JP2024505094A - 量子ネットワークのための鍵交換プロトコル - Google Patents

量子ネットワークのための鍵交換プロトコル Download PDF

Info

Publication number
JP2024505094A
JP2024505094A JP2023546288A JP2023546288A JP2024505094A JP 2024505094 A JP2024505094 A JP 2024505094A JP 2023546288 A JP2023546288 A JP 2023546288A JP 2023546288 A JP2023546288 A JP 2023546288A JP 2024505094 A JP2024505094 A JP 2024505094A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
key
quantum
key exchange
endpoint device
protocol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2023546288A
Other languages
English (en)
Inventor
アンドリュー ヨーマンズ
マイケル マーフィー
オリヴァー コーエン
オマール イクバール
ジェイムズ ブラウン
Original Assignee
アーキット リミテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GB2101310.7A external-priority patent/GB2604326B/en
Application filed by アーキット リミテッド filed Critical アーキット リミテッド
Publication of JP2024505094A publication Critical patent/JP2024505094A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0819—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0855—Quantum cryptography involving additional nodes, e.g. quantum relays, repeaters, intermediate nodes or remote nodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer And Data Communications (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Figure 2024505094000001
第１デバイスと、第２デバイスと、中間デバイスとの間で鍵交換を実行するための方法、装置、およびシステムが提供される。中間デバイスは、第１量子チャネルを経由して第１秘密シンボルストリングを第１デバイスに伝送し、第１通信チャネルを経由して第１基底セットを第１デバイスに伝送する。中間デバイスは、第２量子チャネルを経由して第２秘密シンボルストリングを第２デバイスに伝送し、第２通信チャネルを経由して第２基底セットを第２デバイスに伝送する。中間デバイスは、第１秘密シンボルストリングおよび第２秘密シンボルストリングの結合に基づいて第３シンボルストリングを生成し、第２通信チャネルを介して第３シンボルストリングを表すデータを第２デバイスに伝送する。第１デバイスおよび第２デバイスは、対応する受信した第１秘密シンボルストリングおよび第２秘密シンボルストリングと第１基底セットおよび第２基底セットに基づいて量子鍵交換およびシフトを実行し、第２デバイスによって生成された第４シンボルセットは、受信した第２秘密シンボルと受信した第３シンボルストリングとの結合に基づいて第４シンボルセットを生成する。
【選択図】図２Ａ

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０２１年１月２９日に出願された、名称が「ＱＫＤスイッチングシステム」の英国特許出願第２１０１３１０．７号に基づく利益を主張しており、当該出願の全内容は引用により本願に組み込まれている。
本願は、１つ以上の他のデバイスを介して一緒に接続された２つまたは複数のデバイス間の鍵交換連鎖のためのシステム、装置、および方法に関する。
量子鍵配布（ＱＫＤ）プロトコルは、当事者に暗号鍵を配布するための量子チャネルの量子力学コンポーネントに関する暗号化プロトコルを実現する安全な通信方法である。これは、少なくとも２つの当事者が、自分たちだけが知っている共有ランダム鍵、暗号鍵、または共有鍵／最終共有鍵を生成することを可能にする。最終共有鍵は、通信セッション／チャネルおよび／またはそれらの間のメッセージを暗号化および解読するために使用され、例えば、少なくとも２つの当事者の暗号化操作および／または当事者間の安全な通信のために使用されてもよいが、これらに限定されない。
量子ネットワークにおいて、エンドポイント同士がエンドツーエンド量子暗号を用いて通信する。これにより、２つのエンドポイント間に無条件で安全な暗号化チャネルが作成され、完全な秘匿性が確保され、量子コンピュータの攻撃にも耐えられるようになる。大規模な量子ネットワークの実現に向けた取り組みは長年行われてきた。これらの処理は、以下のようなものを含むがこれに限定されない、いくつかの形態をとってもよい。１）各量子チャネルの光ファイバにおける光損失のため、ポイントツーポイント接続の限界が約１００ｋｍである地上ファイバネットワークであって、既存の地上ネットワークは、中間中継ノードまたは中間デバイスを用いて距離を拡張するが、その代償として、中間ノード（または中間デバイス）が最終鍵に関する知識を有することを信頼されなければならない。２）地球規模で運用されている衛星ネットワークであって、衛星が最終共有鍵に関する情報を信頼される必要があるという同様の問題に直面している。ビットレートと物理的な可用性が低いということは、衛星が多数のエンドポイントを接続するのに非現実的であることも意味する。これまでこれらの量子ネットワークは少数のエンドポイントしかなかったが、典型的なクラシックネットワークは数千（でなければ数百万）のエンドポイントで構成されている。これらのネットワークは、一般に、より少ない数の地域センターがより多くの数のエンドポイントに接続される中央輻射トポロジを用いる。量子ネットワークを実用的なものにするためには、軸スポークトポロジーをグローバルに柔軟にサポートする必要があるが、中間的な信頼できるノード／デバイスの欠点はない。
任意の１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、１つ以上の中間デバイス（またはノード）を介してエンドポイントデバイス間で最終共有鍵を安全に共有し、中間ノード／デバイスとエンドポイントとの間の通信リンクを保護しながら、１つ以上の中間デバイス／ノード／エンドポイントデバイスの能力に応じて一定の信頼レベル（例えば、完全に信頼されているものから信頼されていないものまで）を提供する、より改善されたおよび／または柔軟な鍵交換方法を必要とする。中間ノード／デバイスに対して信頼レベルを下げる（例えば、信頼できない）ことを必要とする鍵交換方法も必要である。
以下に記載される実施形態は、上記した既知の方法の欠点のいずれかまたはすべてを解決する実装に限定されない。
この概要は、概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供されている。これらの概念は、以下の詳細な説明でさらに説明する。本概要は、請求項に係る主題の主要な特徴または基本的な特徴を識別することを意図しておらず、また、請求項に係る主題の範囲を決定するために使用することを意図していない。本発明の演算を容易にする、および／または実質的に類似した技術的効果を達成するために使用される変形および代替の特徴は、本明細書に開示された本発明の範囲に含まれるものとみなされるべきである。
本開示は、１つ以上の中間デバイスまたは複数の中間デバイスを介して第１デバイスと第２デバイスとの間で鍵交換連鎖を行う方法（複数可）、装置（複数可）、およびシステムを提供する。第１デバイスは、第１通信リンクを経由して、第１中間デバイスとの間で、例えば、共有鍵または中間シンボルセット等の中間鍵情報を交換し、中間鍵情報の交換は、第１鍵交換プロトコルに基づく。第１デバイスと第２デバイスとを接続する中間デバイスは、その能力または信頼レベルに応じて、１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、それらの間で共有鍵を交換する。第１中間デバイスは、中間鍵情報を第２デバイスに安全に送信し、中間デバイスの共有鍵は、中間鍵情報が第２デバイスに送信されることを保証するために使用され、第２デバイスは、中間鍵情報を取得し、第１鍵交換プロトコルおよび中間鍵情報に基づいて、第１デバイスとの間で共有された最終鍵交換を行う。
第１態様では、本開示は、１つ以上の中間デバイスを介して通信リンクを経由して通信可能に結合された第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間の鍵交換のコンピュータ実装方法であって、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクによって前記１つ以上の中間デバイスのうちの前記第１中間デバイスに結合され、前記第２エンドポイントデバイスと前記１つ以上の中間デバイスはデバイスグループを形成し、前記１つ以上の中間デバイスの各々は、前記通信リンクのうちの少なくとも１つを介して前記１つ以上の中間デバイスのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合され、前記第２エンドポイントデバイスは、前記第２通信リンクを介して前記グループのうちの前記１つ以上の中間デバイスのうちの最後の１つに結合され、前記方法は、第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換するステップと、交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信するステップであって、前記デバイスグループの通信リンクを経由しての前記安全な通信は、前記デバイスグループの通信リンクを経由して１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて交換された共有鍵に基づいているステップと、を含み、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、前記中間鍵情報を処理して最終共有鍵に変換するために、これらの間の追加の通信チャネルを用いる、方法を提供する。
オプションとして、Ｎ個（Ｎ＞０）の中間デバイスを含み、前記第１エンドポイントデバイス、前記Ｎ個の中間デバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、チェーン、ラインネットワーク、または線形アレイトポロジを形成し、前記第１エンドポイントデバイスは、前記Ｎ個の中間デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに通信可能に結合され、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクを介して前記チェーン内のＮ個の中間デバイスのうちの第１中間デバイスに接続され、前記第２デバイスは、前記第２通信リンクを介して前記チェーン内の第Ｎ中間デバイスに接続され、前記Ｎ個の中間デバイスの各々は、追加の通信リンクを介して隣接中間デバイスに結合される。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルは、前記最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成される。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスの共有鍵は、前記デバイスと、前記通信リンクの１つによって前記デバイスに接続された任意の隣接または近隣デバイスとの間の共有鍵である。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各共有鍵は、１つのデバイスから次のデバイスへの中間鍵情報の通信を保護するために使用される。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記中間鍵情報に関連する着信通信のみをその共有鍵で暗号化しから、その最近隣デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに転送し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、その最近隣デバイスを介して前記中間鍵情報に関連する任意の着信通信を通過させ、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各中間デバイスは、その最近隣デバイスと交換される共有鍵のペアを暗号的に結合し、前記結合共有鍵のペアを前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記第１デバイスは、前記中間鍵情報を隣接中間デバイスと交換される共有鍵と暗号的に結合してから、前記暗号化結合中間鍵情報を前記第２デバイスに安全な通信し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記受信された暗号化結合共有鍵を用いて、暗号化された中間鍵情報または暗号化結合中間鍵情報を解読する。
さらなるオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、１対の共有鍵を暗号的に結合することは、前記１対の共有鍵に対して１回のパディングまたは排他的論理和演算を実行することを含み、中間鍵情報を共有鍵と暗号的に結合することは、中間鍵情報と共有鍵に対して１回のパディングまたは排他的論理和演算を実行することを含む。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各中間デバイスは、鍵交換プロトコルを用いてその最近隣デバイスと共有鍵を交換しており、前記第１共有鍵および第２共有鍵を有する第１中間デバイス以外の前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記中間鍵情報に関連する着信通信のみをその共有鍵で暗号化してから、その最近隣デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに転送し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ内の１つ以上のデバイス間で安全な通信のために使用される１つ以上の鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスに関連する所望または要求される信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットから選択される。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合、前記選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない当事者と鍵を共有するためのＱＫＤプロトコルを含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスのうちの１つの中間デバイスの共有鍵は、前記中間デバイスと、回線ネットワークまたは線形アレイトポロジにおいて前記中間デバイスに隣接又は近隣している１つ以上の他の中間デバイスとの間の共有鍵である。
さらなるオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１通信リンクは、第１量子チャネルと第１クラシックチャネルとを含み、前記第１鍵交換プロトコルは、量子鍵配布プロトコルである。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第２通信リンクと前記中間デバイス間の通信リンクの各々は、量子チャネルとクラシックチャネルとを含み、前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、前記第１鍵交換プロトコルとは異なる量子鍵配布プロトコルである。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルは、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ １９８４（ＢＢ８４）ＱＫＤプロトコルファミリーからのＱＫＤプロトコルと、ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコルと、ＱＫＤリンク装置が前記エンドポイントデバイス間で交換された結果として得られたＱＫＤ鍵を導出できないことを保証するように構成されたＢＢ８４プロトコルの修正バージョンと、少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記第１中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、または前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットに基づいて第２デバイスと交換された共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留し、少なくとも第２デバイスが前記第２量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第２ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第２量子チャネルを介して前記第２ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第２デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、前記第２デバイスによって有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセット、および有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットおよび有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセットに基づいて、第１デバイスと第２デバイス間で交換される、結果として得られた共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、Ｂｅｎｎｅｔ １９９２（Ｂ９２）ＱＫＤプロトコルと、６状態プロトコル（ＳＳＰ）ＱＫＤプロトコルと、Ｓｃａｒａｎｉ Ａｃｉｎ Ｒｉｂｏｒｄｙ Ｇｉｓｉｎ ２００４（ＳＡＲＧ０４）ＱＫＤプロトコルと、Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐａｒｒｉｌｏ Ｓｐｅｄａｌｉｅｒｉ ２００２（ＤＰＳ０２）ＱＫＤプロトコルと、差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコルと、Ｅｃｋｅｒｔ １９９１（Ｅ９１）ＱＫＤプロトコルと、コヒーレント一方向（ＣＯＷ）ＱＫＤプロトコルと、Ｋｈａｎ Ｍｕｒｐｈｙ Ｂｅｉｇｅ ２００９（ＫＭＢ０９）ＱＫＤプロトコルと、Ｅｓｔｅｂａｎ Ｓｅｒｎａ ２００９（Ｓ０９）ＱＫＤプロトコルと、Ｓｅｒｎａ ２０１３（Ｓ１３）ＱＫＤプロトコルと、Ａｂｕｓｈｇｒａ Ｋ Ｅｌｌｅｉｔｈｙ ２０１５（ＡＫ１５）ＱＫＤプロトコルと、任意の１つ以上の他のエンタングルベースＱＫＤプロトコルと、任意の１つ以上の将来のＱＫＤプロトコルと、量子伝送およびクラシック伝送を用いてエンドポイントデバイス間でＱＫＤ鍵を交換するための他の適切なＱＫＤプロトコルとからなる群から選択される１つを含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で前記第１鍵交換プロトコルに基づいて中間鍵情報を交換することは、さらに、前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを介して、前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するステップと、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信するステップと、前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を生成するステップとの少なくとも以下のステップを実行するように構成された第１鍵交換プロトコルを含み、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留する。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンである。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の中間デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信された交換された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報に基づいて、前記第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスによって、前記最終共有鍵を決定することは、さらに、前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを介して交換することと、前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用する基底セット、および第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する共通シンボルセットを決定することと、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された前記共通シンボルセットおよび前記第１ランダムシンボルセットに基づく共有鍵を、前記第１デバイスおよび第２デバイス間で前記安全な通信チャネルを介して交換することと、を含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ間の前記各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記デバイスグループの対応するデバイス間で共有鍵を交換するための前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上の量子鍵配布プロトコルである。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の中間デバイス間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記１つ以上の中間デバイスの対応する中間デバイス間で共有鍵を交換するために選択される前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、量子鍵配布プロトコルである。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ １９８４（ＢＢ８４）ＱＫＤプロトコルファミリーからのＱＫＤプロトコルと、ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコルと、ＱＫＤリンク装置が前記エンドポイントデバイス間で交換された結果として得られたＱＫＤ鍵を導出できないことを保証するように構成されたＢＢ８４プロトコルの修正バージョンと、少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記第１中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、または前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットに基づいて第２デバイスと交換された共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留し、少なくとも第２デバイスが前記第２量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第２ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第２量子チャネルを介して前記第２ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第２デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、前記第２デバイスによって有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセット、および有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットおよび有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセットに基づいて、第１デバイスと第２デバイス間で交換される、結果として得られた共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、Ｂｅｎｎｅｔ １９９２（Ｂ９２）ＱＫＤプロトコルと、６状態プロトコル（ＳＳＰ）ＱＫＤプロトコルと、Ｓｃａｒａｎｉ Ａｃｉｎ Ｒｉｂｏｒｄｙ Ｇｉｓｉｎ ２００４（ＳＡＲＧ０４）ＱＫＤプロトコルと、Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐａｒｒｉｌｏ Ｓｐｅｄａｌｉｅｒｉ ２００２（ＤＰＳ０２）ＱＫＤプロトコルと、差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコルと、Ｅｃｋｅｒｔ １９９１（Ｅ９１）ＱＫＤプロトコルと、コヒーレント一方向（ＣＯＷ）ＱＫＤプロトコルと、Ｋｈａｎ Ｍｕｒｐｈｙ Ｂｅｉｇｅ ２００９（ＫＭＢ０９）ＱＫＤプロトコルと、Ｅｓｔｅｂａｎ Ｓｅｒｎａ ２００９（Ｓ０９）ＱＫＤプロトコルと、Ｓｅｒｎａ ２０１３（Ｓ１３）ＱＫＤプロトコルと、Ａｂｕｓｈｇｒａ Ｋ Ｅｌｌｅｉｔｈｙ ２０１５（ＡＫ１５）ＱＫＤプロトコルと、任意の１つ以上の他のエンタングルベースＱＫＤプロトコルと、任意の１つ以上の将来のＱＫＤプロトコルと、量子伝送およびクラシック伝送を用いてエンドポイントデバイス間でＱＫＤ鍵を交換するための他の適切なＱＫＤプロトコルとからなる群から選択される１つを含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ内の１つ以上のデバイス間で安全な通信のために使用される１つ以上の鍵ＱＫＤ交換プロトコルは、前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスに関連する所望または要求される信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットから選択される。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合、前記選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない当事者と鍵を共有するためのＱＫＤプロトコルを含む。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルおよび前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、もつれに基づくＱＫＤプロトコルであり、前記第１鍵交換プロトコルに基づいて前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換することは、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で１つ以上のＥｉｎｓｔｅｉｎ-Ｐｏｄｏｌｓｋｙ-Ｒｏｓｅｎ（ＥＰＲ）ペア（複数可）を配布することと、前記１つ以上の中間デバイスの各々の間で前記１つ以上のＥＰＲ対（複数可）を配布することと、前記１つ以上の中間デバイスの最後の１つと前記第２デバイスとの間で前記１つ以上のＥＰＲ対（複数可）を配布することと、をさらに含み、前記交換された中間鍵情報を表すデータを安全に送信することは、前記第１中間デバイスにおいて、前記第１中間デバイスによって保持された対応するＥＰＲ対に対してベル状態測定ＢＳＭを実行することと、前記他の各中間デバイスにおいて、前記他の各中間デバイスによって保持された対応するＥＰＲ対に対してベル状態測定（ＢＳＭ）を実行することと、前記各中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスの両方に前記ＢＳＭ結果を送信することと、をさらに含み、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、ＢＳＭ結果を処理し、ＥＰＲ対を共有して、最終共有鍵を生成する。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ内の各デバイスは、前記量子チャネルを介してその最近隣デバイス内の各デバイスに接続され、前記各量子チャネルは、前記各デバイスとその最近隣デバイスとの間で使用される選択された１つ以上の鍵交換プロトコルに依存して一方向であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間に古典的に保護されたクラシックチャネルを有し、前記Ｎ個の中間デバイスの各々は、それらの各最近隣中間デバイスとクラシックチャネルを有し、前記方法は、さらに、以下をさらに含み、前記第１鍵交換プロトコルを用いて前記第１中間鍵情報を交換することは、前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信することと、前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１中間鍵情報を生成することと、をさらに含み、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留し、前記交換された第１中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信することは、第１中間鍵情報を前記デバイスグループの近隣デバイスの共有鍵で暗号化することと、前記暗号化された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を、それらの間の通信リンクを経由して近隣デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに送信し、残りの任意の中間デバイスは、それらの間の通信リンクを経由して前記第２エンドポイントデバイスに前記第１中間鍵情報を安全に送信することと、をさらに含み、前記第２エンドポイントデバイスは、前記暗号化された第１中間鍵情報を受信し、前記中間デバイスのうちの１つと交換された共有鍵を用いて前記暗号化された第１中間鍵情報を解読して、前記第１中間デバイスによって決定された第１中間シンボルセットを取得し、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスによって最終共有鍵を決定することは、さらに、前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して交換することと、前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットおよび第１中間シンボルを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２シンボルセットを決定することと、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスによって、それらの間の古典的に保護された安全な通信チャネルを経由して、前記共通鍵に基づいて前記第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットの処理および変換を交換することと、をさらに含む。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１中間鍵情報は、前記第１量子チャネルを介して前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットと、前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって送信または受信される第１ランダムシンボルセットとからなる群からのものを表すデータをさらに含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して共有鍵を交換することは、前記第２エンドポイントデバイスによって決定された第２シンボルセットと、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１シンボルセットとに対して、最終鍵情報調整およびプライバシー強化を実行することで、最終共有対称鍵を生成するステップをさらに含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第２エンドポイントデバイスと第１中間デバイスとの間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルである。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループの対応するデバイスと前記デバイスグループのこれらの近隣デバイスとの間で共有鍵を交換するために使用される。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルおよび前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、クラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコルである。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換し、前記中間鍵情報は、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間の第１共有鍵であり、前記中間デバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスの各々について、最近隣デバイスの各々と共有鍵を交換し、前記各中間デバイスは、１対の共有鍵を有し、前記第２エンドポイントデバイスは、それに接続された中間デバイスと交換された共有鍵を有し、前記第１中間デバイスは、それに接続された他の中間デバイスと交換された第２共有鍵を有し、前記中間デバイスによって、前記中間鍵情報を前記中間デバイスの第２共有鍵で暗号化して、前記第２エンドポイントデバイスに送信し、他の各中間デバイスについて、それらの共有鍵対を暗号的に結合して、前記第２エンドポイントデバイスに送信することに基づいて、前記交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して第２エンドポイントデバイスに安全に送信し、前記第２エンドポイントデバイスは、自身の共有鍵と前記中間デバイスからの暗号化結合共有鍵のペアを用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読し、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、追加の通信チャネルを用いて、前記第２エンドポイントデバイスによって前記第１共有鍵が受信され解読されたという知識を共有し、前記第１共有鍵は最終共有鍵を含む。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１鍵交換プロトコルまたは前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、クラシック対称鍵交換プロトコルと、Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＲＳＡ）鍵交換プロトコルと、Ｄｉｆｆｉｅ－Ｈｅｌｌｍａｎ鍵交換プロトコルと、有限フィールド暗号鍵交換プロトコルと、デジタル署名アルゴリズム（ＤＳＡ）鍵交換プロトコルと、楕円曲線（ＥＣ）暗号鍵交換プロトコルと、ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコルおよびＥＣ－ＤＨ（ＥＣＤＨ）鍵交換プロトコルと、楕円曲線Ｄｉｆｆｉｅ Ｈｅｌｌｍａｎ一時的Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＥＣＤＨＥ－ＲＳＡ）鍵交換プロトコルと、ＥＣＤＨＥ－ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコルと、セキュアハッシュアルゴリズム（ＳＨＡ）－２（３８４ビット）と、ＳＨＡ－３と、例えば、制限されないが、高度暗号化標準（２５６ビット）（ＡＥＳ）に基づくプロトコル、ガロアカウンターモードに基づくプロトコル、トランスポート層セキュリティ（ＴＬＳ）、ｈｔｔｐｓ、ＳＳＬ、ＳＳＨに基づくプロトコル、任意の１つ以上の他のクラシック鍵交換プロトコル、任意の１つ以上の将来のクラシック鍵交換プロトコル、クラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスまたは前記中間デバイスなどの間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なクラシック鍵交換プロトコル、格子に基づく暗号鍵交換プロトコル（複数可）、エラーのあるリング学習（ＬＷＥ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、ｎ次トランケート多項式リングユニット（ＮＴＲＵ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、ＮＴＲＵベース鍵交換プロトコルのＳｔｅｈｌｅ－Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄバリアント（複数可）、二峰性格子署名スキーム（ＢＬＩＳＳ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、多変量ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、レインボーまたはアンバランスなオイルとビネガー（ＵＯＶ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、ハッシュベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、Ｌａｍｐｏｒｔベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、Ｍｅｒｋｌｅベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、コードベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、ＭｃＥｌｉｅｃｅベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、Ｎｉｅｄｅｒｒｅｉｔｅｒベース鍵交換プロトコル、Ｃｏｕｒｔｏｉｓ、Ｆｉｎｉａｓｚ、およびＳｅｎｄｒｉｅｒ署名ベース鍵交換プロトコル（複数可）、ランダム線形コード暗号化スキーム（ＲＬＣＥ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、超特異楕円曲線同種生成ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、対称鍵量子耐性ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、任意の１つ以上の他のポスト量子鍵交換プロトコル、任意の１つ以上の将来のポスト量子鍵交換プロトコル、およびクラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスまたは前記中間デバイス等の間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なポスト量子鍵交換プロトコル、クラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスおよび／または前記中間デバイスの間で鍵を交換するための任意の他の適切なクラシックまたはポスト量子プロトコルに基づく鍵交換プロトコルからなる群からのクラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコルを含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各クラシック通信チャネルは、光通信チャネル、フリースペース光通信チャネル、無線通信チャネル、有線通信チャネル、ラジオ通信チャネル、マイクロ波通信チャネル、衛星通信チャネル、地上通信チャンネル、光ファイバ通信チャンネル、光レーザー通信チャネル、デバイス間でデータを伝送するための他の任意のタイプ１つ以上の光、無線、および／または有線通信チャネル（複数可）、およびデバイス間でデータを伝送するための複合通信チャネルを形成する２つ以上の光、無線および／または有線通信チャネル（複数可）からなる群からの１つ以上のタイプの通信チャネルに基づく。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記各量子通信チャネルは、光量子通信、フリースペース光量子通信、光ファイバ量子通信、光レーザー量子通信、量子もつれ通信、量子通信チャネルを経由してデバイス間でデータを伝送するための任意の他のタイプの量子通信からなる群からの１つ以上のタイプの量子通信チャネルに基づく。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の中間デバイスは衛星装置であり、前記１つ以上の地上中間デバイスはハブの衛星地上局であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、地上ネットワークを介して前記衛星地上局または前記ハブに接続され、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１地上中間デバイスとの間の第１量子通信チャネルは、光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の地上中間デバイスとの間の第２量子通信チャネルは、光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間のクラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルである。
オプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の中間デバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の前記第１量子通信チャネルは、フリースペース光量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルは、フリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間の前記クラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルである。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記中間デバイスは、衛星メッシュネットワークを形成する衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の前記第１量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間の前記クラシック通信チャネルは非量子通信チャネルである。
さらなるオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記１つ以上の中間デバイスは地上通信装置であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは地上エンドポイントデバイスであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の第１量子通信チャネルは光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記第２中間デバイスとの間の第２量子通信チャネルは光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間のクラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルまたはクラシック地上通信チャネルである。
任意に、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記クラシック通信チャネルは、暗号化通信チャネルである。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、伝送データまたはメッセージを暗号化してから、前記第１クラシック通信チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスに伝送し、または、前記第２クラシック通信チャネルを経由して前記第２エンドポイントデバイスに伝送するステップをさらに含む。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、１つ以上の認証プロトコルは、前記クラシック通信チャネルまたは前記量子通信チャネルを経由して通信する前に、前記中間デバイス、前記第１エンドポイントデバイスまたは第２エンドポイントデバイスを認証するために、前記１つ以上の中間デバイスと、前記第１エンドポイントデバイスまたは前記第２エンドポイントデバイスとによって使用される。
別のオプションとして、第１態様によるコンピュータ実装方法において、前記通信チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスにそれぞれデータを送信する前に、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスを認証するステップをさらに含む。
第２態様では、本発明は、１つ以上の中間デバイスを介して通信リンクを経由して通信可能に結合された第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間の鍵交換のコンピュータ実装方法であって、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクによって前記１つ以上の中間デバイスのうちの前記第１中間デバイスに結合され、前記第２エンドポイントデバイスと前記１つ以上の中間デバイスはデバイスグループを形成し、前記１つ以上の中間デバイスの各々は、前記通信リンクのうちの少なくとも１つを介して前記１つ以上の中間デバイスのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合され、前記第２エンドポイントデバイスは、前記第２通信リンクを介して前記グループのうちの前記１つ以上の中間デバイスのうちの最後の１つに結合され、前記方法は、第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換するステップであって、前記第１鍵交換プロトコルは、中間鍵情報を交換するように構成されたＱＫＤプロトコルであり、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１中間デバイスから鍵交換情報を保留するステップと、交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信するステップであって、前記デバイスグループの通信リンク経由の前記安全な通信は、前記デバイスグループの通信リンクを経由して１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて交換された共有鍵に基づいているステップと、を含み、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスは、保留鍵交換情報を交換し、前記中間鍵情報を前記鍵交換情報とともに処理して最終共有鍵に変換するために、これらの間の追加の通信チャネルを用いる、コンピュータ実装方法を提供する。
オプションとして、第２態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ内の各デバイスは、前記量子チャネルを介してその最近隣デバイス内の各デバイスに接続され、前記各量子チャネルは、前記各デバイスとその最近隣デバイスとの間で使用される選択された１つ以上の鍵交換プロトコルに依存して一方向であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間に古典的に保護されたクラシックチャネルを有し、前記Ｎ個の中間デバイスの各々は、それらの各最近隣中間デバイスとクラシックチャネルを有し、前記方法は、さらに、以下をさらに含み、前記第１鍵交換プロトコルを用いて前記第１中間鍵情報を交換することは、前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信することと、前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１中間鍵情報を生成することと、をさらに含み、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留し、前記交換された第１中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信することは、第１中間鍵情報を前記デバイスグループの近隣デバイスの共有鍵で暗号化することと、前記暗号化された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を、それらの間の通信リンクを経由して近隣デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに送信し、残りの任意の中間デバイスは、それらの間の通信リンクを経由して前記第２エンドポイントデバイスに前記第１中間鍵情報を安全に送信することと、をさらに含み、前記第２エンドポイントデバイスは、前記暗号化された第１中間鍵情報を受信し、前記中間デバイスのうちの１つと交換された共有鍵を用いて前記暗号化された第１中間鍵情報を解読して、前記第１中間デバイスによって決定された第１中間シンボルセットを取得し、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスによって最終共有鍵を決定することは、さらに、前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して交換することと、前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットおよび第１中間シンボルを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２シンボルセットを決定することと、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスによって、それらの間の古典的に保護された安全な通信チャネルを経由して、前記共通鍵に基づいて前記第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットの処理および変換を交換することと、をさらに含む。
別のオプションとして、第２態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１中間鍵情報は、前記第１量子チャネルを介して前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットと、前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって送信または受信される第１ランダムシンボルセットとからなる群からのものを表すデータをさらに含む。
別のオプションとして、第２態様によるコンピュータ実装方法において、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して共有鍵を交換することは、前記第２エンドポイントデバイスによって決定された第２シンボルセットと、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１シンボルセットとに対して、最終鍵情報調整およびプライバシー強化を実行することで、最終共有対称鍵を生成するステップをさらに含む。
別のオプションとして、第２態様によるコンピュータ実装方法において、前記第２エンドポイントデバイスと第１中間デバイスとの間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルである。
任意に、第２態様によるコンピュータ実装方法において、前記デバイスグループ間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループの対応するデバイスと前記デバイスグループのこれらの近隣デバイスとの間で共有鍵を交換するために使用される。
第３態様では、中間装置であって、プロセッサユニットと、メモリユニットと、通信インターフェースとを含み、前記プロセッサユニットは、前記メモリユニットと前記通信インターフェースに接続され、前記プロセッサユニット、前記メモリユニット、および前記通信インターフェースは、第１態様または第２態様に記載のコンピュータ実装方法を実装するように適合されている、中間装置を提供する。
第４態様では、本開示は、装置であって、プロセッサユニットと、メモリユニットと、通信インターフェースとを含み、前記プロセッサユニットは、前記メモリユニットと前記通信インターフェースに接続され、前記プロセッサユニット、前記メモリユニット、および前記通信インターフェースは、第１態様、第２態様、および／または第３態様に記載のコンピュータ実装方法を実装するように適合されている、装置を提供する。
第５態様では、本開示は、第１態様、第２態様、および／または第３態様のいずれかに記載のように構成された１つ以上の中間デバイスと、第１態様、第２態様、および／または第４態様のいずれかに記載のように構成された装置を含む第１エンドポイントデバイスと、第１態様、第２態様、および／または第４態様のいずれかに記載のように構成された装置を含む第２エンドポイントデバイスと、を含む、システムであって、前記１つ以上の中間デバイス、前記第１エンドポイントデバイス、および前記第２エンドポイントデバイスは、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で共有鍵を確立するために互いに通信するように構成される、システムを提供する。
第６態様では、本開示は、中間デバイスと、第１デバイスと、第２デバイスと、を含む、システムであって、前記中間デバイス、前記第１デバイス、および前記第２デバイスは、第１態様、第２態様、第３態様、第４態様、および／または第５態様のいずれかに記載のコンピュータ実装方法の対応するステップを実装するように構成される、システムを提供する。
さらなるオプションとして、第５または第６態様によるシステムにおいて、複数の衛星を含む衛星量子鍵配信システムであって、前記各衛星は、中間デバイスの機能を含み、前記各衛星は、１つ以上の地上受信局と通信し、前記各地上受信局は、前記第１および／または前記第２エンドポイントデバイスの機能を含む。
第７態様では、本開示は、コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、第１態様、第２態様、第３態様、第４態様、および／または第５態様のいずれかに記載のコンピュータ実装方法を前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体を提供する。
第８態様では、本開示は、コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、第１態様、第２態様、第３態様、第４態様、および／または第５態様のいずれかに記載の中間デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体を提供する。
第９態様では、本開示は、コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、第１態様、第２態様、第３態様、第４態様、および／または第５態様のいずれかに記載の第１デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体を提供する。
第１０態様では、本開示は、コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、第１態様、第２態様、第３態様、および／または第４態様のいずれか１項に記載の第２デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体を提供する。
