JP3855001B2 - 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 - Google Patents
量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3855001B2 JP3855001B2 JP2002221447A JP2002221447A JP3855001B2 JP 3855001 B2 JP3855001 B2 JP 3855001B2 JP 2002221447 A JP2002221447 A JP 2002221447A JP 2002221447 A JP2002221447 A JP 2002221447A JP 3855001 B2 JP3855001 B2 JP 3855001B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mode
- light
- hermitian
- mirror
- polarized light
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Optical Communication System (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子力学の不確定性原理を利用して暗号の秘密鍵を通信する方法に関し、特に、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような量子暗号通信方法としては、例えば４状態暗号が知られている。この量子暗号通信方法では、送信者はビット”０”および”１”を光子にエンコードするときに、二種類のコード表を用いる。例えば、第１のコード表では、直線偏光の横偏光を”０”、縦偏光を”１”に対応させ、第２のコード表では、円偏光の左回りを”０”、右回りを”１”に対応させる。この取り決めは送信者と受信者とで予め決めておく。送信者は、二進数で書かれた乱数表を用意する。これは、受信者と共有する秘密鍵の生成の元になるものである。送信者は、乱数表のビット列の各ビットに対して、二つのコード表の内の一方をランダムに選択し、そのコード表から定まる偏光方向を持つ光子を受信者へ送る。受信者は、直線偏光と円偏光との両方を読みとることはできないので（不確定性原理）、二つのコード表の内一つをランダムに選択し、それに対応した方向で光子の偏光方向を読み取る。受信者が送信者と同一のコード表を選択する確率、および異なるコード表を選択する確率は共に５０％である。受信者の選択したコード表が送信者と一致していれば、乱数表の値が正しく受信者に伝わるが、コード表が異なる場合は、受信するビット値はランダムになるため、送信者と受信者とが同一のビット値を共有できるとは限らない。このような送受信をある程度行った後に、送信者と受信者は、毎回どちらのコード表を選択したかを電話回線などの公開チャンネルで照合する。そして、選択したコード表が一致した部分だけを採用し、他は捨てる。送信者と受信者は残ったビットの内適当な割合で照合ビットを抽出し、それぞれを公開チャンネルで照合する。十分な数の照合ビットが一致すれば、１に近い確率で盗聴されていないことになる。そして、照合ビットを除いたビット列を秘密鍵として共有する。このような量子暗号通信方法については、西野哲朗「量子コンピュータと量子暗号」pp.53-57、（株）岩波書店（2002-3-15）、日本物理学会誌、Vol.56,No.1,2001,pp.17-24などに記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の量子暗号の通信方法は、ビット”０”および”１”により光子の偏光方向を定めるものであるため、１つの光子により伝送できる情報量は１ビットだけであった。
【０００４】
そこで、本発明は１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、２ビットの情報を載せた単一光子を送出する送信装置と、単一光子を受信して２ビットの情報を取り出す受信装置と、送信装置と受信装置とを結ぶ光伝送路とを具備する量子暗号通信装置の送信装置に、直線偏光の単一光子を発生する光源と、光源からの単一光子からエルミートガウスモードの単一光子を生成するエルミートモード生成素子と、エルミートモード生成素子が生成したエルミートガウスモードの単一光子のパターンを変換する挿抜可能なエルミートモード変換素子と、直線偏光の方向を変換する挿抜可能な（１／２）波長板と、直線偏光を円偏光に変換する挿抜可能な送信側（１／４）波長板と、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換する挿抜可能な送信側（π／２）モードコンバータと、エルミートモード変換素子と（１／２）波長板と送信側（１／４）波長板と送信側（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜して単一光子に対して２ビット毎のエンコードを行うエンコード手段と、単一光子を光伝送路に送信する送信手段とを備え、エンコード手段に、直線偏光の方向と円偏光の回転方向のいずれかをランダムに選択して単一光子に１ビットのコーディングを行うとともにエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向のいずれかをランダムに選択して単一光子に１ビットのコーディングを行う手段を備え、受信装置に、単一光子を受信する受信手段と、受信した単一光子を直線偏光に変換する挿抜可能な受信側（１／４）波長板と、単一光子を直線偏光の向きに応じて振り分ける偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの透過光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第１（π／２）モードコンバータと、偏光ビームスプリッタの反射光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第２（π／２）モードコンバータと、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第１横モード分離手段と、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２横モード分離手段と、受信側（１／４）波長板と第１（π／２）モードコンバータと第２（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜することにより決まる受信モードをランダムに設定する手段と、直線偏光の方向と円偏光の回転方向とエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向の組合せに応じて第１横モード分離手段と第２横モード分離手段から出力される光子に基づいて単一光子について２ビット毎のデコードを行うデコード手段とを備える構成とした。
【０００６】
この構成により、偏光および横モードのそれぞれで１ビットずつエンコードすることで、１つの光子により２ビットの情報伝送が可能となる。
【０００７】
また、量子暗号通信装置における送信装置のエンコード手段に、エルミートモード生成素子が生成したエルミートガウスモードの単一光子のパターンを変換する挿抜可能なエルミートモード変換素子と、直線偏光の方向を変換する挿抜可能な（１／２）波長板と、直線偏光を円偏光に変換する挿抜可能な送信側（１／４）波長板と、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換する挿抜可能な送信側（π／２）モードコンバータと、エルミートモード変換素子と前記（１／２）波長板と送信側（１／４）波長板と送信側（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜して単一光子に対して２ビット毎のエンコードを行う手段とを備える構成とした。
【０００８】
この構成により、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）で、エルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路へ送出することができる。
【０００９】
さらに、量子暗号通信装置における受信装置の第１横モード分離手段に、偏光ビームスプリッタの透過光または第１（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第１ハーフミラーと、第１ハーフミラーの透過光を反射する第１ミラーと、第１のハーフミラーの反射光を反射する第２ミラーと、第２ミラーの反射光を反射する第３ミラーと、第１ミラーの反射光の光路長を変える第１光路長調整部材と、第１光路長調整部材の透過光と第３ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２ハーフミラーとを備え、第２横モード分離手段に、偏光ビームスプリッタの反射光または第２（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第３ハーフミラーと、第３ハーフミラーの透過光を反射する第４ミラーと、第３ハーフミラーの反射光を反射する第５ミラーと、第５ミラーの反射光を反射する第６ミラーと、第４ミラーの反射光の光路長を変える第２光路長調整部材と、第２光路長調整部材の透過光と第６ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第４ハーフミラーとを備える構成とした。
【００１０】
