JP4348540B2 - Quantum cryptography equipment - Google Patents
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Description
本発明は、伝送路により接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置に関し、特に、暗号鍵を光ファイバ通信によって送信部から受信部に対して配布する量子暗号鍵配布を行う量子暗号装置に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography device for transmitting quantum cryptography between a transmission unit and a reception unit connected by a transmission line, and in particular, distributes an encryption key from a transmission unit to a reception unit by optical fiber communication. The present invention relates to a quantum cryptography device that performs quantum cryptography key distribution.
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、DES(Data Encryption Standard)暗号のような共通鍵方式やRSA(Rivest, Shamir, Adleman)暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、このような従来の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。 With the explosive spread of the Internet and the commercialization of electronic commerce, there is an increasing social need for cryptographic technologies such as confidentiality and tampering prevention of communications and personal authentication. Currently, common key systems such as DES (Data Encryption Standard) ciphers and public key systems such as RSA (Rivest, Shamir, Adleman) ciphers are widely used. However, these are based on “computational safety”. In other words, such conventional encryption methods are constantly threatened by advances in computer hardware and decryption algorithms. In particular, in fields where extremely high security is required, such as transactions between banks and information related to military and diplomacy, the impact will be great if practically secure cryptographic methods become practical.
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。非特許文献1では、ワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルが提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在検討されている量子暗号は1ビットの情報を単一光子の状態として伝送する。このため、伝送路である光ファイバにより光子の状態が変化すると量子暗号の安全性は大きく損なわれる。
There is a one-time pad method as an encryption method whose unconditional security is proved by information theory. The one-time pad method is characterized in that an encryption key having the same length as the communication text is used, and the encryption key is discarded once. Non-Patent
従来の量子暗号装置では特許文献1の図1に記載されているように送信側で光子パルスを光路差のある干渉系を用いて時間的に2分割し、互いの位相差を変調することにより暗号鍵となる乱数ビットを表現し、受信側で2分割された光子パルスを再び干渉させることにより伝送された乱数ビットを再生している。このため、送信側と受信側で用いる干渉系の光路差は完全に等しくなければならない。また、伝送路で偏光状態が変動すると干渉の明瞭度が低下し、受信誤り率の増大につながる。量子暗号では受信誤り率の増大を盗聴者検出の手段としているため、伝送路での偏光状態の変化による受信誤り率増大は盗聴者の発見確率を減少させ、結果として量子暗号の安全性を低下させる。
In the conventional quantum cryptography apparatus, as described in FIG. 1 of
上述のような問題を解決するため、特許文献2またはこれを簡略にした非特許文献2に記載されているように、ファラデーミラーを用いて偏光方向の変動を補償する量子暗号装置が発明されている。この従来の量子暗号装置では、時間的に分割され偏光方向が直交した光パルスを受信器から送信器に送り、送信器はファラデーミラーを用いて送られてきた光の進行方向を反転させ、同時に偏光方向を90度回転させた後、分割された光子パルスの間に位相変調器により位相差を与えて受信側に送り返すという構成をとっている。このような折り返し構成により、光子パルスを時間的に分割する干渉系と時間的に再び結合させる干渉系は同一のものになるため、干渉系の光路差が光子パルスの往復時間より長い時間だけ一定に保たれば明瞭度の高い干渉が得られる。よく知られているように、途中の伝送路でいかなる偏光状態の擾乱を受けても、初めの状態が直線偏光状態であればファラデーミラーで反射されて戻った光の偏光方向は初めの状態に直交するため、伝送路での偏光状態の擾乱に対しても干渉信号の明瞭度は損なわれることはなく、量子暗号の安全性は保障される。
In order to solve the above-described problem, a quantum cryptography device that invents a variation in the polarization direction using a Faraday mirror has been invented as described in
しかしながら、特許文献1に開示された量子暗号装置には問題がある。最も深刻な問題点は、システムの安定性である。特許文献1に開示された量子暗号装置は、送信側の干渉系により2分割された、位相関係の定まった2連光子パルス間の相対位相に情報をエンコードして伝送し、受信側の干渉系で合波した2連光子パルスの成分を観測することにより、相対位相にエンコードされた情報のデコードを行う。相対位相は送受信器の持つ干渉系の光路差に極めて敏感に依存する。送受信器の持つ干渉系は独立であり、一般に異なる環境に置かれている。このため、システムを安定化するためには、それぞれの干渉系の光路差を通信キャリアとして用いる光の波長の精度で安定化させる必要がある。このような干渉系の安定化は、集積光学系の技術を用いた固体素子干渉系を用いたり、アクティブな制御を施すことで解決可能ではあるが、なお高度な技術を要し、システムコストの増大原因となる。また、用いられる光源には短パルス光源を必要とし、同様にコスト増大要因となる。
However, the quantum cryptography device disclosed in
また、特許文献2に開示された量子暗号装置にも、以下のような問題がある。この方式では、受信器側にある干渉系により位相関係の定まった2連光子パルスを作製して送信器に伝送し、送信器はこれを折り返すと同時に2連光子パルス間の相対位相に情報をエンコードして受信器に伝送する。受信器は自身の干渉系で合波した2連光子パルスを観測することにより、相対位相にエンコードされた情報のデコードを行う。このシステムにおいては、干渉に関与する2つの光子パルスが伝搬する経路は完全に一致するため、高いシステム安定性を持つ。さらに、このシステムでは、折り返しにファラデーミラーを用いることにより、伝送路での偏光状態の擾乱に依存しないシステムを実現可能である。しかしながら、この方法は折り返し型であるため、往路における大きな強度を持つ光パルスが復路にある単一光子レベルの微弱光パルスと交差する場合に、ファイバ中の後方散乱による迷光が発生し、システムのパフォーマンスを低下させるという問題がある。バーストパルス列を間欠的に伝送することにより、迷光の影響を避けることが可能であるが、その代償として鍵の生成レートが低下し、システムのパフォーマンスは改善しない。このような後方散乱による迷光は、量子暗号鍵伝送距離を制約する深刻な問題として知られている。
上述した従来の量子暗号装置では、下記のような問題点があった。
(1)特許文献1記載の技術では、送信側と受信側でそれぞれ干渉系を設けておく必要があるため、システムの安定性が低くなるとともに、システムコストが増大する。また、高価なパルス光源を用いる必要があるためシステムコストが増大する。
