JP4038783B2 - 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 - Google Patents
量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4038783B2 JP4038783B2 JP27014998A JP27014998A JP4038783B2 JP 4038783 B2 JP4038783 B2 JP 4038783B2 JP 27014998 A JP27014998 A JP 27014998A JP 27014998 A JP27014998 A JP 27014998A JP 4038783 B2 JP4038783 B2 JP 4038783B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase modulation
- signal
- light
- transmission signal
- beam splitter
- 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
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/70—Photonic quantum communication
-
- 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
- H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は通信の安全性を確保するための秘密鍵の配布に利用し、特に伝送信号の量子力学的な状態を測定し、実質的に高い量子効率で伝送信号の検出をするための量子暗号通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
通信の安全性を確保するための従来の暗号技術には、正規の通信者のみが知っている共通の秘密鍵を用いる秘密鍵暗号方式と、秘密鍵と公開鍵という一対の鍵を用いる公開鍵暗号方式とがある。
公開鍵暗号方式の暗号は、その秘蔵性を、例えば非常に大きな正数の因数分解が計算困難であるといったことに依っているが、計算機の性能の進歩やネットワークを使った分散処理の発達等によりその安全性は必ずしも万全とはいえない。
【0003】
これに対して、正規の通信者のみが知っている秘密鍵を送り手と受け手のみで共有することができれば絶対的に安全な通信が可能になる。このような中で秘密鍵の配布方法の秘蔵性を量子力学の原理にもとめる通信方法である量子暗号が提案されている(J.Cryptology、5、3−28(1992)C.H.Bennett etal)。
【0004】
量子力学の原理によれば、測定行為は必然的に被測定対象に擾乱を与えるので、盗聴者による盗聴の試みは必ず信号に変化を与える。
したがって、信号の変化を監視することにより盗聴者の存在を暴くことができる。つまり、量子暗号を用いると距離的に離れた2点間で秘蔵性の非常に高い秘密鍵を共有することができる。従来の量子暗号は伝送信号の担い手として光を用い、かつ、光の検出に光子計数法を用いている。光子計数法とは1個以上の光子が検出器に入射したとき、ある確率(量子効率という)で電気パルスが発生する光の検出方法である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の方法では、光の検出に光子計数法を用いているため、そのことに起因する原理的及び技術的な解決すべき課題がある。
まず、原理的な課題は、伝送された後の信号の量子力学的な状態を調べることが出来ないので、盗聴者が量子非破壊測定等の高度な手段をとった場合、それを検知することができない。すなわち、盗聴者が光子数の情報を信号の光子数に変化を与えずに読み出すことが可能なので(測定の影響は位相の変化に現れる)、伝送後の光子数のみを測定していても盗聴に気がつかないことになる。
【0006】
さらに技術的な課題として、光通信で通常用いられる1.3μmや1.5μmの光に対して、高い量子効率を有する検出器が現存しないことがある。検出の際の損失はデータの転送レートを低下させるだけでなく、原理的には盗聴者による盗聴の試みと区別できない。
【0007】
そこで、本発明は伝送信号の量子力学的な状態の測定が可能になるとともに、実質的に高い量子効率で伝送信号の検出が可能な量子暗号通信システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の量子暗号通信システムは、送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割する第1のビームスプリッターと、伝送信号に位相変調を与える第1の位相変調手段と、この伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、を備え、受信側に、参照信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、位相変調した微弱な伝送信号と位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせて出力する第2のビームスプリッターと、第2のビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第1及び第2の光電変換素子と、第1及び第2の光電変換素子の差信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを備え、増幅器の出力電圧から正負のしきい値を基準に伝送信号に与えた位相変調を判別することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、増幅器からの出力電圧の頻度分布がガウス関数に従っているか否かで、盗聴の存在を判断する。第1の位相変調手段と第2の位相変調手段とが、ランダムな位相変調と予め定められた位相変調とを交互に繰り返し行ない、実際に測定される差信号の平均値から相対的な光路差の変動を見積もることで、外的な要因による参照信号と伝送信号との光路差の変動を補正する。参照信号と伝送信号とを時間及び偏光状態で分離して同一の経路を伝送する。
【0009】
本発明の量子暗号通信システムは、送信側と受信側とが光ファイバーで接続され、送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割するビームスプリッターと、ビームスプリッターからの一方の光を伝送信号としてその光を偏光させる第1の偏光素子と、第1の偏光素子からの伝送信号を量子力学的な状態で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、この減衰した伝送信号に所定の位相変調を与える第1の位相変調手段と、ビームスプリッターからの他方の光を参照信号としてその強度のままで第1の位相変調手段で位相変調が与えられた伝送信号と同一の光軸に戻す第1の偏光ビームスプリッターと、を備え、受信側に、光ファイバーを伝送してきた上記伝送信号及び上記参照信号を分離する第2の偏光ビームスプリッターと、この分離した伝送信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、第2の偏光ビームスプリッターで分離した参照信号を偏光する第2の偏光素子と、第2の位相変調手段で位相変調された伝送信号と第2の偏光素子で偏光された参照信号とを時間及び偏光状態が一致するよう重ね合わせて出力する無偏光ビームスプリッターと、この無偏光ビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第1及び第2のフォトダイオードと、これらの第1及び第2のフォトダイオードの差信号を増幅して電圧を出力する増幅器と、を備え、増幅器の出力電圧からしきい値を基準に上記伝送信号に与えた位相変調を判別することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、光ファイバーの出力側に前記参照信号の偏光の乱れを補正する第3の偏光素子を設ける。光の波長が600nm〜900nmのときシリコンフォトダイオードを用い、光の波長が1000nm〜1500nmのときInGaAsフォトダイオードを用いる。