第１１態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載される鍵交換システムを提供する。
第１２態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載される鍵交換プロセスを提供する。
第１３態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載される方法を提供する。
第１４態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載されるｎ個の中間デバイスを提供する。
第１５態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載されるｎ個のエンドポイントデバイスを提供する。
第１６態様では、本開示は、図面を参照して本明細書に記載されるコンピュータプログラム製品を提供する。
第１７態様では、本開示は、複数の中間デバイスと、それに接続された第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスとを含み、第１および第２エンドポイントは、それらの間で最終共有鍵を交換するために、本明細書に添付図面を参照して説明された鍵交換連鎖プロセスを実行する鍵交換連鎖システムを提供する。
第１８態様では、本開示は、図面を参照して本明細書で説明される鍵交換連鎖システムで使用するための鍵交換連鎖プロセスを提供する。
本明細書に記載の方法は、例えば、機械可読形式の有形記憶媒体上のソフトウェアによって実行してもよい。コンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムの形態では、プログラムがコンピュータ上で実行され、コンピュータプログラムがコンピュータ可読媒体上に具現化され得るときに、本明細書に記載されたいずれかの方法の全てのステップを実行するように適合されている。有形（または非一時的）記憶媒体の例としては、磁気ディスク、サムドライブ、メモリカードなどが挙げられるが、伝播信号は含まれていない。ソフトウェアは、方法ステップを任意の適切な順序でまたは同時に実行してもよいように、パラレルプロセッサまたはシリアルプロセッサ上で実行するように適合されていてもよい。
このアプリケーションでは、ファームウェアおよびソフトウェアが個別に取引可能な価値のある商品であることを認識している。これは、必要な機能を実行するために、「ダム」または標準的なハードウェア上で演算または制御されるソフトウェアを含むように設計されている。また、所望の機能を実行するためにシリコンチップを設計したり汎用プログラマブルチップを構成したりするＨＤＬ（ハードウェア記述言語）ソフトウェアなど、ハードウェア構成を「記述」したり定義したりするソフトウェアも含まれることを目指している。
好ましい特徴は、当業者にとって自明であるように適切に組み合わされてもよく、本発明の任意の態様と組み合わされてもよい。
本発明の実施の形態について、以下の図面を例として参照して説明する。
図１ａは、本発明に係る第１デバイスと第２デバイスとの間の鍵交換を実装するための例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図１ｂは、本発明に係る通信ネットワークのサブネットとして図１ａ例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図１ｃは、本発明に係る第１デバイスと第２デバイスとの間の鍵交換の更なる例を実装するための図１ａまたは図１ｂの鍵交換システムの他の例を示す概略図である。 図１ｄは、本発明に係る例示的な鍵交換プロセスを示すフローチャートである。 図１ｅは、本発明に係る例示的な第１中間デバイス鍵交換プロセスを示すフローチャートである。 図１ｆは、本発明に係る例示的な第１デバイス鍵交換プロセスを示すフローチャートである。 図１ｇは、本発明に係る例示的な第２デバイス鍵交換プロセスを示すフローチャートである。 図２ａは、本発明に係るクラシック鍵交換プロトコルを用いた図１ａ～１ｈの鍵交換システムおよびプロセスに基づく別の例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図２ｂは、本発明に係る量子鍵交換プロトコルを用いた、図１ａ～１ｈの鍵交換システムおよびプロセスに基づく別の例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図２ｃは、本発明に係るハイブリッド量子鍵交換プロトコルを用いた、図１ａ～１ｈの鍵交換システムおよびプロセスに基づく別の例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図２ｄは、本発明に係るハイブリッド量子鍵交換プロトコルを用いた、図１ａ～１ｈの鍵交換システムおよびプロセスに基づく別の例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図３ａは、図１ａ～２ｄの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 図３ｂは、図１ａ～３ａの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的なハイブリッドＱＫＤ鍵交換プロトコルを示す概略図である。 図３ｃは、図１ａ～３ｂの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係るエンドポイントリンクの１つを経由してハイブリッドＱＫＤ鍵交換プロトコルを用いる例示的なＱＫＤ鍵交換システムを示す概略図である。 図４ａは、図１ａ～３ｃの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的な鍵交換システムおよび関連する共有鍵処理を示す概略図である。 図４ｂは、図１ａ～４ａの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る他の例示的な鍵交換システムおよび関連する共有鍵の蓄積／処理を示す概略図である。 図４ｃは、図１ａ～４ｂの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る他の例示的な鍵交換システムおよび関連する共有鍵の蓄積／処理を示す概略図である。 図５ａは、図１ａ～４ｃの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的な衛星鍵交換システムを示す概略図である。 図５ｂは、図１ａ～４ｃの鍵交換システムおよびプロセスにもとづく、本発明に係る例示的な地上鍵交換システムを示す概略図である。 図５ｃは、図１ａ～４ｃの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的な衛星／地上鍵交換システムを示す概略図である。 図５ｄは、図１ａ～４ｃの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る例示的な衛星間鍵交換システムを示す概略図である。 図６ａは、本発明に係る例示的な鍵交換システム／プロトコルの１つ以上の部分を実装する際に使用される例示的なコンピューティングシステム、デバイス、または装置を示す概略図である。 図６ｂは、本発明に係る例示的な鍵交換プロトコルを実装する際に使用される例示的な鍵交換システムを示す概略図である。 類似の特徴を表すために、図中で共通の符号を用いる。
以下、本発明の実施の形態を一例として説明する。これらの例は、出願人が現在知っている本発明を実施するための最良の形態を表すものであるが、これを達成できる唯一の方法ではない。この説明では、この例の機能と、この例を構築および操作するための一連のステップについて説明する。しかしながら、同じまたは同等の機能およびシーケンスが、異なる例によって実装されてもよい。
本開示は、１つ以上の他のデバイスを介して一緒に接続された２つ以上のデバイス間で鍵交換連鎖を実行する方法、装置、およびシステムを提供する。鍵交換は、通信リンクを介して一緒に接続された１つ以上の中間デバイスを介して第１デバイスと第２デバイスとの間で実行され、第１鍵交換プロトコルは、第１中間デバイスと第１デバイスとを接続する第１通信リンクを経由して使用され、鍵交換プロトコルセットからの第２鍵交換プロトコルは、第２デバイスと第２中間デバイスとを接続する第２通信リンク上で使用され、鍵交換プロトコルセットからの１つ以上の鍵交換プロトコルは、第１中間デバイスと第２中間デバイスとの間の任意の他の中間デバイスとを接続する通信リンク上で使用されてもよい。第２デバイスと、それに接続された第２中間デバイスとは、第２鍵交換プロトコルを用いて、それらの間で共有鍵を交換し、第１、第２、および他の中間デバイスのいずれかは、１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、それらの間で共有鍵を交換する。これにより、各中間デバイスは、隣接または近隣デバイスからの共有鍵対を有する。第１デバイスは、第１デバイスと、第１鍵交換プロトコルを用いて第１デバイスに通信リンクを介して接続された中間デバイスとの間で、第１中間鍵情報または第１中間共有鍵を交換することに基づいて、第２デバイスと最終共有鍵を交換し、中間デバイスは、第１中間鍵情報（例えば、第１中間共有鍵）を、少なくとも１つの中間デバイスに接続された第２デバイスに安全に転送し、第２中間デバイスは、第２鍵交換プロトコルを用いて、第１中間鍵情報を第２デバイスに安全に提供する。第１デバイスおよび第２デバイスは、第１鍵交換プロトコルおよび第１中間鍵情報を少なくとも部分的に使用することに基づいて、第１デバイスおよび第２デバイス間の最終共有鍵を決定するために、第１デバイスおよび第２デバイス間の別の通信チャネルを用いて、第１中間鍵情報を処理および変換してもよい。第１中間鍵情報（または第１中間共有鍵）は、第１デバイスと第１中間デバイスとの間で交換される第１中間シンボルセット（例えば、第２中間共有鍵）を含んでもよい（例えば、各シンボルあたりｎビットは、Ｍ＝２n個（ｎ＞１）の異なるシンボルで表される。
第１デバイスと第２デバイスとの間に１つの中間デバイスが存在する場合、第１中間デバイスおよび第２中間デバイスは同一の中間デバイスであってもよい。第１中間デバイスおよび第２中間デバイスは、異なる中間デバイスであってもよい。中間デバイスは、鍵交換プロトコルセットの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、任意の隣接中間デバイスと共有鍵を交換してもよい。第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、異なる鍵交換プロトコルであってもよい。第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、同じ鍵交換プロトコルに基づいてもよい。
第１デバイスおよび第２デバイス間の鍵交換のさらなる変更および／または追加は、例えば、第１デバイスは第１エンドポイントデバイスであり、第２デバイスは第２エンドポイントデバイスであり、鍵交換は、第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間で行われ、第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間で行われ、第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとは、Ｎ個の中間デバイスを介して通信リンクを経由して通信可能に結合され、Ｎ＞０であり、ここで、Ｎは整数であるが、これらに限定されない。第１エンドポイントデバイスは、第１通信リンクを介してＮ個の中間デバイスのうちの第１デバイスに結合される。第２エンドポイントデバイスおよびＮ個の中間デバイスは、デバイスグループを形成し、ここで、Ｎ個の中間デバイスの各々は、少なくとも１つの通信リンクを介して、Ｎ個の中間デバイスのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合される。第２エンドポイントデバイスは、第２通信リンクを介してＮ個の中間デバイスのうちの少なくとも１つに結合される。第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間の鍵交換は、第１エンドポイントデバイスが、第１鍵交換プロトコルに基づいて、第１中間デバイスと第１エンドポイントデバイスとの間で第１中間鍵情報を交換することを含んでもよい。一旦第１中間鍵情報が交換されると、第１中間デバイスは、交換された第１中間鍵情報を表すデータを、例えば、デバイスグループを介して第２エンドポイントデバイスに安全に送信する。第１中間デバイスから第２エンドポイントデバイスへは、それらの間に接続された任意の１つ以上の中間デバイスを経由する。第１中間鍵情報の安全な通信は、鍵交換プロトコルセットのうちの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いてデバイスグループの通信リンクを経由して交換された共有鍵に基づいてデバイスグループの通信リンクを経由して行われる。第２エンドポイントデバイスが第１中間デバイスから第１中間鍵情報を安全に受信すると、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスは、第１中間鍵情報を処理し、最終共有鍵に変換するために、その間の別の通信チャネルを用いる。第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスは、第１中間鍵情報と、第１中間鍵情報に基づいて第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス間で最終共有鍵を合意することを可能にする第１鍵交換プロトコルの一部とを少なくとも部分的に使用してもよい。
第１エンドポイントデバイス、Ｎ個の中間デバイス（Ｎ＞０）（例えば、第２エンドポイントデバイス）および第２エンドポイントデバイスは、デバイスストリングまたはデバイスチェーンを形成することができ、デバイスストリングまたはデバイスチェーン内の各デバイスは、通信リンクの通信リンクを介して少なくとも１つの隣接するデバイスに接続され、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスは、Ｎ個の中間デバイスを介して互いに通信可能に結合される。第１エンドポイントデバイスは、第１通信リンクを介してデバイスストリングまたはデバイスチェーンの第１中間デバイスに接続され、第２エンドポイントデバイスは、第２通信リンクを介して第Ｎ中間デバイスに接続される。例えば、Ｎ＞１の場合、第１中間デバイスと第Ｎ中間デバイスとは異なるものであり、第１デバイスは、第１通信リンクを介してＮ個の中間デバイスのうちの第１デバイスに接続され、Ｎ個の中間デバイスの各々は、通信リンクを介して少なくとも１つの隣接または近隣中間デバイスに接続され、Ｎ個の中間デバイスは、第２通信リンクを介して第２デバイスに接続される。別の例では、Ｎ＝１の場合、第１および第Ｎ中間デバイスは、同じ中間デバイスであり、第１デバイスは、第１通信リンクを介して中間デバイスに接続され、第２デバイスは、第２通信リンクを介して中間デバイスに接続される。
第１、第２、および第Ｎ中間デバイスを含むデバイスストリングまたはチェーンは、第１エンドポイントデバイスが第Ｎ中間デバイスを介して第２エンドポイントデバイスに通信可能に結合されたラインネットワークまたは線形アレイトポロジを形成してもよい。デバイスストリングまたはチェーンは、通信ネットワークまたはメッシュネットワークの一部であってもよく、Ｎ個の中間デバイスのうちの１つ以上は、通信ネットワークまたはメッシュネットワーク内の他のデバイスおよび／または中間デバイスに他の通信リンクを介して接続されてもよい。すなわち、デバイスストリングまたはチェーンは、単純に、より大きな通信ネットワークの接続部分またはサブネット（または線形サブネット）であってもよく、デバイスストリングまたはチェーンを含む接続部分またはサブネットは、線形アレイ、線形ネットワークトポロジなどに基づいていてもよい。
第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、鍵交換プロトコルセットから選択してもよい。鍵交換プロトコルセットは、例えば、複数のクラシック鍵交換プロトコル、複数のポスト量子抵抗鍵交換プロトコル；複数の量子鍵交換プロトコル；１つ以上のクラシック鍵交換プロトコル、１つ以上のポスト量子耐性鍵交換プロトコル、および／または１つ以上の量子鍵交換／配布プロトコル；クラシック、ポスト量子耐性、および／または量子鍵交換プロトコルのようなファミリーからの鍵交換プロトコルの任意の混合物、および／または、第１デバイス、第２デバイス、および１つ以上の中間デバイスの間で共有鍵を共有および／または交換するための任意の他のタイプの鍵交換プロトコル、その組み合わせ、その変更および／または本明細書に記載されているもの、および／または適用上の要件に応じたものを含んでもよいが、これらに限定されない。
クラシック鍵交換プロトコルの例は、Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＲＳＡ）鍵交換プロトコル、Ｄｉｆｆｉｅ－Ｈｅｌｌｍａｎ鍵交換プロトコル；有限フィールド暗号鍵交換プロトコル；デジタル署名アルゴリズム（ＤＳＡ）鍵交換プロトコル；楕円曲線（ＥＣ）暗号鍵交換プロトコル；ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコルおよびＥＣ－ＤＨ（ＥＣＤＨ）鍵交換プロトコル、楕円曲線Ｄｉｆｆｉｅ Ｈｅｌｌｍａｎ一時的Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＥＣＤＨＥ－ＲＳＡ）鍵交換プロトコル、ＥＣＤＨＥ－ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコル；例えば、セキュアハッシュアルゴリズム（ＳＨＡ）-２（３８４ビット）およびＳＨＡ-３に基づくが、これらに限定されない鍵交換プロトコル；例えば高度な暗号化標準（ＡＥＳ）（２５６ビット）および／またはガロアカウンタモードなどに基づくが、これらに限定されない鍵交換プロトコル；例えば、トランスポート層セキュリティ（ＴＬＳ）、ｈｔｔｐｓ、ＳＳＬなどに基づくが、これらに限定されない鍵交換プロトコル；例えばＥＣＤＨＥ-ＲＳＡ、ＡＥＳ（１２８ビット）ＧＣＭ、およびＳＨＡ２５６のうちのいずれか１つ以上に限定されないものを用いたＳＳＨ；例えば、ＡＥＳ（２５６ビット）ＧＣＭおよびＳＨＡ（３８４ビット）を有するＥＣＤＨＥ-ＲＳＡを用いたが、これらに限定されないＴＬＳ；任意の１つ以上の他のクラシック鍵交換プロトコル；任意の１つ以上の将来のクラシック鍵交換プロトコル、クラシック伝送を用いてエンドポイントデバイスまたは中間デバイス等の間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なクラシック鍵交換プロトコル；その組み合わせ、その変更、本明細書に記載されたもの、および／または、適用上の要件に応じたものからなる群からのクラシック鍵交換プロトコルを含んでもよいが、これらに限定されない。
ポスト量子鍵交換プロトコルまたは量子耐性鍵交換プロトコルの例は、例えば、エラーのあるリング学習（ＬＷＥ）ベース鍵交換プロトコル、ｎ度トランケート多項式リングユニット（ＮＴＲＵ）ベース鍵交換プロトコル、ＮＴＲＵベース鍵交換プロトコルのＳｔｅｈｌｅ-Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄ変形、デュアルモード格子署名スキーム（ＢＬＩＳＳ）ベース鍵交換プロトコルなどを含むが、これらに限定されない組のうちの１つ以上を含んでもよいが、これらに限定されない格子ベース暗号鍵交換プロトコル；例えば、レインボーまたはアンバランスなオイルとビネガー（ＵＯＶ）ベース鍵交換プロトコルであるが、これらに限定されるものではない多変量ベースの暗号鍵交換プロトコル；例えば、Ｌａｍｐｏｒｔベース暗号鍵交換プロトコル、Ｍｅｒｋｌｅベース暗号鍵交換プロトコル、ＸＭＳＳおよびＳＰＨＩＮＣなどであるが、これらに限定されるものではないハッシュベース暗号鍵交換プロトコル；例えば、ＭｃＥｌｉｅｃｅベース暗号鍵交換プロトコル、Ｎｉｅｄｅｒｒｅｉｔｅｒベース鍵交換プロトコル、Ｃｏｕｒｔｏｉｓ、Ｆｉｎｉａｓｚ、およびＳｅｎｄｒｉｅｒ署名ベース鍵交換プロトコル、ランダム線形コード暗号化スキーム（ＲＬＣＥ）ベース鍵交換プロトコルなどであるが、これらに限定されるものではないコードベース暗号鍵交換プロトコル；超特異楕円曲線同種生成ベース暗号鍵交換プロトコル；対称鍵量子耐性ベース暗号鍵交換プロトコル：任意の１つ以上の他のポスト量子鍵交換プロトコル；任意の１つ以上の将来のポスト量子鍵交換プロトコル；クラシック伝送などを用いてエンドポイントデバイスまたは中間デバイスなどの間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なポスト量子鍵交換プロトコル、その組み合わせ、その変更本明細書に記載されたもの、および／または、適用上必要とされたものからなる群からの１つ以上を含んでもよいが、これらに限定されない。
量子鍵交換／配信プロトコルの例は、例えば、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ １９８４（ＢＢ８４）ＱＫＤプロトコルファミリーからのＱＫＤプロトコル；ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコル；ＱＫＤリンク装置が前記エンドポイントデバイス間で交換された結果として得られたＱＫＤ鍵を導出できないことを保証するように構成されたＢＢ８４プロトコルの修正バージョン；少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記第１中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、または前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットに基づいて第２デバイスと交換された共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョン；少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留し、少なくとも第２デバイスが前記第２量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第２ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第２量子チャネルを介して前記第２ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第２デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、前記第２デバイスによって有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセット、および有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットおよび有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセットに基づいて、第１デバイスと第２デバイス間で交換される、結果として得られた共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョン；Ｂｅｎｎｅｔ １９９２（Ｂ９２）ＱＫＤプロトコル；６状態プロトコル（ＳＳＰ）ＱＫＤプロトコル；Ｓｃａｒａｎｉ Ａｃｉｎ Ｒｉｂｏｒｄｙ Ｇｉｓｉｎ ２００４（ＳＡＲＧ０４）ＱＫＤプロトコル；Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐａｒｒｉｌｏ Ｓｐｅｄａｌｉｅｒｉ ２００２（ＤＰＳ０２）ＱＫＤプロトコル；差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコル；Ｅｃｋｅｒｔ １９９１（Ｅ９１）ＱＫＤプロトコル；コヒーレント一方向（ＣＯＷ）ＱＫＤプロトコル；Ｋｈａｎ Ｍｕｒｐｈｙ Ｂｅｉｇｅ ２００９（ＫＭＢ０９）ＱＫＤプロトコル；Ｅｓｔｅｂａｎ Ｓｅｒｎａ ２００９（Ｓ０９）ＱＫＤプロトコル；Ｓｅｒｎａ ２０１３（Ｓ１３）ＱＫＤプロトコル；Ａｂｕｓｈｇｒａ Ｋ Ｅｌｌｅｉｔｈｙ ２０１５（ＡＫ１５）ＱＫＤプロトコル；任意の１つ以上の他のエンタングルベースＱＫＤプロトコル；任意の１つ以上の将来のＱＫＤプロトコル；量子伝送およびクラシック伝送を用いてエンドポイントデバイス間でＱＫＤ鍵を交換するための他の適切なＱＫＤプロトコルとからなる群から選択される１つを含む。
一例として、第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、１つ以上のクラシック鍵交換プロトコルおよび／またはポスト量子耐性鍵交換プロトコルを含んでもよく、中間デバイス間で使用される１つ以上の鍵交換プロトコルのいずれかも、クラシック鍵交換プロトコルおよび／またはポスト量子耐性鍵交換プロトコルである。第１鍵交換プロトコル、第２鍵交換プロトコル、および１つ以上の鍵交換プロトコルは、同じおよび／または異なるクラシック鍵交換プロトコルおよび／またはポスト量子耐性鍵交換プロトコルであってもよい。
他の例では、鍵交換プロトコルセットは、例えば、複数の量子鍵交換／配信プロトコルを含んでもよいが、これらに限定されるものではない。第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは量子鍵交換／配信プロトコルであり、中間デバイス間で使用される１つ以上の鍵交換プロトコルのいずれかは量子鍵交換／配信プロトコルである。第１鍵交換プロトコル、第２鍵交換プロトコル、および１つ以上の鍵交換プロトコルは、同一および／または異なる量子鍵交換／配布プロトコルであってもよい。例えば、第１鍵交換プロトコルは、第１量子鍵交換／配信プロトコルであってもよく、第２鍵交換プロトコルは、第２量子鍵交換／配信プロトコルであってもよく、中間デバイスが使用する１つ以上の鍵交換プロトコルは、第２鍵交換／配信プロトコルであってもよい。第１鍵交換プロトコルは、最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成されてもよい。
さらなる例では、鍵交換プロトコルセットは、例えば、複数のクラシック鍵交換プロトコル、複数のポスト量子鍵交換プロトコル、および／または複数の量子鍵交換／配布プロトコルを含んでもよいが、これらに限定されない。ここで、第１鍵交換プロトコルは量子鍵交換／配布プロトコルであり、第２鍵交換プロトコルおよび１つ以上の鍵交換プロトコルは、クラシックおよび／またはポスト量子耐性鍵交換プロトコルであってもよい。第２鍵交換プロトコルおよび１つ以上の鍵交換プロトコルは、同一および／または異なる量子鍵交換／配布プロトコルであってもよい。第１鍵交換プロトコルは、最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成されてもよい。
デバイスは、第１シンボルセットまたはデータを暗号化方式で第２シンボルセットまたはデータ（例えば、中間シンボル、共有鍵など）と結合する暗号化演算を用いて、第１シンボルセットまたはデータを暗号化し、第１グループまたは第２シンボルセットのみで解読可能な第３シンボルセットまたは暗号化されたシンボルセットを生成してもよい。同様に、デバイスは、第１シンボルセットまたは第２シンボルセットに第３シンボルセットを暗号化する操作を適用して、第２シンボルセットまたは第１シンボルセットをそれぞれ取得することによって、第３シンボルセットまたは暗号化されたシンボルセットを解読してもよい。例えば、第１シンボルセット（例えば、ビットストリングまたはシンボルストリング）を用いて、これらのシンボルセット（例えば、ビットストリングまたはシンボルストリング）に対して、例えば、これらに限定されるわけではないが、暗号化操作を用いて、安全で可逆的な方法で、別のシンボルセットまたは第２シンボルセット（別のビットストリングまたはシンボルストリング）と暗号化されてもよく、この暗号化操作を用いて、別のシンボルセットまたは第２シンボルセットと組み合わせられる。シンボルセットをビットストリングに変換し、ビット単位の排他的論理和演算を実行する。これらのシンボルセットを拡張する排他的論理和演算（例えば、ビット単位の排他的論理和演算の数学的属性を保持するシンボルに対する数学的に定義された拡張された「シンボル排他的論理和」演算セットの使用）；これらのシンボルセットの１回限りの暗号化；これらのシンボルセットに対する他の任意のクラシック、ポスト量子耐性、または量子暗号化／解読操作は、２つのシンボルセットを暗号化するために使用されるシンボルセットのもう１つのセットを用いて、１つのシンボルセットの解読および取得をデバイスが行うことができるようにするために、これらのシンボルセットのもう１つのセットを用いること、および／または本明細書に記載されているように、これらのシンボルセットの１つのセットの解読および取得を可能にする。
量子通信チャネルは、少なくとも量子情報を送信および／または受信することが可能な通信チャネルを含むか、または表してもよい。本発明に従って使用してもよい量子通信チャネルまたは量子チャネルの一例は、例えば光量子通信、光量子通信フリースペース光量子通信、光ファイバ量子通信、光レーザー量子通信、電磁波を用いる通信、例えば、無線、マイクロ波、赤外線、ギガヘルツ、テラヘルツ、および／または他の任意の種類の電磁波通信、電子スピン等による通信、量子通信チャネルを介してデバイス間でデータを送受信する他の種類の量子通信などであるが、これらに限定されるものではない。なお、１つ以上のタイプの量子通信チャネルは、非量子情報またはクラシック情報を送信および／または受信してもよい。
標準、クラシック、または非量子通信チャネルは、少なくとも非量子情報を送信および／または受信してもよい２つのデバイス間の任意の通信チャネルを含むか、または表してもよい。本発明に係る標準通信チャネル、クラシック通信チャネル、および／または非量子通信チャネルの例は、例えば、任意の１つ以上の物理通信チャネル；光通信チャネル；フリースペース光通信チャネル；無線通信チャネル；有線通信チャネル；ラジオ通信チャネル；マイクロ波通信チャネル；衛星通信チャネル；地上通信チャンネル；光ファイバ通信チャンネル；光レーザー通信チャネ；
電気通信チャネル；２Ｇ～６Ｇ以上の通信チャネル；論理チャネル、例えば、インターネットプロトコル（ＩＰ）チャネル（これに限定されるものではない。）；任意の標準、クラシック、または非量子物理通信チャネルを経由して提供される任意の他のタイプの論理チャネル；鳥類キャリア、紙、封印されたブリーフケース、宅配便またはその他の配達サービス等のような、１つ以上の他の物理的通信またはデータキャリアデバイス間でデータを伝送するための１つ以上の光、無線、および／または有線通信チャネルの他の任意のタイプ；および／またはデバイス間でデータを伝送するための複合通信チャネルを形成する２つ以上の光、無線、および／または有線通信チャネル；および／または、デバイス間でデータを送信および／または搬送するための複合通信チャネルを形成する２つ以上の標準通信チャネル、クラシック通信チャネル、または非量子通信チャネルの任意の組み合わせ；これらの組み合わせ、変更、および／または、本明細書等に記載されたもの、および／または、適用上必要なものからなる群からの１つ以上のタイプの通信チャネルを含むか、これらに基づいてもよいが、これらに限定されるものではない。１つ以上のタイプの標準通信チャネル、クラシック通信チャネル、または非量子通信チャネルは、量子情報を送信および／または受信することが可能であることに留意されたい。
少なくとも２つのデバイス間の通信リンクは、少なくとも２つのデバイス間での通信を可能にする少なくとも２つのデバイス間に形成された任意の１つ以上の通信チャネルを含むか、または表してもよい。本発明に係る通信リンクの例は、例えば、クラシック通信リンク、例えば、それらの間に形成された少なくとも１つ以上のクラシック通信チャネルまたは標準通信チャネルを含む少なくとも２つのデバイス間の通信リンク；量子通信リンク、例えば、それらの間に形成された少なくとも１つ以上の量子通信チャネルを含む少なくとも２つのデバイス間の通信リンク；古典的および量子的通信リンクの組み合わせ、例えば、それらの間に形成される少なくとも１つ以上の量子通信チャネルと、それらの間に形成される少なくとも１つ以上の古典的または標準通信チャネルを含む、前記少なくとも２つのデバイス間の通信リンク；１つ以上の古典的な通信チャネルのみを含む通信リンク；古典通信チャネルと量子通信チャネルのみを含む通信リンク；１つまたは複数の量子通信チャネルのみを含む通信リンク；前記少なくとも２つのデバイス間の少なくとも双方向古典チャネルおよび一方向量子通信チャネルを含む通信リンク；少なくとも双方向古典チャネルと、第１の一方向量子通信チャネルと、第２の一方向量子通信チャネルとを含む通信リンクであって、第１の一方向量子通信チャネルは、第１のデバイスから第２のデバイスに量子情報を送信するためのものであり、第２の一方向量子通信チャネルは、第２のデバイスから第１のデバイスに量子情報を送信するためのチャネル；それらの組み合わせ、それらの変更、および／または本明細書に記載されているもの、および／または適用上必要なものを含むか、またはそれらに基づくが、これらに限定されるものではない。
中間デバイスは、１つ以上の他の通信デバイスとの間でデータを送受信するための少なくとも１つ以上の非量子通信チャネル、標準通信チャネルおよび／または量子通信チャネルを含む１つ以上の通信リンクを１つ以上の他の通信デバイスと確立する能力を含むように構成され、本明細書に記載されたおよび／または適用上必要な本発明の鍵交換を可能にするように構成された、任意のデバイスまたは装置、コンポーネント、またはシステムを含んでもよく、または表してもよい。本明細書に記載された、および／または本発明に係る中間デバイスの例は、例えば、衛星またはその装置／コンポーネント、地上局またはその装置／コンポーネント、中継局、中継器、電気通信装置、ネットワーク装置、ネットワークノード、ルータ、および／または、非量子、標準、またはクラシック通信チャネルを介して通信するための、および／または非量子、標準、またはクラシック通信インターフェースの機能を含むがこれに限定されないように構成された通信インターフェースを有する任意の装置、通信デバイス、コンピューティングデバイス、またはサーバーなどを含んでもよい、また、量子チャネルを介して通信するための量子通信インターフェースも提供される。
第１エンドポイントデバイスまたは第２エンドポイントデバイスまたは第１または第２通信デバイス（本明細書では、第１または第２デバイスとも称する）は、１つ以上の通信リンクを介して１つ以上の中間デバイスと接続するように構成された通信コンポーネント／システムまたは通信能力を有する任意のデバイスまたは装置を含むか、または表してもよく、各通信リンクは、本明細書に記載された、および／または適用上必要とされる、本発明に係る鍵交換を可能にするための、非量子通信チャネル、標準通信チャネル、クラシック通信チャネルおよび／または量子通信チャネルのうちの少なくとも１つを含んでもよい。本発明に係る第１エンドポイントまたは第２エンドポイント／通信デバイス（または第１デバイスおよび第２デバイス）の例は、例えば、衛星および／またはその装置／コンポーネント、衛星地上受信局および／またはその装置／コンポーネント、光地上受信局、ユーザデバイス、エンドポイントデバイス、電気通信装置、ネットワーク装置、ネットワークノード、ルータおよび／または任意の通信デバイス、コンピューティングデバイスまたはサーバーなどを含むが、これらに限定されない、通信インターフェースは、例えば、非量子通信チャネル、標準通信チャネル、またはクラシック通信チャネルを介して通信するための非量子通信チャネル、標準通信チャネル、またはクラシック通信チャネルを介して通信するための非量子通信チャネル、標準通信チャネル、またはクラシック通信チャネルを介して通信するように構成され、および／または機能を含むが、これらに限定されない、また、量子チャネルを介して通信するための量子通信インターフェースも提供される。
以下の記述は、いくつかの異なるタイプのクラシックおよび／または量子鍵交換プロトコルを記述するが、これは例示的なものにすぎず、本発明はこれに限定されず、技術者は、以下に指定されたおよび／または本明細書に記載された例の代わりに、上記したクラシック、ポスト量子、および／または量子鍵交換／配布プロトコルの任意の例、その組み合わせ、その変更および／または適用上必要なものを用いてもよいことを理解すべきである。
図１ａは、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵を交換するための本発明に係る例示的な鍵交換システム１００を示す概略図である。鍵交換システム１００は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と、第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）を含み、これらのエンドポイントデバイスは、１以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎと、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０６ｂ、１０８ａ～１０８ｍとを介して相互に通信する。第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂは、ここでは、それぞれ交換して第１デバイスおよび第２デバイスと称してもよい。この例では、第１デバイス１０２ａは、通信リンク１０６ａ～１０６ｂおよび１０８ａ～１０８ｍのうちの第１通信リンク１０６ａを介して中間デバイス１０４ａに接続され、同様に、第２デバイス１０２ｂは、第２通信リンク１０６ｂを介して中間デバイス１０４ｎに接続され、各中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、通信リンク１０８ａ～１０８ｍのうちの１つを介して、隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｂ～１０４ｍに接続される。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して互いに通信可能に結合される。さらに、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎおよび第１デバイス１０４ａを介して交換される第１中間鍵情報を用いて、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の最終共有鍵を調整および／または決定するための鍵情報を処理するために、第３通信リンク１１０を介して結合されてもよい。
この例では、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの第１中間デバイス１０４ａによって促された共有鍵（または最終共有鍵）を必要とする場合がある。第１中間デバイス１０４ａは、通信リンク１０６ａを介して第１デバイス１０２ａに接続される。第１デバイスおよび第１中間デバイス１０４ａは、第１通信リンク１０６ａを経由して第１鍵交換プロトコルを用いて、第１デバイスおよび第２デバイスが最終共有鍵を決定する際に使用するための第１中間鍵情報１１２を交換するように構成される。第１中間鍵情報１１２（例えば、第１中間鍵情報１１２Ｉa）は、第１中間デバイス１０４ａと第２デバイス１０２ａとの間のいずれかの中間デバイスを介して、第１中間デバイス１０４ａから安全な通信１１４を行う。第１中間鍵情報１１２の安全な通信１１４は、鍵交換プロトコルセットのうちの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて決定または導出された共有鍵に基づいて、１つの中間デバイス１０４ａから別の中間デバイス１０４ａへ第１中間鍵情報１１２を暗号化することによって実行してもよい。第２デバイス１０２ｂは、鍵交換プロトコルセットのうちの第２鍵交換プロトコルを実行して、第２デバイス１０２ｂと中間デバイス１０４ｎとを接続する第２通信リンク１０６ｂを保護するために中間デバイス１０４ｎとの間で共有鍵を確立する。第２デバイス１０４ｂと、それに接続された中間デバイス１０４ｎとは、第２鍵交換プロトコルを用いて、両者間で共有鍵を交換する。第１および／または他の中間デバイスのうちのいずれか１つは、鍵交換プロトコルセットのうちの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、それらの間で共有鍵を交換する。１つ以上の鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、異なっていてもよく、および／または同じであってもよい。共有鍵は、例えばＸＯＲタイプの演算および／またはワンタイムパッド演算および／または対称鍵を用いる他のタイプの暗号化／解読演算を用いて、第１中間鍵情報を共有鍵で暗号化／解読することが可能であるが、これらに限定されない対称共有鍵であってもよい
演算中、第１デバイス１０２ａは、第１デバイス１０２ａに接続された第１中間デバイス１０４ａと第１鍵交換プロトコルを用いて第１中間鍵情報１１２を交換することを条件として、第２デバイス１０２ｂと最終共有鍵を交換する。第１中間鍵情報１１２（例えば、ＩA）は、第１デバイスと第１中間デバイスとの間で交換される第１中間シンボルセット（例えば、シンボルあたりのｎビットは、Ｍ＝２n（ｎ≧１）の異なるシンボルで表されてもよい。）を含んでもよい。第１中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報１１２（例えば、ＩＡ））を少なくとも１つの中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに接続された第２デバイス１０２ｂ安全に転送／通信１１４し、前記第２のデバイス１０２ｂに接続された中間デバイス１０４ｎは、第２の鍵交換プロトコルを用いて、前記第１の中間鍵情報１１２（例えば、ＩA）を第２のデバイス１０２ｂに安全に提供するための共有鍵を交換する。オプションとして、安全な通信で使用される共有鍵は、例えばＸＯＲタイプの演算および／またはワンタイムパッド演算および／または対称鍵を用いる他のタイプの暗号化／解読演算を用いて、第１中間鍵情報を共有鍵で暗号化／解読することを可能にするが、これらに限定されない対称共有鍵としてもよい。一旦、第２デバイス１０２ｂが第１中間鍵情報１１２（例えば、ＩＡ）を有すると、第１デバイスおよび第２デバイスは、第１中間鍵情報１１２（例えば、ＩA）を処理および変換するために、それらの間の別の通信チャネル１１０を用いてもよい。第１鍵交換プロトコルを少なくとも部分的に使用する部分に基づいて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵を決定し、第１中間鍵情報１１２（例えば、ＩA）第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵は、第１中間鍵情報１１２に少なくとも部分的に基づいて決定される。
オプションとして、図１ａに示すように、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間に中間デバイスが１つ存在する場合（すなわち、中間デバイスが１つのみ存在してもよい）、第１デバイス１０２ａに接続された第１中間デバイス１０４ａと、第２デバイス１０２ａに接続された中間デバイス１０４ｎとは、同一の中間デバイス１０４ａである。ただし、複数の中間デバイスが存在する場合、第１中間デバイス１０４ａと、第２中間デバイス１０２ａに接続された中間デバイス１０４ｎとは異なる中間デバイスである。中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、鍵交換プロトコルセットのうちの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて、任意の隣接中間デバイスと共有鍵を交換してもよい。第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、異なるおよび／または同じ鍵交換プロトコルであってもよい。
図１ｂは、図１ａの鍵交換システム１００が本発明に係る通信ネットワーク１２４のサブネット１２２である別の例示的な鍵交換システム１２０を示す概略図である。図示されるように、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎ、および第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）は、デバイスストリングまたはチェーンを形成してもよく、デバイスストリングまたはチェーン１０２ａ～１０２ｂ、１０４ａ～１０４ｎの各デバイスは、通信リンク１０６ａ～１０６ｂ、１０８ａ～１０８ｍの通信リンクを介して少なくとも１つの隣接デバイスに接続される。１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのストリングまたはチェーンを形成し、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのストリングまたはチェーンの各々は、中間デバイス通信リンク１０８ａ～１０８ｍの通信リンクを介して少なくとも１つの隣接または近隣中間デバイスに接続される。この例では、第１エンドポイントデバイス１０２ａおよび第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して互いに通信可能に結合されている。
第１エンドポイントデバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのストリングまたはチェーンの第１中間デバイス１０４ａに接続され、第２エンドポイントデバイスは、第２通信リンクを介して中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのチェーンの最後の中間デバイス１０４ｎに接続される。例えば、複数の中間デバイスが存在する場合、第１デバイス１０２ａが第１通信リンク１０６ａを介して中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｎの第１中間デバイス１０４ａに接続され、他の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎの各々は通信リンク１０８ａ～１０８ｍを介して中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｎの少なくとも１つの隣接または近隣中間デバイスに接続され、最後の中間デバイス１０４ｎが第２通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂに接続される第１中間デバイス１０４ａと異なる。別の例では、中間デバイスが１つだけの場合、第１および最後の中間デバイスは、第１デバイス１０２ａは第１通信リンク１０６ａを介して中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは第２通信リンク１０６ｂを介して中間デバイス１０４ａに接続された同一の中間デバイス１０４ａである。
第１デバイス１０２ａ、第２デバイス１０２ｂ、および１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを含むデバイスストリングまたはチェーンは、第１エンドポイントデバイス１０２ａが１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して第２エンドポイントデバイス１０２ｂに通信可能に結合されたラインネットワークまたは線形アレイトポロジを形成してもよい。デバイスのストリングまたはチェーンは、通信またはメッシュネットワーク１２４の一部としてもよく、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、他の通信リンク１２６ａ１２６ｄを介して、通信またはメッシュネットワーク１２４内の他のデバイスおよび／または中間デバイス１２８ａ～１２８ｄに接続してもよい。すなわち、デバイス１０２ａ、１０４ａ～１０４ｎ、および１０２ｂのストリングまたはチェーンは、単純に、より大きな通信ネットワーク１２４の接続部分またはサブネット１２２（または線形サブネット）としてもよく、デバイス１０２ａ～１０４ａ～１０４ｎ、および１０２ｂを含む接続部分またはサブネット１２２は、線形アレイ、線形ネットワークトポロジなどに基づいてもよい。
図１ｃは、本発明に係る第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の鍵交換の別の例を実装するために、図１ａまたは図１ｂの鍵交換システム１００および１２０に基づく鍵交換システム１３０の別の例を示す概略図である。図１ａおよび１ｂの鍵交換システム１００および／または１２０は、さらに変更および／または追加されてもよく、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａおよび１０２ｂ（例えば、それぞれＡｌｉｃｅおよびＢｏｂ）は、例えば、第１デバイス１０２ａは第１エンドポイントデバイスであってもよく、第２デバイス１０２ｂは第２エンドポイントデバイスであってもよく、ここで、鍵交換は、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂの間で行われ、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂは、Ｎ中間デバイス１０４ａ～１０４ｎであり、Ｎ＞０であり、ここで、Ｎは整数である。第１エンドポイントデバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して、Ｎ中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの第１中間デバイス１０４ａに結合される。第２エンドポイントデバイス１０２ｂおよびＮ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、デバイスグループ１３２を形成し、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎの各々は、中間デバイス通信リンク１０８ａ～１０８ｍのうちの少なくとも１つを介して、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合される。第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、第２通信リンク１０６ｂを介して、第Ｎ中間デバイス１０４ｎのうちの少なくとも１つに結合される。第１エンドポイントデバイス１０２ａと第２エンドポイントデバイス１０２ｂとの間の鍵交換は、第１エンドポイントデバイス１０２ａが、第１鍵交換プロトコルに基づいて、第１中間デバイス１０４ａと第１エンドポイントデバイス１０２ａとの間で第１中間鍵情報を交換することを含んでもよい。一旦第１中間鍵情報が交換されると、第１中間デバイス１０４ａは、交換された第１中間鍵情報を表すデータを、デバイスグループ１３２を介して、例えば、第１中間デバイス１０４ａから第２エンドポイントデバイス１０２ｂに、それらの間に接続された任意の１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して安全に送信する。デバイスグループ１３２の通信リンク１０８ａ～１０８ｍ、１０６ａを経由した第１中間鍵情報の安全な通信は、鍵交換プロトコルセットのうちの１つ以上の鍵交換プロトコルを用いてデバイスグループ１３２の通信リンク１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂのそれぞれ上で交換された共有鍵に基づく。第２エンドポイントデバイス１０２ｂが第１中間デバイス１０４ａから第１中間鍵情報を安全に受信し、解読すると、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１中間鍵情報を処理し、最終共有鍵に変換するために、その間の別の通信チャネル１１０を用いる。第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１中間鍵情報に基づいて、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵を合意することを可能にする他の通信チャネル１１０を介して、第１中間鍵情報を少なくとも部分的に使用してもよい。
第１エンドポイントデバイス１０２ａ、第Ｎ中間デバイス（例えば、Ｎ＞０）１０４ａ～１０４ｎおよび第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、デバイスストリングまたはデバイスチェーンを形成し、デバイスストリングまたはデバイスチェーン内の各デバイスは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂの通信リンクを介して少なくとも１つの隣接するデバイスに接続され、第１エンドポイントデバイス１０２ａおよび第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して互いに通信可能に結合される。第１エンドポイントデバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介してデバイスストリングまたはデバイスチェーンの第１中間デバイス１０４ａに接続され、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、第２通信リンク１０６ｂを介してデバイスストリングまたはデバイスチェーンのＮ番目の中間デバイス１０４ｎに接続される。例えば、Ｎ＞１の場合、第１中間デバイス１０２ａと第Ｎ中間デバイス１０４ｎとは異なり、第１デバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介してＮ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの第１中間デバイス１０４ａに接続され、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎの各々は、通信リンク１０８ａ～１０８ｍを介して中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの少なくとも１つの隣接または近隣中間デバイスに接続され、第Ｎ中間デバイス１０４ｎは、第２通信リンク１０６ｂを介して第２通信リンク１０６ｂデバイス１０２ｂに接続される。別の例では、Ｎ＝１の場合、第１および第Ｎ中間デバイスは、同じ中間デバイスであり、第１デバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して第１中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは、第２通信リンク１０６ｂを介して第１中間デバイスに接続される。
図１ａ、１ｂおよび／または１ｃを参照すると、第１鍵交換プロトコルおよび第２鍵交換プロトコルは、鍵交換プロトコルセットから選択してもよい。鍵交換プロトコルセットは、例えば、複数のクラシック鍵交換プロトコル、複数のポスト量子抵抗鍵交換プロトコル；複数の量子鍵交換プロトコル；１つ以上のクラシック鍵交換プロトコル、１つ以上のポスト耐性量子鍵交換プロトコル、および／または１つ以上の量子鍵交換／配布プロトコル；クラシック的、ポスト量子耐性、および／または量子鍵交換プロトコルのようなファミリーからの鍵交換プロトコルの任意の混合物、および／または、第１デバイス１０２ａ、第２デバイス１０２ｂ、および１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎの間で共有鍵を共有および／または交換するための任意の他のタイプの鍵交換プロトコル、その組み合わせ、その変更および／または本明細書に記載されたもの、および／または適用上必要とされるものを含んでもよいが、これらに限定されない。
デバイスグループ１３２に関連して、デバイスグループ１３２の内の隣接するデバイス間で鍵を共有するために、鍵交換プロトコルセットからの１つまたは複数の鍵交換プロトコルを使用することができる。したがって、デバイスグループ１３２内のデバイスの共有鍵は、デバイスと、通信リンク１０６ｂ、１０８ａ～１０８ｎのうちの１つを介してデバイスに接続された隣接または近隣するデバイスとの間の共有鍵である。一例では、デバイスグループ１３２内のデバイスの各共有鍵は、第２エンドポイントデバイス１０２ｂへの通信経路において、１つのデバイスからデバイスチェーン内の次の近隣デバイスへの第１中間鍵情報の通信を保護するために使用される。これは、隣接する２つのデバイスに接続された各デバイスが、第１共有鍵および第２共有鍵を有し、第１共有鍵は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、デバイスの上流側の通信経路）への通信経路において隣接するデバイスと共有されることを意味してもよい。そして、第２共有鍵は、第２エンドポイントデバイス１０２ｂへの通信経路内の隣接デバイスと共有される。したがって、この例では、第１共有鍵を用いて、デバイスの上流側の隣接デバイスによって第１共有鍵で暗号化された第１中間鍵情報を解読し、デバイスは、その後、第２共有鍵で第１鍵情報を再暗号化して、デバイスと第２共有鍵を共有する下流側の隣接デバイスに送信してもよい。この処理は、デバイスグループ１３２内の第２エンドポイントデバイス１０２ｂが、暗号化された第１中間鍵情報を受信するまで繰り返され、第１中間鍵情報は、グループ１３２の第Ｎまたは最後の中間デバイス１０４ｎと共有する共有鍵で解読される。
