JP3645261B2 - 量子暗号を使用する多元接続ネットワークにおけるキー配送 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、暗号化データ通信システムに関する。特に、本発明は、量子暗号として知られている技術に関する。
量子暗号では、承認されているあるいは承認されていないに関わらず、システムのすべてのユーザが自由に利用可能であると仮定されるある特定のアルゴリズムを使用して、データは送信機で符号化され、受信機で復号化される。システムの安全性は、承認されたユーザのみに利用可能な、アルゴリズムに対するキーに依存する。この目的のため、安全な量子チャネルを介してキーは配送される。それは、以下にさらに論じるように、単一光子信号により伝送され、また非古典的性質を示すチャネルである。そして、送信機および受信機は、公開チャネルとして知られている分離チャネルを介して通信し、送信データと受信データとを比較する。送信キーを傍受する任意の盗聴者の存在は、検出できる受信データの統計値に変化を生じさせることになる。したがって、データの統計値にこのような変化がない場合、そのキーは安全であることが分かる。そのようにして確立された秘密キーは、送信機と受信機との間の後続する通信の暗号化と暗号翻訳化で使用される。付加的な安全性のために、現在のキーを新しく生成されたキーにより周期的に置換してもよい。
一般的に、量子暗号を使用する通信方法は、次のステップを含む。
（ａ）異なる非交換量子機械演算子（non−commuting quantum mechanical operator）に対応している複数の暗号化アルファベットから１つをランダムに選択し、その選択された演算子を使用して、量子チャネル上に送信する信号を符号化する。
（ｂ）異なる量子機械演算子から１つをランダムに選択し、ステップ（ａ）で送信された信号を検出する際に、その演算子を使用する。
（ｃ）後続する信号の各多重度に対して、ステップ（ａ）と（ｂ）を反復する。
（ｄ）暗号化アルファベットと関係なく、送信機と受信機との間で通信し、送信機および受信機により、送信信号共通演算子のいずれかが選択されたのかを決定する。
（ｅ）ステップ（ａ）と（ｂ）で送信および受信された信号を比較し、盗聴者の存在により生じた不具合を検出する。
（ｆ）ステップ（ｅ）において盗聴者が検出されない場合、チャネルの２人のユーザ間の後続するデータ送信に対する暗号化／暗号翻訳化用のキーとして、ステップ（ａ）と（ｂ）で送信されたデータの少なくともいくつかを使用する。この方式は、C.H.ベネット、G.ブラサード、S.ブリッドバートおよびS.ビンスナーの「暗号化の進展：暗号展82の会報（プレナム、ニューヨーク、1983年）」、ならびに、C.H.ベネットおよびG.ブラサードのIBM技術公開報、28 3153、（1985年）で詳細に説明されている。
ここで使用されているような用語「暗号化アルファベット」では、「暗号化」は、１度キーが確立された送信に対するテキストの後続する暗号化よりも、むしろキー配送フェーズ中の単一光子パルスのコード化に関係する。
本発明の要約
本発明にしたがうと、量子暗号を使用して通信を行う方法は、送信機が、共通通信ネットワークの量子チャネル上で、共通通信ネットワーク上に配置された複数の受信機と通信し、各受信機に対してそれぞれ異なる秘密キーを確立することで特徴付けられる。
今まで量子暗号は、専用通信リンクに対して動作する単一の送信機および受信機対の間の通信に対してのみ使用されていた。典型的にリンクは、光ファイバにより提供されていた。これに対し本発明は、多元接続ネットワーク上の量子暗号を使用する。もちろん多元接続ネットワークの使用は、一般的な通信目的に対してよく知られているが、それらの機能が、ネットワーク上の各分岐または接続点における信号の古典的な性質に依存しているので、このようなアキテクチャーは、明らかに量子暗号に不適当である。この性質は、量子暗号に使用される単一光子信号の場合にくずれる。このような信号は、各分岐において分割されるものとして取扱うことができないが、その代わり、ある確率で、１つのパスまたは他のパスに進むか、あるいは、システムから失われるかのいずれかでなければならない。しかしながら、本発明者は、そのようなネットワーク上の単一光子信号の非古典的性質は、送信機とそれぞれ個々の受信機との間に異なるキーを確立できるようにするのに役立つように使用することができることに気付いた。これは、古典的な、すなわち多重光子の信号を使用する、送信機と各受信機との間の暗号化データの後続する安全で両方向の通信を可能にする。これらの暗号化送信は、量子チャネルを伝送するのに使用されるのと同じ共通通信ネットワークで行われるのが好ましい。代わりに、古典および量子チャネルに対して、異なる通信システムを使用してもよい。特に、プロトコルのステップ（ｄ）および（ｅ）である公開ディスカッションフェーズは、例えば、送信機と受信機との間の通信に対して無線送信を使用してもよい。量子暗号の標準的な２点間適用において、生成される秘密ビットのいくつかが、公開チャネルを介して送られるメッセージを認証するために使用される。これは、そのチャネルの正当なユーザが、盗聴者に傍受されることなく、直接的な通信状態にあることを確実にする［上記に言及した参考文献］。この量子暗号の多重ユーザ版において、秘密ビットがすべてのターミナルで生成されるので、必要とされる場合、すべてのネットワークユーザに対して認証を実行することができる。