(2)特許文献2記載の技術では、干渉系は受信側にのみ備えればよいためシステムの安定性は高いが、ファイバ中の後方散乱による迷光が発生しシステムのパフォーマンスが低下する。
The conventional quantum cryptography apparatus described above has the following problems.
(1) In the technique described in
(2) In the technique described in
本発明の目的は、安定した動作を行うことができ、ファイバ中の後方散乱迷光によるパフォーマンス上の制約が無く、かつ構成が簡易で低コストな量子暗号装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a quantum cryptography device that can perform stable operation, has no performance restrictions due to backscattered stray light in a fiber, has a simple configuration, and is low in cost.
上記目的を達成するために、本発明の量子暗号装置は、伝送路により接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置であって、
光路差のある2つの光路を有する干渉系と、前記干渉系の2つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器と、前記伝送路を介して前記送信部から送信されてきた光信号を、前記干渉系の2つの光路の光路差によって決まる遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて前記干渉系に入力する第1の位相変調器とから構成される受信部と、
前記干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源と、前記光源により出力された光信号に対して、前記干渉系の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な第2の位相変調器と、前記第1の位相変調器および前記光子受信器の作動時間内に到着しうる光子数が平均1個以下となるように前記第1の位相変調器により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰させて前記伝送路に出射する光減衰器とから構成される送信部と、
前記第1および第2の位相変調器および前記光子受信器を前記干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期して作動させる時間同期手段とを有する。
In order to achieve the above object, a quantum cryptography device of the present invention is a quantum cryptography device for transmitting quantum cryptography between a transmission unit and a reception unit connected by a transmission path,
An interference system having two optical paths having optical path differences; a photon receiver for identifying which output port of the two output ports of the interference system outputs a photon; and the transmission via the transmission path A first phase that is time-selectively phase-modulated for a time shorter than a delay time determined by an optical path difference between two optical paths of the interference system and is input to the interference system. A receiver comprising a modulator;
A light source that outputs an optical signal having a narrower frequency width than the reciprocal of the delay time of the interference system, and an optical signal output by the light source is time-selective only for a time shorter than the delay time of the interference system. A second phase modulator capable of applying phase modulation to the first phase modulator, and the first phase modulator and the photon receiver so that the number of photons that can arrive within an operation time of the first phase modulator is 1 or less on average A transmitter configured by an optical attenuator that attenuates the light intensity of the optical signal after the phase modulation is performed by one phase modulator and emits the light to the transmission path;
Time synchronization means for operating the first and second phase modulators and the photon receiver synchronously for a time shorter than the delay time of the interference system.
本発明によれば、送信部の干渉系を省くことにより必要な干渉系を受信部の1つだけに減らすことができるため、装置構成を簡易化しコストを削減を図ることができる。また、干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源を用い、時間同期手段により、第1および第2の位相変調器および光子受信器を、干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期させて作動させるようにしているので、高価なパルス光源を用いる必要はなく、連続光を出力する光源を用いることが可能となり、コスト削減を図ることが可能となる。さらに、本発明では、光信号の伝送方向は送信部から受信部への単方向であるため、伝送路となる光ファイバ中の後方散乱による迷光によってパフォーマンスが低下することを防ぐことが可能となる。 According to the present invention, since the necessary interference system can be reduced to only one reception unit by omitting the interference system of the transmission unit, the apparatus configuration can be simplified and the cost can be reduced. Also, using a light source that outputs an optical signal having a narrower frequency width than the reciprocal of the delay time of the interference system, the first and second phase modulators and the photon receiver are moved from the delay time of the interference system by the time synchronization means. However, since they are operated in synchronism only for a short time, it is not necessary to use an expensive pulse light source, it is possible to use a light source that outputs continuous light, and it is possible to reduce costs. Furthermore, in the present invention, since the transmission direction of the optical signal is unidirectional from the transmission unit to the reception unit, it is possible to prevent performance from being deteriorated due to stray light due to backscattering in the optical fiber serving as the transmission path. .
