JP3640961B2 - 暗号受信機 - Google Patents
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Description
本発明は暗号受信機に関し、詳細にいえば、個々の光量子の測定に引き続く二つの当事者の間での情報の交換の結果として二つの当事者によって暗号キーコードが導かれる通信システム用の暗号受信機に関する。
暗号通信システムに組み込まれた暗号受信機はこれまでに、たとえば、公開番号第WO92/04785号である国際出願第PCT/GB91/01352号に記載されており、またPhysical Review Letters,Vol.69,number ９、1992年８月、第1293ページから第1295ページにA.K.Ekert他によって記載されている。これらに記載されている通信システムは若干距離離隔された二つの暗号受信機と、相関光量子対のソースとを備えている。各受信機はそれぞれの制御信号に応じて伝送特性が変調されるフィルタを含んでいる。二つの受信機の間での制御信号に関する情報の交換によって、各々がこれらの受信機だけに利用できる共通キーコードを導くことが可能となる。このキーコードによって、他のメッセージを暗号化し、安全処置が講じられていない通信リンクを使用して伝送することが可能となる。これらのシステムは高い伝送損失を伴う高速な変調器を必要とするという欠点を有している。
光量子偏光測定受信機に基づく暗号通信システムがA.Muller他によってEuropean Physics Leters,vol.23、1993年、第385ページから第388ページに記載されている。これに記載されている受信機は一方が45゜のローテータを含んでいる二つのチャネルの間で光量子を切り換える電気光学スイッチを備えている。チャネルは再結合され、光量子偏光は検出される前に偏光ビームスプリッタによって分離される。
本発明の目的は、代替形の暗号受信機を提供することである。
本発明は光量子を搬送する個々の情報を受信する暗号受信機において、
（ａ）第一の光量子チャネルおよび第二の光量子チャネルと、
（ｂ）受信した光量子を第一光量子チャネルと第二光量子チャネルの間で分配する分配手段と、
（ｃ）第一光量子チャネル内の光量子に第一の測定ベースを与える、第一光量子チャネルの手段と、
（ｄ）第二光量子チャネル内の光量子に、第一の測定ベースとは非直交な第二の測定ベースを与える第二光量子チャネルの手段と、
（ｅ）受信した光量子を検出し、このような光量子の検出時に出力信号をもたらす光量子検出手段と、
（ｆ）前記出力信号および外部ソースからの信号を受信し、前記出力信号および外部ソースからの前記信号の組合せから受信機と外部ソースが同一のキーコードを共用するように暗号キーコードを生成する信号処理手段とを備えており、
（ｉ）分配手段が受信した光量子を、制御信号を必要とせずに、第一および第二の光量子チャネルの間にランダムに分配し、
（ii）光量子検出手段からの出力信号が各受信光量子に与えられているそれぞれの測定ベースを示す
ことを特徴とする暗号受信機を提供する。
本発明は高い伝送損失を伴う高速変調器を必要としないという利点をもたらす。他の利点は伝送速度を従来技術の受信機よりも高くできることである。
暗号受信機を位相関係の形で情報を搬送している光量子を受信するように構成することもできる。受信機は伝送特性が光量子の波長によって決まる不平衡マッハツェンダ干渉計を含んでいてもよい。代替として暗号受信機を受信した光量子の偏光を測定し、偏光状態が情報を搬送しているように構成することもできる。
本発明の暗号受信機を、本発明の第二の暗号受信機を有している通信システムに組み込み、各受信機がそれぞれの当事者に共通キーコードを与えるようにしてもよい。この構成はいずれの当事者も彼らの受信機に傍受されやすい制御信号をもたらさないのでセキュリティが強化されるという利点をもたらす。
本発明の実施の形態を単なる例として、添付図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の暗号受信機の略図である。
第２図は、受動偏光受信機の形態での本発明の暗号受信機の略図である。
第３図は、第１図の受信機を組み込んだ通信システムの略図である。
第４図は、第３図のシステムに対する光量子対のソースを示す図である。
第５図は、第３図のシステムのタイミング図である。
第６図は、第２図の受信機を組み込んだ通信システムの略図である。
第７図は、拡張時分割マッハツェンダ干渉計の形態での本発明の受信機を組み込んだ他の通信システムの略図である。
第１図を参照すると、総括的に10で示される本発明の暗号受信機が略示されている。受信機10は遠隔ソース（図示せず）からの光量子を、光ファイバガイド12に沿って受信するようになされている。ファイバカプラ14は矢印16で示される入来光量子を、二つのチャネル18および20のいずれかにランダムに結合する。ファイバカプラ14は光量子をチャネル18およびチャネル20にランダムに分配するようになされたビームスプリッタである。光量子がチャネル18またはチャネル20のいずれかに結合される確率はほぼ等しい。チャネル18および20は両方とも光ファイバガイドである。チャネル18および20はそれぞれフィルタ22および24につながっている。
フィルタ22はファイバカプラ14と同様な50/50ファイバカプラ26を備えており、このカプラは長いファイバ径路28または短いファイバ径路30のいずれかに光量子をランダムに結合する。これらの径路は他の50/50ファイバカプラ32に再結合する。位相板34が長いファイバ径路28に組み込まれている。位相板34は径路28を通る光量子の位相をｎが整数であるとき（2nπ±π/2）ラジアンだけ遅らせるように設定されている。フィルタ24は50/50ファイバカプラ36、長いファイバ径路38、短いファイバ径路40および第二の50/50ファイバカプラ42を有している点で、フィルタ22と類似している。長いファイバ径路28および38は等しい長さであり、短いファイバ径路30および40も同様である。位相板44がフィルタ24の長いファイバ径路38に挿入されており、径路38を通過する光量子にｍが整数であるとき2mπラジアンの位相シフトを与えるように設定されている。もっとも単純な場合、ｎおよびｍは両方ともゼロに等しい。フィルタ22はπ/2の位相シフトをもたらす位相板34を有しており、フィルタ24は０の位相シフトをもたらす位相板を有している。フィルタ22および24はそれ故、二つの非直交測定ベースを形成するように設定される。非直交状態はG.H.BennetのPhysical Review Letters,Volume 68,Number 21、1992年５月の第3121ページから第3124ページの論文における射影演算子によって定義されている。
二つのファイバカプラ32および42は45および46、ならびに48および50の出力チャネル対のそれぞれに光量子を結合する。出力チャネル45、46、48および50の各々はそれぞれの光量子検出器52、54、56および58で終端している。検出器52、54、56および58によって検出された各光量子は、電気パルスを発生する。検出器52、54、56および58はそれぞれのワイヤ62、64、66および68によって信号処理装置60に接続されている。フィルタ22および24、出力チャネル45から50ならびに光量子検出器52から58は切換え手段を構成する。
フィルタ22および24は不平衡マッハツェンダ干渉計である。矢印16で示すような受信機10にはいる単一の入射光量子はフィルタ22またはフィルタ24のいずれかをランダムに通過する。その結果、装置10へ12で入力する光量子はフィルタ22と24の間でランダムに分配されることとなる。長いファイバ径路28および38は短いファイバ径路30および40よりもｌ長い径路長を有している。フィルタ22または24のいずれかに入る光量子の波長および径路差ｌに応じて、光量子は光量子検出器52、54、56または58のうちの一つで検出される。どの検出器が光量子を検出するかは、ファイバカプラ32または42で構成的または破壊的干渉のいずれかが生じるかによって決定される。入射光量子の波長が不確定で、コヒーレンス長さがｌ未満である場合、光量子は検出器52、54、56および58の一つにランダムに現れる。通信システムに組み込まれた受信機10の作動については後述する。