あるいは、デバイスグループ１３２内の各デバイスが、その共有鍵を第２エンドポイントデバイス１０２ｂに送信することにより、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、グループ１３２内のすべてのデバイスからの共有鍵を蓄積する。したがって、デバイスグループ１３２内の中間デバイスは、隣接中間デバイスから他の共有鍵で暗号化されている可能性のある第１中間鍵情報を受信すると、第２エンドポイントデバイス１０２ｂにより近い通信経路において隣接デバイスと共有されている共有鍵のみで、第１中間鍵情報に関連付けられた着信通信を暗号化してから、第１中間鍵情報を自デバイスに最近隣／隣接デバイスを介して第２エンドポイントデバイス１０２ｂに転送する。第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、蓄積共有鍵を用いて、暗号化された第１中間鍵情報を解読する。
さらに、デバイスグループ１３２内の１つ以上のデバイス間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、デバイスグループ１３２のＮ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに関連する所望または要求される信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットから選択される。例えば、信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない相手と鍵を共有するための量子鍵交換／配布プロトコルを含む。したがって、デバイスグループ１３２によって使用される１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上の種類の量子鍵交換／配布プロトコルを用いてもよい。量子鍵交換／配信プロトコルが、少なくとも１つの量子チャネルと少なくとも１つのクラシックチャネルとを必要とする場合、通信リンク１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂの各々は、量子通信チャネルとクラシック通信チャネルとを含んでもよい。デバイスグループ１３２内の一対のデバイス間の通信リンク毎に、量子通信チャネルの方向は、各通信リンクを介して一対のデバイス間で共有鍵を交換する量子鍵交換プロトコルに依存してもよい。各通信リンクについて、量子チャネルは一方向量子チャネルであってもよく、クラシック通信チャネルは双方向クラシック通信チャネルであってもよい。
別の例では、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合に、信頼されていない当事者と鍵を共有する量子鍵交換／配布プロトコルを含む。したがって、デバイスグループ１３２によって使用される１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上の種類の量子鍵交換／配布プロトコルを用いてもよい。量子鍵交換／配信プロトコルのタイプが量子チャネル（例えば、量子もつれプロトコル）のみを必要とする場合、通信リンク１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂの各々は、適切な量子通信チャネルを含んでもよい。デバイスグループ１３２内の一対のデバイス間の通信リンク毎に、量子通信チャネルの方向は、各通信リンクを介して一対のデバイス間で共有鍵を交換する量子鍵交換プロトコルに依存してもよい。
別の例では、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上の中間デバイスが信頼され得るが、他の中間デバイスが信頼され得ない場合に、デバイスグループ１３２内の信頼された中間デバイスペア間で鍵を共有するためのクラシック／ポスト量子鍵交換プロトコルを含んでもよく、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、中間デバイスペア間で鍵を共有するための量子鍵交換／配布プロトコルを含んでもよく、ここで、少なくとも１つの中間デバイスは、信頼されない当事者である。したがって、デバイスグループ１３２によって使用される１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上のタイプのクラシック／ポスト量子および／または量子鍵交換／配布プロトコルを用いてもよい。
さらに、セキュリティを向上させるために、第１中間デバイス１０４ａと第１デバイス１０２ａとの間で使用される第１鍵交換プロトコルを、最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成されてもよい。すなわち、第１鍵交換プロトコルは、第１通信リンクが第１量子チャネルと第１クラシックチャネルとを含む量子鍵配布／交換プロトコルとしてもよい。第１鍵交換プロトコルは、デバイスグループ１３２内のデバイス間で共有鍵を交換するための１つ以上の鍵交換プロトコルとは異なるものとして選択してもよい。
異なるタイプの鍵交換プロトコル上のいくつかの異なる構成について説明したが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されないが、第１鍵交換プロトコルは、用途上必要とされる、および／または本明細書に記載された、クラシック、ポスト量子、および量子鍵交換プロトコルセットのうちの少なくとも１つを含むプロトコルセットから選択されてもよく、および／または同様に、第２鍵交換プロトコルおよび／または１つ以上の中間デバイス間で鍵を共有するための１つ以上の鍵交換プロトコルが、用途上必要とされる、および／または本明細書に記載された、クラシック、ポスト量子、および量子鍵交換プロトコルセットのうちの少なくとも１つを含むプロトコルセットから選択されてもよいことを理解すべきである
図１ｄは、図１ａ～１ｃを参照して、および／または本明細書で説明するように、鍵交換システム１００、１２０、１３０によって実行されるステップを説明する例示的な鍵交換プロセス１４０を示すフローチャートである。簡単のために、図１ｄと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～図１ｃの符号を参照する。鍵交換プロセス１４０は、図１ａ～１ｃを参照して説明したように、第１デバイス１０２ａおよび第２デバイス１０２ｂ、ならびに通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂを介して互いに接続された中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの１つ以上を参照して、鍵交換システム１００において実行される。鍵を共有し、および／または第１中間鍵情報を交換する場合、各通信リンクは、各通信リンクを経由して実行される鍵交換プロトコルセット内の鍵交換プロトコルのタイプに応じて、適切なクラシックチャネルおよび／または量子チャネルを含むと仮定される。同様に、第１デバイス１０２ａ、第２デバイス１０２ｂ、および１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎの各々は、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎ間で第１鍵交換プロトコル、第２鍵交換プロトコル、および／または１つ以上の鍵交換プロトコルを実装するために使用される通信リンクに適した適切な送受信ハードウェアを有すると仮定する。このような送信／受信機ハードウェアは、例えば、量子送信機、量子受信機、およびクラシックトランシーバのうちの少なくとも１つ以上を含んでもよいが、これらに限定されない。
この例では、鍵交換プロセス１４０は、図１ａ～図１ｃを参照して、第１エンドポイントデバイス１０２ａと第２エンドポイントデバイス１０２ｂとの間の最終共有鍵の鍵交換を実行する。第１エンドポイントデバイス１０２ａと第２エンドポイントデバイス１０２ｂとは、Ｎ個の中間デバイス１０８ａ～１０８ｎを介して通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂを経由して通信可能に結合されており、Ｎ＞０であり、Ｎは整数である。第１エンドポイントデバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの第１中間デバイス１０４ａに結合される。第２エンドポイントデバイス１０２ｂおよびＮ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、デバイスグループ１３２を形成し、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎの各々は、少なくとも１つの通信リンク１０８ａ～１０８ｍを介して、少なくとも１つのＮ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに通信可能に結合され、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、第２通信リンク１０６ｂを介して、Ｎ個の中間デバイスの少なくとも１つ、この場合、第Ｎ中間デバイス１０４ｎに結合される。鍵交換プロセス１４０は、以下のステップを含む。
ステップ１４２において、暗号鍵は、通信リンク１０２ｂ、１０４ａ～１０４ｎを介してデバイスグループ１３２内の隣接および／または隣接デバイス間で共有され、鍵交換プロトコルセットからの１つ以上の鍵交換プロトコルが、デバイス間の通信リンクを介してデバイス間で暗号鍵を共有するために使用される。なお、このステップは、ステップ１４４の前に、ステップ１４４の後に、および／またはデバイス１０２ｂ、１０４ａ～１０４ｎのグループなどにおける隣接または近隣するデバイス対間の別個の鍵交換として実行されてもよい。第２デバイス１０２ｂは、第２鍵交換プロトコルを用いて、第２通信リンク１０６ｂを介して、第Ｎ中間デバイス１０４ｎと鍵を共有する。したがって、各中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、近隣中間デバイス１０４ａ～１０４ｎおよび／または第２デバイス１０２ｂ等の少なくとも１つと共有する少なくとも１つの鍵を有する。
オプションとして、デバイス１０２ｂ、１０４ａ～１０４ｎのグループの各デバイスは、隣接または近隣するデバイスと共有する共有鍵の少なくとも１つを第２エンドポイントデバイス１０２ｂに送信してもよく、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは共有鍵を蓄積してもよい。したがって、デバイスグループ１３２内の各中間デバイスは、第１中間鍵情報を安全に転送する際に、暗号化された第１中間鍵情報をその最近隣デバイスを介して第２エンドポイントデバイス１０２ｂに転送する前にのみ、第１中間鍵情報に関連付けられた着信通信を第２エンドポイントデバイス１０２ｂに送信した共有鍵で暗号化する。中間デバイス１０４ａ～１０４ｎは、第２エンドポイントデバイス１０２ｂによって解読されるまで秘密を保持できる第１中間鍵情報を解読して再暗号化する必要がない。多重暗号化は、対称鍵を用いてＸＯＲ型演算を用いて実行することができ、したがって、第１中間鍵情報は、ネストされたＸＯＲ演算を用いて暗号化される。これにより、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、受信した共有鍵を用いて、多重暗号化（またはＸＯＲ演算によるネスト暗号化）された第１中間鍵情報を解読し、第１デバイス１０２ａの最終共有鍵との最終鍵交換を行う。
オプションとして、安全な通信で使用される共有鍵は、例えばＸＯＲタイプの演算、および／またはワンタイムパッド演算、および／または対称鍵を用いる他の任意のタイプの暗号化／解読演算を用いて、第１中間鍵情報を共有鍵で暗号化／解読することを可能にするが、これらに限定されない対称共有鍵としてもよい。
ステップ１４４では、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、および１０６ｂのうちの第１の通信リンク１０６ａを経由して使用される第１鍵交換プロトコルに基づいて、第１中間デバイス１０４ａと第１エンドポイントデバイス１０２ａとの間で中間鍵情報（例えば、ＩＡ）を交換する。第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で第２デバイス１０２ａが使用するための第１中間鍵情報１１２は、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の他の通信リンク１１０を経由して、第１鍵交換プロトコルを用いて、最終共有鍵の鍵交換を少なくとも部分的に行う。
ステップ１４６では、交換された第１中間鍵情報を表すデータは、第１中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎ間の共有鍵を用いて、１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎ（もしあれば）を介して、第１中間デバイス１０４ａから第２エンドポイントデバイス１０２ｂに安全に送信される。デバイス１０４ａ～１０４ｎのグループおよび１０２ｂの通信リンク１０８ａ～１０８ｎおよび１０６ｂを経由したそれぞれの安全な通信は、デバイスグループ１３２内の隣接デバイス間または近隣デバイス間で既に共有されている鍵に基づく。デバイス間で交換される鍵は、デバイス１０４ａ～１０４ｎ、１０２ｂのグループの通信リンク１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂのそれぞれを経由して、鍵交換プロトコルセットから選択された１つ以上の鍵交換プロトコルを用いることに基づいている。選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、通信リンク１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂ、ならびにデバイス１０４ａ～１０４ｎおよび１０２ｂのグループのそれぞれについて同じであってもよい。選択される１つ以上の鍵交換プロトコルは、通信リンク１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂの能力および／または構成に応じて、および／または、デバイスグループ１０４ａ～１０４ｎおよび１０２ｂ内の各デバイスの能力および／または構成に応じて異なってもよい。鍵交換プロトコルは、デバイスグループ１３２内の各中間デバイスが満足してもよい所望の信頼レベルまたは実際の信頼レベルに基づいて選択または使用してもよい。例えば、デバイスグループ１３２内の各中間デバイスが信頼されていないか、または信頼されていない当事者によって制御されている場合、中間デバイス間で使用される鍵交換プロトコルは、信頼されているデバイスである中間デバイスに依存しない量子鍵交換／配信プロトコルに基づいてもよく、それらの間の通信リンクは、適切な量子チャネルおよび／またはクラシックチャネルなどを含む。
ステップ１４８では、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵の鍵交換を実行するために、第２デバイス１０２ｂによって安全に受信された第１中間鍵情報の使用に少なくとも部分的に基づいて第１鍵交換プロトコルを実行する他の通信リンクまたはチャネル１１０を用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂによって処理されて最終共有鍵に変換される。
オプションとして、第１エンドポイントデバイス１０２ａ、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎ、および第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、および１０６ｂの通信リンクを介して隣接デバイスが接続されたデバイスストリングまたはデバイスチェーンを形成してもよい。デバイスストリングまたはデバイスチェーンは、より大きな通信ネットワークの回線ネットワークまたは回線サブネットを形成してもよい。ラインネットワークまたはリンクサブネットワークは、線形アレイトポロジなどを有してもよい。したがって、第１エンドポイントデバイス１０２ａは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、および１０６ｂを介して、第２エンドポイントデバイス１０２ｂおよびＮ中間デバイス１０４ａ～１０４ｎと通信可能に結合される。
セキュリティを高めるために、第１デバイス１０２ａによって使用される第１鍵交換プロトコルは、第２デバイス１０２ｂとの最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成されてもよい。第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間の第１通信リンク１０６ａは、第１鍵交換プロトコルが量子鍵配布プロトコルである第１量子チャネルと第１クラシックチャネルとを含む。
オプションとして、デバイス１３２のグループ内の１つ以上のデバイス１０２ｂ、１０４ａ～１０４ｎ間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルが、デバイス１３２のグループ内のＮ中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに関連する所望の信頼レベル、所望の信頼レベル、信頼能力、または実際の信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットまたはセットから選択される。したがって、信頼レベルが信頼レベルでないと考えられる信頼レベルである場合、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない当事者と鍵を共有するために構成され、および／または使用してもよいＱＫＤプロトコルを含んでもよい。これは、１つ以上の中間デバイスが第三者オペレータ等の管理下にある場合に使用することができ、したがって、そのような中間デバイスは、共有鍵等を交換する際に完全に信頼できるものではない可能性がある。別の例では、信頼レベルは、信頼レベルまたは高い信頼レベルであると考えられる信頼レベルであり、例えば、中間デバイスが既知で信頼されたキャリアによって演算または所有されている場合、選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼された当事者と鍵を共有するために構成され、および／または使用してもよいＱＫＤプロトコルを含んでもよい。デバイスグループ１３２内のデバイス間で共有される共有鍵に関する盗聴者検出は、ＱＫＤプロトコルを用いて実現してもよい。
中間デバイス間で使用される第１鍵交換プロトコル、第２鍵交換プロトコル、および／または１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上のＱＫＤプロトコルなどの使用に基づいて説明されるが、これは単純化および例示の目的にすぎず、本発明はこれに限定されず、当業者は、第１デバイス、第２デバイス、および中間デバイスの能力、ならびにこれらのデバイスおよび鍵交換システムの全体としての信頼要件および／または能力などに応じて、中間デバイスによって使用される第１鍵交換プロトコル、第２鍵交換プロトコル、および／または１つ以上の鍵交換プロトコルは、例えば、１つ以上のクラシック鍵交換プロトコル、１つ以上のポスト量子鍵交換プロトコルまたは量子耐性鍵交換プロトコル；および１つ以上の量子鍵交換プロトコル；および／または、必要とされる他の任意の１つ以上の適切な鍵交換プロトコルを適用する。
図１ｅは、図１ａ～１ｄを参照して説明した鍵交換プロセス１４０および／または鍵交換システム１００～１３０にさらに基づく、例示的な第１中間デバイス鍵交換プロセス１５０を示すフローチャートである。簡単のために、図１ｄと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。中間デバイス鍵交換プロセス１５０は、鍵交換システム１００、１２０、１３０の第１中間デバイス１０４ａが、第１デバイス１０２ａおよび第２デバイス１０２ｂと、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂを介して互いに接続された１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎとを参照して実行される。第１中間デバイス１０４ａによって実行される第１中間デバイス鍵交換プロセス１５０は、以下のステップを含む。
ステップ１５２では、第１中間デバイス１０４ａは、通信リンク１０８ａ（または１０６ｂ）を介して、デバイスグループ１３２内の隣接デバイスおよび／または隣接デバイスと第１鍵を共有する。デバイスグループ１３２内に他の中間デバイスが存在する場合、隣接デバイスは、通信リンク１０８ａを介して中間デバイス１０４ａに接続されたデバイスグループ１３２内の中間デバイス１０４ｂである。中間デバイス１０４ａは、鍵交換プロトコルを用いて、通信リンク１０８ａを介して中間デバイス１０４ｂと鍵を共有する。あるいは、デバイスグループ１３２が中間デバイス１０４ａと第２デバイス１０２ｂのみで構成されている場合、隣接デバイスは、通信リンク１０６ｂを介して中間デバイス１０４ａに接続されているデバイスグループ１３２の第２デバイス１０２ｂである。中間デバイス１０４ａは、鍵交換プロトコルまたは第２鍵交換プロトコルを用いて、通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂと鍵を共有する。デバイス１０４ａおよび１０４ｂ（または１０２ｂ）および通信リンク１０４ａ（または１０６ｂ）の能力に応じて、使用される鍵交換プロトコルは、それらの間の通信リンク１０４ａ（または通信リンク１０６ｂ）を介して２つのデバイス１０４ａおよび１０４ｂ（または第２デバイス１０２ｂ）間で第１鍵を共有するために、鍵交換プロトコルセットから（例えば、予め定められたまたは動的に選択された）選択され得る。なお、このステップは、ステップ１５４の前に、ステップ１５４の後に、および／または、デバイス対１０４ａおよび１０４ｂ（または１０２ｂ）間の別個の１つ以上の鍵交換として実行されてもよい。例えば、デバイス１０４ａおよび１０４ｂ（または１０２ｂ）は、鍵管理を実行し、後で使用するためのペアの共有鍵を記憶してもよい。
オプションとして、デバイスグループ１３２内の第１中間デバイス１０４ａは、第２エンドポイントデバイス１０２ｂに第１共有暗号鍵を送信してもよく、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎからの異なる暗号共有鍵を蓄積してもよい。したがって、デバイスグループ１３２内の各中間デバイスは、第１中間鍵情報を安全に転送する際に、暗号化された第１中間鍵情報を自身の最近隣デバイス１０４ｂを介して第２エンドポイントデバイス１０２ｂに転送する前にのみ、第１中間鍵情報に関連付けられた着信通信を、自身が第２エンドポイントデバイス１０２ｂに送信した共有鍵で暗号化する。ステップ１５４で第１中間デバイス１０４ａと交換される第１中間鍵情報の暗号化は、例えばＸＯＲタイプの演算、ＯＴＰ演算、および／または、同じ対称共有鍵などを用いて解読してもよい共有鍵を用いて第１中間鍵情報を暗号化するための任意の他のタイプの暗号化演算を用いるが、これらに限定されない対称共有鍵を用いて実行してもよい。オプションとして、安全な通信で使用される共有鍵は、第１中間鍵情報が１つ以上の他の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して第２デバイス１０２ｂに安全に送信されるように、第１中間デバイス１０４ａによって暗号化されることを可能にする対称共有鍵としてもよい。対称共有鍵は、例えば排他的論理和型演算、および／または１回限りのパディング演算、および／または対称鍵を用いた任意の他のタイプの暗号化／解読演算を用いるが、これらに限定されるものではないので、第１中間鍵情報を共有鍵と暗号化／解読することが可能となる。
ステップ１５４では、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂのうち、第１通信リンク１０６ａを経由して使用される第１鍵交換プロトコルに基づいて、第１中間デバイス１０４ａと第１エンドポイントデバイス１０２ａとの間で中間鍵情報（例えば、ＩA）を交換する。第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で第２デバイス１０２ａが使用するための第１中間鍵情報１１２は、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の他の通信リンク１１０を介して、第１鍵交換プロトコルを用いて、最終共有鍵の鍵交換を少なくとも部分的に行う。
ステップ１５６では、交換された第１中間鍵情報を表すデータが、ステップ１５２から決定された第１共有暗号鍵を用いて、１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して（もしあれば）第１中間デバイス１０４ａから第２エンドポイントデバイス１０２ｂに安全に送信される。
第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１中間鍵情報を第２デバイス１０２ｂが受信すると、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが第１中間鍵情報を用いて安全に送信し、第２デバイス１０２ｂが安全に受信および解読し、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが第１鍵交換プロトコルを用いて処理して最終共有鍵に変換することに少なくとも部分的に基づいて、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵の鍵交換を行う。
図１ｆは、鍵交換プロセス１４０および中間鍵交換プロセス１５０にさらに基づく第１デバイス鍵交換プロセス１６０の例および／または図１ａ～１ｅを参照して説明される鍵交換システム１００～１３０を示すフローチャートである。簡単のために、図１ｆと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。第１デバイス鍵交換プロセス１６０は、図１ａ～図１ｃを参照して説明したように、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂを介して互いに接続された第１中間デバイス１０４ａおよび第２デバイス１０２ｂを参照して、鍵交換システム１００、１２０、１３０の第１デバイス１０２ａによって実行される。第１デバイス１０２ａが実行する第１デバイス鍵交換プロセス１６０は、以下のステップを含む。
ステップ１６２では、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍ、１０６ｂのうち、第１通信リンク１０６ａ上で使用される第１鍵交換プロトコルに基づいて、第１中間デバイス１０４ａと第１エンドポイントデバイス１０２ａとの間で中間鍵情報１１２（例えば、ＩA）が交換される。第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で第２デバイス１０２ａが使用するための第１中間鍵情報１１２は、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の他の通信リンク１１０を介して、第１鍵交換プロトコルを用いて、最終共有鍵の鍵交換を少なくとも部分的に行う。
第１中間鍵情報は、図１ｅの中間デバイスプロセス１５０のステップ１５２から決定された第１共有暗号鍵を用いて、第１中間デバイス１０４ａによって、１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して（もしあれば）第２エンドポイントデバイス１０２ｂに安全に送信される。
ステップ１６４では、第２デバイス１０２ｂが第１中間鍵情報を受信すると、第１中間鍵情報を用いて第１鍵交換プロトコルを実行することに少なくとも部分的に基づいて、第２デバイス１０２ｂとの間で、他の通信リンクまたはチャネル１１０を用いて最終共有鍵の鍵交換を実行する。
オプションとして、最終共有鍵を決定するための鍵交換プロセスは、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂによる第１鍵交換プロトコルを用いた第１中間鍵情報の処理および／または最終共有鍵への変換を含んでもよい。第１鍵交換プロトコルが量子鍵交換／配布プロトコルに基づく場合、鍵交換プロセスは、第１中間鍵情報を用いて第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間でランダムシンボルを調整して共通シンボルセットを形成し、共通シンボルセットの誤り訂正および／またはプライバシー強化または盗聴者検出などを行い、および／または共通シンボルセットのどのシンボル（またはビット）が第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵として使用できるかを合意することを含んでもよい。第１鍵交換プロトコルが適切なタイプの鍵交換プロトコルである場合（例えば、第２鍵交換プロトコルは、第クラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコル）は、第１中間鍵情報を用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間でランダムシンボルを調整し、共通シンボルセットを形成し、および／または共通シンボルセットを誤り訂正し、および／または共通シンボルセットのどのシンボル（またはビット）が第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵として使用できるかを合意する。
さらなる通信リンクまたはチャネル１１０は、安全な通信リンクまたはチャネルとしてもよく、すなわち、さらなる通信リンクまたはチャネル１１０は、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の１つ以上の以前に共有された鍵によって保護されてもよく、以前に共有された鍵は、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに対して未知である。したがって、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で合意された最終共有鍵は、両方のデバイス１０２ａおよび１０２ｂに対してのみ既知である。一旦最終共有鍵が交換されると、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１デバイスおよび第２デバイスを互いに通信接続する１つ以上の通信リンクを介して、それらの間の暗号化演算および／または互いの間のセキュア／暗号化／認証通信のために最終共有鍵を用いてもよい。
図１ｇは、鍵交換プロセス１４０、中間鍵交換プロセス１５０、および第１デバイス鍵交換プロセス１６０、ならびに／または、本明細書で説明したような鍵交換システム１００１３０にさらに基づく、例示的な第２デバイス鍵交換プロセス１７０を示すフローチャートである。簡単のために、図１ｇと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。第２デバイス鍵交換プロセス１７０は、図１ａ～１ｃを参照して説明したように、第１エンドポイントデバイス１０２ａおよび通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｍおよび１０６ｂを介して互いに接続された中間デバイス１０４ａ～１０４ｎのうちの１つ以上を参照して、鍵交換システム１００、１２０、１３０の第２エンドポイントデバイス１０２ｂによって実行される。第２デバイス１０２ｂが実行する第２デバイス鍵交換プロセス１７０は、以下のステップを含む。
ステップ１７２では、第２デバイス１０２ｂは、通信リンク１０６ｂを介して、デバイスグループ１３２内の隣接および／または隣接中間デバイスと第２デバイス１０２ｂの第１鍵を共有する。デバイスグループ１３２に複数の中間デバイスが存在する場合、隣接または隣接中間デバイスは、デバイスグループ１３２内で通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂに接続された最後または第Ｎ中間デバイス１０４ｎである。第２デバイス１０２ｂは、鍵交換プロトコルセット内の第２鍵交換プロトコルを用いて、通信リンク１０６ｂを介して中間デバイス１０４ｎと鍵を共有する。あるいは、デバイスグループ１３２が第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０２ｂのみを含む場合、隣接デバイスは、デバイスグループ１３２の第１中間デバイス１０４ａであり、第２デバイス１０２ｂと通信リンク１０６ｂを介して接続される。第２デバイス１０２ｂは、第２鍵交換プロトコルを用いて、通信リンク１０６ｂを経由して第１中間デバイス１０４ａと鍵を共有する。デバイス１０２ｂおよび１０４ｎ（または１０４ａ）および通信リンク１０６ｂの能力に応じて、使用される第２鍵交換プロトコルは、２つのデバイス１０２ｂおよび１０４ｎ（または第１中間デバイス１０４ａ）間で、それらの間の通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂの第１鍵を共有するために、鍵交換プロトコルセットから（例えば、予め定められたまたは動的に選択された）選択され得る。なお、このステップは、ステップ１７４の前に、および／または別の時間に、デバイス対１０２ｂおよび１０４ｎ（または１０４ａ）間の別個の１つ以上の鍵交換として実行してもよい。例えば、デバイス１０２ｂおよび１０４ｎ（または１０４ａ）は、鍵管理を行い、後で使用するためのペアの共有鍵を記憶することなどができる。
オプションとして、デバイスグループ１３２内の第１中間デバイス１０４ａは、第２エンドポイントデバイス１０２ｂに第１共有暗号鍵を送信してもよく、第２エンドポイントデバイス１０２ｂは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎからの異なる暗号共有鍵を蓄積してもよい。したがって、デバイスグループ１３２内の各中間デバイスは、第１中間鍵情報を安全に転送する際に、暗号化された第１中間鍵情報を自身の最近隣デバイス１０４ｂを介して第２エンドポイントデバイス１０２ｂに転送する前にのみ、第１中間鍵情報に関連する着信通信を、自身が第２エンドポイントデバイス１０２ｂに送信した共有鍵で暗号化する。ステップ１５４で第１中間デバイス１０４ａと交換される第１中間鍵情報の暗号化は、例えばＸＯＲタイプの演算、ＯＴＰ演算、および／または、同じ対称共有鍵などを用いて解読してもよい共有鍵を用いて第１中間鍵情報を暗号化するための任意の他のタイプの暗号化演算を用いるが、これらに限定されない対称共有鍵を用いて実行してもよい。オプションとして、安全な通信で使用される共有鍵は、第１中間鍵情報が１つ以上の他の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して第２デバイス１０２ｂに安全に送信されるように、第１中間デバイス１０４ａによって暗号化されることを可能にする対称共有鍵としてもよい。対称共有鍵は、例えば排他的論理和型演算、および／または１回限りのパディング演算、および／または対称鍵を用いた任意の他のタイプの暗号化／解読演算を用いるが、これらに限定されるものではないので、第１中間鍵情報を共有鍵と暗号化／解読することが可能となる。
ステップ１７４では、少なくともステップ１７２から決定された第１共有鍵を用いて、交換された第１中間鍵情報を表すデータが、１つ以上の中間デバイス１０４ｂ～１０４ｎを介して（もしあれば）第１中間デバイス１０４ａから安全に受信され、解読される。
ステップ１７６では、第２デバイス１０２ｂが第１中間鍵情報を一旦受信すると、第１中間鍵情報を用いて第１中間鍵交換プロトコルを実行することに少なくとも部分的に基づいて、第１デバイス１０２ａとの間で、他の通信リンクまたはチャネル１１０を用いて最終共有鍵の鍵交換が実行される。
オプションとして、最終共有鍵を決定するための鍵交換プロセスは、第１鍵交換プロトコルを用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂによる第１中間鍵情報の処理および／または最終共有鍵への変換を含んでもよい。第１鍵交換プロトコルが量子鍵交換／配布プロトコルに基づく場合、鍵交換プロセスは、第１中間鍵情報を用いて第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間でランダムシンボルを調整して共通シンボルセットを形成し、共通シンボルセットの誤り訂正および／またはプライバシー強化または盗聴者検出などを行い、および／または共通シンボルセットのどのシンボル（またはビット）が第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵として使用できるかを合意することを含んでもよい。第１鍵交換プロトコルが適切なタイプの鍵交換プロトコルである場合（例えば、クラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコル）は、第１中間鍵情報を用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間でランダムシンボルを調整し、共通シンボルセットを形成し、および／または共通シンボルセットを誤り訂正し、および／または共通シンボルセットのどのシンボル（またはビット）が第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵として使用できるかを合意する。
さらなる通信リンクまたはチャネル１１０は、安全な通信リンクまたはチャネルとしてもよく、すなわち、さらなる通信リンクまたはチャネル１１０は、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の１つ以上の以前に共有された鍵によって保護されてもよく、以前に共有された鍵は、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに対して未知である。したがって、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で合意された最終共有鍵は、両方のデバイス１０２ａおよび１０２ｂに対してのみ既知である。一旦最終共有鍵が交換されると、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１デバイスおよび第２デバイスを互いに通信接続する１つ以上の通信リンクを介して、それらの間の暗号化演算および／または互いの間のセキュア／暗号化／認証通信のために最終共有鍵を用いてもよい。
図２ａは、図１ａ～１ｇの鍵交換システム１００、１２０、１３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０に基づく別の例示的な鍵交換システム２００を示す概略図であり、第１、第２および１つ以上の鍵交換プロトコルが従来の鍵交換プロトコルである。図１ａ～１ｇの鍵交換システム１００、１２０、１３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム２００に基づいてさらに修正される。簡単のために、図２ａと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。鍵交換システム２００は、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｂ（例えば、ＣａｒｏｌおよびＤａｖｉｄ）およびそれらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂを介して互いに通信する第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）および第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）を含む。
この例では、３つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂはそれぞれクラシック通信リンクであり、各通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂはクラシックチャネルを含む。第１デバイス１０２ａは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂのうちの第１通信リンク１０６ａを介して中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは、同様に第２通信リンク１０６ｂを介して中間デバイス１０４ｂに接続され、中間デバイス１０４ａ～１０４ｂの各々は、通信リンク１０８ａの１つを介して隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｂ、１０４ａに接続される。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して互いに通信可能に結合される。この例では、４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂおよび１０２ｂがあり、３つの通信リンクがある。４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、および１０２ｂについて説明したが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、鍵交換システム２００は、図１～１ｃに記載された複数の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに拡張されてもよく、および／または、図１ａ～１ｃに記載された１つの中間デバイス１０４ａに縮小されてもよいことを当業者は理解すべきである。
したがって、第１デバイス１０２ａは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂおよび中間デバイス１０４ａ、１０４ｂを介して第２デバイス１０３ｂに通信可能に結合される。したがって、これらの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂが位置する場合、各デバイスは、従来の鍵交換プロトコルを用いて、秘密シンボルまたはランダムシンボル（またはビット）のセットを次の隣接デバイスと共有してもよい。例えば、第１デバイス１０２ａおよび第１中間デバイス１０４ａは、第１クラシック鍵交換プロトコルを用いて、第１中間鍵情報を形成する第１組の秘密シンボル２０２ａ（例えば、ＫAC）を互いに共有してもよい。第１中間デバイス１０４ａおよび第２中間デバイス１０４ｂは、同じまたは他のクラシック鍵交換プロトコルを用いて、第２秘密シンボルセット２０２ｂ（例えば、ＫCD））を互いに共有してもよく、これにより、これらの間で「共有鍵」を形成していると考えられる。最後に、第２中間デバイス（例えば、最後または第Ｎ中間デバイス、Ｎ＝２）および第２デバイス１０２ｂは、第１および他のクラシック鍵交換プロトコルと同じであってもよい第２クラシック鍵交換プロトコルを用いて、第３秘密シンボルセット２０２ｃ（例えば、ＫDB）を互いに共有してもよく、これにより、これらの間で別の「共有鍵」を形成していると考えられる。ここで、秘密とされ、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａ（例えば、ＡｌｉｃｅとＣａｒｏｌ）、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂ（例えば、ＣａｒｏｌとＤａｖｉｄ）、第２中間デバイス１０４ｂと第２デバイス１０２ｂ（例えば、第２中間デバイス１０４ｂと第２デバイス１０２ｂ（例えば、第１中間デバイス１０４ａと第１中間デバイス１０４ａ（ＤａｖｉｄとＢｏｂ）との間でそれぞれ共有されている第１シンボルセット（例えば、ＫAC）、第２シンボルセット（例えば、Ｋcd）、および第３シンボルセット（例えば、Ｋdb）がある。
ここで、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、それらの間で最終共有鍵を共有するが、セキュアなチャネルはそれらのデバイスに対してもはや利用できない、さらなる鍵交換を実行してもよい。これを行うために、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、既存の共有シンボルセット２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃを用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵を導出してもよい。第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂはまた、関係する通信についてリスニングする盗聴者が、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終的に共有される最終共有鍵に関する情報を取得しないまま、安全でないチャネル（例えば、クラシック通信リンク１０６ａ、１０８、および１０６ｂ）を経由して最終共有鍵の鍵交換を実行してもよい。これは、図１ａ～１ｈを参照して説明したように、通信リンク１０８ａおよび１０６ｂを保護するための第２および第３共有鍵２０２ｂおよび２０２ｃを用いて、第１中間デバイス１０４ａから第２デバイス１０２ｂに第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を送信することによって実装してもよい。ただし、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）は、第１中間鍵情報と共有鍵または他の秘密シンボルセットとの間で実行されるＸＯＲタイプの演算、ＯＴＰタイプの演算、または任意のタイプの対称鍵暗号化演算などを用いて暗号化してもよく、第２デバイス１０２ｂは、第１中間鍵情報を解読するために共有鍵を知らなくてもよい（例えば、ＫAC）。
代替的または追加的に、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を第２中間デバイス１０４ｂと共有される第２シンボルセット（例えば、ＫCD）で暗号化し、暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫAC ＸＯＲ ＫCD））を第２中間デバイス１０４ａに送信してもよい。例えば、第１中間デバイス１０４ａは、ＫAC ＸＯＲ ＫCDを計算し、ここで、第１中間鍵情報２０２ａおよび第２シンボルセット２０２ｂがビットストリングおよび／またはビットである場合、またはビットストリング／ビットに変換される場合、ビットＸＯＲを実行してもよい。０ ＸＯＲ ０＝０； ０ ＸＯＲ １＝１； １ ＸＯＲ ０＝１；および１ ＸＯＲ １＝０．ビット単位のＸＯＲ演算が本明細書で説明されているが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、他の任意のタイプの対称暗号化演算、例えば、シンボルに対して実行されるＸＯＲタイプの演算、ビット単位の使い捨てパディング演算、および／またはシンボル単位のＯＴＰ演算が実行されてもよく、および／または任意の適切なタイプの暗号化演算が使用されてもよいことを当業者は理解する。
第２中間デバイス１０４ａは、受信した暗号化された第１中間鍵情報（例えば、（ＫAC ＸＯＲ ＫCD）ＸＯＲ ＫCD＝ＫAC）を、第１中間デバイス１０４ａと共有する第２シンボルセット（例えば、ＫCD）を用いて解読して、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を取得してもよい。そして、第２中間デバイス１０４ｂは、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を、第３シンボルセット２０２ｃ（例えば、ＫDB）で再暗号化し、再暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫAC ＸＯＲ ＫDB）を形成し、再暗号化された第１中間鍵情報（例えばＫAC ＸＯＲ ＫDB）を第２デバイス１０２ｂに送信する。第２デバイス１０２ｂは、受信した再暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫDB）を、第２中間デバイス１０２ｂと共有される第３シンボルセット（例えば（ＫAC ＸＯＲ ＫDB）ＸＯＲ ＫDB＝ＫAC）を用いて解読し、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を取得する。ここで、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、同一の鍵情報（例えば、ＫAC）を有しており、同一の鍵情報（例えば、ＫAC）を用いて最終共有鍵を形成してもよい。最も単純な場合には、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を、両者間の最終共有鍵として単純に用いてもよい。しかしながら、第１中間デバイス１０４ａの下流側の他の各中間デバイス１０２ｂにおいて、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を暗号化／解読する欠点は、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）が各中間デバイス１０４ｂに露出されることである。同様に、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）に対して複数の暗号化／解読演算を行う必要がある。
本発明によれば、第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を交換する第１中間デバイス１０４ａ（例えば、Ｃａｒｏｌ）は、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を、第２中間デバイス１０４ｂ（例えば、Ｄａｖｉｄ）と共有されている第２シンボルセット２０２ｂ（例えば、ＫCDまたは第２共有鍵）で、ＸＯＲタイプ演算（例えば、ＫACＸＯＲ ＫCD）を用いて暗号化する手法が使用されてもよい。すなわち、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報２０２ａ（例えば、ＫAC）を隣接中間デバイス１０４ｂと共有される第２シンボルセット（例えば、ＫCD）で暗号化する。通信経路中の残りの中間デバイス１０４ｂ（例えば、通信リンク１０８ａおよび１０６ｂに接続された中間デバイス）～第２デバイス１０２ｂは、それに隣接するまたは近隣するデバイス（例えば、ＫCD、ＫDB）と共有される共有鍵を用いて、それらの２つの共有鍵の排他的論理和（例えば、ＫCDＸＯＲ ＫDB）を第２デバイス１０２ｂに送信すると同時に、暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫACＸＯＲ ＫCD）も渡される。これにより、第２デバイス１０２ａは、第１中間デバイス１０４ａの代わりに第１中間デバイス１０４ｂから排他的論理和演算を受けた共有鍵セット（例えば、ＫCDＸＯＲ ＫDB）を蓄積し、第１中間デバイス１０４ａから暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫACＸＯＲ ＫCD）を受信し、他の中間デバイス１０４ｂを介して伝送する。これにより、第２デバイス１０２ｂは、ａ）受信した全てのＸＯＲ共有鍵（例えば、ＫCDＸＯＲ ＫDB）、ｂ）受信した暗号化された第１中間デバイス情報（例えば、ＫACＸＯＲ ＫCD）、およびｃ）第３シンボルセット２０２ｃ（たとえば、ＫDB）であって、第２デバイス１０２ｂが第Ｎ中間デバイス１０４ｂと交換するものをまとめてＸＯＲ演算を行うことに基づいてＸＯＲ演算を実行してもよい。この例では、第２デバイス１０２ｂは、（（ＫACＸＯＲ ＫCD）ＸＯＲ（ＫCDＸＯＲ ＫDB））ＸＯＲ ＫDBを算出する。算出されたＸＯＲストリングに２回出現するのではなく、唯一１回出現する情報が第１中間鍵情報（例えばＫAC）であることから、第２デバイス１０２ｂは第１中間鍵情報（例えば ＫAC）を取得・解読したことになる。同じシンボルセットに対して２回の排他的論理和演算を行った場合の効果は、「７」を乗じることに相当するので、この排他的論理和演算の全体結果が第１中間鍵情報となる（例えば、ＫAC）。したがって、この場合、第１デバイスと第２デバイスの両方が、第１中間鍵情報の値（例えば、Ｋac）を知ることになる。実質的にＫacは、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵であってもよい。
なお、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂは、いずれもＸＯＲ演算のみを実行して秘密共有最終鍵に関する追加情報を取得しない。実際には、中間デバイス１０４ａは、鍵交換プロトコル２００の初期段階で第１デバイス１０２ｂと共有または交換するためであるため、第１中間鍵情報の値（例えば、Ｋac）を知っている。また、中間デバイス１０４ｂは、２つの排他的論理和の計算結果を知っていても、第１中間鍵情報の値（例えば、Ｋac））を知らないままである。同様に、盗聴者が中間デバイス１０４ａおよび１０４ｂがそのＸＯＲ演算結果を送信するための送信を待ち受けている場合、これは盗聴者に、任意の共有秘密鍵および／または第１中間鍵情報（例えば、Ｋac）に関するいかなる情報も提供しないであろう。
本発明によれば、第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を交換する第１中間デバイス１０４ａ（例えば、Ｃａｒｏｌ）は、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）を、例えば排他的論理和タイプ演算（例えば、ＫACＸＯＲ ＫCd、それに限定されるわけではない）を用いて第２中間デバイス１０４ｂ（例えば、Ｄａｖｉｄ）と共有される第２シンボルセット２０２ｂ（例えば、ＫCdまたは第２共有鍵）暗号化する更なる手法が使用される。すなわち、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報２０２ａ（例えば、ＫAC）を、隣接中間デバイス１０４ｂと共有される第２シンボルセット（例えばＫCd）で暗号化する。通信経路中の残りの中間デバイス１０４ｂ（例えば、通信リンク１０８ａおよび１０６ｂに接続された中間デバイス）～第２デバイス１０２ｂは、隣接または近隣するデバイス１０４ａ、１０２ｂ（例えば、Ｋcd、Ｋdb）と排他的論理和演算で共有される共有鍵を結合し、新たな結合共有鍵（例えば、Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb）を生成し、この新たな結合共有鍵は、受信した暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）をさらに暗号化するために使用される。暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）が、残りの中間デバイス１０４ｂによって受信されると、暗号化された第１中間鍵情報（例えば、ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）を新たな結合共有鍵（例えば、Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb）で暗号化し、この例では第２デバイス１０２ｂの方向（もしあれば）に沿って隣接または近隣するデバイスに送信することによって、さらに暗号化された第１中間鍵情報（例えば、（ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）ＸＯＲ（Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb））を通過させる。これにより、第２デバイス１０２ａは、さらに暗号化された第１中間鍵情報（例えば、［（ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）ＸＯＲ（Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb）］）を受信し、このさらに暗号化された第１中間鍵情報は、第１中間デバイス１０４ａ以外の各中間デバイス１０４ｂを通過する際に結合共有鍵対で複数回暗号化されている。そして、第２デバイス１０２ｂは、さらに暗号化された第１中間鍵情報を、第２デバイス１０２ｂが第Ｎ中間デバイス１０４ｂと共有する第３シンボルセット２０２ｃ（例えば、Ｋdb）でＸＯＲに付することによって、さらに暗号化された第１中間鍵情報（例えば、［（ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）ＸＯＲ（Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb）］）から第１中間鍵情報を簡単に解読して取得してもよい。この例では、第２デバイス１０２Ｂは、［ＫAC ＸＯＲ Ｋcd）ＸＯＲ（Ｋcd ＸＯＲ Ｋdb）］ ＸＯＲ Ｋdbを算出する。算出されたＸＯＲストリングに２回出現するのではなく、唯一１回出現する情報が第１中間鍵情報（例えばＫAC）であることから、第２デバイス１０２ｂは第１中間鍵情報（例えば ＫAC）を取得・解読したことになる。したがって、この場合、第１デバイスと第２デバイスの両方が第１中間鍵情報の値（例えば、ＫAC）を知ることになり、実質的には、ＫACが、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵となり得る。
なお、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂは、いずれもＸＯＲ演算のみを実行して秘密共有最終鍵に関する付加情報を取得しない。実際には、中間デバイス１０４ａは、鍵交換プロトコル２００の初期段階において、第１デバイス１０２ｂと第１中間鍵情報を共有または交換しているので、第１中間鍵情報（例えば、ＫAC）の値を知っている。また、中間デバイス１０４ｂは、中間デバイス１０４ａによるＸＯＲ演算の結果を知らない限り、第１中間鍵情報の値（例えば、ＫAC）を知らないままである。同様に、盗聴者が中間デバイス１０４ａおよび１０４ｂがそのＸＯＲ演算結果を送信するための送信を傍受している場合、これは、任意の共有秘密鍵および／または第１中間鍵情報に関する情報（例えば、ＫAC）を盗聴者に提供しない。
このような完全にクラシックリンクおよび連鎖スキーム／プロトコルは容易に実装できるが、第１中間デバイス情報２０２ａおよび共有鍵２０２ｂおよび２０２ｃの初期配信を実行するためにクラシックチャネルを用いる必要があり、量子チャネルを用いるのとは対照的に、この初期段階の間に第１中間鍵情報または第２および第３シンボルセット２０２ｂおよび２０２ｃに関する情報を入手した盗聴者が検出されることは実質的に保証されていない。
さらに、鍵交換システム２００は、第１中間デバイス１０４ａが、第１デバイス１０２ａと交換され、最終的に第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で共有される秘密シンボル２０２ａの第１セット（例えば、ＫAC）を、第１中間鍵情報とも呼ばれるので、第１中間デバイス１０４ａがトラステッドノードであることも必要とする。これらの制限は、ａ）完全量子プロトコルを用いるか、ｂ）クラシック量子法を混合することで克服できる。
図２ｂは、図１ａ～１ｇベース鍵交換システム１００、１２０、１３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０の別の例示的な鍵交換システム２１０を示す概略図であり、第１、第２および１つ以上の鍵交換プロトコルが量子ベース鍵交換プロトコルである。図１ａ～１ｇおよび２ａに記載された鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、もつれに基づく量子鍵交換／プロトコル等を用いて実現される鍵交換システム２１０に基づいてさらに修正される。簡単のために、図１ａ～１ｃの符号は、図２ｂと同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などを参照する。鍵交換システム２１０は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、第１エンドポイントデバイス１０２ａ Ａｌｉｃｅ）および第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、第２エンドポイントデバイス１０２ｂ）Ｂｏｂ）は、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｂ（例えば、Ｂｏｂ）（ＣａｒｏｌおよびＤａｖｉｄ）と、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂとを介して互いに通信する。
この例では、３つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂの各々は、デバイス間に接続された量子チャネルを含む量子通信リンク（例えば点線で示す）である。したがって、各デバイス１０２，１０４ａ、１０４ｂ，１０２ｂは、本明細書に記載されているように、１つ以上のタイプの量子鍵交換／配信プロトコルを、その修正、その組み合わせ、および／または適用上の要件として実行することを可能にするために必要な量子ハードウェア／技術および／または量子トランシーバ構造を有する。第１デバイス１０２ａは、量子通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂのうちの第１量子通信リンク１０６ａを介して第１量子チャネルを介して中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは、同様に第２量子通信リンク１０６ｂの第２量子チャネルを介して中間デバイス１０４ｂに接続され、中間デバイス１０４ａ～１０４ｂの各々は、それらの間の量子通信リンク１０８ａのうちの１つの量子チャネルを介して隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｂ、１０４ａに接続される。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎを介して互いに通信可能に結合される。この例では、４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂおよび１０２ｂがあり、３つの量子通信リンクがある。４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、および１０２ｂについて説明したが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、鍵交換システム２１０は、図１ａ～１ｃに記載された複数の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに拡張されてもよく、および／または、図１ａ～１ｃに記載された１つの中間デバイス１０４ａに縮小されてもよいことを当業者は理解すべきである。
鍵交換システム２１０は、もつれに基づく量子鍵交換／配布を行う。したがって、第１デバイス１０２ａは、量子通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂおよび中間デバイス１０４ａ、１０４ｂを介して第２デバイス１０２ｂに通信可能に結合される。これらの量子通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂが配置されている場合、各デバイスは、量子チャネルのみを用いて、秘密シンボルまたはランダムシンボル（またはビット）のセットを次の隣接デバイスと共有する量子鍵交換／配布プロトコルを用いてもよい。もつれに基づく量子鍵交換／配布を用いた鍵交換システム２１０は、２つの中間鍵情報交換が行われ、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂと第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂとの間で共有鍵対情報交換が行われる双方向連鎖手順を実行することにより、鍵交換システム１００、１２０、１３０および／または２００をさらに変更する。例えば、第１中間鍵情報交換は、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間で行われ、第２デバイス１０２ｂとＮ番目または最後の中間デバイス１０４ｂ（または、この例では第２中間デバイス１０４ｂ）との間で行われる。第１中間鍵情報および第２中間鍵情報の交換結果は「暗号化」され、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂに量子的に安全に送信される。また、第１中間デバイス１０４ａは、第２中間デバイス１０４ｂと第１共有鍵および第２共有鍵対交換を行い、各第１共有鍵および第２共有鍵対を用いて第１中間鍵情報および第２中間鍵情報を「暗号化」し、その結果を第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂにそれぞれ量子的に安全に送信する。その後、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂは、第１中間鍵情報および第２中間鍵情報と第１共有鍵および第２共有鍵情報とに基づいてさらに鍵交換を行い、両者間で最終共有鍵を形成する。
鍵交換システム２１０は、もつれに基づく量子鍵交換／配布を実行し、図２ａを参照して説明された秘密シンボルまたはランダムシンボル（またはビット）およびＸＯＲ演算は、それぞれ共有もつれまたはＥＰＲ対およびベル状態測定（ＢＳＭ）によって置き換えられる。もつれの基本単位はＥＰＲ対、または１イービットである。ＥＰＲ対は、通常は光子である２つの分離した粒子で構成され、通常はそれらの分極によって特定の非クラシック相関を持つ結合量子状態を具現する。ＥＰＲ対は最大もつれ状態の一例であり、この例では、２粒子の２次元状態、例えば、光子偏光によって捕捉された状態について、合計４つある。２つの２次元量子システムのＢＳＭ測定は、これら４つの最大もつれ状態のうちの１つにランダムに投影する。このように、量子鍵交換システム２１０の鍵交換プロセス（双方向連鎖プロトコル）であるＢＳＭをもつれ交換処理の一部として利用する。
この例では、もつれに基づく量子鍵交換／配信の本発明に係る鍵交換システムへの適用を簡単かつ説明するために、もつれ量子プロトコルを用いて、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａ、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂ、および第２中間デバイス１０４ｂと第２デバイス１０２ｂの間で３対のＥＰＲのみを配信する。これを行うために、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂの各々は、破線で表される量子チャネルを有する。第１ＥＰＲ対（またはＡ-Ｃ ＥＰＲ対）は、Ａ-Ｃ ＥＰＲ ２１２ａ-１およびＡ-Ｃ ＥＰＲ ２１２ａ-２として表され、Ａ-Ｃ ＥＰＲ ２１２ａ-２は、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間で交換される第１中間鍵情報を表してもよい。第２ＥＰＲ対（またはＣ-Ｄ ＥＰＲ対）は、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとの間で交換される共有鍵対を表してもよいＣ-Ｄ ＥＰＲ ２１２ｂ-１および２１２ｂ-２として表される。第３ＥＰＲ対（またはＤ-Ｂ ＥＰＲ対）は、Ｄ-Ｂ ＥＰＲ ２１２ｃ-１、２１２ｃ-２として表され、Ｄ-Ｂ ＥＰＲ ２１２ｃ-１は、第２デバイス１０２ｂと第２中間デバイス１０４ｂとの間で交換される第２中間鍵情報を表してもよい。ＥＰＲ対がもつれプロトコルによって第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａ、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂ、および第２デバイス１０２ｂと第２中間デバイス１０４ｂとの間で配布／交換されると、第１中間デバイス１０４ａは、第２中間デバイス１０４ｂと鍵対を共有する第１共有鍵を概略的に表すＡ-Ｃ ＥＰＲ対の半分であるＡ-Ｃ ＥＰＲ対のＢ-Ｃ ＥＰＲ Ｒ２１２ｂ-１の２つの粒子に対してＢＳＭ（例えば、クラシックＸＯＲのもつれ量子バージョン）を実行することによって、第１中間鍵情報Ａ-Ｃ ＥＰＲ ２１２ｂ-２の「もつれ」暗号化を実行する。同様に、第２中間デバイス１０４ｂは、第１中間デバイス１０４ａと鍵対を共有する部分を表すＤ-Ｂ ＥＰＲ２１２ｃ-１（例えば、Ｄ-Ｂ ＥＰＲ２１２ｃ-１によって表される第２中間デバイス情報）とＢ-ＣＥＰＲ２１２ｂ-２のペアの半分である、自身が有する２つの粒子に対して、ＢＳＭ（例えば、クラシックＸＯＲのもつれ量子バージョン）を実行することにより、第２中間鍵情報Ｄ-Ｂ ＥＰＲ２１２ｃ-１の「もつれ」暗号化を実行する。これらのＢＳＭのそれぞれは４つの可能な結果を持っているので、それぞれの結果は２（クラシック）ビットで表してもよい。これを考慮して、第１中間デバイスおよび第２中間デバイス１０４ａ、１０４ｂは、それぞれのＢＳＭ結果を表す２ビットを第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂに転送する。第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、受信した２ビットに応じて、それぞれが有する粒子に対して、可能な４つの決定論的演算のうちの１つを実行する。その後、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、ＥＰＲ対を共有する。先ほど概説したプロセス全体を（二重）もつれ交換と表現してもよい（これは逆に量子テレポーテーションの一例と表現してもよい）。第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間（１箇所につき１粒子）、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとの間（１箇所につき１粒子）、および第２中間デバイス１０４ｂと第２デバイス１０２ｂとの間（１箇所につき１粒子）の初期最大もつれを、第１中間デバイス１０４ａにおける２粒子間、第２中間デバイス１０４ｂにおける２粒子間、および第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間（１箇所につき１粒子）の最大もつれに変換した。
第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが現在所有しているＥＰＲ対は、それらが選択したいつでも（原理的には）それらの粒子を測定して共有秘密ビットを生成することにより、最終共有鍵（この例では１秘密ビットであるが）を決定し、鍵交換を行うことを可能にする。このＥＰＲプロセスを、上記したように同様に連鎖して得られた一連のＥＰＲ対に対して複数回繰り返すと、より長い最終共有鍵を共有することができ、また、ＥＰＲ対を配布する量子通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂの量子チャネルを経由して盗聴が存在するか否かを、簡単なテストを実行することによって検出してもよい。また、第１中間デバイス１０４ａおよび第２中間デバイス１０４ｂは、いずれも、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが共有する秘密ビットを知らないので、スキームの安全性を損なうことなく、信頼できないものとみなすことができる。したがって、この完全量子スキームは、図２ａを参照して説明した完全クラシック的スキームに関連する安全性および盗聴者の検出の点で同じ制限を有しないことが分かる。しかし、もつれ量子プロトコルに基づく完全量子連鎖プロトコルは、信頼性の高い量子メモリと信頼性の高いＢＳＭの実現が必要で、実際の実現には厳しい課題に直面している。すなわち、本明細書に記載された鍵交換システムおよびプロセスは、図２ｃおよび２ｄで説明されたハイブリッド量子クラシック鍵交換プロトコルに基づいてさらに修正されてもよく、これは、完全に信頼された中間デバイスなどの需要を克服しつつ、改善されたセキュリティおよび盗聴者検出を可能にし、商業的に実行可能である。
図２ｃは、図１ａ～１ｇおよび２ａの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０に基づく別の例示的な鍵交換システム２２０を示す概略図であり、第１、第２および１つ以上の鍵交換プロトコルが従来の鍵交換プロトコルである。図１ａ～１ｇおよび２ａに記載された鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム２２０に基づいてさらに修正される。簡単のために、図２ｃと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１のａ～１ｃの符号を参照する。鍵交換システム２２０は、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｂ（例えば、ＣａｒｏｌおよびＤａｖｉｄ）およびそれらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂを介して互いに通信する第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）および第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）を含む。
この例では、３つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂは、それぞれ破線で示される量子チャネルとクラシックチャネル（実線で示される）とを有するハイブリッド量子クラシック通信リンクである。各通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂは、デバイス間に接続された量子チャネルとクラシックチャネルとを含む。したがって、各デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０２ｂは、本明細書に記載された量子チャネルおよびクラシックチャネルを用いて、その修正、組み合わせ、および／または適用上の要件として、１つ以上のタイプの量子鍵交換／配信プロトコルを実行することを可能にするために、所望の量子ハードウェア／技法および／または量子トランシーバ構造と、所望のクラシックハードウェア／技法および／またはクラシックトランシーバなどを有する。第１デバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して第１量子チャネル１０６ａ-１および第１クラシックチャネル１０６ａ-２を介して中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは、同様に、第２通信リンク１０６ｂの第２量子チャネル１０６ｂ-１および第２クラシックチャネル１０６ｂ-２を介して中間デバイス１０４ｂに接続され、各中間デバイス１０４ａ～１０４ｂは、その間の通信リンク１０８ａのうちの１つの量子チャネル１０８ａ-１およびクラシックチャネル１０８ａ-２を介して、隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｂ、１０４ａに接続される。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎおよびそれらの間の通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂを介して互いに通信可能に結合される。オプションとして、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１デバイスおよび第２デバイスが１つ以上の以前に交換された鍵などを用いて保護したクラシックチャネルであってもよい別の通信リンク１１０を介して接続することもできる。これにより、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが中間デバイス１０４ａ、１０４ｂから独立して最終共有鍵に合意することを可能にし、および／または中間デバイス１０４ａ、１０４ｂが第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終鍵交換を盗聴することを防止してもよい。この例では、４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂおよび１０２ｂがあり、３つの通信リンクがある。４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、および１０２ｂについて説明したが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、鍵交換システム２２０は、適用上の要件に応じて、図１ａ～１ｃに記載された複数の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに拡張されてもよく、および／または、図１ａ～１ｃに記載された１つの中間デバイス１０４ａのみに拡張されてもよいことを、当業者は理解すべきである。
鍵交換システム２２０において、鍵交換プロトコルセットの１つ以上のハイブリッド量子クラシック鍵交換プロトコルを用いてもよい。この例ではＢＢ８４量子鍵配布（ＱＫＤ）方式を説明しているが、これは例示的なものにすぎず、本発明はこれに限定されないが、デバイス間の通信リンクを経由して量子チャネルおよびクラシックチャネルを利用する他の任意の適切な量子鍵配布プロトコルを用いてもよいことを当業者は理解すべきである。ハイブリッド量子クラシック鍵交換プロトコルは、図２ａを参照して説明した完全クラシック方式と異なり、保証された盗聴者検出を提供し、ＢＢ８４鍵交換のいくつかの修正により、鍵交換システム２２０の要件である信頼できる中間ノードの要件を弱めることができ、また、図２ｂを参照して説明した完全量子方式と異なり、このハイブリッド量子クラシック方式は現在の技術で実現してもよい。
ＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０では、デバイスペア間で共有鍵および／または中間鍵情報を交換する標準ＢＢ８４プロトコル鍵交換手順が実行される。例えば、第１ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間の第１通信リンク１０６ａ上で使用され、第１中間鍵情報２２２ａ（例えば、ＫAC）と呼ばれてもよい第１シンボルセット２２２Ａ（またはランダム／シークレットシンボル／ビット）を、第１デバイス１０２Ａと第１中間デバイス１０４Ａとの間で交換するために使用される。第２ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとの間の中間通信リンク１０８ａ上で使用されて、それらの間で共有鍵２２２ｂ（例えば、Ｋcd）と呼ばれてもよい第２シンボルセット２２２Ｂを交換するために、第２ＢＢ８４鍵交換プロトコルを用いる。第２デバイス１０２ｂとＮ番目または最後の中間デバイス１０４ｂとの間の第２通信リンク１０６ｂ上で、第３ＢＢ８４鍵交換プロトコルを用いて、それらの間のシンボル２２２ｃの第３セットを交換する。これは、第２共有鍵２２２ｃ（例えば、Ｋdb）と呼ばれてもよい。したがって、各対のデバイスは、シンボルセット（例えば、一連の秘密ビット／シンボル）を共有する。第１、第２、および第３ＢＢ８４交換プロセスのそれぞれの一部として、各デバイスの対は盗聴テストを実行することができ、これは、デバイス１０２ａと１０４ａ、１０４ａと１０４ｂ、および１０４ｂと１０２ｂのそれぞれの間で既に共有されている第１、第２、および第３シンボルセット２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃのに関する情報を取得しようとする盗聴者が検出から逃れてもよいという保証を提供する。この例では、シンボルセットの３組すべてが交換され、デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、および１０２ｂが、それらの共有ビットが本当に秘密であることを確認すると、図２ａに示す鍵交換システム２００において実行される方法を用いて、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で最終共有鍵の鍵交換を実行してもよい。言い換えれば、第１中間デバイスおよび第２中間デバイス１０４ａ、１０４ｂの両方は、所有するシンボルセットに対して排他的論理和を計算する。例えば、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報を示す第１シンボルセット２２２ａと、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとの間で共有鍵である第２シンボルセット２２２ｂとについてＸＯＲ演算を行う。第２中間デバイス１０４ｂは、第２デバイス１０２ｂと共有する第２鍵である第２シンボルセット２２２ｂと第３シンボルセット２２２ｃとの排他的論理和演算を行う。そして、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂは、これらの演算結果を第２デバイス１０２ｂに転送する。なお、これらの計算は、盗聴者がこれらの結果から第１シンボルセット、第２シンボルセット、または第３シンボルセットを解読できないため、第１シンボルセット２２２ａ（例えば、ＫACまたは第１中間鍵情報）、第２シンボルセット２２２ｂ（例えば、Ｋcd））、第３シンボルセット２２２ｃ（例えば、Ｋdb）とを解読することができる。そして、第２デバイス１０２ｂは、これらの結果のＸＯＲを計算し、最後に、最後に計算された結果を、第シンボル／ビットセット（例えば、Ｋdb）とＸＯＲ演算する。図２ａを参照して説明したように、受信した結果から第１中間鍵情報（または第１シンボルセット）２２２ａを解読する。一旦、第２デバイス１０２ｂが第１中間鍵情報２２２ａを取得すると、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂの双方が、最終共有鍵を形成するために第１中間鍵情報２２２ａを用いて、両者間の最終共有鍵を決定するための鍵交換を実行してもよい。第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、調整および／またはプライバシー強化／盗聴者検出の形態を実行して、盗聴された第１中間鍵情報のシンボルを決定し、最終共有鍵を形成するためにこれらのシンボルを廃棄してもよい。
ハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０は、図２ａの完全にクラシック鍵交換システム２００と同様に、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂの量子チャネルを用いて盗聴者を検出してもよいが、ハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換システムは、中間デバイスが第１シンボルセット（例えば、第１シンボルセット）と全く同じ第１中間鍵情報にアクセスしてもよいので、第１中間デバイスがトラステッドノードである必要がある。ＫAC）であるため、中間デバイス１０４ａは、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが互いに共有する最終共有鍵を知ってもよい。すなわち、図２ａの完全にクラシック鍵交換システム２００とは異なり、ＢＢ８４ベースプロトコルを用いる鍵交換システム２２０は、盗聴者の検出可能性の保証を提供するという利点を有する。
図２ｄは、図１ａ～１ｇおよび２ａ～２ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２２０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０に基づく別の例示的な鍵交換システム２３０を示す概略図であり、第１、第２および１つ以上の鍵交換プロトコルがハイブリッド量子クラシック鍵交換プロトコルである。図１ａ～１ｇおよび２ａ～２ｃに記載された鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２２０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム２３０に基づいてさらに修正される。簡単のために、図１ａ～１ｃの符号は、図２ｄと同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などを参照する。鍵交換システム２３０は、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｂ（例えば、ＣａｒｏｌおよびＤａｖｉｄ）およびそれらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂを介して互いに通信する第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）および第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）を含む。
この例では、３つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂは、それぞれ破線で表される量子チャネルとクラシックチャネル（実線で表される）とを有するハイブリッド量子であるクラシック通信リンクである。各通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂは、デバイス間に接続された量子チャネルとクラシックチャネルとを含む。したがって、各デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０２ｂは、本明細書に記載された量子チャネルおよびクラシックチャネルを用いて、その修正、組み合わせ、および／または適用上の要件として、１つ以上のタイプの量子鍵交換／配信プロトコルを実行することを可能にするために、所望の量子ハードウェア／技法および／または量子トランシーバ構造と、所望のクラシックハードウェア／技法および／またはクラシックトランシーバなどを有する。第１デバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して第１量子チャネル１０６ａ-１および第１クラシックチャネル１０６ａ-２を介して中間デバイス１０４ａに接続され、第２デバイス１０２ｂは、同様に、第２通信リンク１０６ｂの第２量子チャネル１０６ｂ-１および第２クラシックチャネル１０６ｂ-２を介して中間デバイス１０４ｂに接続され、各中間デバイス１０４ａ～１０４ｂは、その間の通信リンク１０８ａのうちの１つの量子チャネル１０８ａ-１およびクラシックチャネル１０８ａ-２を介して、隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｂ、１０４ａに接続される。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎおよびそれらの間の通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂを介して互いに通信可能に結合される。さらに、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１デバイスおよび第２デバイスが１つ以上の以前に交換された鍵などを用いて保護したクラシックチャネルとしてもよい別の通信リンク１１０を介して接続することもできる。これにより、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが中間デバイス１０４ａ、１０４ｂから独立して最終共有鍵に合意することを可能にし、および／または中間デバイス１０４ａ、１０４ｂが第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終鍵交換を盗聴することを防止してもよい。
この例では、４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０２ｂが存在し、３つの通信リンクが存在する。４つのデバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、および１０２ｂについて説明したが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、鍵交換システム２３０は、適用上の要件に応じて、図１-１ｃに記載されたように複数の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎに拡張され、および／または、図１-１ｃに記載されたように１つの中間デバイス１０４ａのみに拡張され得ることを当業者は理解すべきである。
鍵交換システム２３０は、ＢＢ８４プロトコルファミリーに基づく１つ以上のハイブリッド量子クラシック鍵交換プロトコルを鍵交換プロトコルセットから使用してもよい。この例では、図２ｃを参照して説明したＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０と同様に演算する、ハイブリッド－ＢＢ８４鍵交換プロトコルが使用される。ハイブリッド－ＢＢ８４鍵交換プロトコルはまた、例えばＢＢ９２プロトコルなどのような他の基底ＱＫＤプロトコルに基づいて使用されてもよいが、これらに限定されるものではない。しかし、鍵交換システム２３０で使用されるハイブリッド-ＢＢ８４鍵交換プロトコルでは、ＢＢ８４または他の標準ＱＫＤ方式の一部として一般的に発生するクラシック情報処理自体の一部は、プロセスの連鎖部分が実行されるまで延期され、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終共有鍵に関する有用な情報を何も運ばない中間シンボルセットとも呼ばれる「未シフト」鍵に対してＸＯＲ演算が実行される。
図２ｄの４者間の例では、ＢＢ８４鍵交換プロトコル（例えば、ＢＢ８４鍵交換プロトコル）を用いる場合に、ＢＢ８４鍵交換プロトコルを用いる。図２ｃを参照して説明したＢＢ８４ベースのチェーンでは、ａ）第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間での測定基底情報の交換、ｂ）第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂ、ｃ）第２中間デバイス１０４ｂと第２デバイス１０２ｂなど、一対のデバイス間での測定基底情報の相互交換が含まれる。しかし、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、測定基底情報を第１中間デバイスおよび第２中間デバイス１０４ａ、１０４ｂに送信しない点で、ハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換プロトコルとＢＢ８４の鍵交換プロトコルとが異なる。この基底情報は、第１中間デバイスおよび第２中間デバイス１０４ａ、１０４ｂから保持されており、第１デバイスおよび第２デバイスの双方が「未シフト鍵」２３２ａ-１、２３２ｃ-２（例えば、第２中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ）を用いていることを意味する。ＳacおよびＳdb）および中間デバイスは、対応する「未シフト」鍵２３２ａ-２および２３２ｃ-１（ｌACおよびＩDB）またはそれらの間で共有される鍵に関連する中間シンボルセットを用いる。「未シフト」鍵２３２ａ-２（例えば、ＩAC）は、第１中間鍵情報を表してもよい。中間デバイス１０４ａおよび１０４ｂは、ＢＢ８４に基づくチェーンと同様に、通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂのそれぞれのクラシックチャネル１０６ｂ-２、１０８ａ-２および１０６ｂ-２を経由して、互いおよび第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａおよび１０２ｂに、それぞれの測定基底情報のすべてを開示する。中間デバイスはまた、これらのバージョンの共有鍵もシフトされないままの第３シンボルセット２３２ｂ（例えば、Ｉcd））を生成するために、ハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換を実行する。中間デバイス１０４Ａおよび１０４Ｂによって実行されるＸＯＲは、これらの未シフト共有鍵２３２Ｂ（例えば、Ｉcd）に基づいて実行される。ＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０および完全クラシック鍵交換システム２００で使用されるのと同じＸＯＲ演算シーケンスを実行する。例えば、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間デバイス１０４ａ（例えば、ＩAC ＸＯＲ Ｉcd）によって保持される２つの未シフト鍵２３２ａ-２および２３２ｂ（例えば、Ｉac、Ｉcd）の排他的論理和（例えば、未シフト鍵）を計算する。第２中間デバイス１０４ｂはまた、２つの未シフト鍵２３２ｂ、２３２ｃ-１または共有鍵情報（例えば、Ｉcd、Ｉdb）の排他的論理和を計算し、これらは、第２中間デバイス１０４ｂ（例えば、ＩＣＤ ＸＯＲ ＩＤＢ）によって保持される。この２つのＸＯＲ演算（例えば、ＩAC ＸＯＲ ＩcdおよびＩcd ＸＯＲ Ｉdb）は第２デバイス１０２ｂに送信され、この第２デバイス１０２ｂにおいて、これらの２つのＸＯＲ演算は、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ａとの間で交換される第１中間鍵情報（例えば、ＩAC）および共有鍵情報（例えば、Ｉcd、Ｉdb））を効率的かつ安全に送信する。そして、第２デバイス１０２ｂは、これら２つの結果を一緒に排他的論理和演算することにより、（ｌAC ＸＯＲ Ｉcd）ＸＯＲ（Ｉcd ＸＯＲ Ｉdb）を得る。第２デバイス１０２ｂは、自身の未シフト鍵２３２ｃ-２（例えば、Ｓdb）を用いて、その結果のＸＯＲを算出し、これによって、（ｌAC ＸＯＲ Ｉcd）ＸＯＲ（Ｉcd ＸＯＲ Ｉdb）ＸＯＲ Ｓdb ｏｒ（ｌAC ＸＯＲ Ｉdb）ＸＯＲ Ｓdbを得て、これは、第１デバイス１０２ａの未シフト鍵２３２ａ-１（例えば、ＳAC）の「未シフト」推定値である。
その後、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂは、協調手順、エラー検出・訂正、プライバシー強化等を行うことにより、プライベートな秘匿通信チャネル１１０を経由して、ハイブリッド－ＢＢ８４プロトコルによる鍵交換を行う。例えば、以下の条件を満たす場合には、調整プロセスを用いて、未シフト鍵シンボル／ビットを除いて、未シフト鍵シンボル／ビットをすべて廃棄してもよい。（Ｉ）第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ｂとの間で配布／交換される未シフト鍵（例えば、ｌAC、ＳAC）については、第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ｂとで使用される測定基底は同一である必要があり、（ｉｉ）第１デバイス１０２ａと第１中間デバイス１０４ｂとの間で配布／交換される未シフト鍵（例えば、未シフト鍵（例えば、ＩCD）については、第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとで使用される測定基底は同一である必要があり、（ｉｌｌ）第１中間デバイス１０４ａと第２中間デバイス１０４ｂとの間で配布／交換される未シフト鍵（例えば、Ｉdb、Ｓdb））については、第２デバイス１０２ｂと第２中間デバイス１０４ｂとで使用される測定基底は同一である必要がある。これら３つの条件を全て満たす場合には、第１デバイス１０２ａおよび第２デバイス１０２ｂが保持するシンボル／ビットが量子セキュリティ鍵を構成し、最終共有鍵として使用してもよい。さらに、第１デバイス１０２ａおよび第２デバイス１０２ｂは、これらのシンボル／ビットの一部を用いて、鍵シンボル／ビットが導出された量子システムが配信される量子チャネル１０６ａ-１、１０８ａ-１、および１０６ｂ-１上で盗聴の有無を検査してもよい。
ハイブリッド－ＢＢ８４プロトコルでは、信頼されたノードとしての第１中間デバイス１０４ａの要件は、図２ｃを参照して説明されたＢＢ８４ベースのスキームの要件よりも弱い。これは、第１中間デバイス１０４ａが、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で共有される最終共有鍵を直接知ることができないからである。これは、最終共有鍵を決定するための鍵交換を行う際に、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが別の専用クラシック通信チャネル１１０を用いるためである。第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂはまた、以前に共有された鍵などに基づいて、チャネル１１０上で安全な通信を用いてもよい。しかしながら、第１中間デバイス１０４ａが、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で私的に交換された測定基底情報へのアクセスを得ることができる場合、第１中間デバイス１０４ａは、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂによって決定された最終共有鍵を導き出すことができるであろう。第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の測定基底の交換はクラシックチャネル１１０を経由して行われるので、第１中間デバイス１０４ａは根本原因がないことを検出することなく交換を盗聴することができず、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂの一方を用いてクラシックチャネル１１０を保護してもよい。
鍵交換プロトコルは、図２ａ～２ｄを参照して説明したように、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、および１０６ｂのそれぞれについて同じであってもよいが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、鍵交換の効率、中間デバイス１０８ａ～１０８ｎに関して望ましい信頼レベルおよび／またはセキュリティレベルに関する要件に応じて、通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８ｎ、および１０６ｂのそれぞれについて異なる鍵交換プロトコルを用いてもよいことを当業者は理解する。例えば、ＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０と、ハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換システム２３０とを組み合わせてもよく、図２ｄのシステム２３０で使用されるハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換プロトコルは、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂで使用してもよく、ＢＢ８４または同等の鍵交換プロトコルは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｎ間の通信リンク１０８ａ～１０８ｍで使用してもよい。これは、図２ｄのハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換システム２３０と比較して、第１中間デバイス１０４ａが信頼されたノードである必要性を低減しつつ、鍵交換効率を向上させることができる。より一般的には、図２ａ～２ｄを参照して説明した４つの鍵交換システム２００、２１０、２２０、および／または２３０（例えば、連鎖プロトコル）のうちのいずれかを用いる。完全クラシカル、完全量子、ＢＢ８４量子クラシカル、ハイブリッド－ＢＢ８４量子クラシカル）は、単一の鍵交換システムに混在してもよく、唯一の制限は、完全量子バージョンの通信リンクを用いることである（例えば、もつれ）は、必要なもつれ交換を実行するために、プロセスの連鎖部分を実装するために量子チャネルを用いてなければならない。しかし、他の３つのバージョン（例えば、完全クラシック、ＢＢ８４ベース、およびハイブリッド－ＢＢ８４）の場合、クラシックチャネルは、共有鍵／中間鍵情報の排他的論理和演算を実行するのに十分であり、これは連鎖のために十分である。ＢＢ８４およびハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換システム２２０、２３０において、ＢＢ８４および／またはハイブリッド－ＢＢ８４ベース鍵交換プロトコルを実行する各通信リンクにおける量子チャネルは、これらのプロトコルの基盤となるＱＫＤ／交換部分を連鎖（例えば、ネストＸＯＲなど）の前に実装するために必要である。
鍵交換システム２００、２１０、２２０、２３０は、４つのデバイス、例えば、２つのエンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂ、これらのデバイスを接続する３つの通信リンク１０６ａ、１０８ａおよび１０６ｂを有する２つの中間デバイス１０４ａおよび１０４ｂとして説明されているが、これは、例示にすぎず、本発明はこれに限定されず、図２ａ～２ｄに示されるこれらの鍵交換システム２００、２１０、２２０および２３０および／または図１ａ～１ｃの鍵交換システム１００、１２０および１３０は、原則として、ネストされたＸＯＲ演算を拡張することによって、または完全量子バージョンにおける一連のもつれ交換演算を用いることによって、または完全量子、完全クラシックおよび／またはハイブリッド量子部分を単一鍵交換システムまたは単一チェーンにおいて有する場合にはＸＯＲともつれ交換演算とのネストされた組み合わせを用いることによって、任意の数のリンクおよび／または中間デバイスに拡張してもよいことを当業者が理解できる。いずれの場合も、量子および／またはハイブリッド量子の場合には、中間デバイスは、その測定基底および／またはもつれ交換結果データを、最終共有鍵を共有するための鍵交換を行っている第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂに送信しなければならない。
連鎖または排他的論理和の結果が第１デバイス１０２ａから第２デバイス１０２ｂに送信される鍵交換システム２００、２１０、２２０、２３０が図２ａ～２ｄに示されているが、本発明はこれに限定されず、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが共有する鍵は、第１デバイスのオリジナル（または未シフトの可能性のある）シンボルまたは鍵の第１セットに基づいており、図２ａ～２ｄの鍵交換システム２００、２１０、２２０、２３０（および／または図１ａ～１ｃのシステム１００、１２０、１３０）は、ネスト計算におけるＸＯＲｓ計算の順序を逆方向に反転させてもよく、第１鍵は、第２デバイス１０２ｂに基づく元の鍵に変更される。さらに、最終共有鍵の導出には、すべてのＸＯＲ結果（および／またはチェーンに完全量子成分がある場合にはもつれ交換結果）が必要であると仮定すると、これらの結果の伝達順序は重要ではない。
Ｎ個のデバイスを有する一般的な鍵交換システムにおいて、ラベル１、２、Ｎが付けられており、デバイス１とＮが、デバイス１のキーのオリジナルバージョンに基づいて最終的な共有鍵を共有することを目標としている。デバイスストリングまたはチェーン内の２つの隣接するデバイス／およびｊについて、ＸＯＲを適用すると、それらが鍵交換プロトコルを用いて共有する鍵のバージョンは、それぞれＫij（ｉ）およびＫij（ｊ）と表される。など、これらの鍵は、チェーンの完全クラシック部分またはＢＢ８４ベースの部分の場合には同じＫij（ｉ）＝Ｋij（ｊ）であるが、ＸＯＲ演算を適用するときにシフトされないため、チェーンのハイブリッド－ＢＢ８４ベースの部分ではＫij（ｉ）≠Ｋij（ｊ）とは異なる。一般的に、デバイスＮによって計算される鍵は、次の式で導出される。
Figure 2024505094000002
ハイブリッド－ＢＢ８４に基づく部分／コンポーネントがチェーン内に存在する場合、Ｎ個のデバイスから導出された鍵は、他のデバイスまたは参加者（特に参加者２．Ｎ－１）などの中間デバイス）によるアクセスを防止するために設計された専用チャネルまたは専用通信リンクを介してデバイス１とＮの測定基底情報とともに、デバイス１およびＮの間で伝送された、すべての中間／中間デバイスによって伝送された測定基底情報に基づいて、参加者１の未シフト鍵と調整されなければならない。それ以外の場合は、この調整ステップは不要である。
図３ａは、図１Ａ～２Ｄの鍵交換システムおよびプロセスに基づく、本発明に係る量子クラシック鍵交換プロトコルを用いた別の例示的な鍵交換システム３００を示す概略図である。図１ａ～１ｇおよび２ａ～２ｄの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム３００に基づいてさらに修正される。簡単のために、図３ａと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。鍵交換システム３００は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）とを含み、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂを経由して、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ（例えば、Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、Ｃａｒｏｌ）を介して互いに通信する。
この例では、５つの方法が存在するので、４つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂの各々は、点線および／または破線で示される少なくとも１つの量子チャネルを有するハイブリッド量子クラシック通信リンク（図示せず）としてもよい。各通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂは、デバイス間に接続された量子チャネルおよびクラシックチャネルを含んでもよい。したがって、各デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０２ｂは、本明細書に記載された量子チャネルおよびクラシックチャネルを用いて、その修正、組み合わせ、および／または適用上の要件として、１つ以上のタイプの量子鍵交換／配布プロトコルを実行することを可能にするために、所望の量子ハードウェア／技法および／または量子トランシーバ構造、ならびに所望のクラシックハードウェア／技法および／またはクラシックトランシーバなどを有する。
第１デバイス１０２ａは、第１通信リンク１０６ａを介して、少なくとも第１量子チャネル（破線矢印）およびクラシックチャネル（図示せず）を介して中間デバイス１０４ａに接続される。この例では、第１量子チャネルは光ファイバチャネルであり、第１クラシックチャネルも光ファイバチャネルである。第２デバイス１０２ｂは、同様に、第２通信リンク１０６ｂを介して、少なくとも第２量子チャネルおよび第２クラシックチャネル（図示せず）を介して、Ｎ番目または最後の中間デバイス１０４ｃ（例えば、Ｃａｒｏｌ）に接続される。この例では、第１量子チャネルは光ファイバチャネルであり、第２クラシックチャネルも光ファイバチャネルである。各中間デバイス１０４ａ～１０４ｃは、それらの間の通信リンク１０８ａ～１０８ｂのうちの１つの少なくとも量子チャネルおよびクラシックチャネルを介して、隣接または近隣する各中間デバイス１０４ｃ、１０４ｂ、１０４ａに接続される。この例では、中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ間の量子チャネルは光フリースペース量子チャネルであり、クラシックチャネルは衛星通信チャネルなどである。したがって、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｎおよびそれらの間の通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０６ｂを介して互いに通信可能に結合される。さらに、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ～１０２ｂが、１つ以上の以前に交換された鍵などを用いて自身で安全な通信する独立したクラシックチャネルとしてもよい別の通信リンク１１０を経由して接続することもできる。さらなる通信リンク１１０は、他の通信リンク１０６ａ、１０８ａ～１０８の周波数帯域１０６ｂのクラシックチャネルをバイパスしてもよい。これにより、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂが中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃから独立して後で最終共有鍵に合意することを可能にし、および／または中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃが第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間の最終鍵交換を盗聴することを防止してもよい。
この例では、鍵交換システム３００は、３つの中間／中間デバイス／ノード１０４ａ～１０４ｃ（Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、およびＣａｒｏｌ）を含み、第２中間デバイス１０４ｂ（例えばＤａｖｉｄ）は衛星であり、第１および第３中間デバイス１０４ａ、１０４ｃ（例えばＥｖａｎ、およびＣａｒｏｌ）は、第２衛星中間デバイス１０４ｂからの量子伝送を受信するための光地上受信局（ＯＧＲ）を有する２つのエリアファイバハブである。第２中間デバイス１０４ｂは衛星であるが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されないが、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃの各々は、量子伝送および／またはクラシック伝送を送信および／または受信することが可能な任意のタイプのデバイスであってもよく、第２中間ノード１０４ｂは、単に、光ファイバ通信リンクなどを介して、および／または適用上必要なもの、第１および最後の２つの中間デバイス１０４ａおよび１０４ｃに接続された別のエリアファイバハブであってもよいことを、当業者は理解すべきである。２つの第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ（ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂ）は、互いに共有秘密鍵または最終共有鍵を確立または交換することを望んでもよい。
図３ａに示されるように、エンドポイント１０２ａおよび１０２ｂは、例えば、互いに任意の距離であってもよく、この場合、それらを一緒に接続するために衛星リンクおよび１００ｋｍ光ファイバ通信リンクが必要とされるほど、互いに離れている。中間デバイス１０４ａ～１０４ｃは、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で、図１ａ～図１ｃを参照して説明したように、より大規模な通信ネットワークの線形サブネットの線形配列に配置されている。中間デバイスは、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ（例えば、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂ）を含む最近隣デバイスと接続する量子チャネルを有する。本質的に、図３ａは、量子チャネルの方向を破線または点線の矢印付きリンクで示しており、これは量子伝送が一方向であり、矢印が指すデバイスに向かっていることを示している。これは全て、デバイスの１つが量子送信機を有し、通信リンクの量子チャネルの矢印が指すデバイスの量子受信機が量子送信を受信する矢印の方向に量子送信を送信することを意味する。通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂの各々は、特定の方向を有する量子チャネルを有するように示されているが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されないが、１つ以上の量子チャネルは、適用上の要件とは反対の方向を有してもよく、これは、量子伝送が、それぞれの量子送信機および量子受信機を有するそれぞれのデバイスの別の方向に行われることを意味することを、当業者は理解すべきである。図３ａには示されていないが、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂの各々は、デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０２ｂの各デバイスと、その最も近くにいるデバイスとの間にも従来の通信チャネルを有する。また、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間の他のチャネル１１０は、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で交換される以前の鍵を用いて暗号化してもよいクラシック暗号化された通信チャネルである。鍵交換システム３００の第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ、ならびに第１、第２および第３中間デバイス／ノード１０４ａ～１０４ｃは、第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２デバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）との間で対称鍵対、すなわち最終共有鍵を確立するために、最近隣または隣接するデバイス間で一連の量子的およびクラシック通信を行うように構成される。
鍵交換システム３００および／または図１ａ～図２ｄの鍵交換システム３００は、第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で任意の長さの共有対称鍵を確立するように構成され、鍵交換プロトコルセットから鍵交換プロトコルを賢明に設計／選択して、中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ間の共有鍵を最小化するという知識に基づいている。理想的には、鍵交換プロトコルは、中間デバイス１０４ａ～１０４ｃが、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂ間で交換される共有対称鍵または最終共有鍵を知らないように選択される。鍵交換プロトコルセットから量子またはハイブリッド量子鍵交換プロトコルを選択する場合、鍵交換システム３００のもう１つの利点は、盗聴保護を含む量子鍵交換／配布のエンドツーエンド属性を維持することである。