【0010】
本発明の量子暗号通信方法は、送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割する第1のビームスプリッターと、伝送信号に位相変調を与える第1の位相変調手段と、この伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、を備え、受信側に、参照信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、位相変調した微弱な伝送信号と位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせて出力する第2のビームスプリッターと、この第2のビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第1及び第2の光電変換素子と、第1及び第2の光電変換素子の差信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを備えた量子暗号通信システムを用い、送信側で、第1の位相変調手段で伝送信号に、0度、90度、180度、270度の位相変調をランダムに与え、受信側で、第2の位相変調手段で伝送信号に、0度、90度の何れかのランダムな位相変調を与え、受信側から送信側に、第2の位相変調で0度と90度の何れの位相変調を加えたかについて公衆回線を通じて連絡し、送信側から受信側に対して、受信側と送信側との位相変調の合計が0度か180度の何れかのものについて秘密鍵として通知し、受信側で、増幅器での差信号の測定結果が予め定めたしきい値X+以上であれば位相差が0度であり、しきい値X−以下であれば位相差が180度であると判断し、秘密鍵とすることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は本発明による量子暗号通信システムの第1の実施形態の模式図である。
図1を参照して本実施形態を説明すると、この量子暗号通信システムは送信者の装置10、伝送路14,16及び受信者の装置12からなり、送信者の装置10は、レーザー光源1と、ビームスプリッター2と、鏡3と、光減衰器4とを備えている。
レーザー光源1から出た光は、ビームスプリッター2で参照光Lと信号光Sとに分割される。信号光Sを反射する鏡3は光の波長程度の微少な距離の移動が可能で信号光Sの位相を変化させる。
【0017】
信号光Sは光減衰器4により強度が減少し、典型的な強度が光子1個程度となるようにし、量子力学的な状態変化を検出できる微弱な信号にしている。
参照光Lの典型的な強度は光子1千万個程度であり、信号光Sと参照光Lの強度は著しく異なるように調節されている。
したがって、参照光Lの光の強度が信号光Sの光の強度よりも著しく大きいため、高効率の検出が可能になるとともに、信号光Sの量子状態の測定が可能になる。
【0018】
受信者の装置12は、光の波長程度の微少な距離の移動が可能な鏡5と、光の透過率と反射率とが等しいビームスプリッター6と、フォトダイオード7a,7bと、増幅器及び電圧測定器8とを備えている。
受信者は鏡5を移動することにより参照光Lと信号光Sとの相対的な位相差を変化させたあと、ビームスプリッター6上で2つの光を重ね合わせる。ビームスプリッター6からの2つの出力光はフォトダイオード7a,7bによりそれぞれ電気信号に変換する。さらに、その差信号を増幅し電圧を測定する。増幅器8にはチャージセンシティブアンプを用い、その典型的な利得は30V/pC(ピコクーロン)なので、差信号に1万個の電子が含まれているときの出力電圧は50mV程度となる。
【0019】
フォトダイオードとしては波長が600〜900nmの光に対してはSiを、波長が1000〜1500nmの光に対してはInGaAsを使用すれば量子効率90%以上、最適な場合では99%以上の量子効率を実現できる。つまり、最適な場合、参照光Lの強度が強いということから例えば1万個の光子を9900個以上の電子に変換し、その電子数を十分にS/N比で測定することが可能である。
【0020】
次に受信者の信号処理について説明する。以下の説明では簡単のためフォトダイオードの量子効率を100%とし、また増幅器の雑音は無視できるとした。
図1を参照して、信号光Sと参照光Lはビームスプリッター2で分割された後、別の経路を通りビームスプリッター6上で重なり合うので、2つの経路の光路差により干渉を起こす。
ただし、2つの光の強度が著しく異なるので干渉稿の明瞭度は低い。
【0021】
図2は信号光の量子状態の揺らぎを考慮しない場合の受信者側の測定信号の模式図であり、(a)は参照光と信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイオードに入射する光子数との関係図であり、挿入図は光路差がゼロ付近の拡大図である。図2(b)は参照光と信号光との差信号を示す図である。
【0022】
図2(a)に示すように、ビームスプリッター6は信号光Sがないときに参照光Lを1対1に分割するよう調整するので、2つのフォトダイオード7a,7bに入射する光子数は共に参照光Lの光子数n0 の半分程度である。それを中心として2つの経路の相対的な光路差に応じて微少な干渉稿が現れる。干渉稿の強弱は2つのフォトダイオード7a,7bで逆位相なので、両者の差信号をとると、図2(b)に示すように干渉稿の部分のみを取り出すことができる。このとき干渉稿の振幅は信号光Sの光子数n1 と参照光Lの光子数n0 の積の平方根の2倍、すなわち2√n1 √n0 である。なお、信号光Sと参照孔Lの振幅は強度の平方根、つまり√n1 と√n0 であり、フォトダイオード7aとフォトダイオード7bとの差の最大値は{(√n1 +√n0 )2 /2−(√n1 −√n0 )2 /2}=2√n1 √n0 となる。
【0023】
さらに上述したのは多数回の平均値であり、1回ごとの差信号の測定結果には信号光Sの量子揺らぎにより標準偏差√n0 の揺らぎが存在する。
図3は信号光の量子状態の揺らぎを考慮した場合の受信者側の測定信号の模式図であり、(a)は光路差が0度の場合、(b)は光路差が90度(λ/4)の場合、(c)は光路差が180度(λ/2)の場合、(d)は光路差が270度(3λ/4)の場合であり、それぞれ横軸は差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出される確率を示す。