第２図を参照すると、総括的に110で示されている受動偏光受信機の形態の本発明の代替的実施の形態が示されている。受信機110は遠隔ソース（図示せず）から光ファイバガイド112に沿って偏光光量子を受信するようになされている。偏光保持および偏光不感応ファイバカプラ114は矢印116で示される入来偏光光量子をチャネル118および120の一方にランダムに結合する。チャネル118および120は偏光保持光ファイバガイドで、それぞれの偏光ローテータ122および124につながっている。ローテータ122はこれを通過する光量子の偏光を45゜回転させるように設定されており、ローテータ124はこれを通過する光量子の偏光を０゜回転させるように設定されている。チャネル118は次いで、偏光ビームスプリッタ126につながっている。ビームスプリッタ126にはいる光量子の偏光に応じて、光量子は光量子検出器128に向かって出力されるか、光量子検出器130に向かって出力されるかのいずれかとなる。チャネル120はローテータ124から、ビームスプリッタ126に類似した偏光ビームスプリッタ132につながっている。ビームスプリッタ132は光量子検出器134および136につながっている二つの出力方向を有している。ローテータ122および124は非直交測定ベースをチャネル118および120のそれぞれの内部の光量子に与える。
光量子検出器128、130、134および136は光量子を電気パルスに変換し、これらの電気パルスはそれぞれのワイヤ138、140、142および144から信号処理装置146に伝えられる。通信システムに組み込まれた受信機110の作動については後述する。
受信機110のチャネル120は遅延ループを含むように構成してもよい。このような実施の形態においては、二つの偏光ビームスプリッタ126および132が、チャネル118および120に対応する二つの入力チャネルを有する単一の偏光ビームスプリッタと置き換えられる。チャネル120の遅延ループは信号処理装置が偏光ビームスプリッタでの光量子の到着時間を測定することによって、どのチャネルを光量子が通るのかを特定することを可能とする。ローテータ124などの０゜ローテータの代わりに、チャネル120をある長さの偏光保持光ファイバウェーブガイドと置き換えてもよいが、ただし、このウェーブガイドが、チャネル118のローテータ122がもたらす測定ベースと非直交である測定ベースをチャネル120内の光量子にもたらすことを条件とする。二つのローテータを使用すると、これらが受信機の性能を「調整」して、性能を最高のものとすることができるため、受信機110の作動が単純化される。このような「調整」は回転角を０゜および45゜の位置からわずかにずらして、偏光ビームスプリッタ126および132のミスアライメントを解消することによって達成される。
第３図を参照すると、総括的に200で示される通信システムが示されている。通信システムは第一の受信機210と第二の受信機220を備えている。受信機210および220は受信機10と同様なものである。システム200はさらに光量子対のソース230を備えている。ソース230は光量子の対を放出し、光量子の一方は矢印234で示されており光ファイバガイド232に結合され、光量子の一方は矢印238で示されており光ファイバガイド236に結合される。光ファイバガイド232は光量子を第一の受信機210へ導き、光ファイバガイド236は光量子を第二の受信機220へ導く。二つの受信機210および220は、電話接続でかまわない従来の通信リンクを介して互いに通信を行っている。
受信機210はビームスプリッタ241、第一のマッハツェンダ干渉計242および第二のマッハツェンダ干渉計244を備えている。干渉計242は光量子検出器250および252にそれぞれつながっている二つの出力チャネル246および248を有している。干渉計244は光量子検出器258および260にそれぞれつながっている二つの出力チャネル254および256を備えている。同様に、受信機220はビームスプリッタ261、第一のマッハツェンダ干渉計262および第二のマッハツェンダ干渉計264を備えている。干渉計262は光量子検出器270および272にそれぞれつながっている二つの出力チャネル266および268を有している。干渉計264は光量子検出器278および280にそれぞれつながっている二つの出力チャネル274および276を有している。光量子検出器250、252、258、260、270、272、278および280は、Brown他がApplied Optics 26（1987年）第2383ページに記載しているような活性急冷光量子カウンティングアバランシェフォトダイオード（actively quenched photon counting avalanche photodiode）である。光量子が検出されることに応じて、これらの光量子検出器は電気パルスを放出する。光量子検出器250、252、258または260から生じるパルスは信号処理装置282によって検出され、光量子検出器270、272、278または280から生じるパルスは信号処理装置284によって検出される。信号処理装置282および284は従来の通信リンク240を介して情報を交換する。第一の干渉計242および262は各々が、０゜の相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームにおいて位相板286および288をそれぞれ有している。第二の干渉計244は＋π/2ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームに位相板290を有しており、第二の干渉計264は−π/2ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームに位相板292を有している。
ここで、第４図を参照すると、光量子対のソース230の詳細が示されている。ソース230は単色光レーザ300と非線形結晶（non−linear crystal）302を備えている。レーザ300は413.4nmの波長λ０で作動する100mWのクリプトンイオンレーザである。非線形結晶302はヨウ素酸リチウムの結晶である。レーザ300は破線の矢印306で示される方向に沿って光量子304などの光量子のパルスを放出する。結晶302内で、光量子は非縮退変換（non−degenerate down conversion）を受け、光量子の相関対が放射される。開口308および310は光量子312aおよび312bなどの光量子の対が通過できるように構成されている。光量子312aおよび312bはそれぞれ矢印314aおよび314bによって示されている方向へ進む。矢印314aおよび314bは矢印306に対しそれぞれθ１およびθ２の角度をなしている。光量子312aおよび312bは波長がそれぞれλ１およびλ２の相関した対であり、結晶302からほぼ同時に放射され、共役エネルギーを有している。「共役エネルギー」という表現は光量子対のエネルギーの合計が入射光量子304のエネルギーと等しいことをいう。開口308および310は有限の幅を有しており、結晶302から放出される光量子を狭い範囲の許容角度以内で伝送する。この範囲は光量子312aおよび312bなどの伝送された光量子が波長帯域幅δλを有するようにする。開口308および310はθ１＝θ２＝14.5゜になるように構成されている。光量子312aなどの光量子はλ１±δλの波長を有しており、光量子312bなどの光量子はλ２±δλの波長を有しており、λ１＝λ２＝２λ０＝826.8nmである。光量子312aなどの光量子はレンズ316によって光ファイバガイド232に結合され、光量子312bなどの光量子はレンズ318によって光ファイバガイド236に結合される。
