JP4076532B2 - Quantum cryptography communication device and secret key generation method using quantum cryptography communication device - Google Patents
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本発明は、量子相関を有する単一光子対を用いた量子暗号鍵配送技術に係わり、特に、差動位相シフト量子暗号鍵配送技術に基づき、その量子暗号鍵を長距離配送することが可能な量子暗号通信装置及び量子暗号通信装置を用いた秘密鍵生成方法に関する。 The present invention relates to a quantum key distribution technique using a single photon pair having a quantum correlation, and in particular, based on a differential phase shift quantum key distribution technique, the quantum encryption key can be distributed over a long distance. The present invention relates to a quantum cryptography communication device and a secret key generation method using the quantum cryptography communication device.
量子暗号システムを実現する方法として、さまざまな方法が提案されているが、ここでは、本発明に係わる、一般的な差動位相シフト量子鍵配送と呼ばれる方式を説明する。この方式は、本発明で提案されている量子暗号の中継は行わない方式のもので、つまりチャーリー(第3装置)を介さずに、アリス(第1装置)とボブ(第2装置)の間で直接、暗号鍵を生成する方式のものである(非特許文献1)。 Various methods have been proposed as a method for realizing the quantum cryptography system. Here, a method called general differential phase shift quantum key distribution according to the present invention will be described. This method is a method that does not relay quantum cryptography proposed in the present invention, that is, between Alice (first device) and Bob (second device) without going through Charlie (third device). In this method, the encryption key is directly generated (Non-Patent Document 1).
図7に従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの構成を示す。アリス(第1装置)610側にある光源611は、一定の間隔でコヒーレントな光パルスを送出する。アリス610は、位相変調器613によりその各光パルスの位相を0もしくはπに位相変調し、その位相変調された光パルスの強度をアッテネータ(減衰器)615で1パルス当たり1光子未満になるように減衰し、これを光ファイバー620に送出する。
FIG. 7 shows the configuration of a conventional differential phase shift quantum key distribution system. A
ボブ(第2装置)630は、光ファイバー620通じて伝送されてくる光パルスの間隔に相当する光路差の干渉計631を用いて、2つの連続する光パルスの位相差を測定する。干渉計631は、入口側のビームスプリッター632、一対の全反射ミラー633,634、および出口側のビームスプリッター635とから構成され、連続する光パルスの位相差が0の場合には、第1端子636に、位相差がπの場合には、第2端子637に光が出力されるように、干渉計631は調整されている。干渉計631をこのように調整しておくと、光パルスの位相差が0の場合には、第1光子検出器(B1)638で光子が検出され、光パルスの位相差がπの場合には、第2光子検出器(B2)639で光子が検出される。
Bob (second device) 630 measures the phase difference between two successive optical pulses using an optical
以上のようなセットアップを用いて、アリス610は位相変調器613を用いて各光パルスをランダムに0もしくはπに位相変調し、かつどのように変調したかの情報をアリス側の記憶手段(図示しない)に記録しておく。ボブ630は、光子が検出された時刻と、その光子がどちらの光子検出器638,639で検出されたかの情報をボブ側の記憶手段(図示しない)に記録する。次いで、ボブ630は、光子を検出した時刻をアリス610に送信する。
Using the setup as described above, Alice 610 uses the
ボブ630は、光子がどちらかの光子検出器638,639で検出されたかという情報から、光子が第1光子検出器(B1)638で検出された場合には、“0”、第2光子検出器(B2)639で検出された場合には、“1”として、鍵ビットを作成する。また、アリス610は、ボブ630から送信された光子検出時刻、および自身の記録(光パルスをどのように変調したかの情報の記録)から、その光子検出時刻に対応した光パルスをどのように変調したかを知ることができる。光パルスの位相差が0になるように変調した場合には、“0”、位相差がπになるように変調した場合には、“1”とすると、アリス610はボブ630と同一の鍵ビットを作成することができる。
Bob 630 detects “0” when the photon is detected by the first photon detector (B1) 638 from the information as to which
以上のようにして、アリス610とボブ630は、ボブ630の光子検出時刻を明かすのみで、ビットに関する情報(どちらの光子検出器638,639で光子が検出されたか、及びどのように光子が変調したか)を明かすことなく、鍵ビットを共有することができるようになる。
As described above, Alice 610 and Bob 630 only reveal the photon detection time of Bob 630, and information about the bit (which
以上が、従来の差動位相シフト量子鍵配送の動作原理である。 The above is the operation principle of the conventional differential phase shift quantum key distribution.
光子を利用した量子暗号システムでは、盗聴を防止するために、各パルス当たり1光子以下になるような微弱な光を利用している。この微弱な光をファイバーで伝送する際には減衰が伴うため、暗号鍵を伝送するのに十分な光が届く距離には限界がある。 In a quantum cryptography system using photons, weak light that is 1 photon or less per pulse is used to prevent eavesdropping. When this weak light is transmitted through a fiber, attenuation is accompanied, and thus there is a limit to the distance that light that can be transmitted to transmit an encryption key can reach.
このように従来の量子暗号鍵配送システムは、光子を伝送する伝送路の損失のため、伝送距離が長くなるにつれて光子を検出する確率が小さくなり、正しい秘密鍵を生成することが困難となるという難点があった。その結果、正しい暗号鍵の生成のためには、配送距離は、比較的短距離の、或る一定の距離以内に設定しなければならないという制限があった。 As described above, the conventional quantum key distribution system has a loss of a transmission path for transmitting photons, so that the probability of detecting photons decreases as the transmission distance increases, and it becomes difficult to generate a correct secret key. There were difficulties. As a result, in order to generate a correct encryption key, the delivery distance has to be set within a certain distance that is relatively short.
本発明の目的は、従来技術のこのような課題を解決するためになされたもので、差動位相シフト量子鍵配送方式において、エンタングルメント光子対を発生する光源を2つ以上利用することにより、従来よりも伝送距離の長い量子暗号通信装置、及びその量子暗号通信装置を用いた秘密鍵生成方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such a problem of the prior art, and in the differential phase shift quantum key distribution system, by using two or more light sources that generate entanglement photon pairs, An object of the present invention is to provide a quantum cryptography communication device having a longer transmission distance than that of the prior art and a secret key generation method using the quantum cryptography communication device.