なおλは光の波長を示し、横軸は差信号を2√n0 で割って規格化してある。
【0024】
図3(a)に示すように、信号光Sと参照光Lとの相対的な光路差が0度の場合、信号光Sが平均光子数1のコヒーレント状態の場合に得られる差信号の頻度分布は平均値が1で、標準偏差が0.5のガウス分布となる。図3の(b)〜(d)の場合は、それぞれ0,−1,0となる。
したがって、量子暗号を実行するためには、受信者は1回ごとの測定について光路差が0度であったのか、あるいは180度であったのかを差信号の測定結果から判断することが可能になる。つまり、図3の(a)と(c)とを区別すればよいので、しきい値X−、X+を定めて、差信号がX+以上であれば0度、X−以下であれば180度と判断することができる。
【0025】
このようにX−とX+とを設定することにより実効的な検出効率と誤り率を自由に設定できる。例えば図3のn1 =1の場合に、X−=X+=0とすると、光路差が0度のときに0度と判断する確率(実効的な検出確率)は、ガウス分布を{(平均値)−(標準偏差の2倍)}から無限大まで積分すればよいので、97.7%となる。逆に光路差が180度であるのに0度と判断してしまう確率(誤り率)はガウス分布を{(平均値)+(標準偏差の2倍)}から無限大まで積分したものなので2.28%となる。またX−=−0.5、X+=0.5とすると、同様の計算により実効的な検出確率が84.1%まで低下するが、誤り率が0.13%と非常に小さくなり、従来より優れた性能が得られる。
【0026】
図4は第1の実施形態の測定結果の例であり、(a)は5000回測定したときの差信号の頻度分布図であり、横軸は実際の測定電圧である。(b)は(a)のような測定を30回行って得たデータから計算機トモグラフィーにより求めた信号光のウィグナー分布関数の図である。ウィグナー分布関数は信号光の量子状態の表現方法の一つであり、ウィグナー分布関数が得られたことは信号光の量子状態の測定が実際に可能であることを示している。
本実施形態の測定では5000個の光パルスに対して差信号の電圧値を測定し頻度分布を求めたものであり、図4(a)に示すように頻度分布はガウス関数に従っている。なお、図4(a)の横軸は実際の測定電圧であるので、分布の幅を図3の場合と直接比較するには、増幅器の利得と参照光の強度を使って補正する必要がある。
このような補正をすれば、測定された分布の幅(差信号の揺らぎの大きさ)は量子揺らぎで予測される幅と一致することが確かめられる。
【0027】
図4(b)は光路差を変化させながら5000回の測定を30組、計15万パルス分のデータから求めたウィグナー分布関数である。
このように本発明の第1の実施形態では、光路差を変化させながら測定を行うことにより、信号光の量子力学的な状態の測定が可能である。ウィグナー分布関数は信号光について理論上知りうる全ての情報を含んでいるので、盗聴者の存在による信号光の変化を、より簡単に見いだすことが可能になる。
【0028】
次に量子暗号の手順について説明する。
図5は本発明による量子暗号の手順を示す表であり、左欄の1は送信者の位相変調、2は受信者の位相変調、3は送信者と受信者の位相変調の合計、4は受信者の測定結果、5は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に公衆回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、0度又は180度のとき○を、90度又は270度のとき×を受信者に通知したこと、6は受信者が+にビット1を、−にビット0を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵としたこと、7は送信者が自分の位相変調が、0度又は90度のときはビット1を、180度又は270度のときはビット0を当てはめ秘密鍵としたことを示す。なお、ここでは簡単のため誤り率を0とする。
【0029】
まず送信者は図1中の鏡3を制御することにより、0度、90度、180度及び270度の位相の変化をランダムに信号光に加える(図5の左欄1)。一方受信者は鏡5により、0度又は90度のランダムな位相変化を参照光に加える(同左欄2)。このとき合計の光路差は送信者と受信者の位相変調の差となる(同左欄3)。
さらに受信者は測定結果に対して上述したX−、X+の設定に従い、差信号がX−以下であれば「−」を、X+以上であれば「+」を割り当てる(同左欄4)。このとき左欄3が0度のときは必ず+、180度のときは−、90度と270度のときは+と−とが等確率で現れる(同左欄4)。
【0030】
次に受信者はビットが0か1であった場合について、0度と90度のどちらの位相変調を加えたかを例えば公衆回線を通じて送信者に連絡する(同左欄5)。
送信者は合計の光路差が0度か180度であったものについて、秘密鍵として採用することを受信者に連絡する。すなわち、送信者は位相変調の合計が0度又は180度のとき○を、90度又は270度のとき×を受信者に通知する(同左欄5)。
受信者は+にビット1を、−にビット0を、○となった場合につき当てはめ秘密鍵とする(同左欄6)。
そして送信者は自分の加えた位相変調が0度と90度のものはビット1を、180度と270度のものはビット0を当てはめ秘密鍵とする(同左欄7)。
図5で示すように、このようにして生成された秘密鍵は送信者と受信者とで必ず一致する。
【0031】
次に盗聴を知る方法を説明する。
量子的な測定は対象に必ず影響を及ぼすという原理により、第三者による盗聴の試みは伝送信号に必ず変化を与えるので、送信者と受信者とに気づかれずに第三者がこの秘密鍵を知ることは不可能である。
具体的な信号の変化は盗聴者がどのような手段をとるかに依存する。例えば盗聴者がいったん信号光を遮って情報を読み取り、受信者に信号を再送するという手段をとった場合、盗聴者の情報の読み取りに上述した受信者と同じ測定を行うとすると、誤った位相変調のときには(送信者の位相変調との合計が90度や270度のとき)送信者の位相変調を知ることができず、受信者に正しい信号を再送することができない。
【0032】
一般に互いに90度離れた振幅成分の両方の情報を得ることは不確定性関係により不可能であるので、盗聴者がどのような手段で情報を読み取るとしても正しい情報は得られず、必ず誤り率の増加となって現れる。すなわち、送信者と受信者の秘密鍵が一致しない。例えば盗聴者が信号光をいったん遮って再送するという手段をとった場合は、不適切な位相変調を行う確率1/2と誤った信号を再送する確率1/2を掛け合わせた確率1/4で、送信者と受信者との秘密鍵が一致しない。
したがって、秘密鍵の一部を照らし合わせることにより盗聴者の存在を検出することができる。
【0033】
また信号光の一部を分離して測定して情報を部分的に得て、分離したことによる損失を増幅によって補うという盗聴手段の場合、従来の量子暗号では低い量子効率と相まって検出が困難であったが、本発明の場合ではウィグナー分布関数の変化となって現れるので受信者は直ぐ気付くことになる。これは増幅過程が量子揺らぎの増減を必ず伴うので、図4(a)のような測定結果において分散の増減となって現れ、ウィグナー分布関数もピーク値のまわりの分布が全体的に太くなったり非対称となり、また盗聴者が確定的な情報を得た場合のみ増幅する盗聴手段をとった場合には、ピーク値をとるX1 、X2 の値も変化することになるからである。
【0034】