第３図も参照して、通信システム200の作動を個々で説明する。光量子312aは受信機210に到達すると、第一の干渉計242または第二の干渉計244のいずれかを通過する。同様に、光量子312bは受信機220に到達すると、第一の干渉計262または第二の干渉計264のいずれかを通過する。光量子検出器250、258、270および278によって発生した電気パルスは、０という２進値を割り振られ、光量子検出器252、260、272および280によって発生した電気パルスは、１という２進値を割り振られる。個々の光量子は不確定な波長のものであり、それ故、両方の光量子312aおよび312bは光量子検出器に伝わり、この光量子からの電気パルスは１または０のいずれかに対応している。光量子312aおよび312bの波長は相関され、したがって、特定の２進値を発生する光量子312aの確率および同一の２進値を発生する光量子312bの確率に関する相関係数Ｅが導かれる。
相関係数は次の式によって与えられる。
Ｅ＝cos（φ１＋φ２） （１）
ただし、φ１は光量子312aが通過する第一の受信機の位相板286または290の位相シフトであり、φ２は光量子312bが通過する第二の受信機の位相板288または292の位相シフトである。（φ１＋φ２）がゼロに等しい場合、Ｅは１に等しくなり、光量子312aおよび312bは両方とも同じ２進値のパルスを発生する光量子検出器へ伝わる。
光量子312aおよび312bが検出され、得られる電気パルスが信号処理装置282および284によって測定された後、各信号処理装置は他方へ、光量子312aまたは312bが通過した干渉計の識別の詳細を送る。信号処理装置は両方とも相関係数Ｅの値が１に等しいか、等しくないかを判定することができる。Ｅが１に等しい場合には、測定値は有効であり、記憶される。（φ１＋φ２）がゼロに等しくなく、したがってＥが１に等しくない場合には、測定値は廃棄される。有効な測定値の２進値は第一の受信機および第二の受信機の両方に共通である。一連のこれらの共通２進値が連続した測定によって蓄積され、安全処理の講じられていない公衆通信システムでの二つの受信機の間の通信を符号化するためのキーコードとして使用される。
ここで第５図を参照すると、信号処理装置282および284で測定したパルスのタイミング図350が示されている。タイミング図350はパルスの振幅と時間の一連のグラフで構成されている。グラフ360a、360b、360cおよび360dは光量子検出器250、252、258および260のそれぞれに対応しており、グラフ362a、362b、362cおよび362dは光量子検出器270、272、278および280のそれぞれの対応している。各検出器からのパルスに対応する２進値は列370に示されている。
タイミング図350は受信機210が光量子を検出するが、受信機220が検出しないいくつかの場合を示している。このような場合は線372で示されている。同様に、線374で示すように、受信機220が光量子を検出するが、受信機210が検出しないいくつかの場合がある。信号処理装置282および284の一方がパルスを測定するが、他方の処理装置が測定しない場合、情報は廃棄される。
タイミング図350は点線376、378、380、382、384および385で示される、両方の信号処理装置が同一時点でパルスを測定する六つの場合を示している。これら六つの場合のうち、二つは（φ１＋φ２）がゼロに等しくない場合に生じる。これらは点線378および384で示されている。これら二つの測定値は廃棄され、四つの有効な測定値が残る。点線376、380、382および386で示されるこれら四つの測定値によって、信号処理装置282および284が４ビットの２進数0100を得ることが可能となる。両方の信号処理装置が測定したパルスが相関した光量子対によるものであるかどうかを信号処理装置が判断するためには、パルスが検出された時間に関する情報も、これらの信号処理装置が交換しなければならない。
盗聴者が光量子の伝送の傍受を試みたかどうかを突き止めるために、二つの信号処理装置は所定のランダムな一連のビットを交換することもできる。交換した一連のビットが同一でない場合には、盗聴者が検出されたこととなり、安全な通信を行うことができない。交換した一連のビットが同一の場合には、盗聴者が存在していないという妥当なセキュリティが存在し、他の秘密ビットを使用して、二つの信号処理装置だけにわかる共用ランダムキーコードを形成する。一方の処理装置から他方への公衆伝送はキーコードによって符号化され、復号される。
第６図を参照すると、総括的に400で示される、本発明の受信機を組み込んだ通信システムが示されている。通信システム400は偏光光量子通信システムである。システム400は光量子412などの光量子を電気光学スイッチ414に結合する弱い偏光光量子ソース410を有している。スイッチ414は光量子412を四つのチャネル416a、416b、416cまたは416dの一つに経路指定する。チャネル416aないし416dは各々が偏光ローテータを含んでいる。チャネル416aは光量子の偏光を０゜回転するローテータ418aを含んでおり、チャネル416bは偏光を90゜回転するローテータ418bを含んでおり、チャネル416cは偏光を＋45゜回転するローテータ418cを含んでおり、チャネル416dは光量子の偏光を初期偏光に関して−45゜回転するローテータ418dを含んでいる。これらの回転は略示されている。ローテータはそれ故、偏光の配向の二つの非直交セットを形成している。ローテータ418aおよび418bは０゜および90゜の回転を有する直線セットを形成し、ローテータ418cおよび418dは＋45゜および−45゜の回転を有する非直交対角セットを形成する。信号処理装置420からの制御信号に応じて、スイッチ414は光量子412を四つのローテータ418aないし418dに経路指定する。
四つのチャネル416a−ｄは受動カプラ422で再結合する。スイッチ414およびカプラ422は両方とも、光量子がこれらを通過したときに光量子の偏光配向を維持する。
光量子412はスイッチ414からローテータ418a−ｄへ伝わり、ここでその偏光がカプラ422へ回転される。カプラ422から、光量子412は光ファイバ424へ伝わる。光量子412は次いで、光ファイバ偏光コントローラ426を通過する。偏光コントローラ426は射出光量子が光量子が光ファイバガイド424へ入ったときのものと同一の偏光基準フレームを有することを確実とする。偏光コントローラ後に、光量子412は受信機430へ伝わる。受信機430は受信機110と同様なものである。光量子412は偏光保持ファイバカプラ432に伝わり、このカプラは光量子をチャネル434またはチャネル436のいずれかにランダムに結合する。チャネル434は45゜ローテータ438を含んでおり、チャネル436は０゜ローテータ439を含んでいる。チャネル434の光量子は次いで、偏光ビームスプリッタ440に伝わる。ローテータ438を通過した後垂直な偏光を有している光量子は検出器442に伝わり、水平な偏光を有している光量子は検出器444に伝わる。チャネル436の光量子は次いで、偏光ビームスプリッタ446へ伝わる。垂直に偏光された光量子は検出器448へ伝わり、水平に偏光された光量子は検出器450へ伝わる。ローテータ438および439は非直交測定ベースをチャネル434および430それぞれ内の光量子に与える。光量子が検出器442、444、448または450のいずれかによって検出されたことに応じて、電気パルスがそれぞれのワイヤ452a、452b、452cまたは452dに沿って信号処理装置454に伝わる。検出器442および448からのパルスには２進値０が割り当てられ、検出器444および450からのパルスには２進値１が割り当てられる。
信号処理装置454が検出された光量子412から生じる電気パルスを測定した場合、この信号処理装置は信号処理装置420に光量子412が通過したチャネルの識別を伝える。信号処理装置420は通信リンク456を使用して信号処理装置454に、直線偏光または対角偏光のいずれかをもたらすローテータ418aないし418dの一つへ、スイッチ414によって光量子412が経路指定されているかどうかを伝える。光量子412がローテータ418aまたは418bを通過した後、直線偏光を有しているが、チャネル434の受信機430によって検出された場合には、測定値は有効ではない。同様に、対角ローテータ418cまたは418dを光量子が通過したが、チャネル436の受信機420によって検出された場合には、測定値は無効である。有効な測定値は光量子が直線ローテータ418aまたは418bを通過し、チャネル436内で検出されるか、対角ローテータ418cまたは418dを通過し、チャネル434内で検出されたときである。無効な測定値は廃棄される。