図３ａを参照すると、鍵交換システム３００の各デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０２ｂは、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂを介して、量子チャネル（例えば、破線／点線）を介して、それぞれの最近隣デバイスに接続されている。各量子チャネルは、第１中間鍵情報および／または共有鍵対が相互間で交換されるときに、各デバイスとその近隣デバイスとの間で使用される選択された１つ以上の鍵交換プロトコルに依存する方向を有する一方向である。第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂ間は、クラシック的に安全なクラシックチャネル１１０を有し、Ｎ個の中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ（この場合Ｎ＝３）は、図３ａに示すように、それぞれの最近隣中間デバイス１０４ａ～１０４ｃがクラシックチャネル（図示せず）を有する。
第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）は、第１鍵交換プロトコルを用いて中間デバイス１０４ａ（例えば、Ｅｖａｎ）と第１中間鍵情報を交換する。ここで、第１鍵交換プロトコルは、ハイブリッド－ＢＢ８４量子鍵交換プロトコル（例えば、図３ｂを参照して説明したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル）であり、ここで、ハイブリッド－ＢＢ８４量子鍵交換プロトコルの第１部分（例えば、図３を参照して説明したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル）である、図３ｂを参照して説明したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルは、第１中間デバイス１０４ａが、第１エンドポイントデバイス１０２ａとの通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、第１中間デバイス１０４ａが、通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、第１中間デバイス１０４ａが、第１中間デバイス１０４ａから第１エンドポイントデバイス１０２ａに送信することと、第１中間デバイス１０４ａが、第１中間デバイス１０４ａによって第１中間鍵情報を生成することと、通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１中間デバイス１０４ａが第１シンボルセットを送信または受信する際に使用する送信または受信基底セットを用いて、第１中間シンボルセットを表すデータを含む中間シンボルセットまたは共有鍵）を有効に送信または受信した第１シンボルセットに基づく。第１エンドポイントデバイス１０２ａは、第１中間デバイス１０４ｂとの通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために、第１エンドポイントデバイス１０２ａによって使用される第１送信または受信の基底セットを保留する。第１鍵情報は、中間デバイス１０４ａが、第１エンドポイントデバイス１０２ａが受信した第１シンボルセットを正確に生成するために必要な基底情報を全て有していないので、中間デバイス１０４ａで生成された中間シンボルセットを表すデータを含み、このデータは「未シフト」鍵である。これは、第１エンドポイントデバイス１０２ａが、第１中間デバイス１０４ｂとの通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイス１０２ａによって使用される第１送信または受信基底セットを保留するためである。
従って、第１中間デバイス１０４ａは、第１中間デバイス１０４ａの第１中間鍵情報を第１デバイス１０２ａと交換／共有し、第１中間デバイス１０４ａの第１中間鍵情報は、中間デバイス１０４ａに関連付けられた第１共有鍵を形成する。残りのデバイスの各々は、上記のハイブリッド-ＢＢ８４量子鍵交換プロトコルおよび／または他の量子鍵交換プロトコルを含むがこれに限定されない、例えばＢＢ８４量子鍵交換プロトコルおよび／または量子チャネルおよび／またはクラシックチャネル等を用いる他の任意の量子鍵交換プロトコルを含むがこれに限定されない鍵交換プロトコルセットから選択された量子鍵交換プロトコルを用いて、隣接デバイスまたは隣接デバイスとの共有鍵の鍵交換を実行する。したがって、第１中間デバイス１０４ａは、例えば、通信リンク１０８ａを介して、選択された量子鍵交換プロトコルを用いて、隣接する第２中間デバイス１０４ｂと第２共有鍵を交換する。すなわち、中間デバイス１０４ａは、第１中間鍵情報と、第２中間デバイス１０４ｂと共有する第２鍵とを含む一対の共有鍵を有する。第２中間デバイス１０４ｂは、通信リンク１０８ｂを介して、選択された量子鍵交換プロトコルを用いて、隣接する第３中間デバイス１０４ｃと別の共有鍵を交換する。すなわち、第２中間デバイス１０４ｂは、第１中間デバイスと共有する第２共有鍵と、第３中間デバイス１０４ｃと共有する他の共有鍵とを含む一対の共有鍵を有する。第３中間デバイス１０４ｃは、選択された量子鍵交換プロトコルを用いて、通信リンク１０６ｂを経由して隣接する第２デバイス１０２ｂと別の共有鍵を交換する。すなわち、第３中間デバイス１０４ｃは、第２中間デバイス１０４ｂと共有する別の共有鍵と、第２デバイス１０２ｂと共有する別の共有鍵とを含む一対の共有鍵を有する。第２デバイス１０２ｂは、第３中間デバイス１０４ｃと共有するさらなる共有鍵のみを有する。同様に、第１デバイス１０２ａは、受信された第１シンボルセットのみを有し、第１中間デバイスからの送信または受信基底セットと、ランダムシンボルなどを受信または送信するための受信または送信基底セットとを有する。
デバイス１０２ａ、１０４ａ～１０４ｃ、１０２ｂの各々が、隣接する隣接デバイスと所謂鍵を共有すると、第１中間デバイス１０４ａは、通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｃを介して、交換された第１中間鍵情報を表すデータを第２エンドポイントデバイスに安全に送信する。これは、デバイスのグループ内の近隣接デバイスの共有鍵で第１中間鍵情報を暗号化することを含んでもよい。暗号化された第１中間鍵情報は、通信リンク１０８ｂ、１０６ｂを介して近隣デバイスを介して第２エンドポイントデバイスに送信され、残りの中間デバイス１０４ｂ、１０４ｃは、第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を、近隣デバイスとの間の通信リンクを介して、対応する共有鍵を用いて安全に第２エンドポイントデバイスに送信する。第２エンドポイントデバイス１０２ａは、暗号化された第１中間鍵情報を受信し、暗号化された第１中間鍵情報を解読して、第１中間デバイス１０４ａによって決定された第１中間シンボルセットを取得する。
受信すると、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂは、第１中間デバイス１０４ａと第１中間鍵情報を交換する際に第１デバイス１０２ａが使用するハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル（または他のＱＫＤプロトコル）を用いて最終共有鍵を決定する。最終共有鍵は、第１中間鍵情報に基づいて共有最終鍵を交換するためのハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの第２部分を実行する第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂによって決定されてもよく、最終共有鍵を交換するためのハイブリッド－ＢＢ８４量子鍵交換プロトコルの第２部分は、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａ、１０２ｂを含み、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを、第１中間デバイス１０４ａとの間で第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスによって安全な通信チャネル１１０を経由して交換するステップと、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスによって安全な通信チャネル１１０を介して交換するステップと、第１エンドポイントデバイス１０２ａによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２セットのシンボルを、第１エンドポイントデバイス１０２ａによって送信または受信される第１ランダムシンボルセットと、第１中間鍵情報において受信された第１中間シンボルとによって使用される送信または受信基底セットを用いて、第２エンドポイントデバイス１０２ｂによって決定するステップと、第１エンドポイントデバイス１０２ａによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２セットのシンボルを決定するステップと、第１デバイスおよび第２デバイス１０２ａ、１０２ｂによる、共通鍵に基づく第１および第２ランダムシンボルセットを、それらの間のクラシック的に安全な通信チャネル１１０を経由して交換するための処理および変換を行う。処理および変換は、第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットをシフトする調整手順と、シフトされた第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットの誤り検出および訂正と、プライバシー強化と、盗聴されたことが検出された第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットからそれらのシンボルを廃棄することによる盗聴者検出と、それらの間で最終共有鍵を形成するための第１および第２シンボルセットからのシンボルの選択に同意することと、を含む。
オプションとして、第１中間鍵情報は、第１エンドポイントデバイス１０２ａとの通信リンク１０６ａの第１量子チャネルを経由して第１ランダムシンボルセットが送信または受信されるときに第１中間デバイス１０４ａによって使用される送信または受信基底セットのグループを表すデータをさらに含んでもよく、そして、第１エンドポイントデバイス１０２ａと共に第１ランダムシンボルセットが送信または受信されたときに、第１中間デバイス１０４ａによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットは、第１エンドポイントデバイス１０２ａによって送信または受信される。別のオプションとして、第１エンドポイントデバイス１０２ａと第２エンドポイントデバイス１０２ｂとの間で安全な通信チャネル１１０を介して共有鍵を交換することは、第２エンドポイントデバイス１０２ｂによって決定された第２シンボルセット、および第１エンドポイントデバイス１０２ａによって送信または受信された第１シンボルセットに対して、最終鍵情報調整、誤り訂正および／または検出、およびプライバシー強化を実行して、最終共有対称鍵を生成することも含んでもよい。追加的にまたは代替的に、第２エンドポイントデバイス１０２ｂと第１中間デバイス１０４ｃとの間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルである。さらに、通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂを介して接続された第１中間デバイス１０４ａ、他の任意の中間デバイス１０４ｂ、１０４ｃ、および第２デバイス１０２ｂ（それぞれが量子チャネルおよびクラシックチャネルを有する）を含むデバイスグループ間で鍵を共有することは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルを用いて、グループの対応するデバイスと、そのグループの隣接するデバイスとの間で共有鍵を交換することを含んでもよい。
上記の鍵交換システム３００および第１デバイス１０２ａと第２デバイス１０２ｂとの間で共有秘密鍵または最終共有鍵を交換するプロセスの例として、鍵交換システム３００は、上記したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの第１部分およびハイブリッド－ＢＢ８４プロトコルの鍵交換部分について簡単に概説したＢＢ８４プロトコルおよびハイブリッド－ＢＢ８４バージョンを参照して説明される。この例はＢＢ８４プロトコルを利用し、ハイブリッド－ＢＢ８４バージョンも説明しているが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されないが、元の鍵素材が中間デバイス（例えば、中間ノード）間で中継されるときに、元の鍵素材のＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化を提供する２つのデバイス間で共有鍵を生成することを可能にするＱＫＤプロトコル／プロセスが、デバイス間で使用される鍵交換プロトコルとして使用され得ることを当業者は理解する。
この例では、ＢＢ８４プロトコルおよびハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル（例えば、図３ｂ参照）が例としてのみ使用されている。第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ、第１中間デバイス１０４ａをＥｖａｎ、第２中間デバイス１０４ｂをＤａｖｉｄ、最後またはＮ番目の中間デバイス１０４ｃ（第３中間デバイス）をＣａｒｏｌ（例えば、第２中間デバイスと称する（この例では、Ｎ＝３）。この例に概説された鍵交換プロセスは、図１ａ～２ｄを参照して説明したように、鍵交換システムおよび／またはプロセス１００、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、２００、２１０、２２０、２３０を変更するために使用してもよい。なお、一般性を損なうことなく、本例で説明された鍵交換プロセスステップは、図１ａ～２ｄを参照した鍵交換プロセスで説明された順序と同様であっても、異なる順序であってもよく、および／または、本明細書に記載された順序であってもよい。この例では、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で共有秘密鍵（本明細書では最終共有鍵ともいう）が確立されたと判断すると、鍵交換システム３００の鍵交換プロセスが開始される。これに応答して、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、それぞれ、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃと呼ばれる最近隣デバイス（またはノード）から量子情報ストリームを受信する。この場合、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃは、それぞれランダムビットストリング（またはシンボル／ビットまたはビットストリームの集合）を作成し、ＢＢ８４プロトコルに従ってこれらを用いて量子状態を作成する。Ｂｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０６ｂを経由して完全なＢＢ８４（または本明細書で説明されるＱＫＤプロトコルセット内の他のＱＫＤプロトコル）鍵確立を実行し、ＫBCで表される鍵を共有する。
Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＥｖａｎ １０４ａは、通信リンク１０６ａを経由してハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの第１部分を実行し、この例では、Ｅｖａｎ １０４ａはＡｌｉｃｅ １０４ａと第１鍵情報を交換する。これは、Ｅｖａｎ １０４ａが、ＫEAと表されるランダムビットストリング（またはシンボル／シンボルストリームセット、またはビットストリング）を通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由して送信することによって実行され、ここで、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダムビットストリングＫEAの量子伝送を１つ以上のランダムな受信基底セットを用いて受信し、受信ビットストリングＫ’eaを形成する。さらに、Ｅｖａｎ １０４ａは、ランダムビットストリングＫEAを送信するためにＥｖａｎ １０４ａが使用する送信基底セットを、通信リンク１０６ａのクラシックチャネルを介してＡｌｉｃｅ １０２ａに送信する。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダムビットストリングＫEAの送信状態を作成するためにＥｖａｎ １０４ａが使用する送信基底セットまたは基底を受信するが（これらは公表されているので、Ｂｏｂ １０２ｂにも知られている）、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａから送信されたランダムビットストリングＫEAの送信量サブ状態を測定するためにＡｌｉｃｅ １０２ａが使用する受信基底セットまたは基底のいずれかを保留または公表しない。したがって、Ａｌｉｃｅ １０２ａがＥｖａｎの送信基底とＡｌｉｃｅの受信基底を有すると仮定すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａがどのシンボル／ビットを送信し、Ａｌｉｃｅ １０２ａがどのシンボル／ビットを有効／成功したかを知っているが、Ｅｖａｎ １０４ａは、ランダムビットストリングＫEA内のどのシンボル／ビットを、Ａｌｉｃｅ １０２ａが受信したか、またはＡｌｉｃｅ １０２ａがランダムビットストリング内で有効／成功したかを知らない。なお、Ａｌｉｃｅ １０２ａが受信したランダムビットストリングＫEAのビット／シンボルは、Ｋ’ＥＡと表され、送信されたランダムビットストリングＫEAとは異なり、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、送信されたランダムビットストリングＫEAを受信する際に受信基底をランダムに選択するため、Ｅｖａｎ １０４ａがランダムビットストリングＫEAを送信するために使用するビット／シンボルの送信基底ではなく、誤った受信基底を用いることが避けられない。
Ｅｖａｎ １０４ａは、この例では、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信されたランダムビットストリングＫＥＡをＤａｖｉｄ １０４ｂを介してＣａｒｏｌ １０４ｃに送信し続ける。これは、Ｅｖａｎ １０４ａとＣａｒｏｌ １０４ｃの間に他の中間デバイスがない場合（実際には、中間デバイスが１つしかない場合、ＣａｒｏｌとＥｖａｎは同じ中間デバイス／ノードである）、直接発生する可能性がある。そうでない場合、ビットストリングＫＥＡは、一連の中間デバイス（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａからＤａｖｉｄ １０４ｂへ、そしてＣａｒｏｌ １０４ｃへ）を介して送信され、各中間デバイスは、それらの間で共有鍵を交換するために以前に最近隣のデバイスと完全なＢＢ８４鍵交換を実行している。したがって、Ｅｖａｎ １０４ａは、第１中間鍵情報、すなわち、通信リンク１０６ａを経由してＡｌｉｃｅ １０２ａと交換されるランダムビットストリングＫＥＡと、通信リンク１０８ａを経由してＤａｖｉｄ １０４ｂと共有される共有鍵Ｋdeとを有し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、通信リンク１０８ａを経由してＥｖａｎ １０４ａと共有される共有鍵Ｋdeと、通信リンク１０８ｂを経由してＣａｒｏｌ １０４ｃと共有される共有鍵Ｋcdとを有し、また、Ｃａｒｏｌ １０４ｂは、通信リンク１０６ｂを経由してＢｏｂ １０２ｂと共有される共有鍵Ｋbcと、通信リンク１０８ｂを経由してＤａｖｉｄ １０４ｂと共有される共有鍵Ｋcdとを有する。Ｅｖａｎ １０４ａは、ＢＢ８４によって生成された共有鍵Ｋdeを用いてビットストリングＫea（例えば、ＫＥＡ ＸＯＲ Ｋde）をＯＴＰ暗号化する。Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、通信リンク１０８ａのクラシックチャネルを経由して暗号化ビットストリングＫＥＡを受信し、共有鍵Ｋde（例えば、暗号化ビットストリングＫea ＸＯＲ Ｋde）を用いて解読し、ビットストリングＫeaを共有鍵Ｋcd（例えば、ＫＥＡ ＸＯＲ Ｋcd）で暗号化する。このようにして、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、最終的に、Ｅｖａｎ １０４ａが自己の量子状態を作成し、通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由してＡｌｉｃｅ １０２ａに送信するために使用したビットストリングＫＥＡのコピーを、通信リンク１０８ｂのクラシックチャネルを介して受信する。なお、各共有鍵は、ビットストリングＫeaを暗号化するのに十分な長さである。
このとき、Ｃａｒｏｌ １０４ｃはビットストリング（例えば、Ｋea ＸＯＲ ＫBC）を暗号化し、ＢＢ８４が確立した共有鍵ＫBCを用いて通信リンク１０６ａのクラシックチャネルを経由してＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、現在、別のまたは別のクラシックチャネル１１０を経由して通信を行い、ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの鍵交換部を実行する。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間のクラシックチャネル１１０は、クラシック暗号化（またはポスト量子暗号鍵などを用いて暗号化）されてもよく、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａからＫＥＡを受信するためにＡｌｉｃｅ １０２ａを表す受信基底測定データをＢｏｂ １０２ｂと安全に共有するようになっている。オプションとして、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由して、ＫＥＡを送信するための送信基底測定Ｅｖａｎ １０４ａをＡｌｉｃｅ １０２ａに送信することもできるが、これはまた、Ｅｖａｎ １０４ａによって公然と共有されてもよい。これは、Ｂｏｂ １０２ｂが、Ａｌｉｃｅ １０２ａがＥｖａｎ １０４ａから実際に受信したＫＥＡのどのビット／シンボルを決定してもよいことを意味する。Ｅｖａｎ １０４ａによって公開されて共有されている準備された基底（または送信基底測定）、またはクラシックチャネル１１０によって共有されているＡｌｉｃｅ １０２ａとともに、Ｂｏｂ １０２ｂは次に、Ａｌｉｃｅ １０２ａが Ｎによって、Ｋ’eaを形成するために、どのビット／シンボルを直接受信することに成功したかを決定してもよい。ＡＬＩＣＥ １０２ＡおよびＢＯＢ １０２Ｂは、ハイブリッド－ＢＢ８４鍵交換プロトコルの部分として、標準ＢＢ８４プロトコルで行われるように、有効に受信されたビットストリングＫ’eaに対して、最終的な情報調整、プライバシーの拡大および／または誤り訂正などを行う。これにより、対称鍵が最終的に共有され、鍵が最終的に共有され、誤りがなく、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂのみに知られていることが保証される。
図３ｂは、本発明に係る図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０を有する、ＱＫＤプロトコルとして使用される例示的なハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０を示す概略図である。簡単のために、図３ｂと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の１つ以上のハイブリッド－ＢＢ８４サブプロセス／部分３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃ、３１２ｄは、第１鍵交換プロトコルの一部および／または鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００および図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、３ａのプロセス１４０、１５０、１６０、１７０における第１デバイス１０２ａ、第２デバイス１０２ｂ、および／または中間デバイス１０８ａ～１０８ｎによって使用されるプロトコルセットの１つ以上のプロトコルの一部として使用してもよい。これらのシステムは、適用上の要件に応じて、および／または図２ｄおよび３ａを参照して説明したように、ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０に基づいてさらに修正されてもよい。図３ｂでは、概略図は上から下に読み取られるべきであり、時間は図中で下にシフトしている。
図３ｂを参照すると、ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０は、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂ上の中間デバイス１０４ｃ（例えばＣａｒｏｌ）を介して、第１デバイス１０２ａ（例えばＡｌｉｃｅ）と第２デバイス１０２ｂ（例えばＢｏｂ）との間での３者間鍵交換である。ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）とが、通信リンク１０６ａ、１０６ｂを介して１つ以上の中間デバイス１０４ｃ（例えば、Ｃａｒｏｌ）を介して互いに通信することにより実行される。簡単のため、第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ １０２ａ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ １０２ｂ、中間デバイス１０４ｃをＣａｒｏｌ １０４ｃ（例えばＣ）と呼ぶ。各通信リンク１０６ａ、１０６ｂは、量子チャネルとクラシックチャネルとを含む。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間には、クラシックチャネルを含む別の通信リンク１１０も示されている。
Ａｌｉｃｅ １０２ａ、Ｂｏｂ １０２ｂ、およびＣａｒｏｌ １０４ｃに関するハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の実装について説明するが、以下の４つの主要な鍵交換サブプロセスまたは部分に基づいて、これらに限定されない。１）第１中間鍵共有サブプロセス３１２ａであって、Ｃａｒｏｌ １０４ｃのための第１中間鍵情報を生成するためのＡｌｉｃｅ １０２ａとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間の相互作用の第１セットを記述し、第１中間シンボルセット（またはビット）、またはＫACとして表される第１秘密シンボル／ビット、およびＫ’acとして表されるＡＬＩＣＥ １０２Ａの第１受信中間シンボルセットとも呼ばれる。２）第１中間鍵共有サブプロセス３１２ｂであって、第１中間鍵共有サブプロセスと同等であるが、Ｂｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃに対するものであり、Ｃａｒｏｌ １０４ｃのための第２中間鍵情報を生成するためのＢｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間の相互作用の第２セットを記述し、第２中間シンボルセット（またはビット）、またはＫBCと表される第２秘密シンボル／ビット、Ｋ’BCと表されるＢｏｂ １０２ｂのための第２受信中間シンボルセットとも呼ばれる。第３鍵交換サブプロセス３１２ｄであって、Ｋ’’ACとして表される、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信される元のランダムビットＫACの推定値を導出するためのＢｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃ（および／またはＢｏｂ １０２ｂ）との間の鍵交換相互作用の第３セットを記述する。第４鍵交換サブプロセスであって、Ｋ’’ACおよびＫ’ACをＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵に処理および／または変換することによって最終共有鍵を決定するためのＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の第４鍵交換相互作用を記述する。以下の鍵交換サブプロセスは、以下の説明に基づいてもよいが、例えば、Ａｌｉｃｅ １０２ａ、Ｂｏｂ １０２ｂ、および／またはＣａｒｏｌ １０４ｃに関して限定されるものではない。
第１サブプロセス３１２ａにおいて、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０６ａの対応する量子チャネルを経由しての伝送のために、第１送信基底を用いて、量子状態で符号化されたランダムビットストリングＫAC（第１シンボル／ビットセット）を、ＢＢ８４プロトコルと同様にＡｌｉｃｅ １０２ａに送信する。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、第１受信ランダム基底セットを用いてこれらの送信状態を測定し、その結果を記録して第１受信シンボル／ビットセットを生成することにより、これらの量子送信を受信する。Ｃａｒｏｌ １０４ｃが、量子チャネルを介してＡｌｉｃｅ １０２ａに第１シンボルセットＫACを送信するために準備した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが準備したのと同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａに対して、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３１４ａを効率的に通過し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。通過したビット／シンボルは、受信された第１中間シンボル／ビットセットＫ’ACを形成する。なお、第１受信された中間シンボル／ビットセットＫ’acは、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信された元の第１シンボルセットＫacの完全なコピーではない。
第２サブプロセス３１２ｂにおいて、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０６ｂの対応する量子チャネルを経由しての送信のために、第２送信基底を用いて、ＢＢ８４プロトコルと同様の方法で、ランダムビットストリングＫbc（第２シンボル／ビットセット）をＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、第２受信ランダム基底セットを用いてこれらの状態を測定し、その結果を記録して第２受信シンボル／ビット群を生成することにより、これらの量子伝送を受信する。Ｃａｒｏｌ １０４ｃが、Ｂｏｂ １０２ｂに量子チャネルを介して第２シンボルセットＫbcを送信するために準備した送信基底を宣言すると、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが準備したのと同じ基底でＢｏｂ １０２ｂが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ｂｏｂ １０２ｂでは、受信された第２シンボル／ビットセットがフィルタ３１４ｂを効率的に通過し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第２シンボル／ビットセットビット／シンボルは通過させ、それ以外のビット／シンボルは通過させない。通過させたビット／シンボルは、第２受信中間シンボル／ビットセットＫ’bcを形成する。なお、受信された第２中間シンボル／ビットセットＫ’bcは、Ｂｏｂ １０２ｂに送信された元の第２シンボルセットＫbcの完全なコピーではない。
第３サブプロセス３１２ｃにおいて、このプロトコルを継続するために、Ｃａｒｏｌ １０４ｃがＡｌｉｃｅ １０２ａに送信したランダムビットストリングＫACをＢｏｂ １０２ｂに送信しなければならない。Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃがＢｏｂ １０２ｂに送信したランダムビットストリングＫbcを用いてランダムビットストリング ＫACに排他的論理和演算を行うことによってこれを実現し、これは、ランダムビットストリングＫAC（例えば、Ｋbc ＸＯＲ ＫAC）を本質的に暗号化する。暗号化されたランダムビットストリングＫbc ＸＯＲ ＫACは、通信リンク１０６ｂのクラシックチャネルを経由してＢｏｂ １０２ｂに送信される。Ｂｏｂ １０２ｂはＫACの完全なコピーを持っていないので、Ｂｏｂ １０２ｂは、第２受信した中間シンボル／ビットセットＫ’bcのみを有しており、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｋbcを完全な忠実度で復元することができず、その代わりに、Ｂｏｂ １０２ｂは、第２受信した中間シンボル／ビットセットＫ’ＢＣと、受信した暗号化されたランダムビットストリングＫAC（例えば、Ｋ’bc ＸＯＲ（Ｋbc ＸＯＲ ＫAC）＝Ｋ’’AC）をＸＯＲに付することに基づいたフィルタ３１２ｃを用い、次に、Ｂｏｂ １０２ｂは、受信した暗号化されたランダムビットストリングＫACのフィルタされたバージョンを取得し、Ｋ’’ACとして表す。
第４サブプロセス３１２ｄにおいて、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃによって使用される既知の送信基底セットおよびＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂによって使用される受信基底セットを用いて最終共有鍵を決定し、フィルタリング／マッチング演算３１４ｄおよび３１４ｅを実行して、Ｋ’ac ａｎｄ Ｋ’’ac間の同じシンボル／ビット位置に一致するシンボル／ビットを見つける。このとき、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、実質的に同じまたは類似のランダムビットストリングを共有し、この部分では、Ｋ’’ACの部分は、Ｋ’acの対応する部分と一致する。同じ最終共有鍵に到達するために、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、それぞれがＫ’acおよびＫ’’acを形成するときに、元の受信されたランダムビットストリングをフィルタリングするために使用される、それぞれの受信基底セットを交換することによって、クラシックチャネル１１０を経由して安全な通信する。次に、それらは、調整および／またはマッチング／シフト演算３１４ｄおよび３１４ｅをそれぞれ実行して、Ｋ’acおよびＫ’’AC内の同じビット／シンボル位置で一致するビット／シンボルの対応するビット／シンボルを決定し、この交点は、最終共有鍵として使用されるＡｌｉｃｅおよびＢｏｂ １０２ａおよび１０２ｂのＫf acをもたらす一致ビット／シンボルセットを提供する。さらに、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、最終共有鍵を決定する前に、例えば、フィルタリング、誤り検出／訂正、情報調整、およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含むがこれに限定されない、ＢＢ８４と同様のさらなる協調演算／処理を実行してもよい。これは、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂ間の最終共有鍵に一致ビット／シンボルを変換する。
図３ｃは、図３ｂのハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の第１サブプロセス３１２ａを利用する例示的な鍵交換システム３２０を示す概略図である。簡単のために、図３ｃと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃの符号を参照する。鍵交換システム３２０は、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、３ａおよび３ｂの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０のうちのいずれか１つ以上を修正するために使用され得る。これらのシステムは、適用上の要件に応じて鍵交換システム３２０に基づいてさらに修正してもよい。図３ｃでは、概略図は上から下に読み取られるべきであり、時間は図中で下にシフトしている。
図３ｃを参照すると、鍵交換システム３１０は、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂを経由した中間デバイス１０４ｃ（例えば、Ｃａｒｏｌ）を介して、第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２デバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）との間での３者間鍵交換である。図３ｂのハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の第１サブプロセス３１２ａは、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と、１つ以上の中間デバイス１０４ｃ（例えば、第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）との間で実行され、Ｃａｒｏｌは、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂを介して通信される。簡単のため、第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ １０２ａ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ １０２ｂ、中間デバイス１０４ｃをＣａｒｏｌ １０４ｃ（例えばＣ）と呼ぶ。各通信リンク１０６ａ、１０６ｂは、量子チャネルとクラシックチャネルとを含む。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間には、クラシックチャネルを含む別の通信リンク１１０も示されている。
Ａｌｉｃｅ １０２ａ、Ｂｏｂ １０２ｂ、およびＣａｒｏｌ １０４ｃに関するハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の実装について説明するが、以下の４つの主要な鍵交換サブプロセスまたは部分に基づいて、これらに限定されない。１）第１中間鍵共有サブプロセス３１２ａは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃの第１中間鍵情報を生成するために図３ｂのハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の第１サブプロセス３２２ａに基づいてＡｌｉｃｅ １０２ａとＣａｒｏｌ １０２ｃとの間で実行し、第１中間シンボルセット（またはビット）、Ｋacと表される第１秘密シンボル／ビット、およびＫ’acと表される第１受信中間シンボルセットとも呼ばれる。２）第２中間鍵共有サブプロセス３２２ｂは、ＢＢ８４プロトコルを利用して、Ｂｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間で鍵ＫBCを共有する。第３鍵交換サブプロセス ３２２ｄは、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のランダムビットＫacを安全に交換するための２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃ（および／またはＢｏｂ １０２ｂ）との間の鍵交換相互作用の第３セットを記述する。第４鍵交換サブプロセスは、Ｋacを処理および／またはＫ’acに変換することによって最終共有鍵を決定するためのセキュアクラシックチャネル１１０上のＡＬＩＣＥ １０２ＡとＢＯＢ １０２Ｂとの間の鍵交換相互作用の第４セットを記述し、この最終共有鍵は、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵ＫF ACにさらに処理する。以下の鍵交換サブプロセスは、以下の説明に基づいて、例えば、Ａｌｉｃｅ １０２ａ、Ｂｏｂ １０２ｂ、および／またはＣａｒｏｌ １０４ｃに関して説明されてもよいが、これらに限定されるものではない。
第１サブプロセス３２２ａにおいて、図３ｂのサブプロセス３１２ａに記載されているように、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０６ａの対応する量子チャネルを経由して送信するために、第１送信基底を用いて、ＢＢ８４プロトコルと同様に、量子状態で符号化されたランダムビットストリングＫＡＣ（第１シンボル／ビットセット）をＡｌｉｃｅ １０２ａに送信する。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、第１受信ランダム基底セットを用いてこれらの送信状態を測定し、その結果を記録して第１受信シンボル／ビットセットを生成することにより、これらの量子送信を受信する。Ｃａｒｏｌ １０４ｃがＡｌｉｃｅ １０２ａに量子チャネルを経由して第１シンボルセットＫacを送信するために準備した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが準備したのと同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａに対して、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３１４ａを効率的に通過し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。通過させたビット／シンボルは、第１受信中間シンボル／ビットセットＫ’acを構成する。なお、第１受信された中間シンボル／ビットセットＫ’acは、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信された元の第１シンボルセットＫacの完全なコピーではない。
第２サブプロセス３２２ｂにおいて、Ｃａｒｏｌ １０４ｃとＢｏｂ １０２ａは、ＱＫＤプロトコルを用いて通信リンク１０６ｂの量子チャネルを用いて共有鍵を交換する。この例では、ＢＢ８４ＡＫＤプロトコルは、これらの間で共有鍵Ｋbcを共有するために使用される。
第３サブプロセス３２２ｃにおいて、このプロトコルを継続するために、Ｃａｒｏｌ １０４ｃがＡｌｉｃｅ １０２ａに送信したランダムビットストリングＫacをＢｏｂ １０２ｂに送信しなければならない。Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、ランダムビットストリング ＫacをＣａｒｏｌ １０４ｃがＢｏｂ １０２ｂに送信したランダムビットストリングＫBCととともに排他的論理和演算を行うことによりこれを実現し、これは、ランダムビットストリングＫac（例えば、ＫBC ＸＯＲ Ｋac）を本質的に暗号化している。暗号化されたランダムビットストリングＫBC ＸＯＲ Ｋacは、通信リンク１０６ｂのクラシックチャネルを介してＢｏｂ １０２ｂに送信される。Ｂｏｂ １０２ｂは共有鍵ＫBCを有するので、Ｂｏｂ １０２ｂはＫac、自身の共有鍵ＫBCを受信した暗号化ランダムビットストリングＫBC ＸＯＲ Ｋac（例えば、ＫBC ＸＯＲ（ＫBC ＸＯＲ Ｋac）＝ＫAC）を完全に復元してもよい。したがって、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｃａｒｏｌ １０４８０との間で、ｃは、同じランダムビットストリングＫacである。
第４サブプロセス３２２ｄにおいて、図３ｂのサブプロセス３１２ａの半分が実行され、ここでは、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂは、Ａｌｉｃｅ １０２ａにＫＡＣを送信する際にＣａｒｏｌ １０４ｃが使用する既知の送信基底セットと、ＢｏｂのＫacをフィルタリングしてＡｌｉｃｅのＫ’acに一致するＫ’acを生成するためにＡＬＩＣＥ １０２ＡがＢＯＢ １０２Ｂに対してシフト演算３１２Ａを実行するために使用する受信基底セットとを用いて最終共有鍵を決定する。Ａｌｉｃｅ １０２ａと同じＫ’ac鍵に到達するために、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂは、１１０ａにおいてクラシックチャネル１１０を経由して安全な通信を行い、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａがＫ’acを形成するときに、ＡＬＩＣＥ １０２Ａが元の受信されたランダムビットストリングをフィルタリングするために使用する受信基底セットを送信する。したがって、Ｂｏｂ １０２ｂは次に、Ａｌｉｃｅの受信基底セットを用いてこのフィルタリング３１２ａを実行し、ランダムビットストリングＫacをフィルタリングしてＫ’acを形成する。次に、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、１１０ｂにおいて、Ｋ’acをＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵Ｋf acに変換する、例えば誤り検出／訂正および／または情報調整およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含むがこれに限定されない調整演算／処理を実行する。
図４ａは、図３ａの鍵交換システム３００およびそのプロセスに基づく、ならびに／または図１ａ～２ｄに基づく本発明に係る量子クラシック鍵交換プロトコルを用いる鍵交換システムの別の例示的な鍵交換システム４００および鍵交換プロセス４０２を示す概略図およびフローチャートである。図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～３ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム４００に基づいてさらに修正される。簡単のために、図１ａ～１ｃおよび３ａ～３ｃの符号は、図４ａと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などを参照する。鍵交換システム４００は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）とを含み、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂを介して、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ（例えば、Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、Ｃａｒｏｌ）を介して互いに通信する。
この例では、５つの当事者が存在することが分かるので、４つの通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂの各々は、点線および／または破線で示される少なくとも１つの量子チャネルを有するハイブリッド量子クラシック通信リンクであってもよく、クラシックチャネル（図示せず）を有する。各通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂは、デバイス間に接続された量子チャネルおよびクラシックチャネルを含んでもよい。したがって、各デバイス１０２ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０２ｂは、本明細書に記載された量子チャネルおよびクラシックチャネルを用いて、その修正、組み合わせ、および／または適用上の要件として、１つ以上のタイプの量子鍵交換／配布プロトコルを実行することを可能にするために、所望の量子ハードウェア／技法および／または量子トランシーバ構造、ならびに所望のクラシックハードウェア／技法および／またはクラシックトランシーバなどを有する。ＢＢ８４プロトコルおよびハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの一部（例えば、図３ｂを参照）は、この例で使用されるが、これは一例としてのみであり、本発明はこれに限定されるものではなく、元の鍵材料が中間デバイス間で中継されるときに、元の鍵材料のＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化（例えば、中間ノード）を提供する２つのデバイス間で共有鍵を生成するＱＫＤプロトコル／プロセスのいずれかが許容されることを当業者は理解する。第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ、第１中間デバイス１０４ａをＥｖａｎ、第２中間デバイス１０４ｂをＤａｖｉｄ、最後またはＮ番目の中間デバイス１０４ｃ（第３中間デバイス）をＣａｒｏｌ（例えば、第２中間デバイス）と称する（この例では、Ｎ＝３）。
図４ａおよび鍵交換システム４００を参照すると、この例では、２つのエンドポイントＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂがあり、これらは、例えば地球の他の側に位置してもよく、互いに通信することが望ましいが、これらに限定されない。Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、光ファイバケーブルからなる通信リンク１０６ａおよび１０６ｂを介して、それぞれ別のハブ中間デバイスであるＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃに接続されている。光ファイバケーブルは、クラシックチャネルと量子チャネルを提供してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａおよび／またはＣａｒｏｌ １０４ｃから、制限なしに、例えば１００ｋｍまで離れていてもよい。これらのハブＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃは、同様にしてそれらに接続された複数の他のエンドポイントデバイスを互いに有してもよい。２つのハブＥｖａｎ １０４ａとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間のギャップをブリッジするために、第２中間デバイス（例えば、Ｄａｖｉｄ）が使用されてもよく、この例では、当該第２中間デバイスは、衛星であり、軸スポーク型ネットワークの効率を維持しながら、非常に大きな距離にわたって量子チャネルを作成してもよい。Ｄａｖｉｄ １０４ｂが衛星であるとすれば、ハブＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０８ａおよび１０８ｂのフリースペース量子チャネルを介して光子をそれぞれ受信するためにＯＧＲを必要とし、いくつかの通信リンクの量子チャネルおよびクラシックチャネルをいくつかのエンドポイントに接続するために光ファイバネットワークスイッチを必要とする。
Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂがＮビットの長さの鍵を共有したいとする。最初に、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂの量子チャネルを介して最近隣にビットを送信する必要がある各中間デバイスＥｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、ランダムビットストリングを生成する。理想的には、量子乱数生成器を用いてビットストリングを生成することにより、高品質のランダム性を確保してもよい。各量子チャネルの効率が同じであり、ｑで与えられると仮定すると、送信側がＮビットを用意していれば、例えばＢＢ８４プロトコルを実行した後に（限定されるわけではないが）、得られる共有鍵長はηＮとなる。鍵交換プロトコルを開始するために、Ｃａｒｏｌ １０４ｃおよびＤａｖｉｄ １０４ｂは、各々の量子チャネルに対してη-2Ｎビットを用意し、Ｅｖａｎ １０４ｃ（Ａｌｉｃｅ １０２ａに最も近い中間デバイス／ノード）を除いて、ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０の第１サブプロセス３１２ａまたは３２２ａ等を用いてＡｌｉｃｅ １０２ａと通信するために、η-1Ｎビットのみを用意する。
Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の通信リンク１０６ａ上の量子チャネルを除いて、通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、１０６ａ上の全ての量子チャネルが完全なＢＢ８４ＱＫＤ交換を行い、各隣接デバイス間で共有鍵を生成する。これにより、Ｅｖａｎ １０４ａとＤａｖｉｄ １０４ｂ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃの各中間ノード対の間、およびＢｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃの間の（損失後の）長さη-1Ｎの共有鍵が生成される。
Ｅｖａｎ １０４ａは、図３ｂまたは３ｃのサブプロセス３１２ａまたは３２２ａを実行する。これにより、Ｅｖａｎ １０４ａは、量子ビットを用いて符号化された自身のビットストリングをＡｌｉｃｅ １０２ａに送信する。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダムに選択された基底を用いて、これらのビットを測定する。Ｅｖａｎ １０４ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａに対して、どの基底を用いて量子ビットを準備するかを宣言するが、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａがどの量子ビットを測定したかをＥｖａｎ １０４ａに宣言することを保留するか、しないかを決定する。この情報を用いて、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のビットストリングＥｖａｎ １０４ａから、Ｅｖａｎ １０４ａがどのビットを送信したか（誤りや盗聴がないと仮定して）を判断してもよい。しかしながら、Ｅｖａｎ １０４ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａによって測定されたランダム性に依存するので、それらがどのビットである可能性があるかについての情報を持たない。
各中間デバイス／ノードは現在、η-1Ｎの長さを有する共有鍵をその最近隣と有しているので、Ｅｖａｎ １０４ａは、共通鍵をクラシック使い捨てパッドとして使用して、Ａｌｉｃｅ １０２ａに送信した長さη-1Ｎのビットストリングを完全な忠実度で送信してもよい。使い捨てパッドは完全にランダムであり、各当事者（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、Ｂｏｂ １０２ｂ）はＱＫＤを用いて互いの共有鍵を通信しているので、この通信は量子的かつ情報論的に安全である。このようにして、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａがＡｌｉｃｅ １０２ａに送信したビットストリングのコピーを（従来の通信チャネルを介して）取得してもよい。
Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａのビットストリングのコピーをＡｌｉｃｅ １０２ａに送信し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは彼女が測定した各ビットの基底を彼女に送信してもよい。ＢＢ８４とは対照的に、これらの受信基底は、そうすることは、Ｅｖａｎ １０４ａもまた、元のビットストリング全体のコピーを持っているので、最終鍵を決定してもよいことを意味するので、公に宣言することはできない。これを回避するために、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、（例えば、ＴＬＳまたは他のいくつかの安全または暗号化プロトコル／方式を用いて）クラシック暗号化通信チャネル１１０を作成し、Ｅｖａｎ １０４ａ（および他の任意の中間デバイス／ノード１０４ｂおよび１０４ｃ）がＡｌｉｃｅ １０２ａの測定基底（ランダム受信基底セットなどとも呼ばれる）を発見できないようにする。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の通信がＥｖａｎ １０４ａに知られないことを保証するために他の物理的手段を配置することができ、例えば、物理的なチャネル分離、および通信の監視などに限定されるものではないが、十分な分離保証を提供してもよい。いずれにしても、完全な理論的安全性証明が物理的なチャネル分離に依存しているとしても、実際の安全性を向上させるために、このチャネルを経由して量子耐性暗号を用いることが望ましい。例えばＢＢ８４プロトコル、または情報調整およびプライバシー強化のための他の類似のＱＫＤプロトコルからの公知の慣行に従って（ただし、これらに限定されない）、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、最終共有鍵長ηをもたらすｑの効率で最終共有鍵を抽出してもよいようになった。