この構成により、ランダムに選択されたコーディング方法に従って２ビットのエンコードが行われた単一光子を受信し、第２ハーフミラーの２つの出力と第４ハーフミラーの２つの出力に基づいて２ビットをデコードできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。この量子暗号通信システムは、送信装置１と、受信装置２と、送信装置１と受信装置２との間に接続された伝送路３とからなる。伝送路３は光ファイバである。
【００１２】
送信装置１は、光源11と、光源11の出力光からエルミートガウスモードの光を生成するエルミートモード生成素子12と、それぞれがエルミートモード生成素子12の出力光の光路に挿脱（出し入れ）可能であり、その光路の上流側から順に配置されたエルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16を具備する。以下、本明細書では、エルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16が光路に挿入されている状態を”オン”、光路から出ている状態を”オフ”という。
【００１３】
光源11はレーザ発振器と光減衰器とからなり、レーザ発振器が発生した直線偏光の光の強度を光子１個程度にして出力する。エルミートモード生成素子12は例えばホログラムで構成されており、光源11から出力された光よりエルミートガウスモードの光を生成する。エルミートモード変換素子13はダブプリズムで構成されており、エルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードのパターンを変換する。すなわち、エルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードが横並びのパターンであれば縦並びのパターンに変換し、逆にエルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードが縦並びのパターンであれば横並びのパターンに変換する。１／２波長板14は直線偏光の方向を横から縦または縦から横に変換する。１／４波長板15は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する。π／２モードコンバータ16は円筒レンズで構成されており、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換し、ラゲールガウスモードの光をエルミートガウスモードの光に変換する。エルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16のオン／オフの組み合わせにより、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）、およびエルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路３へ送出することができる。
【００１４】
図２に示すように、送信装置１は、光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。すなわち、図２（ａ）に示すように、偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【００１５】
図３および図４は、送信装置１により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。ここでは、光源11が横偏光の光子を発生し、エルミートモード生成素子12が横並びエルミートガウスモードの光子を生成し、エルミートモード変換素子13が横並びを縦並びに変換する構成を採用する。また１／２波長板14は横偏光を縦偏光に変換し、１／４波長板15は横偏光を左回り円偏光に、縦偏光を右回り円偏光に変換し、π／２モードコンバータ16は横並びエルミートガウスモードを左回りラゲールガウスモードに、縦並びエルミートガウスモードを右回りラゲールガウスモードに変換する構成を採用する。
【００１６】
上記構成の送信装置１において、光源11から出力される横偏光の光子はエルミートモード生成素子12に入力され、横偏光であり、かつ横並びのエルミートガウスモード（横偏光・横並びエルミートガウスモード）の光子となる。この光子はエルミートモード変換素子13がオンのときには縦偏光・縦並びエルミートガウスモードに変換され、エルミートモード変換素子13がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／２波長板14の方向へ進む。ここで、エルミートモード変換素子13はダブプリズムであるため、エルミートガウスモードの並びだけでなく直線偏光の方向も変化する。
【００１７】
図３は横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板14の入力側からπ／２モードコンバータ16の出力側まで進む間に変化する様子を示し、図４は縦偏光・縦並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板14の入力側からπ／２モードコンバータ16の出力側まで進む間に変化する様子を示す。
【００１８】
図３に示すように、横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／２波長板14がオンのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／２波長板14がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／４波長板15の方向へ進む。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板15がオンのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板15がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ16の方向へ進む。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板15がオンのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板15がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ16の方向へ進む。
【００１９】
右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには右回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには縦偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには左回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには横偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。
【００２０】
図４の場合も同様に、π／２モードコンバータ16の出力として、左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、左回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、横偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、横偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、右回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、右回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）からなる８通りの組み合わせが得られる。
【００２１】
受信装置２は、伝送路３から入力された光の光路に対して挿脱可能な１／４波長板21と、伝送路３から入力された光の光路における１／４波長板21の下流に配置された偏光ビームスプリッタ22と、偏光ビームスプリッタ22の透過光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ23と、偏光ビームスプリッタ22の反射光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ24と、偏光ビームスプリッタ22の透過光の光路におけるπ／２モードコンバータ23の下流に配置されたハーフミラー25と、ハーフミラー25の透過光の光路に配置されたミラー26と、ハーフミラー25の反射光の光路に配置されたミラー27と、ミラー27の反射光の光路に配置されたミラー28と、ミラー26の反射光の光路に配置された光路長調整部材29と、光路長調整部材29の透過光の光路であり、かつミラー28の反射光の光路に配置されたハーフミラー30と、偏光ビームスプリッタ22の反射光の光路におけるπ／２モードコンバータ24の下流に配置されたハーフミラー31と、ハーフミラー31の透過光の光路に配置されたミラー32と、ハーフミラー31の反射光の光路に配置されたミラー33と、ミラー33の反射光の光路に配置されたミラー34と、ミラー32の反射光の光路に配置された光路長調整部材35と、光路長調整部材35の透過光の光路であり、かつミラー34の反射光の光路に配置されたハーフミラー36とを具備する。
【００２２】