信号処理装置420はスイッチ414が光量子をどのチャネル内へ送るかを制御する。直線偏光416aまたは416bをもたらす二つのチャネルのうち、チャネル416aは２進数０に対応しており、チャネル416bは２進数１に対応している。同様に、対角ローテータ416cおよび416dの場合、チャネル416cは２進数１に対応しており、チャネル416dは２進数０に対応している。「対応する」という言葉は「信号処理装置420内で同等である」ということを意味する。有効な測定値の場合、信号処理装置420および信号処理装置454は両方とも同じ２進値を有しており、これらの２進値は組み合わされて、両方の処理装置に共通な２進キーコードを形成する。このキーコードを使用して、通信リンク456での伝送を符号化する。システム200に対するものと同様なルーチンを使用して、盗聴者を検出することもできる。
第７図を参照すると、総括的に500で示される、本発明の受信機を組み込んだ通信システムが示されている。通信システム500は拡張時分割マッハツェンダ干渉計を備えている。パルス化レーザ510は矢印512で示されている光量子のパルスを発生する。これらの光量子は減衰器514に伝わる。減衰器514は平均して、レーザパルス当たり0.1個の光量子を伝送する、すなわち、10個のレーザパルスごとに、伝送される単一の光量子を一つだけもたらすように構成されている。単一の光量子516は第一のファイバカプラ518に伝わる。カプラ518は光量子516などの光量子を長いファイバ径路520または短いファイバ径路522のいずれかにランダムに結合する。二つの径路520および522はファイバカプラ526で再結合する。短いファイバ径路522は、信号処理装置528からの信号に応じて圧電変換器（図示せず）によって変動する長さの自由空間リンクからなる位相シフタ526を含んでいる。信号処理装置528からの信号は位相シフタを四つの設定のうちの一つに設定する。これら四つの設定は０、π/2、３π/2およびπラジアンの相対位相シフトのそれぞれをもたらす。０およびπラジアンの設定は第一の測定ベースを形成し、π/2および３π/2ラジアンの設定は第二の非直交測定ベースを形成する。位相シフタ526は電気光学位相変調器であってもよい。
長い径路520はL1の径路長を有しており、短い径路522はS1の径路長を有しており、径路長差は（L1−S1）である。レーザ510からの光量子のパルスは30psの持続時間を有しており、短径路522に沿って通過する光量子と長径路520に沿って通過する光量子の間の電波時間の差は1.1nsであり、これは30psよりもはるかに長い。レーザ510の反復速度は105MHzである。
光量子516などの光量子はファイバカプラ526から、長さが10km超であってもよい伝送光ファイバガイド530に結合される。光ファイバガイド530は光量子を、受信機10と同様な受信機532へ搬送する。光量子516などの光量子は光ファイバカプラ538によって、二つのフィルタ534または536の一方へランダムに結合される。フィルタ534および536はそれぞれ長さL1に等しい長さL2の長いファイバ径路540および542、ならびにそれぞれ長さS1に等しい長さS2の短いファイバ径路544および546を有している。短いファイバ径路544はこれを通過する光量子に０ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定された位相板548を含んでおり、短いファイバ径路546はπ/2ラジアンの位相シフトを与えるように設定された位相板550を含んでいる。ファイバ径路544および540はファイバカプラ552で再結合し、ファイバ径路546および542はファイバカプラ554で再結合する。ファイバカプラ552は光量子516などの光量子を、光量子検出器556または光量子検出器558のいずれかに結合する。ファイバカプラ554は光量子516などの光量子を、光量子検出器560または光量子検出器562のいずれかに結合する。光量子検出器556、558、560および562は−196℃（77K）まで冷却された高速ゲルマニウムアバランシェフォトダイオードであり、33kΩの抵抗を介した受動急冷を行うガイガーモードで作動する。
光量子検出の結果として生じる、光量子検出器556、558、560および562からの電気信号は信号処理装置564によって測定される。信号処理装置は検出器556および560から生じる信号に２進値１を割り当て、検出器558および562から生じる信号に２進値０を割り当てる。
信号処理装置564が光量子検出器の一つからくる信号を測定した後、この信号処理装置は通信リンク566を介して信号処理装置528と通信し、光量子が検出された時間およびそれが検出器534または536のどれから検出されたかに関する情報を送る。信号処理装置528は信号処理装置564に、それが有効な測定値であるかどうかを通知する。有効な測定値が生じるのは、（ａ）その光量子の伝送に関して位相シフタ526が０またはπラジアンに設定されているときに、光量子をフィルタ534から検出した場合、および（ｂ）位相シフタ526がπ/2または３π/2ラジアンに設定されているときに、光量子をフィルタ536から検出した場合である。
測定値が有効な場合、信号処理装置564は光量子検出器から受信した信号に対応する２進値を記憶する。信号処理装置528も等価の２進値を記憶する。信号処理装置528は位相シフタを０およびπ/2に設定する信号を、２進数０の設定に等しくし、πおよび３π/2を２進数１の設定に等しくする。信号処理装置528および564は両方とも同一のシリーズの２進値を組み立て、このシリーズを公衆通信リンク566での二つの信号処理装置の間での伝送を暗号化するキーコードとして使用する。
暗号通信システムに組み込まれた暗号受信機はこれまでに、たとえば、公開番号第WO92/04785号である国際出願第PCT/GB91/01352号に記載されており、またPhysical Review Letters,Vol.69,number ９、1992年８月、第1293ページから第1295ページにA.K.Ekert他によって記載されている。これらに記載されている通信システムは若干距離離隔された二つの暗号受信機と、相関光量子対のソースとを備えている。各受信機はそれぞれの制御信号に応じて伝送特性が変調されるフィルタを含んでいる。二つの受信機の間での制御信号に関する情報の交換によって、各々がこれらの受信機だけに利用できる共通キーコードを導くことが可能となる。このキーコードによって、他のメッセージを暗号化し、安全処置が講じられていない通信リンクを使用して伝送することが可能となる。これらのシステムは高い伝送損失を伴う高速な変調器を必要とするという欠点を有している。
光量子偏光測定受信機に基づく暗号通信システムがA.Muller他によってEuropean Physics Leters,vol.23、1993年、第385ページから第388ページに記載されている。これに記載されている受信機は一方が45゜のローテータを含んでいる二つのチャネルの間で光量子を切り換える電気光学スイッチを備えている。チャネルは再結合され、光量子偏光は検出される前に偏光ビームスプリッタによって分離される。
本発明の目的は、代替形の暗号受信機を提供することである。
本発明は光量子を搬送する個々の情報を受信する暗号受信機において、
（ａ）第一の光量子チャネルおよび第二の光量子チャネルと、
（ｂ）受信した光量子を第一光量子チャネルと第二光量子チャネルの間で分配する分配手段と、
（ｃ）第一光量子チャネル内の光量子に第一の測定ベースを与える、第一光量子チャネルの手段と、
（ｄ）第二光量子チャネル内の光量子に、第一の測定ベースとは非直交な第二の測定ベースを与える第二光量子チャネルの手段と、
（ｅ）受信した光量子を検出し、このような光量子の検出時に出力信号をもたらす光量子検出手段と、
