合波器１０４に送られる。合波器１０４は、第１の光路に進んだ光子、および、第２の光路に進んだ光子を合波する。

合波器１０４で合波された光子は、量子通信路１１を通過して光子受信部２１０−２へ伝達される（ステップＳ３０３）。光子受信部２１０−２の偏光回転装置２０１は、制御部２０８からの制御信号に従い、量子通信路１１中で発生した偏光の回転を補正する（ステップＳ３０４）。

偏光ビームスプリッタ２０２は、第１の偏光を持つ光子を第３の光路へ送り、第２の偏光を持つ光子を第４の光路へと送る。位相変調器２０３−３は、第４の光路に進んだ光子の位相を変調する（ステップＳ３０５）。例えば位相変調器２０３−２は、第４の光路に進んだ光子の位相を、すべての光子が光子検出器２０６へと進むように変調する。第３の光路へ進んだ光子は、遅延回路１０５と同じ長さの遅延回路２０４により、第４の光路に進んだ光子と同じタイミングでビームスプリッタ２０５に送られる。これにより、第３の光路へ進んだ光子と第４の光路へ進んだ光子が干渉する。

ビームスプリッタ２０５で干渉した参照光は偏光の回転が生じなければすべて光子検出器２０６へと進む。光子検出器２０６は、ビームスプリッタ２０５により干渉した参照光を検出する（ステップＳ３０６）。

制御部２０８−２の偏光推定部２５１−２は、検出された参照光の光子を用いて量子信号に用いられる光子の偏光回転量を推定する（ステップＳ３０７）。例えば偏光推定部２５１−２は、ビームスプリッタ２０５に同時に到達し、かつ、光子検出器２０６に到達した参照光のみを観測信号として一定時間取得し、観測信号の単位時間あたりの観測量の減少量から偏光回転量を推定する。参照光であっても、量子信号として用いられる光子と同じ経路を経由しており、例えば量子信号と交互に送信することで、量子信号として用いられる光子の偏光の回転量と近い量を推定することができる。偏光補正出力部２５２は、推定した偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置２０１へ送信する。

制御部２０８−２の条件決定部２５３は、推定に用いる観測条件として、例えば次のサイクルの観測時間を決定する（ステップＳ３０８）。例えば条件決定部２５３は、光子検出器２０６に到達した参照光の光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間当たりの観測量が閾値（例えば定常時の７５％）を下回った場合に、推定に用いられる観測時間を短くするよう決定する。光子検出器２０７に到達した参照光の光子のみを観測信号として取り出し、その一定時間あたりの観測量が閾値を上回った場合に、推定に用いられる観測時間を短くするよう決定してもよい。

量子信号検出のノイズを抑えるために、参照光は量子信号が送信されていないタイミングで合波することが望ましい。すなわち、図８の通信処理は、図９の制御処理とは異なるタイミングで実行されることが望ましい。参照光は、量子信号に比べて強くできる一方、参照光をあまり多く挿入すると量子信号の挿入できる時間スロットが減る。通信処理および制御処理のタイミングは、これらの要素を考慮して決定すればよい。

このように、第２の実施形態では、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに参照光の観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態と異なる方法で、参照光を用いた偏光回転量の推定を実現する。

図１０は、第３の実施形態にかかる光子送信部１１０−３および光子受信部２１０−３の機能構成例を示すブロック図である。図１１は、制御部２０８−３の詳細な機能構成の一例を示すブロック図である。

図１０に示すように、光子送信部１１０−３は、無偏光光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、位相変調器１０３と、合波器１０４と、遅延回路１０５と、参照光源１０６−３と、合波器１０７−３と、を備えている。

光子受信部２１０−３は、偏光回転装置２０１と、偏光ビームスプリッタ２０２と、位相変調器２０３と、遅延回路２０４と、ビームスプリッタ２０５と、光子検出器２０６、２０７と、信号出力部２５４−３と、制御部２０８−３と、分波器２０９−３と、偏光回転量測定器２１１−３と、を備えている。図１１に示すように、制御部２０８−３は、偏光推定部２５１−３と、条件決定部２５３と、偏光補正出力部２５２と、を備えている。

第３の実施形態の光子送信部１１０−３は、参照光源１０６−３と合波器１０７−３とを追加したこと、さらに信号出力部２５４−３が制御部２０８−３から独立していることが、第１の実施形態の光子送信部１１０と異なっている。第３の実施形態の光子受信部２１０−３は、制御部２０８−３（偏光推定部２５１−３）の機能、および、分波器２０９−３と偏光回転量測定器２１１−３とを追加したことが第１の実施形態の光子受信部２１０と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる通信システムのブロック図である図２と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。