次に第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、伝送路として1本の光ファイバーを用いることを想定しており、上述した第1の実施形態のままでは困難である長距離の量子暗号を可能にするための実装である。そのために参照光と信号光とを時間及び偏光状態で分離し、同一の経路を伝送させるようにしたものであり、受信者の信号処理や量子暗号の手順は上述した第1の実施形態と同様である。
ただし、送信者と受信者との位相変調に量子暗号の手続に加え、別に予め定めた位相変調を与えることにより、光路差の安定性の改善と量子状態のモニターのための操作を加えている。
【0035】
安定性の改善は、予め定めた位相変調の場合に予測される差信号と実際に測定される差信号との比較により行う。量子状態のモニターは一様に変化する位相変調を予め定めた位相変調として与えることにより実行できる。
【0036】
図6は第2の実施形態の量子暗号装置の模式図である。
図6を参照すると、第2の実施形態は送信者側に、直線偏光のパルス光を発生するレーザー光源21と、このパルス光を2つに分割するビームスプリッター22と、一方の経路の光、これを信号光として、信号光Sの偏光を90度回転する半波長板24と、吸収媒質により信号光Sの強度を弱くする光減衰器25と、信号光Sの位相を変化させる位相変調器26と、他方の経路の光、これを参照光Lとして、この参照光Lと信号光Sとを同一光軸上に戻す偏光ビームスプリッター23とを備え、参照光Lと信号光Sとを光ファイバー27に入射するようになっている。このとき信号光Sと参照光Lとは互いに偏光が直交しており、かつ、時間的に離れた状態となっている。なお、図6中の18,19は鏡を示す。
【0037】
光ファイバー27の出力側には光ファイバー伝送中の偏光の乱れを補正する偏光素子28が設けられている。本発明では参照光Lの強度が強いので、この参照光Lを用いて補正を行っている。
受信者側には、信号光Sと参照光Lとを分離する偏光ビームスプリッター29と、先ほどとは逆に距離的に短い経路を通し途中で位相変化を信号光Sに与える位相変調器30と、長い経路を通して参照光Lの偏光を90度回転する半波長板31と、参照光Lと信号光Sとを時間的及び偏光方向も一致させる無偏光ビームスプリッター32とを備え、この無偏光ビームスプリッター32からの参照光Lと信号光Sとをそれぞれフォトダイオード33a、33bにより電気信号に変化し、その差信号を増幅器及び電圧測定器35で増幅し、電圧を測定するようになっている。なお、図6中の38,39は鏡を示す。
【0038】
このような構成により、信号光Sと参照光Lとが異なる経路を進むのは送信者と受信者側の短い距離だけで、大部分の伝送路は同一の経路を進むので、2つの光の相対的な光路差の変動を小さくすることができる。
【0039】
さらに相対的な光路差の変動の影響を除くために予め定めた位相変調とランダムな位相変調とを与える。
図7は本発明にかかる第2の実施形態に位相変調を与えるタイミングチャートである。
図7を参照して、送信者側Aは0度の位相変調と、第1の実施形態のランダムな位相変調を交互に繰り返す。一方、受信者側は0度から始まって単調に増加する位相変調と、第1の実施形態のランダムな位相変調を繰り返す。予め定めた位相変調の場合は差信号の平均値が予測できるので、逆に実際に測定される差信号の平均値から相対的な光路差の変動を見積もることができる。
【0040】
したがって、たとえ外的な要因による相対的な光路差の変動があったとしても、その効果を打ち消すように補正することが可能になる。
さらにいろいろな位相での差信号のデータから計算機トモグラフィーにより信号光の量子状態が得られる。
したがって、光路差の変動の補正と量子状態の測定を両方を同時に行うことが可能になる。
【0041】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の量子暗号通信システムでは、伝送信号の量子力学的な状態の測定ができるとともに、実質的に高い量子効率で伝送信号の検出ができるという効果を有する。
したがって、第三者の盗聴が不可能な量子暗号通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による量子暗号通信システムの第1の実施形態の模式図である。
【図2】信号光の量子状態の揺らぎを考慮しない場合の受信者側の測定信号の模式図であり、(a)は参照光と信号光の経路の相対的な光路差とフォトダイオードに入射する光子数との関係図であり、挿入図は光路差がゼロ付近の拡大図である。図2(b)は参照光と信号光との差信号を示す図である。
【図3】信号光の量子状態の揺らぎを考慮した場合の受信者側の測定信号の模式図であり、(a)は光路差が0度の場合、(b)は光路差が90度(λ/4)の場合、(c)は光路差が180度(λ/2)の場合、(d)は光路差が270度(3λ/4)の場合であり、それぞれ横軸は差信号の大きさを示し、縦軸はその信号が検出される確率を示す。
【図4】第1の実施形態の測定結果の例であり、(a)は5000回測定したときの差信号の頻度分布図で、横軸は実際の測定電圧である。(b)は(a)のような測定を30回行って得たデータから計算機トモグラフィーにより求めた信号光のウィグナー分布関数の図である。
【図5】本発明による量子暗号の手順を示す図であり、左欄の1は送信者の位相変調、2は受信者の位相変調、3は送信者と受信者の位相変調の合計、4は受信者の測定結果、5は受信者が自分の加えた位相変調を送信者に公衆回線で伝え、送信者が位相変調の合計が、0度又は180度のとき○を、90度又は270度のとき×を受信者に通知したこと、6は受信者が+にビット1を、−にビット0を、○になった場合につき当てはめ秘密鍵としたこと、7は送信者が自分の位相変調が、0度又は90度のときはビット1を、180度又は270度のときはビット0を当てはめ秘密鍵としたことを示す。
【図6】第2の実施形態の量子暗号装置の模式図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に位相変調を与えるタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 レーザー光源
2,6 ビームスプリッター
3,5 鏡
4 光減衰器
7a,7b フォトダイオード
8 増幅器及び電圧測定器
10 送信者の装置
12 受信者の装置
21 レーザー光源
22 ビームスプリッター
23 偏光ビームスプリッター
24 半波長板
25 光減衰器
26 位相変調器
27 光ファイバー
28 偏光素子
29 偏光ビームスプリッター
30 位相変調器
31 半波長板
32 無偏光ビームスプリッター
33a,33b フォトダイオード
Claims (8)
- 送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割する第1のビームスプリッターと、上記伝送信号に位相変調を与える第1の位相変調手段と、この伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、を備え、
受信側に、上記参照信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、上記位相変調した微弱な伝送信号と上記位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせて出力する第2のビームスプリッターと、この第2のビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第1及び第2の光電変換素子と、上記第1及び第2の光電変換素子の差信号を増幅して電圧を出力する増幅器とを備え、