（ｆ）前記出力信号および外部ソースからの信号を受信し、前記出力信号および外部ソースからの前記信号の組合せから受信機と外部ソースが同一のキーコードを共用するように暗号キーコードを生成する信号処理手段とを備えており、
（ｉ）分配手段が受信した光量子を、制御信号を必要とせずに、第一および第二の光量子チャネルの間にランダムに分配し、
（ii）光量子検出手段からの出力信号が各受信光量子に与えられているそれぞれの測定ベースを示す
ことを特徴とする暗号受信機を提供する。
本発明は高い伝送損失を伴う高速変調器を必要としないという利点をもたらす。他の利点は伝送速度を従来技術の受信機よりも高くできることである。
暗号受信機を位相関係の形で情報を搬送している光量子を受信するように構成することもできる。受信機は伝送特性が光量子の波長によって決まる不平衡マッハツェンダ干渉計を含んでいてもよい。代替として暗号受信機を受信した光量子の偏光を測定し、偏光状態が情報を搬送しているように構成することもできる。
本発明の暗号受信機を、本発明の第二の暗号受信機を有している通信システムに組み込み、各受信機がそれぞれの当事者に共通キーコードを与えるようにしてもよい。この構成はいずれの当事者も彼らの受信機に傍受されやすい制御信号をもたらさないのでセキュリティが強化されるという利点をもたらす。
本発明の実施の形態を単なる例として、添付図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の暗号受信機の略図である。
第２図は、受動偏光受信機の形態での本発明の暗号受信機の略図である。
第３図は、第１図の受信機を組み込んだ通信システムの略図である。
第４図は、第３図のシステムに対する光量子対のソースを示す図である。
第５図は、第３図のシステムのタイミング図である。
第６図は、第２図の受信機を組み込んだ通信システムの略図である。
第７図は、拡張時分割マッハツェンダ干渉計の形態での本発明の受信機を組み込んだ他の通信システムの略図である。
第１図を参照すると、総括的に10で示される本発明の暗号受信機が略示されている。受信機10は遠隔ソース（図示せず）からの光量子を、光ファイバガイド12に沿って受信するようになされている。ファイバカプラ14は矢印16で示される入来光量子を、二つのチャネル18および20のいずれかにランダムに結合する。ファイバカプラ14は光量子をチャネル18およびチャネル20にランダムに分配するようになされたビームスプリッタである。光量子がチャネル18またはチャネル20のいずれかに結合される確率はほぼ等しい。チャネル18および20は両方とも光ファイバガイドである。チャネル18および20はそれぞれフィルタ22および24につながっている。
フィルタ22はファイバカプラ14と同様な50/50ファイバカプラ26を備えており、このカプラは長いファイバ径路28または短いファイバ径路30のいずれかに光量子をランダムに結合する。これらの径路は他の50/50ファイバカプラ32に再結合する。位相板34が長いファイバ径路28に組み込まれている。位相板34は径路28を通る光量子の位相をｎが整数であるとき（2nπ±π/2）ラジアンだけ遅らせるように設定されている。フィルタ24は50/50ファイバカプラ36、長いファイバ径路38、短いファイバ径路40および第二の50/50ファイバカプラ42を有している点で、フィルタ22と類似している。長いファイバ径路28および38は等しい長さであり、短いファイバ径路30および40も同様である。位相板44がフィルタ24の長いファイバ径路38に挿入されており、径路38を通過する光量子にｍが整数であるとき2mπラジアンの位相シフトを与えるように設定されている。もっとも単純な場合、ｎおよびｍは両方ともゼロに等しい。フィルタ22はπ/2の位相シフトをもたらす位相板34を有しており、フィルタ24は０の位相シフトをもたらす位相板を有している。フィルタ22および24はそれ故、二つの非直交測定ベースを形成するように設定される。非直交状態はG.H.BennetのPhysical Review Letters,Volume 68,Number 21、1992年５月の第3121ページから第3124ページの論文における射影演算子によって定義されている。
二つのファイバカプラ32および42は45および46、ならびに48および50の出力チャネル対のそれぞれに光量子を結合する。出力チャネル45、46、48および50の各々はそれぞれの光量子検出器52、54、56および58で終端している。検出器52、54、56および58によって検出された各光量子は、電気パルスを発生する。検出器52、54、56および58はそれぞれのワイヤ62、64、66および68によって信号処理装置60に接続されている。フィルタ22および24、出力チャネル45から50ならびに光量子検出器52から58は切換え手段を構成する。
フィルタ22および24は不平衡マッハツェンダ干渉計である。矢印16で示すような受信機10にはいる単一の入射光量子はフィルタ22またはフィルタ24のいずれかをランダムに通過する。その結果、装置10へ12で入力する光量子はフィルタ22と24の間でランダムに分配されることとなる。長いファイバ径路28および38は短いファイバ径路30および40よりもｌ長い径路長を有している。フィルタ22または24のいずれかに入る光量子の波長および径路差ｌに応じて、光量子は光量子検出器52、54、56または58のうちの一つで検出される。どの検出器が光量子を検出するかは、ファイバカプラ32または42で構成的または破壊的干渉のいずれかが生じるかによって決定される。入射光量子の波長が不確定で、コヒーレンス長さがｌ未満である場合、光量子は検出器52、54、56および58の一つにランダムに現れる。通信システムに組み込まれた受信機10の作動については後述する。
第２図を参照すると、総括的に110で示されている受動偏光受信機の形態の本発明の代替的実施の形態が示されている。受信機110は遠隔ソース（図示せず）から光ファイバガイド112に沿って偏光光量子を受信するようになされている。偏光保持および偏光不感応ファイバカプラ114は矢印116で示される入来偏光光量子をチャネル118および120の一方にランダムに結合する。チャネル118および120は偏光保持光ファイバガイドで、それぞれの偏光ローテータ122および124につながっている。ローテータ122はこれを通過する光量子の偏光を45゜回転させるように設定されており、ローテータ124はこれを通過する光量子の偏光を０゜回転させるように設定されている。チャネル118は次いで、偏光ビームスプリッタ126につながっている。ビームスプリッタ126にはいる光量子の偏光に応じて、光量子は光量子検出器128に向かって出力されるか、光量子検出器130に向かって出力されるかのいずれかとなる。チャネル120はローテータ124から、ビームスプリッタ126に類似した偏光ビームスプリッタ132につながっている。ビームスプリッタ132は光量子検出器134および136につながっている二つの出力方向を有している。ローテータ122および124は非直交測定ベースをチャネル118および120のそれぞれの内部の光量子に与える。
光量子検出器128、130、134および136は光量子を電気パルスに変換し、これらの電気パルスはそれぞれのワイヤ138、140、142および144から信号処理装置146に伝えられる。通信システムに組み込まれた受信機110の作動については後述する。
受信機110のチャネル120は遅延ループを含むように構成してもよい。このような実施の形態においては、二つの偏光ビームスプリッタ126および132が、チャネル118および120に対応する二つの入力チャネルを有する単一の偏光ビームスプリッタと置き換えられる。チャネル120の遅延ループは信号処理装置が偏光ビームスプリッタでの光量子の到着時間を測定することによって、どのチャネルを光量子が通るのかを特定することを可能とする。ローテータ124などの０゜ローテータの代わりに、チャネル120をある長さの偏光保持光ファイバウェーブガイドと置き換えてもよいが、ただし、このウェーブガイドが、チャネル118のローテータ122がもたらす測定ベースと非直交である測定ベースをチャネル120内の光量子にもたらすことを条件とする。二つのローテータを使用すると、これらが受信機の性能を「調整」して、性能を最高のものとすることができるため、受信機110の作動が単純化される。このような「調整」は回転角を０゜および45゜の位置からわずかにずらして、偏光ビームスプリッタ126および132のミスアライメントを解消することによって達成される。