参照光源１０６−３は、偏光回転量を推定するために用いる参照光を放出する光源である。参照光源１０６−３は、無偏光光源１０１が兼ねてもよい。

合波器１０７−３は、参照光源１０６−３から放出された参照光を、無偏光光源１０１から放出された光子と同じ経路に入射するために用いられる。

分波器２０９−３は、量子信号を示す光子と、参照光とを分波する。例えば分波器２０９−３は、量子信号を示す光子と参照光とを波長により区別し、量子信号を示す光子を偏光回転装置２０１へ送り、参照光を偏光回転量測定器２１１−３に送る。

偏光回転量測定器２１１−３は、参照光の偏光回転量を測定する。例えば偏光回転量測定器２１１−３は、参照光を観測信号として取り出し、基準の偏光からの偏光回転量を一定時間取得して、その単位時間あたりの平均偏光回転量を測定する。偏光回転量測定器２１１−３は、偏光測定器により構成してもよいし、偏光ビームスプリッタと光子検出器との組み合わせにより構成してもよい。

偏光推定部２５１−３は、偏光回転量測定器２１１−３からの出力信号（観測信号）を用いて、量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する。参照光の偏光回転量をそのまま推定値に用いてもよいし、量子暗号通信に用いる光子と参照光の波長が異なる場合にはその補正を行った値を用いてもよい。

次に、このように構成された第３の実施形態にかかる通信システムによる制御処理について説明する。なお、通信処理は第２の実施形態と同様であるため説明を省略する。図１２は、第３の実施形態における制御処理の一例を示すフローチャートである。

合波器１０７−３は、参照光源１０６−３から放出された参照光を、量子信号を示す光子と同じ経路へ入射する（ステップＳ４０１）。入射された参照光は、量子通信路１１を通過して光子受信部２１０−３へ伝達される（ステップＳ４０２）。光子受信部２１０−３の分波器２０９−３は、参照光を偏光回転量測定器２１１−３に向かう光路に分波する（ステップＳ４０３）。偏光回転量測定器２１１−３は、参照光の偏光回転量を測定する（ステップＳ４０４）。偏光回転量測定器２１１−３の測定値を元に制御部２０８−３の偏光推定部２５１―３が量子暗号通信に用いる光子に生じた偏光回転量を推定する。その推定値を元に、偏光補正出力部２５２は、測定された偏光回転量を補正する偏光補正量を指示するための制御信号を偏光回転装置２０１へ送信する。偏光回転装置２０１は、通信処理を実行するときに、この制御信号に従って偏光を補正する。

制御部２０８−３の条件決定部２５３は、偏光回転量測定器２１１−３の測定結果に応じて、回転の観測条件として、例えば次のサイクルの観測時間を決定する（ステップＳ４０５）。

量子信号検出のノイズを抑えるために、量子信号を示す光子とは異なる波長の参照光を放出する参照光源１０６−３を用いるとともに、分波器２０９−３は波長により光を区別して取り出す機構を備えることが望ましい。異なる波長の参照光を用いる場合は、量子信号と参照光は同じタイミングで分波器２０９−３へ到達してもよい。信号光と同じ波長の参照光を用いる場合には、到達時間で区別するために分波器２０９−３に異なるタイミングで到達する必要がある。

第３の実施形態も第２の実施形態と同様に、偏光の回転が速く大きく生じた場合のみに偏光回転量を推定するための参照光の観測時間を短くすることで、強風時の迅速な偏光補正と、定常時の安定的な偏光補正を両立することが可能となる。

以上説明したとおり、第１から第３の実施形態によれば、大きく速い外乱が生じたときの迅速な偏光補正、および、定常時の偏光補正の安定化が両立可能となる。

最後に、第１〜第３の実施形態の各装置（送信装置、受信装置）の主要部のハードウェア構成の例について説明する。

図１３は、第１〜第３の実施形態の装置の主要部のハードウェア構成の例を示す図である。第１〜第３の実施形態の装置は、制御装置５１、主記憶装置５２、補助記憶装置５３、光学処理装置５４および通信Ｉ／Ｆ５５を備える。制御装置５１、主記憶装置５２、補助記憶装置５３、光学処理装置５４および通信Ｉ／Ｆ５５は、バス６１を介して接続されている。

制御装置５１は、補助記憶装置５３から主記憶装置５２に読み出されたプログラムを実行する。制御装置５１は、例えばＣＰＵである。主記憶装置５２はＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ等のメモリである。補助記憶装置５３はメモリカード、および、ＨＤＤ等である。