上記目的を達成するため、本発明の量子暗号通信装置は、量子もつれ光子対を利用した量子鍵配送方式により第1装置と第2装置との間で量子暗号鍵を共有する量子暗号通信装置であって、前記第1装置と前記第2装置との中間位置に中継ノードとして接続された第3装置と、前記第1装置と前記第3装置との中間位置に接続された第1光源と、前記第2装置と前記第3装置との中間位置に接続された第2光源とを備え、かつ前記第1光源は、前記第2光源と同期して一定間隔の光パルスとして1パルス当たり平均光子数1未満で量子もつれ光子対を所定の時間間隔で発生し、該発生した量子もつれ光子対のうちの1つの光子を前記第1装置に、他の1つの光子を前記第3装置に送出する手段を有し、前記第2光源は、前記第1光源と同期して一定間隔の光パルスとして1パルス当たり平均光子数1未満で量子もつれ光子対を所定の時間間隔で発生し、該発生した量子もつれ光子対のうちの1つの光子を前記第2装置に、他の1つの光子を前記第3装置に送出する手段を有し、前記第3装置は、前記第1光源及び前記第2光源から送られているそれぞれの光子を検出する光合波器、および該光合波器の両出力端子の各々に接続されてその合成された光子を検出する2つの光子検出器群と、いずれか一方の前記光子検出器群が、連続して、光子を検出した事実とその時刻、又は、 両方の前記光子検出群が、交互に連続して、光子を検出した時述とその時刻、を前記第1装置及び前記第2装置に送信する送信手段とを有し、前記第1装置は、前記所定の時間間隔に相当する光経路差と2つの出力経路とを有する干渉計、該出力経路の各々に設置された光子検出器と、該光子検出器が光子を検出した時刻とどちらの光子検出器が光子を検出したかについての情報を記憶する記憶手段と、光子を検出した時刻を前記第2装置へ送信する送信手段と、前記第2装置から送られてくる情報と前記第3装置から送られてくる情報を受信する受信手段と、前記第3装置から送られてきた光子検出情報とそれに対応する光子を、前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて秘密鍵となる共有の量子暗号鍵の鍵ビットを生成する暗号生成手段とを有し、前記第2装置は、前記所定の時間間隔に相当する光経路差と2つの出力経路とを有する干渉計、および該出力経路の各々に設置された光子検出器と、該光子検出器が光子を検出した時刻とどちらの光子検出器が光子を検出したかについての情報を記憶する記憶手段と、光子を検出した時刻を前記第1装置へ送信する送信手段と、前記第1装置から送られてくる情報と前記第3装置から送られてくる情報を受信する受信手段と、前記第3装置から送られてきた光子検出情報とそれに対応する光子を、前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて秘密鍵となる共有の量子暗号鍵の鍵ビットを生成する暗号生成手段とを有する。 To achieve the above object, a quantum cryptography communication apparatus of the present invention, quantum cryptography communication to share a quantum cryptographic key with the first equipment and the second equipment by the quantum key distribution system using entangled photon pairs A third device connected as a relay node to an intermediate position between the first device and the second device, and a first light source connected to an intermediate position between the first device and the third device When the second device and a second light source connected to an intermediate position between the third device, and the first light source, one pulse per a light pulse of a predetermined interval in synchronization with the second light source Quantum entangled photon pairs with an average number of photons of less than 1 are generated at predetermined time intervals, one photon of the generated entangled photon pairs is in the first device, and the other one is in the third device. and means for sending said second light source is synchronized with the first light source Entangled photon pairs in an average photon number less than 1 per one pulse as an optical pulse of a predetermined interval occurs at a predetermined time interval, the second device one photon of the entangled photon pairs were the occurrence of other Means for sending one photon to the third device, wherein the third device detects the respective photons sent from the first light source and the second light source, and the optical multiplexer; Two photon detector groups connected to each of the output terminals of the detector to detect the combined photons, and the fact that any one of the photon detector groups successively detects the photons and its The photon detection group of time or both of them includes a transmission means for transmitting the time statement and the time when photons were detected to the first device and the second device, alternately and continuously , One device has an optical path difference corresponding to the predetermined time interval and 2 Interferometer having an output path, stores information about whether the photon detectors installed in each of the output path, either the time at which the photon detector detects the photon-photon detector detects the photon Storage means for transmitting, transmitting means for transmitting the time when photons are detected to the second device, receiving means for receiving information sent from the second device and information sent from the third device, A key bit of a shared quantum encryption key that becomes a secret key using the photon detection information sent from the third device and a photon corresponding to the photon detection information using an event detected by both the first device and the second device. and a cryptographic generation means for generating said second device, an interferometer having said optical path difference corresponding to a predetermined time interval and two output paths, and installed in each of the output paths photon inspection and detector, the photon detector photons Sent from the first device, storage means for storing information about the photon time and which photon detector detected the photon, transmission means for sending the photon detection time to the first device, and Receiving means for receiving information and information sent from the third device, and photon detection information sent from the third device and the corresponding photons are received by both the first device and the second device. Cryptography generating means for generating a key bit of a shared quantum encryption key to be a secret key using the detected event .
また、前記第1光源および前記第2光源は、それぞれポンプ光源と光非線形媒質とから構成され、光パラメトリック過程により光子対を生成することを特徴とすることができる。 In addition, the first light source and the second light source may be configured by a pump light source and an optical nonlinear medium, respectively, and generate a photon pair by an optical parametric process.
また、前記第1装置および前記第2装置に包含される前記干渉計は、それぞれ前記光子が入力される入力端子と2つの出力端子とを有する光分波器と、該光分波器の2つ出力端子に接続された長光経路と短光経路とから成る1対の光経路と、該1対の光経路に接続された入力端子と2つの出力端子とを有する光合波器とを有し、前記長光経路と前記短光経路との光経路差が前記所定の時間間隔で光が伝播する距離に等しいことを特徴とすることができる。 The interferometers included in the first device and the second device each include an optical demultiplexer having an input terminal to which the photons are input and two output terminals, and two of the optical demultiplexers. And an optical multiplexer having a pair of optical paths composed of a long optical path and a short optical path connected to one output terminal, an input terminal connected to the pair of optical paths, and two output terminals. The light path difference between the long light path and the short light path may be equal to the distance that light propagates at the predetermined time interval.
上記目的を達成するため、本発明の秘密鍵生成方法は、本発明の前記の量子暗号通信装置を用いてデータを暗号化、復号化するための秘密鍵となる前記量子暗号鍵をコンピュータ制御により生成する方法であって、該方法は、前記第1光源と前記第2光源とが同期して光子を前記第1装置、第2装置、および第3装置へ供給する第1ステップと、前記第3装置が、何れか一方の光子検出器群で連続して光子検出した事実とその時刻、又は、2つの光子検出器群で交互に光子検出した事実とその時刻とを、前記第1装置と前記第2装置に対して通信する第2ステップと、前記第1装置と前記第2装置が、各々の光子検出器で光子を検出した時刻と、その光子をどちらの光子検出器で検出したかの情報をそれぞれ記録し、光子を検出した時刻を互いに送受信する第3ステップと、前記第1装置と前記第2装置が、送信された前記時刻情報から前記第3装置が光子を検出した事象と、かつそれに対応する光子を前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて前記量子暗号鍵の鍵ビットを生成する第4ステップとを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the secret key generation method of the present invention includes a computer control that controls the quantum cipher key that is a secret key for encrypting and decrypting data using the quantum cipher communication device of the present invention. A first step in which the first light source and the second light source are synchronized to supply photons to the first device, the second device, and a third device ; and The fact that three devices continuously detected photons with one of the photon detector groups and the time, or the fact that photons were detected alternately with two photon detector groups and the time, the first device and The second step of communicating to the second device, the time at which the first device and the second device detected a photon with each photon detector, and which photon detector detected the photon. Each time, and the time when the photon was detected A third step of transmitting / receiving to the first device, the first device and the second device, the event that the third device detected a photon from the transmitted time information, and a photon corresponding to the event detected by the first device and the And a fourth step of generating a key bit of the quantum encryption key using an event detected by both of the second devices.