光路長調整部材29を透過しハーフミラー30を透過した光と、ミラー28で反射されハーフミラー30で反射された光とが出力＃１となり、光路長調整部材29を透過しハーフミラー30で反射された光と、ミラー28で反射されハーフミラー30を透過した光とが出力＃２となる。また、光路長調整部材35を透過しハーフミラー36を透過した光と、ミラー34で反射されハーフミラー36で反射された光とが出力＃３となり、光路長調整部材35を透過しハーフミラー36で反射された光と、ミラー34で反射されハーフミラー36を透過した光とが出力＃４となる。光路長調整部材29および35はガラス板で構成されている。
【００２３】
この受信装置２において、ハーフミラー25、ミラー26〜28、光路長調整部材29、およびハーフミラー30からなる第１の検出部と、ハーフミラー31、ミラー32〜34、光路長調整部材35、およびハーフミラー36からなる第２の検出部とは、いずれもマッハツェンダー干渉計の一方の光路にミラーを１枚追加した構成を有している。そして、横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合は出力＃１のみで検知され、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合、出力＃２のみで検知される。つまり、直線偏光の方向が指定されている場合、横並びエルミートガウスモードと縦並びエルミートガウスモードとを分離することができる。
【００２４】
この点について説明する。縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射した場合、透過光と反射光とに分かれる。そして、反射光については位相が９０度変化する。透過光はミラー26で反射され、光路長調整部材29を経てハーフミラー30に入射する。ハーフミラー25の反射光はミラー27およびミラー28で反射され、ハーフミラー30に入射する。ハーフミラー30においては、光路長調整部材29の側から入射した光の透過光とミラー28の側から入射した光の反射光とが合成され、出力＃１となる。ここで、光路長調整部材29がハーフミラー25からハーフミラー30までの二つの光路の光路長を等しくするように設定されている場合、合成される二つの光は位相が１８０度異なるので相殺されてしまい、出力は現れない。これに対して、光路長調整部材29の側から入射した光の反射光とミラー28の側から入射した光の透過光とが合成される出力＃２については、合成される二つの光は位相が一致するので出力が現れる。横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射した場合は、ミラーで反射する毎に位相が反転するため、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードや横偏光・横並びエルミートガウスモードの場合とは逆に出力＃１から光が検知され、出力＃２からは検知されない。第２の検出部についても同様である。ラゲールガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合は、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃２で検知されることになり確定しない。
【００２５】
以上のように構成された量子暗号通信システムの動作について説明する。図５は図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【００２６】
送信者は送信装置１を用いて図５の最上段に示す乱数表を送るものとする。ここで、送信者と受信者は、予め図２に示した割当で光子をエンコードすることを事前に決めておく。
【００２７】
送信者は、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。そして、図２で示した割当に従って信号を送る。図５では、”０１”を送るので、最初の”０”を偏光で、次の”１”を横モードで送るとすると、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子を１個送ることになる。
受信者も、受信方法として、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。
【００２８】
ここで、受信装置２において、１／４波長板21は右回り円偏光が入射されたときは縦偏光に変換し、左回り円偏光が入射されたときは横偏光に変換する。また、縦偏光が入射されたときは左回り円偏光に変換し、横偏光が入射されたときは右回り円偏光に変換する。そして、受信者は、直線偏光を選ぶときは１／４波長板21をオフにし、円偏光を選ぶときは１／４波長板21をオンにする。偏光ビームスプリッタ22は、直線偏光が入射されたときは横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。また、偏光ビームスプリッタ22は、円偏光が入射されたときは５０％ずつの確率で横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。π／２モードコンバータ23、24は、右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。また、π／２モードコンバータ23、24は、縦並びエルミートガウスモードが入射されたときは左回りラゲールガウスモードに変換し、横並びエルミートガウスモードが入射されたときは右回りラゲールガウスモードに変換する。右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。そして、受信者は、エルミートガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ23、24をオフにし、ラゲールガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ23、24をオンにする。これにより、送信者の送信方法と受信者の受信方法とが一致した場合には、出力＃１から光子が検知されたときは”０１”、出力＃２から光子が検知されたときは”００”、出力＃３から光子が検知されたときは”１０”、出力＃４から光子が検知されたときは”１１”であると判定することができる。
【００２９】
受信装置２に入力された”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22を透過し、ハーフミラー25から第１の検出部へ入力される。第１の検出部は、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子が入力されたときは、出力＃１のみで検知され”０１”と確定する。
【００３０】
送信者は、送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送る。図５の２番目の２ビットについては、直線偏光およびラゲールガウスモードを選び、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子により”１１”を送っている。これに対して、受信者は円偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子は、１／４波長板21を透過して”左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード”となり、偏光ビームスプリッタ22で５０％ずつの確率で”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光と”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力され、出力＃１で検出される。また、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ24により、”縦偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力され、出力＃4 で検出される。つまり、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃4 で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３１】
３番目の２ビットについては、円偏光およびエルミートガウスモードを選び、”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”１０”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22で５０％ずつの確率で”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光と”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ24により、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力される。このため、２５％ずつの確率で出力＃１〜＃４で検知されることになり、”００”，”０１”，”１０”，”１１”のいずれとも確定しない。
【００３２】
４番目の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードを選び、”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”００”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22を透過し、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。このため、５０％ずつの確率で出力＃１、＃２で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３３】