本発明に採用された方法では、送信プロトコルのステップ（ａ）から（ｃ）において、送信される各符号化ビットは、システムから失われるか、または、複数の受信機の１台のみで受信されるかのいずれかである。ｒを予め定められた整数として、ｒビットキーを各受信機に対して確立するために、送信機は十分に多いビットを出力し、各ビットは１つの単一光子信号により伝送される。要求される送信ビット数は、以下にさらに詳細に説明するように、各分岐における結合レート、ネットワーク中の減衰量、および元のキーデータ中のエラーレートにより決定される。各受信機は、個々の単一光子パルスがとるパスによりランダムに決定される、異なるビットシーケンスを受信する。したがって、公開ディスカッションフェーズ、および量子暗号プロトコルのステップ（ｅ）および（ｆ）にしたがって盗聴がないことを確実にするテストの終了後、送信機は、ネットワーク上の各ターミナルRiと個別のｒ秘密ビットシーケンスを確立する。標準の２点間適用に対して、（上記にすでに参照されている）C.H.ベネット、F.ベセット、G.ブラサード、L.サルベールおよびJ.ソモリンのJ.暗号化、５、３（1992年）、ならびにベネット／ブラサードのIBM技報に説明されているように、これらの秘密ビットは、認証と各共有キーKiの生成の両方に使用することができる。必要な場合、制御装置／送信機は、マスターネットワークキーの一回限り暗号帳の暗号化でのキーとして、個々のKiを使用することができる。マスターネットワークキーは、ネットワーク上のすべての受信機／ターミナル、またはターミナルのサブセットに、安全に配送することができる。結果として、２つのタイプの暗号化通信が可能となる。一対一通信において、制御装置およびRiは、ネットワーク上のいずれの方向にも同報通信される多重光子データ信号を暗号化するために、Kiを使用する。したがって、これらの信号がネットワーク上に同報通信され、よって、すべての受信機がアクセス可能であるが、Riと制御装置だけがこれらの特定のデータ送信を復号化することができる。このシナリオでは、安全なターミナル間通信は、例えばRiとRjとの間で生じ得るが、制御装置は、入ってくる信号および出て行く信号を復号化および符号化するために、RiとRjに関するその知識を使用して、インタープリタとして機能しなければならない。任意のものから任意のものへの通信も、マスターキーを共有しているターミナルのサブセット間で起こり得る。この場合、送信パスが制御装置を介して進むならば、制御装置は、入ってくる符号化データのルーティングまたは再送信を実行する必要があるだけである。
この発明は、例えば、ツリー、バス、リングまたはスター形態の受動光ネットワーク（PONS）やこれらの組合わせのような、多元接続ネットワークアーキテクチャーの範囲で使用してもよい。例えば、光学的に分散されたコンピュータLAN、ローカルアクセス通信ネットワークおよびケーブルテレビ分散ネットワークを含む、このようなネットワークアーキテクチャーに対して幅広い適用がある。この発明は、いくつかの異なる方法で、このようなシステムの安全性を増加させるために使用することができる。例えば、ローカルアクセス通信ネットワークのシナリオでは、ネットワークは、何人かの独立した顧客を、単一の送信機または交換機にリンクする。この場合、送信機は、安全な一対一通信を可能とするために、何人かのまたはすべてのネットワークユーザと、認証し、個々のキーを確立する。これは、ネットワークの潜在的な敵対するまたは競争相手のユーザが、互いのデータ送信にアクセスすることを防ぐ。代わりに、単一顧客の分散した位置を、中央交換機または制御装置にリンクするために、ネットワークを使用してもよい。この場合、制御装置は、ネットワークマスターキーを配送するために使用してもよい、各遠隔ターミナルとの個々のキーを確立することにより、全体としてネットワーク完全さを保護することができる。任意のものから任意のものへの安全な通信が上記に説明したように可能となる。後者のシナリオは、また安全な光学的分散コンピュータLANの場合にも関連している。この発明は、さまざまな異なる方法で、そのようなシステムの安全性を増加させるために使用することができる。例えば、ネットワークは、何人かの独立顧客を、単一の送信機または交換機にリンクする。この場合、送信機は、何人かのまたはすべてのネットワークユーザと個々のキーを確立し、それによりネットワークの潜在的な敵対するまたは競争相手のユーザが、互いのデータ送信にアクセスすることを防ぐ。代わりに、ネットワークは、単一顧客の分散した位置を中央送信機ノードにリンクするために使用してもよい。この場合、送信機ノードは、中央の安全な交換機として機能する。安全なリンクを各遠隔ターミナルと個々に確立することにより、送信機は、異なるターミナル間の安全な通信を可能とするとともに、全体としてネットワークの完全さを保護することができる。
キー配送処理は、送信機中のマスタークロックにシステムを同期化することにより開始されることが好ましい。この処理は、後に量子キーデータを復号化するのに使用されるタイミング情報を提供する。同期化は、光ファイバネットワーク上に同報通信される多重光子タイミングパルスを使用して実行されることが好ましい。その後、ターミナルは、これらのパルスを検出し、それにより、ターミナルのローカルクロックを中央マスタークロックにロックする。その後、中央ノードは、適切な量子状態の時間基準化信号シーケンスをネットワーク上に送る。これらは、例えば、パラメトリック増幅器ソース源から得られた単一光子の形態、または代わりに、一般的にわずか１個、平均では実質的にパルス当たり１個より少ない光子を含む、減衰されたレーザからの光の弱いパルスの形態をとってもよい。適当なソース源は、この出願人の留保中の国際出願PCT/GB 93/02637（WO 94/15422）と、PCT/GB 93/02075（WO 94/08409）に説明されており、両出願の主題は、ここに参照として組込まれている。パルスの両タイプは、要求される量子機械特性を示し、用語「単一光子パルス」は、ここでは、どのように生成されたかに関係なく、このようなすべてのパルスを表すために使用される。パルスは、異なる位相または偏光状態で符号化される。
図面の説明
本発明にしたがったシステムの実施例を、添付された図面を参照して、例としてのみ、以下においてさらに詳細に説明する。
図１は、本発明を具体化したネットワークを図示したものである。
図2aおよび2bは、本発明を具体化したシステムの量子および古典チャネルに対する波長の割当てを図示したものである。
図３は、本発明の第２の実施例の詳細なブロック図である。
図4aおよび4bは、送信機および受信機のそれぞれにおいて使用される偏光変調装置の詳細を示している。
図5aおよび5bはそれぞれ、別の実施例で使用する送信機および受信機である。
図６は、さらに別の実施例の図である。
図７は、送信機（上のグラフ）および受信機（下のグラフ）用の位相変調装置の状態を示しているグラフである。
図８は、別の偏光変調装置である。
図９は、フロー図である。
実施例の説明
第１の例における本発明を具体化した通信システムは、送信機Ｔと３台の受信機R1−R3を具備している。送信機Ｔと受信機R1−R3は、ツリー構造を有する受動光ネットワーク（PON）によりリンクされている。ネットワークの各接続点には、50/50結合器C1,C2が設けられている。
使用において、送信機から受信機へのキーの配送の前に、システムは送信機のクロックに同期化される。後続する量子伝送を正確に時間調整するために、単一光子測定をいつ始めるかを、異なる受信機が知っていなければならない。すなわち、送信機により規定された第１のタイムスロットがいつ到着する予定であるかを、異なる受信機が知っていなければならない。これは、送信機から受信機への距離に依存する。しかしながら、最初の同期化データが同じネットワークを介して送信される場合、最後のクロックパルスが到着した後の固定時間τで量子測定を開始することにより、受信機は異なる時間遅延を考慮に入れることができる。これは、同じく最後のクロックパルスが送信された後の時間τで量子送信を開始する送信機により整合される。ターミナルから中央ノードへの戻りパスでタイムスロットが衝突することを防止するために、PONSにおいて伝統的に使用されている距離技術に、この手続は類似している。したがって、実際では、量子キー配送チャネル用のタイミングシステムの要素は、ネットワークで標準データ送信を制御するために使用される距離システムと結合してもよい。
一般的に、ネットワーク中の中央ノードからさまざまなターミナルへのパスは、異なるチャネル透過係数を有し、したがって、受信された単一光子ビットレートもターミナルごとに異なっている。実際の単一光子カウント検出器は高いカウントレートで飽和するので、ネットワーク中で許容可能なビットレートに上限がある。さらに、検出器の暗電流のようなノイズ機構による任意の背景カウントレートと比較して、光子カウントレートが大きくなければならないとの要求により、ビットレートの下限が設定される。検出器の飽和における問題を避けるために、すべての検出器カウントレートを最低の透過係数を有するターミナルのカウントレートと等しくすることが好ましい。これは、光減衰により、または、検出器の感度を制御することにより、例えば、アバランシェホトダイオード検出器（APD）の逆バイアス電圧を変化させることにより、達成することができる。適当なAPDを以下に説明する。
図１は、等化が使用されない場合を示している。ここで、ファイバ損失が無視できると仮定すると、透過係数は、Ｔ−R1パスに対してt1＝0.5であり、Ｔ−R2およびＴ−R3のそれぞれのパスに対してt2＝t3＝0.25である。これは、R2またはR3より２倍多い光子をR1が受信し、上述した検出器性能制限内に入るようにカウントレートが選択されることを意味する。３つのｒビットキーを確立するために、受信された元のキービットが最後のキービットを生成する可能性を表しているプロトコルおよびエラー従属定数をｐとして、送信機は、（ｐ）^-1×（4r）個の光子を送らなければならない。一般的な場合、ｎ個のｒビットキーの配送は、ネットワーク中の最小透過係数をt_jとして、（ｐ）^-1×（r/t_j）個の光子を必要とする。さらに、検出器ノイズのようなシステムの非効率は、C.H.ベネット、F.ベセット、G.ブラサードおよびL.サルベールのJ.暗号化５、３（1992年）に概略記載されているように、識別され取除かなくてはならない、送信キーデータ中のエラーを生ずる。この処理は、ｒビット長の最後のキーが要求される場合に考慮に入れなければならない元のキーデータの圧縮を導く。認証手続を含んでいる、プロトコル（ｄ）−（ｆ）の公開ディスカッションステージの終りにおいて、すべてのターミナルは、ｍ≧ｒ秘密ビットを持っていなければならない。そしてすべてのターミナルは、個々のキーを形成するために、それらの個々のシーケンスの、例えば第１のｒビットを使用することを送信機と同意する。
暗号化データまたは標準（非暗号化）信号のいずれかを伝送するためにネットワークを使用する他の送信チャネルとは関係なく動作するように、量子キー配送チャネルは構成される。量子チャネルは不連続バースト送信モードで動作し、一方、一般的にデータチャネルは中断されない連続送信を提供することを要求されるので、このことは重要である。量子チャネルのこの要求された分離は、データチャネルにより使用される波長とは異なる予約された波長を使用することにより提供される。この場合、WDM結合器（例えば、シファム光ファイバP2SWM13/15B）およびフィルタ（例えば、JDS TB1300A）のような波長感応受動光学部品により、量子チャネルは離隔できる。図2aおよび2bは、この方式の２つの可能性ある例を示している。図2aに示されている第１の場合、量子チャネルは、通常の信号交信用に予約されている他のいくつかのチャネルとともに、1300ナノメートル通信窓内に入っている。図2bに示されている第２の場合、量子チャネルのために、850ナノメートル窓が予約されている。