ここで、前記第4ステップは、前記第1装置において、前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合か否かを判定するステップと、前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合に、該光子を前記第1装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第1装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップと、前記第3装置が光子を2つの光子検出器群で交互に検出した場合に、該光子を前記第1装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第1装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップとを含み、更に、前記第4ステップは、前記第2装置において、前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合か否かを判定するステップと、前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合に、該光子を前記第2装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第2装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップと、前記第3装置が光子を2つの光子検出器群で交互に検出した場合に、該光子を前記第2装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とし、該光子を前記第2装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とするステップとを含むことを特徴とすることができる。 Here, the fourth step includes a step of determining whether or not the third device continuously detects photons by only one of the photon detector groups in the first device; When photons are continuously detected by only one photon detector group and the photons are detected by the first photon detector of the first device, the key bit is set to “0” and the photons are When detected by the second photon detector of the first device, the step of setting the key bit to “1” and when the third device detects photons alternately by the two photon detector groups, the photon Is detected by the first photon detector of the first device, the key bit is “0”, and when the photon is detected by the second photon detector of the first device, the key bit is “ 1 ″, and the fourth step includes the step of: The step of determining whether the third device continuously detects photons by only one of the photon detector groups, and the third device continuously detects photons by only one of the photon detector groups. In this case, when the photon is detected by the first photon detector of the second device, the key bit is set to “0”, and when the photon is detected by the second photon detector of the second device. When the key bit is set to “1” and when the third device detects photons alternately by two photon detector groups, the photon is detected by the first photon detector of the second device. Includes a step of setting the key bit to “1” and setting the key bit to “0” when the photon is detected by the second photon detector of the second device. it can.
本発明では、第1装置(アリス)と第3装置(チャーリー)の中間に設けたエンタングルメント光子対を発生する第1光源から送出された光と、第3装置(チャーリー)と第2装置(ボブ)の中間に設けたエンタングルメント光子対を発生する第2光源から送出された光を用いて量子暗号鍵の生成を行なっているため、アリスからボブに直接光を伝送している従来方式に比べて、十分な光が届く配送距離をトータルとして長くすることができ、例えば従来の略4倍にすることができる。このように、本発明によれば、従来よりも伝送距離の長い量子暗号システムを提供することが可能となる効果を奏する。 In the present invention, the light transmitted from the first light source that generates the entanglement photon pair provided between the first device (Alice) and the third device (Charlie), the third device (Charlie), and the second device ( Since the quantum encryption key is generated by using the light transmitted from the second light source that generates the entanglement photon pair provided in the middle of Bob), the light is transmitted directly from Alice to Bob. In comparison, the delivery distance over which sufficient light can reach can be increased as a total, for example, approximately four times that of the conventional one. Thus, according to the present invention, there is an effect that it is possible to provide a quantum cryptography system having a longer transmission distance than before.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
なお、本発明においては、「2群の光子検出器」、「1群の光子検出器」の表現において、「群」の構成が「1個」の場合を含む。本発明の第1実施形態は、第3装置に含まれる2群の光子検出器において、各1群に含まれる光子検出器が1つの場合を示す。 In the present invention, the expression “two groups of photon detectors” and “one group of photon detectors” includes the case where the configuration of “group” is “one”. The first embodiment of the present invention shows a case where two groups of photon detectors included in the third device have one photon detector included in each group.
(第1の実施形態)
図1に本発明の量子暗号通信装置を適用した第1の実施形態の主として光学系の構成を示す。図1に示すように、この通信システムは、アリス(第1装置)110、光ファイバー伝送路120、ボブ(第2装置)130、チャーリー(第3装置)140、および一定間隔の光パルスとして1パルス当たり平均光子数1未満でエンタングルメント光子対(量子もつれ光子対)を所定の時間間隔で、同期して、発生する第1、第2のエンタングルメント光源150,160とを有する。
(First embodiment)
FIG. 1 mainly shows the configuration of an optical system according to the first embodiment to which the quantum cryptography communication apparatus of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, this communication system includes Alice (first device) 110, optical
アリス(第1装置)110は、光源150が発生する光パルスの間隔(上記所定の時間間隔)に相当する光路差の干渉計111を用いて、2つの連続する光パルスの位相差を測定する。この干渉計111は、入口側のビームスプリッター(光分波器)112、一対のミラー113,114、および出口側のビームスプリッター115とから構成され、かつ連続する光パルスの位相差が0の場合には、出口側のビームスプリッター(光合波器)115の第1出力端子116に、位相差がπの場合には、出口側のビームスプリッター115の第2出力端子117に光が出力されるように調整されている。すなわち、入口側のビームスプリッター112の2つの出力端子に接続された長光経路と短光経路とからなる一対の光経路が構成され、この長光経路と短光経路に出口側のビームスプリッター115が接続されているが、この長光経路と短光経路の距離の差が上記の所定の時間間隔で光が伝搬する距離に等しく設定されている。このように干渉計111を調整しておくと、光パルスの位相差が0の場合には、第1出力端子116に接続する第1光子検出器(A1)118で光子が検出され、光パルスの位相差がπの場合には、第2出力端子117に接続する第2光子検出器(A2)119で光子が検出される。更に、アリス110は光子を検出した時刻と、検出した光子検出器がいずれの光子検出器であるかの情報とを記憶する記憶部(図2の1101)と、その光子を検出した時刻をボブ130に送信する送受信部(図2の1102)とを有する。