以下、送信者は送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送り、受信者も受信方法をランダムに変更し、受信する。
【００３４】
全ての信号を送信した後に、送信者と受信者は送信方法と受信方法を開示する。そして、送信方法と受信方法とが、偏光および横モード共に一致した光子の情報だけを残し、他は捨てる。送信した乱数表のデータ量が十分大きければ、残った部分を暗号の秘密鍵として使用することができる。残った部分の一部はそのビット情報も開示して比較する。もし、一致していなければ盗聴者がいることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、乱数を２ビット毎に送るものとしたが、例えば偏光で送るビット値はパリティとし、乱数については１ビット毎に送るように構成することもできる。また、以上の説明では、２ビットの内前の１ビットを偏光で送り、後の１ビットを横モードで送るようにしたが、順序を逆にしても良い。さらに、送信装置１における、エルミートモード生成素子12乃至π／２モードコンバータ16の配置は前記した順序以外の順序でも良いし、レーザ発振器の出力を光子１個まで減衰させる光減衰器の配置も前記した位置以外でも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供することができる。そして、本発明によれば、１つの光子の偏光と横モードにより情報伝送を行うので、盗聴に対する安全性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。
【図２】光子をエンコードするための偏光と横モードの割当を示す図である。
【図３】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図４】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図５】図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 送信装置
２ 受信装置
３ 伝送路
11 光源
12 エルミートモード生成素子
13 エルミートモード変換素子
14 １／２波長板
15、21 １／４波長板
16、23、24 π／２モードコンバータ
22 偏光ビームスプリッタ
25、30、31、36 ハーフミラー
26〜28、32〜34 ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子力学の不確定性原理を利用して暗号の秘密鍵を通信する方法に関し、特に、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような量子暗号通信方法としては、例えば４状態暗号が知られている。この量子暗号通信方法では、送信者はビット”０”および”１”を光子にエンコードするときに、二種類のコード表を用いる。例えば、第１のコード表では、直線偏光の横偏光を”０”、縦偏光を”１”に対応させ、第２のコード表では、円偏光の左回りを”０”、右回りを”１”に対応させる。この取り決めは送信者と受信者とで予め決めておく。送信者は、二進数で書かれた乱数表を用意する。これは、受信者と共有する秘密鍵の生成の元になるものである。送信者は、乱数表のビット列の各ビットに対して、二つのコード表の内の一方をランダムに選択し、そのコード表から定まる偏光方向を持つ光子を受信者へ送る。受信者は、直線偏光と円偏光との両方を読みとることはできないので（不確定性原理）、二つのコード表の内一つをランダムに選択し、それに対応した方向で光子の偏光方向を読み取る。受信者が送信者と同一のコード表を選択する確率、および異なるコード表を選択する確率は共に５０％である。受信者の選択したコード表が送信者と一致していれば、乱数表の値が正しく受信者に伝わるが、コード表が異なる場合は、受信するビット値はランダムになるため、送信者と受信者とが同一のビット値を共有できるとは限らない。このような送受信をある程度行った後に、送信者と受信者は、毎回どちらのコード表を選択したかを電話回線などの公開チャンネルで照合する。そして、選択したコード表が一致した部分だけを採用し、他は捨てる。送信者と受信者は残ったビットの内適当な割合で照合ビットを抽出し、それぞれを公開チャンネルで照合する。十分な数の照合ビットが一致すれば、１に近い確率で盗聴されていないことになる。そして、照合ビットを除いたビット列を秘密鍵として共有する。このような量子暗号通信方法については、西野哲朗「量子コンピュータと量子暗号」pp.53-57、（株）岩波書店（2002-3-15）、日本物理学会誌、Vol.56,No.1,2001,pp.17-24などに記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の量子暗号の通信方法は、ビット”０”および”１”により光子の偏光方向を定めるものであるため、１つの光子により伝送できる情報量は１ビットだけであった。
【０００４】
そこで、本発明は１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、２ビットの情報を載せた単一光子を送出する送信装置と、単一光子を受信して２ビットの情報を取り出す受信装置と、送信装置と受信装置とを結ぶ光伝送路とを具備する量子暗号通信装置の送信装置に、直線偏光の単一光子を発生する光源と、光源からの単一光子からエルミートガウスモードの単一光子を生成するエルミートモード生成素子と、エルミートモード生成素子が生成したエルミートガウスモードの単一光子のパターンを変換する挿抜可能なエルミートモード変換素子と、直線偏光の方向を変換する挿抜可能な（１／２）波長板と、直線偏光を円偏光に変換する挿抜可能な送信側（１／４）波長板と、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換する挿抜可能な送信側（π／２）モードコンバータと、エルミートモード変換素子と（１／２）波長板と送信側（１／４）波長板と送信側（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜して単一光子に対して２ビット毎のエンコードを行うエンコード手段と、単一光子を光伝送路に送信する送信手段とを備え、エンコード手段に、直線偏光の方向と円偏光の回転方向のいずれかをランダムに選択して単一光子に１ビットのコーディングを行うとともにエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向のいずれかをランダムに選択して単一光子に１ビットのコーディングを行う手段を備え、受信装置に、単一光子を受信する受信手段と、受信した単一光子を直線偏光に変換する挿抜可能な受信側（１／４）波長板と、単一光子を直線偏光の向きに応じて振り分ける偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの透過光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第１（π／２）モードコンバータと、偏光ビームスプリッタの反射光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第２（π／２）モードコンバータと、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第１横モード分離手段と、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２横モード分離手段と、受信側（１／４）波長板と第１（π／２）モードコンバータと第２（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜することにより決まる受信モードをランダムに設定する手段と、直線偏光の方向と円偏光の回転方向とエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向の組合せに応じて第１横モード分離手段と第２横モード分離手段から出力される光子に基づいて単一光子について２ビット毎のデコードを行うデコード手段とを備える構成とした。
【０００６】
この構成により、偏光および横モードのそれぞれで１ビットずつエンコードすることで、１つの光子により２ビットの情報伝送が可能となる。
【０００７】
また、量子暗号通信装置における送信装置のエンコード手段に、エルミートモード生成素子が生成したエルミートガウスモードの単一光子のパターンを変換する挿抜可能なエルミートモード変換素子と、直線偏光の方向を変換する挿抜可能な（１／２）波長板と、直線偏光を円偏光に変換する挿抜可能な送信側（１／４）波長板と、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換する挿抜可能な送信側（π／２）モードコンバータと、エルミートモード変換素子と前記（１／２）波長板と送信側（１／４）波長板と送信側（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜して単一光子に対して２ビット毎のエンコードを行う手段とを備える構成とした。
【０００８】
この構成により、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）で、エルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路へ送出することができる。
【０００９】