ここで、鍵交換システム４００の鍵交換プロセス４０２を参照する。ここで、鍵交換プロセス４０２は、フローチャート中で時間が下にシフトして、上から下に読み込まれる。鍵交換プロセス４０２は、第１中間鍵情報（Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間で交換される第１鍵またはランダムビットストリングＫ4を含んでもよい）が、どのようにして安全に転送され、中間ノードＤａｖｉｄ １０４ｂおよびＣａｒｏｌ １０４ｃを介して共有鍵Ｋ3、Ｋ2、Ｋ1を用いてデバイスチェーンの他端のＢｏｂ １０２ｂに送信されるかである。その後、通信回線１１０を介してＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で、鍵Ｋ’4から導出される最終共有鍵の鍵交換が行われる。
具体的には、この例では、デバイスグループＥｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂは、通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂを介してデバイスチェーンを形成する。これらすべての通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂのデバイスグループによって実行される量子チャネル／クラシックチャネルを含むが、例えばＢｏｂ １０２ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、およびＥｖａｎ １０４ａのデバイスグループ間で共有鍵Ｋ1、Ｋ2、および、Ｋ3を交換するための完全なＢＢ８４鍵交換に限定されない。しかしながら、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａへの通信リンク１０６ａは、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＥｖａｎのランダムビットストリング（または第１中間鍵情報）Ｋ4を交換するために使用され、Ａｌｉｃｅ １０２ａはランダムビットストリングＫ4をＫ’4として受信し、Ｋ4とＫ’4とは異なる。Ｅｖａｎのランダムビットストリング（または第１中間鍵情報）Ｋ4とＡｌｉｃｅ １０２ａとの交換は、例えばハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０および／または図３ｂおよび３ｃを参照して説明した第１サブプロセス３１２ａまたは３２２ａ、それらの組み合わせ、それらの修正、および／または本明細書で説明したような部分鍵交換に基づくが、これらに限定されない。Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂを接続する通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂによって形成されるデバイスチェーンは、第１中間鍵情報、すなわち第２中間鍵情報を安全に転送するように構成される。チェーンの他端のＥｖａｎ １０４ａからＢｏｂ １０２ｂまでのランダムビットストリングＫ4は、共有鍵Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3を用いている。ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０に基づくＡｌｉｃｅ １０２ａとの部分鍵交換で使用されるＥｖａｎのビットストリングＫ4を用いてＢＢ８４でネゴシエーションされた共有鍵は、Ｅｖａｎ １０４ａからＢｏｂ １０２ｂにチェーンに沿って渡される。
特に、鍵交換プロセス４０２は、以下のステップを含んでもよい。タイムステップＴ1において、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂは、例えばＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルを用いて、それらの最近隣との間で秘密鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3を確立する。例えば、Ｂｏｂ １０２ｂはＣａｒｏｌ １０４ｃと共有鍵Ｋ1を交換し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃはＤａｖｉｄ １０４ｂと共有鍵Ｋ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂはＥｖａｎ １０４ａ Ｋ2と共有鍵Ｋ3を交換する。共有鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3は、Ｅｖａｎ １０４ａが通信リンク１０６ａを経由してＡｌｉｃｅ １０２ａに送信するビットストリングＫ4（第１中間鍵情報）を暗号化するのに十分な長さである。この例では、Ｄａｖｉｄ １０４ｃは衛星なので、Ｃａｒｏｌ １０４ｃに１つ、Ｅｖａｎ １０４ａに１つの２つのチャネルに沿って送信する。なお、この例では、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂの量子チャネルを経由してのＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂへの量子伝送の方向は、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは量子伝送デバイスを必要とせず、量子受信デバイスのみで済み、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂの終端に必要な量子装置が簡略化されることを意味する。同様に、Ｄａｖｉｄ １０４Ｂは衛星であるため、この例では、通信リンク１０８ａおよび１０８ｂからＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃへの量子チャネルを経由しての量子伝送方向は、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃが、例えば地上ベースの光レーザーのような量子伝送デバイスを必要とせず、例えばＯＧＲのような量子受信デバイスのみを必要とすることを意味し、衛星Ｄａｖｉｄ １０４ｃおよびＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃのハブで必要とされる量子装置を簡略化する。
同様に、タイムステップＴ1において、Ｅｖａｎ １０４ａは、自身のビットストリングＫ4（例えば、第１中間シンボルセット、第１シンボルセット、または第１中間鍵情報）を通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由しての量子伝送としてＡｌｉｃｅ １０２ａに送信することによって、Ａｌｉｃｅ １０２ａと部分的な鍵交換を行い、ここで、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダム受信基底（すなわちランダム受信基底セット）を測定することによって量子伝送を受信し、ビットストリングＫ4の伝送されたシンボル／ビットを受信する。同様に、Ｅｖａｎ １０４ａは、通信リンク１０６ａのクラシックチャネルを経由して、自分の送信基底セット、すなわちランダム送信基底セットをＡｌｉｃｅ １０２ａと共有するが（および／または、Ｂｏｂ １０２ｂがＥｖａｎの送信基底セットにもアクセスできるように開示してもよい）、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、自分のランダム受信基底セット（例えば、ランダム受信基底セット）の共有を拒否するので、自分の測定基底セットをＥｖａｎ １０４ａと全く共有しない。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、その結果を用いて測定し、そしてその結果を記録して、受信された第１シンボル／ビットセットを生成する。Ｅｖａｎ １０４ａがビットストリングＫ4をＡｌｉｃｅ １０２ａに量子チャネルを経由して送信するために作成した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａが作成した基底と同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａについては、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３２２ａ／３１４ａを効率的に通過し、ここでは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。Ａｌｉｃｅ １０２ａでは、通過したビット／シンボルは、受信された中間第１シンボル／ビットセットＫ’4を形成する。など、最初に受信されたシンボル／ビット中間セットＫ’4は、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のランダムビットストリングＫ4の完全なコピーではない。
タイムステップＴ2において、Ｅｖａｎ １０４ａがＤａｖｉｄ １０４ｂ
Figure 2024505094000003
と交換する共有鍵Ｋ3を用いてＸＯＲ
Figure 2024505094000004
を付することによって、Ｅｖａｎ １０４ａはランダムビットストリングＫ4を暗号化する。この結果、暗号化されたランダムビットストリングＫ3ＸＯＲ Ｋ4は、Ｄａｖｉｄ １０４ｂに送信され、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、自身の共有鍵Ｋ3を暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4（例えば、Ｋ3 ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）に適用してＫ4を解読／取得する。
タイムステップＴ3では、次に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂがＣａｒｏｌ １０４ｃと交換する共有鍵Ｋ2
Figure 2024505094000005
を用いてＫ4を再暗号化し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃに送信し、ここで、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、同様に、その共有鍵Ｋ2を再暗号化されたランダムビットストリングＫ2 ＸＯＲ Ｋ4（例えば、Ｋ2 ＸＯＲ（Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）に適用して、Ｋ4を解読／取得する。
タイムステップＴ4では、次に、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃがＢｏｂ １０２ｂと交換する共有鍵Ｋ1
Figure 2024505094000006
Ｋ4を再暗号化し、通信リンク１０６ｂを経由してＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、その共有鍵Ｋ1を再暗号化されたランダムビットストリングＫ1 ＸＯＲ Ｋ4（例えば、Ｋ1 ＸＯＲ（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）に適用して、Ｋ4を解読／取得する。
タイムステップＴ5では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、クラシック暗号化チャネル１１０（例えば、ＴＬＳ）を作成し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、１１０ａにおいて、このチャネル１１０を用いて、自分の受信測定基底（すなわち、Ａｌｉｃｅ １０２ａが通信リンク１０６ａを経由してＥｖａｎ １０４ｃからビットストリングＫ4 Ｅｖａｎ １０４ｃから取得するために使用されるランダム受信基底）をＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、元のランダムビットストリングＫ4を送信するためにＡｌｉｃｅの受信測定基底とＥｖａｎの送信基底とを用いてＫ4をフィルタリングし、Ｋ4の同じフィルタリングバージョン、すなわちＡｌｉｃｅ １０２ａが有するＫ’4を形成する。
タイムステップＴ6では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、その後、１１０ｂにおいて、Ｋ’4をＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵ＫFに変換してもよい、例えば誤り検出／訂正および／または情報調整およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含むがこれに限定されない、必要とされる任意の調整演算／処理を実行する。
図４ａを参照すると、通信リンク１０６ａ上のデバイスを除いて、量子チャネルを有する通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂ上のすべてのデバイス（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂ）は、鍵Ｋ1、Ｋ2およびＫ3を互いに共有する場合に、例えば完全なＢＢ８４交換を行うように構成されているが、これに限定されない。Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の量子チャネルを有する通信リンク１０６ａは、例えば、他のＱＫＤプロトコルを実行するために使用される。第１ＱＫＤプロトコル、例えば、図３ａ～４ａを参照して説明したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０、３１４ａ、３２２ａの一部、および／または任意の他のＱＫＤプロトコルなどに限定されるわけではない。ここで、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａから鍵情報（例えば、基底情報／セットを送信または受信する）を保持し、ここでは、部分的な交換のみが実行される。Ｂｏｂ １０２ｂが必要な第１中間鍵情報Ｋ4を安全に受信すると、第１鍵交換プロトコル（例えば、ハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０）の完全交換が実行され、安全な通信リンク／チャネル１１０を経由してＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の共有最終鍵ＫFの安全な交換が完了する。初期部分交換はまた、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂが（安全な通信チャネル１１０を介してＡｌｉｃｅ １０２ａと最終鍵交換を行うまで）Ａｌｉｃｅ １０２ａによって受信されたビットストリングＫ4 のどのビット／シンボルを知ることができないようなセキュリティレベルを保証する。したがって、これらのデバイス（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ）が信頼できないデバイスであるか、または何らかの理由で信頼できないと考えられる場合、これらのいずれも最終共有鍵ＫFを導き出すことができないはずである。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＥｖａｎ １０４ａとの間の部分的な交換のために、各中間デバイスは、Ａｌｉｃｅ １０２ａによって受信／送信される完全なビットストリングおよび／またはシンボルを有しない。Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂ、およびＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の通信回線１１０が確保されている限り、エンドポイントデバイスは、保持している鍵情報（例えば、通信回線１１０に接続された鍵情報）を漏洩することはない。受信または測定基底、ランダム受信基底セット）の場合、中間デバイスはＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂ間の最終共有鍵ＫFを導き出すことができないはずである。しかしながら、部分的な交換は、Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の通信リンク１０６ａ上で実行される必要はなく、逆に、通信リンク１０６ａまたは１０６ｂの量子チャネルの信頼性に依存して、Ｂｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間の接続または通信リンク１０６ｂ上で実行されてもよい。なお、簡単にするために、エンドポイント（例えば、Ａｌｉｃｅ １０２ａ）は信頼できるものとみなされるべきであり、したがって、そのようなエンドポイントは中間デバイスチェーンの始点または終点に位置するべきである。なぜなら、それらの間の安全な通信を保証するために最終鍵を通信し共有している当事者／エンドポイントは、それら自身を信頼することができなければならないからである。
Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間のデバイスチェーンに配置され得る潜在的に多数のノード／中間デバイス１０４ａ～１０４ｎ（例えば、図４ａでは３つの中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃ）を考慮すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとは、それらの間の各中間デバイスのアイデンティティを完全に満足させることは困難である。１つの戦略は、各中間デバイスとその近傍（例えば、中間デバイスの近傍）との間の通信方式である。ただし、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂは、中間デバイスが最も近くにいるデバイスに正しく問い合わせていることを確認する必要がある。１つの組織が中間デバイスのネットワークインフラ全体を所有する場合、これはわずかに軽減されるが、実際にはネットワーク部分の間に境界が存在する可能性があり、例えば、衛星中間デバイス（例えば、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ）は１つの組織によって演算し、所有することができ、地域中枢中間デバイス（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃ）は別の組織によって演算し、所有してもよい。
任意の中間通信リンク１０８ａ～１０８ｍおよび／または対応する中間ノード１０４ａ～１０４ｎ（例えば、複数の中間ノード１０４ａ～１０４ｎ）を想定する。Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂおよびＣａｒｏｌ １０４ｃ）を接続する通信リンク１０８ａおよび１０８ｂは、コンテンツを暴露する安全でないリンク／中間デバイスに置き換えられてもよく、この情報は、鍵を暴露するためにＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の暗号化された通信リンク１１０上の盗聴情報と結合されてもよい。したがって、より高いセキュリティのために、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、ネットワークのオペレータがこのような代替を実行していないことを確信する必要があるかもしれない。これは、各中間デバイス／ノードを個別に認証するための弾力性のあるプロセスを提供してもよいデバイスメーカによって緩和され、例えば、各デバイスの識別子、または各クラシックチャネルメッセージ上の自分のメッセージ認証コード（ＭＡＣ）をセキュリティ機能によって読み取ることができる。これらの認証されたメッセージは、標準ＢＢ８４および同様のＱＫＤプロトコルの一部である。メッセージがエンドポイント（例えば、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂ）またはエンドノードにも送信または中継される場合、それらのエンドポイントは、中間デバイス／ノードが認証されていることを保証することもできる。
前述のように、ＢＢ８４プロトコルではデバイスの認証が必要である。既存の技術は、特に事前共有鍵を用いて証明可能な量子安全情報論的認証を行い、事前共有鍵を共有ＱＫＤ鍵ビットからリフレッシュするために使用される。したがって、これらのペア認証プロセスは、各対のノード間で追加のプロトコル交換を必要とするであろう。
図４ａを参照すると、量子チャネルを有する通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂ上のすべてのデバイスは、通信リンク１０６ａ上のデバイスを除いて、例えば互いに鍵を共有する場合に完全なＢＢ８４交換を行うように構成されているが、これらに限定されない。Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の量子チャネルを有する通信リンク１０６ａは、第１ＱＫＤプロトコル、例えば、図３ａ～４ａを参照して説明したハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコル３１０、３１４ａ、３２２ａの一部および／または他のＱＫＤプロトコルのような他のＱＫＤプロトコルを実行するために使用され、エンドポイントデバイスは、中間デバイスから鍵情報（例えば、基底情報／セットを送信または受信する）を保持し、部分交換のみが実行され、安全な通信リンク／チャネル１１０を介してデバイス間で共有される最終鍵の安全な交換を完了するために必要な第１中間鍵情報を他方のエンドポイントデバイスが安全に受信した時点で完全な交換が実行される。中間デバイスが信頼できないデバイスである場合、部分交換は、各中間デバイスが部分交換を実行するエンドポイントデバイスによって受信／送信される完全なビットストリングおよび／またはシンボルを持たないので、セキュリティレベルも保証する。エンドポイントデバイス間の通信チャネル１１０が安全であり、エンドポイントデバイスが保留された鍵情報（例えば、受信または測定基底、ランダム受信基底セット）を開示しない限り、中間デバイスはエンドポイントデバイス間の最終共有鍵を導き出すことはできないはずである。しかしながら、このような部分的な交換は、Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の通信リンク１０６ａ上で実行される必要はなく、逆に、Ｂｏｂ １０２ｂとＣａｒｏｌ １０４ｃとの間の接続または通信リンク１０６ｂ上で実行されてもよい。オプションとして、最高品質（エンドポイントデバイスの１つと中間デバイスとの間の通信リンク上の最もロスレスな）量子チャネルは、損失に最も敏感なチャネルであるため、部分交換を行うチャネルとして選択されてもよい。このようにネットワークを編成して、効率を最大化することができる。
図４ａの鍵交換システム４００の各中間デバイス１０４ａ～１０４ｃは、Ａｌｉｃｅ １０２ａがＥｖａｎのビットストリングから受信したビットストリングを知らないかもしれないが、各中間デバイス１０４ａ～１０４ｃは、第１中間鍵情報（例えば、Ｅｖａｎの元のビットストリングＫ4）を解読して暗号化するので、ビットストリングＫ4全体を知っている。これは、Ｅｖａｎのビットストリングが中間デバイス１０４ａ～１０４ｃとＢｏｂ １０２ｂのチェーン内の各中間デバイス１０４ｂ、１０４ｃに送信され、各中間デバイス１０４ｂ、１０４ｃが順次解読した後、再暗号化することで問題となる可能性がある。これは、各中間デバイス１０４ｂ～１０４ｃ（例えば、Ｎ台の中間デバイスがあれば１０４ｂ～１０４ｎ）が、ある時点でＥｖａｎの元のビットストリングＫ4を知っていることを意味する。上記したように、この情報は、Ａｌｉｃｅ １０２ａが使用する測定基底を知らなければ無用であるが、より多くの中間デバイス１０４ｂおよび１０４ｃにある程度の信頼が与えられていることを意味していることは確かである。他の方法は、全ての鍵情報がＢｏｂ １０２ｂに直接供給されるようにクラシック送信の順序を変更することであり、Ｂｏｂ １０２ｂは、各鍵を順次適用して元のビットストリングＫ4を復元してもよい。
図４ｂは、図４ａの鍵交換システム４００およびそのプロセス、ならびに／または図１ａ～２ｄおよび３ａ～３ｃに基づく本発明に係る量子クラシック鍵交換プロトコルを用いる鍵交換システムの別の例示的な鍵交換システム４２０および鍵交換プロセス４２２を示す概略図およびフローチャートである。図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ａの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０は、鍵交換システム４２０に基づいてさらに修正される。簡単のために、図１ａ～１ｃおよび３ａ～３ｃおよび４ａの参照符号は、図４ｂを参照して、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについて使用される。鍵交換システム４２０は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）とを含み、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂを介して、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ（例えば、Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、Ｃａｒｏｌ）を介して互いに通信する。
図４ａを参照して説明したように、ＢＢ８４プロトコルおよびハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの一部（例えば、Ｂ図４ａおよび３ｂを参照）はこの例で使用されるが、これは一例としてのみであり、本発明はこれに限定されるものではなく、元の鍵材料が中間デバイス間で中継されるときに、ＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化（例えば、中間デバイス間では、ＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化）を提供する２つのデバイス間で共有鍵を生成するＱＫＤプロトコル／プロセスを任意に許容することが当業者には理解される。中間ノードは、デバイス間で使用される鍵交換プロトコルとして使用できる。第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ、第１中間デバイス１０４ａをＥｖａｎ、第２中間デバイス１０４ｂをＤａｖｉｄ、最後またはＮ番目の中間デバイス１０４ｃ（第３中間デバイス）をＣａｒｏｌと称する（例えば、本例で、はＮ＝３）。
この例では、Ｄａｖｉｄ １０４ｂおよびＣａｒｏｌ １０４ｃが、図４を参照して説明したように、および／または本明細書で説明したように、第１中間鍵情報を解読および再暗号化するのではなく、鍵交換プロセス４２２は、すべての共有鍵Ｋ1、Ｋ2およびＫ3がＢｏｂ １０２ｂに蓄積されるように鍵交換プロセス４０２を修正してもよく、これは、自分だけがＥｖａｎのビットストリングＫ4を解読できることを意味する。これにより、Ｂｏｂ １０２ｂおよびＥｖａｎ １０４ａのみが元のビットストリングＫ4を最終的に知ることができ、ネットワークにおける信頼要件を低減してもよい。鍵交換プロセス４２２の別の利点は、暗号化されたビットストリングＫ4が送信されるときに、Ｂｏｂ １０２ｂで共有鍵を送信し蓄積することにより、Ｅｖａｎ １０４ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で交換可能なクラシック通信チャネルを用いてもよいことである。例えば、Ｅｖａｎ １０４ａからＤａｖｉｄ １０４ｂへのクラシック通信（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａからＤａｖｉｄ １０４ｂへのクラシック通信衛星）は、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａへ、またはＥｖａｎ １０４ａからＢｏｂ １０２ｂへと、Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａおよび／またはＢｏｂ １０２ｂが地上にあり、インターネットインフラにアクセスできるため、より困難である可能性があり、Ｄａｖｉｄ １０４ｂが範囲内にある場合、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、ＤａｖｉｄとＣａｒｏｌ １０４ｃおよびＥｖａｎ １０４ａの共有鍵を表すデータを暗号化された形でＢｏｂ １０２ｂに送信し、Ｂｏｂ １０２ｂがＣａｒｏｌ １０４ｃからＣａｒｏｌとＤａｖｉｄ １０４ｂおよびＢｏｂ １０２ｂの共有鍵を受信すると、Ｂｏｂ １０２ｂはそのデータを解読して取得してもよい。これは、Ｅｖａｎ １０４ａとＤａｖｉｄ １０４ｂとの間、および／またはＤａｖｉｄ １０４ｂからＣａｒｏｌ １０４ｃまでの間の通信が、Ｄａｖｉｄ １０４ｂの衛星がオーバヘッドでない特定の時間でさえ不可能になる可能性があるからである（メッシュ衛星ネットワークなどの衛星中継を用いて可能にしてもよいが、すなわち、通信リンク１０８ａまたは１０８ｂは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂなどの中継として機能してもよい他の中間衛星を含んでもよい）。また、Ｂｏｂ １０２ｂに共有鍵Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3を蓄積することにより、中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ間でメッセージを中継することなく、Ｂｏｂ １０２ｂが各中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを認証してもよい。追加的または代替的に、２つ以上の共有鍵Ｋ1、Ｋ2およびＫ3 は、Ｂｏｂ １０２ｂで蓄積するよりも実際には容易である場合、またはＫ2およびＫ3がＣａｒｏｌ １０４ｃおよびＤａｖｉｄ １０４ｂによって再利用される場合、Ｃａｒｏｌ １０４ｃなどの他の中間デバイスで蓄積されてもよい。
いずれの場合にも、図４ｂに示すこの例では、Ｂｏｂ １０２ｂで共有鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3を蓄積するための鍵交換プロセス４２２は、以下のステップを含んでもよい。タイムステップＴ1では、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂは、例えばＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルを用いて、それらの最近隣の間で秘密鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3を確立する。例えば、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃとの間で共有鍵Ｋ1を交換し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、Ｋ2Ｄａｖｉｄ １０４ｂとＫ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａとの間で共有鍵Ｋ3を交換する。共有鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3は、Ｅｖａｎ １０４ａが通信リンク１０６ａを経由してＡｌｉｃｅ １０２ａに送信するビットストリングＫ4（第１中間鍵情報）を暗号化するのに十分な長さである。この例では、Ｄａｖｉｄ １０４ｃは衛星であるので、通信リンク１０８ｂを介してＣａｒｏｌ １０４ｃへ、通信リンク１０８ａを介してＥｖａｎ １０４ａへの２つのチャネルに沿って送信する。なお、この例では、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂの量子チャネルを経由してのＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂへの量子伝送の方向は、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは量子伝送デバイスを必要とせず、量子受信デバイスのみで済み、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂの終端に必要な量子装置が簡略化されることを意味する。同様に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは衛星であるため、この例では、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃの通信リンク１０８ａおよび１０８ｂへの量子チャネルを経由しての量子伝送方向は、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃが、例えば地上ベースの光レーザーのような量子伝送デバイスを必要とせず、例えばＯＧＲのような量子受信デバイスのみを必要とすることを意味し、衛星Ｄａｖｉｄ １０４ｃおよびＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃのハブで必要とされる量子装置を簡略化する。
同様に、タイムステップＴ1では、Ｅｖａｎ １０４ａは、そのビットストリングＫ4（例えば、第１中間シンボルセット、第１シンボルセット、第１中間鍵情報）をＡｌｉｃｅ １０２ａに送信することにより、Ａｌｉｃｅ １０２ａとの間で部分的な鍵交換を行い、通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由した量子伝送とし、ここで、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダム受信基底（すなわち、ランダム受信基底セット）を測定して量子伝送を受信し、ビットストリングＫ4の送信されたシンボル／ビットを受信する。同様に、Ｅｖａｎ １０４ａは、通信リンク１０６ａのクラシックチャネルを介して、自分の送信基底セット、すなわちランダム送信基底セットをＡｌｉｃｅ １０２ａと共有するが（および／または、Ｂｏｂ １０２ｂがＥｖａｎの送信基底セットにもアクセスできるように開示してもよい）、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、自分のランダム受信基底セット（例えば、ランダム受信基底セット）の共有を拒否するので、自分の測定基底セットをＥｖａｎ １０４ａと全く共有しない。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、その結果を用いて測定し、その結果を記録して、受信された第１シンボル／ビットセットを生成する。Ｅｖａｎ １０４ａがビットストリングＫ4をＡｌｉｃｅ １０２ａに量子チャネルを経由して送信するために作成した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａが作成したのと同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａについては、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３２２ａ／３１４ａを効率的に通過し、ここでは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。Ａｌｉｃｅ １０２ａでは、通過したビット／シンボルは、受信された中間第１シンボル／ビットセットＫ’4を形成する。なお、最初に受信されたシンボル／ビット中間セットＫ’4は、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のランダムビットストリングＫ4の完全なコピーではない。
タイムステップＴ2では、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、自身の共有鍵Ｋ1およびＫ2をＯＴＰ演算を用いて一緒に暗号化し（例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、ＢＢ８４プロトコルなどを用いてＢｏｂ １０２ｂと共有鍵Ｋ1を交換し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、ＢＢ８４プロトコルなどを用いてＤａｖｉｄ １０４ｂと共有鍵Ｋ2を交換する）、
Figure 2024505094000007
とも表す暗号化共有鍵Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2を形成する。Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、通信リンク１０６ｂのクラシックチャネルを経由して、暗号化共有鍵Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2をＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、その共有鍵Ｋ1を、Ｃａｒｏｌ １０４ｃからの暗号化共有鍵Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2に適用して、共有Ｋ2（ｅ．ｇ． Ｋ1 ＸＯＲ（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2）＝Ｋ2）を取得する。
タイムステップＴ3では、Ｄａｖｉｄ １０４ｂが自身の共有鍵Ｋ2およびＫ3をＯＴＰ演算を用いて一緒に暗号化し（例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃはＢＢ８４プロトコルなどを用いてＤａｖｉｄ １０４ｂと共有鍵Ｋ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂはＢＢ８４プロトコルなどを用いてＥｖａｎ １０４ａと共有鍵Ｋ3を交換する）、
Figure 2024505094000008
とも表す暗号化共有鍵Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3排他的論理和を形成する。
Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、暗号化共有鍵Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3を、通信リンク１０８ｂ、１０６ｂのクラシックチャネルを経由してＣａｒｏｌ １０４ｃを介してＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂからの暗号化共有鍵Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3に対して、自身の累積共有鍵Ｋ2を適用し、共有鍵Ｋ3（例えば、Ｋ2 ＸＯＲ（Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3）＝Ｋ3）を取得する。
タイムステップＴ4において、Ｅｖａｎ １０４ａがＤａｖｉｄ １０４ｂ
Figure 2024505094000009
と交換する共有鍵Ｋ3を用いてＸＯＲ
Figure 2024505094000010
を付することによって、Ｅｖａｎ １０４ａはランダムビットストリングＫ4を暗号化する。Ｅｖａｎ １０４ａは、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4を、通信リンク１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂのクラシックチャネルを経由して、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃを介してＢｏｂ １０２ｂに送信する。あるいは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂが範囲外の場合、Ｅｖａｎ １０４ａは、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4を別の地上通信チャネルを介してＢｏｂ １０２ｂに送信するか、またはＣａｒｏｌ １０４ｃを介して次に中継衛星を介してＢｏｂ １０２ｂに送信してもよい。これは、ランダムビットストリングが共有鍵Ｋ3で暗号化されているため、Ｂｏｂ １０２ｂまたはＤａｖｉｄ １０４ｂ以外に共有鍵Ｋ3を持つ者がいなければ、どのような通信チャンネルでも十分に安全であるはずである。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、Ｅｖａｎ １０４ａからの暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4に対して、蓄積共有鍵Ｋ3を適用し、Ｅｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の部分鍵交換で使用される元のランダムビットストリングＫ4（例えば、Ｋ3 ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）を取得する。
タイムステップＴ5では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、クラシック暗号化チャネル１１０（例えば、ＴＬＳ）を作成し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、１１０ａにおいて、このチャネル１１０を用いて、Ｂｏｂ １０２ｂに受信測定基底を送信する（すなわち、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、通信リンク１０６ａを介してＥｖａｎ １０４ｃからビットストリングＫ4を受信するためのランダム受信基準セット）。Ｂｏｂ １０２ｂは、元のランダムビットストリングＫ4を送信するためにＡｌｉｃｅの受信測定基底とＥｖａｎの送信基底とを用いてＫ4をフィルタリングし、Ａｌｉｃｅ １０２ａが有するＫ’4の同一のフィルタリングバージョンであるＫ4を形成する。
タイムステップＴ6では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、その後、１１０ｂにおいて、Ｋ’4をＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵ＫFに変換してもよい、例えば誤り検出／訂正および／または情報調整およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含むが、これらに限定されない、必要とされる任意の調整演算／処理を実行する。
あるいは、Ｂｏｂ １０２ｂまたはＣａｒｏｌ １０４ｃのような他の任意の中間デバイスで共有鍵を蓄積するのではなく、Ｅｖａｎ １０４ａ以外の中間デバイスＣａｒｏｌ １０４ｃおよびＤａｖｉｄ １０４ｂは、それぞれの共有鍵を結合して「スーパー」鍵を形成し、Ｅｖａｎの暗号化された元のビットストリングが中間デバイスを介してＢｏｂ １０２ｂに向かうとき、元のビットストリングを単純に再暗号化してもよい。したがって、ＸＯＲの性質に基づいて、Ｂｏｂ １０２ｂが行うことはすべて、Ｃａｒｏｌ １０４ｃとの共有鍵を用いて、再暗号化された元のビットストリングを解読することである。特に、鍵交換プロセス４２２は、以下のステップに基づいてさらに修正してもよい。タイムステップ Ｔ1では、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、およびＢｏｂ １０２ｂは、例えばＢＢ８４プロトコルのようなＱＫＤプロトコルを用いて、それらの最近隣との間で秘密鍵 Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3を確立する。例えば、Ｂｏｂ １０２ｂは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃとの間で共有鍵Ｋ1を交換し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ Ｋ2と共有鍵Ｋ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａと共有鍵Ｋ3を交換する。共有鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3は、Ｅｖａｎ １０４ａが通信リンク１０６ａを経由してＡｌｉｃｅ １０２ａに送信するビットストリングＫ4（第１中間鍵情報）を暗号化するのに十分な長さである。これにより、Ｂｏｂ １０２ｂは１つの共有鍵Ｋ1のみを有し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは共有鍵対Ｋ1とＫ2を有し、Ｄａｖｉｄも共有鍵対Ｋ2とＫ3を有する。これにより、Ｃａｒｏｌ １０４ｃおよびＤａｖｉｄ １０４ｂは、それぞれ、共有鍵対に対して排他的論理和演算を行うことにより、「スーパー」鍵ＫcおよびＫDを生成する。例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは鍵Ｋｃ＝Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2を作成し、ＤａｖｉｄはＫD＝Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3を作成する。このとき、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは鍵Ｋcを用いて暗号化し、Ｄａｖｉｄは鍵ＫＤを用いて暗号化する場合、Ｃａｒｏｌ １０４ｃおよびＤａｖｉｄ １０４ｂは、それぞれの鍵対Ｋ1とＫ2およびＫ2とＫｓを簡単に破棄してもよい。
同様に、タイムステップＴ1では、Ｅｖａｎ １０４ａは、そのビットストリングＫ4（例えば、第１中間シンボルセット、第１シンボルセット、第１中間鍵情報）をＡｌｉｃｅ １０２ａに送信することにより、Ａｌｉｃｅ １０２ａとの間で部分的な鍵交換を行い、通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由した量子伝送とし、ここで、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、ランダム受信基底（すなわち、ランダム受信基底セット）を測定して量子伝送を受信し、ビットストリングＫ4の送信されたシンボル／ビットを受信する。同様に、Ｅｖａｎ １０４ａは、自身の送信基底を共有する、すなわち、送信基底を共有する。ランダム送信基底セットは、Ａｌｉｃｅ １０２ａが通信リンク１０６ａのクラシックチャネル上にあるが（および／または、Ｂｏｂ １０２ｂがＥｖａｎの送信基底セットにもアクセスできるように開示されてもよい）、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、そのランダム受信基底セット（例えば、ランダム受信基底セット）の共有を拒否し、そのため、その測定基底セットをＥｖａｎ １０４ａと全く共有しない。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、その結果を用いて測定し、その結果を記録して、受信された第１シンボル／ビットセットを生成する。Ｅｖａｎ １０４ａがビットストリングＫ4をＡｌｉｃｅ １０２ａに量子チャネルを経由して送信するために作成した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａが作成したのと同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａについては、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３２２ａ／３１４ａを効率的に通過し、ここでは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。Ａｌｉｃｅ １０２ａでは、通過したビット／シンボルは、受信された中間第１シンボル／ビットセットＫ’4を形成する。なお、最初に受信されたシンボル／ビット中間セットＫ’4は、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のランダムビットストリングＫ4の完全なコピーではない。
タイムステップＴ2において、Ｅｖａｎ １０４ａがＤａｖｉｄ １０４ｂ
Figure 2024505094000011
と交換する共有鍵Ｋ3を用いてＸＯＲ
Figure 2024505094000012
を付することによって、Ｅｖａｎ １０４ａはランダムビットストリング Ｋ4を暗号化する。この結果、すなわち、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4は、Ｄａｖｉｄ １０４ｂに送信される。
タイムステップＴ3では、次に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂが作成した（例えば、ＫD ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）「スーパー鍵」ＫDを用いて、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4を再暗号化し、得られた暗号化ランダムビットストリングＫD ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）をＣａｒｏｌ １０ ４ｃに送信する。
タイムステップＴ4では、次に、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、受信した暗号化ランダムビットストリングＫd ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）を、自身が作成した「スーパー鍵」Ｋc（例えば、Ｋc ＸＯＲ（ ＫD ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）））で再暗号化し、得られた暗号化ランダムビットストリングＫｃ ＸＯＲ（ＫＤ ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4））を、通信リンク１０６ｂを経由してＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、暗号化されたランダムビットストリングに自身の共有鍵Ｋ1を適用し、元のビットストリングＫ4を取得する。例えば、Ｋc=Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2 およびＫD＝Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3、次に、Ｋ1 ＸＯＲ ［Ｋｃ ＸＯＲ（ ＫD ＸＯＲ（Ｋｓ ＸＯＲ Ｋ＊））］＝Ｋ1 ＸＯＲ ［（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ2）ＸＯＲ（（ Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3）ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4））］Ｋ4）＝Ｋ1 ＸＯＲ ［（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ4））］＝Ｋ1 ＸＯＲ ［（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ4）］＝Ｋ4が与えられる。
タイムステップＴ5では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、クラシック暗号化チャネル１１０（例えば、ＴＬＳ）を作成し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、１１０ａにおいて、そのチャネル１１０を用いて、自分の受信測定基底（すなわち、通信リンク１０６ａを介してＥｖａｎ １０４ｃからビットストリングＫ4を受信するためにＡｌｉｃｅ １０２ａが使用するランダム受信基底セット）をＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、元のランダムビットストリングＫ4を送信するためにＡｌｉｃｅの受信測定基底とＥｖａｎの送信基底とを用いてＫ4をフィルタリングし、Ｋ4の同じフィルタリングバージョン、すなわちＡｌｉｃｅ １０２ａが有するＫ’4を形成する。
タイムステップＴ6では、次に、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、１１０ｂにおいて、Ｋ’4をＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵ＫFに変換してもよい、例えば誤り検出／訂正および／または情報調整およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含むがこれに限定されない、必要とされる任意の調整演算／処理を実行する。
図４ａおよび４ｂの鍵交換プロセス４０２および／または４２２、および／または図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｂの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、および／またはプロセス１４０、１５０、１６０、１７０のいくつかのステップは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間の最終鍵プロトコルの前にうまく実行してもよい。例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが共有鍵を蓄積していると仮定すると、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、およびＣａｒｏｌ １０４ｃは、原則として、どちらのエンドポイントが通信したいかを選択する前に、つまりＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂが通信したいかを選択する前に、それぞれのステップを実行してもよい。これは、衛星Ｄａｖｉｄ １０４ｃ（利用可能な場合）を利用し、ネットワークおよび鍵交換システム４００、４２０等にさらなる柔軟性を提供する。このことを図４ｃにさらに示す。
図４ｃは、図４ａおよび４ｂの鍵交換システム４００および４２０とそのプロセスに基づく、および／または図１ａ～２ｄおよび３ａ～３ｃの本発明に係る量子クラシック鍵交換プロトコルを用いる鍵交換システムの別の例示的な鍵交換システム４３０および鍵交換プロセス４３２を示す概略図およびフローチャートである。図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｂの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２は、鍵交換システム４３０およびプロセス４３２に基づいてさらに変更される。簡単のために、図４ｃと同一および／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃおよび３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。鍵交換システム４３０は、第１エンドポイントデバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と第２エンドポイントデバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）とを含み、それらは、それらの間に接続された通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂを経由して、１つ以上の中間デバイス１０４ａ～１０４ｃ（例えば、Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、Ｃａｒｏｌ）を介して互いに通信する。
図４ａを参照して説明されたように、ＢＢ８４プロトコルおよびハイブリッド－ＢＢ８４ベースプロトコルの一部（例えば、図４ａおよび３ｂを参照）はこの例で使用されるが、これは一例としてのみであり、本発明はこれに限定されるものではなく、元の鍵材料が中間デバイス間で中継されるときに、ＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化（例えば、中間デバイス間では、ＯＴＰおよび／またはＸＯＲ暗号化）を提供する２つのデバイス間で共有鍵を生成するＱＫＤプロトコル／プロセスを任意に許容することが当業者には理解されるであろう。中間ノード）は、デバイス間で使用される鍵交換プロトコルとして使用できる。第１デバイス１０２ａをＡｌｉｃｅ、第２デバイス１０２ｂをＢｏｂ、第１中間デバイス１０４ａをＥｖａｎ、第２中間デバイス１０４ｂをＤａｖｉｄ、最後またはＮ番目の中間デバイス１０４ｃ（第３中間デバイス）をＣａｒｏｌと称する（例えば、本例ではＮ＝３）。