上記増幅器の出力電圧から正負のしきい値を基準に上記伝送信号に与えた位相変調を判別することを特徴とする、量子暗号通信システム。 - 前記増幅器からの出力電圧の頻度分布がガウス関数に従っているか否かで、盗聴の存在を判断することを特徴とする、請求項1に記載の量子暗号通信システム。
- 前記第1の位相変調手段と前記第2の位相変調手段とが、ランダムな位相変調と予め定められた位相変調とを交互に繰り返し行ない、実際に測定される差信号の平均値から相対的な光路差の変動を見積もることで、外的な要因による前記参照信号と前記伝送信号との光路差の変動を補正することを特徴とする、請求項1又は2に記載の量子暗号通信システム。
- 前記参照信号と前記伝送信号とを時間及び偏光状態で分離して同一の経路を伝送したことを特徴とする、請求項1に記載の量子暗号通信システム。
- 送信側と受信側とが光ファイバーで接続され、
送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割するビームスプリッターと、上記ビームスプリッターからの一方の光を伝送信号としてその光を偏光させる第1の偏光素子と、上記第1の偏光素子からの伝送信号を量子力学的な状態で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、この減衰した伝送信号に所定の位相変調を与える第1の位相変調手段と、上記ビームスプリッターからの他方の光を参照信号としてその強度のままで上記第1の位相変調手段で位相変調が与えられた伝送信号と同一の光軸に戻す第1の偏光ビームスプリッターと、を備え、
受信側に、上記光ファイバーを伝送してきた上記伝送信号及び上記参照信号を分離する第2の偏光ビームスプリッターと、この分離した伝送信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、上記第2の偏光ビームスプリッターで分離した参照信号を偏光する第2の偏光素子と、上記第2の位相変調手段で位相変調された伝送信号と上記第2の偏光素子で偏光された参照信号とを時間及び偏光状態が一致するよう重ね合わせて出力する無偏光ビームスプリッターと、この無偏光ビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第1及び第2のフォトダイオードと、これらの第1及び第2のフォトダイオードの差信号を増幅して電圧を出力する増幅器と、を備え、
上記増幅器の出力電圧からしきい値を基準に上記伝送信号に与えた位相変調を判別することを特徴とする、量子暗号通信システム。 - 前記光ファイバーの出力側に前記参照信号の偏光の乱れを補正する第3の偏光素子を設けたことを特徴とする、請求項5に記載の量子暗号通信システム。
- 前記光の波長が600nm〜900nmのときシリコンフォトダイオードを用い、前記光の波長が1000nm〜1500nmのときInGaAsフォトダイオードを用いることを特徴とする、請求項1又は5に記載の量子暗号通信システム。
- 送信側に、光源からの光を伝送信号と参照信号とに分割する第1のビームスプリッターと、上記伝送信号に位相変調を与える第1の位相変調手段と、この伝送信号を量子力学的な状態変化で検出できる微弱な信号にする光減衰器と、を備え、
受信側に、上記参照信号に位相変調を与える第2の位相変調手段と、上記位相変調した微弱な伝送信号と上記位相変調した強度の強い参照信号とを重ね合わせて出力する第2のビームスプリッターと、この第2のビームスプリッターの2つの出力光を電気変換する第 1及び第2の光電変換素子と、上記第1及び第2の光電変換素子の差信号を増幅して電圧を出力する増幅器と、を備えた量子暗号通信システムを用い、
送信側で、上記第1の位相変調手段で伝送信号に、0度、90度、180度、270度の位相変調をランダムに与え、
受信側で、上記第2の位相変調手段で伝送信号に、0度、90度の何れかのランダムな位相変調を与え、
受信側から送信側に、上記第2の位相変調で0度と90度の何れの位相変調を加えたかについて公衆回線を通じて連絡し、
送信側から受信側に対して、受信側と送信側との位相変調の合計が0度か180度の何れかのものについて秘密鍵として通知し、
受信側で、上記増幅器での差信号の測定結果が予め定めたしきい値X+以上であれば位相差が0度であり、しきい値X−以下であれば位相差が180度であると判断し、秘密鍵とすることを特徴とする、量子暗号通信方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27014998A JP4038783B2 (ja) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 |
US09/787,029 US7305091B1 (en) | 1998-09-24 | 1999-08-10 | Quantum cipher communication system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27014998A JP4038783B2 (ja) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000101570A JP2000101570A (ja) | 2000-04-07 |
JP4038783B2 true JP4038783B2 (ja) | 2008-01-30 |
Family
ID=17482234
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27014998A Expired - Fee Related JP4038783B2 (ja) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7305091B1 (ja) |
JP (1) | JP4038783B2 (ja) |
Families Citing this family (40)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3829602B2 (ja) | 2000-08-23 | 2006-10-04 | 日本電気株式会社 | 暗号鍵配布装置 |
JP4763166B2 (ja) * | 2001-07-25 | 2011-08-31 | 三菱電機株式会社 | 光信号伝送装置及び光信号伝送装置の光信号伝送方法 |
JP4619578B2 (ja) * | 2001-07-25 | 2011-01-26 | 三菱電機株式会社 | 信号状態制御装置及び信号状態制御方法 |
GB2404103B (en) * | 2003-07-15 | 2005-06-29 | Toshiba Res Europ Ltd | A quantum communication system |
US7831050B2 (en) * | 2003-12-04 | 2010-11-09 | Geraldo Alexandre Barbosa | Fast multi-photon key distribution scheme secured by quantum noise |
JP2005295018A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Honda Electronic Co Ltd | 干渉制御による情報通信方法及びその装置 |
JP2006013573A (ja) * | 2004-06-22 | 2006-01-12 | Hitachi Ltd | 量子光伝送装置 |
JP4654649B2 (ja) * | 2004-10-07 | 2011-03-23 | ソニー株式会社 | 量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置、並びに量子暗号通信システム |
JP4795692B2 (ja) * | 2005-01-07 | 2011-10-19 | 株式会社日立製作所 | 光送信機、光送受信システム、および量子光生成器 |
JP4936157B2 (ja) * | 2005-02-22 | 2012-05-23 | 学校法人 学習院 | 量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置 |
US20060263096A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Mihaela Dinu | Multi-channel transmission of quantum information |
JP2007251678A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Sony Corp | 量子暗号通信装置および通信端末における平均光子数設定方法 |
JP2007266738A (ja) * | 2006-03-27 | 2007-10-11 | Sony Corp | 量子暗号通信装置および通信端末 |
WO2008033284A2 (en) * | 2006-09-11 | 2008-03-20 | Magiq Technologies, Inc. | Qkd using high-altitude platforms |
JP4838166B2 (ja) * | 2007-02-19 | 2011-12-14 | ソニー株式会社 | 量子暗号通信装置および通信端末 |
US20090214224A1 (en) * | 2007-04-03 | 2009-08-27 | Celight, Inc. | Method and apparatus for coherent analog rf photonic transmission |
JP4746588B2 (ja) * | 2007-06-07 | 2011-08-10 | 日本電信電話株式会社 | 量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法 |
JP4751370B2 (ja) * | 2007-06-15 | 2011-08-17 | 株式会社日立製作所 | 光送受信システム |
JP5019979B2 (ja) * | 2007-07-05 | 2012-09-05 | 三菱電機株式会社 | 量子暗号受信装置およびそれを使用する量子暗号受信方法 |
US8391486B2 (en) | 2011-04-28 | 2013-03-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Secure key distribution using sequential weak values |
JP2013239942A (ja) * | 2012-05-16 | 2013-11-28 | Mitsubishi Electric Corp | 量子暗号通信システム用受信機、量子暗号通信システム用受信機における訂正鍵導出方法 |
US9419795B2 (en) * | 2013-04-24 | 2016-08-16 | Intellectual Discovery Co., Ltd. | Digital device and method for performing secure communication using same |
CN105553648B (zh) * | 2014-10-30 | 2019-10-29 | 阿里巴巴集团控股有限公司 | 量子密钥分发、隐私放大及数据传输方法、装置及系统 |
JP2017011404A (ja) * | 2015-06-18 | 2017-01-12 | 株式会社東芝 | 通信装置、通信システム、通信方法およびプログラム |
CN106470101B (zh) | 2015-08-18 | 2020-03-10 | 阿里巴巴集团控股有限公司 | 用于量子密钥分发过程的身份认证方法、装置及系统 |
AT518816B1 (de) * | 2016-06-17 | 2020-01-15 | Ait Austrian Inst Tech Gmbh | Verfahren zur Übertragung von Daten |
KR101979328B1 (ko) * | 2016-11-18 | 2019-05-16 | 한국과학기술연구원 | 무선 양자 암호 키 분배를 위한 통신 장치 |
US11018776B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-05-25 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Power-based decoding of data received over an optical communication path |
US10911152B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-02-02 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Power-based decoding of data received over an optical communication path |
US10951342B2 (en) * | 2019-04-18 | 2021-03-16 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Throughput increases for optical communications |
US10998982B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-05-04 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Transmitter for throughput increases for optical communications |
US10873392B2 (en) | 2019-04-18 | 2020-12-22 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Throughput increases for optical communications |