Alice (first device) 110 measures the phase difference between two consecutive optical
ボブ(第2装置)130もアリス(第1装置)110と同様な構成をしており、光源160が発生する光パルスの間隔(上記所定の時間間隔)に相当する光路差の干渉計131を用いて、2つの連続する光パルスの位相差を測定する。この干渉計131は、入口側のビームスプリッター(光分波器)132、一対のミラー133,134、および出口側のビームスプリッター(光合波器)135とから構成され、かつ連続する光パルスの位相差が0の場合には、出口側のビームスプリッター135の第1出力端子136に、位相差がπの場合には、出口側のビームスプリッター135の第2出力端子137に光が出力されるように調整されている。すなわち、入口側のビームスプリッター132の2つの出力端子に接続された長光経路と短光経路とからなる一対の光経路が構成され、この長光経路と短光経路に出口側のビームスプリッター135が接続されているが、この長光経路と短光経路の距離の差が上記の所定の時間間隔で光が伝搬する距離に等しく設定されている。このように干渉計131を調整しておくと、光パルスの位相差が0の場合には、第1出力端子136に接続する第1光子検出器(B1)138で光子が検出され、光パルスの位相差がπの場合には、第2出力端子137に接続する第2光子検出器(B2)139で光子が検出される。更に、ボブ130は光子を検出した時刻と、検出した光子検出器がいずれの光子検出器であるかの情報とを記憶する記憶部(図2の1301)と、その光子を検出した時刻をアリス110に送信する送受信部(図2の1302)とを有する。
Bob (second device) 130 has the same configuration as Alice (first device) 110, and includes an optical
チャーリー(第3装置)140は光源150,160から送られてくるそれぞれの光子(アイドラ)を合成する2×2の入出力端子を有する50:50光カプラー(光合成器)141、およびその合成された光子を検出する一対の光子検出器142,143とから構成される。更に、チャーリー140は、連続で光子を検出した光子検出時刻と、それら光子を検出した光子検出器がどの光子検出器であるかの情報とを記録する記録部(図2の1401)と、何れか一方の光子検出器で連続して光子検出した事実とその時刻、又は、2つの光子検出器で交互に光子検出した事実とその時刻とを、アリス110およびボブ130に送信する送信部(図2の1402)とを備える。
The Charlie (third device) 140 is a 50:50 optical coupler (photocombiner) 141 having 2 × 2 input / output terminals for synthesizing respective photons (idlers) sent from the
第1光源150はアリス110とチャーリー140の中間に設置され、第2光源160はチャーリー140とボブ130の中間に設置される。両光源150,160は互いに同期が取られている。光源150,160は、例えば、ポンプ光源(図2の1501、1601)と光非線形媒質(図2の1502,1602)とから構成され、光パラメトリック過程により光子対を生成する。
The first
図2は、本発明の量子暗号通信装置のシステム構成を示す。同図に示すように、第3装置(チャーリー)140は、光子検出時刻と光子を検出した光子検出器(142,143のいずれか)とを記録する記録部1401を有する。更に第3の装置140は、2つの出力端子を有する光合器141の1つの出力端子に接続される1群の光子検出器(142,143のいずれか)が、連続して、光子を検出した事実とその時刻、又は、光合波器141の両出力端子の各々に接続される1群の光子検出器が、交互に、光子を検出した事実とその時刻、を第1装置(アリス)110及び第2装置(ボブ)130に既存の技術により改ざんが防止された情報伝送路170を通じて送信する送信部1402を有する。
FIG. 2 shows the system configuration of the quantum cryptography communication apparatus of the present invention. As shown in the figure, the third device (Charlie) 140 has a
第1装置110と第2装置130とは、各々が光子を検出した時刻とどちらの光子検出器が光子を検出したかの情報を記憶する記憶部1101を有する。更に、第1装置110と第2装置130とは、上記情報伝送路170を通じて、各々が光子を検出した時刻を互いに送受信し、更に第3装置が送信した情報も受信する送受信部1102、1302と、各々が検出した光子検出時刻と受信した光子検出時刻と第3装置140から受信した情報とを用いて、共通の暗号鍵の鍵ビットを生成する暗号鍵生成部1103、1303とを有する。
Each of the
第1光源150および第2光源160は、それぞれポンプ光源1501,1601と光非線形媒質1502,1602とから構成され、光パラメトリック過程により光子対を生成する。
The first
以上の配置構成において、第1光源150および第2光源160から、一定間隔の光パルスとしてエンタングルメント光子対[(量子もつれ)光子対]が、アリス110とチャーリー140、およびチャーリー140とボブ130のそれぞれに、光ファイバー伝送路120を通じて送出される。このとき、光パルスに含まれる光子数の平均は、1パルス当たり1未満とする。また、第1光源150および第2光源160は同期して光パルスを送出するものとする。ここでは、エンタングルメント光子対を発生させる光源150,160として、例えばパラメトリック変換による光源を想定することとする。パラメトリック変換では、ポンプ光によりシグナルとアイドラと呼ばれる2つの光子対が発生するが、ここでは第1光源150のシグナルがアリス110に送付され、第2光源160のシグナルがボブ130に送付され、第1光源150および第2光源160の両アイドラがチャーリー140に送付されるものとする。
In the arrangement described above, the entanglement photon pair [(quantum entangled) photon pair] from the first
次に、光子の状態を記述する方法について説明する。光子の状態は、ケットベクトル(ket vector)と呼ばれるヒルベルト(Hilbert)空間のベクトルとして表現することができる。ケットベクトルは|a>のように表記される。ここで、aは他のケットベクトルとの相違を区別する記号である。 Next, a method for describing the state of a photon will be described. The photon state can be expressed as a Hilbert space vector called a ket vector. A ket vector is represented as | a>. Here, a is a symbol that distinguishes the difference from other ket vectors.
量子力学では、2つ以上の状態が重ね合わせられた状態も許されており、その状態はケットベクトルの和として記述される。例えば、状態|a>と状態|b>の重ね合わせられた状態は、1/√2(|a>+|b>)と記述される。(1/√2は規格化のための定数である。) In quantum mechanics, a state in which two or more states are superimposed is allowed, and the state is described as the sum of the ket vectors. For example, the superimposed state of the state | a> and the state | b> is described as 1 / √2 (| a> + | b>). (1 / √2 is a constant for normalization.)
また、2つの状態を統合した状態は、ケットベクトルのテンソル積(tensor product)として記述される。例えば、状態|a>と状態|b>を統合した状態は、 A state obtained by integrating the two states is described as a tensor product of the ket vector. For example, the state that the state | a> and the state | b> are integrated is
と記述される。ただし、 Is described. However,
は、単に|a>|b>と省略することもできる。 Can be simply abbreviated as | a> | b>.
上記のケットベクトルを用いると、光源150,160から出力後の光子対の量子力学的な状態|Ψ0>は次式(1)のように記述できる。
Using the above-mentioned ket vector, the quantum mechanical state | Ψ 0 > of the photon pair output from the
ただし、|tj>s1,|tj>s2,|tj>i1,|tj>i2は、その順にそれぞれ、時刻tjに送出された第1光源150のシグナル、第2光源160のシグナル、第1光源150のアイドラ、第2光源160のアイドラの状態を示す。φj 1,φj 2は、第1光源150および第2光源160から送出された光子対の初期位相を表す。|a1|2,|a2|2は、それぞれその状態が観測される確率を表している。
However, | t j> s1, | t j> s2, | t j> i1, | t j> i2 , the signal of the first
上記の状態|Ψ0>が、光源150,160からファイバー伝送路120を経由して、アリス(第1装置)110、チャーリー(第3装置)140、およびボブ(第2装置)130のそれぞれに送付される。シグナルとアイドラの伝搬時間は同じであると仮定して、アリス110とチャーリー140間、およびチャーリー110とボブ130間で受ける伝播位相の和をφa,φbとする。アリス110、チャーリー140、ボブ130のそれぞれに到着したときの光子対の状態|Ψ1>は、次式(2)のように記述できる。
The above state | Ψ 0 > is transmitted from the
次に、チャーリー140が時刻tj,tj+1の連続した時刻に送出された光子を検出する場合のみに注目すると、この検出に関与する時刻の光子対の状態|Ψ2>は、次式(3)のように記述できる。
Next, paying attention only to the case where
ただし、パラメトリック変換に用いるポンプ光は、光パルスの間隔よりも十分長いコヒーレント時間を持つと仮定すると、連続する2つの光パルスはコヒーレントになる。そこで、φj=φj+1とした。 However, assuming that the pump light used for the parametric conversion has a coherent time sufficiently longer than the interval between the optical pulses, two consecutive optical pulses become coherent. Therefore, φ j = φ j + 1 was set.
