JP4134271B1 - Quantum cryptography receiver, quantum cryptography transmitter, and optical pulse phase modulation method - Google Patents
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Abstract
光パルス31x〜34xは、往路の光パルスを示す。光パルス31y〜34yは、期間cが経過した後に光パルス31x〜34xが復路を進行する場合を示す。よって、光パルス31y〜34yは、それぞれ光パルス31x〜34xである。光パルス31xに着目する。受信側制御装置EBは、時刻「t−2−c」において、PMBによる光パルス31xへの位相変調量θ’B1を、受信側バッファに記憶する。そして、受信側制御装置EBの制御により、PMBは、期間cの後の時刻「t−2」において、受信側バッファに記憶された位相変調量θ’B1に基づいて、光パルス31yを位相変調する。このように、PMBが位相変調量θ’B1に基づいて光パルス31yを位相変調することにより、往路における光パルス31xへの位相変調量θ’B1の効果をキャンセルすることができる。光パルス32x〜34xについても、光パルス31xと同様である。
【選択図】図4Optical pulses 31x to 34x indicate forward optical pulses. The optical pulses 31y to 34y indicate a case where the optical pulses 31x to 34x travel on the return path after the period c has elapsed. Therefore, the optical pulses 31y to 34y are optical pulses 31x to 34x, respectively. Focus on the light pulse 31x. Receiving side control unit E B at time "t-2-c", the phase modulation amount theta 'B1 to the optical pulse 31x by PMB, stored in the reception buffer. Then, the control of the receiving controller E B, PMB at time "t-2" after the period c, based on the phase modulation amount theta 'B1 stored in the reception buffer, an optical pulse 31y phase Modulate. Thus, PMB is 'by phase-modulating the optical pulses 31y based on the B1, the phase modulation amount θ of the optical pulse 31x in the forward path' phase modulation amount θ can be canceled effect of B1. The optical pulses 32x to 34x are the same as the optical pulse 31x.
[Selection] Figure 4
Description
この発明は、Plug&Play方式量子暗号における量子暗号受信装置及び量子暗号送信装置及び光パルスの位相変調方法に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography reception device, a quantum cryptography transmission device, and an optical pulse phase modulation method in Plug & Play quantum cryptography.
量子暗号の課題は、通信速度と通信距離である。しかも、この2つは独立ではない。単一光子か、それに匹敵する弱い光を用いている以上、この2つはトレードオフの関係にある。なぜなら、送信側での光強度は、光子1個(レベル)と決まっている。このため、通信距離が長くなれば、通信路上での伝送損失により、到達できる光子の数が減り、結果として通信速度は遅くなる。通常のシングルモード光ファイバの場合、通信距離100Kmで約20dB(=1/100)の損失が生じるため、送信者が100個の光子を出しても受信者は1個しか受信できない。別の言い方をすれば、受信者が平均1bps(ビット/秒)の速度で受信するためには、送信者は少なくとも100bps以上の速度で出力しなければならない。しかも、これは光ファイバの損失しか考えていない場合である。実際には検出器の検出効率や変調器の損失、接続端面でのフレネル反射など、様々な損失の要因が加わる。このため、受信者の受信レートに対して、送信者の正味の送信レートは、一般的に1万倍以上の高速性が要求される。受信レートが1Kbpsなら送信レートは10Mbps、即ち10MHz以上、受信レートが1Mbpsなら送信レートは10GHz以上の速度が求められる。つまり、装置としては現在でも、ギガヘルツレベルで動作し、光子を送信しても、受信側のビットレートとしては、この程度のものしか得ることができないのである。 The challenges of quantum cryptography are communication speed and communication distance. Moreover, the two are not independent. As long as they use a single photon or comparable weak light, the two are in a trade-off relationship. This is because the light intensity on the transmission side is determined to be one photon (level). For this reason, if the communication distance is increased, the number of photons that can be reached decreases due to transmission loss on the communication path, resulting in a slower communication speed. In the case of a normal single mode optical fiber, a loss of about 20 dB (= 1/100) occurs at a communication distance of 100 km, so that even if the transmitter emits 100 photons, the receiver can receive only one. In other words, in order for the receiver to receive at an average rate of 1 bps (bits / second), the sender must output at a rate of at least 100 bps. Moreover, this is a case where only the loss of the optical fiber is considered. In practice, various loss factors such as detection efficiency of the detector, loss of the modulator, and Fresnel reflection at the connection end face are added. For this reason, the net transmission rate of the sender is generally required to be 10,000 times or more faster than the reception rate of the receiver. If the reception rate is 1 Kbps, the transmission rate is 10 Mbps, that is, 10 MHz or more. If the reception rate is 1 Mbps, the transmission rate is required to be 10 GHz or more. In other words, even at present, the device operates at a gigahertz level, and even if a photon is transmitted, only a bit rate on the receiving side can be obtained.
一方、実用化にはさらなる高速化が必要であるというのが大方の見方である。そこで、方式自体を根本的に見直し、高速化に対応し、効率も上げようとする研究が盛んに行われている。しかし、こうした研究は、多くの場合、情報キャリアとして、単一光子ではなく、より強い光を用いることを前提としている場合が多い。BB84プロトコルという量子暗号方式が提案されて以来、その安全性は、単一光子の「存在」に求められてきた。しかし今、その前提に基づかない方式が数多く提案され、本来、同じ土俵で評価できないものが、混ざりあって議論されている。勿論、こうした方式の中から将来の量子暗号の本流となるプロトコルが登場する可能性は大きいとは思うが、BB84プロトコルを用いた単一光子量子暗号の無条件安全性でさえ、数年前にようやく証明されたことを考えると、これら新たに提案された量子暗号が、現時点で安全であるという保障は残念ながらどこにもない。 On the other hand, the general view is that further speedup is necessary for practical use. Therefore, research is being actively conducted to fundamentally review the method itself, to cope with higher speeds and to improve efficiency. However, these studies often presuppose the use of stronger light rather than single photons as information carriers. Since the quantum cryptosystem called the BB84 protocol was proposed, its security has been demanded by the “existence” of a single photon. However, many methods that are not based on that premise have been proposed, and those that cannot be evaluated with the same earthwork are mixedly discussed. Of course, I think there is a great possibility that a protocol that will become the mainstream of future quantum cryptography will appear from among these methods, but even the unconditional security of single-photon quantum cryptography using the BB84 protocol is several years ago. Unfortunately, there is no guarantee that these newly proposed quantum ciphers are secure at the moment, given that they have finally been proved.
今回、発明者らは、Plug&Play方式の量子暗号に対して、従来の安全性の枠組みから逸脱せずに、高速化する実装方法を提案する。その結果、本実装方法によれば、一方向型の量子暗号方式と同程度にまで駆動周波数を高められる可能性がある。もちろん、安全性に関しては、「従来のBB84プロトコル+単一光子性」に依拠しており問題はないものと考える。 This time, the inventors propose a mounting method for speeding up the Plug & Play quantum cryptography without departing from the conventional security framework. As a result, according to this mounting method, there is a possibility that the drive frequency can be increased to the same extent as that of the one-way quantum cryptography. Of course, regarding safety, it is based on the “conventional BB84 protocol + single photon property”, and it is considered that there is no problem.