第３図を参照すると、総括的に200で示される通信システムが示されている。通信システムは第一の受信機210と第二の受信機220を備えている。受信機210および220は受信機10と同様なものである。システム200はさらに光量子対のソース230を備えている。ソース230は光量子の対を放出し、光量子の一方は矢印234で示されており光ファイバガイド232に結合され、光量子の一方は矢印238で示されており光ファイバガイド236に結合される。光ファイバガイド232は光量子を第一の受信機210へ導き、光ファイバガイド236は光量子を第二の受信機220へ導く。二つの受信機210および220は、電話接続でかまわない従来の通信リンクを介して互いに通信を行っている。
受信機210はビームスプリッタ241、第一のマッハツェンダ干渉計242および第二のマッハツェンダ干渉計244を備えている。干渉計242は光量子検出器250および252にそれぞれつながっている二つの出力チャネル246および248を有している。干渉計244は光量子検出器258および260にそれぞれつながっている二つの出力チャネル254および256を備えている。同様に、受信機220はビームスプリッタ261、第一のマッハツェンダ干渉計262および第二のマッハツェンダ干渉計264を備えている。干渉計262は光量子検出器270および272にそれぞれつながっている二つの出力チャネル266および268を有している。干渉計264は光量子検出器278および280にそれぞれつながっている二つの出力チャネル274および276を有している。光量子検出器250、252、258、260、270、272、278および280は、Brown他がApplied Optics 26（1987年）第2383ページに記載しているような活性急冷光量子カウンティングアバランシェフォトダイオード（actively quenched photon counting avalanche photodiode）である。光量子が検出されることに応じて、これらの光量子検出器は電気パルスを放出する。光量子検出器250、252、258または260から生じるパルスは信号処理装置282によって検出され、光量子検出器270、272、278または280から生じるパルスは信号処理装置284によって検出される。信号処理装置282および284は従来の通信リンク240を介して情報を交換する。第一の干渉計242および262は各々が、０゜の相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームにおいて位相板286および288をそれぞれ有している。第二の干渉計244は＋π/2ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームに位相板290を有しており、第二の干渉計264は−π/2ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定されている長いアームに位相板292を有している。
ここで、第４図を参照すると、光量子対のソース230の詳細が示されている。ソース230は単色光レーザ300と非線形結晶（non−linear crystal）302を備えている。レーザ300は413.4nmの波長λ０で作動する100mWのクリプトンイオンレーザである。非線形結晶302はヨウ素酸リチウムの結晶である。レーザ300は破線の矢印306で示される方向に沿って光量子304などの光量子のパルスを放出する。結晶302内で、光量子は非縮退変換（non−degenerate down conversion）を受け、光量子の相関対が放射される。開口308および310は光量子312aおよび312bなどの光量子の対が通過できるように構成されている。光量子312aおよび312bはそれぞれ矢印314aおよび314bによって示されている方向へ進む。矢印314aおよび314bは矢印306に対しそれぞれθ１およびθ２の角度をなしている。光量子312aおよび312bは波長がそれぞれλ１およびλ２の相関した対であり、結晶302からほぼ同時に放射され、共役エネルギーを有している。「共役エネルギー」という表現は光量子対のエネルギーの合計が入射光量子304のエネルギーと等しいことをいう。開口308および310は有限の幅を有しており、結晶302から放出される光量子を狭い範囲の許容角度以内で伝送する。この範囲は光量子312aおよび312bなどの伝送された光量子が波長帯域幅δλを有するようにする。開口308および310はθ１＝θ２＝14.5゜になるように構成されている。光量子312aなどの光量子はλ１±δλの波長を有しており、光量子312bなどの光量子はλ２±δλの波長を有しており、λ１＝λ２＝２λ０＝826.8nmである。光量子312aなどの光量子はレンズ316によって光ファイバガイド232に結合され、光量子312bなどの光量子はレンズ318によって光ファイバガイド236に結合される。
第３図も参照して、通信システム200の作動を個々で説明する。光量子312aは受信機210に到達すると、第一の干渉計242または第二の干渉計244のいずれかを通過する。同様に、光量子312bは受信機220に到達すると、第一の干渉計262または第二の干渉計264のいずれかを通過する。光量子検出器250、258、270および278によって発生した電気パルスは、０という２進値を割り振られ、光量子検出器252、260、272および280によって発生した電気パルスは、１という２進値を割り振られる。個々の光量子は不確定な波長のものであり、それ故、両方の光量子312aおよび312bは光量子検出器に伝わり、この光量子からの電気パルスは１または０のいずれかに対応している。光量子312aおよび312bの波長は相関され、したがって、特定の２進値を発生する光量子312aの確率および同一の２進値を発生する光量子312bの確率に関する相関係数Ｅが導かれる。
相関係数は次の式によって与えられる。
Ｅ＝cos（φ１＋φ２） （１）
ただし、φ１は光量子312aが通過する第一の受信機の位相板286または290の位相シフトであり、φ２は光量子312bが通過する第二の受信機の位相板288または292の位相シフトである。（φ１＋φ２）がゼロに等しい場合、Ｅは１に等しくなり、光量子312aおよび312bは両方とも同じ２進値のパルスを発生する光量子検出器へ伝わる。
光量子312aおよび312bが検出され、得られる電気パルスが信号処理装置282および284によって測定された後、各信号処理装置は他方へ、光量子312aまたは312bが通過した干渉計の識別の詳細を送る。信号処理装置は両方とも相関係数Ｅの値が１に等しいか、等しくないかを判定することができる。Ｅが１に等しい場合には、測定値は有効であり、記憶される。（φ１＋φ２）がゼロに等しくなく、したがってＥが１に等しくない場合には、測定値は廃棄される。有効な測定値の２進値は第一の受信機および第二の受信機の両方に共通である。一連のこれらの共通２進値が連続した測定によって蓄積され、安全処理の講じられていない公衆通信システムでの二つの受信機の間の通信を符号化するためのキーコードとして使用される。
ここで第５図を参照すると、信号処理装置282および284で測定したパルスのタイミング図350が示されている。タイミング図350はパルスの振幅と時間の一連のグラフで構成されている。グラフ360a、360b、360cおよび360dは光量子検出器250、252、258および260のそれぞれに対応しており、グラフ362a、362b、362cおよび362dは光量子検出器270、272、278および280のそれぞれの対応している。各検出器からのパルスに対応する２進値は列370に示されている。