上記の式(3)を展開し、シグナルとアイドラに分けて整理すると次式(4)のようになる。 When the above formula (3) is expanded and divided into signals and idlers, the following formula (4) is obtained.
ここで、チャーリー140において、2つのアイドラを光カプラー141に入れて結合する。すなわち、光カプラー141により、それぞれのアイドラの状態は次式(5),(6)のように変更される。
Here, in
ただし、|C1,tj>i1は、時刻tjに第1光源150から送出されたアイドラが第1光子検出器(C1)142で検出されるときのアイドラの状態を表す。|C2,tj>i1は、同様に、そのアイドラが第2光子検出器(C2)143で検出されるときの状態を表す。
However, | C1, t j > i1 represents the idler state when the first photon detector (C1) 142 detects the idler transmitted from the first
また、|C1,tj>i2は、時刻tjに第2光源160から送出されたアイドラが第1光子検出器(C1)142で検出される状態を表す。|C2,tj>i2は、同様に、そのアイドラが第2光子検出器(C2)143で検出されるときの状態を表す。従って、これら2つのアイドラを光カプラー141に入れた後のアイドラの状態|Ψ3>は、次式(7)のように記述できる。
Also, | C1, t j > i2 represents a state where the first photon detector (C1) 142 detects the idler transmitted from the second
ここで、チャーリー140が、連続した時刻に第1光子検出器(C1)142、もしくは第2光子検出器(C2)143のみで光子を検出する状態に着目すると、上記の式(7)は次式(8)のように変形できる。
Here, when
さらに、チャーリー140が、光子検出の際に、アイドラ1とアイドラ2を区別できないとすると、上記の式(8)の第2項(上式の記述において左端の最初の+記号から同左端の2番目の+記号の直前までが該当)、第3項(上式の記述において左端の2番目の+記号から同左端の3番目の+記号の直前までが該当)がそれぞれ0になり、その式(8)は次式(9)のように変形できる。
Further, assuming that
次に、アリス110とボブ130が、それぞれのシグナルを各自の干渉計111,131に通過させる。ここで、干渉計111,131を通過させた場合のそれぞれのシグナルの状態の変化について説明する。まず、アリス110側の干渉計111に第1光源150からの|tj>s1のシグナルが入れられた場合を想定する。このシグナル|tj>s1は干渉計111の入口に設置されたビームスプリッター112によって、次式(10)のように、その状態が変化させられる。
Next,
ただし、|Sa,tj>s1は、光子が干渉計111の短い側の経路(図1において直進の経路)を進んだ状態を表す。|La,tj>s1は光子が干渉計111の長い側の経路(図1において反射を伴う経路)を進んだ状態を表す。
However, | S a , t j > s1 represents a state in which the photon travels on the short path (the straight path in FIG. 1) of the
光子が干渉計111の各経路を伝搬し、出口側に設置されたビームスプリッター115に入る前の光子の状態は、次式(11),(12)に記載の2つの状態の重ね合わせとして記述できる。
The state of the photon before the photon propagates through each path of the
ただし、φSa,φLaは、光子がそれぞれ干渉計111の短い側、長い側の経路を進んだときの伝搬位相を表す。また、Δtは、短い側と長い側で伝搬にかかる時間の差を表すものとする。
Here, φ Sa and φ La represent propagation phases when photons travel along the short side and long side paths of the
さらに、光子が出口に設置されたビームスプリッター115を通過した後の光子の状態は、次式(13),(14)のように記述できる。
Furthermore, the state of the photon after passing through the
ここで、|A1,t>s1は、光子(シグナル)がアリス110の第1光子検出器(A1)118で検出されるときの光子の状態を表す。|A2,t>s1は、同様に、光子(シグナル)がアリス110の第2光子検出器(A2)119で検出されるときの光子の状態を表す。また、干渉計111の伝搬遅延時間は、光パルス間隔と等しいので、tj+Δt→tj+1とすることができる。
Here, | A1, t> s1 represents the state of the photon when the photon (signal) is detected by the first photon detector (A1) 118 of
以上の説明から分るように、光子が干渉計111を通過した後の状態はこれらの重ね合わせ状態となるので、アリス側の干渉計111に入れられた光子の状態|tj>s1は、次式(15)のように変化する。
As can be seen from the above description, since the state after the photon passes through the
ここでφLa−φSa=Δφaと置くと、上記の式(15)は、 Here, when φ La −φ Sa = Δφ a , the above equation (15) is
となる。 It becomes.
干渉計111の伝搬位相差を0、すなわちΔφa=0に調整すると、ある実数φAを用いて、上記の式(16)は、次式(17)のように記述できる。
When the propagation phase difference of the
同様にして、|tj+1>s1,|tj>s2,|tj+1>s2(時刻tj+1に送出された第1光源150のシグナル、時刻tjに送出された第2光源160のシグナル、時刻tj+1に送出された第2光源160のシグナル)が夫々対応の干渉計111,131を通過した後の光子の状態は、次式(18)〜(20)のように書ける。
Similarly, | t j + 1> s1 , | t j> s2, | signal
ここで、|B1,t>s1は、光子がボブ130の第1光子検出器(B1)138で検出されるときの光子の状態を表す。|B2,t>s1は、同様に、光子がボブ130の第2光子検出器(B2)139で検出されるときの光子の状態を表す。また、上述のように、Δφb=0に調整したものとする。
Here, | B1, t> s1 represents the state of the photon when the photon is detected by the first photon detector (B1) 138 of
以上の議論から、干渉計111,131を通過した後の光子(シグナル)の状態は、次式(21)のように記述できる。
From the above discussion, the state of the photon (signal) after passing through the
次に、時刻tj+1に送出されたシグナルが関与する状態のみに着目すると、上記の式(21)は次式(22)のように記述できる。 Next, focusing on only the state involving the signal transmitted at time t j + 1 , the above equation (21) can be described as the following equation (22).