さらに、量子暗号通信装置における受信装置の第１横モード分離手段に、偏光ビームスプリッタの透過光または第１（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第１ハーフミラーと、第１ハーフミラーの透過光を反射する第１ミラーと、第１のハーフミラーの反射光を反射する第２ミラーと、第２ミラーの反射光を反射する第３ミラーと、第１ミラーの反射光の光路長を変える第１光路長調整部材と、第１光路長調整部材の透過光と第３ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２ハーフミラーとを備え、第２横モード分離手段に、偏光ビームスプリッタの反射光または第２（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第３ハーフミラーと、第３ハーフミラーの透過光を反射する第４ミラーと、第３ハーフミラーの反射光を反射する第５ミラーと、第５ミラーの反射光を反射する第６ミラーと、第４ミラーの反射光の光路長を変える第２光路長調整部材と、第２光路長調整部材の透過光と第６ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第４ハーフミラーとを備える構成とした。
【００１０】
この構成により、ランダムに選択されたコーディング方法に従って２ビットのエンコードが行われた単一光子を受信し、第２ハーフミラーの２つの出力と第４ハーフミラーの２つの出力に基づいて２ビットをデコードできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。この量子暗号通信システムは、送信装置１と、受信装置２と、送信装置１と受信装置２との間に接続された伝送路３とからなる。伝送路３は光ファイバである。
【００１２】
送信装置１は、光源11と、光源11の出力光からエルミートガウスモードの光を生成するエルミートモード生成素子12と、それぞれがエルミートモード生成素子12の出力光の光路に挿脱（出し入れ）可能であり、その光路の上流側から順に配置されたエルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16を具備する。以下、本明細書では、エルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16が光路に挿入されている状態を”オン”、光路から出ている状態を”オフ”という。
【００１３】
光源11はレーザ発振器と光減衰器とからなり、レーザ発振器が発生した直線偏光の光の強度を光子１個程度にして出力する。エルミートモード生成素子12は例えばホログラムで構成されており、光源11から出力された光よりエルミートガウスモードの光を生成する。エルミートモード変換素子13はダブプリズムで構成されており、エルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードのパターンを変換する。すなわち、エルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードが横並びのパターンであれば縦並びのパターンに変換し、逆にエルミートモード生成素子12が生成したエルミートガウスモードが縦並びのパターンであれば横並びのパターンに変換する。１／２波長板14は直線偏光の方向を横から縦または縦から横に変換する。１／４波長板15は直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換する。π／２モードコンバータ16は円筒レンズで構成されており、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換し、ラゲールガウスモードの光をエルミートガウスモードの光に変換する。エルミートモード変換素子13、１／２波長板14、１／４波長板15、およびπ／２モードコンバータ16のオン／オフの組み合わせにより、直線偏光（横、縦）または円偏光（左回り、右回り）、およびエルミートガウスモード（横並び、縦並び）またはラゲールガウスモード（左回り、右回り）の光を伝送路３へ送出することができる。
【００１４】
図２に示すように、送信装置１は、光子１個について、偏光状態により１ビット、横モードにより１ビットのエンコードを行う。すなわち、図２（ａ）に示すように、偏光については、直線偏光の場合、横偏光を”０”、縦偏光を”１”とし、円偏光の場合、左回り円偏光を”０”、右回り円偏光を”１”とする。また、横モードについては、エルミートガウスモードの場合、横並びを”０”、縦並びを”１”とし、ラゲールガウスモードの場合、左回りを”０”、右回りを”１”とする。
【００１５】
図３および図４は、送信装置１により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。ここでは、光源11が横偏光の光子を発生し、エルミートモード生成素子12が横並びエルミートガウスモードの光子を生成し、エルミートモード変換素子13が横並びを縦並びに変換する構成を採用する。また１／２波長板14は横偏光を縦偏光に変換し、１／４波長板15は横偏光を左回り円偏光に、縦偏光を右回り円偏光に変換し、π／２モードコンバータ16は横並びエルミートガウスモードを左回りラゲールガウスモードに、縦並びエルミートガウスモードを右回りラゲールガウスモードに変換する構成を採用する。
【００１６】
上記構成の送信装置１において、光源11から出力される横偏光の光子はエルミートモード生成素子12に入力され、横偏光であり、かつ横並びのエルミートガウスモード（横偏光・横並びエルミートガウスモード）の光子となる。この光子はエルミートモード変換素子13がオンのときには縦偏光・縦並びエルミートガウスモードに変換され、エルミートモード変換素子13がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／２波長板14の方向へ進む。ここで、エルミートモード変換素子13はダブプリズムであるため、エルミートガウスモードの並びだけでなく直線偏光の方向も変化する。
【００１７】
図３は横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板14の入力側からπ／２モードコンバータ16の出力側まで進む間に変化する様子を示し、図４は縦偏光・縦並びエルミートガウスモードの光子が１／２波長板14の入力側からπ／２モードコンバータ16の出力側まで進む間に変化する様子を示す。
【００１８】
図３に示すように、横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／２波長板14がオンのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／２波長板14がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、１／４波長板15の方向へ進む。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板15がオンのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板15がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ16の方向へ進む。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、１／４波長板15がオンのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードに変換され、１／４波長板15がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモードのまま、π／２モードコンバータ16の方向へ進む。
【００１９】
右回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには右回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには縦偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”１０”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには縦偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”１０”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。左回り円偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには左回り円偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには左回り円偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子は、π／２モードコンバータ16がオンのときには横偏光・左回りラゲールガウスモード（＝”００”）に変換され、π／２モードコンバータ16がオフのときには横偏光・横並びエルミートガウスモード（＝”００”）のまま、送信装置１から伝送路３へ送出される。
【００２０】