また、本発明の他の量子暗号装置では、前記第1の位相変調器を、
前記伝送路から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える偏波スクランブラと、
前記偏波スクランブラから入力された光信号にたいして、一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる偏光子と、
前記偏光子を通過した光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。
In another quantum cryptography apparatus of the present invention, the first phase modulator is
A polarization scrambler that randomly modulates the polarization of an optical signal incident from the transmission path;
For an optical signal input from the polarization scrambler, a polarizer that passes only an optical signal having a certain polarization plane; and
You may make it comprise from the phase modulation part which performs phase modulation with respect to the optical signal which passed the said polarizer.
さらに、前記第1の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するファラデーミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ファラデーミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に該光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。
Further, the first phase modulator is
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A Faraday mirror for terminating a branch transmission line branched from the trunk transmission line by the circulator;
A phase which is provided in the middle of the branch transmission line and performs phase modulation on the optical signal when the optical signal guided to the branch transmission line is terminated by the Faraday mirror and makes a round trip through the branch transmission line. You may make it comprise from a modulation | alteration part.
さらに、前記第1の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよびファラデー回転子が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ループミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に、一定時間だけ時間的に離れた等振幅の2連電気パルスを与えられることにより該光信号に対して位相変調を行う位相変調部とから構成するようにしてもよい。
Further, the first phase modulator is
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A loop mirror configured by combining a polarization beam splitter and a Faraday rotator with a polarization-polarized optical fiber, and terminating a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator;
An equal amplitude that is provided in the middle of the branch line transmission line and is separated by a certain time in time when the optical signal guided to the branch line transmission line is terminated by the loop mirror and makes one round trip through the branch line transmission line. A phase modulation unit that performs phase modulation on the optical signal by being provided with the two electric pulses.
さらに、前記第1の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。
Further, the first phase modulator is
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A polarization beam splitter, a Faraday rotator, and a phase modulator are coupled by a constant polarization optical fiber. The polarization beam splitter, the Faraday rotator, and the phase modulator are configured by a loop mirror that terminates a branch transmission line branched from the trunk transmission line by the circulator. May be.
さらに、前記第1の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、半波長位相板および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。
Further, the first phase modulator is
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A polarization beam splitter, a half-wave phase plate, and a phase modulator are coupled by a constant polarization optical fiber, and are configured by a loop mirror that terminates a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator. It may be.
さらに、前記第1の位相変調器を、
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよび位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーとから構成するようにしてもよい。
Further, the first phase modulator is
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
The polarization beam splitter and the phase modulator may be coupled by a constant polarization optical fiber, and may be configured by a loop mirror that terminates a branch transmission line branched from the main transmission line by the circulator.
以上説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得ることができる。 As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1)第1の効果は、本発明によると特許文献1に開示された量子暗号装置に比べて、送信部の干渉系を省くことができ、必要な干渉系を受信部ひとつだけに減らすことが出来、装置構成を簡易化しコストを削減できる。
(1) The first effect is that, according to the present invention, the interference system of the transmission unit can be omitted and the necessary interference system can be reduced to only one reception unit as compared with the quantum cryptography device disclosed in
(2) 第2の効果は、本発明によると特許文献1に開示された量子暗号装置のように高価なパルス光源を用いる必要はなく、連続光源で足りる。従って、装置のコストを削減することが出来る。
(2) According to the present invention, the second effect is that it is not necessary to use an expensive pulse light source as in the quantum cryptography device disclosed in
(3)第3の効果は、本発明によると特許文献2に開示された量子暗号装置と異なり、光信号の伝送方向は送信器から受信器への単方向であるため、ファイバ中の後方散乱迷光によるパフォーマンス上の制約が無い。
(3) The third effect is that, unlike the quantum cryptography device disclosed in
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に、本発明の一実施形態の量子暗号装置の構成が示されている。本実施形態の量子暗号装置は、量子暗号を送信する送信部10と、送信部10からの量子暗号を受信する受信部20と、送信部10と受信部20とを接続する伝送路4と、時間同期手段8とから構成されている。
FIG. 1 shows the configuration of a quantum cryptography apparatus according to an embodiment of the present invention. The quantum cryptography apparatus of the present embodiment includes a transmission unit 10 that transmits quantum cryptography, a reception unit 20 that receives quantum cryptography from the transmission unit 10, a
送信部10は、干渉系6の遅延時間τdの逆数よりも狭い周波数幅Δνの一定周波数の光信号を出力する光源1と、位相変調器2と、光減衰器3とから構成され、受信部20は、位相変調器5と、光路差のある2つの光路を有する干渉系6と、干渉系6の2つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器7とから構成されている。
The transmitter 10 includes a
時間同期手段8は、位相変調器2、5および光子受信器7を、干渉系6の遅延時間よりも短い時間だけ同期して動作させる。
The time synchronization means 8 operates the
光源1は、出力光の周波数幅ΔνがΔν<<1/τdを満足するような、狭線幅、周波数安定性を持つ光源であり、原子吸収線を用いたフィードバック機構により周波数安定化された半導体レーザが利用できる。ここで、τdは干渉系6の2つの光路の光路差によって決まる遅延時間である。
The
位相変調器5は、伝送路4を介して送信部10から受信部20に送信されてきた光信号を、干渉系6の2つの光路によって決まる遅延時間τdよりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて干渉系6に入力する。
The
また、送信部10の位相変調器2は、光源1により出力された光信号に対して、干渉系6の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な位相変調器である。
The
この位相変調器2としては、市販のリチウムナイオベート導波路を用いた位相変調器を用いることができる、これらの位相変調器はその変調特性に偏波面依存性を有するが、位相変調器2に入射する光の偏波面は光源1により自由に制御可能であるので、最善の偏波面を選択し、入射すればよい。一方、伝送路4は一般的に偏波面を保存しない。従って、位相変調器5で与える位相変調に対応する電気信号の大きさが一意に決まらないという問題が発生する。この問題を解決する手段として次の2つの方法がある。
As this
第1の方法は光の無偏波面化を行う方法である。この方法を用いる位相変調器5の構成の一例を図2に示す。この例では、位相変調器5は、偏波スクランブラ32と、偏光子33と、位相変調部34とから構成されている。
The first method is a method of making the light non-polarized plane. An example of the configuration of the
偏波スクランブラ32は、伝送路4から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える。偏光子33は、偏波スクランブラ32から入力された光信号に対して、位相変調部34における最適偏波面と同一の偏波面を有する、つまり一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる。位相変調部34は、偏光子33を通過した光信号に対して位相変調を行う。
The
図2において、伝送路4から入射した光は、偏波スクランブラ32によってランダムな偏波面変調を与えられる。偏光子33によって位相変調器34の最適偏波面と同一の偏波面を有する光子だけが選択された後に、位相変調器34により変調を与えられ出射される。この方法では入射光子の半数が偏光子33によって失われるというデメリットがある。また、偏波スクランブラ32などコスト増大の要因が残される。
In FIG. 2, the light incident from the
第2の方法は位相変調器の偏波面無依存化を行う方法である。本実施形態の量子暗号装置においては、位相変調器5の入出力光で偏波面が保存される必要はない。第2の方法を用いる位相変調器5の構成のいくつかの例を図3〜図7に示す。
The second method is a method for making the polarization plane independent of the phase modulator. In the quantum cryptography device of this embodiment, the plane of polarization need not be preserved by the input / output light of the
図3は、偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する一構成例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example for realizing a phase modulator having polarization plane independence.
この位相変調器は、サーキュレータ42と、位相変調部43と、ファラデーミラー44とから構成されている。
This phase modulator includes a
サーキュレータ42は、幹線伝送路41から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、この枝線伝送路からの光信号を幹線伝送路に戻す。ファラデーミラー44は、サーキュレータ42により幹線伝送路41から分岐された枝線伝送路を終端する。位相変調部43は、枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号がファラデーミラー44で終端されて枝線伝送路を一往復する際にこの光信号に対して位相変調を行う。
The circulator 42 branches the optical signal incident from the
次に、この位相変調器の動作を図3を参照して説明する。幹線伝送路41から入射された光信号は、サーキュレータ42によって枝光路(枝線伝送路)に分岐される。枝光路に導かれた光は、ファラデーミラー44で終端された枝光路を一往復し、その過程で位相変調部43を2回通過し、サーキュレータ42によって幹線伝送路に戻る。位相変調部43とファラデーミラー44間のラウンドトリップタイムだけ時間的に離れた等振幅の2連電気パルスを位相変調部43に与えることにより、入力光の偏波面に依存しない位相変調を与えることが可能である。
Next, the operation of this phase modulator will be described with reference to FIG. The optical signal incident from the
図4は、図3に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。幹線伝送路51から入射した光は、サーキュレータ52によって枝光路に導かれる。枝光路に導かれた光は、偏光ビームスプリッタ54、偏光回転角90度のファラデー回転子55、これらを結合する定偏波光ファイバ56、57からなるループミラーで終端された枝光路を一往復し、その過程で位相変調部53を2回通過し、サーキュレータ52によって幹線伝送路に戻る。この構成によるループミラーは、ファラデーミラーと同等の作用をすることが知られている。位相変調部53とループミラー間のラウンドトリップタイムだけ時間的に離れた等振幅の2連電気パルスを位相変調部53に与えることにより、入力光の偏波面に依存しない位相変調を与えることが可能である。
FIG. 4 is a diagram showing another configuration example for realizing a phase modulator having polarization plane independence similar to the phase modulator shown in FIG. Light incident from the
図5は偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。幹線伝送路61から入射された光は、サーキュレータ62によって枝光路に導かれる。枝光路に導かれた光は、偏光ビームスプリッタ63、位相変調部64、偏光回転角90度のファラデー回転子65、これらを結合する定偏波光ファイバ66、67、68からなる、位相変調部64を内包したループミラーで終端された枝光路を一往復し、サーキュレータ52によって幹線伝送路に戻る。この構成では、位相変調部64に与える電気パルスは単一のパルスで十分であるというメリットがある。
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example for realizing a phase modulator having polarization plane independence. Light incident from the
図6は、図5に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図である。この図6に示す構成では、図5に示した構成に対してファラデー回転子65を半波長位相板75に置き換えた構成となっている。半波長位相板75の光軸は、定偏波光ファイバ77、78の光軸から45°回転して配置されている。このような構成の位相変調器も、図5に示した位相変調器と同様な機能を有している。
FIG. 6 is a diagram showing another configuration example for realizing a phase modulator having polarization plane independence similar to the phase modulator shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 6, the Faraday rotator 65 is replaced with a half-wavelength phase plate 75 in the configuration shown in FIG. The optical axis of the half-wave phase plate 75 is arranged to be rotated by 45 ° from the optical axes of the constant polarization
なお、図6中の幹線伝送路71、サーキュレータ72、偏光ビームスプリッタ73、定偏波光ファイバ76〜78は、図5中の幹線伝送路61、サーキュレータ62、偏光ビームスプリッタ63、定偏波光ファイバ66〜68にそれぞれ対応している。
The
図7は、図5に示した位相変調器に類似する偏波面無依存性を有する位相変調器を実現する別の構成例を示す図であり、図5におけるファラデー回転子65に相当する素子はループミラー中に存在しない。その代わりに、偏光ビームスプリッタ83の端子831、832はそれぞれ電界ベクトルの向きを遅軸に合わせた定偏波光ファイバ85、86に結合されている。この構成によっても、同様に偏波面無依存性を有する位相変調器を実現することができる。
FIG. 7 is a diagram showing another configuration example for realizing a phase modulator having polarization plane independence similar to the phase modulator shown in FIG. 5, and an element corresponding to the Faraday rotator 65 in FIG. Not present in the loop mirror. Instead, the
なお、図7中の幹線伝送路81、サーキュレータ82、偏光ビームスプリッタ83、定偏波光ファイバ85、86は、図5中の幹線伝送路61、サーキュレータ62、偏光ビームスプリッタ63、定偏波光ファイバ66〜68にそれぞれ対応している。
The
光学損失の観点から言えば、これら第2の方法では、光路中に置かれた様々な光学素子による光学損失が3dBより小さくなければ第一の方法より優れているとは言えないが、偏波スクランブラのような動的素子が不要になる分コストを低減出来るメリットがある。 From the viewpoint of optical loss, these second methods cannot be said to be superior to the first method unless the optical loss due to various optical elements placed in the optical path is smaller than 3 dB. There is an advantage that the cost can be reduced by eliminating the need for a dynamic element such as a scrambler.
光減衰器3は、位相変調器2を通過した光信号を、量子暗号の安全性を確保するために必要な光強度に減衰する。具体的には、光減衰器3は、位相変調器5および受信器7の作動時間内に到着しうる光子数が平均1以下となるように、位相変調器2により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰する。
The
光路差のある干渉系6は光ファイバおよびファイバカップラによって実現することができるが、平面光回路技術の応用で集積光学素子により実施するのが、安定性の点でよりすぐれている。量子暗号装置が伝送路4中の光の偏波回転に依存せず動作するためには、干渉系6の長尺光路と短尺光路の復屈折特性は、偏波コントローラまたはそれに準ずる技術によりバランスされていることが必要である。
Although the interference system 6 having an optical path difference can be realized by an optical fiber and a fiber coupler, it is better in terms of stability to be implemented by an integrated optical element in the application of the planar optical circuit technology. In order for the quantum cryptography device to operate without depending on the polarization rotation of the light in the
光子受信器7は、外部制御により短時間だけ動作するゲートモード動作が可能で、時間同期手段8からのゲートオープン信号を入力することによりゲートオープン状態となり、ゲートオープン状態となったとき、干渉系6の2つの出力ポートのどちらのポートに光子が出力されたかを識別し結果を記録する機能を有する。これに用いる光子検出器7としては、ゲートモード動作のアバランシェフォトダイオードをもちいることができるが、多種の光子検出器であっても、ゲートモード動作を付加することが出来れば用いることが出来る。 The photon receiver 7 can operate in a gate mode that operates only for a short time by external control. When the gate open signal is input from the time synchronization means 8, the photon receiver 7 enters the gate open state. 6 has a function of discriminating to which of the two output ports the photon is output and recording the result. As the photon detector 7 used for this, a gate mode operation avalanche photodiode can be used, but even various photon detectors can be used as long as the gate mode operation can be added.
時間同期手段8は、送信器のもつ時計、受信器の持つ時計、送信器と受信器で時間情報を共有するための通信手段と、位相変調器2、位相変調器5、光子受信器7を適当な時間に動作させる信号を発生する手段により構成される。時計および信号発生手段は、適当に設計された電子回路により実施することが出来る。時間情報を共有する手段としては、伝送路4を用いて光信号により実施することが出来るが、本発明はその手段を限定する物ではない。
The time synchronization means 8 includes a clock of the transmitter, a clock of the receiver, a communication means for sharing time information between the transmitter and the receiver, a
次に、本実施形態の量子暗号装置の動作について図面を参照して詳細に説明する。 Next, the operation of the quantum cryptography apparatus of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
先ず最初に本実施形態の量子暗号装置の概略の動作について説明する。 First, the general operation of the quantum cryptography apparatus of the present embodiment will be described.
送信部10では、光源1から出射された光は位相変調器2を通過し、光減衰器3によって量子暗号の安全性を確保するために必要な光強度に減衰された後、伝送路4に入射される。その際に、位相変調器2では、時間同期手段8から出力された4値電気信号を用いて、通過中の光成分にパルス的位相変調を与える。このとき、位相変調量PがP−P0∈[0, π/2, π, 3π/2]かつランダムに選ばれるように電気信号出力値をプログラムしておく。
In the transmission unit 10, the light emitted from the
そして、伝送路4を通過して受信部20に入力された光信号は位相変調器5を通過する。このとき、位相変調器5では、位相変調器2で位相変調を与えられた光成分あるいはその前後τdの時間領域にある光成分のみに時間選択的に位相変調を与える。位相変調器5において位相変調を行う際の位相変調量Qは、Q∈[0, π/2]かつランダムに選ばれるように、時間同期手段8から位相変調器5に2値電気信号が与えられる。位相変調器5を通過した光は、光路差のある干渉系6に入射され、下記において説明するように、位相変調器2および位相変調器5の位相変調量の差P−Qに正弦波的に依存し、時間的に変動した出力光成分の一方のみが光受信器7により選択的に検出される。
Then, the optical signal that has passed through the
光子受信器7は、対応する干渉光成分が干渉系6の2つの出力ポートのどちらに出力されたかを識別し結果を記録する。 The photon receiver 7 identifies to which of the two output ports of the interference system 6 the corresponding interference light component is output, and records the result.
そして、光子受信器7により得られた記録と位相変調器2および位相変調器5の位相変調量のP、Qの記録を元に非特許文献1に与えられたプロトコルを実行すれば、安全な最終暗号鍵を生成することができる。
If the protocol given in
位相変調器2、位相変調器5を同期されるための同期信号は時間同期手段8から与えられるが、この同期信号の時間的調整を行う際には、光減衰器3の減衰量をゼロとして強い光信号を用いて行うようにすれば容易に調整を行うことが可能である。
A synchronization signal for synchronizing the
さらに、本実施形態の量子暗号装置における詳細な動作を以下に説明する。 Furthermore, detailed operations in the quantum cryptography apparatus of the present embodiment will be described below.
まず、位相変調器2および位相変調器5の作用を無視して、つまり位相変調が行われていない状態を考える。干渉系6の2つの光路の光路差によって決まる遅延時間をτdとし、光源1の出力光の周波数幅をΔνとすると、Δν<<1/τdが満足されている場合には光子受信器7の2つの出力ポートへの光出力の割合は、干渉系6の光路長差や光源1の出力光の中心周波数に依存し、これらのパラメータに対して正弦波的にそれぞれ周期vτd、1/τdで変動する。ここで、vは干渉系6の光路中の光の位相速度である。これは、時間τd離れた光成分に明確な位相関係があり干渉し合うためで、良く知られた光干渉現象であり、光フィルタなどのデバイスに応用されている。
First, let us consider a state where the actions of the
次に、位相変調器2および位相変調器5の動作について図8のタイミングチャートを参照して説明する。光源1から出射された連続光に、まず位相変調器2のみによってパルス的位相変調を与える。
Next, operations of the
図8(a)は位相変調器2における位相変調量の時間変化を示す図であり、図8(b)は位相変調器5における位相変調量の時間変化を示す図である。また、図8(c)、(d)は、光子受信器7の2つの出力ポートの光強度の時間変化を示す図であり、図8(e)は、光子受信器7に与えるゲートオープン信号の時間変化を示す図である。
FIG. 8A is a diagram showing a time change of the phase modulation amount in the
位相変調がない場合には、光子受信器7への光出力は干渉系6の光路長差や光源1の出力光の中心周波数によって決まる定常状態にある。位相変調器2のみにより光信号にパルス的位相変調を与えると、その作用により光子受信器7の光出力がパルス的に変動する。このパルス的変動は、図8(c)および図8(d)に示すように位相変調器2から光子受信器7までの光伝搬時間(時刻t1−t3)程度遅れて2つの時間領域に出現する。これは、位相変調を受けた光成分に対して前後τdの時間領域にある光成分が干渉するためである。この変動は光干渉によって生じるため、図8(c)に示した波形と図8(d)に示した波形を加算すると一定値になり、互いに相補的な関係にある。図8に示したように一方の出力ポートへの光出力強度をゼロまで落とすような位相変調量P0に調節することが常に可能であり、他方の出力ポートへの光出力強度をゼロに落とすような位相変調量
When there is no phase modulation, the light output to the photon receiver 7 is in a steady state determined by the optical path length difference of the interference system 6 and the center frequency of the output light of the
に調節することも常に可能である。これら2つの位相変調量の差 It is always possible to adjust to. The difference between these two phase modulation amounts
はπとなる。従って、光子受信器7をこの2つの時間領域の何れかに同期したゲートオープン信号を用いて同期的に短時間作動させて、この時間領域における光信号だけを観測するようにすれば(時刻t4)、位相変調器2の位相変調量Pに正弦波的に依存する光子受信器7出力を得ることが可能である。これに加えて、位相変調器5を位相変調器2から位相変調器5間での光伝搬時間(時刻t1−t2)だけ遅延させて作動させ、位相変調量Qを与えると、位相変調器2および位相変調器5の位相変調量の差P−Qに正弦波的に依存する光子受信器7出力を得ることが可能である。
Becomes π. Therefore, if the photon receiver 7 is operated synchronously for a short time using a gate open signal synchronized with one of these two time domains, and only the optical signal in this time domain is observed (time t 4 ) It is possible to obtain a photon receiver 7 output that depends sinusoidally on the phase modulation amount P of the
このような位相変調器2および位相変調器5の位相変調量の差P−Qに正弦波的に依存する光子受信器7の出力特性は、量子暗号装置の実装に必要な特性であり、この作用を用いて量子暗号装置を構成することが可能である。具体的には、光子受信器7の作動時間内に到着しうる光子数を平均1以下となるように光減衰器3の減衰量を設定し、位相変調器2の位相変調量PがP−P0∈[0, π/2, π, 3π/2]となるようにランダムに周期的にパルス変調を与え、光伝搬時間だけ遅延して位相変調器5の位相変調量Qを[0, π/2]からランダムに選んでパルス変調を与え、光伝搬時間だけ遅延して光子受信器7を短時間動作して得られた結果(いずれのポートに出力されたか)を記録すればよい。光子受信器7は、対応する干渉光成分が干渉系6の2つの出力ポートのどちらに出力されたかを識別し結果を記録する。
The output characteristic of the photon receiver 7 that depends sinusoidally on the difference P-Q between the phase modulation amounts of the
その後は、上述したように、得られた記録と位相変調器2および位相変調器5の位相変調量のP、Qの記録を元に非特許文献1に与えられたプロトコルを実行すれば、安全な最終暗号鍵を生成することができる。
After that, as described above, if the protocol given in
以上本実施形態では、光源1から出射された光が連続光の場合について主に説明したが、この方法に必要な光成分は位相変調を受けた光成分および前後τdの時間領域にある光成分の内一方のみである。従って、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、光源としてはこれらの時間領域のみ光が出射される非連続光であっても良い。
Although the present embodiment has mainly described the case where the light emitted from the
1 光源
2 位相変調器
3 光減衰器
4 伝送路
5 位相変調器
6 干渉系
7 光子受信器
8 時間同期手段
10 送信部
20 受信部
32 偏波スクランブラ
33 偏光子
34 位相変調部
41 伝送路
42 サーキュレータ
43 位相変調部
44 ファラデーミラー
51 伝送路
52 サーキュレータ
53 位相変調部
54 偏光ビームスプリッタ
55 ファラデー回転子
56 定偏波光ファイバ
57 定偏波光ファイバ
61 伝送路
62 サーキュレータ
63 偏光ビームスプリッタ
64 位相変調部
65 ファラデー回転子
66〜68 定偏波光ファイバ
71 伝送路
72 サーキュレータ
73 偏光ビームスプリッタ
74 位相変調部
75 半波長位相板
76〜78 定偏波光ファイバ
81 伝送路
82 サーキュレータ
83 偏光ビームスプリッタ
84 位相変調部
85、86 定偏波光ファイバ
831、832 偏光ビームスプリッタの端子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
光路差のある2つの光路を有する干渉系と、前記干渉系の2つの出力ポートのうちのどちらの出力ポートから光子が出力されたかを識別する光子受信器と、前記伝送路を介して前記送信部から送信されてきた光信号を、前記干渉系の2つの光路の光路差によって決まる遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えて前記干渉系に入力する第1の位相変調器とから構成される受信部と、
前記干渉系の遅延時間の逆数よりも狭い周波数幅の光信号を出力する光源と、前記光源により出力された光信号に対して、前記干渉系の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与えることが可能な第2の位相変調器と、前記第1の位相変調器および前記光子受信器の作動時間内に到着しうる光子数が平均1個以下となるように前記第1の位相変調器により位相変調が行われた後の光信号の光強度を減衰させて前記伝送路に出射する光減衰器とから構成される送信部と、
前記第1および第2の位相変調器および前記光子受信器を前記干渉系の遅延時間よりも短い時間だけ同期して作動させる時間同期手段と、
を有する量子暗号装置。 A quantum cryptography device for transmitting quantum cryptography between a transmission unit and a reception unit connected by a transmission path,
An interference system having two optical paths having optical path differences; a photon receiver for identifying which output port of the two output ports of the interference system outputs a photon; and the transmission via the transmission path A first phase that is time-selectively phase-modulated for a time shorter than a delay time determined by an optical path difference between two optical paths of the interference system and is input to the interference system. A receiver comprising a modulator;
A light source that outputs an optical signal having a narrower frequency width than the reciprocal of the delay time of the interference system, and an optical signal output by the light source is time-selective only for a time shorter than the delay time of the interference system. A second phase modulator capable of applying phase modulation to the first phase modulator, and the first phase modulator and the photon receiver so that the number of photons that can arrive within an operation time of the first phase modulator is 1 or less on average A transmitter configured by an optical attenuator that attenuates the light intensity of the optical signal after the phase modulation is performed by one phase modulator and emits the light to the transmission path;
Time synchronization means for operating the first and second phase modulators and the photon receiver synchronously for a time shorter than a delay time of the interference system;
A quantum cryptography device.
前記伝送路から入射された光信号に対してランダムな偏波面変調を与える偏波スクランブラと、
前記偏波スクランブラから入力された光信号にたいして、一定の偏波面を有する光信号のみを通過させる偏光子と、
前記偏光子を通過した光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項1に記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A polarization scrambler that randomly modulates the polarization of an optical signal incident from the transmission path;
For an optical signal input from the polarization scrambler, a polarizer that passes only an optical signal having a certain polarization plane; and
A phase modulator that performs phase modulation on the optical signal that has passed through the polarizer;
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するファラデーミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ファラデーミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に該光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項1記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A Faraday mirror for terminating a branch transmission line branched from the trunk transmission line by the circulator;
A phase which is provided in the middle of the branch transmission line and performs phase modulation on the optical signal when the optical signal guided to the branch transmission line is terminated by the Faraday mirror and makes a round trip through the branch transmission line. A modulation unit;
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよびファラデー回転子が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
前記枝線伝送路の途中に設けられ、枝線伝送路に導かれた光信号が前記ループミラーで終端されて枝線伝送路を一往復する際に、一定時間だけ時間的に離れた等振幅の2連電気パルスを与えられることにより該光信号に対して位相変調を行う位相変調部と、
から構成される請求項1記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A loop mirror configured by combining a polarization beam splitter and a Faraday rotator with a polarization-polarized optical fiber, and terminating a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator;
An equal amplitude which is provided in the middle of the branch transmission line and is separated in time by a fixed time when the optical signal guided to the branch transmission line is terminated by the loop mirror and makes a round trip through the branch transmission line. A phase modulation unit that performs phase modulation on the optical signal by being provided with two electric pulses of
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項1記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A polarization mirror, a Faraday rotator, and a phase modulator that are coupled by a polarization optical fiber; a loop mirror that terminates a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator;
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタ、半波長位相板および位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項1記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A polarization mirror, a half-wave phase plate and a phase modulator, which are configured by being coupled by a constant polarization optical fiber, and a loop mirror for terminating a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator;
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
幹線伝送路から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、該枝線伝送路からの光信号を前記幹線伝送路に戻すサーキュレータと、
偏光ビームスプリッタおよび位相変調器が定偏波光ファイバにより結合されることにより構成され、前記サーキュレータにより幹線伝送路から分岐された枝線伝送路を終端するループミラーと、
から構成される請求項1記載の量子暗号装置。 The first phase modulator comprises:
A circulator for branching the optical signal incident from the main transmission line to the branch transmission line and returning the optical signal from the branch transmission line to the main transmission line;
A loop mirror configured by coupling a polarization beam splitter and a phase modulator by a polarization-polarized optical fiber, and terminating a branch transmission line branched from a main transmission line by the circulator;
The quantum cryptography device according to claim 1, comprising:
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