上記の式(22)において、|C1,tj>|C1,tj+1>+|C2,tj>|C2,tj+1>は、チャーリー140の第1光子検出器(C1)142、もしくは第2光子検出器(C2)143において時刻tj,tj+1に連続して光子を検出するときの光子(アイドラ)の状態を表している。また、|A2,tj+1>s1|B2,tj+1>s2+|A1,tj+1>s1|B1,tj+1>s2は、アリス111側の第2光子検出器(A2)119で光子(シグナル)が検出された場合には、ボブ130側の第2光子検出器(B2)139で光子が検出され、逆に、アリス110側の第1光子検出器(A1)118で光子が検出された場合には、ボブ130側の第1光子検出器(B1)130で光子が検出されることを表している。すなわち、チャーリー140が同じ光子検出器(142または143)において連続した時刻tj,tj+1に光子を検出した場合には、アリス110とボブ130が時刻tj+1に観測する光子の間には、上記のような相関があることが分かる。
In the above equation (22), | C1, t j > | C1, t j + 1 > + | C2, t j > | C2, t j + 1 > is the first photon detector (C1) of
同様にして、チャーリー140が、光子検出器(C1,C2)142,143のそれぞれ片側ずつ連続で光子を検出する場合に着目すると、上記の式(21)から次式(23)のような結果が得られる。
Similarly, paying attention to the case where
すなわち、上記の|A2,tj+1>s1|B1,tj+1>s2+|A1,tj+1>s1|B2,tj+1>s2で示すように、アリス110側の第2光子検出器(A2)119で光子が検出された場合には、ボブ130側の第1光子検出器(B1)138で光子が検出され、逆に、アリス110側の第1光子検出器(A1)118で光子が検出された場合には、ボブ130側の第2光子検出器(B2)139で光子が検出されるような相関が得られる。
That is, as shown by | A2, t j + 1 > s1 | B1, t j + 1 > s2 + | A1, t j + 1 > s1 | B2, t j + 1 > s2 , When photons are detected by the second photon detector (A2) 119, photons are detected by the first photon detector (B1) 138 on the
このようにして、得られる相関を用いて、図3のフローチャートに示す以下の手順を実施することにより、アリス110とボブ130の間で暗号鍵を生成する。
In this way, the encryption key is generated between
図3に示すように、チャーリー140は、連続で光子を検出した光子検出時刻と光子を検出した光子検出器がどの光子検出器であるかの情報とを記録部1401に記録する(ステップ201)。
As shown in FIG. 3,
次いで、チャーリー140は、送信部1402を用いて、何れか一方の光子検出器で連続して光子検出した事実とその時刻、又は、2つの光子検出器で交互に光子検出した事実とその時刻とを、アリス110とボブ130に対して、既存技術により改ざんが防止された情報伝送路170を通じて通信する(ステップ202)。
Next, the
一方、アリス110とボブ130は、各自の光子検出器で光子が検出された時刻と、その光子がどちらの光子検出器で検出されたかの情報を各自の記憶部1101,1301に記録する(ステップ203)。
On the other hand,
次いで、アリス110とボブ130は、前記の情報伝送路170を通じて光子を検出できた時刻を互いに送受信する(ステップ204)。
Next,
アリス110とボブ130は、送信された上記の時刻情報からチャーリー130が連続して光子を検出した事象(何れか一方の光子検出器で連続して光子検出した事実、又は、2つの光子検出器で交互に光子検出した事実)と、かつそれに対応する光子をアリス110とボブ130の両者が検出した事象(光子がどちらの光子検出器で検出されたかの情報)とを用いて、以下のように鍵ビットを生成する(ステップ205)。
(a)チャーリー140が光子を片側の光子検出器だけで連続検出した場合には、
前述の式(22)で表わされた相関関係に基づき、アリス110は、光子を第1光子検出器(A1)118で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、光子を第2光子検出器(A2)119で検出した場合には、鍵ビットを“1”とする。同様に、ボブ130は、光子を第1光子検出器(B1)138で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、光子を第2光子検出器(B2)139で検出した場合には、鍵ビットを“1”とする。
(A) When
Based on the correlation expressed by the above equation (22), when
(b)チャーリー140が光子を交互の光子検出器で1つずつ検出した場合には、
前述の式(23)で表わされた相関関係に基づき、アリス110は、光子を第1光子検出器(A1)118で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、光子を第2光子検出器(A2)119で検出した場合には、鍵ビットを“1”とする。一方、ボブ130は、光子を第1光子検出器(B1)138で検出した場合には、鍵ビットを“1”とし、光子を第2光子検出器(B2)139で検出した場合には、鍵ビットを“0”とする。
(B) If
Based on the correlation expressed by the above equation (23), when
このようにして、アリス110とボブ130は鍵ビットを生成することにより、上記の式(22)および上記の式(23)に示された相関関係から、アリス110とボブ130の鍵ビットは同一となることが分かる。
In this way,
上述のように、アリス110とボブ130は、光子を検出した時刻のみを公開しており、どちらの光子検出器で光子を検出したかを公開していないことに注意すると、上記の手順により、アリス110とボブ130の間で秘密の鍵ビットが共有できることが分かる。
As noted above,
本実施形態では、2つのエンタングルメント光子対を発生する光源150,160を用いて、以上のような処理を実行することにより、チャーリー140から、アリス110とボブ130に対して、データを暗号化、復号化するための暗号鍵作成の元となる情報を供給し、アリス110とボブ130の間で秘密の鍵ビットを生成し、共有することが可能となる。
In the present embodiment, data is encrypted from
図4のフローチャートはアリス110で実行される手順の詳細を示す。図5のフローチャートはボブ130で実行される手順の詳細を示す。図4および図5に示す手順は、上記のステップ205で説明した(a)と(b)項に記載した内容をアリス110とボブ130に分けて、制御フローとして表現したものであり、その内容に特に変わりは無いので、説明の重複を避けるため、その詳細説明は省略する。
The flowchart of FIG. 4 shows the details of the procedure executed by
(第2の実施形態)
上述した本発明の第1の実施形態では、チャーリー140が連続した2つのパルスに含まれる光子の到着時刻を同一の光子検出器142または143で測定できると仮定している。しかし、現実には光パルスのレート(伝送速度)に比べて、光子検出器での検出の繰り返し速度が遅く、同一の光子検出器で連続した光子を検出できない場合も起こり得ると考えられる。そのような場合には、図6を参照して以下に詳述するように、連続した2つのパルスに含まれる光子に対して光子検出器をそれぞれ2台用いることにより、連続した2パルスに含まれる光子の到着時刻を測定することが、確率的にもより確実にできるようになる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment of the present invention described above, it is assumed that
すなわち、本発明の第2の実施形態では、図1に示した第1光子検出器(C1)142の代わりに、図6に示すように、50:50の光カプラー144と、2台の第1光子検出器(C1−1)145および第2光子検出器(C1−2)146とを設置して動作させる。同様に、図1に示した光子検出器(C2)143の代わりに、図6に示すように、50:50の光カプラー147と、2台の第3光子検出器(C2−1)148および第4光子検出器(C2−2)149とを設置して動作させる。
That is, in the second embodiment of the present invention, instead of the first photon detector (C1) 142 shown in FIG. 1, a 50:50 optical coupler 144 and two first photon detectors (C1) 142 shown in FIG. A one-photon detector (C1-1) 145 and a second photon detector (C1-2) 146 are installed and operated. Similarly, instead of the photon detector (C2) 143 shown in FIG. 1, as shown in FIG. 6, a 50:50
以上のようなセットアップを用いて、チャーリー140が第1光子検出器(C1−1)145と第2光子検出器(C1−2)146で連続した時刻に光子を検出した場合は、前述の1台の光子検出器(C1)142で連続的に光子を検出した場合に相当する。同様に、チャーリー140が第3光子検出器(C2−1)145と第4光子検出器(C2−2)146で連続した時刻に光子を検出した場合は、前述の1台の光子検出器(C2)143で連続的に光子を検出した場合に相当する。
When
以上のように構成することによって、光パルスのレートに比べて、動作速度が遅い光子検出器を使用した場合でも、上述した本発明の秘密鍵生成方法を実現することが可能となる。 By configuring as described above, the above-described secret key generation method of the present invention can be realized even when a photon detector whose operation speed is slower than the rate of optical pulses is used.
(他の実施の形態)
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.
例えば、上記実施形態では、第1光源150と第2光源160とにおいて同時刻t=tjに生成された光子対を使用しているとしていた。しかし、例えば、前述の式(2)では、|tj>s1,|tj>i1,|tj>s2,|tj>i2のようになっているが、次式(24)に示ように、第1光源150で時刻(tj)に発生したシグナル光子(s1)とアイドラ光子(i1)とを用い、第2光源160で時刻(tj’)に発生したシグナル光子(s2)とアイドラ光子(i2)とを用いても、同じことが言える。
For example, in the above embodiment, the first
従って、2つの光源150,160で異なる時刻に発生した光子対を使用しても良い。また、このことにより、第1光源150と第3装置(チャーリー)140との光経路長と、第2光源160と第3装置(チャーリー)140との光経路長とは、等しい必要はない。また、同様の理由で、第1光源150と第1装置110との光経路長と、第1光源150と第3装置240との光経路長とは等しい必要はなく、同時刻に発生した光子対の1光子ずつを検出できれば良い。また、第2光源と第2装置と第3装置との関係もこれと同様であり、第2光源160と第2装置130との光経路長と、第2光源160と第3装置240との光経路長とは等しい必要はなく、同時刻に発生した光子対の1光子ずつを検出できれば良い。
Therefore, photon pairs generated at different times by the two
装置の配置(光経路長)上、制限があるのは、干渉計111(131)の長光経路と短光経路との光経路差が、光源150(160)が光子対を発生する所定の時間間隔に相当する距離である、ということだけである。 There is a limitation on the arrangement (optical path length) of the device because the optical path difference between the long optical path and the short optical path of the interferometer 111 (131) is a predetermined amount at which the light source 150 (160) generates a photon pair. It is only a distance corresponding to the time interval.
また、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウエアのプログラム(本実施形態では、図3〜図5に示すフローチャートに対応したプログラム)を、システム或いは装置に直接或いは遠隔から供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがその供給されたプログラムを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。その場合、プログラムの機能を有していれば、形態は、プログラムである必要はない。 In addition, the present invention supplies a software program (in this embodiment, a program corresponding to the flowcharts shown in FIGS. 3 to 5) for realizing the functions of the above-described embodiment directly or remotely to a system or apparatus. And the case where the computer of the system or apparatus is also achieved by reading and executing the supplied program. In that case, as long as it has the function of a program, the form does not need to be a program.
従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、そのコンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明のクレームでは、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。 Accordingly, since the functions of the present invention are implemented by computer, the program code installed in the computer also implements the present invention. That is, the claims of the present invention include the computer program itself for realizing the functional processing of the present invention.
110 アリス(第1の装置)
111,131 干渉計
112,132 入口側のビームスプリッター
113,114,133,134 ミラー
115、135 出口側のビームスプリッター
116、117,136,137 出力端子
118、138 第1光子検出器(A1,B1)
119,139 第2光子検出器(A2、B2)
120 光ファイバー伝送路
130 ボブ(第2の装置)
140 チャーリー(第3の装置)
141 カプラー
142 第1光子検出器(C1)
143 第2光子検出器(C2)
144,147 カプラー
145 第1光子検出器(C1−1)
148 第2光子検出器(C1−2)
148 第3光子検出器(C2−1)
149 第4光子検出器(C2−2)
150 第1エンタングルメント光源
160 第2エンタングルメント光源
170 情報伝送路
610 アリス(第1の装置)
611 コヒーレント光源
613 位相変調器
615 アッテネータ
620 光ファイバー
630 ボブ(第2の装置)
631 干渉計
632 入口側のビームスプリッター
633,634 ミラー
635 出口側のビームスプリッター
636、637 出力端子
638 第1光子検出器(B1)
639 第2光子検出器(B2)
1101,1301 記憶部
1102,1302 送受信部
1103,1303 暗号鍵生成部
1401 記録部
1402 送信部
1501,1601 ポンプ光源
1502、1602 光非線形媒質
110 Alice (first device)
111, 131
119,139 Second photon detector (A2, B2)
120 Optical
140 Charlie (third device)
141
143 Second photon detector (C2)
144, 147 coupler
145 First photon detector (C1-1)
148 Second photon detector (C1-2)
148 Third Photon Detector (C2-1)
149 Fourth photon detector (C2-2)
150 First entanglement
611 Coherent
639 Second photon detector (B2)
1101, 1301
Claims (5)
前記第1装置と前記第2装置との中間位置に中継ノードとして接続された第3装置と、
前記第1装置と前記第3装置との中間位置に接続された第1光源と、
前記第2装置と前記第3装置との中間位置に接続された第2光源と
を備え、かつ
前記第1光源は、前記第2光源と同期して一定間隔の光パルスとして1パルス当たり平均光子数1未満で量子もつれ光子対を所定の時間間隔で発生し、該発生した量子もつれ光子対のうちの1つの光子を前記第1装置に、他の1つの光子を前記第3装置に送出する手段を有し、
前記第2光源は、前記第1光源と同期して一定間隔の光パルスとして1パルス当たり平均光子数1未満で量子もつれ光子対を所定の時間間隔で発生し、該発生した量子もつれ光子対のうちの1つの光子を前記第2装置に、他の1つの光子を前記第3装置に送出する手段を有し、
前記第3装置は、前記第1光源及び前記第2光源から送られているそれぞれの光子を検出する光合波器、および該光合波器の両出力端子の各々に接続されてその合成された光子を検出する2つの光子検出器群と、いずれか一方の前記光子検出器群が、連続して、光子を検出した事実とその時刻、又は、 両方の前記光子検出群が、交互に連続して、光子を検出した時述とその時刻、を前記第1装置及び前記第2装置に送信する送信手段と
を有し、
前記第1装置は、前記所定の時間間隔に相当する光経路差と2つの出力経路とを有する干渉計、該出力経路の各々に設置された光子検出器と、該光子検出器が光子を検出した時刻とどちらの光子検出器が光子を検出したかについての情報を記憶する記憶手段と、光子を検出した時刻を前記第2装置へ送信する送信手段と、前記第2装置から送られてくる情報と前記第3装置から送られてくる情報を受信する受信手段と、前記第3装置から送られてきた光子検出情報とそれに対応する光子を、前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて秘密鍵となる共有の量子暗号鍵の鍵ビットを生成する暗号生成手段とを有し、
前記第2装置は、前記所定の時間間隔に相当する光経路差と2つの出力経路とを有する干渉計、および該出力経路の各々に設置された光子検出器と、該光子検出器が光子を検出した時刻とどちらの光子検出器が光子を検出したかについての情報を記憶する記憶手段と、光子を検出した時刻を前記第1装置へ送信する送信手段と、前記第1装置から送られてくる情報と前記第3装置から送られてくる情報を受信する受信手段と、前記第3装置から送られてきた光子検出情報とそれに対応する光子を、前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて秘密鍵となる共有の量子暗号鍵の鍵ビットを生成する暗号生成手段とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信装置。 A quantum cryptography communication apparatus to share a quantum cryptographic key with the first equipment and the second equipment by the quantum key distribution system using entangled photon pairs,
A third device connected as a relay node at an intermediate position between the first device and the second device;
A first light source connected to an intermediate position between the first device and the third device;
The second device and a second light source connected to an intermediate position between the third device, and the first light source, the second light source in synchronization with one pulse per mean photon as the light pulse of predetermined intervals A quantum entangled photon pair is generated at a predetermined time interval with a number less than 1 and one photon of the generated entangled photon pair is sent to the first device and the other one photon is sent to the third device. Having means ,
The second light source generates quantum entangled photon pairs at a predetermined time interval with an average number of photons per pulse as a light pulse at regular intervals in synchronization with the first light source, and the generated entangled photon pair Means for sending one of the photons to the second device and the other one to the third device;
The third device includes an optical multiplexer that detects each photon transmitted from the first light source and the second light source, and a combined photon connected to each of both output terminals of the optical multiplexer. The two photon detector groups for detecting the photon and either one of the photon detector groups successively detect the fact that the photon is detected and the time, or both the photon detection groups are alternately continuous. And a transmission means for transmitting the timing when the photon is detected and its time to the first device and the second device ,
