JP2022019522A - 光源、光パルスを生成するための方法、量子通信システム、および量子通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信などの用途及び量子通信システムで使用されるパルス源を改善する。【解決手段】光源１０００において、光源４００は、マスタ光パルスを間欠的に生成するように構成されたマスタ光源と、マスタ光源に光結合されており、マスタ光パルスを受け取るように構成されるスレーブ光源と、スレーブ光源に光結合されており、スレーブ光パルスのシーケンスを受け取るように構成される干渉装置９００を備える。干渉装置は、干渉構成要素において、スレーブ光パルスの受け取られたシーケンスを、スレーブ光パルスの遅延シーケンスと干渉させることと、それにより、受け取られたシーケンスからのパルスが、遅延シーケンスの隣接パルスと干渉し、干渉パルスを出力することと、ここにおいて、干渉パルスは、それぞれ第１の所定の振幅及び第２の所定の振幅と、それらの間の所定の相対位相とを有する第１の出力パルス及び第２の出力パルスを備える。【選択図】図９

Description

本明細書の実施形態は、概して、光源、光パルスを生成するための方法、および量子通信システムならびに方法に関する。

光パルス源は、光通信などの幅広い用途で使用されている。特に、光パルス源は、量子通信システム、例えば、量子鍵配送（ＱＫＤ）、測定装置無依存ＱＫＤ（ＭＤＩ－ＱＫＤ）、またはツインフィールドＱＫＤ（ＴＦ－ＱＫＤ）において実用性を有する。ＱＫＤは、二者間、すなわち、多くの場合「アリス」と呼ばれる送信機と、多くの場合「ボブ」と呼ばれる受信機との間での暗号鍵の共有をもたらす技法である。情報は、符号化された単一量子、例えば単一光子によって、「アリス」と「ボブ」との間で送信される。光子は、光子の性質、例えば偏光、位相、またはエネルギー／時間上に符号化された情報を伝える。この技法の魅力的な点は、多くの場合「イブ」と呼ばれる承認されていない盗聴者に、鍵の一部が知られた可能性があるかどうかのテストを提供するということである。量子鍵配送の多くの形態で、アリスとボブは、ビット値を符号化するための２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則によれば、イブが各々の符号化基底を事前に知ることなく光子を測定すると、一部の光子の状態に不可避の変化が生じるとされている。これらの光子の状態の変化により、アリスとボブとの間で送信されるビット値に誤差が生じることになる。したがって、それらの共通のビット列の一部を比較することによって、アリスとボブは、イブが情報を得たかどうかを決定することができる。

光通信などの用途および量子通信システムで使用されるパルス源を改善する継続的必要性が存在する。

次に、非限定的な例によるシステムおよび方法について、添付の図面を参照して説明する。

一例による光パルス源の概略図である。 一例による位相変調された光パルスの光源の概略図である。 一例による位相および振幅変調された光パルスの光源の概略図である。 図４（ａ）は、一例による利得スイッチレーザの概略図である。図４（ｂ）は、半導体利得スイッチレーザの利得変調の概略図である。図４（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザのための電気駆動回路の概略図である。 直接レーザ変調および位相ランダム化シーディングに基づく光パルス源の概略図である。 図６（ａ）は、一例による位相ランダム化光源の概略図である。図６（ｂ）は、別の例による位相ランダム化光源の概略図である。 図７（ａ）は、後続の放出された光パルス間の相対位相が変調される、図６（ａ）の光源を示す。図７（ｂ）は、微小摂動が電気駆動信号に適用されたときのマスタレーザの光周波数の変化の概略図である。図７（ｃ）は、マスタレーザの摂動ありと摂動なしの光位相軌道の概略図である。図７（ｄ）は、単一のマスタパルスが注入されている間にスレーブレーザによって放出された２つのスレーブパルスの概略図である。 一例による位相および振幅変調された光パルスを生成する光学系の概略図である。 一実施形態による位相および振幅変調された光パルスを生成するように構成された光源の概略図である。 図１０（ａ）は、図９のマスタレーザに印加される電気信号を示す。図１０（ｂ）は、図９のスレーブレーザに印加される電気信号を示す。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の電気信号が印加されたときに図９の光源によって放出される光パルスを示す。図１０（ｄ）は、図９の光学系による干渉光パルス出力を示す。 図１１（ａ）は、図９の光学系によって放出される前パルスの振幅を例示するヒートマップを示す。図１１（ｂ）は、図９の光学系によって放出される後パルスの振幅を例示するヒートマップを示す。図１１（ｃ）は、図９の光学系によって放出される前パルスと後パルスの相対位相差を例示するヒートマップを示す。 一実施形態によるＱＫＤで使用されるパルス対符号化の概略図である。 一実施形態によるＱＫＤシステムの概略図である。

第１の態様によれば、光源が設けられ、本光源は、
位相ランダム化光源と、位相ランダム化光源は、
マスタ光パルスを間欠的に生成するように構成されたマスタ光源と、ここにおいて、生成された各マスタ光パルスの位相は、後続して生成された各マスタ光パルスの位相とランダム関係を有し、ここにおいて、マスタ光源がマスタ光パルスを間欠的に生成するように第１の制御信号がマスタ光源に印加可能であり、ここにおいて、第１の制御信号は、１つのマスタ光パルスが生成される時間期間において第１および第２の位相変調特徴を備え、ここにおいて、各位相変調特徴は、マスタ光源に印加される制御信号における摂動を備え、
スレーブ光源と、ここにおいて、スレーブ光源は、マスタ光源に光結合されており、マスタ光パルスを受け取るように構成され、ここにおいて、スレーブ光源に、マスタ光パルスが受け取られる各時間期間の間にスレーブ光パルスのシーケンスを生成させるように第２の制御信号がスレーブ光源に印加可能であり、それにより、シーケンスからの光パルスの位相が、後続のシーケンスからの光パルスの位相に対してランダム関係を有し、
ここにおいて、各シーケンスは、第１の時間間隔だけ互いに時間的に分離した第１、第２、および第３のスレーブ光パルスを備え、第１、第２、および第３のスレーブ光パルス間の位相差は、位相変調特徴に依存する、
をさらに備え、
干渉装置と、ここにおいて、干渉装置は、スレーブ光源に光結合されており、スレーブ光パルスのシーケンスを受け取るように構成され、ここにおいて、干渉装置は、干渉構成要素および遅延要素を備え、遅延要素は、スレーブ光パルスの遅延シーケンスを形成するように、スレーブ光パルスの受け取られたシーケンスを第１の時間間隔だけ遅延させるように構成される、
を備え、
ここにおいて、干渉装置は、
干渉構成要素において、スレーブ光パルスの受け取られたシーケンスを、スレーブ光パルスの遅延シーケンスと干渉させることと、それにより、受け取られたシーケンスからのパルスが、遅延シーケンスの隣接パルスと干渉し、
干渉パルスを出力することと、ここにおいて、干渉パルスは、それぞれ第１および第２の所定の振幅と、それらの間の所定の相対位相とを有する第１および第２の出力パルスを備える、
を行うようにさらに構成される。

マスタ光パルスは、スレーブ光源に注入される。マスタ光パルスはスレーブ光パルスをシード（seed）し、その結果、１つのマスタ光パルスがスレーブ光源に注入されてから、スレーブ光パルスが、マスタ光パルスが注入される時間期間の間に生成される。マスタパルスが注入される時間期間の間に生成されるスレーブ光パルスは、そのマスタパルスに対して固定位相関係を有する。マスタ光パルスの位相および後続のマスタ光パルスの位相はランダム関係を有する。

マスタ光パルスが注入される時間期間の間に生成されるスレーブ光パルスは、そのマスタ光パルスに対して固定位相関係を有する。後続のマスタ光パルスが注入される別の時間期間の間に生成される、スレーブ光パルスの別のシーケンスからの後続して生成されたスレーブ光パルスは、後続のマスタ光パルスに対して固定位相関係を有する。各スレーブ光パルスの位相もまた、スレーブ光パルスの別のシーケンスからの各パルスの位相とランダム関係を有する。換言すれば、各シーケンスのスレーブ光パルスの位相は全体的にランダム（globally random）である。全体的なランダム性は、光学系がＱＫＤシステムで使用されるときに状態決定攻撃に対抗するセキュリティを提供することができる。

光学系は、位相ランダム化レーザシーディング（phase-randomised laser seeding）および干渉計を使用して振幅および位相変調されたパルスを生成する。上記光学系は、マスタ光源に印加される第１の制御信号を制御することによって位相および振幅変調を達成する。第１の制御信号は駆動信号である。上記光学系は、マスタ光源およびスレーブ光源の他に能動構成要素を必要としない。したがって、第１の態様による光源により、小型性と簡易性が向上し得る。

一実施形態によれば、第１のコントローラが、マスタ光源に時間的に変化する第１の制御信号を印加するように構成される。

一実施形態によれば、第２のコントローラが、スレーブ光源に時間的に変化する第２の制御信号を印加するように構成される。

一実施形態によれば、時間的に変化する第２の制御信号は、マスタ光源のためのものと同じコントローラによってスレーブ光源に印加される。

１つの実施形態によれば、第２の制御信号は周期信号を備え、マスタ光源は、第２の時間間隔だけ時間的に分離したマスタ光パルスを間欠的に生成するように構成され、それにより、３つのスレーブ光パルスの生成されたシーケンスは、スレーブ光パルスの周期シーケンスを備え、いずれの隣接スレーブ光パルスも、第１の時間間隔だけ時間的に分離している。

１つの実施形態によれば、干渉装置は、１つのマスタ光パルスが受け取られたときに生成された受け取られたシーケンスからのパルスを、後続のマスタ光パルスが受け取られたときに生成された遅延シーケンスからのパルスと干渉させるようにさらに構成され、干渉パルスは、ランダム化振幅を有する第３の出力パルスを備える。第３の出力パルスは、例えば、位相ランダム化光源における位相ランダム化の品質をテストするためにモニタされ得る。

１つの実施形態によれば、第１の出力パルスと第２の出力パルスの位相差は、第１の制御信号の２つ以上の位相変調特徴から決定される。

１つの実施形態によれば、第１の所定の振幅は、第１の制御信号の第１の位相変調特徴から決定される。

１つの実施形態によれば、第２の所定の振幅は、第１の制御信号の第２の位相変調特徴から決定される。

１つの実施形態によれば、干渉装置は、干渉構成要素において、受け取られたスレーブ光パルスを遅延スレーブ光パルスと干渉させ、第３の出力パルスがランダム化振幅を有するように干渉パルスを出力するようにさらに構成される。第３の出力パルスは、例えば、位相ランダム化光源における位相ランダム化の品質をテストするためにモニタされ得る。

１つの実施形態によれば、位相変調特徴は、１Ｖ以下の電圧振幅を有する。位相を制御するために１Ｖ以下の電圧振幅が使用されるので、より高い電圧を使用する光学系と比較して光学系の消費電力が低減され得る。