光学処理装置５４は、量子通信路１１を介して、上述の単一光子を送信または受信する。通信Ｉ／Ｆ５５は、光ファイバおよびイーサネット（登録商標）等の古典通信路１２を介して、制御情報等を送信または受信する。

第１〜第３の実施形態の装置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、メモリカード、ＣＤ−Ｒ、および、ＤＶＤ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３の実施形態の装置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３の実施形態の装置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３の実施形態の装置で実行されるプログラムを、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３の実施形態の送信装置で実行されるプログラムは、上述の第１〜第３の実施形態の送信装置の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。また、第１〜第３の実施形態の受信装置で実行されるプログラムは、上述の第１〜第３の実施形態の受信装置の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。

プログラムにより実現される機能は、制御装置５１が補助記憶装置５３等の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、プログラムにより実現される機能が主記憶装置５２にロードされる。すなわちプログラムにより実現される機能は、主記憶装置５２上に生成される。

なお第１〜第３の実施形態の装置の機能の一部を、ＩＣ等のハードウェアにより実現してもよい。ＩＣは、例えば専用の処理を実行するプロセッサである。また複数のプロセッサを用いて各機能を実現する場合、各プロセッサは、各機能のうち１つを実現してもよいし、各機能のうち２以上を実現してもよい。

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。

１１ 量子通信路
１２ 古典通信路
５１ 制御装置
５２ 主記憶装置
５３ 補助記憶装置
５４ 光学処理装置
５５ 通信Ｉ／Ｆ
６１ バス
１００ 送信装置
１０１ 無偏光光源
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０３、１０３−２ 位相変調器
１０４ 合波器
１０５ 遅延回路
１０６−２、１０６−３ 参照光源
１０７−２、１０７−３ 合波器
１１０ 光子送信部
１２０ 鍵生成部
１３１ 記憶部
２００ 受信装置
２０１ 偏光回転装置
２０２ 偏光ビームスプリッタ
２０３、２０３−２ 位相変調器
２０４ 遅延回路
２０５ ビームスプリッタ
２０６、 ２０７光子検出器
２０８、２０８−２、２０８−３ 制御部
２０９−３ 分波器
２１０ 光子受信部
２１１−３ 偏光回転量測定器
２２０ 鍵生成部
２３１ 記憶部
２５１、２５１−２、２５１−３ 偏光推定部
２５２ 偏光補正出力部
２５３ 条件決定部
２５４ 信号出力部

Claims (13)

1. 量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
   前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、
   を備える通信装置。
2. 前記推定部は、光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記決定部は、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第１閾値以上である場合に、一定時間観測した光子の量の標準偏差が第１閾値より小さい場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、
   請求項２に記載の通信装置。
4. 前記決定部は、一定時間観測した光子の量が第２閾値より小さい場合に、一定時間観測した光子の量が前記第２閾値以上である場合より前記観測量を小さくすることを示す前記観測条件を決定する、
   請求項２に記載の通信装置。
5. 前記推定部は、前記量子暗号通信に用いる光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
   請求項２に記載の通信装置。
6. 前記推定部は、前記量子暗号通信に用いる光子と異なる光子の観測量の変化に基づいて、前記量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する、
   請求項２に記載の通信装置。
7. 前記決定部は、定常時に一定時間観測した光子の量に基づいて、前記観測条件の初期値を決定する、
   請求項１に記載の通信装置。
8. 前記決定部は、前記定常時に一定時間観測した光子の量が大きいほど、前記観測量がより小さくなることを示す前記初期値を決定する、
   請求項７に記載の通信装置。
9. 前記推定部は、前記光子の送信に用いられる光通信路の屈折率に影響する要因を検知するセンサからの出力信号に基づいて、前記光子の偏光回転量を推定する、
   請求項１に記載の通信装置。
10. 前記観測条件は、光子の観測時間、または、光子のカウント数である、
    請求項１に記載の通信装置。
11. 量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定ステップと、
    前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定ステップと、
    を含む通信方法。
12. コンピュータを、
    量子暗号通信に用いる光子の偏光回転量を推定する推定部と、
    前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、
    として機能させるためのプログラム。
13. 送信装置と、受信装置とを備える通信システムであって、
    前記送信装置は、
    量子暗号通信に用いる光子を前記受信装置に送信する光子送信部を備え、
    前記受信装置は、
    前記送信装置から送信された前記光子の偏光回転量を推定する推定部と、
    前記偏光回転量の推定に用いる条件であって、光子の観測量に関する観測条件を決定する決定部と、を備える、
    通信システム。

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