Wherein the first device is an interferometer having said optical path difference corresponding to a predetermined time interval and two output paths, and a photon detector installed in each of the output path, the photon detector detects the photon Sent from the second device, storage means for storing information about the photon time and which photon detector detected the photon, transmission means for sending the photon detection time to the second device, and Receiving means for receiving information and information sent from the third device, and photon detection information sent from the third device and the corresponding photons are received by both the first device and the second device. A cipher generation means for generating a key bit of a shared quantum encryption key to be a secret key using the detected event ,
The second device is an interferometer having said optical path difference corresponding to a predetermined time interval and two output paths, and a photon detector installed in each of the output paths, the photon detector photons Storage means for storing information about the detected time and which photon detector has detected the photon, transmitting means for transmitting the time at which the photon was detected to the first device, and sent from the first device Receiving means for receiving incoming information and information sent from the third device, photon detection information sent from the third device, and photons corresponding thereto, both of the first device and the second device. And a cipher generation means for generating a key bit of a shared quantum cryptography key that becomes a secret key using the event detected by .
前記光子が入力される入力端子と2つの出力端子とを有する光分波器と、
該光分波器の2つ出力端子に接続された長光経路と短光経路とから成る1対の光経路と、
該1対の光経路に接続された入力端子と2つの出力端子とを有する光合波器と
を有し、
前記長光経路と前記短光経路との光経路差が前記所定の時間間隔で光が伝播する距離に等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の量子暗号通信装置。 The interferometers included in the first device and the second device each include an optical demultiplexer having an input terminal to which the photons are input and two output terminals,
A pair of optical paths consisting of a long optical path and a short optical path connected to the two output terminals of the optical demultiplexer;
An optical multiplexer having an input terminal and two output terminals connected to the pair of optical paths;
3. The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein an optical path difference between the long optical path and the short optical path is equal to a distance in which light propagates at the predetermined time interval.
前記第1光源と前記第2光源とが同期して光子を前記第1装置、第2装置、および第3装置へ供給する第1ステップと、
前記第3装置が、何れか一方の光子検出器群で連続して光子検出した事実とその時刻、又は、2つの光子検出器群で交互に光子検出した事実とその時刻とを、前記第1装置と前記第2装置に対して通信する第2ステップと、
前記第1装置と前記第2装置が、各々の光子検出器で光子を検出した時刻と、その光子をどちらの光子検出器で検出したかの情報をそれぞれ記録し、光子を検出した時刻を互いに送受信する第3ステップと、
前記第1装置と前記第2装置が、送信された前記時刻情報から前記第3装置が光子を検出した事象と、かつそれに対応する光子を前記第1装置と前記第2装置の両者が検出した事象とを用いて前記量子暗号鍵の鍵ビットを生成する第4ステップと
を有することを特徴とする、量子暗号通信装置を用いた秘密鍵生成方法。 A method for generating, under computer control, the quantum encryption key that serves as a secret key for encrypting and decrypting data using the quantum cryptography communication device according to any one of claims 1 to 3. ,
A first step in which the first light source and the second light source are synchronized to supply photons to the first device, the second device, and a third device;
The fact that the third device continuously detects photons in any one of the photon detector groups and the time, or the fact that photons are detected alternately in the two photon detector groups and the time, A second step of communicating with the device and the second device;
The first device and the second device respectively record the time when the photon was detected by each photon detector and the information on which photon was detected by the photon detector. A third step of transmitting and receiving;
Both the first device and the second device have detected an event that the third device has detected a photon from the transmitted time information, and the corresponding photon has been detected by the first device and the second device. And a fourth step of generating a key bit of the quantum cryptography key using an event. A secret key generation method using a quantum cryptography communication device.
前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合か否かを判定するステップと、
前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合に、該光子を前記第1装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第1装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップと、
前記第3装置が光子を2つの光子検出器群で交互に検出した場合に、該光子を前記第1装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第1装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップと
を含み、
更に、前記第4ステップは、前記第2装置において、
前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合か否かを判定するステップと、
前記第3装置が光子を何れか一方の光子検出器群だけで連続検出した場合に、該光子を前記第2装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とし、該光子を前記第2装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とするステップと、
前記第3装置が光子を2つの光子検出器群で交互に検出した場合に、該光子を前記第2装置の第1光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“1”とし、該光子を前記第2装置の第2光子検出器で検出した場合には、鍵ビットを“0”とするステップと
を含むことを特徴とする請求項4に記載の秘密鍵生成方法。 In the first device, the fourth step includes:
Determining whether the third device continuously detects photons by only one of the photon detector groups; and
When the third device detects photons continuously with only one of the photon detector groups and the photon is detected with the first photon detector of the first device, the key bit is set to “0”. When the photon is detected by the second photon detector of the first device, the key bit is set to “1”;
When the third device detects photons alternately by two photon detector groups and the photon is detected by the first photon detector of the first device, the key bit is set to “0”, If a photon is detected by the second photon detector of the first device, the key bit is set to “1”, and
Furthermore, the fourth step includes the second device,
Determining whether the third device continuously detects photons by only one of the photon detector groups; and
When the third device detects photons continuously by only one of the photon detector groups and the photon is detected by the first photon detector of the second device, the key bit is set to “0”. When the photon is detected by the second photon detector of the second device, the key bit is set to “1”;
When the third device detects photons alternately by two photon detector groups, when the photon is detected by the first photon detector of the second device, the key bit is set to “1”, 5. The secret key generation method according to claim 4 , further comprising a step of setting a key bit to “0” when a photon is detected by a second photon detector of the second device.
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