１つの実施形態によれば、マスタ光源は利得スイッチレーザである。

１つの実施形態によれば、スレーブ光源は利得スイッチレーザである。

１つの実施形態によれば、マスタ光源およびスレーブ光源は、第１の基板上に横方向に集積されている。

１つの実施形態によれば、干渉装置は、第１の基板上に横方向に集積されている。

１つの実施形態によれば、干渉構成要素および遅延要素は、第２の基板上に横方向に集積されている。

第２の態様によれば、送信機を備える量子通信システムが設けられ、ここにおいて、送信機は、第１の態様による光学系を備える。

１つの実施形態によれば、量子通信システムはさらに受信機を備え、受信機は、送信機に光結合されており、受信機は、該送信機から光パルスを受け取るように構成される。

１つの実施形態によれば、受信機は第２の干渉装置を備え、第２の干渉装置は、第２の干渉構成要素および第２の遅延要素を備え、遅延要素は、遅延光パルスを形成するように、受け取られた光パルスを第１の時間間隔だけ遅延させるように構成され、第２の干渉装置は、受信機出力パルスを形成するように、第２の干渉構成要素において、受け取られた光パルスを遅延光パルスと干渉させるようにさらに構成される。

１つの実施形態によれば、２つ以上の位相変調特徴は、第１の出力パルスの振幅および第２の出力パルスの振幅における第１の符号化基底で情報を符号化するように構成される。

１つの実施形態によれば、２つ以上の位相変調特徴は、第１の出力パルスと第２の出力パルスとの間の相対位相における第２の符号化基底で情報を符号化するように構成される。

１つの実施形態によれば、２つ以上の位相変調特徴は、デコイ状態パルスを符号化するために、第１または第２の出力パルスの振幅を減衰するように構成される。

１つの実施形態によれば、受信機はデータプロセッサを備え、データプロセッサは、第３の出力パルスの検出統計を測定するように構成され、それにより、パルスのランダム性の品質についての情報を推論することができる。

第３の態様によれば、光パルスを生成するための方法が提供され、本方法は、
マスタ光源を使用してマスタ光パルスを間欠的に生成することと、ここにおいて、生成された各マスタ光パルスの位相は、後続して生成された各マスタ光パルスの位相とランダム関係を有し、
マスタ光源がマスタ光パルスを間欠的に生成するように、マスタ光源に第１の制御信号を印加することと、ここにおいて、第１の制御信号は、１つのマスタ光パルスが生成される時間期間において第１および第２の位相変調特徴を備え、ここにおいて、各位相変調特徴は、マスタ光源に印加される制御信号における摂動を備え、
スレーブ光源においてマスタ光パルスを受け取ることと、ここにおいて、スレーブ光源は、マスタ光源に光結合されており、
スレーブ光源に、マスタ光パルスが受け取られる各時間期間の間にスレーブ光パルスのシーケンスを生成させるように、第２の制御信号をスレーブ光源に印加することと、それにより、シーケンスからのスレーブ光パルスの位相が、後続のシーケンスからの光パルスの位相に対してランダム関係を有し、
ここにおいて、各シーケンスは、第１の時間間隔だけ互いに時間的に分離した第１、第２、および第３のスレーブ光パルスを備え、第１、第２、および第３のスレーブ光パルス間の位相差は、位相変調特徴に依存し、
干渉装置においてスレーブ光パルスのシーケンスを受け取ることと、ここにおいて、干渉装置は、スレーブ光源に光結合されており、干渉構成要素および遅延要素を備え、ここにおいて、遅延要素は、スレーブ光パルスの遅延シーケンスを形成するように、受け取られたシーケンスを第１の時間間隔だけ遅延させるように構成され、
干渉構成要素において、スレーブ光パルスの受け取られたシーケンスを、スレーブ光パルスの遅延シーケンスと干渉させることと、それにより、受け取られたシーケンスからのパルスが、遅延シーケンスの隣接パルスと干渉し、
干渉パルスを出力することと、ここにおいて、干渉パルスは、それぞれ第１および第２の所定の振幅と、それらの間の所定の相対位相とを有する第１および第２の出力パルスを備える、を備える。

第４の態様によれば、第３の態様による方法を備える量子通信方法が提供される。

図１は、光パルス源１００の一例の概略図である。光源１００は、レーザ光を連続的に放出する連続波（ＣＷ）レーザ光源１０１と、ＣＷレーザ１０１から連続レーザ光を受け取る第１の強度変調器１０３と、時変信号を強度変調器１０３に供給する第１の電気コントローラ１０５とを備える。時変信号は、間欠的に強度変調器１０３に、ＣＷレーザから受け取る光をブロックまたはブロック解除させる信号である。時変信号は電圧信号であり得る。

ＣＷレーザ光源１０１は、半導体レーザダイオードであり得、ＣＷレーザ光源は、ＣＷ光源がレーザ光を連続的に放出するようにＣＷレーザをレージングしきい値より上にスイッチするために、一定ＤＣ電流を印加することによって駆動され得る。レージングしきい値より上では、ＣＷレーザは光を発生させるが、レージングしきい値より下では、ＣＷレーザはほぼ光を放出しない。

第１の強度変調器１０３は、ＣＷレーザから受け取る光を間欠的にブロックおよびブロック解除し、間欠的に光を出力するように構成される。したがって、第１の強度変調器１０３は、ＣＷレーザによって放出された連続レーザ光からの光のバーストを「切り取る（carve）」ことができる。強度変調器１０３は、電気光学効果に基づき得、ここにおいて、材料の屈折率が、印加される電界の関数である。屈折率の変化により、光関数の変化が生じ、強度変調器によってブロックされるまたは強度変調器を透過する光の量の変化が生じる。強度変調器１０３は、屈折率が電界強度の関数である、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶などの結晶を備え得、ＬｉＮｂＯ３結晶の周りに位置付けられた電極に電圧を印加することによって電界が印加され得る。

第１の電気コントローラ１０５は、時変信号を強度変調器１０３に供給する。時変信号は、間欠的に強度変調器１０３に、ＣＷレーザから受け取る光をブロックまたはブロック解除させる電圧信号であり得る。強度変調器１０３がニオブ酸リチウムを備えるとき、電圧信号はボルトのオーダであり得る。例えば、電圧信号振幅は１Ｖよりも大きくてよい。別の例では、電圧信号振幅は、変調器の幾何学形状に依存して約３Ｖ～５Ｖであり得る。

電気コントローラ１０５によって供給される時変信号は、周期的に強度変調器に光をブロックおよびブロック解除させる周期信号であり得る。例えば、周期信号は電圧信号であり得る。周期信号は、定期的な間隔で繰り返す信号である。定期的な間隔は、周期信号の周期と呼ぶ。光源１００は、光パルス列１０７を出力し、ここで、パルス間の分離は、周期信号の周期によって定義される。

図２は、位相変調された光パルス列１０７ｂを生成する光パルス源１００ｂの一例の概略図である。光源１００ｂは、図１のものと同様であるが、位相変調器１０９および第２の電気コントローラ１０５ｂをさらに備える。位相変調器１０９は、強度変調器１０３によって生成されたパルス列１０７を受け取り、位相シフトを各パルスに適用する。位相変調器１０９によって加えられる位相シフトの量は、第２の電気コントローラ１０５ｂによって供給される駆動信号によって制御される。したがって光源１００ｂはパルス列を出力し得、ここにおいて各パルスの位相が変調されている。

位相変調器１０９は、電気光学変調器であり得、ここにおいて、材料の屈折率が、印加される電界の関数である。屈折率の変化により、光路長の変化が生じ、位相変調器によって適用される位相シフトの変化が生じる。異なる位相シフトを与えるために、異なる電圧が位相変調器に印加される。説明したような位相変調器は、屈折率が電界強度の関数である、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶などの結晶を備え得、ＬｉＮｂＯ３結晶の周りに位置付けられた電極に電圧を印加することによって電界が印加され得る。位相変調器１０９に適用される相対位相シフトは、電圧制御信号を位相変調器１０９に印加するように構成された第２のコントローラ１０５ｂによって設定される。位相変調器１０９がニオブ酸リチウムを備えるとき、電圧信号はボルトのオーダであり得る。例えば、電圧信号は１Ｖよりも大きくてよい。別の例では、電圧信号振幅は、変調器の幾何学形状に依存して約３Ｖ～５Ｖであり得る。

各パルスの位相を変調するために、光源１００ｂの第１の電気コントローラ１０５および第２の電気コントローラ１０５ｂは、時間的に同期されており、その結果、パルス列１０７からのパルスが位相変調器１０９によって受け取られる間に、位相シフトが位相変調器１０９によって適用される。例えば、第２の電気コントローラ１０５ｂによって供給される信号は、第１の電気コントローラ１０５によって供給される信号に対して所定の量だけ遅延し得る。遅延は、遅延線によって実施され得る。遅延は、例えば、ケーブルの長さであり得る。

図２の光源１００ｂは、パルス間の位相で情報が符号化される通信プロトコルで使用され得る。光源１００ｂは、かかる通信プロトコルにしたがってパルスを送信するために使用される送信機において使用され得る。

図３は、光パルス列１０７ｃを生成する光パルス源１００ｃの一例の概略図である。光源１００ｃは、図２のものと同様であるが、第２の強度変調器１０３ｂおよび第３の電気コントローラ１０５ｃをさらに備える。第２の強度変調器１０３ｂは、位相変調器１０９によって生成されたパルス列１０７ｂを受け取り、各パルスの強度を変調する。第２の強度変調器１０３ｂによる強度の変調は、入力パルスが、完全に送信されること、完全にブロックされること、または何らかの量だけ減衰されて出力パルスの強度が完全にブロックされた状態もしくは完全に送信された状態の間になることを意味すると理解されよう。強度変調器１０３ｂによって引き起こされる送信、ブロック、または減衰量は、第３の電気コントローラ１０５ｃによって供給される駆動信号によって制御される。減衰量はパルス間で変わり得る。したがって光源１００ｃはパルス列を出力し得、ここにおいて、各パルスの位相および強度の両方が変調されている。

第２の強度変調器１０３ｂは、図１に関して説明した第１の強度変調器１０３と同様であり得る。これに加えて、入力パルスを完全に送信または完全にブロックすることの他に、第２の強度変調器１０３ｂは、入力パルスを減衰するようにも構成される。

各パルスの強度を変調するために、第３の電気コントローラ１０５ｃは、第２の電気コントローラ１０５ｂと第１の電気コントローラ１０５とに時間的に同期されており、その結果、パルス列１０７ｂからのパルスが第２の強度変調器１０３ｂによって受け取られる間に、強度変調が強度変調器１０３ｂによって適用される。第２の電気コントローラ１０５ｂは、第１の電気コントローラ１０５と同じ方法で時間的に同期されている。

図３の光源１００ｃは、振幅および位相両方の変調が使用される通信プロトコルで使用され得る。例えば、光源１００ｃは、ＱＫＤにおいて追加の強度変調を提供してデコイ状態を実施するために使用され得る。光源１００ｃは、例えばＱＫＤシステムの送信機において使用され得る。光源１００ｃが送信機として使用されるとき、３つの変調器（強度変調器１０３、位相変調器１０９、第２の強度変調器１０３ｂ）が必要である。変調器を能動素子とも呼ぶ。各変調器には、関連付けられたコントローラが必要であり、コントローラには、互いに正確な同期および時間的アライメントが必要である。