図４の場合も同様に、π／２モードコンバータ16の出力として、左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、左回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、横偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”０１”）、横偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”０１”）、右回り円偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、右回り円偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・右回りラゲールガウスモード（＝”１１”）、縦偏光・縦並びエルミートガウスモード（＝”１１”）からなる８通りの組み合わせが得られる。
【００２１】
受信装置２は、伝送路３から入力された光の光路に対して挿脱可能な１／４波長板21と、伝送路３から入力された光の光路における１／４波長板21の下流に配置された偏光ビームスプリッタ22と、偏光ビームスプリッタ22の透過光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ23と、偏光ビームスプリッタ22の反射光の光路に対して挿脱可能なπ／２モードコンバータ24と、偏光ビームスプリッタ22の透過光の光路におけるπ／２モードコンバータ23の下流に配置されたハーフミラー25と、ハーフミラー25の透過光の光路に配置されたミラー26と、ハーフミラー25の反射光の光路に配置されたミラー27と、ミラー27の反射光の光路に配置されたミラー28と、ミラー26の反射光の光路に配置された光路長調整部材29と、光路長調整部材29の透過光の光路であり、かつミラー28の反射光の光路に配置されたハーフミラー30と、偏光ビームスプリッタ22の反射光の光路におけるπ／２モードコンバータ24の下流に配置されたハーフミラー31と、ハーフミラー31の透過光の光路に配置されたミラー32と、ハーフミラー31の反射光の光路に配置されたミラー33と、ミラー33の反射光の光路に配置されたミラー34と、ミラー32の反射光の光路に配置された光路長調整部材35と、光路長調整部材35の透過光の光路であり、かつミラー34の反射光の光路に配置されたハーフミラー36とを具備する。
【００２２】
光路長調整部材29を透過しハーフミラー30を透過した光と、ミラー28で反射されハーフミラー30で反射された光とが出力＃１となり、光路長調整部材29を透過しハーフミラー30で反射された光と、ミラー28で反射されハーフミラー30を透過した光とが出力＃２となる。また、光路長調整部材35を透過しハーフミラー36を透過した光と、ミラー34で反射されハーフミラー36で反射された光とが出力＃３となり、光路長調整部材35を透過しハーフミラー36で反射された光と、ミラー34で反射されハーフミラー36を透過した光とが出力＃４となる。光路長調整部材29および35はガラス板で構成されている。
【００２３】
この受信装置２において、ハーフミラー25、ミラー26〜28、光路長調整部材29、およびハーフミラー30からなる第１の検出部と、ハーフミラー31、ミラー32〜34、光路長調整部材35、およびハーフミラー36からなる第２の検出部とは、いずれもマッハツェンダー干渉計の一方の光路にミラーを１枚追加した構成を有している。そして、横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合は出力＃１のみで検知され、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合、出力＃２のみで検知される。つまり、直線偏光の方向が指定されている場合、横並びエルミートガウスモードと縦並びエルミートガウスモードとを分離することができる。
【００２４】
この点について説明する。縦偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは横偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射した場合、透過光と反射光とに分かれる。そして、反射光については位相が９０度変化する。透過光はミラー26で反射され、光路長調整部材29を経てハーフミラー30に入射する。ハーフミラー25の反射光はミラー27およびミラー28で反射され、ハーフミラー30に入射する。ハーフミラー30においては、光路長調整部材29の側から入射した光の透過光とミラー28の側から入射した光の反射光とが合成され、出力＃１となる。ここで、光路長調整部材29がハーフミラー25からハーフミラー30までの二つの光路の光路長を等しくするように設定されている場合、合成される二つの光は位相が１８０度異なるので相殺されてしまい、出力は現れない。これに対して、光路長調整部材29の側から入射した光の反射光とミラー28の側から入射した光の透過光とが合成される出力＃２については、合成される二つの光は位相が一致するので出力が現れる。横偏光・縦並びエルミートガウスモードまたは縦偏光・横並びエルミートガウスモードの光子がハーフミラー25に入射した場合は、ミラーで反射する毎に位相が反転するため、縦偏光・縦並びエルミートガウスモードや横偏光・横並びエルミートガウスモードの場合とは逆に出力＃１から光が検知され、出力＃２からは検知されない。第２の検出部についても同様である。ラゲールガウスモードの光子がハーフミラー25に入射された場合は、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃２で検知されることになり確定しない。
【００２５】
以上のように構成された量子暗号通信システムの動作について説明する。図５は図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【００２６】
送信者は送信装置１を用いて図５の最上段に示す乱数表を送るものとする。ここで、送信者と受信者は、予め図２に示した割当で光子をエンコードすることを事前に決めておく。
【００２７】
送信者は、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。そして、図２で示した割当に従って信号を送る。図５では、”０１”を送るので、最初の”０”を偏光で、次の”１”を横モードで送るとすると、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子を１個送ることになる。
受信者も、受信方法として、偏光については直線偏光または円偏光のいずれか、横モードについてはエルミートガウスモードまたはラゲールガウスモードのいずれかを選択する。図５の先頭の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードが選ばれている。
【００２８】
ここで、受信装置２において、１／４波長板21は右回り円偏光が入射されたときは縦偏光に変換し、左回り円偏光が入射されたときは横偏光に変換する。また、縦偏光が入射されたときは左回り円偏光に変換し、横偏光が入射されたときは右回り円偏光に変換する。そして、受信者は、直線偏光を選ぶときは１／４波長板21をオフにし、円偏光を選ぶときは１／４波長板21をオンにする。偏光ビームスプリッタ22は、直線偏光が入射されたときは横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。また、偏光ビームスプリッタ22は、円偏光が入射されたときは５０％ずつの確率で横偏光を透過させ、縦偏光を反射させる。π／２モードコンバータ23、24は、右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。また、π／２モードコンバータ23、24は、縦並びエルミートガウスモードが入射されたときは左回りラゲールガウスモードに変換し、横並びエルミートガウスモードが入射されたときは右回りラゲールガウスモードに変換する。右回りラゲールガウスモードが入射されたときは縦並びエルミートガウスモードに変換し、左回りラゲールガウスモードが入射されたときは横並びエルミートガウスモードに変換する。そして、受信者は、エルミートガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ23、24をオフにし、ラゲールガウスモードを選ぶときはπ／２モードコンバータ23、24をオンにする。これにより、送信者の送信方法と受信者の受信方法とが一致した場合には、出力＃１から光子が検知されたときは”０１”、出力＃２から光子が検知されたときは”００”、出力＃３から光子が検知されたときは”１０”、出力＃４から光子が検知されたときは”１１”であると判定することができる。
【００２９】
受信装置２に入力された”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22を透過し、ハーフミラー25から第１の検出部へ入力される。第１の検出部は、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”の光子が入力されたときは、出力＃１のみで検知され”０１”と確定する。
【００３０】
