JP4358206B2 - Quantum cryptographic communication device and quantum cryptographic communication method - Google Patents

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Description

本発明は、鍵配送技術に関し、特に、コヒーレント光パルス列の相対的位相差を利用し、耐盗聴機能を備えた量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法に関する。   The present invention relates to a key distribution technique, and more particularly, to a quantum cryptography communication device and a quantum cryptography communication method that use a relative phase difference of a coherent optical pulse train and have an anti-theft function.

近年、光子1個レベルの光を用いることにより、計算量を安全性のよりどころにした暗号方式とは異なる方式であり、かつ物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点に存在する2者(2つの通信装置)間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムであって、一般に量子鍵配送とも呼ばれている。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは、従来技術として、差動位相シフト量子鍵配送方式(非特許文献1を参照)について説明する。   In recent years, research on quantum cryptography that uses a single-photon level of light and is different from encryption methods that secure the amount of computation on the basis of safety and that is physically secure is being promoted. ing. Quantum cryptography is a system that supplies a secret key for performing cryptographic communication between two parties (two communication devices) that exist at distant points, and is generally called quantum key distribution. Although there are various types of quantum key distribution, here, a differential phase shift quantum key distribution system (see Non-Patent Document 1) will be described as a conventional technique.

図3は、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す。送信機30は、平均1光子未満(例えば、0.1光子/パルス)を含むパルスに0またはπの位相変調をランダムに行い、パルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録し、その位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列31を送出する。平均光子数1個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。このようなパルス列を光子検出すると、あるパルスでは光子が検出されるが、あるパルスでは何も検出されない、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったくの確率的で、測定するまで不確定である。   FIG. 3 shows a basic configuration of a conventional differential phase shift quantum key distribution system. The transmitter 30 randomly performs 0 or π phase modulation on pulses including an average of less than 1 photon (for example, 0.1 photon / pulse), records the pulse transmission slot time and phase modulation, and the phase modulation. The coherent optical pulse train 31 having a constant interval is sent out. The state where the average number of photons is less than one is realized by greatly attenuating normal laser light. When such a pulse train is photon detected, a photon is detected with a certain pulse, but nothing is detected with a certain pulse. At which pulse the photon is detected is quite probabilistic and is uncertain until it is measured.

送信機30から送出されたパルス列31は、伝送路32を経て受信機33で受信される。受信機33は、光分岐手段(分波器)34により受信パルス列を2つに分岐し、一方のパルス列に遅延手段(長経路)35により遅延を加えたのち、それら2つのパルス列を2×2の合波カップラー36により再び合波する。合波カップラー36の2つの出力端子には、それぞれ光子検出器37、38が備えられている。この分岐・合波回路34〜36の長経路により一方のパルス列に与える遅延時間は、受信機33に入力されるパルス列の時間間隔に等しく設定されている。すなわち、長経路はパルス間隔に相当する遅延時間を有する。その結果、合波カップラー36では、隣り合う前後のパルスが重なり合って合波される。入力パルス列は0またはπで位相変調されている。従って、分岐・合波経路の伝播位相が適切であれば、その重なり合うパルスの位相差は0またはπとなる。合波の結果、両者(重なり合うパルスの両パルス)は干渉し、位相差が0ならば第1の検出器37が、位相差がπならば第2の検出器38が、光子を検出することになる。このように、パルスの位相差0とπとに応じて異なる検出器で光子を検出することになる。   The pulse train 31 transmitted from the transmitter 30 is received by the receiver 33 via the transmission path 32. The receiver 33 branches the received pulse train into two by an optical branching means (branching device) 34, adds a delay to one of the pulse trains by a delay means (long path) 35, and then converts these two pulse trains into 2 × 2 Are combined again by the coupler 36. Photon detectors 37 and 38 are provided at two output terminals of the multiplexing coupler 36, respectively. The delay time given to one pulse train by the long path of the branching / combining circuits 34 to 36 is set equal to the time interval of the pulse train inputted to the receiver 33. That is, the long path has a delay time corresponding to the pulse interval. As a result, in the multiplexing coupler 36, adjacent pulses before and after are overlapped and combined. The input pulse train is phase-modulated by 0 or π. Therefore, if the propagation phase of the branching / combining path is appropriate, the phase difference between the overlapping pulses is 0 or π. As a result of the combination, both (the two pulses of the overlapping pulses) interfere, and if the phase difference is 0, the first detector 37 detects the photon, and if the phase difference is π, the second detector 38 detects the photon. become. In this way, photons are detected by different detectors according to the phase difference 0 and π of the pulse.

以上の構成を用いて、送信機30と受信機33は以下の手順により秘密鍵を得る。まず受信機33は、送信機30から送出されて伝送路32を経た光子を上記の受信メカニズムにより検出する。この時、検出された各光子毎に検出した時刻(スロット時刻)と検出器とを記録する。所定の必要な数だけ光子が送受信された後、受信機33は送信機30に光子が検出された時刻である光子検出時刻を知らせる。送信機30は、その知らされた光子検出時刻(スロット時刻)と送信機自身の位相変調データ(スロット時刻と位相差)とから、受信機33がどちらの検出器(37,38)で光子を検出したかを知ることができる。ここで、第1の検出器37で光子を検出した事象をビット「0」、第2の検出器38で光子を検出した事象をビット「1」と、送信機30と受信機33間で予め取り決めておけば、送信者(送信機30)と受信者(受信機33)は同じビット列(鍵ビット)を得ることができる。   Using the above configuration, the transmitter 30 and the receiver 33 obtain a secret key by the following procedure. First, the receiver 33 detects the photons transmitted from the transmitter 30 and passed through the transmission path 32 by the above reception mechanism. At this time, the detected time (slot time) and detector are recorded for each detected photon. After a predetermined number of photons have been transmitted and received, the receiver 33 informs the transmitter 30 of the photon detection time, which is the time at which the photon was detected. The transmitter 30 uses the detected photon detection time (slot time) and the phase modulation data (slot time and phase difference) of the transmitter itself to determine which detector (37, 38) the receiver 33 uses. You can know if it was detected. Here, an event in which a photon is detected by the first detector 37 is a bit “0”, an event in which a photon is detected by the second detector 38 is a bit “1”, and the event between the transmitter 30 and the receiver 33 is determined in advance. If agreed, the sender (transmitter 30) and the receiver (receiver 33) can obtain the same bit string (key bit).

上記手順において、受信機33から送信機30へ、すなわち受信者から送信者へ通知される情報は光子検出時刻のみであって、ビット情報はそれら通信機の外部には出されない。したがって、受信者から送信者へ通知される情報からビット情報が盗聴されることはない。また、伝送路32を通じて送られている信号は1パルスあたり平均1光子未満の光なので、盗聴者が伝送路32上の信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、1つの光子が2分割されることは物理的にあり得ないので、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機33には届かず、送信者と受信者のビット列にはならないからである。   In the above procedure, the information notified from the receiver 33 to the transmitter 30, that is, from the receiver to the transmitter, is only the photon detection time, and the bit information is not sent outside the communication devices. Therefore, the bit information is not wiretapped from information notified from the receiver to the sender. In addition, since the signal transmitted through the transmission path 32 is light with an average of less than one photon per pulse, an eavesdropper cannot branch part of the signal on the transmission path 32 to obtain bit information. Because it is physically impossible for one photon to be divided into two, if the eavesdropper detects a photon by branching, the photon does not reach the receiver 33 and does not become a bit string of the sender and the receiver Because.

さらに高度な盗聴法としては、なりすまし法と呼ばれる方法がある。図4は従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムに対するなりすまし盗聴の説明図である。盗聴者(盗聴機)43は、伝送路32の途中で、送信機30によって送出された伝送信号を受信機33と同様の構成44〜48で受信し、光子検出器47,48での受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機33に自身の光送信器49を用いて送信する。盗聴者43が伝送信号を正しく受信できれば、そのダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機33に盗聴行為が気付かれないようにして情報(秘密鍵)を得ることができる。   As a more advanced wiretapping method, there is a method called an impersonation method. FIG. 4 is an explanatory diagram of spoofing for a conventional differential phase shift quantum key distribution system. An eavesdropper (wiretap) 43 receives a transmission signal transmitted by the transmitter 30 in the middle of the transmission path 32 with the same configuration 44 to 48 as that of the receiver 33, and results of reception by the photon detectors 47 and 48. Based on the above, the dummy signal is transmitted to the original receiver 33 using its own optical transmitter 49. If the eavesdropper 43 can correctly receive the transmission signal, the dummy signal is the same as the original transmission signal, and information (secret key) can be obtained without the receiver 33 noticing the wiretapping action.

しかしながら、上述したように差動位相シフト量子鍵配送システムにおいては、送信信号は1パルス当り平均1光子未満、例えば0.1光子/パルス、のパルス列である。このような信号を受信すると、10パルスに1回しか光子は検出されない。したがって盗聴者43は、光子を検出した時刻に対応する2パルスの位相差はわかるが、それ以外の位相差は検出できない。このような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差が検出できなかったパルスについては、当て推量で選んだ位相を割り振って再送する(以下、なりすまし盗聴1と称する)か、何も信号を出さない(以下、なりすまし盗聴2と称する)か、のいずれかの方法を採るしかない。   However, as described above, in the differential phase shift quantum key distribution system, the transmission signal is a pulse train having an average of less than 1 photon per pulse, for example, 0.1 photon / pulse. When such a signal is received, a photon is detected only once in 10 pulses. Accordingly, the eavesdropper 43 can detect the phase difference between the two pulses corresponding to the time when the photon is detected, but cannot detect any other phase difference. When trying to send a dummy signal based on such a detection result, for a pulse whose phase difference could not be detected, the phase selected by guess guess is allocated and retransmitted (hereinafter referred to as spoofing wiretapping 1), or no signal (Hereinafter referred to as spoofing eavesdropping 2), or either of these methods must be taken.

前者(なりすまし盗聴1)を採用すると、当て推量で選んだ位相差を受信機33が検出した場合、送信機30が送ったものと異なるものとなる。後者(なりすまし盗聴2)を採用したとしても、やはり送受信信号の不一致が生じる。その理由は、この後者の場合に盗聴者43が送るのは孤立した連続2パルスだからである。孤立した2パルス(図4の50を参照)を受信機33が受信すると、分岐・合波回路34〜36の出力段37,38では3つの時刻で光子が検出され得る(図4の53と52を参照)。   When the former (spoofing spoofing 1) is adopted, when the receiver 33 detects the phase difference selected by the guess, it is different from the one sent by the transmitter 30. Even if the latter (spoofing spoofing 2) is adopted, the transmission / reception signal mismatch still occurs. The reason is that in this latter case, the eavesdropper 43 sends two isolated continuous pulses. When the receiver 33 receives two isolated pulses (see 50 in FIG. 4), photons can be detected at three times at the output stages 37 and 38 of the branching and multiplexing circuits 34 to 36 (53 in FIG. 4). 52).

図4には、光分岐手段34において分岐されたパルス列のうち、遅延されないパルス列53と遅延されたパルス列52を時系列的に図示してある。この図において、両パルス列が重なる時刻のうちのまん中の時刻(第2の時刻と呼ぶ)で光子が検出された場合には、その検出結果は2パルスの位相差に従っており、送信者30が意図した通りの検出器で光子が検出される。   FIG. 4 shows a non-delayed pulse train 53 and a delayed pulse train 52 among the pulse trains branched by the optical branching means 34 in time series. In this figure, when a photon is detected at the middle time (referred to as the second time) of the time when both pulse trains overlap, the detection result follows the phase difference of two pulses, and the sender 30 intends Photons are detected by the detector as described.

ところが一方、2つのパルス列が重なる時刻のうちの第2の時刻の前後である第1または第3の時刻で光子が検出される場合には、干渉する相手がおらず、そのため光子はランダムに第1または第2の検出器で検出される。したがって、受信者33が第1または第3の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信者30が意図したものとは異なるものになる。   On the other hand, if a photon is detected at the first or third time, which is before or after the second time of the two pulse trains overlapping, there is no interfering party, so the photons are randomly It is detected by the first or second detector. Therefore, when the receiver 33 obtains the secret key bit from the photon detection result at the first or third time, the bit is different from that intended by the sender 30.

このように、なりすまし盗聴が行われると、送受信機間でビットの不一致が生じる。そこで、送受信機30,33は通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットについて答え合わせをする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが出てくる。不一致ビットがある場合には、システムは正常でないと判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。   Thus, when spoofing is performed, bit mismatch occurs between the transmitter and the receiver. Therefore, the transceivers 30 and 33 obtain a secret key according to a normal procedure, and then answer several test bits. If the system is operating normally, the bit information of both will match, but if there is spoofing, some bits will not match. If there is a mismatch bit, the system determines that the system is not normal and discards the secret key. In other words, if the test bits match, it can be determined that there was no wiretapping, and the secret key is guaranteed to be secure.

K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto,「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light」、2003年、Physical Review A, vol.68,Paper number 022317K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, “Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light”, 2003, Physical Review A, vol.68, Paper number 022317

以上から明らかなように、量子鍵配送システムに求められる重要な性能の1つとして、なりすまし盗聴の発見のしやすさが挙げられる。差動位相シフト量子鍵配送システムにおいて、なりすまし盗聴が行われると、上述の原理により送受信機関にビット不一致が生じ、これより盗聴行為が発覚するが、全てのビットが不一致となるわけではない。   As is clear from the above, one of the important performances required for the quantum key distribution system is easy discovery of spoofing. In the differential phase shift quantum key distribution system, when spoofing is performed, a bit mismatch occurs in the transmission / reception organization according to the above-described principle, and an eavesdropping action is detected from this, but not all bits are mismatched.

例えば、当て推量でダミーパルス列を送る場合(なりすまし盗聴1)、受信機33が光子検出したパルスが、たまたま盗聴者43が実際に光子検出したものであれば、ビット不一致は生じない。また孤立2パルスを送る場合(なりすまし盗聴2)、受信機33が第2の時刻で光子を検出すればビット不一致とはならない。   For example, when sending a dummy pulse train with guesswork (spoofing wiretapping 1), if the pulse detected by the receiver 33 is a photon detected by an eavesdropper 43, the bit mismatch does not occur. When two isolated pulses are transmitted (spoofing wiretapping 2), if the receiver 33 detects a photon at the second time, there is no bit mismatch.

ここで、ビット不一致率が高い方が、盗聴検知能力がより高くなり、より安全度の高い量子暗号システムということができる。なりすまし盗聴1に対するビット不一致率は、平均光子数を少なくすることで高くすることができる。平均光子数が少ないと、盗聴機43と受信機33がたまたま同じパルスを光子検出する確率が小さくなる、すなわち正解率が小さくなり、ビット不一致率は高くなる。一方、なりすまし盗聴2に対するビット不一致率は、平均光子数によらず一定で、受信機33が第1または第3の時刻で光子検出する確率は1/2であり、そしてこの光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその1/2であることから、全体としてのビット不一致率は1/4となる。   Here, it can be said that the higher the bit mismatch rate, the higher the eavesdropping detection capability, and the higher the degree of security. The bit mismatch rate for spoofing 1 can be increased by reducing the average number of photons. If the average number of photons is small, the probability that the eavesdropper 43 and the receiver 33 happen to detect the same pulse photonly decreases, that is, the correct answer rate decreases and the bit mismatch rate increases. On the other hand, the bit mismatch rate for spoofing eavesdropping 2 is constant regardless of the average number of photons, and the probability that the receiver 33 detects photons at the first or third time is ½, and is obtained from this photon detection. Since the probability that the bits do not match is further ½ of that, the overall bit mismatch rate is ¼.

より安全度の高い量子暗号システムとしては、なりすまし盗聴によって生じるビット不一致の確率がより高いこと、それによりなりすまし盗聴の発見確率がより高くなることが望まれる。   As a more secure quantum cryptography system, it is desired that the probability of bit mismatch caused by spoofing eavesdropping is higher, and thereby the detection probability of spoofing eavesdropping is higher.

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、なりすまし盗聴の発見確率を向上させることで通信の安全性の向上を図ることにあり、より具体的には、なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上した量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to improve the safety of communication by improving the discovery probability of spoofing, and more specifically. An object of the present invention is to provide a quantum cryptography communication device and a quantum cryptography communication method that improve the bit mismatch rate due to spoofing.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置を用いる量子暗号通信方法であって、前記受信機は、前記送信機から送信された前記光パルス列を2分岐する分波器と、前記分波器で分岐された2つの光パルス列の一方に、他方の光パルス列に対して前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Tに等しいか、またはその整数倍の時間差を与える遅延経路と、前記分波器で分岐された前記他方の光パルス列と前記遅延経路で遅延された光パルス列を合波し、合波した光パルス列を2分岐する合分波器とを有し、前記遅延経路と前記合分波器からなる遅延合分波部を複数個、縦続接続し、各遅延合分波部の前記遅延経路の前記時間差がそれぞれ異なり、前記方法は、前記送信機において0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する際に、連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、前記割り当てに従って各パルスを位相変調することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 comprises a transmitter for transmitting an optical pulse train of a constant time interval T, which is randomly phase-modulated with 0 or π, at an average power level of less than 1 photon per pulse; A quantum cryptography communication method using a quantum cryptography communication device comprising a receiver for receiving the optical pulse train transmitted from the transmitter, wherein the receiver receives the optical pulse train transmitted from the transmitter as 2 A branching splitter and one of two optical pulse trains branched by the splitter are equal to the pulse interval T of the optical pulse train from the transmitter with respect to the other optical pulse train, or an integral multiple thereof. A delay path that gives a time difference; and a multiplexer / demultiplexer that multiplexes the other optical pulse train branched by the demultiplexer and the optical pulse train delayed by the delay path, and divides the combined optical pulse train into two. Have said slow A plurality of delay multiplexing / demultiplexing units each consisting of a path and the multiplexer / demultiplexer are connected in cascade, and the time differences of the delay paths of the respective delay multiplexing / demultiplexing units are different from each other, and the method uses 0 or π When transmitting an optical pulse train having a constant time interval T that is randomly phase-modulated at a power level of less than one photon on average per pulse, the continuous pulse train is blocked into a plurality of predetermined pulses and assigned to each block. Any one of a plurality of predetermined phase patterns prepared in advance is randomly selected and assigned to each block, and each pulse is phase-modulated according to the assignment.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の量子暗号通信方法において、単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが4個のパルスであり、前記所定の位相パターンが{0−0−π−0}および{π−π−π−0}であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the quantum cryptography communication method according to the first aspect, the predetermined plurality of pulses serving as a unit block are four pulses, and the predetermined phase pattern is {0-0. -Π-0} and {π-π-π-0}.

請求項3に記載の発明は、0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置を用いる量子暗号通信方法であって、前記受信機が、前記送信機から送信された前記光パルス列を第1の長経路と第1の短経路に2分岐する光分岐手段と、前記第1の長経路と前記第1の短経路から出力された2つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を第2の長経路と第2の短経路に2分岐する2×2の入出力端子を有する第1の光カップラーと、前記第2の長経路と前記第2の短経路から出力された2つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を2分岐する2×2の入出力端子を有する第2の光カップラーと、前記第2の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続する2つの光子検出器とを含み、前記第1の長経路が該長経路と前記第1の短経路との間に前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Tに等しい時間差を与え、前記第2の長経路が該長経路と前記第2の短経路との間に前記パルス間隔Tの2倍のパルス間隔2Tに等しい時間差を与えるように設定され、前記方法は、前記送信機において0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する際に、連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、前記割り当てに従って各パルスを位相変調することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の量子暗号通信方法において、単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが4個のパルスであり、前記所定の位相パターンが{0−0−π−0}および{π−π−π−0}であることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is a transmitter that transmits an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at a power level of less than 1 photon on average per pulse, and transmitted from the transmitter. A quantum cryptography communication method using a quantum cryptography communication device including a receiver for receiving the optical pulse train, wherein the receiver transmits the optical pulse train transmitted from the transmitter to a first long path and a first Optical branching means for branching into two short paths, the first long path and the two optical pulse trains output from the first short path are combined, and the combined optical pulse train is defined as the second long path A first optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal branched into two on a second short path, and the two optical pulse trains output from the second long path and the second short path are multiplexed. , 2 × 2 input / output terminals that divide the combined optical pulse train into two A second optical coupler and two photon detectors respectively connected to the output terminals of the second optical coupler, wherein the first long path is between the long path and the first short path. Is given a time difference equal to the pulse interval T of the optical pulse train from the transmitter, and the second long path has a pulse interval 2T that is twice the pulse interval T between the long path and the second short path. The method is configured to transmit an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at the power level of less than 1 photon on average per pulse. , A continuous pulse train is divided into a plurality of predetermined pulses, and one of a plurality of predetermined phase patterns prepared in advance assigned to each block is randomly selected and assigned to each block. Characterized by phase modulating each pulse in accordance with the allocation.
According to a fourth aspect of the present invention, in the quantum cryptography communication method according to the third aspect, the predetermined plurality of pulses serving as a unit block are four pulses, and the predetermined phase pattern is {0-0. -Π-0} and {π-π-π-0}.

本発明は、上記のように、受信機内の分波器と遅延経路と合波器とからなる遅延合分波部を多段化することで、検出器の直前の合波器で2パルスよりも多くのパルス(2パルス合波は従来技術)を合波する構成にしたので、なりすまし盗聴で生成された正しい位相を有するパルス合波の検出確率が低下し、同時にビット不一致率が増加するため、テストビットにおける不一致検出確率が増加し、盗聴を検出する確率が高くなるという効果を奏する。   As described above, the present invention multistages the delay multiplexing / demultiplexing unit including the duplexer, the delay path, and the multiplexer in the receiver, so that the multiplexer just before the detector has more than two pulses. Since many pulses (two-pulse multiplexing is a prior art) are combined, the detection probability of pulse multiplexing having the correct phase generated by spoofing is reduced, and at the same time the bit mismatch rate is increased. There is an effect that the mismatch detection probability in the test bit increases and the probability of detecting eavesdropping increases.

また、本発明は、上記多段構成により低下する秘密鍵ビット生成率を向上させる位相変調方法により、秘密鍵ビット生成率を向上することができるという効果を奏する。   In addition, the present invention has an effect that the secret key bit generation rate can be improved by the phase modulation method that improves the secret key bit generation rate that is lowered by the multistage configuration.

以上のように、本発明によれば、なりすまし盗聴によるビット不一致率を高くすることで通信の安全性を向上した量子暗号通信装置及び量子暗号通信方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a quantum cryptography communication device and a quantum cryptography communication method that improve communication security by increasing the bit mismatch rate due to spoofing.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態における量子暗号通信システムの構成を示す。図1において、送信機10は光源11、位相変調器12、減衰手段13、および制御部(CPU)14を備えている。減衰手段(光減衰器)13は、例えば、NDフィルタ等、レーザ光などの光源11から入射される光を大きく減衰させることができる手段であれば、いずれ公知手段を用いてもよい。この送信機10の構成と動作は、従来技術と同様である。   FIG. 1 shows a configuration of a quantum cryptography communication system according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the transmitter 10 includes a light source 11, a phase modulator 12, an attenuation unit 13, and a control unit (CPU) 14. As the attenuating means (optical attenuator) 13, any known means may be used as long as it can greatly attenuate light incident from the light source 11 such as an ND filter. The configuration and operation of the transmitter 10 are the same as in the prior art.

光検出装置としての受信機100は、光分岐手段(C1)101と、2つの2×2光カップラー(C2、C3)102,103と、2つの光子検出器104,105と、制御部(CPU)106と、を含んでいる。   A receiver 100 as a light detection device includes an optical branching means (C1) 101, two 2 × 2 optical couplers (C2, C3) 102 and 103, two photon detectors 104 and 105, and a control unit (CPU). ) 106.

制御部14,106は、情報処理機能を有しており、専用装置だけでなく、市販のコンピュータも利用可能である。制御部14,106は、例えば、必要な計算や判断、制御等を実行するプロセッサ、光子検出時刻や検出器(または位相)等を記録するためのメモリ、通信路17を介して他の装置(受信機または送信機)と情報の交換をするための回線制御部(モデム)、およびバス等を含む。通信路17としては有線、無線の何れも利用でき、光通信路に限らない。   The control units 14 and 106 have an information processing function, and not only a dedicated device but also a commercially available computer can be used. The control units 14 and 106 include, for example, a processor that performs necessary calculations, determinations, control, and the like, a memory for recording a photon detection time, a detector (or phase), and the like, and another device ( A line control unit (modem) for exchanging information with a receiver or a transmitter, and a bus. The communication path 17 can be either wired or wireless, and is not limited to an optical communication path.

受信機100へ入力された光は、光分岐手段(分波器)101により2分岐され、長経路の第1の遅延経路107により一方の光に遅延時間Tを与えられた後、短経路108を通った他方の光と第1の光カップラー(合波器)102により再び合波される。ここで、遅延時間Tは入力されたパルス列のパルス間隔に等しく設定される。この光カップラー102は、2つの出力端子を有している。この2出力端子から出力された光は、長経路の第2の遅延経路109によりそのうちの一方の光に2T(Tの2倍)の遅延時間を与えられた後、短経路110を通った他方の光と第2の光カップラー103により再び合波される。光カップラー103の2つの出力端子にはそれぞれ、光子検出器104,105が接続されている。   The light input to the receiver 100 is branched into two by an optical branching unit (demultiplexer) 101, and after a delay time T is given to one light by a first delay path 107 having a long path, a short path 108 is obtained. The other light passing therethrough is recombined by the first optical coupler (multiplexer) 102. Here, the delay time T is set equal to the pulse interval of the input pulse train. The optical coupler 102 has two output terminals. The light output from the two output terminals is given a delay time of 2T (twice T) to one of the light by the second delay path 109 of the long path, and then passes through the short path 110. And the second optical coupler 103 are combined again. Photon detectors 104 and 105 are connected to the two output terminals of the optical coupler 103, respectively.

図1の本実施形態の構成と図3の従来例の構成とを見比べると、本実施形態では、受信機内の分波器と遅延経路と合波器とからなる遅延合分波部を多段化(縦続接続、カスケード)していることが分かる。   Comparing the configuration of the present embodiment in FIG. 1 with the configuration of the conventional example in FIG. 3, in this embodiment, the delay multiplexing / demultiplexing unit including the duplexer, the delay path, and the multiplexer in the receiver is multistaged. It can be seen that (cascade connection, cascade).

以上の構成において、送信機10は、光源11から発生させたコヒーレントな光パルスを位相変調器12を通すことにより、0またはπでランダムに位相変調した一定間隔(パルス間隔)Tの光パルス列を、減衰手段13を通すことで、1パルス当り平均1個光子未満(例えば、0.1光子/パルス)として光伝送路15に送出する。同時に、制御部14により、パルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録する。光パルスのコヒーレンス時間はパルス間隔の3倍(3T)よりも長いものと設定する。   In the above configuration, the transmitter 10 transmits an optical pulse train having a constant interval (pulse interval) T that is randomly phase-modulated with 0 or π by passing a coherent optical pulse generated from the light source 11 through the phase modulator 12. By passing through the attenuating means 13, an average of less than one photon per pulse (for example, 0.1 photon / pulse) is transmitted to the optical transmission line 15. At the same time, the control unit 14 records the pulse transmission slot time and phase modulation. The coherence time of the optical pulse is set to be longer than 3 times the pulse interval (3T).

受信機100は、光伝送路15を経て送信機10から伝送されてきた光パルス列を、第1の光分岐手段(C1)101に入力する。光分岐手段101で分岐された光パルス列は、カスケード状に構成された2段の遅延経路107,109を経て、最終段の光カップラー(C3)103で合波され、光子検出器104,105によりそれぞれ検出される。   The receiver 100 inputs the optical pulse train transmitted from the transmitter 10 through the optical transmission path 15 to the first optical branching means (C1) 101. The optical pulse train branched by the optical branching means 101 passes through two stages of delay paths 107 and 109 configured in a cascade form, and is combined by the final optical coupler (C3) 103, and by the photon detectors 104 and 105. Each is detected.

このように受信機100の受信回路を構成すると、最終段の光カップラー103では、
(i)1段目長経路107−2段目長経路109を通った第1パルス121、
(ii)1段目短経路108−2段目長経過109を通った第2パルス122、
(iii)1段目長経路107−2段目短経路110を通った第3パルス123、
(iv)1段目短経路108−2段目短経路110を通った第4パルス124、
の4つが同時刻に合波されることになる。なおここで、長経路とは、分岐された経路のうち、遅延が施される遅延経路のことであり、短経路とは、遅延が施されない経路のことである。
When the receiver circuit of the receiver 100 is configured in this way, the optical coupler 103 at the final stage
(I) a first pulse 121 that has passed through a first-stage long path 107-2 and a first-stage long path 109;
(Ii) the second pulse 122 that has passed through the first stage short path 108-the second stage length passage 109;
(Iii) a third pulse 123 that has passed through the first-stage long path 107-2 and the second-stage short path 110;
(Iv) a fourth pulse 124 that has passed through the first-stage short path 108-2 and the second-stage short path 110 ;
Will be combined at the same time. Here, the long path is a delay path that is delayed among the branched paths, and the short path is a path that is not delayed.

上記のように、最終段の光カップラー103で4パルスが同時刻に合波されると、その4パルスは干渉を起こし、どちらの出力端子の光子検出器104,105で光子が検出されるかは、各パルスの位相関係に依存することになる。   As described above, when four pulses are combined at the same time in the optical coupler 103 in the final stage, the four pulses cause interference, and the photon detectors 104 and 105 at which output terminals detect the photons. Depends on the phase relationship of each pulse.

4パルス合波の場合の光子検出事象を式で記述すると、第1の光子検出器104へ出力される光子の確率振幅は、下記の(1)式で表される。   When the photon detection event in the case of four-pulse multiplexing is described by an equation, the probability amplitude of the photon output to the first photon detector 104 is expressed by the following equation (1).

exp(iθ1)+exp(iθ2)−exp(iθ3)+exp(iθ4) ・・・(1)
第2の光子検出器105へ出力される光子の確率振幅は、下記の(2)式で表される。
exp (iθ 1 ) + exp (iθ 2 ) −exp (iθ 3 ) + exp (iθ 4 ) (1)
The probability amplitude of the photons output to the second photon detector 105 is expressed by the following equation (2).

exp(iθ)+exp(iθ2)+exp(iθ3)−exp(iθ4) ・・・(2)
ここで、第1項は第1パルス121、第2項は第2パルス122、第3項は第3パルス123、第4項は第4パルス124、をそれぞれ表し、θi(i=1〜4)は各パルスの位相である。ただし、簡単のため、全体に共通する項は省略した。各パルスの位相は0またはπで変調されている。それぞれの位相状態についての上記の確率振幅は下記の表1のようになる。
exp (iθ 1 ) + exp (iθ 2 ) + exp (iθ 3 ) −exp (iθ 4 ) (2)
Here, the first term represents the first pulse 121, the second term represents the second pulse 122, the third term represents the third pulse 123, the fourth term represents the fourth pulse 124, and θ i (i = 1 to 1). 4) is the phase of each pulse. However, for the sake of simplicity, common items are omitted. The phase of each pulse is modulated by 0 or π. The probability amplitudes for the respective phase states are as shown in Table 1 below.

Figure 0004358206
Figure 0004358206

光子の検出確率は確率振幅の絶対値の2乗で与えられる。表1中、一方の確率振幅が±4で他方が0というのは、光子が検出される場合には、必ず振幅が±4である方の検出器で検出されることを示している。以後、これを確定的光子検出と呼ぶ。確率振幅が±2である場合は、どちらの検出で光子検出されるかは確率的である。   The photon detection probability is given by the square of the absolute value of the probability amplitude. In Table 1, the probability amplitude of one is ± 4 and the other is 0 indicates that whenever a photon is detected, it is detected by a detector having an amplitude of ± 4. Hereinafter, this is called deterministic photon detection. When the probability amplitude is ± 2, it is probabilistic which photon is detected by which detection.

表1で示された特性を利用すると、以下の手順により、送信機10と受信機100は共通のビットを得ることができる。
(1)送信機10と受信機100は、上記の構成により、必要な長さのパルス列を送受信する。同時に、送信機100は、制御部14によりパルス送信のスロット時刻と位相変調とを記録する。
(2)受信機100は制御部106と通信路17を介して光子を検出した時間スロットを送信機10に通知する。同時に、受信機100は検出のスロット時刻と検出器を制御部106に記録する。
(3)送信機10は受信した時間スロットのデータと記録されている自身の位相変調データ(パルス送信のスロット時刻と位相)とを制御部14において参照することで、受信機100の検出事象が確定的光子検出であるか否かを判定し、判定結果を通信路17を介して受信機100へ通知する。
(4)送信機10と受信機100は、確定的光子検出である事象について、第1の検出器104によるものであればビット「0」を、第2の検出器105によるものであればビット「1」を、付与する。確定的光子検出については、どちらの検出器で光子検出されたかは送信機10にも分かるので、送受信機10,100は同じビット値を得ることになる。このビットを秘密鍵ビットとする。
Using the characteristics shown in Table 1, the transmitter 10 and the receiver 100 can obtain a common bit by the following procedure.
(1) The transmitter 10 and the receiver 100 transmit and receive a pulse train having a necessary length with the above configuration. At the same time, the transmitter 100 records pulse transmission slot time and phase modulation by the control unit 14.
(2) The receiver 100 notifies the transmitter 10 of the time slot in which the photon is detected via the control unit 106 and the communication path 17. At the same time, the receiver 100 records the detection slot time and the detector in the control unit 106.
(3) The transmitter 10 refers to the received time slot data and the recorded phase modulation data (slot time and phase of pulse transmission) in the control unit 14 so that the detection event of the receiver 100 is detected. It is determined whether or not deterministic photon detection is performed, and the determination result is notified to the receiver 100 via the communication path 17.
(4) The transmitter 10 and the receiver 100, for an event that is deterministic photon detection, is a bit “0” if the event is due to the first detector 104, and a bit if it is due to the second detector 105. “1” is given. For deterministic photon detection, the transmitter 10 knows which detector has detected the photon, so that the transceivers 10 and 100 obtain the same bit value. This bit is a secret key bit.

以上の構成・手順によるシステムにおいては、なりすまし盗聴によるビット不一致率が従来よりも高くなる。その理由を、図2を用いて説明する。   In the system according to the above configuration / procedure, the bit mismatch rate due to spoofing eavesdropping is higher than before. The reason will be described with reference to FIG.

図2において、送信機10と受信機100の内部構成は図1と同様である。符号200は光伝送路15の途中に挿入する盗聴者(盗聴機)であって、受信機100と実質的に同一の構成201〜205,207〜210を含み、更に両光子検出器204,205の出力端子に接続する光送信器220を備えている。盗聴機200の構成要素201〜205,207〜210は、図1に示した受信機の構成要素101〜105,107〜110に対応するので、その構成の詳細な説明は省略する。   2, the internal configurations of the transmitter 10 and the receiver 100 are the same as those in FIG. Reference numeral 200 denotes an eavesdropper (eavesdropper) inserted in the middle of the optical transmission line 15, and includes substantially the same configurations 201 to 205 and 207 to 210 as the receiver 100, and further includes both photon detectors 204 and 205. The optical transmitter 220 is connected to the output terminal. Since the components 201 to 205 and 207 to 210 of the eavesdropper 200 correspond to the components 101 to 105 and 107 to 110 of the receiver shown in FIG. 1, detailed description of the configuration is omitted.

なりすまし盗聴では、盗聴者200は、光伝送路15の途中で受信機100と同様の受信回路により光子を検出する。そして、盗聴者200は、光子検出結果に基づき、正規の受信機100が同じ検出結果となるようにダミー信号を光伝送路15を介して送出する。このとき、送信機10が送出しているパルス列16は、前述のように、送信レベルが1パルス当り平均1個光子未満、例えば0.1個光子/パルスであるパルス列である。したがって、盗聴者200は平均1スロットに1回しか光子を検出しない。盗聴者200は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機100が所定の検出器で光子検出すると同様に、位相が設定された4連続パルスを送出する一方、光子検出しないスロットについては何も送らない。これにより、孤立した4連続パルス120が受信機100に送られることになる。   In spoofing eavesdropping, the eavesdropper 200 detects photons by a receiving circuit similar to the receiver 100 in the middle of the optical transmission path 15. Based on the photon detection result, the eavesdropper 200 transmits a dummy signal via the optical transmission line 15 so that the regular receiver 100 has the same detection result. At this time, the pulse train 16 transmitted from the transmitter 10 is a pulse train having an average transmission level of less than one photon per pulse, for example, 0.1 photons / pulse, as described above. Therefore, the eavesdropper 200 detects a photon only once per average slot. The eavesdropper 200 sends out four consecutive pulses with a set phase for the slot in which the photon is detected, as in the case where the regular receiver 100 detects the photon with a predetermined detector, but what about the slot in which the photon is not detected? Do not send any. As a result, four isolated continuous pulses 120 are sent to the receiver 100.

受信機100が孤立4連続パルス120を受信すると、光子検出器104,105においては、図2に示すように、1パルスずつシフトした4連続パルス列131〜135が重なり合うことになる。この場合、7つの時間スロットで光子が検出し得る。どの検出器104,105で光子が検出されるかは、上記の表1で説明したように、各スロットにおける干渉の仕方に依存する。真ん中の時間スロット(図2のマル印で示す)では、4つのパルスの全部が干渉するので、盗聴者200の意図した検出器で光子が検出される。一方、その他の時間スロットでは、干渉するパルス数が3または2、または干渉相手がいないので、盗聴者200の意図とは関係なく、検出器に関しランダムに光子が検出されることになる。したがって、受信機100がこれらの時間スロットで光子を検出し、それから前述の手順(4)にしたがって秘密鍵ビットを生成すると、その秘密鍵ビットは送信機10の生成した鍵ビットと一致しない場合が生じる。その結果、その後のテストビットの照合により、盗聴行為を発見することができる。   When the receiver 100 receives the isolated four consecutive pulses 120, in the photon detectors 104 and 105, as shown in FIG. 2, four consecutive pulse trains 131 to 135 shifted by one pulse are overlapped. In this case, photons can be detected in seven time slots. Which detector 104, 105 detects a photon depends on the way of interference in each slot, as described in Table 1 above. In the middle time slot (indicated by a circle in FIG. 2), all four pulses interfere, so that a photon is detected by the detector intended by the eavesdropper 200. On the other hand, in other time slots, since the number of interfering pulses is 3 or 2, or there is no interfering partner, photons are randomly detected for the detector regardless of the intention of the eavesdropper 200. Therefore, if the receiver 100 detects photons in these time slots and then generates a secret key bit according to the procedure (4) described above, the secret key bit may not match the key bit generated by the transmitter 10. Arise. As a result, an eavesdropping action can be found by subsequent test bit verification.

真ん中の時間スロットで光子を検出する確率は1/4、その他の時間スロットで光子検出する確率は1−1/4=3/4である。後者のうちの半分がビット不一致となるので、ビット不一致率は3/8となる。一方、図4で説明した従来システムにおけるなりすまし盗聴によるビット不一致率は1/4である。すなわち、本発明は、なりすまし盗聴によるビット不一致率が、従来システムよりもはるかに高いものとなっている。   The probability of detecting photons in the middle time slot is 1/4, and the probability of detecting photons in the other time slots is 1-1 / 4 = 3/4. Since half of the latter are bit mismatches, the bit mismatch rate is 3/8. On the other hand, the bit mismatch rate due to spoofing in the conventional system described with reference to FIG. 4 is 1/4. That is, in the present invention, the bit mismatch rate due to spoofing is much higher than that of the conventional system.

このように、本発明によれば、なりすまし盗聴で生成された正しい位相を有するパルス合波の検出確率が低下し、同時にビット不一致率が増加する。その結果、テストビットにおける不一致検出確率が増加し、盗聴を検出する確率が高くなる。   Thus, according to the present invention, the detection probability of pulse multiplexing having the correct phase generated by spoofing is reduced, and at the same time, the bit mismatch rate is increased. As a result, the mismatch detection probability in the test bit increases and the probability of detecting eavesdropping increases.

以上説明したように、本実施形態により、なりすまし盗聴によるビット不一致率を高めた量子鍵配送が実現されるが、そのために生じる欠点としては、秘密鍵ビットの生成率が低くなることが挙げられる。本実施形態では、確定的光子検出事象から鍵(秘密鍵)を生成し、その他の光子検出は無視する。これに対し、従来システムでは検出した光子は全て鍵ビット生成に寄与するので、本実施形態は従来システムよりも鍵生成率が低くなる。通常一般に行なわれているように、各パルス位相が{0、π}で無作為に変調された場合は、表1に示した16の位相組み合わせパターンは等確率で発生する。この場合、光子が検出される確率は表1に示した確率振幅の2乗で与えられる。表1に示した光子検出パターンの検出確率を全て足し合わせると128という数字になる。このうち、確定的光子検出について足し合わせると64になる。すなわち、鍵ビット生成率は50%となる。   As described above, according to the present embodiment, quantum key distribution with an increased bit mismatch rate due to spoofing is realized, but a disadvantage that arises is that the generation rate of secret key bits is lowered. In this embodiment, a key (secret key) is generated from a deterministic photon detection event, and other photon detections are ignored. On the other hand, since all the detected photons contribute to the key bit generation in the conventional system, this embodiment has a lower key generation rate than the conventional system. As is generally done, when the pulse phases are randomly modulated with {0, π}, the 16 phase combination patterns shown in Table 1 are generated with equal probability. In this case, the probability that a photon is detected is given by the square of the probability amplitude shown in Table 1. When all the detection probabilities of the photon detection patterns shown in Table 1 are added, the number is 128. Of these, 64 are added for deterministic photon detection. That is, the key bit generation rate is 50%.

しかし、以下に説明するように、この鍵生成率は、位相変調パターンに条件を課すと高めることができる。例えば、送信機10において、連続パルス列を4つずつにブロック化し、各ブロックに{0−0−π−0}か{π−π−π−0}かのいずれかのパターンを無作為(ランダム)に割り当て、これに従い各パルスを位相変調器12で位相変調する。ここで便宜上、前者の{0−0−π−0}をパターンA、後者の{π−π−π−0}をパターンBと呼ぶこととする。   However, as will be described below, this key generation rate can be increased by imposing conditions on the phase modulation pattern. For example, in the transmitter 10, a continuous pulse train is divided into four blocks, and either {0-0-π-0} or {π-π-π-0} pattern is randomly (randomly) assigned to each block. ), And each pulse is phase-modulated by the phase modulator 12 in accordance therewith. Here, for convenience, the former {0-0-π-0} is referred to as a pattern A, and the latter {π-π-π-0} is referred to as a pattern B.

その位相変調の結果、受信機100は、パルス列からランダムに選ばれた4連続パルスの位相状態にしたがって、光子を検出することになる。この場合、4連続パルスがちょうどブロック単位で選ばれるとは限らず、ブロックにまたがった4パルスが選ばれる。今、ブロックのパターンはA,Bの2種類なので、選ばれる位相パターンは、連続する2ブロックがA−A、A−B、B−A、B−Bである場合について考察すれば十分である。各組み合わせの中から選ばれた連続4パルスと、光子を検出し得る検出器の関係は下記の表2のようになる。   As a result of the phase modulation, the receiver 100 detects photons in accordance with the phase state of four consecutive pulses randomly selected from the pulse train. In this case, four continuous pulses are not always selected in units of blocks, and four pulses extending over blocks are selected. Now, since there are two types of block patterns A and B, it is sufficient to consider the case where two consecutive blocks are AA, AB, BA, and BB. . The relationship between the continuous four pulses selected from each combination and the detector capable of detecting photons is as shown in Table 2 below.

Figure 0004358206
Figure 0004358206

表2中、「1」または「2」と記入されているのは確定的光子検出、「1,2」と記入されているのは確率的光子検出である。確定的光子検出の場合の|確率振幅|2は16、確率的光子検出の場合は2×2+2×2=8である。表2から、光子を検出した場合(検出器の欄が「1」以外)にそれが確定的である割合(検出器の欄が「1」又は「2」で確定的である場合は16、「1,2」で不確定の場合は8である。)は、92%(11/12%)となる。このように、位相変調パターンの条件を課すと秘密鍵ビット生成率を高くすることができる。 In Table 2, “1” or “2” is entered as deterministic photon detection, and “1, 2” is entered as probabilistic photon detection. In the case of deterministic photon detection, the | probability amplitude | 2 is 16, and in the case of stochastic photon detection, 2 × 2 + 2 × 2 = 8. From Table 2, the rate at which it is deterministic when it detects a photon (detector column other than “1”) (16 if the detector column is deterministic with “1” or “2”, When “1, 2” is uncertain, it is 8.) is 92% (11/12%). As described above, when the condition of the phase modulation pattern is imposed, the secret key bit generation rate can be increased.

(他の実施の形態)
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.

例えば、図1の受信機構成は、1段目の分岐・合波回路で遅延時間Tを与え、2段目の分岐・合波回路で遅延時間2Tを与えるものとしたが、順序を入れ替えて、1段目の分岐・合波回路で遅延時間2T、2段目の分岐・合波回路で遅延時間Tの時間遅延を与えるものとしてもよい。   For example, in the receiver configuration of FIG. 1, the delay time T is given by the first-stage branching / combining circuit and the delay time 2T is given by the second-stage branching / combining circuit. The delay time 2T may be given by the first-stage branch / combining circuit, and the delay time T may be given by the second-stage branch / combining circuit.

本発明の一実施形態における量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the quantum cryptography communication system in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における量子暗号通信システムに対するなりすまし盗聴の説明をするためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating impersonation eavesdropping with respect to the quantum cryptography communication system in one Embodiment of this invention. 従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the conventional differential phase shift quantum key distribution system. 従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムに対するなりすまし盗聴の説明をするためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating impersonation eavesdropping with respect to the differential phase shift quantum key distribution system of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10 送信機(送信者)
11 光源
12 位相変調器
13 光減衰手段
14 制御部
15 光伝送路
17 通信路
100 受信機(受信者)
101 光分岐手段(光分波器)
102,103 2×2光カップラー(光合波器)
104,105 光子検出器
106 制御部
107,109 遅延経路(長経路)
108、110 短経路
200 盗聴者(盗聴機)
201 光分岐手段(光分波器)
202,203 2×2光カップラー(光合波器)
204,205 光子検出器
207,209 遅延経路(長経路)
208、210 短経路
220 光送信器
10 Transmitter (sender)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light source 12 Phase modulator 13 Optical attenuation means 14 Control part 15 Optical transmission path 17 Communication path 100 Receiver (receiver)
101 Optical branching means (optical demultiplexer)
102,103 2 × 2 optical coupler (optical multiplexer)
104, 105 Photon detector 106 Control unit 107, 109 Delay path (long path)
108, 110 Short path 200 Eavesdropper (Eavesdropper)
201 Optical branching means (optical demultiplexer)
202,203 2 × 2 optical coupler (optical multiplexer)
204, 205 Photon detector 207, 209 Delay path (long path)
208, 210 Short path 220 Optical transmitter

Claims (4)

0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置を用いる量子暗号通信方法であって、
前記受信機は、
前記送信機から送信された前記光パルス列を2分岐する分波器と、
前記分波器で分岐された2つの光パルス列の一方に、他方の光パルス列に対して前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Tに等しいか、またはその整数倍の時間差を与える遅延経路と、
前記分波器で分岐された前記他方の光パルス列と前記遅延経路で遅延された光パルス列を合波し、合波した光パルス列を2分岐する合分波器とを有し、
前記遅延経路と前記合分波器からなる遅延合分波部を複数個、縦続接続し、各遅延合分波部の前記遅延経路の前記時間差がそれぞれ異なり、
前記方法は、
前記送信機において0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する際に、
連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、
各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、
前記割り当てに従って各パルスを位相変調する
ことを特徴とする量子暗号通信方法。
A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at a power level of less than one photon on average per pulse, and a receiver for receiving the optical pulse train transmitted from the transmitter; A quantum cryptography communication method using a quantum cryptography communication device comprising:
The receiver
A duplexer for branching the optical pulse train transmitted from the transmitter;
A delay path that gives one of the two optical pulse trains branched by the duplexer a time difference equal to or an integral multiple of the pulse interval T of the optical pulse train from the transmitter with respect to the other optical pulse train;
A multiplexer / demultiplexer that multiplexes the other optical pulse train branched by the demultiplexer and the optical pulse train delayed by the delay path, and divides the combined optical pulse train into two branches;
A plurality of delay multiplexing / demultiplexing units composed of the delay path and the multiplexer / demultiplexer are connected in cascade, and the time differences of the delay paths of the delay multiplexing / demultiplexing units are different from each other ,
The method
When transmitting an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at the transmitter at an average power level of less than 1 photon,
Block a continuous pulse train into a predetermined number of pulses,
Randomly select any one of a plurality of predetermined phase patterns prepared for each block and assign them to each block.
Phase modulate each pulse according to the assignment
A quantum cryptography communication method characterized by the above.
請求項に記載の量子暗号通信方法において、
単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが4個のパルスであり、前記所定の位相パターンが{0−0−π−0}および{π−π−π−0}であることを特徴とする量子暗号通信方法。
The quantum cryptography communication method according to claim 1 ,
The predetermined plurality of pulses serving as a unit block are four pulses, and the predetermined phase pattern is {0-0-π-0} and {π-π-π-0}. Quantum cryptography communication method.
0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する送信機と、該送信機から送信された前記光パルス列を受信する受信機とを備えた量子暗号通信装置を用いる量子暗号通信方法であって
前記受信機が、
前記送信機から送信された前記光パルス列を第1の長経路と第1の短経路に2分岐する光分岐手段と、
前記第1の長経路と前記第1の短経路から出力された2つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を第2の長経路と第2の短経路に2分岐する2×2の入出力端子を有する第1の光カップラーと、
前記第2の長経路と前記第2の短経路から出力された2つの光パルス列を合波し、合波した光パルス列を2分岐する2×2の入出力端子を有する第2の光カップラーと、
前記第2の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続する2つの光子検出器と
を含み、
前記第1の長経路が該長経路と前記第1の短経路との間に前記送信機からの光パルス列のパルス間隔Tに等しい時間差を与え、前記第2の長経路が該長経路と前記第2の短経路との間に前記パルス間隔Tの2倍のパルス間隔2Tに等しい時間差を与えるように設定され、
前記方法は、
前記送信機において0またはπのランダムに位相変調された一定時間間隔Tの光パルス列をパルス当り平均1光子未満のパワーレベルで送信する際に、
連続パルス列を所定の複数個のパルスずつにブロック化し、
各ブロック毎に割り当てられる予め用意した複数組の所定の位相パターンのいずれか一つを無作為に選択して各ブロックに割り当て、
前記割り当てに従って各パルスを位相変調する
ことを特徴とする量子暗号通信方法。
A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at a power level of less than one photon on average per pulse, and a receiver for receiving the optical pulse train transmitted from the transmitter; A quantum cryptography communication method using a quantum cryptography communication device comprising :
The receiver is
Optical branching means for branching the optical pulse train transmitted from the transmitter into a first long path and a first short path;
2 × 2 that multiplexes two optical pulse trains output from the first long path and the first short path, and divides the combined optical pulse train into a second long path and a second short path A first optical coupler having input / output terminals of
A second optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal that multiplexes two optical pulse trains output from the second long path and the second short path, and divides the combined optical pulse train into two branches; ,
Two photon detectors respectively connected to the output terminals of the second optical coupler ,
The first long path gives a time difference between the long path and the first short path equal to the pulse interval T of the optical pulse train from the transmitter, and the second long path is Set to give a time difference between the second short path and the pulse interval 2T equal to twice the pulse interval T ;
The method
When transmitting an optical pulse train having a constant time interval T, which is randomly phase-modulated by 0 or π, at the transmitter at an average power level of less than 1 photon,
Block a continuous pulse train into a predetermined number of pulses,
Randomly select any one of a plurality of predetermined phase patterns prepared for each block and assign them to each block.
Phase modulate each pulse according to the assignment
A quantum cryptography communication method characterized by the above.
請求項3に記載の量子暗号通信方法において、
単位ブロックとなる前記所定の複数個のパルスが4個のパルスであり、前記所定の位相パターンが{0−0−π−0}および{π−π−π−0}であることを特徴とする量子暗号通信方法。
In the quantum cryptography communication method according to claim 3,
The predetermined plurality of pulses serving as a unit block are four pulses, and the predetermined phase pattern is {0-0-π-0} and {π-π-π-0}. Quantum cryptography communication method.
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