タイミング図350は受信機210が光量子を検出するが、受信機220が検出しないいくつかの場合を示している。このような場合は線372で示されている。同様に、線374で示すように、受信機220が光量子を検出するが、受信機210が検出しないいくつかの場合がある。信号処理装置282および284の一方がパルスを測定するが、他方の処理装置が測定しない場合、情報は廃棄される。
タイミング図350は点線376、378、380、382、384および385で示される、両方の信号処理装置が同一時点でパルスを測定する六つの場合を示している。これら六つの場合のうち、二つは（φ１＋φ２）がゼロに等しくない場合に生じる。これらは点線378および384で示されている。これら二つの測定値は廃棄され、四つの有効な測定値が残る。点線376、380、382および386で示されるこれら四つの測定値によって、信号処理装置282および284が４ビットの２進数0100を得ることが可能となる。両方の信号処理装置が測定したパルスが相関した光量子対によるものであるかどうかを信号処理装置が判断するためには、パルスが検出された時間に関する情報も、これらの信号処理装置が交換しなければならない。
盗聴者が光量子の伝送の傍受を試みたかどうかを突き止めるために、二つの信号処理装置は所定のランダムな一連のビットを交換することもできる。交換した一連のビットが同一でない場合には、盗聴者が検出されたこととなり、安全な通信を行うことができない。交換した一連のビットが同一の場合には、盗聴者が存在していないという妥当なセキュリティが存在し、他の秘密ビットを使用して、二つの信号処理装置だけにわかる共用ランダムキーコードを形成する。一方の処理装置から他方への公衆伝送はキーコードによって符号化され、復号される。
第６図を参照すると、総括的に400で示される、本発明の受信機を組み込んだ通信システムが示されている。通信システム400は偏光光量子通信システムである。システム400は光量子412などの光量子を電気光学スイッチ414に結合する弱い偏光光量子ソース410を有している。スイッチ414は光量子412を四つのチャネル416a、416b、416cまたは416dの一つに経路指定する。チャネル416aないし416dは各々が偏光ローテータを含んでいる。チャネル416aは光量子の偏光を０゜回転するローテータ418aを含んでおり、チャネル416bは偏光を90゜回転するローテータ418bを含んでおり、チャネル416cは偏光を＋45゜回転するローテータ418cを含んでおり、チャネル416dは光量子の偏光を初期偏光に関して−45゜回転するローテータ418dを含んでいる。これらの回転は略示されている。ローテータはそれ故、偏光の配向の二つの非直交セットを形成している。ローテータ418aおよび418bは０゜および90゜の回転を有する直線セットを形成し、ローテータ418cおよび418dは＋45゜および−45゜の回転を有する非直交対角セットを形成する。信号処理装置420からの制御信号に応じて、スイッチ414は光量子412を四つのローテータ418aないし418dに経路指定する。
四つのチャネル416a−ｄは受動カプラ422で再結合する。スイッチ414およびカプラ422は両方とも、光量子がこれらを通過したときに光量子の偏光配向を維持する。
光量子412はスイッチ414からローテータ418a−ｄへ伝わり、ここでその偏光がカプラ422へ回転される。カプラ422から、光量子412は光ファイバ424へ伝わる。光量子412は次いで、光ファイバ偏光コントローラ426を通過する。偏光コントローラ426は射出光量子が光量子が光ファイバガイド424へ入ったときのものと同一の偏光基準フレームを有することを確実とする。偏光コントローラ後に、光量子412は受信機430へ伝わる。受信機430は受信機110と同様なものである。光量子412は偏光保持ファイバカプラ432に伝わり、このカプラは光量子をチャネル434またはチャネル436のいずれかにランダムに結合する。チャネル434は45゜ローテータ438を含んでおり、チャネル436は０゜ローテータ439を含んでいる。チャネル434の光量子は次いで、偏光ビームスプリッタ440に伝わる。ローテータ438を通過した後垂直な偏光を有している光量子は検出器442に伝わり、水平な偏光を有している光量子は検出器444に伝わる。チャネル436の光量子は次いで、偏光ビームスプリッタ446へ伝わる。垂直に偏光された光量子は検出器448へ伝わり、水平に偏光された光量子は検出器450へ伝わる。ローテータ438および439は非直交測定ベースをチャネル434および430それぞれ内の光量子に与える。光量子が検出器442、444、448または450のいずれかによって検出されたことに応じて、電気パルスがそれぞれのワイヤ452a、452b、452cまたは452dに沿って信号処理装置454に伝わる。検出器442および448からのパルスには２進値０が割り当てられ、検出器444および450からのパルスには２進値１が割り当てられる。
信号処理装置454が検出された光量子412から生じる電気パルスを測定した場合、この信号処理装置は信号処理装置420に光量子412が通過したチャネルの識別を伝える。信号処理装置420は通信リンク456を使用して信号処理装置454に、直線偏光または対角偏光のいずれかをもたらすローテータ418aないし418dの一つへ、スイッチ414によって光量子412が経路指定されているかどうかを伝える。光量子412がローテータ418aまたは418bを通過した後、直線偏光を有しているが、チャネル434の受信機430によって検出された場合には、測定値は有効ではない。同様に、対角ローテータ418cまたは418dを光量子が通過したが、チャネル436の受信機420によって検出された場合には、測定値は無効である。有効な測定値は光量子が直線ローテータ418aまたは418bを通過し、チャネル436内で検出されるか、対角ローテータ418cまたは418dを通過し、チャネル434内で検出されたときである。無効な測定値は廃棄される。
信号処理装置420はスイッチ414が光量子をどのチャネル内へ送るかを制御する。直線偏光416aまたは416bをもたらす二つのチャネルのうち、チャネル416aは２進数０に対応しており、チャネル416bは２進数１に対応している。同様に、対角ローテータ416cおよび416dの場合、チャネル416cは２進数１に対応しており、チャネル416dは２進数０に対応している。「対応する」という言葉は「信号処理装置420内で同等である」ということを意味する。有効な測定値の場合、信号処理装置420および信号処理装置454は両方とも同じ２進値を有しており、これらの２進値は組み合わされて、両方の処理装置に共通な２進キーコードを形成する。このキーコードを使用して、通信リンク456での伝送を符号化する。システム200に対するものと同様なルーチンを使用して、盗聴者を検出することもできる。
第７図を参照すると、総括的に500で示される、本発明の受信機を組み込んだ通信システムが示されている。通信システム500は拡張時分割マッハツェンダ干渉計を備えている。パルス化レーザ510は矢印512で示されている光量子のパルスを発生する。これらの光量子は減衰器514に伝わる。減衰器514は平均して、レーザパルス当たり0.1個の光量子を伝送する、すなわち、10個のレーザパルスごとに、伝送される単一の光量子を一つだけもたらすように構成されている。単一の光量子516は第一のファイバカプラ518に伝わる。カプラ518は光量子516などの光量子を長いファイバ径路520または短いファイバ径路522のいずれかにランダムに結合する。二つの径路520および522はファイバカプラ526で再結合する。短いファイバ径路522は、信号処理装置528からの信号に応じて圧電変換器（図示せず）によって変動する長さの自由空間リンクからなる位相シフタ526を含んでいる。信号処理装置528からの信号は位相シフタを四つの設定のうちの一つに設定する。これら四つの設定は０、π/2、３π/2およびπラジアンの相対位相シフトのそれぞれをもたらす。０およびπラジアンの設定は第一の測定ベースを形成し、π/2および３π/2ラジアンの設定は第二の非直交測定ベースを形成する。位相シフタ526は電気光学位相変調器であってもよい。
長い径路520はL1の径路長を有しており、短い径路522はS1の径路長を有しており、径路長差は（L1−S1）である。レーザ510からの光量子のパルスは30psの持続時間を有しており、短径路522に沿って通過する光量子と長径路520に沿って通過する光量子の間の電波時間の差は1.1nsであり、これは30psよりもはるかに長い。レーザ510の反復速度は105MHzである。
光量子516などの光量子はファイバカプラ526から、長さが10km超であってもよい伝送光ファイバガイド530に結合される。光ファイバガイド530は光量子を、受信機10と同様な受信機532へ搬送する。光量子516などの光量子は光ファイバカプラ538によって、二つのフィルタ534または536の一方へランダムに結合される。フィルタ534および536はそれぞれ長さL1に等しい長さL2の長いファイバ径路540および542、ならびにそれぞれ長さS1に等しい長さS2の短いファイバ径路544および546を有している。短いファイバ径路544はこれを通過する光量子に０ラジアンの相対位相シフトを与えるように設定された位相板548を含んでおり、短いファイバ径路546はπ/2ラジアンの位相シフトを与えるように設定された位相板550を含んでいる。ファイバ径路544および540はファイバカプラ552で再結合し、ファイバ径路546および542はファイバカプラ554で再結合する。ファイバカプラ552は光量子516などの光量子を、光量子検出器556または光量子検出器558のいずれかに結合する。ファイバカプラ554は光量子516などの光量子を、光量子検出器560または光量子検出器562のいずれかに結合する。光量子検出器556、558、560および562は−196℃（77K）まで冷却された高速ゲルマニウムアバランシェフォトダイオードであり、33kΩの抵抗を介した受動急冷を行うガイガーモードで作動する。
光量子検出の結果として生じる、光量子検出器556、558、560および562からの電気信号は信号処理装置564によって測定される。信号処理装置は検出器556および560から生じる信号に２進値１を割り当て、検出器558および562から生じる信号に２進値０を割り当てる。
信号処理装置564が光量子検出器の一つからくる信号を測定した後、この信号処理装置は通信リンク566を介して信号処理装置528と通信し、光量子が検出された時間およびそれが検出器534または536のどれから検出されたかに関する情報を送る。信号処理装置528は信号処理装置564に、それが有効な測定値であるかどうかを通知する。有効な測定値が生じるのは、（ａ）その光量子の伝送に関して位相シフタ526が０またはπラジアンに設定されているときに、光量子をフィルタ534から検出した場合、および（ｂ）位相シフタ526がπ/2または３π/2ラジアンに設定されているときに、光量子をフィルタ536から検出した場合である。
測定値が有効な場合、信号処理装置564は光量子検出器から受信した信号に対応する２進値を記憶する。信号処理装置528も等価の２進値を記憶する。信号処理装置528は位相シフタを０およびπ/2に設定する信号を、２進数０の設定に等しくし、πおよび３π/2を２進数１の設定に等しくする。信号処理装置528および564は両方とも同一のシリーズの２進値を組み立て、このシリーズを公衆通信リンク566での二つの信号処理装置の間での伝送を暗号化するキーコードとして使用する。
Claims (14)
- 光量子を搬送する個々の情報を受信する暗号受信機（10、110）において、
（ａ）第一の光量子チャネル（18、118）および第二の光量子チャネル（20、120）と、
（ｂ）受信した光量子を第一光量子チャネルと第二光量子チャネルの間で分配する分配手段（14、114）と、
（ｃ）第一光量子チャネル内の光量子に第一の測定ベースを与える、第一光量子チャネルの手段（22、122）と、
（ｄ）第二光量子チャネル内の光量子に、第一の測定ベースとは非直交な第二の測定ベースを与える第二光量子チャネルの手段（24、124）と、
（ｅ）受信した光量子を検出し、このような光量子の検出時に出力信号をもたらす光量子検出手段（52、54、56、58、128、130、134、136）と、
（ｆ）前記出力信号および外部ソースからの信号を受信し、前記出力信号および外部ソースからの前記信号の組合せから受信機と外部ソースが同一のキーコードを共用するように暗号キーコードを生成する信号処理手段（60、146）とを備えており、
（ｉ）分配手段（14、114）が受信した光量子を、制御信号を必要とせずに、第一および第二の光量子チャネル（18、20、118、120）の間にランダムに分配し、
（ii）光量子検出手段からの出力信号が各受信光量子に与えられているそれぞれの測定ベースを示す
ことを特徴とする暗号受信機。 - 第一および第二の光量子チャネルのそれぞれの干渉計（22、24）がそれぞれの測定ベースを与える前記手段をもたらすことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の暗号受信機。
- 各干渉計が不平衡マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の暗号受信機。
- 第一の光量子チャネルの干渉計が光量子径路を含んでおり、この径路が第二の光量子チャネルの干渉計の同様な光量子径路に沿って通過する光量子に関してｎが整数であるとき、（2nπ±π/2）ラジアンの位相変化をこの光量子径路に沿って通過する光量子に与えるものであることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の暗号受信機。
- 各干渉計が二つの出力チャネル（45、46、48、50）を有しており、各出力チャネルがそれぞれの光量子検出器（52、54、56、58）につながっており、各光量子検出器が前記出力信号の一つを与えることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の暗号受信機。
- 分配手段が偏光保持チャネル分割器（114）であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の暗号受信機。
- 第一および第二の光量子チャネルの各々がそれぞれの偏光選択チャネル分割器（126、132）を含んでいることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の暗号受信機。
- 第一の光量子チャネルおよび第二の光量子チャネルの少なくとも一方が偏光ローテータ（122、124）を含んでいることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の暗号受信機。
- 第一の光量子チャネルが第一の光量子チャネル偏光ローテータ（122）を含んでいることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の暗号受信機。
- 第一の光量子チャネル偏光ローテータがこれを通過する光量子の偏光面を45゜回転させることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の暗号受信機。
- 各偏光選択チャネル分割器がそれぞれの光量子検出器（128、130、134、136）につながった二つの出力チャネルを有しており、特定の受信光量子が通過する出力チャネルがその光量子の偏光状態によって決まることを特徴とする請求の範囲第10項に記載の暗号受信機。
- 各光量子検出器が活性急冷光量子カウンティングフォトダイオードであることを特徴とする請求の範囲第５項又は第11項に記載の暗号受信機。
- 第一および第二の光量子チャネルが光ファイバウェーブガイドを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の暗号受信機。
- 受信機が通信システム（200、400、500）に組み込まれており、システムが前記受信機に外部ソースからの前記信号をもたらす第二の信号処理手段を含んでいることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の暗号受信機。
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