説明されるように、図４ａおよび４ｂの鍵交換プロセス４０２および／または４２２、および／または図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、および３ａ～４ｂの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、および／またはプロセス１４０、１５０、１６０、１７０のいくつかのステップは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間の最終鍵プロトコルの前にうまく実行してもよい。この例では、中間デバイスＣａｒｏｌ １０４ｃが他の中間デバイスからの共有鍵を蓄積していると仮定すると、原則として、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、およびＣａｒｏｌ １０４ｃは、どちらのエンドポイントが通信を希望するかを選択する前に、すなわちＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂが通信を希望する場合であっても、それらのステップを実行してもよい。これは、衛星Ｄａｖｉｄ １０４ｃ（利用可能な場合）を利用し、ネットワークおよび鍵交換システム４００、４２０等にさらなる柔軟性を提供する。
この例では、鍵交換プロセス４３２は、すべての共有鍵Ｋ1、Ｋ2、およびＫ3がＣａｒｏｌ １０４ｃに蓄積されるように鍵交換プロセス４０２および４２２を変更してもよく、これは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃだけがＥｖａｎのビットストリングＫ４を解読できることを意味する。このようにして、Ｃａｒｏｌ １０４ｃとＥｖａｎ １０４ａ（そして後のＢｏｂ １０２ｂ）だけが、元のビットストリングＫ4を最終的に知ることになる。鍵交換プロセス４２２の別の利点は、暗号化されたビットストリングＫ4が送信されるときに、Ｃａｒｏｌ １０４ｃで共有鍵を送信し蓄積することにより、Ｅｖａｎ １０４ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で代替的なクラシック通信チャネルを用いてもよいことである。
いずれの場合も、図４ｃに示す例では、Ｃａｒｏｌ １０２ｃに共有鍵Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3を蓄積する鍵交換プロセス４３２の第１プロセス４３２ａは、以下のステップを含んでいてもよい。タイムステップＴ１では、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、およびＣａｒｏｌ １０４ｃは、例えばＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルを用いて、それらの最近隣との間で秘密鍵Ｋ2およびＫ3を確立する。この例では、Ｃａｒｏｌ １０２ｃはまた、鍵Ｋ1を生成するか、Ｂｏｂ １０２ｂがオンラインになるまで待ってから、例えばタイムステップＴ4でＢｏｂ １０２ｂと共有鍵Ｋ1を確立してもよい。例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂと共有鍵Ｋ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、Ｅｖａｎ １０４ａと共有鍵Ｋ3を交換する。共有鍵Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3は、タイムステップＴ1でも、Ｅｖａｎ １０４ａが生成してもよいビットストリングＫ4（第１中間鍵情報）を暗号化するのに十分な長さであり、この情報は、通信リンク１０６ａを経由して、例えばタイムステップＴ5後にＡｌｉｃｅ １０２ａに送信される。この例では、Ｄａｖｉｄ １０４ｃは衛星であるので、通信リンク１０８ｂを介してＣａｒｏｌ １０４ｃへ、通信リンク１０８ａを介してＥｖａｎ １０４ａへの２つのチャネルに沿って送信する。なお、この例では、通信リンク１０６ａおよび１０６ｂの量子チャネルを経由してのＡｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂへの量子伝送の方向は、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは量子伝送デバイスを必要とせず、量子受信デバイスのみで済み、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂの終端に必要な量子装置が簡略化されることを意味する。同様に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは衛星であるため、この例では、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃの通信リンク１０８ａおよび１０８ｂへの量子チャネルを経由しての量子伝送方向は、Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃが、例えば地上ベースの光レーザーのような量子伝送デバイスを必要とせず、例えばＯＧＲのような量子受信デバイスのみを必要とすることを意味し、衛星Ｄａｖｉｄ １０４ｃおよびＥｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃのハブで必要とされる量子装置を簡略化する。
タイムステップＴ2では、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、自身の共有鍵Ｋ2とＫ3をＯＴＰ演算を用いて一緒に暗号化し（例えば、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、ＢＢ８４プロトコル等を用いてＤａｖｉｄ １０４ｂと共有鍵Ｋ2を交換し、Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、ＢＢ８４プロトコル等を用いてＥｖａｎ １０４ａと共有鍵Ｋ3を交換する）、暗号化共有鍵Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3、
Figure 2024505094000013
を形成する。Ｄａｖｉｄ １０４ｂは、暗号化共有鍵Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3を通信リンク１０８ｂのクラシックチャネルを経由してＣａｒｏｌ １０２ｃに送信する。Ｃａｒｏｌ １０２ｃは、同様に、Ｄａｖｉｄ １０４ｂからの暗号化共有鍵 Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3に対して自身の共有鍵Ｋ2を適用し、共有鍵Ｋ3（例えば、Ｋ2 ＸＯＲ（Ｋ2 ＸＯＲ Ｋ3）＝Ｋ3）を取得する。
タイムステップＴ3では、Ｅｖａｎ １０４ａは、ランダムビットストリングＫ4を生成し、ランダムビットストリングＫ4を、Ｅｖａｎ １０４ａがＤａｖｉｄ １０４ｂ
Figure 2024505094000014
と交換する共有鍵Ｋ3で ＸＯＲ
Figure 2024505094000015
を行うことにより暗号化する。Ｅｖａｎ １０４ａは、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4を、通信リンク１０８ａ、１０８ｂのクラシックチャネルを経由してＤａｖｉｄ １０４ｂを介してＣａｒｏｌ １０４ｃに送信する。あるいは、Ｄａｖｉｄ １０４ｂが範囲外である場合、Ｅｖａｎ １０４ａは、暗号化されたランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4を別の地上通信チャネルを介してまたは、中継衛星を介してＣａｒｏｌ １０４ｃに送信してもよい。これは、ランダムビットストリングが共有鍵Ｋ3で暗号化されているため、Ｃａｒｏｌ １０４ｃまたはＤａｖｉｄ １０４ｂ以外に共有鍵Ｋ3を持つ者がいなければ、どのような通信チャンネルでも十分に安全であるはずである。Ｃａｒｏｌ １０２ｃは、同様に、Ｅｖａｎ １０４ａからの暗号化ランダムビットストリングＫ3 ＸＯＲ Ｋ4に対して、自身が蓄積した共有鍵Ｋ3を適用して、元のランダムビットストリングＫ4（例えば、Ｋ3 ＸＯＲ（Ｋ3 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）を取得する。Ｋ4は、タイムステップＴ5ではＥｖａｎ １０４ａとＡｌｉｃｅ １０２ａとの間の部分的な鍵交換においてＥｖａｎ １０４ａによって使用される。
したがって、プロセス４３２の第１プロセス４３２ａが完了し、Ｃａｒｏｌ １０４ｃおよびＥｖａｎ １０４ａは、Ｂｏｂ １０２ｂおよび／またはＡｌｉｃｅ １０２ａが互いの間で安全な通信などを行うための鍵交換を要求するまで待機してもよい。Ｂｏｂ １０２ｂまたはＡｌｉｃｅ １０２ａが安全な通信を要求するとき、プロセス４３２の第２プロセス４２ｂは、以下のステップを含んでもよい。
タイムステップＴ4は、休止後、またはＢｏｂ １０２ｂおよび／またはＡｌｉｃｅ １０２ａが安全な通信チャネルを介した通信を要求した後である。これに応答して、Ｃａｒｏｌ １０４ｃおよびＢｏｂ １０２ｂは、通信リンク１０６ｂの量子チャネルおよび例えばＢＢ８４プロトコルなどのＱＫＤプロトコルを用いて共有鍵Ｋ1を交換する。
タイムステップＴ5では、Ｃａｒｏｌ １０４ｃは、蓄積された元のビットストリングＫ4を共有鍵Ｋ1 Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ4
Figure 2024505094000016
を暗号化し、通信リンク１０６ｂを経由してＢｏｂに送信する１０２ｂ。Ｂｏｂ １０２ｂは、同様に、暗号化されたランダムビットストリングＫ1 ＸＯＲ Ｋ4（例えば、Ｋ1 ＸＯＲ（Ｋ1 ＸＯＲ Ｋ4）＝Ｋ4）に自身の共有鍵Ｋ1を適用して、Ｋ4を解読／取得する。
Ｅｖａｎ １０４ａは、同様に、ビットストリングＫ4、Ｔ4またはＴ5、の送信されたシンボル／ビットを受信するランダム受信基底セットであるランダム受信基底セットを測定して量子伝送を受信することにより、通信リンク１０６ａの量子チャネルを経由して量子伝送として、自己のビットストリングＫ4（例えば、第１中間シンボルセット、第１シンボルセット、第１中間鍵情報）をＡｌｉｃｅ １０２ａに送信することにより、Ａｌｉｃｅ １０２ａとの間で部分的な鍵交換を行う。同様に、Ｅｖａｎ １０４ａは、自身の送信基底を共有する、すなわち、送信基底を共有する。ランダム送信基底セットは、Ａｌｉｃｅ １０２ａが通信リンク１０６ａのクラシックチャネル上にあるが（および／または、Ｂｏｂ １０２ｂがＥｖａｎの送信基底セットにもアクセスできるように開示されてもよい）、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、そのランダム受信基底セット（例えば、ランダム受信基底セット）の共有を拒否し、そのため、その測定基底セットをＥｖａｎ １０４ａと全く共有しない。Ａｌｉｃｅ １０２ａは、その結果を用いて測定し、その結果を記録して、受信された第１シンボル／ビットセットを生成する。Ｅｖａｎ １０４ａがビットストリングＫ4をＡｌｉｃｅ １０２ａに量子チャネルで送信するために作成した送信基底を宣言すると、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｅｖａｎ １０４ａが作成した基底と同じ基底でＡｌｉｃｅ １０２ａが測定したビット／シンボルを決定してもよい。Ａｌｉｃｅ １０２ａについては、受信された第１シンボル／ビットセットは、フィルタ３２２ａ／３１４ａを効率的に通過し、ここでは、Ｃａｒｏｌ １０４ｃが送信のためにそれらを準備したのと同じ基底で測定された受信された第１シンボル／ビットセットのビット／シンボルは通過することができ、他のビット／シンボルは通過することができない。Ａｌｉｃｅ １０２ａでは、通過したビット／シンボルは、受信された中間第１シンボル／ビットセットＫ’4を形成する。なお、最初に受信されたシンボル／ビット中間セットＫ’4は、Ｅｖａｎ １０４ａからＡｌｉｃｅ １０２ａに送信された元のランダムビットストリングＫ4の完全なコピーではない。
タイムステップＴ6では、Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂは、クラシック暗号化チャネル１１０（例えば、ＴＬＳ）を作成し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、１１０ａにおいて、そのチャネル１１０を用いて、自分の受信測定基底（すなわち、通信リンク１０６ａを介してＥｖａｎ １０４ｃからビットストリングＫ4を受信するためにＡｌｉｃｅ １０２ａが使用するランダム受信基底セット）をＢｏｂ １０２ｂに送信する。Ｂｏｂ １０２ｂは、元のランダムビットストリングＫ4を送信するためにＡｌｉｃｅの受信測定基底とＥｖａｎの送信基底とを用いてＫ４をフィルタリングし、Ｋ４の同じフィルタリングバージョン、すなわちＡｌｉｃｅ １０２ａが有するＫ’４を形成する。Ａｌｉｃｅ １０２ａおよびＢｏｂ １０２ｂはまた、１１０ｂにおいて、Ｋ」Ｋ’4をＡｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵ＫFに変換してもよいが、これらに限定されない、例えば、誤り検出／訂正および／または情報調整およびプライバシー強化（ＩＲ／ＰＡ）を含む、必要とされる任意の調整演算／処理を実行する。
鍵交換システム４００、４２０、４３０について、図４ａ～４ｃを参照して、および／または図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、３ａ～４ｂを参照して、鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２を参照して説明してもよいさらなる修正が以下に説明される。簡単のために、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１ａ～１ｃおよび３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。Ｃａｒｏｌ １０４ｃ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、およびＥｖａｎ １０４ａは、ＯＴＰが各元のビットストリングのトランクを暗号化する代わりに、これらの間で合意された鍵を再利用すれば、いくつかの効率を得てもよい。例えば、２つの新しいエンドポイント、ＡｄａｍとＢｅｔｔｙを考えてみてください。これらも鍵に同意したいと考えている。ＡｄａｍがＢｏｂ １０２ｂと同じハブに接続され、Ｂｅｔｔｙが同様にＥｖａｎ １０４ａと同じハブに接続されている場合、原則として、全ての中間デバイス／ノード（例えば、Ｅｖａｎ １０４ａ、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ、Ｃａｒｏｌ １０４ｃ）は、ＥｖａｎのビットストリングＫ4を送信するために使用された鍵（または第１中間鍵情報）を再利用してもよい。など、鍵を再利用すると、情報論的セキュリティがもはや存在しないため、攻撃者は統計的手法を用いて元のビットストリングを保護するための鍵を発見する機会が増えることを意味する。ただし、顧客のセキュリティ要件によっては許容される可能性がある（など、攻撃には原則としてＡｌｉｃｅの測定基底が必要である）。この保護は「エントロピー・セキュリティ」から得られる。なぜなら、暗号化された値は完全なエントロピーを持つべきだからである。これも再利用された鍵で暗号化された鍵で「リンクされる」ことになる。これらの鍵のいずれかが漏洩した場合、すべての鍵が漏洩してしまう可能性がある。
追加的にまたは代替的に、任意の安全なチャネル／通信リンクを中間デバイス／ノード間で使用してもよい。原理的には、通信リンク内の任意の（量子）安全なチャネルは、ポスト量子アルゴリズムおよび事前共有鍵（または上記の再利用鍵）を含む中間ノード／デバイス間で使用され得る。理想的には、事前共有鍵はワンタイムパスワードブック（ＯＴＰ）鍵（暗号化されたデータと同じ長さの鍵）になる。必要であれば、オプションとして、例えば、トランスポート層セキュリティ（ＴＬＳ）および／または他の任意のクラシック形態のセキュア／セキュア通信など、非量子セキュアリンクを用いることも可能であるが、非量子セキュアリンクを用いることの欠点は、鍵交換システムが非量子安全になることであり、これらの非量子セキュアリンクには盗聴保護がなく、量子コンピュータによって破壊される可能性がある。
追加および／または代替的に、中間ノードは、衛星（例えば、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ）および／または地上ハブ（例えば、Ｄａｖｉｄ １０４ｂ）として本明細書で説明される。Ｅｖａｎ １０４ａおよびＣａｒｏｌ １０４ｃ）、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、鍵交換システムは、中間ノード／デバイスなどとして衛星を用いる必要はなく、中間ノードは、本明細書に記載された鍵交換システムにおいて中間デバイスとして演算および通信するための任意のタイプの適切なデバイスであり得ることを当業者は理解する。例えば、鍵交換システムの中間ノード／中間デバイスは、光ファイバを介して接続された地上ハブから完全に構成されてもよい。代替的におよび／または追加的に、すべての中間ノード／中間デバイスは衛星であってもよく、これは、衛星のメッシュネットワークが、衛星が軌道を完了するのを待つことなく、２つのエンドポイントがリアルタイムで鍵をネゴシエーションすることを可能にすることを意味するかもしれない。したがって、中間デバイス／ノードは、本明細書で説明される鍵交換手順および／または鍵交換システムにおいて、２つのエンドポイント間で最終共有鍵を交換するために、最近隣との間で量子チャネルを確立することができ、１つ以上のエンドポイントとリンクされている任意のハードウェアとしてもよい。
追加および／または本明細書に記載の鍵交換システムでは、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で量子耐性リンクまたは通信チャネル１１０を用いる代わりに、通信リンク／チャネル１１０はＱＫＤ保護されたリンクとしてもよく、通信リンク／チャネル１１０は、第１鍵交換の完了、鍵交換、または部分的な鍵交換プロトコルに基づいて、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で第１鍵情報および／または第１シンボルセットなどを交換するために、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間で最終共有鍵を交換することもできる。第１鍵交換プロトコル、鍵交換プロトコル、または部分的な鍵交換プロトコルは、任意のＱＫＤタイプのプロトコルであってもよく、これにより、Ａｌｉｃｅ １０２ａなどのエンドポイントデバイスが、鍵情報および／または基底情報、または中間デバイスをブロックする他の情報、例えば、中間デバイスをブロックする可能性がある他の情報を保持してもよいようになる。Ｅｖａｎ １０４ａは、部分的な鍵交換の間にＡｌｉｃｅ １０２ａが受信または送信したが、ＱＫＤプロトコルの最後の部分で鍵交換を実行することが可能であるビット／シンボルを導出し、Ａｌｉｃｅ １０２ａは、Ｂｏｂ １０２ｂなどの他のエンドポイントデバイスが、Ａｌｉｃｅ １０２ａとＢｏｂ １０２ｂとの間の最終共有鍵を合意および／または決定するために鍵交換に参加してもよいように、保留された鍵情報および／または基底情報を開示する。
図５ａは、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２のための本発明に係る例示的な衛星鍵交換システム５００を示す概略図である、これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。簡単のために、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１のａ～ｃ、３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。この例では、衛星鍵交換システム５００は、図２ａ～４ｃを参照して説明したように、および／または本明細書で説明したように、少なくとも１つのハブ中間デバイス１０４ａおよび１０４ｃ（例えば、Ｅｖａｎ、Ｃａｒｏｌ）と、それらの間に接続された衛星中間デバイス１０４ｂ（例えば、Ｄａｖｉｄ）と、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂ（例えば、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂ）とを含む。中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、衛星通信リンク１０８ａ、１０８ｂを介して互いに接続され、中間デバイスチェーンを形成するように配置される。中間デバイスチェーン１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃの第１端部では、第１ハブ中間デバイス１０４ａは、光ファイバ通信リンク１０６ａを介して第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と通信可能に結合される。中間デバイスチェーン１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの他端では、３番目または最後のハブ中間デバイス１０４ｃが、光ファイバ通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）と通信可能に結合される。中間デバイスは、例えば光ファイバおよび衛星ネットワークの一部であってもよいが、これらに限定されるものではない。通信リンク１０８ａ、１０８ｂの各々は衛星通信リンクであり、各衛星通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するための光フリースペース量子チャネルおよび衛星通信クラシックチャネルを含んでもよい。通信リンク１０６ａ、１０６ｂの各々は光ファイバ通信リンクであり、各通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するための光ファイバ量子チャネルおよび光ファイバクラシックチャネルを含んでもよい。したがって、衛星鍵交換システム５００は、図１ａ～４ｃおよび／またはそれらの組み合わせを参照して、それらの修正を参照して、および／または本明細書で説明したように、本発明に従った鍵交換プロセス／プロトコルを実現するように構成および／または演算してもよい。
図５ｂは、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２を用いるための本発明に係る例示的な地上鍵交換システム５１０を示す概略図である、これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。簡単のために、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１のａ～ｃ、３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。この例では、地上ＱＫＤシステム５１０は、少なくとも１つ以上の光中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃ（例えば、光中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｃ）（例えば、Ｅｖａｎ、Ｄａｖｉｄ、Ｃａｒｏｌ）と、第１および第２光学デバイス１０２ａ、１０２ｂ（例えば、Ａｌｉｃｅ、Ｂｏｂ）とを含む。光中間デバイス１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、光ファイバ通信リンク１０８ａ、１０８ｂによって互いに接続され、光中間デバイスチェーンを形成するように配置される。光中間デバイスチェーン１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの第１端部では、第１光中間デバイス１０４ａは、第１光デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と通信可能に結合される。光中間デバイスチェーン１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの他端では、第３または最後の光中間デバイス１０４ｃが第２光デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と通信可能に結合される。中間光デバイスは、例えば光ファイバおよび／または光ファイバネットワークの一部であってもよいが、これらに限定されるものではない。通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、１０６ｂの各々は光ファイバ通信リンクであり、各通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するためのファイバ量子チャネルおよびファイバクラシックチャネルを含んでもよい。したがって、地上ＱＫＤシステム５１０は、図１ａ～４ｃおよび／またはそれらの組み合わせを参照して、それらの修正を参照して、および／または本明細書で説明するように、本発明に従って鍵交換プロセス／プロトコルを実装するように構成および／または演算してもよい。
図５ｃは、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２を用いる本発明に係る例示的な衛星鍵交換システム５２０を示す概略図である、これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。簡単のために、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１のａ～ｃ、３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。この例では、図２ａ～４ｃを参照して説明されたとおり、および／または本明細書に記載されたとおり、衛星鍵交換システム５２０は、少なくとも１つのハブ中間デバイス１０４ａおよび１０４ｅ（例えば、ＥｖａｎおよびＣａｒｏｌ）と、それらの間に接続された２つ以上の衛星中間デバイス１０４ｂ～１０４ｄ（例えば、Ｄａｖｉｄなど）と、第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイス１０２ａおよび１０２ｂ（例えば、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂなど）とを含む。中間デバイス１０４ａ～１０４ｅａｒは、衛星通信リンク１０８ａ～１０８ｄを介して互いに接続され、中間デバイスチェーンを形成するように配置される。中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｅの第１端部では、第１ハブ中間デバイス１０４ａ（例えば、Ｅｖａｎ）は、光ファイバ通信リンク１０６ａを介して第１デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と通信可能に結合される。中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｅの他端では、第３または最後のハブ中間デバイス１０４ｅ（例えば、Ｃａｒｏｌ）が、光ファイバ通信リンク１０６ｂを介して第２デバイス１０２ｂ（例えば、Ｂｏｂ）と通信可能に結合される。中間デバイス１０４ａ～１０４ｅは、例えば光ファイバおよび衛星ネットワークの一部であってもよいが、これらに限定されるものではない。通信リンク１０８ａ、１０８ｄの各々は衛星通信リンクであり、各衛星通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するための光フリースペース量子チャネルおよび衛星通信クラシックチャネルを含んでもよい。通信リンク１０８ｂ、１０８ｃの各々は、さらなる衛星通信リンクであり、各衛星通信リンクは、本明細書で説明されるような鍵交換プロセス／システムを実現するための、光フリースペース量子チャネルおよび衛星／無線通信クラシックチャネルを含んでもよい。通信リンク１０６ａ、１０６ｂの各々は光ファイバ通信リンクであり、各通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するための光ファイバ量子チャネルおよび光ファイバクラシックチャネルを含んでもよい。したがって、衛星鍵交換システム５２０は、図１ａ～４ｃおよび／またはそれらの組み合わせを参照して、それらの修正を参照して、および／または本明細書で説明したように、本発明に従った鍵交換プロセス／プロトコルを実装するように、および／または演算するように構成されてもよい。
図５ｄは、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～４ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２を用いるための本発明に係る例示的な衛星間鍵交換システム５３０を示す概略図であり、これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。簡単のために、同じおよび／または類似のコンポーネントおよび／または特徴などについては、図１のａ～ｃ、３ａ～３ｃおよび４ａ～４ｂの符号を参照する。この例では、衛星間鍵交換システム５３０は、通信リンク１０６ａ、１０８ａ、１０８ｂ、および１０６ｂを介して一緒に結合され、衛星チェーン１０２ａ、１０４ａ～１０４ｃ、および１０２ｂを形成する複数の衛星デバイス１０２ａ、１０４ａ～１０４ｃ、および１０２ｂを含む。中間衛星デバイス１０４ａ～１０４ｃは、衛星通信リンク１０８ａ～１０８ｂを介して互いに接続され、衛星中間デバイスチェーンを形成するように配置される。衛星中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｃの第１端部では、衛星中間デバイス１０４ａ（例えば、Ｅｖａｎ）は、衛星通信リンク１０６ａを介して第１衛星デバイス１０２ａ（例えば、Ａｌｉｃｅ）と通信可能に結合される。衛星中間デバイスチェーン１０４ａ～１０４ｃの他端では、第３または最後の衛星中間デバイス１０４ｃ（例えばＣａｒｏｌ）が、他の衛星通信リンク１０６ｂを介して第２衛星デバイス１０２ｂ（例えばＢｏｂ）と通信可能に結合される。衛星中間デバイス１０４ａ～１０４ｃおよび／または衛星デバイス１０２ａ～１０２ｂは、例えば、衛星ネットワークまたは衛星メッシュネットワークなどの一部であってもよいが、これらに限定されるものではない。通信リンク１０８ａ、１０８ｂの各々は衛星通信リンクであり、各衛星通信リンクは、本明細書で説明される鍵交換プロセス／システムを実装するための光フリースペース量子チャネルおよび衛星通信クラシックチャネルを含んでもよい。通信リンク１０６ａ、１０６ｂの各々は、さらなる衛星通信リンクであり、各衛星通信リンクは、本明細書で説明されるような鍵交換プロセス／システムを実現するための、光フリースペース量子チャネルおよび衛星／無線通信クラシックチャネルを含んでもよい。したがって、衛星間鍵交換システム５３０は、図１ａ～４ｃおよび／またはそれらの組み合わせを参照して、それらの修正を参照して、および／または本明細書で説明したように、本発明に従った鍵交換プロセス／プロトコルを実装するように、および／または演算するように構成されてもよい。
図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、および３ａ～４ｃの鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２のさらなる修正および／または調整、本明細書に記載されたおよび／または適用上の要件の修正、組み合わせは、以下の一般化された連鎖プロセスに基づいて説明される。一般化連鎖プロセスのコンテキストでは、次の一般化定義を定義できる。ノードは、データ送信および処理に関連する物理的および数学的演算が実行される物理空間内の位置を含むかまたは表してもよく、リンクは、ノード間の物理的接続を含むか、または表してもよい。これらは通常、電気、光、またはフリースペースである。情報は、ノード間で送信されるデータを含むか、または表してもよく、クラシック的または量子的に分類してもよい。クラシック情報はビットで量子化してもよく、量子情報は量子ビットとエビットで量子化してもよい。量子情報からクラシック情報を抽出することは可能だし、前者を後者に変換することは可能だが、その逆はできない、物理システムは、ノード間で伝送される情報を具現化するためのシステムを含むか、または表してもよく、クラシック的または量子的に分類してもよい。クラシック物理システムはクラシック情報を具現することしかできないが、量子システムは量子あるいはクラシック情報を具現してもよい。チャネルは、リンクの実施形態または実施形態を含んでもよく、またはそれを表してもよく、クラシック的または量子的に分類してもよい。クラシックチャネルは、クラシック物理システムのみを送信するために使用できるため、クラシック情報のみを送信できる。量子チャネルは、量子物理システムと古典物理システムの両方を送信するために使用できるため、量子情報と古典情報の両方を転送してもよい。ノードにおける物理的演算は、限定ではないが、例えば、ノードにおいて実行される測定を含むか、または表してもよい。完全にクラシック実装では、測定は、ノード間のビットの初期共有を容易にするために、符号化ビットの情報担体の単純な観察と等価である。量子状態が関係する場合、単一の量子ビットまたはペアの量子ビットに対して測定を実行してもよい。後者の場合、もつれが作成され、ノードで交換される可能性がある。ノードにおける数学的演算は、単なる例として、これに限定されないが、典型的には、等しい長さの２つのビット列に対してノードで実行される純粋に数学的演算であるＸＯＲ、ノードに保留されている情報セット間の相関を含むかまたは表してもよい。場合によっては、データセット間の既存の相関がノードで計算される。これは、ＸＯＲ 演算が実行されるときに発生する。この場合、相関は本質的にクラシックである。他の場合には、新しいアソシエーションがノード上で作成され、配布され、交換される。これは、アソシエーションが本質的に量子的であるノード上でもつれが作成／交換されるときに発生する。
連鎖鍵交換プロセスは、拡張依存性と考えてもよい。最初に、物理システムはチェーン内の隣接するノード間に分散され、次に各ノードの物理システム上で測定される。これにより、隣接ノード上の物理システムの状態が相互に関連付けられ、隣接ノード上のデータセットが相互に関連付けられる。チェーン内の最初のノードと最後のノードを除く各ノードは、２つの物理システム／データのセットを保持する。１つのセットは、すぐ左側のノードに保持されている物理システム／データに関連しており、もう１つのセットは、すぐ右側のノードに保持されている物理システム／データに関連している。関連性を拡張するプロセスは、ノードにおいて物理的測定および／または数学的演算を実行することにより、プロセスの最後にチェーンの最初および最後のリンクに保存された物理システムおよび／またはデータが相互に関連するように実現されてもよい。
純粋なクラシック連鎖プロセスの例には、次のものがある。クラシック物理システムは、リンクされたノードのグループ内で、隣接するノード間に分散されている。各ノード測定システムでは、データが作成されるので、チェーン内の最初のノードと最後のノードを除いて、すべてのノードは２つのデータセットを持ち、各ノードは１つのデータセットを持つ。数学的演算（通常はＸＯＲ）は、各中間ノードに保存された２つのデータセットに対して実行される。これらの操作の結果は、チェーン内の最初のノードおよび／または最後のノードに送信される。受信した結果に応じて、最初のノードおよび／または最後のノードは、数学的演算（通常はＸＯＲ）を実行することによって、それらのデータセットを修正する。最初のノードと最後のノードに保存されたデータセットが相互に関連している。
純粋な量子鎖の例としては、以下が挙げられる。もつれ量子状態は、リンクされたノードのセット内で隣接するノード間に分布する。チェーンの最初と最後のノードを除いて、各ノードは現在２組の量子システムを持つことになり、１組はすぐ左側のノードが持つ量子システムと、もう１組はすぐ右側のノードが持つ量子システムと絡み合うことになる。物理的演算（測定）は、各中間ノードに配置された２組の量子システム上で行われる。これらの操作の結果は、チェーン内の最初のノードおよび／または最後のノードに送信される。受信した結果に基づいて、最初のノードと最後のノードは、それらの量子系のいくつかを廃棄する。最初のノードと最後のノードが持つ量子システムは今、互いに絡み合うことになる。最初および最後のノードは、このもつれを用いて、クラシック的に関連するデータセットを生成してもよい。
量子／クラシック混合鎖の例としては、以下が挙げられる。量子システムは、リンクされたノードのセット内の隣接ノード間で伝送される。物理的演算（測定）は、伝送の前後に量子システム上で行われる。これらの演算によってクラシックデータが作成されるため、チェーン内の最初と最後のノードを除くすべてのノードに２つのデータセットがあり、それぞれに１つのデータセットがある。数学的演算（通常はＸＯＲ）は、各中間ノードに保存された２つのデータセットに対して実行される。また、ノード間のクラシック通信を介して、ノード間でシフト演算を実行する。これらのシフト演算は、使用されるプロトコルに応じて、数学的演算の前および／または後に行うことができる。数学的演算の結果は、ノードに沿って、および／または、（プロトコルに依存して）チェーン内の最初および／または最後のノードに伝送される。受信した結果に応じて、最初のノードおよび／または最後のノードは、数学的演算（通常はＸＯＲ）を実行することによって、それらのデータセットを修正する。最初のノードと最後のノードに保存されたデータセットが相互に関連している。
上記タイプのチェーンおよび／または鍵交換プロセスおよび／または鍵交換システムのうちの任意の２つまたは３つすべてを１つのチェーンに結合してもよいハイブリッドチェーンの例を提供する。たとえば、このような一般化連鎖パラダイムのコンテキストでは、３つのタイプすべてを次のサンプルチェーンに組み合せることができる。７つの接続ノードを持つチェーンを考え、Ａ－Ｇとラベル付けする。ノードＡ-Ｂ、Ｂ-Ｃ、Ｅ-Ｆ、Ｆ-Ｇは、量子チャネルおよびクラシックチャネルを介して接続されている。ノードＣ-ＤとノードＤ-Ｅとは、クラシックチャネルのみでリンクされている。ノードＡ、Ｂ、Ｃ間で完全量子プロトコルを実行する。ノードＡとＣは、関連するデータセットを共有するようになる。ノードＣ、Ｄ、Ｅ間では、完全にクラシックプロトコルが実行される。ノードＣとＥは、関連するデータセットを共有するようになる。ノードＥ、Ｆ、Ｇ間で量子／クラシック混合プロトコルが実行される。ノードＥとＧは、関連するデータセットを共有するようになる。Ｃに保持された２つのデータセットとＥに保持された２つのデータセットに対して数学的演算（通常はＸＯＲ）が実行され、これらの演算の結果がノードＡおよび／またはＧに転送される。受信した結果に基づいて、ノードＡおよびＧは、数学的演算（通常はＸＯＲ）を実行して、それらのデータセットを修正する。ノードＡとＧが持つデータセットは、現在、相互に関連している。
一般化連鎖プロセスが上記の用語を用いて説明されているが、これは例示にすぎず、本発明はこれに限定されない。技術者は、これらの一般化連鎖の概念／プロセスなどが、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、３ａ～５ｄを参照して説明したように、鍵交換システム、装置、方法、鍵交換プロセス／プロトコルおよび／またはサブプロセス、中間デバイス、第１デバイスおよび第２デバイス、ユースケース、および／または鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３２０、４００、４２０、４３０、５００、５１０、５２０、５３０、およびプロセス１４０、１５０、１６０、１７０のうちの１つ以上の態様で実装され得ることを理解する。これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。
図６ａは、本発明の態様による鍵交換プロセス／プロトコルを実装および／または実行するための例示的なコンピューティングシステム６００の概略図である。計算システム６００は、図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄ、３ａ～５ｄを参照して説明したように、鍵交換システム、装置、方法、鍵交換プロセス／プロトコルおよび／またはサブプロセス、中間デバイス、第１デバイスおよび第２デバイス、ユースケースおよび／または鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０、５００、５１０、５２０、５３０、ならびにプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２の１つ以上の態様を実装するために使用してもよい。これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。コンピューティングシステム６００は、コンピューティングデバイスまたは装置６０２（例えば、中間デバイス、第１および／または第２デバイス）を含む。コンピューティングデバイスまたは装置は、１つ以上のプロセッサユニット６０４と、メモリユニット６０６と、例えば第１通信インターフェース６０８ａおよび／または第２量子通信インターフェース６０８ｂを含むがこれに限定されない通信インターフェース６０８と、ランダムシンボル／デジタルジェネレータ６０７とを含み、１つ以上のプロセッサユニット６０４は、メモリユニット６０６に接続され、通信インターフェース６０８（例えば、第１通信インターフェース６０８ａおよび第２量子通信インターフェース６０８ｂ）と、ランダムシンボル／デジタルジェネレータ６０７とを含む。通信インターフェース６０８は、コンピューティングデバイスまたは装置６０２を、１つ以上の他のコンピューティングデバイスおよび／または装置（例えば、中間デバイス、第１および／または第２デバイス）（図示せず）に接続して、第１および／または第２通信チャネルを含む１つ以上の通信リンクを経由して第１通信インターフェース６０８ａを介して確立、形成および／または通信し、および／または第１および／または第２量子チャネルを含む１つ以上の通信リンクを経由して量子通信インターフェース６０８ｂを介して確立、形成および／または通信する。第１通信インターフェース６０８ａは、限定されるものではないが、鍵交換システム１００、１２０、１３０、２００、２１０、２２０、２３０、３００、３１０、３２０、４００、４２０、４３０、５００、５１０、５２０、５３０の１つ以上の態様、特徴、および図１ａ～１ｇ、２ａ～２ｄおよび３ａ～５ｄを参照して説明したプロセス１４０、１５０、１６０、１７０、４０２、４２２、４３２を実装するために、１つ以上の衛星ネットワーク、１つ以上の電気通信ネットワーク、１つ以上の光ファイバネットワークなどに接続してもよい。これらの修正、組み合わせは、本明細書に記載され、および／または、適用によって要求されるように、適用される。量子通信インターフェース６０８ｂは、通信リンクの１つ以上の量子通信チャネルを経由して接続してもよいが、限定されるものではなく、例えば、１つ以上の態様、鍵交換システムの特徴、および／または鍵交換プロセス／プロトコルおよび／またはサブプロセスを実施するために、１つ以上の他のデバイス、量子通信ネットワークおよび／または類似のデバイスに接続してもよく、本明細書に記載された本発明の図１ａ～５ｄを参照して説明したように、これらの組み合わせは、適用上の必要に応じて変更される。メモリユニット６０６は、オペレーティングシステム６０６ａと、データストア６０６ｂと、を含んでもよく、オペレーティングシステム６０６ａは、１つ以上のプログラム命令、コード、またはコンポーネント、例えば、一例としてだけであるが、これに限定されるものではない、コンピューティングデバイス６０２を演算させるために使用され、データストア６０６ｂは、コンピュータプログラム命令、実行可能コード、ランダムシンボル、第１および第２シンボルセット、ＱＫＤ鍵、ランダムシンボルストリームなど、機能および／または１つ以上の機能の実装に関連するコードおよび／またはコンポーネント、または１つ以上の鍵交換システム；１つ以上の鍵交換プロセスおよび／またはサブプロセス、１つ以上の中間デバイス、１つ以上の第１および／または第２デバイス、本発明に係る鍵交換プロセス／プロトコルを実行する１つ以上の方法および／またはプロセス、システム／プラットフォーム、それらの組み合わせ、それらの変更、および／または図１ａ～５ｄの少なくとも１つを参照して本明細書で説明されているものを記憶するものである。
図６ｂは、本発明に係る鍵交換プロセス／プロトコルおよび／またはプロセスを容易および／または実現するための別の例示的な鍵交換システム６１０の概略図である。システム６１０は、デバイス６１４～６１６のうちの少なくとも１つの第１デバイス６１４、少なくとも１つの第２デバイス６１６、および／または、デバイス６１４～６１６のうちの少なくとも１つの第１デバイスと少なくとも１つの第２デバイスとの間で共有鍵を交換するために、本発明に係る鍵交換プロセス／プロトコルの対応するステップおよび／または機能を演算および／または実現するように構成された、１つ以上の中間デバイス６１３のセット、少なくとも１つの第２デバイス６１６、および／または、第１デバイスおよび第２デバイスの機能を含む複数のデバイスのうちの１つ以上を含む複数のコンピューティングデバイスまたは装置６１２を含んでもよい。この例では、中間デバイスグループ６１３は、第１デバイス６１４に接続するための第１中間デバイス６１８と、第２デバイス６１６に接続するための第２中間デバイス６２０と、第１中間デバイス６１８と第２中間デバイス６２０とを接続する別の中間デバイス６２２とを含む。オプションまたは代替例として、中間デバイスグループ６１３は、第１デバイスおよび第２デバイス６１４、６１６にそれぞれ接続された１つの中間デバイス６１８のみを含んでもよい。システム６１０、デバイス６１２、中間デバイスグループ６１３、第１デバイス６１４、第２デバイス６１６は、鍵交換プロトコル／プロセスおよび／またはサブプロセス、その態様、および／または、鍵交換システム、中間デバイス、第１デバイスおよび／または第２デバイス、鍵交換プロトコル／プロセス、サブプロセス、システム、装置、１つ以上の方法および／またはプロセス、それらの組み合わせ、それらの変更、および／または、図１ａ～５ｄのいずれかを参照して本明細書で説明したような関連機能をさらに含むように、鍵交換プロトコル／プロセスおよび／またはサブプロセスを実装するように構成されてもよい。
上記の実施形態では、サーバーは、単一サーバーまたはサーバネットワークを含んでもよい。いくつかの例では、サーバーの機能は、地理的領域に分散されたサーバネットワーク、例えばグローバルに分散されたサーバネットワークによって提供されてもよく、ユーザは、ユーザの位置に基づいて、サーバネットワークのうちの適切な１つに接続してもよい。
明確にするために、上記の説明では、単一のユーザを参照して本発明の実施形態を説明した。実際には、システムは複数のユーザによって共有されてもよく、非常に多くのユーザによって同時に共有されてもよいことが理解されるべきである。
上記実施形態は全自動である。いくつかの例では、システムのユーザまたはオペレータは、実行すべき方法のいくつかのステップを手動で指示してもよい。
本発明に記載された実施形態では、システムは、あらゆる形態のコンピューティングおよび／または電子デバイスとして実装されてもよい。そのようなデバイスは、マイクロプロセッサ、コントローラ、またはルーティング情報を収集および記録するためにデバイスの演算を制御するコンピュータ実装可能命令を処理する任意の他の適切なタイプのプロセッサとしてもよい１つ以上のプロセッサを含んでもよい。いくつかの例では、例えばシステムオンチップアーキテクチャを用いる場合、プロセッサは、（ソフトウェアまたはファームウェアではなく）ハードウェアで方法の一部を実装する１つ以上の固定機能ブロック（アクセラレータとも呼ばれる）を含んでもよい。オペレーティングシステムまたは任意の他の適切なプラットフォームソフトウェアを含むプラットフォームソフトウェアは、アプリケーションソフトウェアがデバイス上で実行されることを可能にするために、コンピューティングベースのデバイスにおいて提供されてもよい。
本明細書に記載された様々な機能は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの任意の組み合わせで実装されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、これらの機能は、１つ以上の命令またはコードとして、コンピュータ可読媒体上に記憶され、またはコンピュータ可読媒体上で伝送されてもよい。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読記憶媒体を含んでもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータのような情報を記憶するために、任意の方法または技術で実施される揮発性または不揮発性、取り外し可能または取り外し不可能な媒体を含んでもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータによってアクセス可能な任意の利用可能な記憶媒体としてもよい。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他の記憶デバイス、ＣＤ-ＲＯＭまたは他の光ディスク記憶デバイス、磁気ディスク記憶デバイスまたは他の磁気記憶デバイス、または所望のプログラムコードを命令またはデータ構造の形式で搬送または記憶するために使用され、コンピュータによってアクセス可能な任意の他の媒体を含んでもよい。ここで使用される光ディスクおよびディスクには、光ディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク、およびブルーレイディスク（ＢＤ）が含まれる。また、伝播された信号は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体の範囲内には含まれない。コンピュータ可読媒体はまた、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体を含む。接続は、例えば、通信媒体であってもよい。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバ／光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、ラジオ、およびマイクロ波などの無線技術を用いて、ウェブサイト、サーバー、または他の遠隔ソースから送信される場合、通信媒体の定義に含まれる。上記の組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
代替的にまたは追加的に、本明細書で説明される機能は、少なくとも部分的に１つ以上のハードウェア論理コンポーネントによって実行されてもよい。例えば、限定されるわけではないが、使用可能なハードウェア論理コンポーネントは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、アプリケーション特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、アプリケーション特定用途向け標準製品（ＡＳＳＰｓ）、システムオンチップ（ＳＯＣ）、複雑プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）などを含んでもよい。
図示は単一のシステムであるが、コンピューティングデバイスは分散システムであり得ることを理解されたい。これにより、例えば、いくつかのデバイスは、ネットワーク接続を介して通信してもよく、コンピューティングデバイスによって実行されるものとして説明されているタスクを共同で実行してもよい。
図示はローカルデバイスであるが、コンピューティングデバイスは、ネットワークまたは他の通信リンクを介して（例えば、通信インターフェースを用いて）遠隔地に配置され、アクセスされてもよいことを理解されたい。
本明細書では、「コンピュータ」という用語は、命令の実行を可能にする処理能力を有する任意のデバイスを指す。当業者であれば、このような処理能力は、多くの異なるデバイスに組み込まれ、したがって、「コンピュータ」という用語は、ＰＣ、サーバー、携帯電話、携帯情報端末、および多くの他のデバイスを含むことを認識する。
当業者は、プログラム命令を記憶する記憶デバイスがネットワーク上に分散されていてもよいことを認識するであろう。例えば、遠隔コンピュータは、ソフトウェアとして記述されたプロセスの例を記憶してもよい。ローカルコンピュータまたは端末コンピュータは、リモートコンピュータにアクセスし、ソフトウェアの一部または全部をダウンロードしてプログラムを実行してもよい。代替的に、ローカルコンピュータは、必要に応じてソフトウェア断片をダウンロードしてもよく、またはローカル端末でいくつかのソフトウェア命令を実行してもよく、リモートコンピュータ（またはコンピュータネットワーク）でいくつかのソフトウェア命令を実行してもよい。当業者はまた、当業者に知られている従来技術を利用することによって、ソフトウェア命令のすべてまたは一部が、ＤＳＰ、プログラマブルロジックアレイなどの専用回路によって実行されてもよいことを認識する。
上記の利点および優位性は、１つの実施形態に関連してもよいし、いくつかの実施形態に関連してもよいことを理解されたい。実施形態は、記載された問題のいずれかまたはすべてを解決する実施形態、または記載された利点および優位性のいずれかまたはすべてを有する実施形態に限定されない。変形は、本発明の範囲内に含まれるものとみなされるべきである。
「ある」項目への参照は、これらの項目の１つ以上を意味する。用語「含む」は、識別された方法ステップまたは要素を含むことを意味するためにここで使用されるが、これらのステップまたは要素は排他的リストを含まず、方法または装置は追加のステップまたは要素を含んでもよい。
本明細書で使用されるように、用語「コンポーネント」および「システム」は、プロセッサによって実行されると特定の機能を実行させるコンピュータ実装可能命令で構成されたコンピュータ可読データストアを含むことを意図している。コンピュータ実装可能命令は、ルーチン、関数などを含んでもよい。また、コンポーネントまたはシステムは、単一のデバイス上に配置されてもよく、または複数のデバイス上に分散されてもよいことが理解されるべきである。
さらに、本明細書で使用されるように、用語「例示的な」は、「何かの例示または例として」を意味することを意図している。
さらに、「包含」という用語が詳細な説明または特許請求の範囲内で使用される程度については、「包含」という用語が特許請求の範囲内で過渡的な用語として解釈されるので、この用語は「包含」という用語と同様の包含性を有することを意図している。
添付の図は、例示的な方法を示す。方法は、特定の順序で実行される一連の演算として示され、説明されているが、方法は順序によって制限されないことを理解し、理解されるべきである。例えば、いくつかの演算は、本明細書に記載されたものとは異なる順序で発生してもよい。また、ある行動は、別の行動と同時に発生してもよい。さらに、場合によっては、本明細書に記載された方法を実装するためにすべての演算が必要とされないこともある。
さらに、本明細書に記載の演算は、１つ以上のプロセッサによって実装され、および／または１つ以上のコンピュータ可読媒体上に記憶され得るコンピュータ実装可能命令を含んでもよい。コンピュータ実装可能命令は、ルーチン、サブルーチン、プログラム、実行スレッドなどを含んでもよい。さらに、これらの方法の演算の結果は、コンピュータ可読媒体中に記憶され、ディスプレイデバイス上に表示され、および／または同様のデバイス上に表示されてもよい。
本明細書に記載の方法のステップの順序は例示的であるが、これらのステップは任意の適切な順序で実行されてもよいし、適切な場合には同時に実行されてもよい。さらに、ステップは、本明細書に記載された主題の範囲から逸脱することなく、任意の方法に追加または置換されてもよく、または単一のステップは任意の方法から削除されてもよい。上記のいずれかの実施形態の態様は、求められた効果を失うことなく、さらなる実施形態を形成するために、説明された他のいずれかの実施形態の態様と組み合わされてもよい。
上記した内容は、１つ以上の実施形態の一例を含む。もちろん、上記の態様を説明する目的のために、上記のデバイスまたは方法のそれぞれの考えられる修正および変更を説明することは不可能であるが、当業者は、様々な態様の多くのさらなる修正および配置が可能であることを認識する。したがって、記載された態様は、添付の特許請求の範囲内に含まれるすべてのそのような変更、修正、および変更を含むことが意図されている。

Claims (59)

  1. １つ以上の中間デバイスを介して通信リンクを経由して通信可能に結合された第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間の鍵交換のコンピュータ実装方法であって、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクによって前記１つ以上の中間デバイスのうちの前記第１中間デバイスに結合され、前記第２エンドポイントデバイスと前記１つ以上の中間デバイスはデバイスグループを形成し、前記１つ以上の中間デバイスの各々は、前記通信リンクのうちの少なくとも１つを介して前記１つ以上の中間デバイスのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合され、前記第２エンドポイントデバイスは、前記第２通信リンクを介して前記グループのうちの前記１つ以上の中間デバイスのうちの最後の１つに結合され、前記方法は、