(従来の方式)
図8を用いて、Plug&Play量子暗号の従来の方式(例えば特許文献1)を説明する。図8に示すPlug&Play量子暗号は、光子が同じ通信路を往復することで、その通信路中で生じる偏波揺らぎや複屈折などの影響を自動的に補償する方式である。Plug&Play量子暗号は、その名の通り、繋ぐだけで簡単に安定動作できる優れた方法である。これまで世界中で行われてきたファイバを用いた量子暗号の実験は、こうした理由により、多くのものがPlug&Play方式を用いて行われてきた。そのPlug&Play量子暗号の動作を図8に基づき説明する。(Conventional method)
A conventional method of the Plug & Play quantum cryptography (for example, Patent Document 1) will be described with reference to FIG. The Plug & Play quantum cryptography shown in FIG. 8 is a system that automatically compensates for the influence of polarization fluctuations, birefringence, and the like that occur in a communication path when photons reciprocate through the same communication path. As the name suggests, the Plug & Play quantum cryptography is an excellent method that can be stably operated simply by connecting them. For the reasons described above, many quantum cryptography experiments using fibers that have been performed all over the world have been performed using the Plug & Play method. The operation of the Plug & Play quantum cryptography will be described with reference to FIG.
図8に示すように、従来のPlug&Play量子暗号方式は、量子暗号を送信する送信側の量子暗号送信装置100と、量子暗号を受信する受信側の量子暗号受信装置200とから構成される。量子暗号送信装置100と量子暗号受信装置200とは、長距離光ファイバである通信用光ファイバ16で結ばれている。量子暗号送信装置100は、拠点Aという場合がある。量子暗号送信装置100は、この分野では「Alice」と呼ばれる。量子暗号受信装置200は、拠点Bという場合がある。量子暗号受信装置200は、この分野では「Bob」と呼ばれる。
As shown in FIG. 8, the conventional Plug & Play quantum cryptography system includes a quantum
量子暗号送信装置100は、送信側制御装置EA(1)、減衰器2、位相変調器3(PMA3という場合がある)、ファラデーミラー4(FM4という場合がある)、光検出器5、カプラー6を備える。The quantum
量子暗号受信装置200は、受信側制御装置EB(7)、位相変調器8(PMB8という場合がある)、レーザ9、偏光ビームスプリッター10(PBS10という場合がある)、カプラー11、光子検出器12、光子検出13、サーキュレーター14、遅延発生用光ファイバ15を備える。The quantum cryptography receiving
図8の方式の動作を説明する。レーザ9から出た光パルスは、サーキュレーター14を通り、カプラー11に入射する。入射した光パルスは、カプラー11により、短い経路S(図8に破線で示す経路S)を通る光パルスと、遅延発生用光ファイバ15を設けた長い経路L(図8に点線で示す経路L)を通る光パルスとの2つの光パルスに分割される。この場合、図8には示していないが、一般にはこれら2つの光パルスは、それぞれ、偏光を調整された後、PBS10に入射する。時間軸上で見れば、この2つの光パルスは、先行する「光パルスa」と、それをほぼ遅延発生用光ファイバ15を通った時間だけ遅れて追いかける「光パルスb」とに分けられる。つまり、往路での光パルスは1つではなく、2つの光パルスとなって拠点Aへと向かう。単一光子なので、これら2つの光パルスは、量子力学的には2つのパルスの重ね合わせ状態となっている。
The operation of the method of FIG. 8 will be described. The light pulse emitted from the
PBS10は、光子の偏光状態によりビームを分ける装置であり、今の場合、パスSを通り縦方向の偏光に調整された光パルスaは、そのまま通信用光ファイバ16に抜ける(水平方向の偏光の光は通過できない)。一方、パスLを通った光パルスbは、横方向に偏光を調整された後、PBS10の別のポートから入射する。PBS10は、横方向の偏光の光のみ反射するので、パスLを通った光パルスbは、通信用光ファイバ16に送出される(垂直方向は通過できない)。
The
量子暗号送信装置100には通信用光ファイバ16を通して、2つの異なった偏光モードをもった光パルスaと光パルスbとがタイミングをずらして入力される。通信用光ファイバ16を介して入力された光パルスaと光パルスbとは、それぞれカプラー6でまぜ合わされ、分割される。カプラー6で分割された一方の光パルスa,bは、まだ強度の強い光であるため、光検出器5により検出される。光検出器5の光パルス検出タイミングに従い、PMA3は光パルスa,bのうち光パルスbのみに変調をかけることとなる。カプラー6で分割されたもう一方の光パルスa,bは、減衰器2を通り、PMA3を経て、ファラデーミラー4で跳ね返される(光検出器5は、前記のように、タイミング同期に使われる)。ファラデーミラー4は、光子の偏光を往復で90度回す鏡である。ファラデーミラー4で跳ね返った光は、入射時に縦の偏光状態なら横に、入射時に横の偏光状態であれば縦にそれぞれ偏光面が回転して跳ね返ってくる。ファラデーミラー4で反射されてPMA3を通過する2つの光パルスa,bのうち、PMA3は、2番目の光パルスbにのみ位相変調(θA)をかけるように制御装置EA(1)によりタイミングが調整されている。先行する光パルスaとPMA3により位相変調された光パルスbとは、再び減衰器2を通過し弱められ、これらの光パルスa,bは、この時点で単一光子か、それ以下の弱い光になり、カプラー6を通り、通信用光ファイバ16を介して拠点Bへ戻っていく。このとき2連パルスは、もちろんそのままである。An optical pulse a and an optical pulse b having two different polarization modes are input to the quantum
もし、通信用光ファイバ16が光子の偏光状態を保持するような光ファイバであれば、往路でパスSを通った時間的に先行する光パルスaは、FM4により横偏光に変化して先頭で戻り、今度はPBS10により往路とは異なるポートに導かれ、パスLを通り、PMB8の位相変調(θB)を受ける。If the communication
逆に、往路でパスLを通り横偏光の光として飛んで行き、FM4により縦偏光に変換され、PMA3により位相変調を受け、少し遅れて戻ってきた光パルスb(θA)は、PBS10によりパスSに導かれる。On the other hand, the light pulse b (θ A ) which travels in the forward path through the path L, flies as horizontally polarized light, is converted into longitudinally polarized light by the FM4, undergoes phase modulation by the PMA3, and returns with a slight delay. Guided to path S.
従って、往路にパスSを通った先行する光パルスaは、復路ではパスLを通る(経路S→FM→L)。また、往路にパスLを通った光パルスb(θA)は、復路ではパスSを通る(経路L→FM→S)。これら光パルスa(θB)と光パルスb(θA)とは、カプラー11にたどり着く時間が一致し、光子が光路上で影響を受けた位相変調量(θA及びθB)に従って干渉を起こす。Accordingly, the preceding optical pulse a passing through the path S on the forward path passes through the path L on the return path (path S → FM → L). Further, the light pulse b (θ A ) that has passed through the path L on the forward path passes through the path S on the return path (path L → FM → S). These optical pulses a (θ B ) and optical pulses b (θ A ) have the same time to reach the
PMA3による変調量をθA、PMB8による変調量をθBとし、また光子が経路S→FM→Lを通り、時刻tに上側の検出器12に戻ってくる状態を|ψslH〉、経路L→FM→Sを通り、やはり同じ時刻tに下側の検出器13に戻ってくる状態を|ψlsL〉とすると、カプラー11を通った後の光子の状態|ψ〉は、次の式(1)で示すような、2つの状態の重ね合わせとなっている。The modulation amount by PMA3 and theta B modulation amount by θ A, PMB8, also photons through the path S → FM → L, the
但し、cは定数、△θ=θA−θBとする。
つまり送信者と受信者がそれぞれ独立に決めるθA、θBの値により光子の状態が変化し、カプラー11から出力されるポートが変わり、従って受け取る検出器が変わる。この光子の干渉効果により、送受信者間で鍵共有を行えることになる。つまり拠点A、Bの位相変調の操作が、結果として反映される。これにより拠点間で鍵共有を行えることになる。これが例えば特許文献1(特表2000−517499号公報)のような従来のPlug&Play量子暗号方式の概要である。However, c is a constant and Δθ = θ A −θ B.
That is, the state of the photon changes depending on the values of θ A and θ B that are independently determined by the sender and the receiver, the port output from the
図8に示した系は、系全体の駆動速度があまり速くなく、かつ光パルスの幅がどの場所でも十分狭いときには、これまでの実績が示すとおり、実現するのはそう難しくはない。 The system shown in FIG. 8 is not so difficult to realize as the past results show when the driving speed of the entire system is not so high and the width of the optical pulse is sufficiently narrow everywhere.
しかし、Plug&Play量子暗号は、一方向の量子暗号方式に比べて高速化が難しいと考えられている。その理由の1つは、高速で連続的に光パルスを発生させた場合、光が往復する光学系であるため、往路のパルスと復路のパルスとが混在し、変調タイミング制御が厳しくなるためである。 However, the Plug & Play quantum cryptography is considered to be difficult to increase in speed compared to the one-way quantum cryptography. One of the reasons is that when optical pulses are generated continuously at high speed, the optical system reciprocates, so that the forward pulse and the backward pulse are mixed and the modulation timing control becomes strict. is there.
特に、高速駆動した場合、図8の拠点B(Bob)と呼ばれる受信者のPMB8における位相変調タイミング制御が難しい。
In particular, when driven at high speed, it is difficult to control the phase modulation timing in the
図9は、拠点Bである量子暗号受信装置200が高速駆動した場合に、PMB8における位相変調タイミングの制御が難しいことを説明する図である。図9を参照して、PMB8における位相変調タイミング制御の困難性を説明する。図9において光パルス51〜光パルス53は、往路の光パルスを示す。また光パルス54〜光パルス57は、復路の光パルスを示す。本来、PMB8は、復路の光パルス54等に対して位相変調を行い、往路の光パルス51等には位相変調を行わない。この理由の1つは往路の強い光のレベルで位相変調を行なうと、光子を分割して情報が漏えいする可能性があるからである。この場合、量子暗号の性能の向上を目指し、システム(拠点A及び拠点B)をGHzレベル以上の高速駆動まで高めると、光パルスの間隔は、その逆数で狭まる。よって、ナノ秒(ns)あるいはピコ秒(ps)レベルの時間で光パルスを制御しなければならなくなる。一般にPlug&Play方式の系は、系全体の駆動速度があまり速くなく、しかも光パルスの幅が、分散補償などにより経路上のどこでも十分狭く保たれているときは、これまでの実績が示すとおり、実現するのはそう難しいことではない。
FIG. 9 is a diagram for explaining that it is difficult to control the phase modulation timing in the
しかし、1GHzくらいの駆動速度になると、図9に示すパルス間隔Dは、1ns程度となる。そして、例えば、PMB8による位相変調の対象ではない往路の光パルスと、PMB8による位相変調の対象である帰り(復路)の光パルスとが、1nsの中で交錯する。例えば、復路の光パルス56、57の間に往路の光パルス51が存在する状態になる。つまり、位相変調を行う電気的なパルス幅Bは、1nsよりも狭い、たとえば、数百psという幅が要求される。この数百psのパルスが図9のように往復で重ならないように、ファイバの長さなどで調整等で設定を行う必要がある。すなわち、PMB8による位相変調の対象である復路の光パルスのみをPMB8で位相変調するように、ファイバの長さなどの調整等で設定を行う必要がある。
However, when the driving speed is about 1 GHz, the pulse interval D shown in FIG. 9 is about 1 ns. Then, for example, a forward optical pulse that is not subject to phase modulation by the PMB8 and a return (return) optical pulse that is subject to phase modulation by the PMB8 intersect in 1 ns. For example, the
こうして、往路の光パルスと復路の光パルスとが重なり合わないように、復路の光パルスのみが位相変調されるように初期設定しても、周囲の温度変化に伴い、光路Lの長さが変化してしまう。この結果、復路の光パルスの到着タイミングがずれてくる。このため、往復の光パルスが重なる状況が発生し、意図しない変調になる。すなわち、PMB8による位相変調の対象ではない往路の光パルスまでもが、PMB8により位相変調をされてしまう。図9の場合では、例えば、光パルス56と光パルス51とが重なってしまい、復路の光パルス56を変調する場合に、位相変調を予定していない往路の光パルス51までもが位相変調されてしまう。
Thus, even if the initial setting is made so that only the optical pulse of the return path is phase-modulated so that the optical pulse of the outward path and the optical pulse of the return path do not overlap, the length of the optical path L is reduced with the ambient temperature change. It will change. As a result, the arrival timing of the optical pulse on the return path is shifted. For this reason, a situation occurs in which round-trip light pulses overlap, resulting in unintended modulation. That is, even the forward optical pulse that is not subject to phase modulation by the PMB8 is phase-modulated by the PMB8. In the case of FIG. 9, for example, the
ファイバの熱膨張率は、材質により異なるが、例えば、長さが100kmのとき、温度が1℃変化すると約70cm変化する。70cmのファイバ中を光が移動するには、3.5nsかかる。駆動速度がGHzレベルの高速駆動の場合、上述のようにピコ秒レベルの制御が必要であるにもかかわらず、僅か1℃の温度変化で3.5nsの変化が起きることは、致命的であり、事実上、手動での制御は、不可能である。
このようなPlug&Play量子暗号方式で深刻な進行方向の異なる光パルス列の混在する課題に対して、タイムスロットを分割して割り当てることで制御する方法も提案されている(特許文献2)。これは、いわゆる間欠モードと表現されるものである。この方式は、Plug&Play方式の特徴である、光源も検出器も持っている側、すなわち拠点B側で、ある一定量だけ連続して光パルスを送出し、拠点A側で折り返されて、その先頭が戻ってくる時刻には、次のパルスを出さないように制御する方式である。従って、往復の光子が重なる心配はない。例えば、拠点間の距離を50Kmとすると、この通信路を光が往復する時間は約500μs(ファイバ中の光の速度は、1メートル/5ナノ秒である)となる。従って、500μsレーザから光を出して(1GHzのパルスレーザなら500000パルス出力される)、次の500μsは検出器のみ動作し、また次に500μs光を出す処理を繰り返せば、上記で述べたような往復の光パルスが重なることは避けられる。確かにこの方法を用いれば、安全性上の問題はクリアでき、また光源と光検出器が近い関係による後方散乱の影響も排除できるメリットもある。しかし、効率的には、パルスを連続的に送出する場合に比べ、半分になってしまうという課題があった。 In such a plug & play quantum cryptography, a method of controlling by dividing and assigning time slots has also been proposed (Patent Document 2) for the problem of serious mixing of optical pulse trains with different traveling directions. This is expressed as a so-called intermittent mode. This method is a feature of the Plug & Play method, and a light pulse is continuously transmitted by a certain amount on the side having the light source and the detector, that is, on the site B side, and is turned back on the site A side. This is a method of controlling so that the next pulse is not issued at the time when the signal returns. Therefore, there is no worry that round-trip photons overlap. For example, if the distance between bases is 50 km, the time for light to travel back and forth on this communication path is about 500 μs (the speed of light in the fiber is 1 meter / 5 nanoseconds). Therefore, if light is emitted from a 500 μs laser (500,000 pulses are output if it is a 1 GHz pulse laser), only the detector operates for the next 500 μs, and then the process of emitting 500 μs light is repeated, as described above. It is avoided that round-trip light pulses overlap. Certainly, if this method is used, safety problems can be cleared, and there is also an advantage that the influence of backscattering due to the close relationship between the light source and the photodetector can be eliminated. However, there is a problem that the efficiency is halved as compared with a case where pulses are continuously transmitted.
さらに、特許文献3は、光学系に工夫を凝らすことにより受信側変調器に迂回路を設置して、復路パルスのみを変調器に導く改良案を開示している。しかし、余計な部品が追加されることによるロスの増加等により、従来よりも、ビットレートが1/10になってしまうという課題があった。
Further,
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、量子暗号の安全性を確保しつつ、位相変調タイミング制御の困難を緩和する方式を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a method for alleviating the difficulty of phase modulation timing control while ensuring the security of quantum cryptography.
この発明の量子暗号受信装置は、
量子暗号方式におけるプラグアンドプレイ(Plug&Play)方式により量子暗号を送信する量子暗号送信装置から、前記プラグアンドプレイ方式により前記量子暗号を受信する量子暗号受信装置において、
前記量子暗号送信装置により反射された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調する受信側位相変調部と、
前記受信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶する受信側位相変調量記憶部と
を備え、
前記受信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The quantum cryptography receiving device of the present invention is:
In a quantum cryptography receiving device that receives the quantum cryptography by the plug and play method from a quantum cryptography transmission device that transmits the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
A reception-side phase modulation unit that receives an optical pulse reflected by the quantum cryptography transmission device and phase-modulates the received optical pulse;
A reception-side phase modulation amount storage unit that stores a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the reception-side phase modulation unit;
The reception-side phase modulation unit is
When the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit.
前記受信側位相変調量記憶部は、
前記受信側位相変調部が位相変調をしようとする光パルスに対応する位相変調量である対応変調量を記憶しており、
前記受信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶している対応変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The reception-side phase modulation amount storage unit is
The reception-side phase modulation unit stores a corresponding modulation amount that is a phase modulation amount corresponding to an optical pulse to be phase-modulated,
The reception-side phase modulation unit is
When the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the corresponding modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit.
前記受信側位相変調量記憶部が記憶している対応変調量は、
前記受信側位相変調部が対応変調量に対応する光パルスを位相変調しようとする時刻に対して、予め設定された期間であって対応変調量に対応する光パルスが自己である量子暗号受信装置から送信されて前記量子暗号送信装置で反射され再び自己である量子暗号受信装置に戻るまでの期間を示す光パルス往復期間だけ過去の時刻における位相変調量であることを特徴とする。The corresponding modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit is
A quantum cryptography receiving apparatus in which the optical pulse corresponding to the corresponding modulation amount is self for a preset period with respect to the time at which the reception-side phase modulation unit attempts to phase-modulate the optical pulse corresponding to the corresponding modulation amount The phase modulation amount at the past time is the optical pulse reciprocation period indicating the period from the time when the light is transmitted to the time when the light is reflected by the quantum cryptography transmitter and returned to the quantum cryptography receiver itself.
前記量子暗号受信装置は、さらに、
量子暗号通信における量子誤り率を検出する受信側量子誤り率検出部を備え、
前記受信側位相変調部は、
前記受信側量子誤り率検出部による量子誤り率の検出結果が所定の値を超えた場合に、光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The quantum cryptography receiver further includes:
A reception-side quantum error rate detection unit that detects a quantum error rate in quantum cryptography communication,
The reception-side phase modulation unit is
Based on the phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit when the optical pulse is phase-modulated when the detection result of the quantum error rate by the reception-side quantum error rate detection unit exceeds a predetermined value. The optical pulse is phase-modulated.
この発明の量子暗号送信装置は、
量子暗号方式におけるプラグアンドプレイ方式により量子暗号を受信する量子暗号受信装置に、前記プラグアンドプレイ方式により前記量子暗号を送信する量子暗号送信装置おいて、
前記量子暗号受信装置から送信された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調する送信側位相変調部と、
前記送信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶する送信側位相変調量記憶部と
を備え、
前記送信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記送信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The quantum cryptography transmission device of this invention is
In a quantum cryptography receiving device that receives quantum cryptography by a plug and play method in a quantum cryptography method, in a quantum cryptography transmission device that sends the quantum cryptography by the plug and play method,
A transmission-side phase modulation unit that receives an optical pulse transmitted from the quantum cryptography reception device and phase-modulates the received optical pulse;
A transmission-side phase modulation amount storage unit that stores a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the transmission-side phase modulation unit;
The transmission-side phase modulation unit is
When the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the transmission-side phase modulation amount storage unit.
この発明の光パルスの位相変調方法は、
量子暗号方式におけるプラグアンドプレイ方式により量子暗号を送信する量子暗号送信装置から、前記プラグアンドプレイ方式により前記量子暗号を受信する量子暗号受信装置が行う光パルスの位相変調方法において、
受信側位相変調部が、
前記量子暗号送信装置により反射された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調し、
受信側位相変調量記憶部が、
前記受信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶し、
前記受信側位相変調部が、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The optical pulse phase modulation method of the present invention comprises:
In a phase modulation method of optical pulses performed by a quantum cryptography receiving device that receives the quantum cryptography by the plug and play method from a quantum cryptography transmission device that transmits the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
The receiving phase modulation unit
Receiving an optical pulse reflected by the quantum cryptography transmitter, phase modulating the received optical pulse,
The receiving-side phase modulation amount storage unit
Storing a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the reception-side phase modulation unit;
The reception-side phase modulation unit is
When the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit.
この発明の光パルスの位相変調方法は、
量子暗号方式におけるプラグアンドプレイ方式により量子暗号を受信する量子暗号受信装置に、前記プラグアンドプレイ方式により前記量子暗号を送信する量子暗号送信装置が行う光パルスの位相変調方法において、
送信側位相変調部が、
前記量子暗号受信装置から送信された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調し、
送信側位相変調量記憶部が、
前記送信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶し、
前記送信側位相変調部が、
光パルスを位相変調するときに、前記送信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする。The optical pulse phase modulation method of the present invention comprises:
In a phase modulation method of optical pulses performed by a quantum cryptography transmission device that transmits the quantum cryptography by the plug and play method to a quantum cryptography reception device that receives the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
The transmission-side phase modulation unit
Receiving an optical pulse transmitted from the quantum cryptography receiver, phase-modulating the received optical pulse,
The transmission-side phase modulation amount storage unit is
Stores the phase modulation amount of the optical pulse phase-modulated in the past by the transmission-side phase modulation unit,
The transmission-side phase modulation unit is
When the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the transmission-side phase modulation amount storage unit.
この発明により、量子暗号の安全性を確保しつつ、位相変調タイミング制御の困難を緩和する方式を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for alleviating the difficulty of phase modulation timing control while ensuring the security of quantum cryptography.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における量子暗号システムの構成を示す図である。図1は、実施の形態1のPlug&Play量子暗号における量子暗号送信装置100と量子暗号受信装置200との構成を示している。図1では、図8と同様の構成要素は、同一の符号が付されている。図1のPlug&Play量子暗号方式が、図8の従来のPlug&Play量子暗号に対して構成において異なる点は、量子暗号送信装置100(拠点A)の送信側制御装置EA(1)が送信側バッファ101(送信側位相変調量記憶部)を備えるとともに、量子暗号受信装置200の受信側制御装置EB(7)が受信側バッファ201(受信側位相変調量記憶部)を備えることである。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the quantum cryptography system according to the first embodiment. FIG. 1 shows the configuration of a quantum
図2は、図1から量子暗号送信装置100を抜き出した図である。図2に示すように、量子暗号送信装置100は、送信側制御装置EA(1)、減衰器2、PMA3(送信側位相変調部)、ファラデーミラー4、光検出器5、カプラー6、及び送信側バッファ101(送信側位相変調量記憶部)を備える。FIG. 2 is a diagram in which the quantum
図3は、図1から量子暗号受信装置200を抜き出した図である。図3に示すように、量子暗号受信装置200は、受信側制御装置EB(7)(受信側量子誤り率検出部)、位相変調器8(受信側位相変調部)、レーザ9、PBS10、カプラー11、光子検出器12、光子検出器13、サーキュレーター14、遅延発生用光ファイバ15及び受信側バッファ201(受信側位相変調記憶部)を備える。FIG. 3 is a diagram in which the quantum
図4は、図1のPMB8の位相変調の動作を説明する図である。図1の量子暗号システムの特徴は、PMB8が、受信側バッファ201の記憶した過去の位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調する点にある。図4を用いて、PMB8の位相変調の動作を説明する。図4において、光パルス31x〜34xは、往路の光パルスを示す。また、光パルス31y〜34yは、光パルス31x〜34xが復路を進行する場合を示しており、光パルス31y〜34yは、それぞれ光パルス31x〜34xと同一である。すなわち、期間cが経過し、往路の光パルス31xが復路の光パルスとなったものを光りパルス31yと呼んでいる。光パルス32y〜34yについても同様である。また、図4では、光パルスごとに、現在の位相変調データ38と500μs前の位相変調データ37(位相変調データ38に対して、期間cだけ前の変調データ)とを示している。500μsとは、通信用光ファイバ16の長さが50kmとした場合に、光パルスが拠点Bと拠点Aとを往復するのに要する時間(光パルス往復期間)である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the phase modulation operation of the
まず、PMB8により変調を行うタイミングついては、往路の光パルスと復路の光パルスとが重ならない場合の通常の動作は、従来のPlug&Play方式を踏襲する。
つまり、拠点A、B間での変調量であるθAとθBとの差△θ、
すなわち
△θ=|θA―θB|
にしたがって、光子検出器12、もしくは光子検出器13が反応し、データを集積する。First, regarding the timing of modulation by the
That is, the difference Δθ between θ A and θ B , which is the modulation amount between the bases A and B,
That is, Δθ = | θ A −θ B |
Accordingly, the
これに対して、図4は、PMB8による変調のタイミングにおいて、光パルスが往復で重なってしまった場合の対応策を示している。通常の状態(図9に示すように、PMB8による変調時に往路と復路との光パルスが重なっていない状態)と、図4に示すようにタイミングが重なった状態(PMB8による変調時に、往路と復路との光パルスが重なった状態)との区別は、変調量の変化(変調すべきでない往路の光パルスまで変調されることによる変調量の変化)による量子誤り率(QBER)の増加として、検出可能である。 On the other hand, FIG. 4 shows a countermeasure when the optical pulses are overlapped in the round trip at the timing of modulation by the PMB8. A normal state (a state in which optical pulses in the forward path and the backward path do not overlap during modulation by the PMB8 as shown in FIG. 9) and a state in which timings overlap as shown in FIG. 4 (a forward path and a return path in the modulation by the PMB8) Is detected as an increase in the quantum error rate (QBER) due to a change in the modulation amount (a change in the modulation amount due to the modulation to the optical pulse in the forward path that should not be modulated). Is possible.
実施の形態1の量子暗号システムでは、往路の光パルスがPMB8により受けたであろう変調量θ’B(対応変調量)を制御装置EB(7)の備える受信側バッファ201が記憶する。PMB8による往路の変調は予定しておらず、この変調量θ’Bは、復路の光パルスが受けるべき変調量である。PMB8は、その変調量θ’Bを加算して復路の光パルスを変調する。In the quantum cryptography system according to the first embodiment, the reception-
図4を参照して具体的に説明する。図4のような、PMB8による変調時に往路と復路との光パルスが重なった状態は、量子誤り率(QBER)の増加として、制御装置EB(7)により検出可能である。制御装置EB(7)は、PMB8による位相変調量を受信側バッファ201に常に記憶しており、量子誤り率(QBER)が所定の閾値を超えたと判定した場合、位相変調量を上書きする。
すなわち、
図4において、
制御装置EB(7)は、時刻「t−2−c」において、PMB8による光パルス31xへの位相変調量(θ’B1)を、受信側バッファ201に記憶する。
同様に、
制御装置EB(7)は、時刻「t−1−c」において、PMB8による光パルス32xへの位相変調量(θ’B2)を、受信側バッファ201に記憶する。
同様に、
制御装置EB(7)は、時刻「t−c」において、PMB8による光パルス33xへの位相変調量(θ’B3)を、受信側バッファ201に記憶する。
同様に、
制御装置EB(7)は、時刻「t+1−c」において、PMB8による光パルス34xへの位相変調量(θ’B4)を、受信側バッファ201に記憶する。
以下同様に、制御装置EB(7)は、全ての位相変調量を受信側バッファ201に記憶する。
そして、
制御装置EB(7)の制御により、
PMB8は、期間cの後の時刻「t−2」において、受信側バッファ201に記憶された位相変調量(θ’B1)に基づいて、光パルス31yを位相変調する。つまり、本来の変調量が(θB1)である場合、PMB8は、往路における光パルス31xに対する位相変調(θ’B1)を完全に上書きできる位相変調量で、復路の光パルス31yを位相変調する。つまり、往路の強い光の状態は、基本的に単一光子ではなく強い光のため盗聴可能であるが、復路は単一光子レベルのため盗聴ができない。
同様に、
PMB8は、期間cの後の時刻「t−1」において、受信側バッファ201に記憶された位相変調量(θ’B2)に基づいて、光パルス32yを位相変調する。
同様に、
PMB8は、期間cの後の時刻「t」において、受信側バッファ201に記憶された位相変調量(θ’B3)に基づいて、光パルス33yを位相変調する。
同様に、
PMB8は、期間cの後の時刻「t+1」において、受信側バッファ201に記憶された位相変調量(θ’B4)に基づいて、光パルス34yを位相変調する。This will be specifically described with reference to FIG. The state in which the optical pulses of the forward path and the backward path overlap during modulation by the PMB8 as shown in FIG. 4 can be detected by the control device E B (7) as an increase in the quantum error rate (QBER). The control device E B (7) always stores the phase modulation amount by the
That is,
In FIG.
At time “t-2-c”, the control device E B (7) stores the phase modulation amount (θ ′ B1 ) of the
Similarly,
The control device E B (7) stores the phase modulation amount (θ ′ B2 ) to the
Similarly,
The control device E B (7) stores the phase modulation amount (θ ′ B3 ) to the
Similarly,
At time “t + 1-c”, the control device E B (7) stores the phase modulation amount (θ ′ B4 ) to the
Similarly, the control device E B (7) stores all the phase modulation amounts in the reception-
And
By the control of the control device E B (7),
The
Similarly,
The
Similarly,
The
Similarly,
The
つまり、受信側バッファ201は、PMB8が復路の光パルスを位相変調しようとする時刻Tに対して、光パルスが通信路を往復するのに要する期間c(光パルス往復期間)だけ前の時刻である時刻「T−c」における位相変調データ(対応変調量)を格納している。概念的には、光パルスが、図4に破線で示す通信路36を進行するのに要する時間が、期間cである。PMB8は、受信側バッファ201が記憶しているθ’Biに基づいて、光パルスが往路で受けた位相変調量をキャンセルする位相変調量「θB+θ’B」(あるいは、光学系の設計により「θB−θ’B」)で、復路の光パルスに対して位相変調を行なう。That is, the reception-
このように、受信側バッファ201に記憶されたθ’Biと、従来のθA、θBとから、
拠点A、B間での変調量の差△θ、
すなわち
△θ=|θA―θB±θ’Bi|
の値によって、カプラー11から検出される側が決定される。Thus, from θ ′ Bi stored in the reception-
Difference in modulation amount between bases A and B, Δθ,
That is, Δθ = | θ A −θ B ± θ ′ Bi |
The side detected from the
前記のように、通常の状態(図9に示すように往路と復路で光パルスが重なっていない状態)と、図4に示すようなタイミングが重なった状態との区別は、変調量の変化(本来変調すべきでない往路の光パルスまで変調されること)による量子誤り率(QBER)の増加として、検出可能である。但し、往路のデータ(θ’Bi)を加味しても量子誤り率の改善が見られない場合は、盗聴によるものと判断できる。よって、該当データを破棄し、処理を中断することが好ましい。また、往路で受けたであろう変調データ(θ’Bi)を加味する際、対応するデータ(対応する復路の光パルス)に多少のずれが生じることが考えられる。この場合は、保持するデータ(θ’Bi)を1パルス前のデータ(θ’B、i−1)(あるいは、1パルス先のデータθ’B、i+1)に置き換えるなどして、量子誤り率の改善によりタイミングを見出す仕組みを取り入れるものとする。As described above, the distinction between the normal state (the state where the optical pulses do not overlap in the forward path and the backward path as shown in FIG. 9) and the state where the timings overlap as shown in FIG. This can be detected as an increase in the quantum error rate (QBER) due to the modulation of the forward optical pulse that should not be modulated. However, if the quantum error rate is not improved even when the forward data (θ ′ Bi ) is taken into account, it can be determined that this is due to wiretapping. Therefore, it is preferable to discard the corresponding data and interrupt the processing. Further, when the modulation data (θ ′ Bi ) that would have been received in the forward path is taken into account, it is conceivable that some deviation occurs in the corresponding data (corresponding inbound optical pulse). In this case, the stored data (θ ′ Bi ) is replaced with data (θ ′ B, i−1 ) one pulse before (or data θ ′ B, i + 1 one pulse ahead), etc. A mechanism to find timing by improving the system will be incorporated.
図5を用いて図4のさらに具体的な場合を説明する。図5は、図1を単純化したものである。レーザ9から出た光パルスQは、サーキュレーター14を通り、カプラー11に入射する。入射した光パルスQは、カプラー11により、短い経路Sを通る光パルスaと、遅延発生用光ファイバ15を設けた長い経路Lを通る光パルスbとに分割される。背景技術で述べたように、先行する「光パルスa」と、およそ遅延発生用光ファイバ15を通った時間だけ遅れて光パルスaを追いかける「光パルスb」とに分けられる。
A more specific case of FIG. 4 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a simplified version of FIG. The light pulse Q emitted from the
(パルスbについて)
PMB8において往復の光パルスが重なる状態となっている。このため、PMB8が復路の光パルス(b−1)を位相変調する場合に、光パルスbも、往路において位相変調を受けてしまう。図5の光パルスb,光パルス(b−1)はPBS8によりθ’Bの位相変調を受けた場合を示している。受信側バッファ201(図3)は、受信側制御装置EB(7)の制御により、往路の光パルスbに対する位相変調量θ’Bを記憶する。θ’Bだけ位相変調された光パルスbを光パルスb(θ’B)と書く。光パルスb(θ’B)は、通信用光ファイバ16を介して拠点Aに入力される。光パルスb(θ’B)は、FM4で反射され、さらに、PMA3により位相変調される。この場合、位相変調量はθAである。PMA3により位相変調された光パルスb(θ’B)を光パルスb(θ’B+θA)と書く。光パルスb(θ’B+θA)は、通信用光ファイバ16からPBS10を介してカプラー11に向かう。(About pulse b)
In PMB8, the reciprocating optical pulses are in a state of overlapping. For this reason, when the
(先行するパルスaについて)
一方、先行する光パルスaは、そのままPBS10から通信用光ファイバ16に抜ける。パルスaは、FM4で反射され、PMA3により位相変調されることなく通信用光ファイバ16に送出される。そして、光パルスaは、PBS10で反射されて経路Lに向かい、PMB8により位相変調を受けることとなる。このとき、受信側制御装置EB(7)の制御により、PMB8は、受信側バッファ201が記憶している位相変調量θ’Bに基づいて、パルスaを位相変調する。すなわち、PMB8は、光パルスaを位相変調量「θB+θ’B」で位相変調する。「θB+θ’B」で位相変調された光パルスaを光パルスa(θB+θ’B)と書く。
この場合、
△θ=|(θ’B+θA)−(θB+θ’B)|
=|θA―θB|
となり、通常の状態(往路と復路で光パルスが重なっていない状態)と同じ結果を得ることが可能となる。(About preceding pulse a)
On the other hand, the preceding optical pulse a passes through the
in this case,
Δθ = | (θ ′ B + θ A ) − (θ B + θ ′ B ) |
= | Θ A -θ B |
Thus, it is possible to obtain the same result as in a normal state (a state in which light pulses do not overlap in the forward path and the return path).
以上のように、量子暗号受信装置200では、PMB8が、受信側バッファ201に記憶された位相変調量に基づいて、光パルスを変調するので、量子暗号の安全性を確保した上で、位相変調タイミングの制御の困難性を緩和することができる。
As described above, in the quantum
(拠点Aにおける位相変調タイミングの制御)
図6、図7は、PMA3による拠点Aでの位相変調タイミングを説明する図である。図6、図7を用いてPMA3による拠点Aでの位相変調タイミングを説明する。拠点Aの位相変調タイミングに関しては、温度変化の影響は、あまり問題にならない。なぜなら、PMA3とFM4との距離が近いため、一度、変調タイミングの調整が行われた後は、その後、温度の影響による通信経路の伸び縮みは、小さいと考えられるからである。しかし、図6に示すように、拠点Aについても往路と復路とのパルスは存在する。図6を図1と対比して説明すると、往路は、PMA3からFM4までの経路である。また、復路は、FM4からPMA3までの経路である。図6に示すように、拠点Aにおいても往路と復路とのパルスが存在するので、位相変調タイミングの設定の際に往路と復路との光パルスを区別して位相変調タイミングを調整する必要があるが、これは大変である。そこで、拠点B側と同様、拠点Aにおいても、往路における位相変調量を記憶しておき、記憶した往路の位相変調量に基づき、復路における位相変調量を決める。これにより、拠点A内のタイミング調整においても自由度が増えることになり、調整がし易くなると考えられる。但し、代償として、記憶するバッファと、多少の計算が増えることにはなる。(Control of phase modulation timing at site A)
6 and 7 are diagrams for explaining the phase modulation timing at the site A by the
以下に図7を参照して動作を説明する。具体的動作は、拠点Bと同様である。図7は、PMA3による変調時に、往路と復路との光パルスが重なる状態を示している。図7は、図4に対応する。図7において、光パルス41x〜44xは、往路の光パルスを示す。また、光パルス41y〜44yは、光パルス41x〜44xが復路を進行する場合を示しており、光パルス41y〜44yは、それぞれ光パルス41x〜44xと同一である。また、現在の位相変調データ48と、光パルスを変調しようとする時刻に対して期間c(光パルス往復期間)だけ前の位相変調データ47とを示している。この場合、期間cは、光パルスがPMA3からFM4に進み(往路)、FM4で反射されてPMA3に戻る(復路)のに要する時間である。図7のような、PMA3による変調時に、往路と復路との光パルスが重なった状態は、図4の場合と同様に、量子誤り率(QBER)の増加として、制御装置EA(1)により検出可能である。
図7において、
制御装置EA(1)は、時刻「t−2−c」において、PMA3による光パルス41xへの位相変調量(θ’A1)を、送信側バッファ101に記憶する。
同様に、
制御装置EA(1)は、時刻「t−1−c」において、PMA3による光パルス42xへの位相変調量(θ’A2)を、送信側バッファ101に記憶する。
同様に、
制御装置EA(1)は、時刻「t−c」において、PMA3による光パルス43xへの位相変調量(θ’A3)を、送信側バッファ101に記憶する。
同様に、
制御装置EA(1)は、時刻「t+1−c」において、PMA3による光パルス44xへの位相変調量(θ’A4)を、送信側バッファ101に記憶する。
以下同様に、制御装置EA(1)は、全ての位相変調量を送信側バッファ101に記憶する。
そして、制御装置EA(1)の制御により、
PMA3は、期間cの後の時刻「t−2」において、送信側バッファ101に記憶された位相変調量(θ’A1)に基づいて、光パルス41yを位相変調する。つまり、本来の変調量が(θA1)である場合、PMA3は、往路における光パルス41xに対する位相変調(θ’A1)がキャンセルされる位相変調量で、復路の光パルス41yを位相変調する。
同様に、
PMA3は、期間cの後の時刻「t−1」において、送信側バッファ101に記憶された位相変調量(θ’A2)に基づいて、光パルス42yを位相変調する。
同様に、
PMA3は、期間cの後の時刻「t」において、送信側バッファ101に記憶された位相変調量(θ’A3)に基づいて、光パルス43yを位相変調する。
同様に、
PMA3は、期間cの後の時刻「t+1」において、送信側バッファ101に記憶された位相変調量(θ’A4)に基づいて、光パルス44yを位相変調する。The operation will be described below with reference to FIG. The specific operation is the same as that of the base B. FIG. 7 shows a state in which light pulses in the forward path and the return path overlap during modulation by the
In FIG.
At time “t-2-c”, the control device E A (1) stores the phase modulation amount (θ ′ A1 ) to the
Similarly,
The control device E A (1) stores the phase modulation amount (θ ′ A2 ) to the
Similarly,
The control device E A (1) stores the phase modulation amount (θ ′ A3 ) to the
Similarly,
The control device E A (1) stores the phase modulation amount (θ ′ A4 ) to the
Similarly, the control device E A (1) stores all the phase modulation amounts in the
And by control of control device E A (1),
The
Similarly,
The
Similarly,
The
Similarly,
The
つまり、送信側バッファ101は、PMA3が復路の光パルスを位相変調しようとする時刻T(例えば、t−2,t−1,t,t+1等)に対して、光パルスが経路を往復するのに要する期間c(光パルス往復期間)だけ前の時刻である時刻「T−c」における位相変調データ(対応変調量)を格納している。PMA3は、送信側バッファ101が記憶しているθ’Aiに基づいて、光パルスが往路で受けた位相変調量をキャンセルする位相変調量で、復路の光パルスに対して位相変調を行なう。That is, the
以上のように、量子暗号送信装置100では、PMA3が、送信側バッファ101に記憶された位相変調量に基づいて、光パルスを変調するので、量子暗号の安全性を確保した上で、位相変調タイミングの制御の困難性を緩和することができる。
As described above, in the quantum
以上、量子暗号受信装置200及び量子暗号送信装置100の動作を説明したが、これらの動作はそれぞれ、光パルスの位相変調方法として把握することも可能である。
The operations of the quantum
(実施の形態1の量子暗号方式の安全性について)
量子暗号では、絶対的な安全性という性質が最大のセールスポイントである。しかし、安全性の研究はこれまで多く為されているが、未だ十分とは言い難い。特に、安全性の議論で大きな要因は光源であるが、議論の多くは、実際に存在しない理想的な単一光子源を前提にして行われている。(About the security of the quantum cryptography of Embodiment 1)
In quantum cryptography, the absolute security feature is the biggest selling point. However, much research has been done so far, but it is still not enough. In particular, the major factor in safety discussions is the light source, but much of the discussion is based on an ideal single-photon source that does not actually exist.
現実のシステムは、大多数が、コヒーレント光源であり、光子の出現分布はポアソン分布に従う。つまり、単一光子ではなく、同じタイミングで2個以上光子が出力される確率は、ゼロではない。現在、多くの量子暗号システムは、コヒーレント光源の強さとして平均光子数0.1(確率的に10パルス中1パルスに1個の光子が出力される強さ)の微弱な光源を用いている。この場合、光子が同じパルスに2個以上送出される確率は、全体の0.5%となる。仮に平均光子数を、0.1の10倍強い1にすると、2個以上送出される確率は、全パルスの50%くらいと大きくなる。従って、この割合で、理論的には生鍵の盗聴が成功することになる。この盗聴者に取られたかもしれない情報に対して、その量を見積もり、秘匿性増強処理といった情報理論的な手続きにより安全性を高めている。 Most of the actual systems are coherent light sources, and the appearance distribution of photons follows a Poisson distribution. That is, the probability that two or more photons are output at the same timing instead of a single photon is not zero. At present, many quantum cryptography systems use a weak light source having an average photon number of 0.1 (a probability that one photon is output in 1 out of 10 pulses) as the intensity of a coherent light source. . In this case, the probability that two or more photons are transmitted in the same pulse is 0.5% of the total. If the average number of photons is 1, which is ten times as strong as 0.1, the probability of two or more transmissions increases to about 50% of all pulses. Therefore, at this rate, theoretically, the eavesdropping of the raw key is successful. The amount of information that may have been taken by this eavesdropper is estimated, and the security is enhanced by an information-theoretic procedure such as confidentiality enhancement processing.
以前、発明者らは、GHzレベルの高速駆動を目指すときの位相変調の時間間隔の厳しさから、隣接するパルスにまたがって位相変調を行うような方式を考えた。しかし、この方法では同時刻に同じ変調量に符号化された光子が2個、通信経路に存在することになり、安全性という観点から問題があり、このアイデアを封印した経緯がある。しかし、実施の形態1の方式のように、位相変調を受ける光子が単一光子であり、その単一の光子に対して複数回の操作(作用)を行い、また最後に作用される位相変調が、それまでの変調の全てを破壊的に上書きできる影響力があれば、その安全性は従来の単一光子の位相変調の安全性と同じであり、従来の議論がそのまま適用できる。従って実施の形態1の方式は、従来の単一光子性に基づく安全性要件を満たしていると考える。 In the past, the inventors considered a method of performing phase modulation across adjacent pulses because of the strict time interval of phase modulation when aiming at high-speed driving at the GHz level. However, in this method, two photons encoded with the same modulation amount at the same time exist in the communication path, which is problematic from the viewpoint of safety, and there is a background to sealing this idea. However, as in the first embodiment, the photon that undergoes phase modulation is a single photon, and the single photon is subjected to a plurality of operations (actions), and the phase modulation that is applied last. However, if there is an influence capable of destructively overwriting all the previous modulations, the safety is the same as the safety of the conventional single photon phase modulation, and the conventional argument can be applied as it is. Therefore, the system of the first embodiment is considered to satisfy the safety requirement based on the conventional single photon nature.
(パイプライン処理、微妙な送出タイミングの問題について)
実施の形態1で、往路における位相変調量を記憶しておき、復路の位相変調との総和で、1光子に対する位相変調を決定する方式を説明した。ここで注意しなければならないのは、「実施の形態1の量子暗号方式の安全性」にも記述したが、情報が2個以上の光子に分散され、これら光子が通信路に送出されない必要がある。そのためには、位相変調を行うために印加する電圧のパルス幅は、光子のパルス間隔以内でなければならない。そうでないと、位相変調のタイミングがずれたときに、2個の光子に同じ情報が符号化されてしまうことになり、安全ではなくなる(デューティ比など、制御回路の観点からみれば、光子のパルス間隔の半分くらいが、電圧変動の偏りがなく、変調パルス幅としては望ましい)。また、厳密に言えば、拠点Bでの観測が終了する前に、同じ位相情報の乗った光子を送出してはいけない。(但し拠点内は安全であると仮定する。)この制約のもと、高速化を行うには処理をパイプライン的に実施すれば良い。これにより間欠動作モード(特許文献2)に比べ、2倍の効率を実現でき、しかも温度揺らぎにも強く、Plug&Play方式においても高速動作可能で、安定的な系を実現できる。(Pipeline processing, subtle sending timing problems)
In the first embodiment, the method of storing the phase modulation amount in the forward path and determining the phase modulation for one photon by the sum total with the phase modulation in the backward path has been described. It should be noted here that “the security of the quantum cryptography according to the first embodiment” is also described, but the information needs to be distributed to two or more photons, and these photons need not be sent to the communication path. is there. For this purpose, the pulse width of the voltage applied to perform phase modulation must be within the photon pulse interval. Otherwise, when the phase modulation timing is shifted, the same information is encoded into two photons, which is not safe (from the viewpoint of the control circuit such as duty ratio, the photon pulse About half of the interval is preferable for modulation pulse width because there is no bias of voltage fluctuation). Strictly speaking, photons carrying the same phase information should not be transmitted before the observation at the site B is completed. (However, it is assumed that the site is safe.) Under this restriction, processing can be performed in a pipeline manner in order to increase the speed. As a result, it is possible to realize twice the efficiency compared to the intermittent operation mode (Patent Document 2), to be resistant to temperature fluctuations, to be able to operate at high speed even in the Plug & Play system, and to realize a stable system.
(BB84プロトコルを変形したプロトコルについて)
実施の形態1の方式では、BB84方式を踏襲した位相変調について述べたが、これをそもそも往復で位相変調を行うものとして、総和でBB84プロトコルの変調を行うようにすることも可能である。つまり、πやπ/4といった変調以外に、往路で3π/7、復路で4π/7、合計πといった変調も可能である。つまり、総和が0,π/4,π/2,3π/4となってBB84プロトコルを実現するような方式も容易に考えられる。(Protocol modified from BB84 protocol)
In the system of the first embodiment, phase modulation following the BB84 system has been described. However, it is also possible to perform modulation of the BB84 protocol as a sum by assuming that the phase modulation is performed reciprocally in the first place. That is, in addition to modulation such as π and π / 4, modulation such as 3π / 7 on the forward path, 4π / 7 on the return path, and total π is possible. That is, a system that realizes the BB84 protocol with the total sum being 0, π / 4, π / 2, and 3π / 4 can be easily considered.
1 送信側制御装置EA、2 減衰器、3 位相変調器、4 ファラデーミラー、5 光検出器、6 カプラー、7 受信側制御装置EB、8 位相変調器、9 レーザ、10 偏光ビームスプリッター、11 カプラー、12,13 光子検出器、14 サーキュレーター、15 遅延発生用光ファイバ、16 通信用光ファイバ、101 送信側バッファ、201 受信側バッファ、100 量子暗号送信装置、200 量子暗号受信装置。DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記量子暗号送信装置により反射された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調する受信側位相変調部と、
前記受信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶する受信側位相変調量記憶部と
を備え、
前記受信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする量子暗号受信装置。In a quantum cryptography receiving device that receives the quantum cryptography by the plug and play method from a quantum cryptography transmission device that sends the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
A reception-side phase modulation unit that receives an optical pulse reflected by the quantum cryptography transmission device and phase-modulates the received optical pulse;
A reception-side phase modulation amount storage unit that stores a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the reception-side phase modulation unit;
The reception-side phase modulation unit is
A quantum cryptography reception device that modulates a phase of an optical pulse based on a phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit when phase-modulating the optical pulse.
前記受信側位相変調部が位相変調をしようとする光パルスに対応する位相変調量である対応変調量を記憶しており、
前記受信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶している対応変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする請求項1記載の量子暗号受信装置。The reception-side phase modulation amount storage unit is
The reception-side phase modulation unit stores a corresponding modulation amount that is a phase modulation amount corresponding to an optical pulse to be phase-modulated,
The reception-side phase modulation unit is
2. The quantum cryptography receiving device according to claim 1, wherein when the optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the corresponding modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit.
前記受信側位相変調部が対応変調量に対応する光パルスを位相変調しようとする時刻に対して、予め設定された期間であって対応変調量に対応する光パルスが自己である量子暗号受信装置から送信されて前記量子暗号送信装置で反射され再び自己である量子暗号受信装置に戻るまでの期間を示す光パルス往復期間だけ過去の時刻における位相変調量であることを特徴とする請求項2記載の量子暗号受信装置。The corresponding modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit is
A quantum cryptography receiving apparatus in which the optical pulse corresponding to the corresponding modulation amount is self for a preset period with respect to the time at which the reception-side phase modulation unit attempts to phase-modulate the optical pulse corresponding to the corresponding modulation amount 3. The phase modulation amount at a past time during an optical pulse reciprocation period indicating a period of time from transmission to transmission after being reflected by the quantum cryptography transmission device and returning to the self quantum cryptography reception device again. Quantum cryptography receiver.
量子暗号通信における量子誤り率を検出する受信側量子誤り率検出部を備え、
前記受信側位相変調部は、
前記受信側量子誤り率検出部による量子誤り率の検出結果が所定の値を超えた場合に、光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする請求項1記載の量子暗号受信装置。The quantum cryptography receiver further includes:
A reception-side quantum error rate detection unit that detects a quantum error rate in quantum cryptography communication,
The reception-side phase modulation unit is
Based on the phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit when the optical pulse is phase-modulated when the detection result of the quantum error rate by the reception-side quantum error rate detection unit exceeds a predetermined value. The quantum cryptography receiver according to claim 1, wherein the optical pulse is phase-modulated.
前記量子暗号受信装置から送信された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調する送信側位相変調部と、
前記送信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶する送信側位相変調量記憶部と
を備え、
前記送信側位相変調部は、
光パルスを位相変調するときに、前記送信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする量子暗号送信装置。In a quantum cryptography receiving device that receives quantum cryptography by a plug and play method in a quantum cryptography method, in a quantum cryptography transmission device that sends the quantum cryptography by the plug and play method,
A transmission-side phase modulation unit that receives an optical pulse transmitted from the quantum cryptography reception device and phase-modulates the received optical pulse;
A transmission-side phase modulation amount storage unit that stores a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the transmission-side phase modulation unit;
The transmission-side phase modulation unit is
A quantum cryptography transmitting device characterized in that, when phase-modulating an optical pulse, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the transmission-side phase modulation amount storage unit.
受信側位相変調部が、
前記量子暗号送信装置により反射された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調し、
受信側位相変調量記憶部が、
前記受信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶し、
前記受信側位相変調部が、
光パルスを位相変調するときに、前記受信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする光パルスの位相変調方法。In a phase modulation method of optical pulses performed by a quantum cryptography receiving device that receives the quantum cryptography by the plug and play method from a quantum cryptography transmission device that transmits the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
The receiving phase modulation unit
Receiving an optical pulse reflected by the quantum cryptography transmitter, phase modulating the received optical pulse,
The receiving-side phase modulation amount storage unit
Storing a phase modulation amount of an optical pulse phase-modulated in the past by the reception-side phase modulation unit;
The reception-side phase modulation unit is
A phase modulation method of an optical pulse, characterized in that when an optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the reception-side phase modulation amount storage unit.
送信側位相変調部が、
前記量子暗号受信装置から送信された光パルスを受信し、受信された光パルスを位相変調し、
送信側位相変調量記憶部が、
前記送信側位相変調部により過去に位相変調された光パルスの位相変調量を記憶し、
前記送信側位相変調部が、
光パルスを位相変調するときに、前記送信側位相変調量記憶部が記憶した位相変調量に基づいて、光パルスを位相変調することを特徴とする光パルスの位相変調方法。In a phase modulation method of optical pulses performed by a quantum cryptography transmission device that transmits the quantum cryptography by the plug and play method to a quantum cryptography reception device that receives the quantum cryptography by a plug and play method in the quantum cryptography method,
The transmission-side phase modulation unit
Receiving an optical pulse transmitted from the quantum cryptography receiver, phase-modulating the received optical pulse,
The transmission-side phase modulation amount storage unit is
Stores the phase modulation amount of the optical pulse phase-modulated in the past by the transmission-side phase modulation unit,
The transmission-side phase modulation unit is
A phase modulation method for an optical pulse, characterized in that when an optical pulse is phase-modulated, the optical pulse is phase-modulated based on the phase modulation amount stored in the transmission-side phase modulation amount storage unit.
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