US10892847B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-01-12 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Blind detection model optimization |
US10897315B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-01-19 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Power-based decoding of data received over an optical communication path |
US10911155B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-02-02 | Microsoft Technology Licensing, Llc | System for throughput increases for optical communications |
US10938485B2 (en) | 2019-04-18 | 2021-03-02 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Error control coding with dynamic ranges |
US10873393B2 (en) | 2019-04-18 | 2020-12-22 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Receiver training for throughput increases in optical communications |
JP2024048894A (ja) | 2022-09-28 | 2024-04-09 | 日本電気株式会社 | 量子暗号通信ネットワークにおける中継装置および伝送制御方法、ならびにネットワーク管理装置 |
JP2024048893A (ja) | 2022-09-28 | 2024-04-09 | 日本電気株式会社 | 量子暗号通信システム、その通信装置および通信制御方法 |
JP2024048895A (ja) | 2022-09-28 | 2024-04-09 | 日本電気株式会社 | 量子暗号通信システム、その送信機および送信制御方法 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2212020B (en) * | 1987-11-03 | 1991-07-10 | Stc Plc | Optical detectors. |
JPH0357343A (ja) * | 1989-07-26 | 1991-03-12 | Oki Electric Ind Co Ltd | 光交換機 |
US5007106A (en) * | 1989-11-08 | 1991-04-09 | At&T Bell Laboratories | Optical Homodyne Receiver |
WO1994008409A1 (en) * | 1992-10-07 | 1994-04-14 | British Telecommunications Public Limited Company | Quantum cryptography using discarded data |
CA2152628C (en) * | 1992-12-24 | 1999-02-02 | Paul David Townsend | System and method for key distribution using quantum cryptography |
US5339182A (en) * | 1993-02-19 | 1994-08-16 | California Institute Of Technology | Method and apparatus for quantum communication employing nonclassical correlations of quadrature-phase amplitudes |
US5307410A (en) * | 1993-05-25 | 1994-04-26 | International Business Machines Corporation | Interferometric quantum cryptographic key distribution system |
US5515438A (en) * | 1993-11-24 | 1996-05-07 | International Business Machines Corporation | Quantum key distribution using non-orthogonal macroscopic signals |
JPH08139701A (ja) | 1994-11-15 | 1996-05-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子暗号方式 |
US5665423A (en) * | 1995-02-10 | 1997-09-09 | National Science Council | Method for manufacturing a photodetector for sensing light having a wavelength within a wide range |
US5953421A (en) * | 1995-08-16 | 1999-09-14 | British Telecommunications Public Limited Company | Quantum cryptography |
US5663793A (en) * | 1995-09-05 | 1997-09-02 | Zygo Corporation | Homodyne interferometric receiver and calibration method having improved accuracy and functionality |
US5732139A (en) * | 1996-08-26 | 1998-03-24 | Lo; Hoi-Kwong | Quantum cryptographic system with reduced data loss |
FR2763193B1 (fr) * | 1997-05-06 | 1999-06-18 | France Telecom | Procede et dispositif de distribution quantique de cle de cryptage |
US6188768B1 (en) * | 1998-03-31 | 2001-02-13 | International Business Machines Corporation | Autocompensating quantum cryptographic key distribution system based on polarization splitting of light |
-
1998