送信者は、送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送る。図５の２番目の２ビットについては、直線偏光およびラゲールガウスモードを選び、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子により”１１”を送っている。これに対して、受信者は円偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の光子は、１／４波長板21を透過して”左回り円偏光・右回りラゲールガウスモード”となり、偏光ビームスプリッタ22で５０％ずつの確率で”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光と”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・右回りラゲールガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力され、出力＃１で検出される。また、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ24により、”縦偏光・縦並びエルミートガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力され、出力＃4 で検出される。つまり、５０％ずつの確率で出力＃１または出力＃4 で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３１】
３番目の２ビットについては、円偏光およびエルミートガウスモードを選び、”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”１０”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”右回り円偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22で５０％ずつの確率で”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光と”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光とに分かれる。”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の透過光は、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。”縦偏光・横並びエルミートガウスモード”の反射光は、π／２モードコンバータ24により、”縦偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第２の検出部に入力される。このため、２５％ずつの確率で出力＃１〜＃４で検知されることになり、”００”，”０１”，”１０”，”１１”のいずれとも確定しない。
【００３２】
４番目の２ビットについては、直線偏光およびエルミートガウスモードを選び、”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子により”００”を送っている。これに対して、受信者は直線偏光およびラゲールガウスモードを選択している。この結果、受信装置２に入力された”横偏光・横並びエルミートガウスモード”の光子は、偏光ビームスプリッタ22を透過し、π／２モードコンバータ23により、”横偏光・右回りラゲールガウスモード”に変換され、第１の検出部に入力される。このため、５０％ずつの確率で出力＃１、＃２で検知されることになり、”０１”か”００”か確定しない。
【００３３】
以下、送信者は送信方法をランダムに変更し、引き続き２ビットずつ信号を送り、受信者も受信方法をランダムに変更し、受信する。
【００３４】
全ての信号を送信した後に、送信者と受信者は送信方法と受信方法を開示する。そして、送信方法と受信方法とが、偏光および横モード共に一致した光子の情報だけを残し、他は捨てる。送信した乱数表のデータ量が十分大きければ、残った部分を暗号の秘密鍵として使用することができる。残った部分の一部はそのビット情報も開示して比較する。もし、一致していなければ盗聴者がいることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、乱数を２ビット毎に送るものとしたが、例えば偏光で送るビット値はパリティとし、乱数については１ビット毎に送るように構成することもできる。また、以上の説明では、２ビットの内前の１ビットを偏光で送り、後の１ビットを横モードで送るようにしたが、順序を逆にしても良い。さらに、送信装置１における、エルミートモード生成素子12乃至π／２モードコンバータ16の配置は前記した順序以外の順序でも良いし、レーザ発振器の出力を光子１個まで減衰させる光減衰器の配置も前記した位置以外でも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、１つの光子で２ビットの情報伝送が可能な量子暗号通信方法、ならびにその通信方法に用いて好適な横モード分離装置および受信装置を提供することができる。そして、本発明によれば、１つの光子の偏光と横モードにより情報伝送を行うので、盗聴に対する安全性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子暗号通信方法を実施するための量子暗号通信システムの構成例を示す図である。
【図２】光子をエンコードするための偏光と横モードの割当を示す図である。
【図３】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図４】図１の送信装置により図２の各信号を発生する方法を説明するための図である。
【図５】図１のシステムの送信側と受信側の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 送信装置
２ 受信装置
３ 伝送路
11 光源
12 エルミートモード生成素子
13 エルミートモード変換素子
14 １／２波長板
15、21 １／４波長板
16、23、24 π／２モードコンバータ
22 偏光ビームスプリッタ
25、30、31、36 ハーフミラー
26〜28、32〜34 ミラー
Claims (3)
- ２ビットの情報を載せた単一光子を送出する送信装置と、単一光子を受信して２ビットの情報を取り出す受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを結ぶ光伝送路とを具備する量子暗号通信装置であって、前記送信装置は、直線偏光の単一光子を発生する光源と、前記光源からの単一光子からエルミートガウスモードの単一光子を生成するエルミートモード生成素子と、直線偏光の方向と円偏光の回転方向のいずれかをランダムに選択して前記単一光子に１ビットのコーディングを行うとともにエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向のいずれかをランダムに選択して前記単一光子に１ビットのコーディングを行うエンコード手段と、前記単一光子を前記光伝送路に送信する送信手段とを備え、前記受信装置は、前記単一光子を受信する受信手段と、受信した単一光子を直線偏光に変換する挿抜可能な受信側（１／４）波長板と、単一光子を直線偏光の向きに応じて振り分ける偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第１（π／２）モードコンバータと、前記偏光ビームスプリッタの反射光をエルミートガウスモードの光に変換する挿抜可能な第２（π／２）モードコンバータと、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第１横モード分離手段と、直線偏光でエルミートガウスモードの単一光子をエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２横モード分離手段と、前記受信側（１／４）波長板と前記第１（π／２）モードコンバータと前記第２（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜することにより決まる受信モードをランダムに設定する手段と、直線偏光の方向と円偏光の回転方向とエルミートガウスモードの配列方向とラゲールガウスモードの回転方向の組合せに応じて前記第１横モード分離手段と前記第２横モード分離手段から出力される光子に基づいて前記単一光子について２ビット毎のデコードを行うデコード手段とを備えることを特徴とする量子暗号通信装置。
- 請求項１記載の量子暗号通信装置における送信装置であって、前記エンコード手段は、前記エルミートモード生成素子が生成したエルミートガウスモードの単一光子のパターンを変換する挿抜可能なエルミートモード変換素子と、直線偏光の方向を変換する挿抜可能な（１／２）波長板と、直線偏光を円偏光に変換する挿抜可能な送信側（１／４）波長板と、エルミートガウスモードの光をラゲールガウスモードの光に変換する挿抜可能な送信側（π／２）モードコンバータと、前記エルミートモード変換素子と前記（１／２）波長板と前記送信側（１／４）波長板と前記送信側（π／２）モードコンバータを選択的に挿抜して単一光子に対して２ビット毎のエンコードを行う手段とを備えることを特徴とする送信装置。
- 請求項１記載の量子暗号通信装置における受信装置であって、前記第１横モード分離手段は、前記偏光ビームスプリッタの透過光または前記第１（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第１ハーフミラーと、前記第１ハーフミラーの透過光を反射する第１ミラーと、前記第１のハーフミラーの反射光を反射する第２ミラーと、前記第２ミラーの反射光を反射する第３ミラーと、前記第１ミラーの反射光の光路長を変える第１光路長調整部材と、前記第１光路長調整部材の透過光と前記第３ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第２ハーフミラーとを備え、前記第２横モード分離手段は、前記偏光ビームスプリッタの反射光または前記第２（π／２）モードコンバータの透過光を分割する第３ハーフミラーと、前記第３ハーフミラーの透過光を反射する第４ミラーと、前記第３ハーフミラーの反射光を反射する第５ミラーと、前記第５ミラーの反射光を反射する第６ミラーと、前記第４ミラーの反射光の光路長を変える第２光路長調整部材と、前記第２光路長調整部材の透過光と前記第６ミラーの反射光を合成してエルミートガウスモードの横並びの光子と縦並びの光子とに分離する第４ハーフミラーとを備えることを特徴とする受信装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002221447A JP3855001B2 (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002221447A JP3855001B2 (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004064513A JP2004064513A (ja) | 2004-02-26 |