この波長に対する単一光子検出器（シリコンAPD）が1300ナノメートルの光に対して比較的不感であり、したがって、データチャネルからの離隔をより達成し易いという利点をこれは持っている。この方法は、量子および通常のチャネルを結合および分離するために、JDS WD813のようなWDM結合器を必要とする。代わりに、通常の信号交信に対して1500ナノメートル帯を使用し、一方、量子チャネルに対して1300ナノメートル帯を予約してもよい。ゲルマニウムAPDの感度は1300ナノメートルで高く、約1400ナノメートルより長い波長に対して急速に低下するので、これらの検出器は、この特定波長の分割方式に対して魅力的な選択である。この波長分離技術により、光増幅器（例えば、エルビウムやプラセオジム希土類がドープされたファイバ増幅器）のような能動部品が、データチャネル波長で使用でき、一方、増幅器の自然放出スペクトルより外側の波長において量子チャネルが動作できるようにもなる。これでない場合、増幅器から自然に発生した光子は、量子チャネル上の検出器を容易に飽和させる。
代わりに、量子チャネルとデータチャネルを同じ波長で動作させ、偏光または時分割多重化により離隔を達成することも可能である。前者の場合、例えばわれわれの留保中の英国出願第9226995.0.号で説明されているように、量子チャネルに対して位相符号化を使用する。データチャネルは、JDS PB 100のような偏光分割結合器により離隔を経て、ファイバの直交偏光モードで動作する。時分割方式では、標準ファイバ結合器を介してネットワークにリンクされる標準受信機により検出される多重光子データパルスに対して、あるタイムスロットが予約される。これらのタイムスロット中の単一光子検出器の飽和は、スイッチ可能な減衰器（輝度変調装置）により、または、装置に対する逆バイアスを無くすことにより、防ぐことができる。量子キーデータと同時にシステムタイミング情報を送るために、これらの離隔技術のいずれかを使用することもできる。例えば、量子送信に要求されるタイムスケールに対してシステム同期化を維持するには受信機局部発振器上のタイミングジッタが大き過ぎる場合に、この方法は有用である。さらに別の技術は、量子チャネルと同じ波長を使用して、量子送信と同時にタイミングデータを提供する。例えば入射パルス強度の10％までを分離させる弱いファイバタップにより送信ファイバに接続される感応PIN−FETのような標準検出器を、受信機はさらに含む。ｎ番目のパルスごとの強度は、例えば10⁵個の光子のように、十分に大きくされる。標準検出器はタイミング目的に使用することができるパルスを登録する。例えば1000のようにｎが十分に大きい場合、APDは熱影響や飽和を受けず、クロック周波数で局部発振を発生させるために、受信機に×1000周波数倍率器を使用することができる。
APDのものは、検出器の好ましい形態であるが、本発明はADPの使用に限定されない。単一光子レベルで適当な感度および弁別を有する他の検出器を使用してもよい。例えば、検出器は、光電子増倍管を使用してもよい。
図３は、２台の受信機と１台の送信機を含む同報通信ネットワークの特定の例を示している。送信機は、DFBやファブリ−ペロー装置でもよい利得スイッチ半導体レーザ９、減衰器または輝度変調装置７、偏光変調装置８、および制御電子回路10から構成されている。受信機中の単一光子検出器は、P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、P.R.タプスタの電子レター、29、634（1993年）に論じられているように、ブレイクダウンを越えてバイアスされ、受動クエンチングを有するガイガーモードで動作するアバランシェホトダイオード（APD）でもよい。SPCM−100−PQ（GEカナダ電子光学）のようなシリコンAPDを400−1060ナノメートル波長範囲で使用でき、一方、NDL5102PやNDL5500P（NEC）のようなゲルマニウムやInGaAs装置を1000−1550ナノメートル範囲で使用することができる。各受信機は、弁別器／増幅器回路３を介してAPDの出力を受信するマイクロプロセッサ制御装置２を有している。制御装置２は、APDバイアス供給装置６とともに、電子フィルタ４および局部発振器５も制御する。ネットワークを介して受信された同期化パルスに応答して、APDにより出力される信号の周波数スペクトルの第１高調波を、電子フィルタ４は離隔する。これは、局部発振器５をロックするパルス周波数の正弦波信号を発生させる。局部発振器５の出力は、制御装置２で受信され、量子送信中にタイミング基準を提供する。
量子送信前にまたは量子送信中にシステムを較正するために、送信媒体に多重光子信号を使用することは、上記に引用したわれわれの留保中の英国特許出願にさらに詳細に説明されている。これは、例えば、環境の影響から生じるファイバ偏光の変化を補償できるようにする。
P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、P.R.タプスタの電子レター、29、1291（1993年）、およびP.D.タウンゼントの電子レター、30、809（1994年）に記載されているように、別の実施例は、異なる偏光状態よりも、もしろ異なる位相状態を符号化および復号化する。この実施例では、図３に示されている送信機の代わりに図5aの送信機が置換され、同様に、各受信機は、図5bに示されているような構成の受信機により置換される。この実施例の送信機では、第１の波長λ_ｑ、例えばλ_ｑ＝1300ナノメートルで動作する第１のパルス半導体レーザ51は、量子チャネルに対する光ソース源を提供する。このレーザと位相変調装置54用の変調駆動装置53とは、マイクロプロセッサ55により制御される。位相変調器54は、送信機の１つの分岐に配置される。偏光制御装置PC（例えば、BT＆D/HPMCP1000）は、送信機の他の分岐に配置される。第２の半導体レーザ52は、例えばλ_ｓ＝1560ナノメートルである波長λ_ｓの明るい多重光子ソース源を提供する。この信号は上述したように、タイミングおよび較正のために使用される。λ_ｓの信号は、例えばJDSWD1315シリーズ装置でもよいWDM結合器56を介して送信機の出力に結合される。
量子チャネルおよびタイミング信号用の分離ソース源の使用に対する別のものとして、融解ファイバ結合器FCを介して２つの異なる分岐にその出力を供給するために、単一の半導体レーザも使用することができ、その分岐の１つは減衰器を含み、他の分岐は減衰されていない。明るい出力または減衰出力のいずれかを選択するために、光スイッチを使用してもよい。周波数要求に応じて、JDS Fitel SW12のような低速電気機械装置、またはユナイテッド・テクノロジー・ホトニクスYBBMのような高速電気光学装置が使用できる。
この実施例の受信機では、各制御マイクロプロセッサ57は、変調駆動装置59を介して受信機位相変調装置58を制御する。受信機制御プロセッサは、受信機単一光子検出器61用の検出器バイアス供給装置60も制御する。信号パスが分岐する、送信機および受信機の両方において、融解ファイバ50/50結合器が使用される。適当な結合器は、SIFAMからモデルP22S13AA50として商業利用可能である。λ_ｓのタイミング信号は、PIN−FET受信機64により検出される。
データ符号化および復号化用の適当な位相変調装置54,58は、例えば１−10メガヘルツで動作するリチウムニオブ酸塩または半導体位相変調装置である。適当なリチウムニオブ酸塩装置は、IOC PM1300として商業利用可能である。位相変調装置用の適当な駆動装置は、テクトロニクスAWG2020であり、これはシステム用のクロック発生装置としても使用することができる。単一光子検出器のために、図３を参照して上述したようなAPDを使用してもよい。図5aおよび5bに示されている位相変調装置とファイバ装置とを結合して単一集積構造にすることにより大きな改良が得られる。この設計の変形や、P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、P.R.タプスタの電子レター、29、634（1993年）で論じられているものは、ファイバパスを導波管に置換し、変調装置領域を標準的な装置のように電極で規定して、リチウムニオブ酸塩チップ上に集積することができる。別の製造方法は、例えば、光屈折規定された平面シリコン導波管構造または半導体導波管構造を含む。一般的に集積化は、送信機および受信機構造に対して、改善された安全性およびコンパクトさをもたらさなければならない。特に、この実施例は、例えばヒューズ7060H低温冷却装置や液体窒素ジュワーやクライオスタットを使用して77Kに冷却されるNEC 5103 Ge APDを使用する。この実施例の受信機では、ラベル「１」が付けられた上側の分岐中の遅延ループにより時間的に分離された、受信機の異なる分岐に対応している信号に、単一のAPDだけが使用される。キー配送プロトコルは、各受信光子が、所定のクロック周期で関連付けられ、また通ってきた受信機の分岐に応じて０または１にも識別されることを要求する。これらの機能は、時間間隔解析装置62（例えば、ヒューレッド・パッカード53110A）により実行される。この装置に対する開始信号は、例えばそれぞれレクロイ821およびレクロイ621でもよい増幅器および弁別器を含む回路63により処理された後に、APD出力により供給される。
先に言及したタイミング信号は、量子チャネル上のキーデータのバーストを開始するために使用される単一トリガパルス、または、キー送信間の受信機クロックを再時間調整するために使用される、システムクロック周波数の連続パルスストリームのいずれかの形態を取り得る。キー送信が開始される前、干渉計中の位相シフトをゼロにするために、受信機は位相変調装置DCバイアスレベルを変化させる（すなわち、光子送信確率が１つの出力ポートで最高にされ、他のポートで最小にされる）。図5aおよび5bはまた、送信機および受信機を介して伝播する際に、量子チャネルパルスの２つの成分が受ける、空間、時間および偏光の相対的変化も示している。システムのすべてのファイバが防偏光処理されているならば、システムで能動偏光制御または静的偏光制御装置は必要とされない。しかしながら、標準ファイバが送信リンクに使用されるならば、受信機への入力において能動偏光制御が必要とされる。これは、われわれの留保中の国際出願PCT/GB93/02637（WO94/15422）に説明されているように、標準検出器、フィードバック回路、および自動化偏光制御装置を使用して実行することができる。
同じくこの日に出願されたわれわれの留保中の国際出願（代理人参照番号80/4570/03）に説明されているように、受信機は、各単一光子検出器を使用して量子チャネル上の信号を破壊的に検出するよりむしろ、単一光子信号が適当な単一光子検出器で検出される制御装置に単一光子信号を戻す前に、ヘッド−エンドすなわち「制御装置」局から受信された単一光子信号を変調する。この場合、上記に論じられた送信機および受信機構造が両方とも制御装置に組込まれ、ネットワーク受信機局R1,R2………のそれぞれが、位相変調装置例えばIOC PM1300を含んでいる。各受信機は、各ビット周期の２つの直交偏光パルス間の相対位相シフトを生成する波形を発生するために、データ発生装置、例えば、テクトロニクスAWG2020を使用する。代わりにシステムは、位相変調装置よりむしろ偏光変調装置を使用するように構成してもよい。
使用において、量子送信と同時にタイミング情報が送信されない形態では、タイミングパルスストリームをネットワークに向けて送る送信機により、キー配送が開始される。送信機の減衰器はこの点で係合されないので、パルスは多くの光子を含み、両ターミナルによって受信される。受信機は、受信機の検出器の逆バイアスをブレイクダウンより十分下に設定するので内部利得は低い。このモードでは、APDは飽和されることなく、多重光子タイミングパルスを検出することができる。各APD出力信号は、パルスされたソース源の基本的な反復レートの周波数成分を含んでおり、これは、上述したように、受信機の局部発振器をロックするために使用される。
同期化処理の後、送信機の減衰器は係合されるので、出力パルスは、平均で0.1個程度の光子を含む。さらに、受信機のAPDは、ブレイクダウンを越えてバイアスされるので、単一光子レベルの検出感度を達成するのに十分なくらい内部利得は高い。そして量子キー配送プロトコルのステップ（ａ）から（ｃ）が実行される。いま説明している例では、偏光符号化を使用して、システムは２つのアルファベット符号化方式を使用する。この方式では、キービットのシーケンスを確立するために、偏光状態が使用される（すなわち、０゜＝0,90゜＝1,および45゜＝0,135゜＝１）。
図４は、高速（例えば、≧1MHz）動作が要求される場合に、偏光符号化実施例で使用される偏光変調装置の詳細を示している。送信機変調装置は、ランダムにスイッチされる４対１光スイッチに基づいているので、各パルスに対して、４つの可能性のある偏光状態の１つがネットワークに結合される。光スイッチは１以上の電気光学装置（例えば、ユナイテッド・テクノロジーのリチウムニオブ酸塩Ｙスイッチ「YBBM」）に基づき、４×１結合器は融解ファイバ装置（例えば、サイファム・ファイバ・オプティクスのP4S13C）であってもよい。受信機中の偏光変調装置は設計で類似する。しかしながら、ここでは、異なる偏光チャネルが異なる長さのファイバ遅延を含む。これにより、単一のAPDが出力で使用されるようになり、偏光状態識別が、光カウントが生じる（レーザ周期内の）時間により実行される。これに類似する検出方式が、A.ミュラー、J.ブレギュト、N.ギシンの欧州物理レター、23、383（1993年）に記載されている。
図８は、低周波数動作（例えば、≦1MHz）を受入れることできる場合の、偏光変調装置に対する別の好ましい構造を示している。これは、液晶セルの積み重ねを具備している。図示されている例では、積み重ねは、キラルスメクティクＣセルS1,S2を含んでいる。各セルは、各基体上に形成されたInTio電極Ｅを有するガラス基体対g1,g2を含んでいる。１方向に擦り込まれたrubポリミド被覆が、各電極上に形成される。空間SPが、基体を分離し、また液晶材料が閉じ込められる容積を規定する。適切な材料は、メルクからZLI−431Aとして利用可能である。各セルのガラス基体間の空間は、典型的に、1.5から２マイクロメートルの範囲である。入力ビームの波長において、セルが例えば半波長または４分の１波長板として機能するように、各セルの厚みが選択される。電極を使用して各セルの両端に電界が印加される時、セル中の液晶分子は、特性傾き角θで傾く。印加電界の極性を変えると、分子を２θの角度に動かす。セルは、２つのこれらの安定方向状態間を電界でスイッチされる双安定素子として機能し、一般的に中間的な方向をとることができない。
上記に概略説明した特性は、図に示されているようなスイッチセルの積み重ねが、予め定められた不連続な偏光状態を選択するための偏光変調装置として機能できるようにする。例えば、上述した、０゜、90゜、45゜、および135゜の４つの直線偏光状態を使用する変調方式がある。この方式を構成するために、第１のセルS1はθ＝22.5゜のスイッチ角度を有するように構成され、第２のセルS2はθ＝11.25゜のスイッチ角度を有するように構成される。両セルが「０」状態の時、それらの光学軸が平行であると仮定する。第１のセルの２つの状態を０とπ/4として、また、第２のセルの２つの状態を０とπ/8としてラベル付けすると、偏光変調装置から要求される異なる出力が、以下の表１に示されているように得られる。

代わりの符号化方式は、２つの直線偏光状態と２つの円偏光状態、すなわち、直線垂直、直線水平、右旋、左旋を使用する。そのような方式を実行する液晶変調装置は、２つのセルの積み重ねを具備する。この場合、第１のセルS1は、θ＝22.5゜の半波長セルであり、第２のセルS2は、θ＝22.5゜の４分の１波長セルである。以下の表は、この変調装置に対する異なる状態を示している。

さらに代わりの符号化方式は、第１の２つの方式で使用される状態の重ね合わせである６つの状態を具備する。この方式を実施する変調装置は、３つのセルの積み重ねを使用し、第１の２つのセルは、直前の例で記載されたように、θ＝11.25゜の半波長セルである第３のセルがそれに続く。この変調装置の状態は以下の表に示されている。

この例では、左旋対および右旋対が本質的に縮退される。円偏光の絶対的な位相は異なっているが、波の振動周期の何倍もの周期に対して強度が時間平均されるという事実は、絶対的な位相は無関係であることを意味する。したがって、４つの直線偏光状態および左旋および右旋偏光状態が残る。実際上、セル２がオンの場合、セル３がどの状態にあるかは問題ではない。
積み重ねられた液晶変調装置に対して、他の多くの形態が可能である。例えば、上記に説明された例の半波長セルは、４分の１波長セルの対に分割することができる。いくつかのセルの組合わせの順序も変更することができる。さらに可能性ある変形は、さらなるコード化の柔軟性をもたらす連続的に同調可能な波形板を提供する電子装置の使用である。
上述したように液晶変調装置の使用には大きな効果が見られ、例えば10マイクロ秒パルス間隔の比較的高いレートでスイッチングを可能であり、コンパクトで低価格の装置の可能性を示す。
既に着目したように、位相変調は、偏光変調の代わりとして使用してもよい。図７は、上側のグラフで、送信機に適用される０゜、90゜、180゜、または270゜の位相シフトの符号化シーケンスを、下側のグラフで、変調信号を検出する際に受信機で使用される０゜または90゜の２つの位相状態を示したグラフである。この例では、ビット周期は１マイクロ秒である。
ステップ（ａ）から（ｃ）では、必要とされる数のキービットを確立するために、十分に多い単一光子パルスが各受信機に対して送信される必要がある。中央ノードからターミナルへの光ファイバパスの形態は、ネットワークアーキテクチャに依存する。例えば、ｎをネットワーク上のターミナルの数とし、ｍ＜ｎとして、パスは、単一の１対ｎ結合器または１対ｍ結合器の他の組合わせで分割してもよい。所定の光子が中央ノードからターミナルへ到達する確率は、αを単位長当たりのファイバ損失係数、ｌをパス長、βをパスに対するネット結合レートとして、その特定のパスに対する透過係数ｔ＝exp−（αｌ＋β）により与えられる。単一光子の量子機械特性は、所定の光子がターミナルの１つのみで検出されるか、あるいは、システムから失われるか（α＞０）を確実にし、この処理が完全にランダムにそして予測不可能な方法で生じることを確実にする。結果として、各ターミナルには、所定のクロック周期の間に光子が到達するか否かを予測する方法がない。代わりに、すべてのターミナルが、クロックレートでステップ（ｂ）に記載されたような測定を行い、光子の検出が成功するごとに、測定用に使用されるアルファベット、測定の実際の結果、光子が到着したタイムスロットを記録する。
量子送信が終了した後、中央ノードは、ネットワーク上の各ターミナルを順次ポーリングし、プロトコルのステップ（ｄ）から（ｆ）を実行する。この処理では、個々の光子、およびそれらの送られ受信された状態が、光子が検出されまた送信されたタイムスロットにより識別される。この処理の終了において、中央ノードがｎ個の秘密キーを持つようになり、それぞれ１つがネットワーク上の特定のターミナルと共有される。しかしながら、プライバシー増幅（以下を参照）により任意に０近くに減少させることができる小さい確率を除いて、各ターミナルは自分自身のもの以外の他のキーの知識を持たない。これらのキーは、各ターミナルと中央ノードとの間のデータ送信を安全に暗号化するために使用することができる。結果として、送信機から同報通信される任意の暗号化データは、意図されているターミナルによってのみ読まれることが可能である。さらに、安全なインタープリタとして機能する中央ノードを介して、ターミナルは相互に安全に通信することができる。上述した公開ディスカッションステージ（ステップ（ｄ）から（ｆ））は、同じネットワークに対して、または、分離し独立した通信チャネルに対して実行してもよい。
実際の量子チャネルは、検出器暗カウントにより避けることができない背景エラーレートを受け、ファイバの偏光（または位相）状態中の環境的に誘起される変動等を受ける。この場合、公開ディスカッションフェーズは、エラー訂正および「プライバシー増幅」とよばれる付加的なステージを含んでもよい。これは、送信機および受信機が同一キーとなり、盗聴者または他のターミナルへ漏れるキー情報を随意的に１ビットのほんのわずかの割合であることの両方を確実にする。この処理は、以下に概略説明され、さらに詳細は、C.H.ベネット、F.ベセット、G.ブラサード、L.サルベール、およびJ.スモリンの「実験的量子暗号」、J.暗号、５、３（1992年）に記載されている。
量子キー配送の目的は、アリスとボブ（すなわち、送信機および受信機）に対して、同一秘密ビットストリングを共有させることである。異なるベースが選択されているタイムスロットで生じるこれらのビットを廃棄した後、盗聴がなく、理想的な世界で、アリスとボブが同じ秘密ビットストリングを共有することを期待する。安全性のために、すべてのエラーが盗聴者から来ると仮定すべきである。この仮定の下、イブの仮定された存在に関わらず、たいていの秘密キーが確立することができるのかが問題となる。認証された公開チャネルに対して実行されるエラー訂正の処理は、以下に説明するように、使用できるビットのより多くの割合をイブが知ることになる。「プライバシー増幅」と呼ばれる手続は、秘密キービットの数を減らすことを犠牲にして、最後のキーについてのイブの情報を、無視できる量まで減少させるために使用することができる。この手続の後、アリスとボブは、極めて高い秘密レベルにおそらく秘密である共有ビットシーケンスを有する。量子キー配送の異なるステージは、以下の如くである。
ｉ）アリスとボブが元の送信を実行し、異なるベースからのビットを廃棄する。
ii）ランダムに選択されたサンプルの公開比較とエラーレートの推定。
iii）エラー訂正手続がエラー訂正されたキーを生成する。
iv）キーについてイブが有する情報はどれくらい多いかを推定。
ｖ）イブがそれについて無視できる情報を有している最後の秘密キーを抜き出すために、プライバシー増幅を実行する。図９は、上記ステージと、制御装置（アリス）とｉ番目のユーザ（ボブ）との間のデータの流れとを示しているフロー図である。
上述された例は光ファイバネットワークを使用するが、本発明は、一般的に、量子チャネルを提供するために、適当な量子状態を準備し保持することができる媒体を提供する任意のシステムに適用可能である。例えば、電子状態や他の粒子を使用してもよい。
図１の例では、３台の受信機のみが示されているが、実際では、非常に多くの受信機を使用しているネットワークもよく使用される。選択される数は、使用現場にしたがって変化する。単一サイト上のローカル的な据え付けに対して、ネットワークは、10台だけの受信機またはターミナルを具備してもよい。これに対して、公開ネットワークに対して、10数のあるいは100以上の受信機が、ネットワークに接続され、単一サーバから配送された量子キーを受信する。