図４（ａ）は、一例による利得スイッチレーザ（gain-switched laser）の概略図である。利得スイッチレーザは、図１に関して説明した光源１００の代替として使用され得る。利得スイッチレーザは、レーザがレージングしきい値より上にスイッチされると光を発生させ、レーザがレージングしきい値より下にスイッチされるとほとんど光を発生させない。レーザ１４０は、ポンプパワーの変更によってレーザの利得を変調するコントローラ１４１を有する。利得は、時変的に変調され、周期的に変調され得る。このようにしてレーザを駆動すると、レーザパルスがレーザ出力１４２で生成される。レーザパルスは、持続時間がピコ秒のオーダであり得る。

レーザ１４０が半導体レーザである場合、電流または電圧を印加することによって、レーザを電気的にポンピングすることができる。半導体レーザの利得を変調するために、コントローラ１４１は、レーザに印加される電流または電圧を変調する。

レーザ１４０がファイバレーザまたは固体レーザである場合、レーザを光学的にポンピングすることができる。ファイバレーザまたは固体レーザの利得を変調するために、コントローラ１４１は、レーザに印加される光入力を変調する。

図４（ｂ）は、半導体利得スイッチレーザの利得変調を例示する３つのグラフを示す。上のグラフは、レーザに印加される電流を垂直軸に示し、時間を水平軸に示す。ＤＣバイアスを、水平点線で示す。レーザに印加される電流は、一連の電流変調パルスの形態を有する。この場合の波は、矩形型の波形である。例えば、非周期的な時変信号または正弦波などの異なる利得変調信号を使用することができる。この場合、電流は、電流変調パルス間でゼロに低減されず、バイアス値（点線で示す）に低減されるだけである。

電流変調信号が、レーザに印加され、レーザの利得を周期的にレージングしきい値より上および下にスイッチする。２番目のグラフは、レーザのキャリア密度を垂直軸に示し、時間を水平軸に示す。レージングしきい値を、破線水平線で示す。電流変調パルスがレーザに印加されると、注入されたキャリアがキャリア密度を増加させ、光子密度が増加する。

変調信号によって生成されるレーザ出力を下のグラフに示す。垂直軸がレーザ強度を示し、水平軸は時間である。キャリア密度がレージングしきい値より上にあるとき、レーザは光を出力する。レーザキャビティ内部での自然放出によって生成された光子が、刺激された放出によって十分に増幅されて出力信号を生成する。電流変調パルスの印加と出力光の生成との間の遅延の長さは、レーザタイプ、キャビティの長さ、およびポンピングパワーなどの、いくつかのパラメータに依存する。

光子密度の急増により、キャリア密度に減少が生じる。これは次に光子密度を減少させ、これはキャリア密度を増加させる。この時点で、電流変調パルスは、ＤＣバイアスレベルにスイッチバックして下がるように調時され、レーザ放出は迅速に停止する。したがってレーザ出力は、下のグラフに示すように短いレーザパルス列から成る。

より長いパルスを生成するために、レージングしきい値により近くなるように利得バイアスが選択される。これは、キャリア密度がより早くにレージングしきい値と交差することを意味し、これは、放出する時間をより多く光パルスに与える。最初に光強度がオーバーシュートし、迅速にキャリア密度を減少させる。これは次に、光子密度を減少させ、キャリア密度を増加させ、次に光強度を増加させる。この競争プロセスにより、パルスの開始時に光強度の発振が生じ、これは強く減衰し、強度が一定である安定状態を迅速にもたらす。発振を緩和振動と呼ぶ。レーザパルスは、電流パルスが終了し、電流が再びバイアス値にスイッチしたときに終了する。

図４（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザのための電気駆動回路の概略図を示す。半導体利得スイッチレーザはレーザダイオード１４５である。レーザダイオード１４５のカソードが、インダクタ１４７およびレジスタまたはキャパシタ１４８を備えるバイアスＴ１４６に接続される。これらの構成要素は、半導体レーザダイオード１４５のための利得変調ユニットを構成する。インダクタ１４７を介して、ＤＣバイアス電流がレーザダイオードを通して送信される。これは利得バイアスを供給する（電流の最小レベルを図３（ｂ）の点線で示す）。レジスタまたはキャパシタ１４８を介して、ＡＣ変調電流がレーザダイオードを通して送信され、レーザをレージングしきい値より上および下に利得スイッチするために必要な利得変調を提供する。

図５は、位相変調された光パルス列を生成するように構成された光パルス源４００の概略図を示す。光源４００は、直接レーザ変調および位相ランダム化シーディングのメカニズムで作動する。

マスタ光源４０３は、図４に関して説明した利得スイッチ半導体レーザであり得る。例えば図４に関して上述したように、コントローラが電気信号を印加してマスタ光源４０３を直接変調し、その結果、マスタ光源４０３は光パルスを間欠的に生成する。電気信号を制御信号と呼んでよい。

マスタ光源４０３は、ランダム位相関係を有する光パルスを放出する。これは、マスタ光源から放出された各光パルスの位相が、後続の各光パルスの位相に対してランダム関係を有することを意味する。図５に示すように、第１のパルス「１」と第２のパルス「２」との間の相対位相はφであり、ここでφはランダムである。マスタ光パルスは、スレーブ光源４０２に注入される。スレーブ光源４０２もまた、図４に関して説明した利得スイッチ半導体レーザであり得る。コントローラは、マスタ光パルスが注入される各時間期間の間に１つまたは複数の光パルスが生成されるように、スレーブ光源に信号を印加するように構成される。スレーブレーザに信号を印加するコントローラは、マスタ光源４０３のためのものと同じコントローラ（図示せず）であってもよいし、または異なるコントローラ（図５に示す）であってもよい。図５に示すように、マスタ光パルスが注入される各時間期間の間に２つのパルスがスレーブ光源によって生成される。生成された各スレーブ光パルスは、注入されたマスタ光パルスに対して固定位相関係を有する。図５に示すように、生成されたスレーブ光パルス「１」（陰影付きで示す）は、マスタ光パルス１が注入されたときに生成され、マスタ光パルス１に対して固定位相関係を有し、生成されたスレーブ光パルス「２」（空白で示す）は、マスタ光パルス２が注入されたときに生成され、マスタ光パルス２に対して固定位相関係を有する。スレーブ光パルス「２」は、スレーブ光パルス「１」とランダム位相関係を有する。

マスタ光パルスの位相がランダムであると説明したが、実際には、立て続けに放出された２つの光パルスの位相間には有限量の相関があり得る。位相差をランダムと説明することによって、これらの相関が小さいものであり、急速に低下することを意味する。１つの実施形態では、４００ｐｓ離れて放出された２つの光パルスの場合、測定可能な相関はない。１つの実施形態では、１ｎｓ離れて放出された２つの光パルスの場合、測定可能な相関はない。１つの実施形態では、１０ｎｓ離れて放出された２つの光パルスの場合、測定可能な相関はない。１つの実施形態では、１００ｎｓ離れて放出されたパルスの場合、測定可能な相関はない。

すべての光源が、ランダム位相関係を有するパルスを生成するわけではない。例えばモードロックパルスレーザは、ランダム位相関係を有するパルスを生成することはできない。生成されたマスタ光パルス間にランダム位相関係が生じるように、マスタ光源４０３のための特定の駆動条件を使用することができる。例えば、半導体利得スイッチレーザは、空のキャビティの条件を満たした場合に、ランダム位相関係を有するパルスを生成することができる。これについては以下でより詳細に説明する。

各光パルスが自然放出により開始されるので、生成された各光パルスの位相のランダム性が生まれる。自然放出は、光場の真空ゆらぎに起因し得る。利得スイッチレーザダイオードでは、自然放出は、生成される各パルスの電磁位相に影響を及ぼす。レージングの前にレーザキャビティが空のとき、すなわち真空状態であるとき、レージング動作は、完全に自然放出によってトリガされる。自然放出は、真空からのその電磁位相を引き継ぎ、その位相は、全くバイアスされておらず、ランダムである。

空のキャビティの状態は、キャビティ光子が、各レージング事象の前に減衰する時間を十分に有するときに到達することができる。

１つの例では、レーザダイオードは、２．５ＧＨｚの矩形波で利得スイッチされ得、各パルスの生成前のキャビティの平均残差光子数は、１０^-10である。この強度は、自然放出よりも弱い大きさのオーダである。１つの実施形態では、マスタ光源が、４．０ＧＨｚ以下の繰り返し速度（repetition rate）で駆動されると、各マスタ光源パルスはランダム電磁位相を有することになる。

こうしてコントローラは、各レージング事象間に残差キャビティ光子が減衰するための時間が十分にでき、マスタ光パルスが残差キャビティ光子ではなく自然放出により開始されるようにマスタ光源を駆動するように構成される。１つの実施形態では、コントローラは、４．０ＧＨｚ以下の繰り返し速度を有する時変電流または電圧でマスタ光源を駆動するように構成される。１つの実施形態では、コントローラは、２．５ＧＨｚ以下の繰り返し速度を有する時変電流または電圧でマスタ光源を駆動するように構成される。１つの実施形態では、生成された各マスタ光パルス間の時間差は、１２５ｐｓ以上である。１つの実施形態では、生成された各マスタ光パルス間の時間差は、２００ｐｓ以上である。

マスタ光源４０３は、導波路、例えば光ファイバによってスレーブ光源４０２の第１のアパーチャに接続される。スレーブ光源４０２の第２のアパーチャが、光源４００の出力として動作する。第２の導波路、例えば光ファイバが、スレーブ光源４０２の第２のアパーチャに接続される。代替的に、光パルスは、自由空間を通って、位相ランダム化光源４００の構成要素間を移動してよい（つまり、マスタ光源４０３およびスレーブ光源４０２などの構成要素を接続するのに導波路が必要ない）。

スレーブ光源４０２はまた、図４に関して説明した利得スイッチ半導体レーザであり得る。代替的に、スレーブ光源４０２は、コヒーレント光パルスを生成する任意のタイプの光源であり得る。コントローラが、例えば図４に関して上述したように、光パルスを生成するようにスレーブ光源４０２を駆動する。コントローラは、スレーブ光源４０２を駆動する制御信号を印加し、制御信号は、マスタ光源４０３に印加された制御信号と同期され得る。コントローラは、マスタ光源に印加された信号の繰り返し速度とは異なる繰り返し速度を有する時変電流または電圧信号でスレーブ光源を駆動するように構成され得る。例えば、コントローラは、マスタ光源に印加された信号の繰り返し速度よりも高い繰り返し速度を有する時変電流または電圧でスレーブ光源を駆動し得る。スレーブレーザに制御信号を印加するコントローラは、マスタレーザに制御信号を印加するコントローラと同じコントローラであり得る。代替的に、コントローラは異なるものでもよい。

マスタ光源４０３は、マスタ光パルスと呼ぶ光パルスのシーケンスを生成する。各マスタ光パルスの位相は、後続して生成された各マスタ光パルスの位相に対してランダム関係を有する。マスタ光パルスは次いで、スレーブ光源４０２に「シード」として注入され、パルス注入シーディング（pulsed injection seeding）をもたらす。

換言すれば、マスタ光パルスは、マスタ光源４０３から導波路内に放出され、第１のアパーチャを通ってスレーブ光源４０２に入る。マスタ光源４０３からの光は、スレーブ光源４０２の光キャビティに入り、スレーブ光源４０２のパルス注入シーディングを引き起こす。パルス注入シーディングという用語は、レーザシーディングまたはレーザ以外の光源によるシーディングを指し得る。スレーブ光パルスが、パルス注入シーディングにより生成され、スレーブ光源４０２の第２のアパーチャから放出される。

パルス注入シーディングが生じると、スレーブ光源４０２がレージングしきい値より上にスイッチされるたびに、生成されたスレーブ光パルスは、注入されたマスタ光パルスに対して固定位相関係を有する。

パルス注入シーディングが生じるためには、注入されたマスタ光パルスの光周波数が、ある特定の範囲内でスレーブ光源４０２の光周波数とマッチする必要がある。１つの実施形態では、マスタ光源４０３によって供給される光の周波数とスレーブ光源４０２の周波数との差は、３０ＧＨｚ未満である。いくつかの実施形態では、スレーブ光源４０２が分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザダイオードである場合、周波数の差は１００ＧＨｚ未満である。

パルス注入シーディングの成功のためには、スレーブ光源４０２の光キャビティに入るマスタ光パルスの相対パワーが、使用される光源のタイプに依存する特定の限界内である必要がある。１つの実施形態では、注入されたマスタ光パルスの光パワーは、スレーブ光源４０２の光出力パワーよりも少なくとも１０００倍低い。１つの実施形態では、注入されたマスタ光パルスの光パワーは、スレーブ光源４０２の光出力パワーよりも少なくとも１００倍低い。１つの実施形態では、注入されるマスタ光パルスの光パワーは、スレーブ光源４０２の光出力パワーよりも少なくとも１０倍低い。

マスタ光源４０３は、放出されたマスタ光パルスの強度を低減する固定の光減衰器を備え得る。代替的に、マスタ光源４０３は、ゆっくりとしか調整されない調整可能な光減衰器を備え得る。生成されるスレーブ光パルスの強度は、マスタ光パルスの強度に依存する。

正しい駆動状態では、スレーブ光パルスは、マスタ光パルスの強度にわずかにしか依存しない。場合によっては、正しい駆動状態では、マスタ光パルスが注入されない場合、スレーブ光パルスは何も生成されない。代替的に、場合によっては、マスタ光パルスが注入されないとき、スレーブ光パルスは出力され得るが、その位相は制御されていない。

一般に、注入ロッキングおよび利得スイッチングの動力は非常に非線形であり、これは、（マスタ光源に印加される電気駆動信号を変化させることによって、またはマスタ光源のあとの強度変調器の信号を変化させることによって）マスタ光パルスの強度を変調することが、スレーブ光パルス強度を変調する実用的な方法でない場合があることを意味する。したがって、任意選択的および追加的に、マスタ光源４０３は、生成されるスレーブ光パルスの強度を変化させるために、生成されたマスタ光パルスがスレーブ光源４０２に供給される前にその強度を変化させる強度変調器を備え得るが、そのような配列は、生成されるスレーブ光パルスの強度を変化させる実用的な方法でない場合がある。スレーブ光源に印加される電気信号を直接変化させることによってスレーブ光パルスの強度を変化させることもまた、このようにしてスレーブ光強度を変化させることにより、スレーブ光周波数がわずかに変化する可能性も高くなるので（スレーブレーザに印加される電気信号を変化させるとすべてのレーザ動力が変更されるため）、実用的な手法ではない。したがって、光パルスが異なる強度の異なる光周波数を有することになり、攻撃者はこれを使用してシステムを巧みに利用する可能性があるので、このようにして生成されたスレーブ光パルスをＱＫＤで使用することはできない。

任意選択的および追加的に、位相ランダム化光源４００は、スレーブ光源４０２によって生成されたスレーブ光パルスの強度を低減する第２の光減衰器、またはスレーブ光源４０２によって生成されたスレーブ光パルスの強度を変化させる強度変調器を備え得る。この配列については以下で図８に関してさらに説明する。

１つの実施形態では、スレーブ光源４０２およびマスタ光源４０３は、電気的に駆動される利得スイッチ半導体レーザダイオードである。１つの実施形態では、スレーブ光源およびマスタ光源は、同じ帯域幅を有する。１つの実施形態では、両方の光源は、１０ＧＨｚの帯域幅を有する。１つの実施形態では、両方の光源は、２．５ＧＨｚの帯域幅を有する。ここで、帯域幅とは、直接変調されている利得スイッチレーザダイオードで達成可能な最も高いビットレートを意味する。ある特定の帯域幅のレーザは、より低いクロックレートで動作することができる。

図６（ａ）は、光学系で使用することができる位相ランダム化光源７００ａの概略図である。この光源では、光接続は、ポート１に入る光がポート２から出て、ポート２に入る光がポート３から出るように構成された光サーキュレータを通して２つの光源を接続する、光導波路、例えば光ファイバによって実現する。マスタ光源７０３によって生成された光パルスは、スレーブ光源７０２に到達するまで光導波路に沿って移動する。光はスレーブ光源７０２に注入され、パルス注入シーディングを実現する。この位相ランダム化光源７００ａでは、マスタ光源およびスレーブ光源は、光サーキュレータのポート１に入る光がポート２から出て、ポート２に入る光がポート３から出るように構成された光サーキュレータ７１２を使用して接続される。

マスタ光源７０３は、光導波路、例えば光ファイバによって光サーキュレータ７１２のポート１に接続される。代替的に、光パルスは、自由空間を通って構成要素間を移動し得る。光サーキュレータ７１２のポート２は、光導波路によってスレーブ光源７０２に接続される。光サーキュレータ７１２は、光サーキュレータ７１２のポート１に入る光がポート２から出て、光サーキュレータ７１２にポート２から入る光がポート３から出るように構成される。

マスタ光源７０３はマスタ光パルスを生成し、それは、光導波路に沿って移動し、光サーキュレータ７１２のポート１に入る。マスタ光パルスからの光は、主にサーキュレータのポート２から出るが、光のわずかな一部が吸収されてよい、またはポート３から出てよい。マスタ光パルスからの光は、光サーキュレータ７１２のポート２から出て、スレーブ光源７０２に接続された光導波路に沿って移動する。マスタ光パルスは、スレーブ光源７０２に注入される。スレーブ光源７０２は、マスタ光パルスによってシードされ、スレーブ光パルスを生成する。

スレーブ光源７０２は、各マスタ光パルスがスレーブ光源７０２に入射する間にレージングしきい値より上にスイッチされる。したがって、スレーブ光源７０２は、各マスタ光パルスに対応するスレーブ光パルスを放出し、これはスレーブ光源７０２に接続された光導波路へと放出され、マスタ光パルスとは反対方向に導波路に沿って移動する。スレーブ光パルスは、光サーキュレータ７１２のポート２に入り、光サーキュレータ７１２のポート３から、光導波路、例えば光ファイバへと出る。

代替的および任意選択的に、スレーブ光源７０２は、各マスタパルスがスレーブ光源７０２に入射する間に１回または複数回レージングしきい値より上にスイッチされる。例えば、スレーブ光源７０２は、図５の例と同様であり得、各マスタパルスが入射する間に２回レージングしきい値より上にスイッチされ、その結果、マスタ光パルスが注入される各時間期間の間にスレーブ光源７０２によって２つのパルスが生成される。

図６（ｂ）は、光学系で使用することができる位相ランダム化光源７００ｂの概略図である。図６（ｂ）は、スレーブ光源７０２をシードするために使用される代替的な光接続を示し、これはビームスプリッタ７０６が後に続く光アイソレータ７１３を利用する。この位相ランダム化光源７００ｂでは、マスタ光源およびスレーブ光源は、光アイソレータ７１３およびビームスプリッタ７０６を使用して接続され、ここで、光アイソレータ７１３は、光をポート１からポート２に通過させ、光がポート２からポート１に通過するのを防止するように構成される。

マスタ光源７０３は、光ファイバなどの光導波路によって光アイソレータ７１３のポート１に接続される。代替的に、光パルスは、自由空間を通って構成要素間を移動し得る。光アイソレータ７１３のポート２は、光ファイバなどの第２の光導波路によってビームスプリッタ７０６のポートＡに接続される。光アイソレータ７１３は、ポート１を介して入った光が通過することを可能にするが、ポート２を介して入る光が通過することを防止するように構成される。光アイソレータを備えない代替の実施形態では、コヒーレント光源の出力は、光ファイバなどの単一の光導波路によってビームスプリッタ７０６のポートＡに直接接続される。光ファイバなどの光導波路は、ビームスプリッタ７０６のポートＣをスレーブ光源７０２に接続する。

マスタ光源７０３は、マスタ光パルスを放出し、それはポートＡからビームスプリッタ７０６に入る。ポートＡからビームスプリッタ７０６に入る光の第１の部分が、ビームスプリッタのポートＣから出る。ビームスプリッタ７０６にポートＡから入る第２の部分が、ビームスプリッタのポートＤから出る。ポートＣを出る光の第１の部分は、光導波路に沿って移動し、スレーブ光源７０２に注入され、前述のようにパルス注入シーディングが生じる。スレーブ光源７０２によって生成されたスレーブ光パルスが放出されて光導波路に戻され、マスタ光パルスとは反対方向に導波路に沿って移動する。スレーブ光パルスは、ポートＣからビームスプリッタ７０６に入る。スレーブ光パルスの第１の部分が、ポートＡからビームスプリッタ７０６を出て、第２の部分がポートＢから出る。

ビームスプリッタ７０６をポートＡから出るスレーブ光パルスの第１の部分は、光アイソレータ７１３で止められる。したがって、光アイソレータ７１３は、スレーブ光源７０２から放出された光がマスタ光源７０３に入り、マスタ光源７０３に外乱が生じることを防止する。ビームスプリッタ７０６のポートＤにおける出力は、モニタリング目的で使用することができる。

代替的および任意選択的に、スレーブ光源７０２は、各マスタパルスがスレーブ光源７０２に入射する間に１回または複数回レージングしきい値より上にスイッチされる。例えば、スレーブ光源７０２は、図５の例と同様であり得、各マスタパルスが入射する間に２回レージングしきい値より上にスイッチされ、その結果、マスタ光パルスが注入される各時間期間の間にスレーブ光源７０２によって２つのパルスが生成される。

図７（ａ）～図７（ｄ）は、一例による位相変調を伴う光パルスを生成する光学系の概略図を示す。

図７（ａ）は、図６（ａ）に関して説明した光源７００ａに対応する光源を示す。マスタレーザ７０３は、浅い強度変調を伴うナノ秒単位の準定常状態光パルスを生成するようにバイアスされ、これもまた光位相を変調する。利得スイッチスレーブレーザ７０２は、マスタレーザ７０３によって準備された光位相を引き継ぐ短い光パルスを放出する。各マスタレーザパルスの持続時間は、異なる長さのパルス列をシードするように変化し得る。スレーブレーザ７０２およびマスタレーザ７０３の各々に印加される電気駆動信号を差し込みで示す。単一のマスタパルスが入射したときに放出されるスレーブパルス間の相対位相は、マスタパルスの位相展開（phase evolution）に依存し、マスタレーザ７０３に印加される駆動電流を直接変調することによって任意の値に設定することができる。例えば、マスタレーザ７０３の駆動信号に微小摂動を導入することによって、２つのスレーブパルス間の相対位相φ１を取得することができる。電気駆動信号がレージングしきい値より上に留まるとき、マスタレーザ７０３の電気駆動信号における浅いディップとして微小摂動が現れる。同様に、３つのスレーブパルス間の相対位相は、マスタレーザ７０３の駆動信号に２つの微小摂動を加えることによって、例えばφ１およびφ２に設定することができる。微小摂動は、マスタレーザの電気駆動信号における浅いピークまたはディップとして現れる。駆動信号への摂動を微小として説明するとき、ピークの高さまたはディップの深さが小さいことを意味する。例えば、駆動信号が電圧に対応するとき、微小摂動とは、１Ｖ未満の高さのピークまたはディップを指す。別の例では、摂動は、０．５Ｖ以下の高さを有する。さらに別の例では、摂動は、０．１Ｖ以下の高さを有する。

このような駆動信号における摂動により、マスタパルスの強度および光周波数に有害な変動が生じる恐れがある。これらの副作用を回避するために、スレーブレーザの利得は、摂動がマスタレーザに適用されたときにオフにスイッチされ得る。駆動信号における摂動を位相変調特徴（phase modulation features）と呼んでもよい。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す電気駆動信号に微小摂動が適用されたときの、ν₀の中央周波数で連続的に放出しているマスタレーザの光周波数の変化を例示する。微小摂動は持続時間ｔ_mにわたって適用される。摂動により、マスタレーザ７０３の光周波数に変化Δνが生じる。光周波数は、摂動を除去すると初期値に戻る。

図７（ｃ）は、マスタレーザの摂動ありと摂動なしの光位相軌道のプロットを示す。摂動が適用されると、位相軌道は、Δφ＝２π×Δν×ｔ_mの量だけ変更される。

図７（ｄ）は、単一のマスタパルスが注入されている間にスレーブレーザによって放出される２つのスレーブパルスを示す。上述した摂動は、２つのスレーブパルスの放出間の時間間隔中にマスタレーザに適用されている。第１のスレーブパルスは、マスタパルスの位相に対して固定位相関係を有し、第２のパルスは、マスタパルスの変調された位相に対して同じ固定位相関係を有する。このように、位相差Δφは、スレーブレーザによって放出されるパルス間の相対位相に転送される。

図８は、一例による位相および振幅両方の変調を伴う光パルスを生成する光学系の概略図を示す。光学系は、図５に関して上述した光源４００を備える。図７（ａ）に関して上述した電気駆動信号がマスタレーザおよびスレーブレーザに印加されると、光源４００は、パルス間の相対位相が定義されたパルスを出力し得る。光源４００によって生成されたパルスの振幅をさらに変調するために、パルスは、強度変調器１０３に方向付けられる。強度変調器１０３は、図１に関して上述したものと同様である。強度変調器１０３は、放出されたパルスの振幅を変調し得る。強度変調器は、コントローラによって、図１、図２、または図３に関して上述したように制御され、強度変調器１０３を制御するコントローラは、マスタレーザおよびスレーブレーザのコントローラと時間的に同期される。コントローラが慎重に同期されると、位相および振幅両方の変調を伴うパルスが生成され得る。

図９に関して以下で説明する実施形態による光学系と比較して、図８の光学系には、追加の強度変調器およびコントローラが必要である。図８の光源４００は、図５に関して説明したが、例えば２．５ＧＨｚのクロックレートで動作し得る。よって、追加の強度変調器を制御するコントローラを同期させるために、コントローラおよび追加の強度変調器は、少なくともクロックレート２．５ＧＨｚで動作することが必要である。したがって、図８の光学系がデコイ状態生成のためにＱＫＤ送信機において使用されるとき、追加の強度変調器を同期させ制御するさらなる複雑さにより、高レートでパルスを生成することが困難であり得る。

図９は、一実施形態による光源１０００の概略図であり、ここにおいて、光源１０００は、図５に関して上述した光源４００と同様である光源と、干渉デバイス９００とを備える。光源４００は、位相変調された光パルス列を生成することが可能であり、光源４００は、図５に関して上述したパルスおよび位相ランダム化シーディングのメカニズムで作動する。光源４００は、位相変調された光パルス列が干渉デバイス９００内に方向付けられるように干渉デバイス９００に光結合される。干渉デバイス９００は、受け取ったパルス列を、受け取ったパルス列の遅延バージョンと干渉させる。干渉デバイス９００によって供給される干渉パルス列９１０が、光源１０００の出力である。干渉デバイス９００は、パルスを生成するために使用され得る光源１０００の一部である。

図９に示すように、干渉計は、不平衡干渉計である。図９に示すように、不平衡干渉計は、非対称のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）である。位相変調された光パルス列は、干渉計９００内に方向付けられる。パルス列は、パルス列を、２つの部分、すなわち第１のパルス列と第２のパルス列に分割するように構成された第１のビームスプリッタ９０１内に方向付けられる。第１のパルス列は干渉計の第１のアーム内に方向付けられ、第２のパルス列は第２のアーム内に方向付けられる。第２のアームは、第１のパルス列のパルスに対して時間Ｄだけ第２のパルス列のパルスを遅延させる遅延線９０３を備える。遅延要素９０３は、導入された遅延Ｄが位相変調された光パルス列のパルス間の時間的分離ｔ_PULSEに対応するように構成され、その結果、第２のパルス列からの各遅延パルスは、第１のパルス列からの先のパルスと時間的に重なる。

第１および第２のパルス列は、第２のビームスプリッタ９０５内に方向付けられ、そこで、それらは干渉して干渉パルス列９１０を形成する。干渉パルス列９１０における各パルスは、第１のパルス列からのパルスと第２のパルス列からのパルスとの干渉の結果である。特に、第２のパルス列からの各遅延パルスは、第１のパルス列からの先のパルスと干渉する。干渉パルスの位相および強度は、第１および第２のパルス列からのこれらの２つのパルス間の位相関係に依存する。第１および第２のパルス列自体は、光源４００によって生成された位相変調された光パルス列に依存する。位相変調された光パルスの位相変調は、図５、図６、および図７に関して上述したように、マスタレーザ４０３に印加される電気駆動信号に依存する。マスタレーザ４０３に印加される電気駆動信号を制御することによって、干渉パルス列９１０におけるパルスの位相および強度を制御することができる。どのようにこれを達成するかについては、以下で図１０に関してさらに説明する。

図９に戻ると、図示の光源１０００は光源４００を備えているが、代替的に、図６に関して上述した光源７００ａまたは７００ｂを代わりに使用してよいことが理解されよう。

図９に示す干渉計９００では、第１のビームスプリッタ９０１もしくは第２のビームスプリッタ９０５のいずれか、または両方のビームスプリッタは、代替的に、２ｘ２方向性結合器に置き換えることができる。

追加的および任意選択的に、干渉計９００は位相安定化され、その結果、第１のパルス列と第２のパルス列との間の相対位相が安定した状態に留まる。換言すれば、相対位相はドリフトしない。例えば、干渉計９００は、位相ドリフトを回避するために一定の温度に保持される。一定の温度は、熱電技術を使用することによって維持され得る。熱電技術は、熱電デバイスにわたって温度差があるとき電圧を生成する熱電デバイス、または電圧が印加されたとき冷却側から発熱側に熱を伝え、それによってそのデバイスにわたって温度差を生み出す熱電デバイスのいずれかの使用を備える。例えば、熱電デバイスはペルチェデバイスであり得る。ペルチェデバイスは、熱電対（２つの異なるコンダクタの接合点）を備え、ここにおいて、電流の印加時に、熱が接合点から発生または除去され得る。熱電技術を使用して干渉計９００を位相安定化するために、熱電デバイスは、干渉計９００に熱結合され得、その結果、熱電デバイスは、干渉計内に熱をポンピングまたは干渉計から熱を除去し得る。熱電デバイスは、電気制御信号を供給するコントローラによって制御され得る。コントローラは、干渉計の温度が設定値またはほぼ設定値に留まるように構成された制御信号を供給するように構成され得る。一例では、干渉計の温度は、設定値の少なくとも０．１℃以内である。別の例では、干渉計の温度は、設定値の少なくとも０．０１℃以内である。

追加的および任意選択的に、干渉パルス列９１０におけるパルスの制御の改善のために、マスタ光源４０３および／またはスレーブ光源４０２に印加される電気駆動信号は、位相変調された光パルス列のパルス間の時間的分離ｔ_PULSEが、第１のパルス列からのパルスと第２のパルス列からのパルスとの間の時間遅延に対応することを保証するように慎重に選択される。

代替的に、図９のＭＺＩ干渉計装置９００は、例えばマイケルソン干渉計（ＭＩ）に置き換えてよい。ＭＩもまた不平衡干渉計であり、ＭＩは、２つのアーム、すなわち基準アームと長いアームを備え、両方のアームはミラーによって終端され、長いアームは干渉計遅延を備え、ここにおいて、２つのミラーから反射された光は、互いに干渉し合い、干渉計の出力に方向付けられる。

図９の光源１０００は、バルク光学素子（bulk optics）を使用して実施され得る。バルク光学素子が意味するところは、構成要素が個別であり、分離した構成要素であるということである。異なる構成要素が、光ファイバなどの導光部によって互いに光結合され得る。代替的に、自由空間光学リンクによって、異なる構成要素が光結合されてよい。

代替的に、図９の光源１０００は、フォトニックチップ上に集積される。チップベースの実装では、マスタレーザ４０３、スレーブレーザ４０２、および干渉計９００は、基板の表面に平行な面で基板上に横方向に集積され得る。異なる構成要素が、導光部によって互いに光結合される。導光部は、これもまた基板の表面に平行な面で基板上に横方向に集積される導波路部であり得る。本実施形態では、レーザ４０３および４０２は分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであるが、分布ブラッグ回折格子（ＤＢＲ）またはリッジレーザなどの他のレーザも使用できることが理解されよう。光学系１０００をチップ上に集積するとき、第１のビームスプリッタ９０１および第２のビームスプリッタ９０５は、２ｘ２方向性結合器に置き換えてよい。さらに代替的に、図９の光学系１０００は、フォトニックチップ上に集積され、ここにおいて、マスタレーザ４０３およびスレーブレーザ４０２は第１の基板上に横方向に集積され、干渉計９００は第２の基板上に横方向に集積され、スレーブレーザ４０２の出力は、光ファイバなどの導光部によって、または自由空間結合によって、干渉計９００の入力に光結合される。上述した光学系１０００は、位相および振幅変調を実施するために干渉計９００が光源４００と組み合わせて使用されるので、フォトニックチップ上の互換性のある集積である。干渉計９００は、例えば図８で説明した強度変調器よりも容易にフォトニックチップ上に集積され得る。

図１０は、図９のマスタ光源４０３およびスレーブ光源４０２に印加される電気信号の概略図を示し、一実施形態によれば、光パルスが光源４００によって生成され、光パルス９１０が光学系１０００によって出力される。