| JP3855001B2 true JP3855001B2 (ja) | 2006-12-06 |
Family
ID=31941754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002221447A Expired - Fee Related JP3855001B2 (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3855001B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100438337C (zh) * | 2004-11-08 | 2008-11-26 | 西南交通大学 | 一种基于Laguerre结构的自适应非线性滤波方法 |
| KR100654426B1 (ko) * | 2005-07-08 | 2006-12-06 | 배재대학교 산학협력단 | 감춰진 편광을 가진 광자 다발들을 이용한 다단계 경로를통한 양자 암호화 방법 |
| US20090041243A1 (en) * | 2006-03-16 | 2009-02-12 | Nec Corporation | Quantum encryption device |
| EP1995907A4 (en) * | 2006-03-16 | 2017-06-21 | NEC Corporation | Quantum encryption transmission system and optical circuit |
| GB2451268A (en) * | 2007-07-25 | 2009-01-28 | Fujitsu Ltd | Quantum key distribution system based on accumulation of geometric phase through transformation of a modal state |
| JP5402567B2 (ja) * | 2009-11-25 | 2014-01-29 | セイコーエプソン株式会社 | 画像表示装置 |
| JP6182098B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2017-08-16 | Kddi株式会社 | モード分離装置、モード多重装置、モード分離システム及びモード多重システム |
| JP6284461B2 (ja) * | 2014-09-17 | 2018-02-28 | Kddi株式会社 | モード分離装置、モード多重装置、モード分離システム及びモード多重システム |
| US11965831B2 (en) | 2018-03-01 | 2024-04-23 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Methods and systems for stimulated emission depletion microscopy |
| CN109061876B (zh) * | 2018-07-31 | 2020-11-17 | 西安理工大学 | 一种利用相位奇点判断拓扑荷数的方法 |
| CN113485023B (zh) * | 2021-07-06 | 2022-08-26 | 上海国科航星量子科技有限公司 | 一种基于指向镜的偏振保持光路系统 |
-
2002
- 2002-07-30 JP JP2002221447A patent/JP3855001B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004064513A (ja) | 2004-02-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7616765B2 (en) | Method and system for generating shared information | |
| CN106161009B (zh) | 基于时间-相位编码的量子密钥分发系统 | |
| US7864958B2 (en) | Quantum key distribution method and apparatus | |
| US7471793B2 (en) | Method and apparatus for use in encrypted communication | |
| US8265279B2 (en) | Polarization coding quantum cryptography system | |
| JP3855001B2 (ja) | 量子暗号通信方法、横モード分離装置、および受信装置 | |
| CZ295335B6 (cs) | Způsob komunikace mezi stanicemi, používající interferometrický systém pro kvantové šifrování, systém a stanice k provádění tohoto způsobu | |
| CN110635902B (zh) | 一种基于色散键控同步的混沌密钥分发系统及方法 | |
| CN110880970A (zh) | 基于指示单光子源与轨道角动量的量子密钥分配方法 | |
| CN111130779A (zh) | 一种实时跟踪补偿的oam纠缠调制密钥分发网络系统和方法 | |
| US7492903B2 (en) | Secret key distribution method and secret key distribution system | |
| CN110601829B (zh) | 一种高速混沌密钥安全分发系统及方法 | |
| US11290192B2 (en) | Quantum communication methods and systems for mitigating the detector dead time of photon detectors | |
| CN110768794A (zh) | 基于标记配对相干态和量子存储的量子密钥分配方法 | |
| CN110620655A (zh) | 一种偏振复用双向量子密钥分发方法与系统 | |
| CN111565102B (zh) | 一种基于自由空间的量子密钥分发系统 | |
| KR101965184B1 (ko) | 경로중첩을 이용한 양자보안 직접통신 장치 및 방법 | |
| CN210839604U (zh) | 一种m-z型oam纠缠调制密钥分发系统 | |
| EP4062580B1 (en) | Quantum bit decoding apparatus, system and method | |
| US7403713B2 (en) | Quantum source coding apparatus and quantum information communication system | |
| WO2006074153A2 (en) | Single-particle quantum-enhanced secret sharing | |
| JPH10322329A (ja) | 量子暗号の構成方法 | |
| Mitsumori et al. | Experimental demonstration of quantum source coding | |
| KR20220028633A (ko) | 수동소자에 기반하는 양자 암호키 분배를 위한 수신장치 | |
| CN110460434A (zh) | 时间相位解码装置和包括其的量子密钥分发系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050408 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20050408 |
|
| A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20050620 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060523 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060616 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060718 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060720 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130922 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |