JP4124194B2 - 共有情報生成方法およびシステム - Google Patents
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Description
(システム構成)
図1は本発明の第1実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。図1において、量子暗号鍵配布システムは送信器10および受信器20から構成され、それらは量子チャネルおよび古典チャネルにより接続されている。ここで、量子チャネルは、送信器10から受信器20へ送信する光パワーが1フォトン/ビット以下の微弱な状態の通信チャネルであり、古典チャネルは通常の光通信で使用される光パワー領域での通信チャネルである。
図2は本実施形態による暗号鍵生成方法を示すフローチャートである。本実施形態による送信器10および受信器20は、まず鍵共有方式S10を用いて暗号鍵を共有する。鍵共有方式S10は、量子チャネルを用いた量子通信ステップS11、受信器20が受信したビットを送信側のものと照合する受信ビット照合ステップS12、および、送信側で基底情報の照合により選別鍵を生成する基底照合ステップS13からなる。ステップS11は量子チャネルを用いて行われるが、鍵生成フローのステップS12以降の過程はすべて古典チャネルを用いて行われる。鍵共有方式の一例として4量子状態を用いたBB84を取り挙げると、鍵生成手順は次のようになる。
図3は本実施形態による鍵生成フローを説明するための生鍵生成の一例を示す模式図である。図3において、次の手順で生鍵が生成される。
図4は本実施形態による鍵生成フローを説明するための受信ビット照合の一例を示す模式図である。図4において、次の手順で受信ビット照合が行われる。
図5は本実施形態による鍵生成フローを説明するための基底照合の一例を示す模式図である。図5において、次の手順で基底照合が行われる。
選別鍵が送信機10および受信器20の間で仮共有されると、両者の間でビット位置の同期が確立しているかどうかを判定する(図2のステップS14、S15)。
同期外れの通知を受信すると、受信器20の鍵生成制御部203は、メモリ205に保持されている生鍵の基準となるビット番号を1ビット分スライドさせて受信ビットのビット番号の付け替えを行う(ステップS21)。ただし、ビット番号のスライド幅は1ビットに限らない。
ビット位置同期が外れた状態では共有した選別鍵に全く相関がなくなることから、同期判定用誤り率しきい値QBERsyncは盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveより大きく設定される。具体的には、次のようにして決定される。
上述したように、図2に示す選別鍵仮共有ステップS11−S13、ビット位置同期確立の判定ステップS14−S15、および、ビット番号付け替えステップS21により選別鍵が正式に確定されるが、この選別鍵確定動作は送信器10と受信器20との間の相互通信により実行される。
ビット位置の同期確立が確認されると、送信器10の鍵生成制御部103は、計算された誤り率QBERと盗聴者が存在するかどうかを判定する盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveとを比較する(図2のステップS16)。上述したようにQBER<QBEReveであれば(ステップS16のYES)、盗聴者は存在しないと判断し(ステップS17)、誤り訂正ステップS18および秘匿増強ステップS19を実行した後、最終的に送信器10と受信器20との間で共有される最終鍵が決定される。
上述したように第1実施形態では、図2のステップS15においてQBER ≧ QBERsyncであればビット位置の同期が確立していないと判断され、その旨(NG)が送信器10から受信器20へ送信され、受信器20においてビット番号付け替えステップS21が実行される。別の方法として、このビット番号付け替えステップS21を送信器10で実行することも可能である。
図1における量子通信のための量子ユニット101および201、通常の光通信のための光送受信器102および202は、特定の方式に限定されるものではない。ここでは、望ましい実施形態として、Plug&Play方式の量子暗号鍵配布システムを説明する。Plug&Play方式は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。
図12は本発明の第4実施形態による量子暗号鍵生成方式の鍵生成フローを示すフローチャートであり、図13は本実施形態で使用されるプロトコルB92に従った手順の具体例を示す模式図である。
量子通信により受信側で生成された生鍵は一律に同期が外れているとは限らない。たとえば1つの生鍵の先頭部分は1ビットずれ、後半は2ビットずれていることも考えられる。このような場合であっても本発明を適用することで、量子通信で生成された生鍵からビット付け替えにより選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。以下、BB84プロトコルを一例として、本発明の第5実施形態について説明する。ただし、図1および図2で既に説明した構成および動作の詳細については省略する。
20 受信器
101 量子ユニット
102 光送受信器
103 鍵生成制御部
104 プログラムメモリ
105 メモリ
106 乱数発生器
201 量子ユニット
202 光送受信器
203 鍵生成制御部
204 プログラムメモリ
205 メモリ
206 乱数発生器
Claims (20)
- 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルにより接続された第1通信装置と第2通信装置との間で共有情報を生成する方法において、
a)前記第1通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、
b)前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第2チャネルを通して前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
c)前記基準ビット位置に従って、前記第1通信装置および前記第2通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第2チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
d)前記同期が外れていれば、前記b)における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
e)前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成方法。 - 前記c)は、
前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、
前記誤り率が所定しきい値以上であれば同期が外れていると判定し、
前記誤り率が前記所定しきい値より低ければ同期が確立していると判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の共有情報生成方法。 - 前記所定しきい値は、前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で送受信される相互情報量より漏洩情報量の方が大きくなる誤り率の範囲で設定されることを特徴とする請求項2に記載の共有情報生成方法。
- 前記誤り率は、前記仮共有情報からランダムに選択された所定数のビットを用いて算出されることを特徴とする請求項2に記載の共有情報生成方法。
- 前記d)における前記基準ビット位置の設定変更は、前記基準ビット位置を少なくとも1ビット分スライドさせることを特徴とする請求項1に記載の共有情報生成方法。
- 前記e)は、
e−1)前記同期が確立されていれば、盗聴者の有無を判定し、
e−2)盗聴者が存在しないと判定されれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の共有情報生成方法。 - 前記e−1)は、
前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、
前記誤り率が所定の盗聴判定しきい値以上であれば盗聴者が存在すると判定し、
前記誤り率が前記盗聴判定しきい値より低ければ盗聴者が存在しないと判定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の共有情報生成方法。 - 前記e)は、
前記誤り率が所定の盗聴判定しきい値以上であれば盗聴者が存在すると判定し、
前記誤り率が前記盗聴判定しきい値より低ければ盗聴者が存在しないと判定し、
盗聴者が存在しないと判定されれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項2に記載の共有情報生成方法。 - 前記盗聴判定しきい値は、前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で送受信される共有情報量が盗聴情報量より大きくなる誤り率の範囲で設定されることを特徴とする請求項7または8に記載の共有情報生成方法。
- 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルにより接続された第1通信装置と第2通信装置との間で共有情報を生成する方法において、
a)前記第1通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、
b)前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報を所定長ごとに順次読み出し、
c)前記読み出された所定長の部分情報に基づいて、前記第2チャネルを通して前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で部分共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで部分仮共有情報を生成し、
d)前記基準ビット位置に従って、前記第1通信装置および前記第2通信装置のそれぞれの部分仮共有情報の一部を前記第2チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
e)前記同期が外れていれば、前記c)における前記基準ビット位置の設定を変更して部分仮共有情報を生成し直し、
f)前記同期が確立されていれば、そのときの部分仮共有情報に基づいて部分共有情報を保存し、
g)前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報について少なくとも1つの部分共有情報が保存されると、それに基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成方法。 - 前記第1チャネルは相対的に光パワーが弱い状態の通信チャネルであり、前記第2チャネルは相対的に光パワーが強い状態の通信チャネルであることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の共有情報生成方法。
- 前記第1チャネルは1フォトン/ビット以下の光パワーであることを特徴とする請求項11に記載の共有情報生成方法。
- 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルにより接続された第1通信装置および第2通信装置を有する共有情報生成システムにおいて、
前記第1通信装置は、前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通して前記第2通信装置と通信するための第1通信手段と、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための第1記憶手段と、前記第2通信装置との間で共有情報を生成するために前記第1通信手段および前記第1記憶手段を制御する第1制御手段と、を有し、
前記第2通信装置は、前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通して前記第1通信装置と通信するための第2通信手段と、前記第1チャネルを通して前記第1通信装置から受信した情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための第2記憶手段と、前記第1通信装置との間で共有情報を生成するために前記第2通信手段および前記第2記憶手段を制御する第2制御手段と、を有し、
前記第1制御手段と前記第2制御手段とは協働して、
a)前記原情報を前記第1通信装置から前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、
b)前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第2チャネルを通して前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
c)前記基準ビット位置に従って、前記第1通信装置および前記第2通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第2チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
d)前記同期が外れていれば、前記b)における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
e)前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成システム。 - 前記第1制御手段は、前記原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第2チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶し、前記第2通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第1記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記第2通信装置へ同期の外れを通知し、当該同期外れの通知に対して前記第2通信装置からビット位置が変更された受信情報を受信すると、それに基づいて仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶するとともに前記同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成し、
前記第2制御手段は、前記第1チャネルを通して前記第1通信装置から受信した情報に基づいて前記第1通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第2記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第1通信装置へ送信し、前記第1通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記第1通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項13に記載の共有情報生成システム。 - 前記第1制御手段は、前記原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第2チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶し、前記第2通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第1記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を第2通信装置へ通知し、その通知に対して前記第2通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成し、
前記第2制御手段は、前記第1チャネルを通して前記第1通信装置から受信した情報に基づいて前記第1通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第2記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第1通信装置へ送信し、前記第1通信装置から基準ビット位置の送信がなければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項13に記載の共有情報生成システム。 - 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルにより接続された第1通信装置および第2通信装置との間で共有情報を生成するシステムをコンピュータに実装するプログラムにおいて、
a)それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第1通信装置から前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、
b)前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第2チャネルを通して前記第1通信装置と前記第2通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
c)前記基準ビット位置に従って、前記第1通信装置および前記第2通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第2チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
d)前記同期が外れていれば、前記b)における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
e)前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ステップを有することを特徴とする共有情報生成プログラム。 - 前記第1通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第2チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶し、前記第2通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第1記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記第2通信装置へ同期の外れを通知し、当該同期外れの通知に対して前記第2通信装置からビット位置が変更された受信情報を受信すると、それに基づいて仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶するとともに前記同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有し、
前記第2通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記第1チャネルを通して前記第1通信装置から受信した情報に基づいて前記第1通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第2記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第1通信装置へ送信し、前記第1通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記第1通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有する
ことを特徴とする請求項16に記載の共有情報生成プログラム。 - 前記第1通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記原情報を前記第1チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記第2通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第2チャネルを通して前記第2通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第1記憶手段に記憶し、前記第2通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第1記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を第2通信装置へ通知し、その通知に対して前記第2通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有し、
前記第2通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記第1チャネルを通して前記第1通信装置から受信した情報に基づいて前記第1通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第2記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第1通信装置へ送信し、前記第1通信装置から基準ビット位置の送信がなければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有する
ことを特徴とする請求項16に記載の共有情報生成プログラム。 - 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルを用いて他の通信装置との間で共有情報を生成する通信装置において、
前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通して前記他の通信装置と通信するための通信手段と、
それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための記憶手段と、
前記原情報を前記第1チャネルを通して前記他の通信装置へ送信し、前記他の通信装置が前記第1チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第2チャネルを通して前記他の通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記記憶手段に記憶し、前記他の通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を前記他の通信装置へ通知し、その通知に対して前記他の通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
- 少なくとも相対的に信頼性の低い第1チャネルおよび信頼性の高い第2チャネルを用いて他の通信装置との間で共有情報を生成する通信装置において、
前記第1チャネルおよび前記第2チャネルを通して前記他の通信装置と通信するための通信手段と、
前記第1チャネルを通して前記他の通信装置から受信した情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための記憶手段と、
前記第1チャネルを通して前記他の通信装置から受信した情報に基づいて前記他の通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記他の通信装置へ送信し、前記他の通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記他の通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
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