図１０（ａ）は、電気コントローラによってマスタレーザ４０３に印加される電気信号を示す。電気信号を制御信号とも呼ぶ。マスタレーザ４０３に印加される電気信号は、図４に関して上述したように、マスタレーザ４０３にパルスを放出させる。電気信号波形は、マスタクロックサイクル（図にｔ_{MASTER_CLK}と示す）ごとに繰り返す、周期的に繰り返す矩形波に類似している。各マスタクロックサイクル中、電気信号は、持続時間ｔ_{MASTER_ON}の間、ｈｉｇｈ値を有し、持続時間ｔ_{MASTER_OFF}の間、ｌｏｗ値を有する。各マスタクロックサイクル中、マスタレーザ４０３は、ｔ_{MASTER_ON}の間マスタ光パルスを放出し得、したがって、マスタレーザ４０３は、ｔ_{MASTER_CLK}に等しい周期でマスタ光パルスを周期的に放出し得る。隣接するマスタ光パルスは、ｔ_{MASTER_OFF}によって時間的に分離している。持続時間ｔ_{MASTER_OFF}は、例えば図５に関して説明したように、マスタレーザによって放出される光パルスが位相ランダム化されるように選択される。したがって、マスタクロックサイクル中に放出されるマスタレーザ光パルスの位相は、別のクロックサイクル中に放出される別のパルスの位相に対してランダム関係を有する。電気信号がｈｉｇｈ値を有する持続時間Ｔ_{MASTER_ON}の間、位相変調信号が矩形波上にオーバーレイされるという点で、電気信号波形は、周期的に繰り返す矩形波とは異なる。位相変調信号の形状は、異なるマスタクロックサイクルで異なり得る。位相変調信号は、矩形波への摂動に対応し、図７に関して説明したようにピークおよび／またはディップとして現れる。矩形波への摂動により、図７に関して説明したように、マスタ光パルスの位相軌道の変更が生じる。各摂動は、ｔ_mとラベル付けられた時間幅を有する。電気信号がｈｉｇｈであるときはいつでも、コントローラは、矩形波に２つの摂動（ディップおよび／またはピーク）を適用するように構成される。

追加的および任意選択的に、マスタレーザ４０３に電気信号を印加する電気コントローラは、任意波形発生器（ＡＷＧ：Arbitrary Waveform Generator）である。代替的に、電気コントローラはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である。

追加的および任意選択的に、すべてのピークおよび／またはディップの時間幅ｔ_mは同じ値を有する。

図１０（ｂ）は、スレーブレーザ４０２に印加される電気信号を示す。電気信号は、マスタレーザ４０３のためのものと同じ電気コントローラ（図示せず）によって、または別の電気コントローラ（図９に示す）によって印加され得る。電気信号は、周期ｔ_{SLAVE_CLK}（図示せず）を有する周期信号であり得る。電気信号を制御信号とも呼ぶ。コントローラは、マスタレーザに印加される電気信号がｈｉｇｈである時間ウィンドウｔ_{MASTER_ON}内にマスタ光パルスが注入されるたびに、図５に関して上で説明したように、スレーブレーザ４０２に印加される電気信号が、スレーブレーザ４０２にパルスを放出させるように構成される。さらに、図７に関して説明したように、スレーブレーザ４０２に印加される電気信号がｈｉｇｈであり、かつスレーブレーザがパルスを放出する時間ｔ_{SLAVE_ON}は、マスタレーザ４０３に印加される電気駆動信号に摂動が適用される期間と重ならない。さらに、他方のコントローラは、マスタレーザがパルスを放出している時間ウィンドウにおいて、スレーブレーザ４０２に３つのスレーブ光パルスを放出させる電気信号を印加するように構成される。スレーブレーザに印加される電気信号は、スレーブクロックサイクルｔ_{SLAVE_CLK}（図示せず）ごとに繰り返す、繰り返す矩形波であり得、ここにおいて、電気信号は、持続時間ｔ_{SLAVE_ON}の間、ｈｉｇｈ値を有し、持続時間ｔ_{SLAVE_OFF}の間、ｌｏｗ値を有する。スレーブクロックサイクルの持続時間は、ｔ_{SLAVE_ON}＋ｔ_{SLAVE_OFF}によって与えられる。

追加的および任意選択的に、スレーブレーザに印加される電気制御信号の繰り返し速度は、マスタレーザに印加される電気制御信号の繰り返し速度の３倍である。

追加的および任意選択的に、スレーブレーザに印加される電気信号がｈｉｇｈである持続時間ｔ_{SLAVE_ON}は、持続時間Ｔ_{MASTER_ON}の５分の１以下である。

追加的および任意選択的に、ｔ_{SLAVE_ON}はｔ_{SLAVE_OFF}に等しい。

図１０（ｃ）は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の電気信号が印加されたときに図９の光源４００によって放出される光パルスを示す。マスタパルスがスレーブ光源に注入され、ここで、マスタパルスはスレーブの出力パルス間の位相を定義する。クロックサイクルごとの２つの変調特徴は、位相差が慎重に定義された３つのパルスからなるグループをもたらす。特に、パルス間の２つの位相差Ф１２およびФ２３を、（例えば図７に関して上述したように）マスタ電気制御信号に適用される摂動によって正確に定義することができる。しかしながら、マスタパルスが注入されたときに放出される３つのスレーブパルスの各グループの位相は、別のマスタ光パルスが注入されたときに放出される３つのスレーブパルスの別のグループに対してランダムである。換言すれば、３つのスレーブパルスの各グループの位相は全体的にランダムである。全体的なランダム性は、状態決定攻撃に対抗するＱＫＤのセキュリティを提供することができる。光源４００によって放出される光パルスは、時間が一定量ｔ_PULSEだけ空いていてよい。ｔ_PULSEは、図１０（ｂ）に関して説明した制御信号の周期ｔ_{SLAVE_CLK}に等しい。時間間隔ｔ_PULSEを、スレーブ光パルス間の時間的分離とも呼ぶ。ｔ_PULSEは、干渉計９００の遅延時間Ｄに等しい。例えば、ｔ_PULSEは５００ｐｓに等しい。別の例では、マスタレーザに印加される電気信号の繰り返し速度が０．６７ＧＨｚであり、スレーブレーザに印加される電気信号の繰り返し速度が２ＧＨｚである場合、ｔ_PULSEは５００ｐｓに等しい。

図１０（ｄ）は、図９の光源１０００によって出力される干渉光パルス９１０を示す。干渉光パルス列９１０は、図９に関して上述したように取得される。干渉光パルス列９１０は、３つのパルスからなるグループを備え、ここで、３つのパルスのうち２つは、位相シフトФ₁₂およびФ₂₃によって正確に決定された相対位相および強度を有する。位相シフトФ₁₂およびФ₂₃は、上述したようにマスタレーザに印加される電気信号に位相変調特徴を適用することによって取得される。光学系１０００によって出力される３つのパルスからなるグループをパルストリプレット（pulse triplet）とも呼ぶ。光学系１０００のマスタレーザのクロックサイクルごとに、パルストリプレットが、干渉計９００の出力において放出されることになる。位相および振幅が定義された２つのパルスを、前パルス（early pulse）（前のタイムビンに現れる）および後パルス（late pulse）（後のビンに現れる）と呼ぶ。前タイムパルスおよび後タイムパルスの振幅は、Ф₁₂およびФ₂₃を設定することによって独立して制御することができる。

前のタイムビンパルスの振幅は、以下のように与えられる。
（ｃｏｓ（φ₁₂）＋１）／２ （式１）

後のタイムビンパルスの振幅は、以下のように与えられる。
（ｃｏｓ（φ₂₃）＋１）／２ （式２）

前のタイムビンと後のタイムビンとの間の位相は、以下のように与えられる。
φ_EL＝ａｒｇ（ｅｘｐ（ｉφ₁₂）＋ｅｘｐ（ｉφ₁₂＋ｉφ₂₃））－ａｒｇ（ｅｘｐ（ｉφ₁₂）＋１） （式３）

３つのパルスからなるグループごとのうち第３のパルスは、異なるマスタ光パルス（互いにランダム位相関係を有する）によってシードされたスレーブレーザのパルスの干渉に起因するので、ランダム振幅を有する。ランダム振幅を有する第３のパルスは、情報符号化のために使用できないが、例えば、送信機における位相ランダム化の品質をテストするためにモニタされ得、そうしてＱＫＤシステムのセキュリティを保証する。振幅および位相が決定論的に制御された２つのパルスは、ＱＫＤシステムにおいて情報を符号化するために使用することができる（例えば、それらを、以下でさらに説明する前パルスおよび後パルスとして使用することができる）。３つのパルスのシーケンスをＱＫＤシステムにおいてどのように使用することができるかについて以下でさらに説明する。

上記配列により、利得スイッチ光注入ロック光源４００のために使用されるコントローラ（単数または複数）の他に、強度変調器の必要も任意の追加の電子コントローラの必要もなく、パルス強度を連続的に変化させることが可能となる。出力パルス強度および位相の恣意的制御が、マスタ光源に適用される電気波形のみを調整することによって得られる。これにより、図８に示す例と比較して、別個の強度変調器およびそのコントローラの必要がなくなる。結果として得られるセットアップは、より小型、より低コスト、およびより簡易である。

追加的に、図９のシステムおよび図１０の駆動信号を使用してパルス強度および位相を変化させることによって、かかる変調を達成するために必要な電子制御信号の大きさを、図８に関して説明したものなどの強度変調器デバイスに印加される電子制御信号の大きさよりも低くすることができる。例えば、電子制御信号の大きさは１Ｖ以下である。上記において、電子制御信号の大きさは、マスタレーザを制御する電気信号に適用される摂動の高さまたは深さを指す。

追加的および任意選択的に、パルス強度および位相変調を達成するために必要な電子制御信号の大きさは、０．５ボルト未満であり得る。追加的および任意選択的に、大きさは０．１ボルト以下である。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、前のタイムビンパルスおよび後のタイムビンパルスの振幅が、位相変調φ₁₂およびφ₂₃の関数としてどのように変化するかを例示するヒートマップを示す。ヒートマップに示す前のタイムビンパルスの振幅は、上式１および２によって算出される。

図１１（ｃ）は、前のタイムビンパルスと後のタイムビンパルスの位相差が、位相変調φ₁₂およびφ₂₃の関数としてどのように変化するかを例示するヒートマップを示す。ヒートマップに示す前のタイムビンと後のタイムビンとの位相差は、上式３によって算出される。

図１２は、図１０の駆動信号を使用して図９の光学系１０００によって生成されるパルストリプレットを、ＱＫＤのための送信機でどのように使用することができるかを示す概略図である。特に、図９の光学系１０００は、デコイ法量子鍵配送（ＱＫＤ）、ＭＤＩ ＱＫＤ、およびＴＦ ＱＫＤに好適である。デコイ法ＱＫＤは、情報がアリスによって信号状態の光パルスの位相またはエネルギー／時間を使用して送信される実用的なＱＫＤ方式である。デコイ法ＱＫＤは、実際、ＱＫＤ送信機が、真の単一光子ではなくコヒーレント状態である減衰パルスレーザを使用するという制限を克服する。したがって、送信機がいくつかのビットのために複数の光子を放出する可能性が無視できないので、ＱＫＤシステムは、光子数分割攻撃として知られる攻撃を受けやすい。この攻撃は、信号状態だけでなくデコイ状態を送信することによって防止される。デコイ状態を送信するために、アリスは、光子数統計（photon number statistics）が変化するように、（デコイ状態についての）可変強度レベルを使用して量子ビットを送信する。送信の最後に、アリスは、各量子ビットの送信のためにどの強度レベルが使用されたかを公表する。正当な受信者側（ボブ）で受け取った量子ビットの損失または統計をチェックすることによって、アリスとボブは、攻撃が行われたかどうかを検出することができる。

ＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルの場合、パルスの対（ここで第１のパルスを前パルスと呼び、第２のパルスを後パルスと呼ぶ）が必要である。パルス間の位相またはそれらの強度のいずれかで情報が符号化される（その結果、ビット０が対のうちの後パルスのみを送信することに対応し、ビット１が前パルスのみを送信することに対応する）。さらに、各パルスの強度は、デコイ状態を実施するために複数のレベルにわたって変化する必要がある。

図１２は、光学系１０００のマスタレーザの位相変調設定により、どのように光学系１０００をＱＫＤのための送信機として使用することが可能になるかを示す。特に、図１２は、必要な位相値Ф１２およびФ２３（マスタレーザ４０３に印加される電気制御信号への摂動を慎重に設定することによって取得される）が、より低いパルス強度でのデコイ状態の符号化に加えて、共通バイアス符号化を達成するためにどのように調整されるかを示す。

図１２の左列は、Ф１２およびФ２３についての値の組合せを示す。中央列は、光学系１０００によって出力されるパルストリプレットを示す。パルストリプレットは、振幅および位相が定義されたパルス対（前パルスと後パルスを備える）と、ランダム強度および位相を有する第３のパルス（図１２に陰影付きで示す）とを備える。光通信のために、パルス対（前パルスと後パルスを備える）が情報を符号化するために使用されることが予想される。第３のパルスは情報の符号化には使用されず、第３のパルスは、例えば、ランダム性の品質の測定に使用され得、これは、ランダム性の品質が様々な量子通信プロトコルについての良質なパルス準備を示すために使用することができるメトリックであるからである。右列は、異なるビット値／基底に対応する異なる符号化として出力パルス対がどのように使用され得るかを示し、Ｚ基底は、情報が前パルスまたは後パルスの振幅で符号化されることに対応し、Ｙ基底は、情報が相対位相で符号化されるパルスの対を指す。例えば、Ф１２＝０およびФ２３＝πのとき（第１行）、図１１に関して説明した式に基づいて、前パルスの振幅は１であり、後パルスの振幅は０である。同様に、Ф１２＝πおよびФ２３＝０のとき（第２行）、前パルスの振幅は０であり、後パルスの振幅は１である。最初の２行では、情報は、前パルスおよび後パルスの振幅で符号化される（Ｚ基底）。

Ф１２＝０．９πおよびФ２３＝πのとき（第３行）、前パルスの振幅は＜０．１であり、後パルスの振幅は０であり、その反対に、Ф１２＝πおよびФ２３＝０．９πのとき（第４行）、前パルスの振幅は０であり、後パルスの振幅は＜０．１である。最後の２行では、Ф１２およびФ２３は、前パルスおよび後パルスの両方が０．５の振幅を有するものであり、情報は、この場合ではパルス間の相対位相Φ_ELで符号化される（Ｙ基底）。前パルスおよび後パルスに加えて、第３のパルス（図に陰影付きで示す）も、Ф１２およびФ２３の組合せごとに出力される。

図１２に示す例示的なパルスを、デコイ法ＱＫＤプロトコルを実施するために使用できる。行１、行２、行５、および行６は、２つの非直交基底（ＺおよびＹ）でのビット０および１についての信号状態の準備を示し、行３および行４は、対応するデコイ状態の準備を示し、ここでパルス強度は、信号状態と比較して著しく低減される。デコイ状態は、前パルスの強度（第３行）および後パルスの強度（第４行）がより低い状態に対応する。前述のように、多光子状態ではないすべてのビットをブロックすることを伴う光子数分割攻撃を攻撃者が実行しようと試みた場合、信号状態およびデコイ状態についての検出統計は、それらの異なる初期強度に起因して異なることになる。こうしてアリスとボブは、デコイ状態を送信したときに間欠的に通信することによってこの攻撃を検出することができ、したがって、攻撃者はセキュリティを侵害することができない。

図１３は、一実施形態によるＱＫＤシステムの概略図を示す。ＱＫＤシステムは、図９に関して説明した光学系１０００を送信機として使用する。

送信機１０００は、図９、図１０、および図１１に関して説明したパルス列を生成するように構成される。生成されたパルス列は、図１２に関して説明した、ＱＫＤのために使用され得るパルストリプレットを備える。送信機１０００によって生成されたパルス列は、通信チャネル１３４２を介して受信機１４００に方向付けられる。通信チャネル１３４２は、例えば光ファイバベースのチャネルであり得る。

受信機装置（「ボブ」と呼ぶ）において、各ビットが、受け取った各パルストリプレットをＺ基底またはＹ基底のいずれかで測定することによって復号される。受け取ったパルス列は、スプリッタ構成要素１３０２に方向付けられ、このスプリッタ構成要素１３０２は、各パルストリプレットをＺ基底またはＹ基底で測定されるようにランダムに方向付ける。スプリッタ構成要素１３０２は、受け取ったパルス列を２つの部分、すなわち、（Ｚ基底測定のために）第１の単一光子検出器１３０９に方向付けられる第３のパルス列と、（Ｙ基底測定のために）干渉計１３００に方向付けられる第４のパルス列とに分割する。一例では、スプリッタ構成要素１３０２は、受動ファイバ結合器である。

Ｚ基底測定の場合、第３のパルス列は、第１の単一光子検出器１３０９に直接入射し、この第１の単一光子検出器１３０９は、光子到着時間を記録する。検出器１３０９の出力は、パルス測定に基づいて情報を復号するデータプロセッサ（図示せず）によって処理され、この場合、データプロセッサは、光子が前のタイムビンウィンドウにおいて到着した場合にビット１を割り当て（すなわち、前パルスは図１２の行１に示すように１の振幅を有する）、光子が後のタイムビンウィンドウにおいて到着した場合にビット０を割り当てる（すなわち、後パルスは、図１２の行２に示すように１の振幅を有する）。

Ｙ基底測定の場合、第４のパルス列は干渉計１３００内に方向付けられ、ここで第３のビームスプリッタ１３０１内に方向付けられる。ビームスプリッタ１３０１はさらに、第４のパルス列を２つの部分、すなわち（上の）第３のアーム内に方向付けられる第５のパルス列と、（下の）第４のアーム内に方向付けられる第６のパルス列とに分割する。第４のアームは、第５のパルス列のパルスに対して時間Ｄだけ第６のパルス列のパルスを遅延させる遅延要素１３０３を備える。遅延要素１３０３は、導入された遅延Ｄが、受け取ったパルス列のパルス間の時間的分離に対応するように構成され、その結果、第６のパルス列からの各遅延パルスは、第５のパルス列からの先のパルスと時間的に重なる。遅延線１３０３によって導入された遅延Ｄが、送信機１０００で使用された遅延要素９０３によって導入された遅延Ｄとマッチすることに留意されたい。

次いで第５のパルス列および第６のパルス列は、干渉ビームスプリッタ１３０５において干渉し、結果として生じる干渉パルスが、第２および／または第３の単一光子検出器１３０７および１３０８によって検出される。干渉ビームスプリッタ１３０５における干渉に起因する結果として生じる干渉パルスを、受信機出力パルスと呼ぶ。第２および／または第３の単一光子検出器における測定は、第３のパルス列および第４のパルス列からのパルス間の位相差に依存する。単一光子検出器の出力は、パルス測定に基づいて送信された情報を復号するデータプロセッサ（図示せず）によって処理される。

Ｙ基底で（すなわち、前パルスと後パルスと間に定義された位相差を用いて）符号化されたパルストリプレットが、干渉計１３００においてそれ自体の遅延バージョンと干渉すると、受信機出力パルスは、３つの出力パルスからなるグループ（図示せず）に対応することになる。第１の受信機出力パルスは、トリプレットのうちの第１および第２のパルス（すなわち、「前」および「後」パルス）間の干渉に対応し、よって、この時間ウィンドウの間にどの光子検出器がクリック（click）するかを測定することによって、ビットを復号することができる（すなわち、ビット０にせよビット１にせよ受け取られる）。第２および第３の受信機出力パルスは、トリプレットのうちの第３のパルス（ランダム振幅を有するパルス）との干渉を伴い、したがって、第２および第３の受信機出力パルスもランダム化されることになる。したがって第２および第３の受信機出力パルスは、ビット復号のために使用されず、ビット値は、ビットごとの第１の受信機出力パルスに対応する時間ウィンドウにおける検出器クリックのみを考慮するようにデータプロセッサを構成することによって復号される。

送信機１０００が、図１０～図１２に関して上述したようにデコイ法ＱＫＤを実施するために使用されるとき、送信機１０００は、３つのパルスからなるグループを生成するように構成され、ここにおいて、パルスのうち２つは、慎重に定義された振幅および相対位相を有し、第３のパルスはランダム定義された振幅を有する。３つのパルスからなる異なるグループ間の位相関係は、それらが異なるマスタ光パルス（それらの間でランダム位相関係を有する）によってシードされるのでランダムである。全体的な位相ランダム化により、デコイ法ＱＫＤのセキュリティが、単一光子源を有するＱＫＤと同様になることが可能となる。非デコイ法ＱＫＤの場合、位相ランダム化は必須ではないが、セキュリティレベル、作動距離、および最終的な安全な鍵レートを増加させる。位相ランダム化は、後続して放出された３つの光パルスからなるグループ間の位相関係がランダムであることを意味する。これは、承認されていない盗聴者イブが、彼女の測定装置をこの位相にロックできず、したがってアリスのパルスのより良好な測定を実行することができないことを意味する。

受信機ボブ１４００によって受け取られた３つのパルスからなる各グループから、受信機は、図１２に示すパルストリプレットのうちの１つを受け取る。受信機において、受け取ったパルスは、干渉計１３００を通過し、ここで、受け取ったパルストリプレットを、パルストリプレットの遅延バージョンと干渉させる。遅延は、２つのパルス間の分離に対応する。

追加的および任意選択的に、データプロセッサは、パルストリプレットからの第３のパルスのみの検出統計を測定して、例えば、パルスのランダム性の品質についての情報を推論し、したがって送信機１０００によって実施される量子通信プロトコルのセキュリティをチェックするように構成される。

上記検出器測定に基づいて、一度、アリスとボブは、どちらの基底（ＺまたはＹ）を使用したかを比較する。ユーザは、偶然に異なる基底を選択したデータをすべて破棄し、同一の基底を選択したインスタンスのみを保持する。

図１０、図１１、図１２、および図１３に関して上述した実施形態は、マスタレーザ４０３がマスタ光パルスを放出している時間ウィンドウにおいてスレーブレーザ４０２が３つのスレーブ光パルスを放出する場合に関する。しかしながら、代替的に、電気信号をスレーブレーザおよびマスタレーザに印加するコントローラが、マスタ光パルスが放出される時間ウィンドウにおいてＮ個のスレーブ光パルスが放出されるように構成できることが理解されよう。Ｎは３以上の自然数である。Ｎ個のスレーブ光パルスがマスタ光パルスごとに放出される場合、スレーブレーザに印加される電気制御信号の繰り返し速度は、マスタレーザに印加される信号の繰り返し速度のＮ倍である。追加的および任意選択的に、マスタレーザ４０３に印加される電気制御信号は、Ｎ－１個の位相変調特徴を備え得る。

図１０、図１１、図１２、および図１３に関して上述した、Ｎ＝３の例では、光学系１０００は、３つのパルスからなるグループを備えるパルス列を生成する（３つのパルスからなる各グループをパルストリプレットとも呼ぶ）。このＮ＝３の方式を使用するＱＫＤ送信機の場合、３つのパルスからなるグループは、１つの前のタイムビン、１つの後のタイムビン、および１つのランダム振幅タイムビンを備える。

Ｎ＝５の例では、光学系１０００は、５個のパルスからなるグループを備えるパルス列を生成する。この場合５個のパルスからなるグループは、非常に前のタイムビン、前のタイムビン、後のタイムビン、非常に後のタイムビン、および１つのランダム振幅タイムビンを備え得る。

Ｎ＞３の例は、ラージアルファベットＱＫＤ（large alphabet QKD）とも呼ぶ、高次元ＱＫＤを実行するために使用できる。バイナリ符号化ＱＫＤ（図１０、図１１、図１２、および図１３に関して上述した、Ｎ＝３で使用され得る）と比較して、ラージアルファベットＱＫＤは、検出された光子ごとに、より安全な情報を符号化し得る。

異なる強度および位相を伴う高速での光パルスの生成は、光通信のための主要なビルディングブロックである。変調の範囲（すなわち、達成することができる強度ならびに位相値の範囲および値を正確に定義することができる解像度）は、送信のためにどれほどの情報を光上に符号化することができるかに直接影響を及ぼす。実用的な通信システム用途では、光送信機は、簡易、小型、低コスト、低消費電力であるべきであり、また広い範囲のパルス強度および位相値を高精度に生成することができるべきである。

上述の光学系ならびにＱＫＤ送信機、およびＱＫＤ通信システムは、量子通信システムおよび古典光通信システムで使用することができる。上述の光学系は、位相ランダム化レーザシーディングおよび干渉計を使用して振幅および位相変調されたパルストリプレットを生成することができる。上述の光学系は、マスタ光源に印加される電気駆動信号を制御することによって位相およびパルス変調を達成する。上記光学系は、レーザの他にさらなる能動素子を必要とせず、したがって上記光学系は、（より少ない構成要素しか必要としないので）簡易、小型、かつ低コストである。

さらに、上述の概念を使用してパルス強度および位相を変化させることによって、かかる変調を達成するための電子制御信号の大きさは、当該技術分野で使用される同等の変調器デバイスよりもはるかに低く（＜０．５Ｖにも）することができる。したがって、上述の光学系は、消費電力をより少なくすることができる。

ある特定の配列が説明されてきたが、これらの配列は例として提示されているだけであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書で説明する装置および方法は、様々な他の形態で具現化することができ、さらに様々な省略、置換え、および変更を、本明細書で説明する装置の形態で行うことができる。

Claims (20)

1. 位相ランダム化光源と、前記位相ランダム化光源は、
   マスタ光パルスを間欠的に生成するように構成されたマスタ光源と、ここにおいて、生成された各マスタ光パルスの位相は、後続して生成された各マスタ光パルスの位相とランダム関係を有し、ここにおいて、前記マスタ光源がマスタ光パルスを間欠的に生成するように第１の制御信号が前記マスタ光源に印加可能であり、ここにおいて、前記第１の制御信号は、１つのマスタ光パルスが生成される時間期間において第１および第２の位相変調特徴を備え、ここにおいて、各位相変調特徴は、前記マスタ光源に印加される前記制御信号における摂動を備え、
   スレーブ光源と、ここにおいて、前記スレーブ光源は、前記マスタ光源に光結合されており、マスタ光パルスを受け取るように構成され、ここにおいて、前記スレーブ光源に、マスタ光パルスが受け取られる各時間期間の間にスレーブ光パルスのシーケンスを生成させるように第２の制御信号が前記スレーブ光源に印加可能であり、それにより、シーケンスからの光パルスの位相が、後続のシーケンスからの光パルスの位相に対してランダム関係を有し、
   ここにおいて、各シーケンスは、第１の時間間隔だけ互いに時間的に分離した第１、第２、および第３のスレーブ光パルスを備え、前記第１、第２、および第３のスレーブ光パルス間の位相差は、前記位相変調特徴に依存する、
   をさらに備え、
   干渉装置と、ここにおいて、前記干渉装置は、前記スレーブ光源に光結合されており、スレーブ光パルスのシーケンスを受け取るように構成され、ここにおいて、前記干渉装置は、干渉構成要素および遅延要素を備え、前記遅延要素は、スレーブ光パルスの遅延シーケンスを形成するように、スレーブ光パルスの前記受け取られたシーケンスを前記第１の時間間隔だけ遅延させるように構成される、
   を備え、
   ここにおいて、前記干渉装置は、
   前記干渉構成要素において、スレーブ光パルスの前記受け取られたシーケンスを、スレーブ光パルスの前記遅延シーケンスと干渉させることと、それにより、受け取られたシーケンスからのパルスが、前記遅延シーケンスの隣接パルスと干渉し、
   干渉パルスを出力することと、ここにおいて、前記干渉パルスは、それぞれ第１および第２の所定の振幅と、それらの間の所定の相対位相とを有する第１および第２の出力パルスを備える、
   を行うようにさらに構成される、光源。
2. 前記第２の制御信号は、周期信号を備え、
   前記マスタ光源は、第２の時間間隔だけ時間的に分離したマスタ光パルスを間欠的に生成するように構成され、それにより、スレーブ光パルスの前記生成されたシーケンスは、スレーブ光パルスの周期シーケンスを備え、いずれの隣接スレーブ光パルスも、前記第１の時間間隔だけ時間的に分離している、
   請求項１に記載の光源。
3. 前記干渉装置は、１つのマスタ光パルスが受け取られたときに生成された受け取られたシーケンスからのパルスを、後続のマスタ光パルスが受け取られたときに生成された遅延シーケンスからのパルスと干渉させるようにさらに構成され、
   前記干渉パルスは、ランダム化振幅を有する第３の出力パルスを備える、
   請求項２に記載の光源。
4. 前記第１の出力パルスと前記第２の出力パルスの位相差は、前記第１の制御信号の２つの位相変調特徴から決定される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源。
5. 第１の所定の振幅は、前記第１の制御信号の第１の位相変調特徴から決定される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源。
6. 第２の所定の振幅は、前記第１の制御信号の第２の位相変調特徴から決定される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源。
7. 前記第１の制御信号は電圧信号であり、前記位相変調特徴は、１Ｖ以下の電圧振幅を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源。
8. 前記マスタ光源は利得スイッチレーザである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源。
9. 前記スレーブ光源は利得スイッチレーザである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源。
10. 前記マスタ光源および前記スレーブ光源は、第１の基板上に横方向に集積されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光源。
11. 前記干渉装置は、前記第１の基板上に横方向に集積されている、請求項１０に記載の光源。
12. 送信機を備える量子通信システムであって、前記送信機は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の前記光源を備える、量子通信システム。
13. 前記システムはさらに受信機を備え、前記受信機は、前記送信機に光結合されており、前記受信機は、前記送信機から光パルスを受け取るように構成される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記受信機は第２の干渉装置を備え、前記第２の干渉装置は、第２の干渉構成要素および第２の遅延要素を備え、前記遅延要素は、遅延光パルスを形成するように、前記受け取られた光パルスを前記第１の時間間隔だけ遅延させるように構成され、前記第２の干渉装置は、受信機出力パルスを形成するように、前記第２の干渉構成要素において、前記受け取られた光パルスを前記遅延光パルスと干渉させるようにさらに構成される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第１および第２の位相変調特徴は、前記第１の出力パルスの振幅および前記第２の出力パルスの振幅における第１の符号化基底で情報を符号化するように構成される、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記第１および第２の位相変調特徴は、前記第１の出力パルスと前記第２の出力パルスとの間の相対位相における第２の符号化基底で情報を符号化するように構成される、請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記第１および第２の位相変調特徴は、デコイ状態パルスを符号化するために、前記第１または第２の出力パルスの振幅を減衰するように構成される、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記受信機はデータプロセッサを備え、前記データプロセッサは、前記第３の出力パルスの検出統計を測定するように構成され、それにより、前記出力パルスのランダム性の品質についての情報を推論することができる、請求項３に従属する請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 光パルスを生成するための方法であって、
    マスタ光源を使用してマスタ光パルスを間欠的に生成することと、ここにおいて、生成された各マスタ光パルスの位相は、後続して生成された各マスタ光パルスの位相とランダム関係を有し、
    前記マスタ光源がマスタ光パルスを間欠的に生成するように、前記マスタ光源に第１の制御信号を印加することと、ここにおいて、前記第１の制御信号は、１つのマスタ光パルスが生成される時間期間において第１および第２の位相変調特徴を備え、ここにおいて、各位相変調特徴は、前記マスタ光源に印加される前記制御信号における摂動を備え、
    スレーブ光源においてマスタ光パルスを受け取ることと、ここにおいて、前記スレーブ光源は、前記マスタ光源に光結合されており、
    前記スレーブ光源に、マスタ光パルスが受け取られる各時間期間の間にスレーブ光パルスのシーケンスを生成させるように、第２の制御信号を前記スレーブ光源に印加することと、それにより、シーケンスからのスレーブ光パルスの位相が、後続のシーケンスからの光パルスの位相に対してランダム関係を有し、
    ここにおいて、各シーケンスは、第１の時間間隔だけ互いに時間的に分離した第１、第２、および第３のスレーブ光パルスを備え、前記第１、第２、および第３のスレーブ光パルス間の位相差は、前記位相変調特徴に依存し、
    干渉装置においてスレーブ光パルスのシーケンスを受け取ることと、ここにおいて、前記干渉装置は、前記スレーブ光源に光結合されており、干渉構成要素および遅延要素を備え、ここにおいて、前記遅延要素は、スレーブ光パルスの遅延シーケンスを形成するように、前記受け取られたシーケンスを前記第１の時間間隔だけ遅延させるように構成され、
    前記干渉構成要素において、スレーブ光パルスの前記受け取られたシーケンスを、スレーブ光パルスの前記遅延シーケンスと干渉させることと、それにより、受け取られたシーケンスからのパルスが、前記遅延シーケンスの隣接パルスと干渉し、
    干渉パルスを出力することと、ここにおいて、前記干渉パルスは、それぞれ第１および第２の所定の振幅と、それらの間の所定の相対位相とを有する第１および第２の出力パルスを備える、
    を備える、方法。
20. 請求項１９に記載の光パルスを生成するための方法を備える量子通信方法。

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