    第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換するステップと、
    交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信するステップであって、前記デバイスグループの通信リンクを経由しての前記安全な通信は、前記デバイスグループの通信リンクを経由して１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて交換された共有鍵に基づいているステップと、を含み、
    前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、前記中間鍵情報を処理して最終共有鍵に変換するために、これらの間の追加の通信チャネルを用いる、方法。
  2. Ｎ個（Ｎ＞０）の中間デバイスを含み、前記第１エンドポイントデバイス、前記Ｎ中間デバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、チェーン、ラインネットワーク、または線形アレイトポロジを形成し、前記第１エンドポイントデバイスは、前記Ｎ個の中間デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに通信可能に結合され、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクを介して前記チェーン内のＮ個の中間デバイスのうちの第１中間デバイスに接続され、前記第２デバイスは、前記第２通信リンクを介して前記チェーン内のＮ－Ｎ中間デバイスに接続され、前記Ｎ個の中間デバイスの各々は、追加の通信リンクを介して隣接中間デバイスに結合される、請求項１に記載のコンピュータ実装方法。
  3. 前記第１鍵交換プロトコルは、前記最終共有鍵の交換中に盗聴者を検出するように構成される、請求項１または２のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  4. 前記デバイスの共有鍵は、前記デバイスと、前記通信リンクの１つによって前記デバイスに接続された任意の隣接または近隣デバイスとの間の共有鍵である、請求項１～３のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  5. 前記各共有鍵は、１つのデバイスから次のデバイスへの中間鍵情報の通信を保護するために使用される、請求項１～４のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  6. 前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記中間鍵情報に関連する着信通信のみをその共有鍵で暗号化しから、その最近隣デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに転送し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する、請求項５に記載のコンピュータ実装方法。
  7. 前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、その最近隣デバイスを介して前記中間鍵情報に関連する任意の着信通信を通過させ、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する、請求項５に記載のコンピュータ実装方法。
  8. 前記各中間デバイスは、その最近隣デバイスと交換される共有鍵のペアを暗号的に結合し、前記結合共有鍵のペアを前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記第１デバイスは、前記中間鍵情報を隣接中間デバイスと交換される共有鍵と暗号的に結合してから、前記暗号化結合中間鍵情報を前記第２デバイスに安全な通信し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記受信された暗号化結合共有鍵を用いて、暗号化された中間鍵情報または暗号化結合中間鍵情報を解読する、請求項５に記載のコンピュータ実装方法。
  9. １対の共有鍵を暗号的に結合することは、前記１対の共有鍵に対して１回のパディングまたは排他的論理和演算を実行することを含み、中間鍵情報を共有鍵と暗号的に結合することは、中間鍵情報と共有鍵に対して１回のパディングまたは排他的論理和演算を実行することを含む、請求項８に記載のコンピュータ実装方法。
  10. 前記各中間デバイスは、鍵交換プロトコルを用いてその最近隣デバイスと共有鍵を交換しており、前記第１共有鍵および第２共有鍵を有する第１中間デバイス以外の前記各中間デバイスは、その共有鍵を前記第２エンドポイントデバイスに送信し、前記中間鍵情報に関連する着信通信のみをその共有鍵で暗号化してから、その最近隣デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに転送し、前記第２エンドポイントデバイスは、前記共有鍵を用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読する、請求項５に記載のコンピュータ実装方法。
  11. 前記デバイスグループ内の１つ以上のデバイス間で安全な通信のために使用される１つ以上の鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスに関連する所望または要求される信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットから選択される、請求項１～１０に記載のコンピュータ実装方法。
  12. 前記信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合、前記選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない当事者と鍵を共有するためのＱＫＤプロトコルを含む、請求項１１に記載のコンピュータ実装方法。
  13. 前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスのうちの１つの中間デバイスの共有鍵は、前記中間デバイスと、回線ネットワークまたは線形アレイトポロジにおいて前記中間デバイスに隣接又は近隣している１つ以上の他の中間デバイスとの間の共有鍵である、請求項１～１２に記載のコンピュータ実装方法。
  14. 前記第１通信リンクは、第１量子チャネルと第１クラシックチャネルとを含み、前記第１鍵交換プロトコルは、量子鍵配布プロトコルである、請求項１～１３に記載のコンピュータ実装方法。
  15. 前記第２通信リンクと前記中間デバイス間の通信リンクの各々は、量子チャネルとクラシックチャネルとを含み、前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、前記第１鍵交換プロトコルとは異なる量子鍵配布プロトコルである、請求項１～１４に記載のコンピュータ実装方法。
  16. 前記第１鍵交換プロトコルは、
    ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ １９８４（ＢＢ８４）ＱＫＤプロトコルファミリーからのＱＫＤプロトコルと、
    ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコルと、
    ＱＫＤリンク装置が前記エンドポイントデバイス間で交換された結果として得られたＱＫＤ鍵を導出できないことを保証するように構成されたＢＢ８４プロトコルの修正バージョンと、
    少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記第１中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、または前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットに基づいて第２デバイスと交換された共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、
    少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留し、少なくとも第２デバイスが前記第２量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第２ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第２量子チャネルを介して前記第２ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第２デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、前記第２デバイスによって有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセット、および有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットおよび有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセットに基づいて、第１デバイスと第２デバイス間で交換される、結果として得られた共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、
    Ｂｅｎｎｅｔ １９９２（Ｂ９２）ＱＫＤプロトコルと、
    ６状態プロトコル（ＳＳＰ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｓｃａｒａｎｉ Ａｃｉｎ Ｒｉｂｏｒｄｙ Ｇｉｓｉｎ ２００４（ＳＡＲＧ０４）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐａｒｒｉｌｏ Ｓｐｅｄａｌｉｅｒｉ ２００２（ＤＰＳ０２）ＱＫＤプロトコルと、
    差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｅｃｋｅｒｔ １９９１（Ｅ９１）ＱＫＤプロトコルと、
    コヒーレント一方向（ＣＯＷ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｋｈａｎ Ｍｕｒｐｈｙ Ｂｅｉｇｅ ２００９（ＫＭＢ０９）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｅｓｔｅｂａｎ Ｓｅｒｎａ ２００９（Ｓ０９）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｓｅｒｎａ ２０１３（Ｓ１３）ＱＫＤプロトコルと、
    Ａｂｕｓｈｇｒａ Ｋ Ｅｌｌｅｉｔｈｙ ２０１５（ＡＫ１５）ＱＫＤプロトコルと、
    任意の１つ以上の他のエンタングルベースＱＫＤプロトコルと、
    任意の１つ以上の将来のＱＫＤプロトコルと、
    量子伝送およびクラシック伝送を用いてエンドポイントデバイス間でＱＫＤ鍵を交換するための他の適切なＱＫＤプロトコルとからなる群から選択される１つを含む、請求項１～１５に記載のコンピュータ実装方法。
  17. 前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で前記第１鍵交換プロトコルに基づいて中間鍵情報を交換することは、
    さらに、
    前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを介して、前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するステップと、
    前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信するステップと、
    前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を生成するステップとの少なくとも以下のステップを実行するように構成された第１鍵交換プロトコルを含み、
    前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留する、請求項１～１６に記載のコンピュータ実装方法。
  18. 前記第１鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンである、請求項１７に記載のコンピュータ実装方法。
  19. 前記１つ以上の中間デバイスを介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信された交換された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報に基づいて、前記第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスによって、前記最終共有鍵を決定することは、さらに、
    前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを介して交換することと、
    前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用する基底セット、および第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する共通シンボルセットを決定することと、
    前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された前記共通シンボルセットおよび前記第１ランダムシンボルセットに基づく共有鍵を、前記第１デバイスおよび第２デバイス間で前記安全な通信チャネルを介して交換することと、を含む、請求項１７または１８に記載のコンピュータ実装方法。
  20. 前記デバイスグループ間の前記各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記デバイスグループの対応するデバイス間で共有鍵を交換するための前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、１つ以上の量子鍵配布プロトコルである、請求項１～１９に記載のコンピュータ実装方法。
  21. 前記１つ以上の中間デバイス間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記１つ以上の中間デバイスの対応する中間デバイス間で共有鍵を交換するために選択される前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、量子鍵配布プロトコルである、請求項１～２０に記載のコンピュータ実装方法。
  22. 前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、
    ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ １９８４（ＢＢ８４）ＱＫＤプロトコルファミリーからのＱＫＤプロトコルと、
    ＢＢ８４ ＱＫＤプロトコルと、
    ＱＫＤリンク装置が前記エンドポイントデバイス間で交換された結果として得られたＱＫＤ鍵を導出できないことを保証するように構成されたＢＢ８４プロトコルの修正バージョンと、
    少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記第１中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、または前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットに基づいて第２デバイスと交換された共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、
    少なくとも前記第１デバイスが前記第１量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１デバイスによって使用される基底セットを保留し、少なくとも第２デバイスが前記第２量子チャネルを介して前記第１中間デバイスと第２ランダムシンボルセットを送信または受信するが、前記第２量子チャネルを介して前記第２ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第２デバイスによって使用される基底セットを保留するように構成されたものであって、前記中間デバイスは、前記第１デバイスによって有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセット、前記第２デバイスによって有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセット、および有効に送信または受信された第１ランダムシンボルセットおよび有効に送信または受信された第２ランダムシンボルセットに基づいて、第１デバイスと第２デバイス間で交換される、結果として得られた共有鍵を導出することができない、ＢＢ８４プロトコルの修正バージョンまたはハイブリッド－ＢＢ８４に基づくバージョンと、
    Ｂｅｎｎｅｔ １９９２（Ｂ９２）ＱＫＤプロトコルと、
    ６状態プロトコル（ＳＳＰ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｓｃａｒａｎｉ Ａｃｉｎ Ｒｉｂｏｒｄｙ Ｇｉｓｉｎ ２００４（ＳＡＲＧ０４）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐａｒｒｉｌｏ Ｓｐｅｄａｌｉｅｒｉ ２００２（ＤＰＳ０２）ＱＫＤプロトコルと、
    差動位相シフト（ＤＰＳ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｅｃｋｅｒｔ １９９１（Ｅ９１）ＱＫＤプロトコルと、
    コヒーレント一方向（ＣＯＷ）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｋｈａｎ Ｍｕｒｐｈｙ Ｂｅｉｇｅ ２００９（ＫＭＢ０９）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｅｓｔｅｂａｎ Ｓｅｒｎａ ２００９（Ｓ０９）ＱＫＤプロトコルと、
    Ｓｅｒｎａ ２０１３（Ｓ１３）ＱＫＤプロトコルと、
    Ａｂｕｓｈｇｒａ Ｋ Ｅｌｌｅｉｔｈｙ ２０１５（ＡＫ１５）ＱＫＤプロトコルと、
    任意の１つ以上の他のエンタングルベースＱＫＤプロトコルと、
    任意の１つ以上の将来のＱＫＤプロトコルと、
    量子伝送およびクラシック伝送を用いてエンドポイントデバイス間でＱＫＤ鍵を交換するための他の適切なＱＫＤプロトコルとからなる群から選択される１つを含む、請求項１～２１に記載のコンピュータ実装方法。
  23. 前記デバイスグループ内の１つ以上のデバイス間で安全な通信のために使用される１つ以上の鍵ＱＫＤ交換プロトコルは、前記デバイスグループ内の１つ以上の中間デバイスに関連する所望または要求される信頼レベルに基づいて、鍵交換プロトコルセットから選択される、請求項１～２２に記載のコンピュータ実装方法。
  24. 前記信頼レベルが信頼レベルでないとみなされる信頼レベルである場合、前記選択された１つ以上の鍵交換プロトコルは、信頼されていない当事者と鍵を共有するためのＱＫＤプロトコルを含む、請求項２３に記載のコンピュータ実装方法。
  25. 前記第１鍵交換プロトコルおよび前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、もつれに基づくＱＫＤプロトコルであり、
    前記第１鍵交換プロトコルに基づいて前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換することは、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で１つ以上のＥｉｎｓｔｅｉｎ-Ｐｏｄｏｌｓｋｙ-Ｒｏｓｅｎ（ＥＰＲ）ペア（複数可）を配布することと、
    前記１つ以上の中間デバイスの各々の間で前記１つ以上のＥＰＲ対（複数可）を配布することと、
    前記１つ以上の中間デバイスの最後の１つと前記第２デバイスとの間で前記１つ以上のＥＰＲ対（複数可）を配布することと、をさらに含み、
    前記交換された中間鍵情報を表すデータを安全に送信することは、
    前記第１中間デバイスにおいて、前記第１中間デバイスによって保持された対応するＥＰＲ対に対してベル状態測定ＢＳＭを実行することと、
    前記他の各中間デバイスにおいて、前記他の各中間デバイスによって保持された対応するＥＰＲ対に対してベル状態測定（ＢＳＭ）を実行することと、
    前記各中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスの両方に前記ＢＳＭ結果を送信することと、をさらに含み、
    前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、ＢＳＭ結果を処理し、ＥＰＲ対を共有して、最終共有鍵を生成する、請求項１～２４のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  26. 前記デバイスグループ内の各デバイスは、前記量子チャネルを介してその最近隣デバイス内の各デバイスに接続され、前記各量子チャネルは、前記各デバイスとその最近隣デバイスとの間で使用される選択された１つ以上の鍵交換プロトコルに依存して一方向であり、
    前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間に古典的に保護されたクラシックチャネルを有し、
    前記Ｎ個の中間デバイスの各々は、それらの各最近隣中間デバイスとクラシックチャネルを有し、前記方法は、さらに、以下をさらに含み、
    前記第１鍵交換プロトコルを用いて前記第１中間鍵情報を交換することは、
    前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、
    前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信することと、
    前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１中間鍵情報を生成することと、をさらに含み、
    前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留し、前記交換された第１中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信することは、
    第１中間鍵情報を前記デバイスグループの近隣デバイスの共有鍵で暗号化することと、
    前記暗号化された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を、それらの間の通信リンクを経由して近隣デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに送信し、残りの任意の中間デバイスは、それらの間の通信リンクを経由して前記第２エンドポイントデバイスに前記第１中間鍵情報を安全に送信することと、をさらに含み、
    前記第２エンドポイントデバイスは、前記暗号化された第１中間鍵情報を受信し、前記中間デバイスのうちの１つと交換された共有鍵を用いて前記暗号化された第１中間鍵情報を解読して、前記第１中間デバイスによって決定された第１中間シンボルセットを取得し、
    前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスによって最終共有鍵を決定することは、さらに、
    前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して交換することと、
    前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットおよび第１中間シンボルを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２シンボルセットを決定することと、
    前記第１デバイスおよび前記第２デバイスによって、それらの間の古典的に保護された安全な通信チャネルを経由して、前記共通鍵に基づいて前記第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットの処理および変換を交換することと、をさらに含む、請求項１～２５のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  27. 前記第１中間鍵情報は、
    前記第１量子チャネルを介して前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットと、
    前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって送信または受信される第１ランダムシンボルセットとからなる群からのものを表すデータをさらに含む、請求項２６に記載のコンピュータ実装方法。
  28. 前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して共有鍵を交換することは、前記第２エンドポイントデバイスによって決定された第２シンボルセットと、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１シンボルセットとに対して、最終鍵情報調整およびプライバシー強化を実行することで、最終共有対称鍵を生成するステップをさらに含む、請求項２６または２７に記載のコンピュータ実装方法。
  29. 前記第２エンドポイントデバイスと第１中間デバイスとの間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルである、請求項２６～２８のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  30. 前記デバイスグループ間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループの対応するデバイスと前記デバイスグループのこれらの近隣デバイスとの間で共有鍵を交換するために使用される、請求項２９に記載のコンピュータ実装方法。
  31. 前記第１鍵交換プロトコルおよび前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、クラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコルである、請求項１～３０のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  32. 第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換し、
    前記中間鍵情報は、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間の第１共有鍵であり、
    前記中間デバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスの各々について、最近隣デバイスの各々と共有鍵を交換し、前記各中間デバイスは、１対の共有鍵を有し、前記第２エンドポイントデバイスは、それに接続された中間デバイスと交換された共有鍵を有し、前記第１中間デバイスは、それに接続された他の中間デバイスと交換された第２共有鍵を有し、
    前記中間デバイスによって、
    前記中間鍵情報を前記中間デバイスの第２共有鍵で暗号化して、前記第２エンドポイントデバイスに送信し、
    他の各中間デバイスについて、それらの共有鍵対を暗号的に結合して、前記第２エンドポイントデバイスに送信することに基づいて、前記交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して第２エンドポイントデバイスに安全に送信し、
    前記第２エンドポイントデバイスは、自身の共有鍵と前記中間デバイスからの暗号化結合共有鍵のペアを用いて、前記暗号化された中間鍵情報を解読し、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、追加の通信チャネルを用いて、前記第２エンドポイントデバイスによって前記第１共有鍵が受信され解読されたという知識を共有し、前記第１共有鍵は最終共有鍵を含む、請求項３１に記載のコンピュータ実装方法。
  33. 前記第１鍵交換プロトコルまたは前記１つ以上の鍵交換プロトコルは、
    クラシック対称鍵交換プロトコルと、
    Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＲＳＡ）鍵交換プロトコルと、
    Ｄｉｆｆｉｅ－Ｈｅｌｌｍａｎ鍵交換プロトコルと、
    有限フィールド暗号鍵交換プロトコルと、
    デジタル署名アルゴリズム（ＤＳＡ）鍵交換プロトコルと、
    楕円曲線（ＥＣ）暗号鍵交換プロトコルと、
    ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコルおよびＥＣ－ＤＨ（ＥＣＤＨ）鍵交換プロトコルと、
    楕円曲線 Ｄｉｆｆｉｅ Ｈｅｌｌｍａｎ一時的Ｒｉｖｅｓｔ／Ｓｈａｍｉｒ／Ａｄｅｌｍａｎ（ＥＣＤＨＥ－ＲＳＡ）鍵交換プロトコルと、
    ＥＣＤＨＥ－ＥＣＤＳＡ鍵交換プロトコルと、
    セキュアハッシュアルゴリズム（ＳＨＡ）－２（３８４ビット）と、
    ＳＨＡ－３と、例えば、制限されないが、
    高度暗号化標準（２５６ビット）（ＡＥＳ）に基づくプロトコル、
    ガロアカウンターモードに基づくプロトコル、
    トランスポート層セキュリティ（ＴＬＳ）、ｈｔｔｐｓ、ＳＳＬ、ＳＳＨに基づくプロトコル、
    任意の１つ以上の他のクラシック鍵交換プロトコル、
    任意の１つ以上の将来のクラシック鍵交換プロトコル、
    クラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスまたは前記中間デバイスなどの間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なクラシック鍵交換プロトコル、
    格子に基づく暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    エラーのあるリング学習（ＬＷＥ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    ｎ次トランケート多項式リングユニット（ＮＴＲＵ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    ＮＴＲＵベース鍵交換プロトコルの Ｓｔｅｈｌｅ－Ｓｔｅｉｎｆｅｌｄ バリアント（複数可）、
    二峰性格子署名スキーム（ＢＬＩＳＳ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    多変量ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    レインボーまたはアンバランスなオイルとビネガー（ＵＯＶ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    ハッシュベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    Ｌａｍｐｏｒｔベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    Ｍｅｒｋｌｅベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    コードベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    ＭｃＥｌｉｅｃｅベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    Ｎｉｅｄｅｒｒｅｉｔｅｒベース鍵交換プロトコル、Ｃｏｕｒｔｏｉｓ、Ｆｉｎｉａｓｚ、およびＳｅｎｄｒｉｅｒ
    署名ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    ランダム線形コード暗号化スキーム（ＲＬＣＥ）ベース鍵交換プロトコル（複数可）、
    超特異楕円曲線同種生成ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    対称鍵量子耐性ベース暗号鍵交換プロトコル（複数可）、
    任意の１つ以上の他のポスト量子鍵交換プロトコル、
    任意の１つ以上の将来のポスト量子鍵交換プロトコル、および
    クラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスまたは前記中間デバイス等の間で共有鍵を交換するための他の任意の適切なポスト量子鍵交換プロトコル、
    クラシック伝送を用いて前記エンドポイントデバイスおよび／または前記中間デバイスの間で鍵を交換するための任意の他の適切なクラシックまたはポスト量子プロトコルに基づく鍵交換プロトコルからなる群からのクラシックまたはポスト量子鍵交換プロトコルを含む、請求項１～３２のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  34. 前記各クラシック通信チャネルは、
    光通信チャネル、
    フリースペース光通信チャネル、
    無線通信チャネル、
    有線通信チャネル、
    ラジオ通信チャネル、
    マイクロ波通信チャネル、
    衛星通信チャネル、
    地上通信チャンネル、
    光ファイバ通信チャンネル、
    光レーザー通信チャネル、
    デバイス間でデータを伝送するための他の任意のタイプ１つ以上の光、無線、および／または有線通信チャネル（複数可）、および
    デバイス間でデータを伝送するための複合通信チャネルを形成する２つ以上の光、無線および／または有線通信チャネル（複数可）からなる群からの１つ以上のタイプの通信チャネルに基づく、請求項１～３３のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  35. 前記各量子通信チャネルは、
    光量子通信、
    フリースペース光量子通信、
    光ファイバ量子通信、
    光レーザー量子通信、
    量子もつれ通信、
    量子通信チャネルを経由してデバイス間でデータを伝送するための任意の他のタイプの量子通信からなる群からの１つ以上のタイプの量子通信チャネルに基づく、請求項１～３４のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  36. 前記１つ以上の中間デバイスは衛星装置であり、前記１つ以上の地上中間デバイスはハブの衛星地上局であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは、地上ネットワークを介して前記衛星地上局または前記ハブに接続され、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１地上中間デバイスとの間の第１量子通信チャネルは、光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の地上中間デバイスとの間の第２量子通信チャネルは、光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間のクラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルである、請求項１～３５のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  37. 前記１つ以上の中間デバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の前記第１量子通信チャネルは、フリースペース光量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルは、フリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間の前記クラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルである、請求項１～３６のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  38. 前記中間デバイスは、衛星メッシュネットワークを形成する衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは衛星であり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の前記第１量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記最後の中間デバイスとの間の前記第２量子通信チャネルはフリースペース光量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間の前記クラシック通信チャネルは非量子通信チャネルである、請求項１～３７のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  39. 前記１つ以上の中間デバイスは地上通信装置であり、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスは地上エンドポイントデバイスであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第１中間デバイスとの間の第１量子通信チャネルは光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第２エンドポイントデバイスと前記第２中間デバイスとの間の第２量子通信チャネルは光ファイバ量子通信チャネルであり、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間のクラシック通信チャネルは、非量子通信チャネルまたはクラシック地上通信チャネルである、請求項１～３８のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  40. 前記クラシック通信チャネルは、暗号化通信チャネルである、請求項１～３９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  41. 伝送データまたはメッセージを暗号化してから、前記第１クラシック通信チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスに伝送し、または、前記第２クラシック通信チャネルを経由して前記第２エンドポイントデバイスに伝送するステップをさらに含む、請求項４０に記載のコンピュータ実装方法。
  42. １つ以上の認証プロトコルは、前記クラシック通信チャネルまたは前記量子通信チャネルを経由して通信する前に、前記中間デバイス、前記第１エンドポイントデバイスまたは第２エンドポイントデバイスを認証するために、前記１つ以上の中間デバイスと、前記第１エンドポイントデバイスまたは前記第２エンドポイントデバイスとによって使用される、請求項１～４１のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  43. 前記通信チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスにそれぞれデータを送信する前に、前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスを認証するステップをさらに含む、請求項４２に記載のコンピュータ実装方法。
  44. １つ以上の中間デバイスを介して通信リンクを経由して通信可能に結合された第１エンドポイントデバイスと第２エンドポイントデバイスとの間の鍵交換のコンピュータ実装方法であって、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１通信リンクによって前記１つ以上の中間デバイスのうちの前記第１中間デバイスに結合され、前記第２エンドポイントデバイスと前記１つ以上の中間デバイスはデバイスグループを形成し、前記１つ以上の中間デバイスの各々は、前記通信リンクのうちの少なくとも１つを介して前記１つ以上の中間デバイスのうちの少なくとも１つの他の中間デバイスに通信可能に結合され、前記第２エンドポイントデバイスは、前記第２通信リンクを介して前記グループのうちの前記１つ以上の中間デバイスのうちの最後の１つに結合され、前記方法は、
    第１鍵交換プロトコルに基づいて、前記第１中間デバイスと前記第１エンドポイントデバイスとの間で中間鍵情報を交換するステップであって、前記第１鍵交換プロトコルは、中間鍵情報を交換するように構成されたＱＫＤプロトコルであり、前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１中間デバイスから鍵交換情報を保留するステップと、
    交換された中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記中間デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信するステップであって、前記デバイスグループの通信リンク経由の前記安全な通信は、前記デバイスグループの通信リンクを経由して１つ以上の鍵交換プロトコルを用いて交換された共有鍵に基づいているステップと、を含み、
    第１エンドポイントデバイスおよび第２エンドポイントデバイスは、保留鍵交換情報を交換し、前記中間鍵情報を前記鍵交換情報とともに処理して最終共有鍵に変換するために、これらの間の追加の通信チャネルを用いる、コンピュータ実装方法。
  45. 前記デバイスグループ内の各デバイスは、前記量子チャネルを介してその最近隣デバイス内の各デバイスに接続され、前記各量子チャネルは、前記各デバイスとその最近隣デバイスとの間で使用される選択された１つ以上の鍵交換プロトコルに依存して一方向であり、
    前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間に古典的に保護されたクラシックチャネルを有し、
    前記Ｎ中間デバイスの各々は、それらの各最近隣中間デバイスとクラシックチャネルを有し、前記方法は、さらに、以下をさらに含み、
    前記第１鍵交換プロトコルを用いて前記第１中間鍵情報を交換することは、
    前記第１中間デバイスによって、前記第１量子チャネルを経由して前記第１エンドポイントデバイスと第１ランダムシンボルセットを送信または受信することと、
    前記第１量子チャネルを介して前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１中間デバイスによって使用される基底セットを前記第１中間デバイスから前記第１エンドポイントデバイスに送信することと、
    前記第１量子チャネルを経由して前記第１シンボルセットを送信または受信する際に前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて有効に送信または受信された第１シンボルセットに基づいて、前記第１中間デバイスによって、第１中間シンボルセットを表すデータを含む第１中間鍵情報を生成することと、をさらに含み、
    前記第１エンドポイントデバイスは、前記第１量子チャネルを経由して前記第１中間デバイスと前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために第１エンドポイントデバイスによって使用される第１送信または受信基底セットを保留し、
    前記交換された第１中間鍵情報を表すデータを前記第１中間デバイスから前記第２エンドポイントデバイスに安全に送信することは、
    第１中間鍵情報を前記デバイスグループの近隣デバイスの共有鍵で暗号化することと、
    前記暗号化された第１エンドポイントデバイス中間鍵情報を、それらの間の通信リンクを経由して近隣デバイス（複数可）を介して前記第２エンドポイントデバイスに送信し、残りの任意の中間デバイスは、それらの間の通信リンクを経由して前記第２エンドポイントデバイスに前記第１中間鍵情報を安全に送信することと、をさらに含み、
    前記第２エンドポイントデバイスは、前記暗号化された第１中間鍵情報を受信し、前記中間デバイスのうちの１つと交換された共有鍵を用いて前記暗号化された第１中間鍵情報を解読して、前記第１中間デバイスによって決定された第１中間シンボルセットを取得し、
    前記第１エンドポイントデバイスおよび前記第２エンドポイントデバイスによって最終共有鍵を決定することは、さらに、
    前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して交換することと、
    前記第２エンドポイントデバイスによって、前記第１ランダムシンボルセットおよび第１中間シンボルを送信または受信するために前記第１エンドポイントデバイスによって使用される送信または受信基底セットを用いて、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１ランダムシンボルセットの少なくとも一部に対応する第２シンボルセットを決定することと、
    前記第１デバイスおよび前記第２デバイスによって、それらの間の古典的に保護された安全な通信チャネルを経由して、前記共通鍵に基づいて前記第１ランダムシンボルセットおよび第２ランダムシンボルセットの処理および変換を交換することと、をさらに含む、請求項４４に記載のコンピュータ実装方法。
  46. 前記第１中間鍵情報は、
    前記第１量子チャネルを介して前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって使用される送信または受信基底セットと、
    前記第１エンドポイントデバイスによって前記第１ランダムシンボルセットを送信または受信するときに前記第１中間デバイスによって送信または受信される第１ランダムシンボルセットとからなる群からのものを表すデータをさらに含む、請求項４５に記載のコンピュータ実装方法。
  47. 前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で安全な通信チャネルを経由して共有鍵を交換することは、前記第２エンドポイントデバイスによって決定された第２シンボルセットと、前記第１エンドポイントデバイスによって送信または受信された第１シンボルセットとに対して、最終鍵情報調整およびプライバシー強化を実行することで、最終共有対称鍵を生成するステップをさらに含む、請求項４４～４６のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  48. 前記第２エンドポイントデバイスと第１中間デバイスとの間の安全な通信のための１つ以上の鍵交換プロトコルは、ＢＢ８４鍵交換プロトコルである、請求項４４～４７のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  49. 前記デバイスグループ間の各通信リンクは、量子チャネルとクラシックチャネルを含み、前記ＢＢ８４鍵交換プロトコルは、前記デバイスグループの対応するデバイスと前記デバイスグループのこれらの近隣デバイスとの間で共有鍵を交換するために使用される、請求項４４～４８のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法。
  50. 中間装置であって、プロセッサユニットと、メモリユニットと、通信インターフェースとを含み、前記プロセッサユニットは、前記メモリユニットと前記通信インターフェースに接続され、前記プロセッサユニット、前記メモリユニット、および前記通信インターフェースは、請求項１～４９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法を実装するように適合されている、中間装置。
  51. 装置であって、プロセッサユニットと、メモリユニットと、通信インターフェースとを含み、前記プロセッサユニットは、前記メモリユニットと前記通信インターフェースに接続され、前記プロセッサユニット、前記メモリユニット、および前記通信インターフェースは、請求項１～４９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法を実装するように適合されている、装置。
  52. 請求項５０に記載の装置を含む１つ以上の中間デバイスと、
    請求項５１に記載の装置を含む第１エンドポイントデバイスと、
    請求項５１に記載の装置を含む第２エンドポイントデバイスと、を含む、システムであって、
    前記１つ以上の中間デバイス、前記第１エンドポイントデバイス、および前記第２エンドポイントデバイスは、前記第１エンドポイントデバイスと前記第２エンドポイントデバイスとの間で共有鍵を確立するために互いに通信するように構成される、システム。
  53. 中間デバイスと、第１デバイスと、第２デバイスと、を含む、システムであって、前記中間デバイス、前記第１デバイス、および前記第２デバイスは、請求項１～４９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法の対応するステップを実装するように構成される、システム。
  54. 複数の衛星を含む衛星量子鍵配信システムであって、前記各衛星は、中間デバイスの機能を含み、前記各衛星は、１つ以上の地上受信局と通信し、前記各地上受信局は、前記第１および／または前記第２エンドポイントデバイスの機能を含む、請求項５２または５３に記載のシステム。
  55. コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、請求項１～４９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法を前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体。
  56. コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、請求項１～４９のいずれか１項に記載の中間デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体。
  57. コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、請求項１～４９のいずれか１項に記載の第１デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体。
  58. コンピュータ可読媒体であって、プロセッサ上で実行されたときに、請求項１～４９のいずれか１項に記載の第２デバイスに関連するコンピュータ実装方法の対応するステップを前記プロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体。
  59. コンピュータ可読媒体であって、１つ以上のプロセッサ上で実行されるときに、請求項１～４９のいずれか１項に記載のコンピュータ実装方法を前記１つ以上のプロセッサに実行させるコンピュータコードまたは命令を格納した、コンピュータ可読媒体。
JP2023546288A 2021-01-29 2022-01-28 量子ネットワークのための鍵交換プロトコル Pending JP2024505094A (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB2101310.7 2021-01-29
GB2101310.7A GB2604326B (en) 2021-01-29 2021-01-29 QKD switching system
GB2106980.2 2021-05-14
GB2106980.2A GB2604666B (en) 2021-01-29 2021-05-14 Key exchange protocol chaining
PCT/GB2022/050243 WO2022162390A1 (en) 2021-01-29 2022-01-28 Key exchange protocol for quantum network

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024505094A true JP2024505094A (ja) 2024-02-02

Family

ID=80447656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023546288A Pending JP2024505094A (ja) 2021-01-29 2022-01-28 量子ネットワークのための鍵交換プロトコル

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240313949A1 (ja)
EP (1) EP4285542A1 (ja)
JP (1) JP2024505094A (ja)
AU (1) AU2022212777A1 (ja)
CA (1) CA3206799A1 (ja)
WO (1) WO2022162390A1 (ja)

Also Published As

Publication number Publication date
EP4285542A1 (en) 2023-12-06
CA3206799A1 (en) 2022-08-04
AU2022212777A1 (en) 2023-09-14
WO2022162390A1 (en) 2022-08-04
US20240313949A1 (en) 2024-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7021272B2 (ja) セキュアな通信ネットワーク
CN110581763B (zh) 一种量子密钥服务区块链网络系统
EP2245789B1 (en) Quantum cryptography apparatus
US9160529B2 (en) Secret communication system and method for generating shared secret information
Mink et al. Quantum key distribution (QKD) and commodity security protocols: Introduction and integration
WO2016206498A1 (zh) 第一量子节点、第二量子节点、安全通信架构系统及方法
US20100042841A1 (en) Updating and Distributing Encryption Keys
Geihs et al. The status of quantum-key-distribution-based long-term secure internet communication
GB2604666A (en) Key exchange protocol chaining
CN110855438B (zh) 一种基于环形qkd网络的量子密钥分发方法及系统
Bhatia et al. Framework for wireless network security using quantum cryptography
JP5672425B2 (ja) 暗号通信システムおよび暗号通信方法
JP2006506859A (ja) 量子暗号プロトコル
CN100594691C (zh) Manet网络的数据传递加密方法
WO2024013466A1 (en) Systems and methods for encrypted gossip communication
JP2024503054A (ja) グループ・キー形成のためのシステムおよび方法
Kong Challenges of routing in quantum key distribution networks with trusted nodes for key relaying
Zia-Ul-Mustafa et al. Quantum key distribution for visible light communications: A review
WO2023078639A1 (en) Quantum-secured communication
JP2024505094A (ja) 量子ネットワークのための鍵交換プロトコル
Malathy et al. Quantum Cryptographic Techniques
CN116684091B (zh) 基于量子密钥分发中继多层级数据区块链共享方法及系统
JP5822083B2 (ja) 暗号通信システムおよび暗号通信方法
Reddy et al. A novel hybrid quantum protocol to enhance secured dual party computation over cloud networks
Geihs et al. The status of quantum-based long-term secure communication over the internet