ネットワーク上に許容される受信機の最大数の推定を得るために、上述した部品を使用し、800ナノメートルの波長帯で動作する量子チャネルを有するリングネットワークの例を考える。ネットワークはｎ人のユーザを含み、ネットワーク中の結合器の分割レートは、各ターミナルが、量子チャネル中の光子の1/nの割合を受信するように選択される。ソース源パルスレートに対する上限は、検出器の応答時間（SPCM−100−PQに対して、〜３ナノ秒）および変調装置のバンド幅（ユナイテッド・テクノロジーのYBBMに対して、〜600MHz）により決定される。その場合、検出方式は、個々のパルスとたいてい連続なパルスとを区別できなければならない。結果として、送信機変調装置を通って伝播した後の平均でパルス当たり0.1個の光子に対応する低強度に減衰されるレーザに対して、100MHzのパルスレートが選択される。変調装置中の損失は、最悪場合の推定で10dBにとられる。光子がネットワークに入る平均レートは、したがってr₀〜10MHzである。送信ファイバ中の損失が無視できる程度にネットワークが十分短い場合（すなわち、＜１キロメートル）、各ターミナルは、平均レートr₀/nで光子を受信する。SPCM APDの量子効率は約30％であり、変調装置中の損失は10dBであるので、光子検出レートは0.03r₀/nである。システム中の低いエラーレートを達成するために、0.03r₀/n＞1000を選択する（すなわち、〜100Hz検出器に対する暗カウントよりも10倍高い）。これは、ネットワーク上の受信機の数に対してｎ＝300の最大値を与える。実際には、送信ファイバ中のさらに多い損失、したがって増加されたネットワークスパンを受入れるために、ｎは減らされる。
上記導入部で論じられたように、本発明は、例えば、PCT/GB 93/02637で説明されているような、受信機が光子を破壊的に検出するより、受信機が光子を変調しそれを送信機に送るネットワーク形態を含む、さまざまな異なるネットワーク形態とともに使用できる。そのような実施に起こり得る攻撃は、イブ（盗聴者）に所定のユーザボブの両サイドで量子チャネルを傍受することを要求する。そして多重光子信号を送信し検出することによって、イブは、ボブの変調装置の状態を曖昧に決定することができる。再度説明すると、実際では、イブがネットワーク中の２以上の点と接続を確立することは非常に困難である。さもなければ、説明したタイプの攻撃に対する保護が望まれる場合、これは、比較的弱いタップによってネットワークに接続されている光子検出器を有する、少なくとも１つ以上のネットワーク上の受信機を設けることによってなされてもよい。この光子検出器は、通常、受信機で使用されている単一光子検出器の感度を持つことが要求されず、また、ユーザごとにそのような検出器を持つことも要求されない。ネットワーク中のそのような検出器の存在は、イブにより使用される多重光子プローブの検出を促進する。

Claims (8)

1. 共通の光通信ネットワーク上に配置された送信機と複数の受信機との間で量子暗号を使用して通信する方法において、
   単一光子信号を発生させ、
   送信機において単一光子信号を変調し、
   送信機からネットワーク上に単一光子信号を出力し、
   送信機と受信機との間で通信して、送信された単一光子信号および受信された単一光子信号の状態を比較し、それによって安全な秘密量子暗号キーを確立することを含み、
   複数の受信機のそれぞれは、ネットワーク上で個々の単一光子信号がとるパスによりランダムに決定される変調単一光子信号の異なるシーケンスを送信機から受信し、それにより送信機は、単一の一連の送信された変調単一光子信号から、複数の受信機のそれぞれについて異なる個々の秘密キーを確立する方法。
2. 受信機を送信機に同期化させるために、送信機から複数の受信機に多重光子パルスを同報通信する最初のステップをさらに含む請求項１記載の方法。
3. 多重光子パルスを同報通信するステップが、単一光子パルスの後続する受信のために受信機が較正される較正フェーズの一部を形成する請求項２記載の方法。
4. 単一光子信号が、ネットワーク上で同時に伝送されている多重光子信号上に符号化されている１以上のチャネルと多重化される請求項１ないし３のいずれか１項記載の方法。
5. 単一光子信号が、多重光子信号上に符号化されている前記チャネルに異なる波長で伝送される請求項４記載の方法。
6. 多重光子信号上に符号化され同時に伝送されたチャネルは、単一光子信号の受信中に受信機を送信機に再同期化させるタイミング情報を含む請求項４または５記載の方法。
7. 単一光子信号上で伝送されるｎ番目毎のパルスがより大きな強度で伝送され、より大きな強度のパルスが受信機において弁別されてタイミング基準が提供され、ｎは１よりも大きい整数である請求項１記載の方法。
8. 量子暗号を使用する通信方法で使用するための通信システムにおいて、
   送信機と、
   送信機に接続された光通信ネットワークと、
   光通信ネットワークに接続された受信機とを具備し、
   前記送信機は、
   単一光子源と、
   単一光子源からの単一光子を変調する変調器とを有し、
   前記受信機は、
   送信機からの単一光子信号を検出する単一光子検出器と、
   送信機と通信して送信された単一光子信号および受信された単一光子信号の状態を比較し、それによって安全な秘密量子暗号キーを確立する制御手段とを有し、
   光通信ネットワークは多元接続ネットワークであり、複数の受信機が多元接続ネットワークに接続され、各受信機は個々の単一光子検出器と制御手段とを有し、複数の受信機のそれぞれは、ネットワーク上で個々の単一光子信号がとるパスによりランダムに決定される変調単一光子信号の異なるシーケンスを送信機から受信するように構成され、送信機は、単一の一連の送信された変調単一光子信号から、複数の受信機のそれぞれについて異なる個々の秘密キーを確立するように構成されている通信システム。

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