- 1998-09-24 JP JP27014998A patent/JP4038783B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-08-10 US US09/787,029 patent/US7305091B1/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US7305091B1 (en) | 2007-12-04 |
JP2000101570A (ja) | 2000-04-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4038783B2 (ja) | 量子暗号通信システム及び量子暗号通信方法 | |
US7227955B2 (en) | Single-photon watch dog detector for folded quantum key distribution system | |
US5515438A (en) | Quantum key distribution using non-orthogonal macroscopic signals | |
JP4983193B2 (ja) | セキュアな光通信用中継機および光の2つの直交位相成分の測定器 | |
US8374350B2 (en) | Quantum communication system | |
JP4800674B2 (ja) | 通信方法および通信システム | |
CA2265553C (en) | Quantum cryptography device and method | |
EP0676110B1 (en) | System and method for key distribution using quantum cryptography | |
WO2017148141A1 (zh) | 一种量子密钥分配方法及发送装置、接收装置 | |
US20050094818A1 (en) | Quantum key distribution system and method using regulated single-photon source | |
US9768885B2 (en) | Pilot-aided feedforward data recovery in optical coherent communications | |
WO2005088898A1 (en) | Secure data communication apparatus and method | |
JP2007251678A (ja) | 量子暗号通信装置および通信端末における平均光子数設定方法 | |
EP1342337B1 (fr) | Systeme pour la transmission optique securisee de code binaire | |
PL239636B1 (pl) | Sposób kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego przy użyciu bardzo słabych wiązek światła, sposób nadawania modulowanych impulsów optycznych dedykowany do kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego, sposób odbierania impulsów optycznych do kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego oraz odbiornik impulsów optycznych do kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego przy użyciu bardzo słabych wiązek światła | |
RU2783977C1 (ru) | Способ обнаружения атаки с ослеплением детекторов в системах квантовой криптографии с поляризационным кодированием | |
US7436961B2 (en) | Sentinel synchronization method for enhancing QKD security | |
US11502758B2 (en) | Communications system using pulse divider and associated methods | |
JP4132860B2 (ja) | 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機 | |
EP1522166B1 (en) | Watch dog detector for qkd system | |
JP4746588B2 (ja) | 量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法 | |
JP4575813B2 (ja) | 秘密鍵配送装置および秘密鍵配送方法 | |
EP4047863A1 (en) | Quantum communications system using pulse divider and associated methods | |
JP2009171077A (ja) | 光通信システム | |
SE2150855A1 (en) | Encoder, decoder, systems and methods for d-dimensional frequency-encoded quantum communication and information processing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031031 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20040129 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050131 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070724 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070925 |
|
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: 20071023 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071026 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
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: 20111116 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131116 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |