JP4388316B2

JP4388316B2 - Quantum cryptographic communication apparatus and method

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Publication number: JP4388316B2
Application number: JP2003176372A
Authority: JP
Inventors: 毅西岡; 裕一石塚; 俊夫長谷川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005012631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子暗号のキーとなる量子信号を通信するための量子暗号通信装置および方法に関し、特に構成の簡略化およびコストダウンを実現した量子暗号通信装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の量子暗号通信装置の一例としては、たとえば非対称マッハツェンダ方式のものが知られており、１対の量子送受信装置（すなわち、量子送信装置および量子受信装置）と、これらの量子送受信装置を接続する通信路（光ファイバ通信路、公開通信路および制御信号通信路）とにより構成されている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、公開通信路としては、専用線やインターネットなどが用いられ、制御信号通信路としては、光ファイバ通信路や公開通信路などが用いられる。
【０００３】
また、量子送信装置は、光子発生器、非対称マッハツェンダ干渉計、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光子発生器は、送信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。ここで、光子パルスは、１パルス当たりの光子数が「１」を越えないように調整されている。
発生した光子パルスは、各１対のビームスプリッタおよびミラーと、位相変調器とにより構成される非対称マッハツェンダ干渉計に入光され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
【０００４】
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、一方のビームスプリッタから直に他方のビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、一方のビームスプリッタから、各ミラーを介して位相変調器を通過する光子パルスである。
第２の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、送信側制御手段により位相変調がかけられる。
【０００５】
また、量子受信装置は、偏波コントローラ、非対称マッハツェンダ干渉計、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、非対称マッハツェンダ干渉計は、各１対のビームスプリッタおよびミラーと位相変調器とにより構成されている。
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に到達した２連光子パルスは、偏波コントローラで偏波調整された後、非対称マッハツェンダ干渉計に入光される。
量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第１の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第１の後続光子パルスと）に分割する。
【０００６】
また、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計は、第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、一方のビームスプリッタから他方のビームスプリッタに直行する第２の先行光子パルスと、位相変調器を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
このとき、量子送信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差と、量子受信装置内の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる２連光子パルスの時間差とは、それぞれ同一となるように調整されている。
【０００７】
したがって、量子受信装置において、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時に他方のビームスプリッタに到達し、干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【０００８】
また、量子受信装置内において、第１の後続光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信用データ処理手段が出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられる。
受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
【０００９】
上記の通り、特許文献１に記載された送信側および受信側の各データ処理手段は、１パルス当たりの量子通信をあらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有するようになっている。
【００１０】
また、第２の従来装置として、たとえば、ファラディーミラー方式の量子暗号通信装置が知られている（たとえば、非特許文献１、または特許文献２参照）。
この場合、量子受信装置は、光子発生器、サーキュレータ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、位相変調器、受信側制御手段、受信側データ処理手段および１対の光子検出器を含み、光子発生器は、受信側制御手段が出力する同期信号に応じて光子パルスを発生する。
【００１１】
量子受信装置において発生した光子パルスは、サーキュレータを通過してビームスプリッタで２連の光子パルスに分割され、可干渉な時間差を有する２連光子パルスとして光ファイバ通信路に導かれる。
２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタから直に偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスであり、後続する第２の光子パルスは、位相変調器を経由して偏光ビームスプリッタに進行した光子パルスである。
第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタでのファイバ接続において、適切な偏光面のアラインメントを受けるので、偏光ビームスプリッタから光ファイバ通信路に出力される２連光子パルスは、互いに偏波面が直交している。
【００１２】
また、量子送信装置は、ビームスプリッタ、アッテネータ、位相変調器、ファラディーミラー、光検出器、送信側制御手段および送信側データ処理手段を含み、光ファイバ通信路を通過して量子送信装置に到達した２連光子パルスは、ビームスプリッタでそれぞれ分割され、一方の光子パルスは光検出器に導かれる。
光検出器は、導入された光子パルスを電気信号に変換して送信側制御手段に伝送し、これにより、送信側制御手段は受信側制御手段と同期する。
【００１３】
量子送信装置内のビームスプリッタで分割された他方の光子パルスは、アッテネータおよび位相変調器を通過し、ファラディーミラーで偏光面を直角に回転して反射される。
反射された２連光子パルスは、位相変調器、アッテネータ、ビームスプリッタの順に通過して、再度光ファイバ通信路に導かれる。
【００１４】
このとき、送信側制御手段は、送信側データ処理手段が出力した第１の乱数に応じて、第２の光子パルスのみに対して、位相変調器を用いて位相変調をかける。また、アッテネータは、第２の光子パルスの光子数が「１」を越えないように調整されている。
【００１５】
光ファイバ通信路を通過して量子受信装置に帰還した２連光子パルスのうち、第１の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを反射して、位相変調器を通る光路に導かれ、第２の光子パルスは、偏光ビームスプリッタを通過して、直にビームスプリッタに向かう光路に導かれる。
第１の光子パルスは、位相変調器を通過する際に、受信側データ処理手段の出力した第２の乱数に応じて、受信側制御手段により位相変調がかけられ、位相変調を受けた後、ビームスプリッタに向かう。
【００１６】
このように、第２の従来装置においては、２連光子パルスのそれぞれの全光路長がビームスプリッタにおいて等しくなるので、２連光子パルスが同時にビームスプリッタに到達して干渉を起こす。
この結果、光子パルスは、１対の光子検出器に排他的に導かれ、いずれか一方の光子検出器を発火する。
【００１７】
以下、受信側制御手段は、１対の光子検出器のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段に伝送する。
送信側および受信側の各データ処理手段は、上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行した後、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路を介して、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００１８】
なお、技術分野が異なるものの、送信装置内の光学系としてファラディー回転子を用い、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子を通して、光子パルスを反射して受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
また、受信装置から導入された光子パルスに対して、ファラディーミラーを用いて反射を施し、再び受信装置に帰還する通信装置も提案されている（たとえば、特許文献４参照）。
【００１９】
【特許文献１】
特表２０００−５１１０１６号公報
【非特許文献１】
Ｒ．Ｒｉｂｏｒｄｙ，ｅｔ．ａｌ．“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘ｐｌｕｇ＆ｐｌａｙ’ ｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２２，ｐｐ．２１１６−２１１７，１９９８）
【特許文献２】
特表２０００−５１７４９９号公報
【特許文献３】
特開平５−２４１１０４号公報
【特許文献４】
特開２００２−１５６６１５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の量子暗号通信装置は以上のように、たとえば特許文献１のように非対称マッハツェンダ方式を用いた場合には、量子受信装置側で受信した光子パルスの偏波面を調整しなければならないという問題点があった。
この問題点は、光ファイバ通信路（最も普及しているシングルモードの光ファイバに代表される）の複屈折性によって、量子送信装置からの出力時には整った偏波面を有する光子パルスが、量子受信装置による受信時には完全にランダムな偏波面となってしまうことに起因し、且つ、量子受信装置側の非対称マッハツェンダ干渉計が一般に偏波面依存性を有することから、干渉明瞭度の低下を招き、量子信号伝送のＳＮ比が大きく低下してしまうことに起因している。
特に、非対称マッハツェンダ干渉計の重要な構成要素である位相変調器は、一般的に、電気光学結晶から構成されているので、複屈折性を有しており、偏波依存性を除去することは不可能である。
【００２１】
また、たとえば非特許文献１または特許文献２のように、ファラディーミラー方式の従来の量子暗号通信装置は、光子パルスの繰返し周波数によって正しい量子通信の伝送が不可能になるため、光子パルスの繰返し周波数を自由に選択することができないという問題点があった。
この問題点は、同一の光路を光子パルスが往復することから、光子パルスの繰返し周波数の選択状態によって、往路の光子パルスと復路の光子パルスとが位相変調器の部位で重なるおそれがあり、復路の光子パルスのみに対して位相変調をかけるべきであるにもかかわらず、往路の光子パルスにも不本意な位相変調がかけられてしまうことに起因している。
【００２２】
また、従来の量子暗号通信装置は、制御信号通信路の設置時に、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いない場合には、制御信号による量子送受信装置の同期・調歩動作を可能にするために、リアルタイム性のある公開通信路を用いるか、または専用通信路を敷設するなど、他の資源を別途用意しなければならないという問題点があった。
さらに、制御信号通信路として光ファイバ通信路を用いる場合は、量子通信と制御信号通信とを分離するために、同一波長帯を用いて時間領域で多重化すること、ＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）を用いて波長領域で多重化すること、などの資源を費消せざるを得ず、コストアップを招くという問題点があった。
【００２３】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置および方法を得ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る量子暗号通信装置は、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すものである。
【００２５】
また、この発明に係る量子暗号通信方法は、量子通信路を介して、量子送信装置と量子受信装置との間で量子暗号を含む光子パルス通信し、公開通信路を介して、量子送信装置内の送信側データ処理手段と量子受信装置内の受信側データ処理手段との間で秘密鍵を共有するとともに、制御信号通信路を介して、量子送信装置内の送信側データ処理手段に接続された送信側制御手段と、量子受信装置内の受信側データ処理手段に接続された受信側制御手段との間で、同期信号を含む制御信号を相互通信することにより、量子送信装置および量子受信装置を同期動作させる量子暗号通信方法であって、量子送信装置内の送信側データ処理手段から出力された第１の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に伝送される光子パルスを位相変調し、量子受信装置内の受信側データ処理手段から出力された第２の乱数に応じて、量子送信装置から量子受信装置に入力された光子パルスを位相変調し、量子受信装置に入力された光子パルスを１対の光子検出器で検出し、１対の光子検出器のいずれが発火したかを伝送ビット情報に変換して、受信側制御手段から受信側データ処理手段に伝送し、伝送ビット情報が受信側データ処理手段に取り込まれた後、送信側データ処理手段および受信側データ処理手段により秘密鍵を共有するために、量子受信装置内の光子発生器から光子パルスを発生する光子発生ステップと、光子発生ステップにより発生した光子パルスを量子受信装置内の第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、可干渉且つ時間的に分離された２連の光子パルスにして出力する分離出力ステップと、量子受信装置における分離出力ステップにより分離出力された２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子受信装置から量子送信装置に伝送する量子通信用の往路伝送ステップと、量子送信装置に到達した２連の光子パルスを量子送信装置においてアッテネートする第１減衰ステップと、第１減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを量子送信装置内の第１の偏光ビームスプリッタで偏光分離し、第１の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスの偏波面を、非相反的に直角にファラディー回転させる第１偏波回転ステップと、第１偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して量子送信装置において位相変調を施す第１位相変調ステップと、第１の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに分離された２連の光子パルスのうちの、後続する光子パルスのみに対して量子送信装置において位相変調を施す第２位相変調ステップと、第２位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスの偏波面を、量子送信装置において非相反的に直角にファラディー回転させる第２偏波回転ステップと、第１位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルス、または、第２偏波回転ステップにより偏波回転された２連の光子パルスを、第１の偏光ビームスプリッタで再度合流し、量子送信装置において、合流後の２連の光子パルスのうちの後続する光子パルスの光子数が「１」を越えない光子レベル強度までアッテネートする第２減衰ステップと、量子送信装置における第２減衰ステップによりアッテネートされた２連の光子パルスを、量子通信路を介して量子送信装置から量子受信装置に伝送する量子通信用の復路伝送ステップと、量子受信装置に到達した２連の光子パルスを、量子受信装置内の第２の偏光ビームスプリッタに導入して、量子受信装置内の第２の非対称マッハツェンダ干渉計を含む量子観測手段に完全に導き、量子観測手段に導入された２連の光子パルスのうちの先行する光子パルスのみに対して、受信側制御手段の制御下で位相変調を施す受信側の位相変調ステップと、受信側の位相変調ステップにより位相変調された２連の光子パルスを第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入して、量子受信装置において、分離、合流および干渉を起こさせる分離・合流・干渉ステップと、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力側に設置された量子受信装置内の１対の光子検出器により、干渉後の光子パルスを検出して受信側制御手段に入力する検出ステップとを備えたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図であり、光ファイバに基づく位相変調方式を用いた装置の全体構成を示している。
図１において、量子暗号通信装置は、送信側の量子送信装置１００と、受信側の量子受信装置２００と、量子送信装置１００および量子受信装置２００を相互接続するための量子伝送路となる光ファイバ通信路１と、公開通信路２および制御信号通信路３とにより構成されている。
【００２７】
量子送信装置１００および量子受信装置２００は、量子として振舞う光子を伝送する光ファイバ通信路１と、ＬＡＮやインターネットなどで代表される公開通信路２と、制御信号通信路３とを介して、相互に接続される。
制御信号通信路３としては、具体的には、光ファイバ通信路１または公開通信路２が用いられてもよい。
光ファイバ通信路１は、量子暗号を含む量子信号を伝送し、制御信号通信路３は、量子送信装置１００および量子受信装置２００を同期・調歩動作させるための制御信号を伝送する。
【００２８】
量子送信装置１００は、前述の特許文献３に記載された光学系と類似の構成を有しており、光ファイバ通信路１に一端が接続されたアッテネータ１９と、アッテネータ１９の他端の光路に接続された偏光ビームスプリッタ２０と、偏光ビームスプリッタ２０の２つの光路に個別に接続されたファラディー回転子２１および位相変調器２２と、位相変調器２２を制御する送信側制御手段２３と、送信側制御手段２３に接続されて第１の乱数を出力する送信側データ処理手段２４とを備えている。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２は、量子通信用の光子パルスに対する両回転方向の光路ループを構成している。
量子送信装置１００は、量子受信装置２００から導入された光子パルスを、光ファイバ通信路１およびアッテネータ１９を介してファラディー回転子２１に導入し、非相反的に偏波面を回転するファラディー回転子（非相反素子）２１を通した後、再びアッテネータ１９および光ファイバ通信路１を介して、量子受信装置２００に向けて反射するようになっている。
【００３０】
量子受信装置２００は、光子発生器４と、光子発生器４の出力光路に配設されたビームスプリッタ５、６およびミラー７、８からなる第１の非対称マッハツェンダ干渉計と、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の他端光路に配設された偏光ビームスプリッタ９と、偏光ビームスプリッタ９の反射光路に配設された位相変調器１０と、位相変調器１０の出力光路に配設されたビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４からなる第２の非対称マッハツェンダ干渉計と、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の出力光路に配設された１対の光子検出器１５、１６と、光子検出器１５、１６の検出信号を取り込み光子発生器４および位相変調器１０を制御する受信側制御手段１７と、受信側制御手段１７に接続されて第２の乱数を出力する受信側データ処理手段１８とを備えている。
【００３１】
量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９は、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００内のアッテネータ１９に接続され、受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介して送信側制御手段２３に接続され、受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を介して送信側データ処理手段２４に接続されている。
【００３２】
量子受信装置２００内において、偏光ビームスプリッタ９は、２つの直交する偏波モードを分離し、偏光ビームスプリッタ９の通過側のポート（第１の偏光分離ポート）には、光子発生器４が接続され、偏光ビームスプリッタ９の反射側のポート（第２の偏光分離ポート）には、１対の光子検出器１５、１６が接続されている。
【００３３】
次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子暗号通信装置の動作について説明する。
受信側制御手段１７は、制御信号通信路３を介した制御信号の相互通信により、量子送信装置１００内の送信側制御手段２３と同期・調歩動作する。
量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７が出力する同期信号に応じて、偏波面の揃った光子パルスを発生する。
【００３４】
光子発生器４から発生した光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、偏波面の揃った可干渉な時間差を有する２連光子パルスに分離され、偏光ビームスプリッタ９を通過して光ファイバ通信路１に導かれる。
ここで、２連光子パルスのうち、先行する第１の光子パルスは、ビームスプリッタ５から直にビームスプリッタ６に進行した光子パルスであり、他方の後続する第２の光子パルスは、ビームスプリッタ５で反射されてミラー７、８を通過する光子パルスである。
【００３５】
なお、図１においては、第１の非対称マッハツェンダ干渉計の構成例として、ビームスプリッタ５、６と、ミラー７、８を用いたが、光平面導波路（ＰＬＣ）を用いた構成例、または光ファイバを用いた構成例も存在し、特定の１つの構成例に特化されるものではない。
【００３６】
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１に導かれた２連光子パルスは、量子送信装置１００に導入され、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により偏波面を非相反的に直角に回転させられ、位相変調器２２により第２の光子パルスが位相変調を受けた後、再び量子受信装置２００に帰還してくる。
【００３７】
量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ９で完全に反射されて、光子検出器１５、１６が配置された（第２の偏光分離ポート）に導かれる。
なぜなら、光ファイバ通信路１の一方の端点で入射された光は、他方の端点で非相反的に直角に偏波面の回転を受けて反射して帰還する場合に、途中の光路でいかなる複屈折性が存在したとしても、入射時点から直角に偏波面が回転した状態で帰還するからである。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ９で反射された２連光子パルスは、位相変調器１０に入光する。このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに対して位相変調をかける。
【００３９】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光する。このとき、第２の非対称マッハツェンダ干渉計は、先行する第１の光子パルスを、時間差を有する第１の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスと）に分割し、同様に、後続する第２の光子パルスを、時間差を有する第２の２連光子パルス（すなわち、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスと）に分割する。
【００４０】
ここで、各非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの各時間差は、それぞれ同一となるように調整されている。
したがって、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達して干渉を引き起こすことになる。
干渉を引き起こした光子パルスは、排他的に１対の光子検出器１５、１６のいずれか一方に導かれ、一方の光子検出器を発火する。
【００４１】
受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換し、受信側データ処理手段１８に伝送する。
受信側データ処理手段１８は、第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、量子送信装置１００と情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４２】
次に、量子送信装置１００に注目しながら、具体的な動作について説明する。
量子受信装置２００から光ファイバ通信路１を通過して量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、量子送信装置１００に到達した時点では、光ファイバ通信路１の有する複屈折性により偏波面が完全にランダムな状態になっている。
この状態で量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、それぞれ直交する２つの偏波モードに分離される。
【００４３】
こうして、４つに分離された光子パルスのうち、時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０を通過し、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、位相変調器２２を通過した後に、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
また、４つに分離された光子パルスのうち、反時計回りに進行する２連光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で反射され、位相変調器２２を通過後に、ファラディー回転子２１で非相反的に偏波面を直角に回転させられて、偏光ビームスプリッタ２０に戻る。
【００４４】
このとき、位相変調器２２は、送信側制御手段２３の制御下で、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、２連光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスのみに対して、時計回りまたは反時計回りの進行方向に依存することなく、位相変調器２２を通過する際に位相変調をかけている。
偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、分離合流するまでの光路長が、時計回りまたは反時計回りに依存せずに等しいので、再び２連光子パルスとなり、アッテネータ１９に導入される。
ここで、アッテネータ１９での光子レベル強度の減衰の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００４５】
こうして、再び光ファイバ通信路１に導入されて量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、前述した通り、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれる。
以下、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、量子伝送路（光ファイバ通信路１）を介して秘匿性を保って伝送された情報と、公開通信路２を介して伝送された情報とを用いて秘匿性情報を共有する。すなわち、第１および第２の乱数と、量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による量子通信動作について、さらに具体的に説明する。
図２において、量子暗号通信装置の光子パルス（量子暗号）に関連した量子通信部の処理ステップは、光子パルスの発生ステップＳ１と、分離出力ステップＳ２と、量子受信装置２００から量子送信装置１００への量子通信用の往路伝送ステップＳ３と、送信側での第１減衰ステップＳ４と、第１偏波回転ステップＳ５と、第１位相変調ステップＳ６と、第２位相変調ステップＳ５ａと、第２偏波回転ステップＳ６ａと、第２減衰ステップＳ７と、量子送信装置１００から量子受信装置２００への量子通信用の復路伝送ステップＳ８と、受信側の位相変調ステップＳ９と、分離・合流・干渉ステップＳ１０と、検出ステップＳ１１とを含む。
【００４７】
まず、量子受信装置２００内の光子発生器４は、受信側制御手段１７の制御下で光子パルスを発生する（光子発生ステップＳ１）。
このとき、光子パルスは、たとえばレーザパルスのように、パルス当たりの光子数がポアソン分布にしたがうように発生されてもよく、単一光子源を用いて、パルス当たり単一光子として発生されてもよい。
【００４８】
光子発生器４から発生した光子パルスは、ビームスプリッタ５、６およびミラー７、８により構成される第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第１の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された光子パルスは、第１の非対称マッハツェンダ干渉計内において、光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流して出力されることにより、光路差に応じた時間差を有する２連光子パルスとなる（分離出力ステップＳ２）。
【００４９】
第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力された２連光子パルスは、先行する第１の光子パルスと後続する第２の光子パルスとにより構成され、偏光ビームスプリッタ９を通して、光ファイバ通信路１に導かれる。
光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、そのまま、量子送信装置１００に伝送される（往路伝送ステップＳ３）。
【００５０】
このとき、光ファイバ通信路１が有する複屈折性により、２連光子パルスの偏波面は、完全にランダムな状態になってしまう。
量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、アッテネータ１９を通過することによって、パルス当たりの光子数が減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０に導かれる（第１減衰ステップＳ４）。
【００５１】
また、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスは、各偏光面がランダムなので、偏光ビームスプリッタ２０において、時計回りで周回する光子パルスと反時計回りで周回する光子パルスとに分離された後、再び偏光ビームスプリッタ２０で合流して２連光子パルスに戻る。
【００５２】
すなわち、２連光子パルスのうちの反時計回りの光子パルスは、光路ループ内において、ファラディー回転子２１および位相変調器２２の順に通過し、ファラディー回転子２１を通るときに、偏波面が非相反的に直角に回転させられる（第１偏波回転ステップＳ５）。
また、反時計回りの光子パルスは、ファラディー回転子２１を通過した後、位相変調器２２に導入され、位相変調器２２を通過する際に、後続する第２の光子パルスに当たる光子パルスのみが位相変調を受ける（第１位相変調ステップＳ６）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段２３により制御され、送信側データ処理手段２４が出力した第１の乱数に応じて、制御信号通信路３を介して同期タイミングを調整しつつ位相変調をかけることによって決定される。
【００５３】
一方、量子送信装置１００に導入された２連光子パルスのうち、時計回りの光子パルスの場合は、光路ループ内において、位相変調器２２およびファラディー回転子２１の順に通過するので、先に第２位相変調ステップＳ５ａを経た後に、第２偏波回転ステップＳ６ａが実行される。
【００５４】
なお、ファラディー回転子（非相反素子）２１による非相反的な偏波面の回転とは、回転の向きが光子パルスの進行方向に依存しないことを意味する。
また、光路ループ内の位相変調器２２において、反時計回りの光子パルスおよび時計回りの光子パルスのいずれに対しても、後続する第２の光子パルスのみに対して選択的に位相変調をかけるためには、偏光ビームスプリッタ２０、ファラディー回転子２１および位相変調器２２を含む光路ループの光路長を、入射される２連光子パルスの時間差に相当する距離に比べて十分に短く設定すればよく、容易に実現することができる。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ２０を介して、再び２連光子パルスに戻った光子パルスは、アッテネータ１９を再度通過する。このとき、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない程度まで、パルス当たりの光子レベル強度が減衰された後、光ファイバ通信路１に再び導入される（第２減衰ステップＳ７）。
【００５６】
光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスは、量子受信装置２００に向かって帰還することになるが、このとき、２連光子パルスの偏波状態は、光ファイバ通信路１の有する複屈折性によって、再びランダムな変動を受ける。
しかし、光ファイバ通信路１に再入射した２連光子パルスの偏波面は、量子送信装置１００内のファラディー回転子２１により、非相反的に直角に回転を受けているので、光ファイバ通信路１の往路上で受けた偏波変動と、復路上で受けた偏波変動とが丁度打ち消し合うように作用する。
したがって、再導入された２連光子パルスが量子受信装置２００内の偏光ビームスプリッタ９に到達する時点では、２連光子パルスの偏波面は、偏光ビームスプリッタ９から量子送信装置１００に向かった往路時と比べて、正確に直角に回転している（復路伝送ステップＳ８）。
【００５７】
このように、量子受信装置２００に帰還した２連光子パルスは、偏波面が直角に回転しているので、偏光ビームスプリッタ９において完全に反射され、位相変調器１０の設置された方向の出力ポート（第２の偏光分離ポート）に導かれ、位相変調器１０を通過する際に、先行する第１の光子パルスのみが位相変調を受ける（受信側の位相変調ステップＳ９）。
このときの位相変調の大きさは、送信側制御手段１７により制御され、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、位相変調がかけられることによって決定される。
【００５８】
２連光子パルスは、位相変調器１０を通過後、ビームスプリッタ１１、１２およびミラー１３、１４により構成される第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれる。
第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスは、前述と同様に、それぞれ光路長の異なる２つの光路に分離された後、再度合流するので、４つの光子パルスに分かれることになる。
【００５９】
すなわち、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第１の（先行する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第１の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第１の後続光子パルスとに分離される。
同様に、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入された２連光子パルスのうち、第２の（後続する）光子パルスは、ビームスプリッタ１１からビームスプリッタ１２に直行する第２の先行光子パルスと、ミラー１３、１４を通過する第２の後続光子パルスとに分離される。
【００６０】
上記４つの光子パルスは、ビームスプリッタ１２で再び合流するが、光路長差により時間差が生じている。
ただし、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスについては、第２の非対称マッハツェンダ干渉計の光路長差を適切に調整することにより、ビームスプリッタ１２に同時に到達するので、干渉を引き起こすことができる（分離・合流・干渉ステップＳ１０）。
【００６１】
ビームスプリッタ１２における干渉の結果、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスの合流光子パルスは、光子検出器１５または１６の一方に排他的に導かれることになる。
合流光子パルスが光子検出器１５、１６のどちらに導かれるかは、第１位相変調ステップＳ６において第２の光子パルスが受けた位相変調と、受信側の位相変調ステップＳ９において第１の光子パルスが受けた位相変調との位相差により、確率的に決定される。ただし、上記各位相変調の位相差が「０」または「π」の場合には、合流光子パルスの導かれる光子検出器が確定する。
【００６２】
こうして、光子検出器１５、１６には、第１の先行光子パルスと、合流光子パルス（第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルス）と、第２の後続光子パルスとがそれぞれ導かれる。
ここで、タイミングを調整することにより、合流光子パルスが導かれたときのみに、光子検出器１５、１６の一方を発火させることができる。
または、光子検出器１５、１６のいずれが発火してもよいが、受信側制御手段１７により、合流光子パルスが導かれたタイミングの発火のみを有効とすることができる。
いずれにせよ、受信側制御手段１７は、光子検出器１５、１６のどちらかが発火したかにより、「０」または「１」の量子通信ビット情報を定め、この量子通信ビット情報を受信側データ処理手段１８に送る（検出ステップＳ１１）。
【００６３】
以上が量子通信部の光子パルス当たりの動作フローである。
上記量子通信動作は、あらかじめ定めた回数だけ繰り返し実行され、その後、送信側データ処理手段２４および受信側データ処理手段１８は、公開通信路２を用いて相互に情報交換をしつつ、第１および第２の乱数と量子通信ビット情報とから、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００６４】
このように、量子受信装置２００内において、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力されて第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導入される光子パルスは、光ファイバ通信路１の有する任意の複屈折性に起因してランダムな偏波変動が生じても、光ファイバ通信路１の送信側端（量子送信装置１００内のファラディー回転子２１）で非相反的に直角に偏波面が回転されて往復することにより、ランダムな偏波変動が打ち消されることになる。
【００６５】
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に導かれた光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９によって完全に分離されているので、位相変調器１０における光子パルスの流れは一方向に限定されており、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられるおそれは全くなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００６６】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１参照）では、量子送信装置１００において、量子受信装置２００から導かれる光子パルスに対し、偏光ビームスプリッタ２０を用いたループ状の光路を形成することにより、再び量子受信装置２００に帰還するようにしたが、量子送信装置内に、前述の特許文献４に記載された光学系と類似の構成を設け、量子受信装置から導入された光子パルスに対してファラディーミラーを用いて再び量子受信装置に帰還するようにしてもよい。
【００６７】
図３は量子送信装置１００Ａ内にファラディーミラー２６を設けたこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
図３において、量子送信装置１００Ａは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ａおよび送信側データ処理手段２４Ａに加えて、偏光ビームスプリッタ２０を含むループ内に挿入された位相変調器２２Ａおよび偏光ビームスプリッタ２５と、偏光ビームスプリッタ２５の他端側に配設されたファラディーミラー２６とを備えている。
【００６８】
この場合、光ファイバ通信路１の量子送信側端においては、非相反的に直角に偏波面を回転するファラディーミラー２６を通して光子パルスが反射される。
また、光ファイバ通信路１の量子受信側端（量子受信装置２００）において、光子パルスは、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により２つの直交する偏波モードに分離され、第１の偏光分離ポートを介して光子発生器４に導入され、第２の偏光分離ポートを介して光子検出器１５、１６に導入されている。
【００６９】
次に、図３に示したこの発明の実施の形態２による量子暗号通信装置の動作について説明する。
量子受信装置２００から、光ファイバ通信路１を介して量子送信装置１００Ａに伝送された２連光子パルスは、量子送信装置１００Ａ内のアッテネータ１９で減衰された後、偏光ビームスプリッタ２０により、直交する２つの偏波モードに分離される。
【００７０】
量子送信装置１００Ａにおいて、偏光ビームスプリッタ２０で分離された光子パルスは、それぞれ、位相変調器２２Ａに進行する２連光子パルスと、位相変調器２２に進行する２連光子パルスとなり、他方の偏光ビームスプリッタ２５で再び合流する。
合流した４つの光子パルスは、それぞれ、ファラディーミラー２６で非相反的に偏波面を直角に回転して反射される。
【００７１】
ファラディーミラー２６で反射された光子パルスは、再び偏光ビームスプリッタ２５に戻り、偏波モードに応じて分離される。
このとき、往路において位相変調器２２Ａを通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２を通り、往路において位相変調器２２を通過した２連光子パルスは、復路においては位相変調器２２Ａを通る。
また、送信側制御手段２３Ａは、位相変調器２２Ａ、２２を制御し、送信側データ処理手段２４Ａが出力した第１の乱数に応じて、４つの光子パルスのうち、後続する第２の光子パルスに対してのみ、位相変調器２２Ａ、２２を通過する際に位相変調をかけている。
【００７２】
ファラディーミラー２６で反射された後、偏光ビームスプリッタ２０に戻った４つの光子パルスは、偏光ビームスプリッタ２０で分離合流するまでの光路長が光路の違いによらず等しいので、再び２連光子パルスとなってアッテネータ１９に向かう。なお、前述と同様に、アッテネータ１９による減衰（減光）の大きさは、後続する第２の光子パルスの光子数が「１」を越えない強度となるように調整されている。
【００７３】
再び光ファイバ通信路１に導入された２連光子パルスは、量子受信装置２００に帰還し、前述と同様に、偏光ビームスプリッタ９により完全に反射されて、光子検出器１５、１６が設置された第２の偏光分離ポートに導かれ、位相変調器１０に導入される。
このとき、位相変調器１０は、受信側制御手段１７の制御下で、受信側データ処理手段１８が出力した第２の乱数に応じて、先行する第１の光子パルスのみに位相変調をかける。
【００７４】
位相変調器１０を通過した２連光子パルスは、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に入光し、先行する第１の光子パルスを第１の２連光子パルスに分割し、後続する第２の光子パルスを第２の２連光子パルスに分割する。
このとき、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計で生じる各２連光子パルスの時間差は、それぞれ同一となるように調整されており、第１の後続光子パルスおよび第２の先行光子パルスは、同時にビームスプリッタ１２に到達し、干渉を引き起こすことになる。
【００７５】
以下、前述と同様に、干渉を引き起こした光子パルスは、２つの光子検出器１５、１６のいずれか一方に排他的に導かれて光子検出器を発火し、受信側制御手段１７は、２つの光子検出器１５、１６のいずれが発火したかをビット情報に変換して、受信側データ処理手段１８に伝送する。
上記の１パルス当たりの量子通信を、あらかじめ定めた回数だけ繰り返した後、送信側データ処理手段２４Ａおよび受信側データ処理手段１８は、第１および第２の乱数と量子通信で伝送されたビット情報とから、公開通信路２を用いて、情報の一部を交換しつつ、秘匿性が保証されたランダムな情報を共有する。
【００７６】
このように、第１の非対称マッハツェンダ干渉計から出力して第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至るまでの間に、光ファイバ通信路１の複屈折性に起因して生じる光子パルスのランダムな偏波変動は、光ファイバ通信路１の一端（量子送信装置１００Ａ）で非相反的に偏波面を直角に回転して往復することにより、打ち消し合うことになる。
したがって、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に至った光子パルスは、偏光状態が自動的に完全に整えられているので、第２の非対称マッハツェンダ干渉計に偏波無依存性が要求されることは全くなく、偏波依存性を有していたとしても、光子パルスの偏波面の調整が全く不要となる。
また、量子受信装置２００内の光路において、光子出力器４から光ファイバ通信路１に至る光路と、光ファイバ通信路１から光子検出器１５、１６に至る光路とは、偏光ビームスプリッタ９よりに完全に分離されているので、位相変調器１０での光子パルスの流れは一方向であり、光子パルスに対して不適切な位相変調がかけられることはなく、光子パルス発生の繰返し周波数を自由に選択することができる。
【００７７】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、光ファイバ通信路１とは別に制御信号通信路３を設けたが、制御信号通信として量子通信と同一の波長帯を用いるとともに、量子通信では使用されなかった偏波モードを利用し、光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用してもよい。
図４は光ファイバ通信路を制御信号通信路として兼用したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００７８】
図４において、量子送信装置１００Ｂと量子受信装置２００Ｂとを結ぶ光ファイバ通信路１Ｂ（量子伝送路および制御信号通信路）は、量子通信用の通信路のみならず、制御信号通信路としても兼用するように機能する。すなわち、制御信号通として量子通信と同一の波長帯を用い、量子通信では使われなかったもう一方の偏波モードを利用することにより、光ファイバ通信路１Ｂを制御信号通信路として用いる。
【００７９】
量子受信装置２００Ｂは、光子発生器４、第１および第２の非対称マッハツェンダ干渉計、偏光ビームスプリッタ９、位相変調器１０、光子検出器１５、１６、受信側制御手段１７Ｂ、受信側データ処理手段１８Ｂに加えて、偏光ビームスプリッタ９を通過した光パルスを検出する光検出器２７と、制御用光パルスを出力するレーザ装置２８と、受信側制御手段１７Ｂの制御下で制御用光パルスの強度を変調する強度変調器２９と、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０および強度変調器２９との間に挿入されたサーキュレータ３０と、偏光ビームスプリッタ９と第１の非対称マッハツェンダ干渉計および光検出器２７との間に挿入されたサーキュレータ３１とを備えている。
【００８０】
量子送信装置１００Ｂは、アッテネータ１９、偏光ビームスプリッタ２０と、ファラディー回転子２１、位相変調器２２、送信側制御手段２３Ｂおよび送信側データ処理手段２４Ｂに加えて、光ファイバ通信路１Ｂとアッテネータ１９との間に挿入されたビームスプリッタ３２および遅延ファイバ３３と、ビームスプリッタ３２の反射光路に挿入されたビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４の通過光路に配設された光検出器３５と、ビームスプリッタ３４の反射光路に挿入されたファラディーミラー３６および強度変調器３７とを備えている。
強度変調器３７は、送信側制御手段２３Ｂの制御下で、ファラディーミラー３６から反射された制御用光パルスの強度を変調する。
【００８１】
次に、図４に示したこの発明の実施の形態３による量子暗号通信装置の動作について説明する。
この場合、量子通信に関する動作は前述と同様なので、制御信号通信に関する動作に注目して説明する。
量子受信装置２００Ｂにおいて、出力するレーザ装置２８から出力される制御信号通信用の制御用光パルスの波長は、光子発生器４から出力される量子通信用の光子パルスと同一波長に設定することができる。
【００８２】
レーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力する。
レーザ装置２８から出力された制御用光パルスは、強度変調器２９を通り、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０を介して、偏光ビームスプリッタ９と位相変調器１０とを結ぶ光路に接続され、偏光ビームスプリッタ側９に導かれる。
【００８３】
偏光ビームスプリッタに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子送信装置１００Ｂに伝送され、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２により２つの光パルスに分岐される。
このうち、ビームスプリッタ３２を通過してアッテネータ１９に導かれる光パルスは、再び量子送信装置１００Ｂから出力されるときには十分に減衰しており、制御用光パルスとして機能しないので、無視することができる。
なお、このとき、遅延ファイバ３３は、制御用光パルスと量子通信用（被制御用）の光子パルスとの間に十分な時間差を設けている。
【００８４】
一方、ビームスプリッタ３２で反射されて、他方のビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４によりさらに２つに分岐され、ビームスプリッタ３４を通過した一方の制御用光パルスは、光検出器３５に導かれる。
光検出器３５は、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子受信装置２００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して送信側制御手段２３Ｂに伝送する。
【００８５】
ビームスプリッタ３４で反射された他方の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過してファラディーミラー３６に導かれ、ファラディーミラー３６により偏波面を非相反的に直角に回転を受けた後、反射される。
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、強度変調器３７を再び通過するが、このとき、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じて強度変調を受ける。
強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および３２の順に通過し、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれて量子受信装置２００Ｂに向かう。
【００８６】
量子受信装置２００Ｂに帰還した制御用光パルスは、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過して、サーキュレータ３１が配置された第１の偏光分離ポートに導かれ、光検出器２７に入射する。このとき、量子受信装置２００Ｂに導入された制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性による偏波変動を受けたとしても、最初に量子送信装置１００Ｂに向かったときと比べて、直角に偏光面が回転しているので、偏光ビームスプリッタ９を完全に通過し、サーキュレータ３１を介して光検出器２７に導かれる。
光検出器２７は、量子送信装置１００Ｂ内の光検出器３５と同様に、制御用光パルスが受けている強度変調を、強度的にもタイミング的にも識別できる程度の分解能を有しており、量子送信装置１００Ｂからの制御用光パルスを電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送する。
【００８７】
次に、図５のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３による光ファイバ通信路１Ｂ（制御信号通信路）に関わる制御用光パルスの通信動作について、さらに具体的に説明する。
図５において、制御用光パルスに関連した制御信号通信部の処理ステップは、制御用光パルスの発生ステップＳ２１と、受信側の強度変調ステップＳ２２と、量子受信装置２００Ｂから量子送信装置１００Ｂへの制御用の往路伝送ステップＳ２３と、送信側の光受信ステップＳ２４と、偏波回転・反射ステップＳ２４ａと、送信側の強度変調ステップＳ２５と、量子送信装置１００Ｂから量子受信装置２００Ｂへの制御用の復路伝送ステップＳ２６と、受信側の光受信ステップＳ２７とを含む。
【００８８】
まず、量子受信装置２００Ｂ内のレーザ装置２８は、受信側制御手段１７Ｂからの同期信号に同期して、制御用光パルスを発振して出力し、これを強度変調器２９に導入する（光パルス発生ステップＳ２１）。
強度変調器２９に導かれた制御用光パルスは、受信側制御手段１７Ｂからの制御信号に応じて、強度変調器２９により強度変調が施される（受信側の強度変調ステップＳ２２）。
強度変調を受けた制御用光パルスは、サーキュレータ３０および偏光ビームスプリッタ９の順に通過して、光ファイバ通信路１Ｂに導かれる。
光ファイバ通信路１Ｂに導かれた制御用光パルスは、量子送信装置１００Ｂに伝送される（往路伝送ステップＳ２３）。
【００８９】
量子送信装置１００Ｂに到達した制御用光パルスのうちの一部は、ビームスプリッタ３２で反射された後、ビームスプリッタ３４によりさらに分割され、ビームスプリッタ３４を通過した制御用光パルスは、光検出器３５に入射され、光検出器３５により電気信号に変換されて送信側制御手段２３Ｂに伝送される（送信側の光受信ステップ２４）。
【００９０】
なお、ここでは詳述しないが、量子送信装置１００Ｂに到達した量子通信用の光子パルスは、ビームスプリッタ３２から遅延ファイバ３３を通過した後、前述と同様に、アッテネータ１９を介して、偏光ビームスプリッタ２０を含む光路ループ内に導かれる。
このとき、遅延ファイバ３３を通過することにより十分な時間差が生じているので、ループ内の位相変調器２２は、量子通信を担う光子パルスに対して、完全に制御された位相変調をかけることができる。
【００９１】
一方、量子送信装置１００Ｂ内のビームスプリッタ３２で反射されて、ビームスプリッタ３４に導かれた制御用光パルスのうち、ビームスプリッタ３４で反射された他の一部の制御用光パルスは、強度変調器３７を通過して、ファラディーミラー３６で偏波面を非相反的に直角に回転させられて反射される（偏波回転・反射ステップＳ２４ａ）。
【００９２】
ファラディーミラー３６で反射された制御用光パルスは、再び強度変調器３７に導かれ、強度変調器３７により、送信側制御手段２３Ｂからの制御信号に応じた強度変調を受ける（送信側の強度変調ステップＳ２５）。
送信側の強度変調ステップＳ２５で強度変調を受けた制御用光パルスは、ビームスプリッタ３４および２８の順に通過して、再び光ファイバ通信路１Ｂに導かれ、量子受信装置２００Ｂに伝送される（復路伝送ステップＳ２６）。
【００９３】
このとき、復路伝送中の制御用光パルスは、光ファイバ通信路１Ｂの複屈折性によって偏波変動を受けるが、量子送信装置１００Ｂ内のファラディーミラー３６により、偏波面が非相反的に直角に回転させられているので、光ファイバ通信路１Ｂの往路と復路とで、偏波変動が丁度打ち消し合うことになる。
したがって、光ファイバ通信路１Ｂを往復して偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、往路伝送ステップＳ２３での初めの偏波状態から、丁度、偏波面が直角に回転した状態となる。
【００９４】
このように、偏波面が直角に回転した状態で、量子受信装置２００Ｂ内の偏光ビームスプリッタ９に到達した制御用光パルスは、完全に通過してサーキュレータ３１の配設された第１の偏光分離ポートに導かれる。
サーキュレータ３１は、量子送信装置１００Ｂから帰還してきた制御用光パルスを光検出器２７に導き、光検出器２７は、制御用光パルスに付加された量子送信装置１００Ｂの制御信号を、電気信号に変換して受信側制御手段１７Ｂに伝送される（受信側の光受信ステップＳ２７）。
【００９５】
このように、量子送信装置１００Ｂおよび量子受信装置２００Ｂは、光ファイバ通信路１Ｂを用いて制御信号を相互に通信することができる。
したがって、制御信号通信路として別に専用線を設ける必要がなく、また、インターネットに代表される公開通信路を用いることもないので、リアルタイム性のある制御信号の相互通信を実現することができる。
また、制御信号通信として、量子通信に用いる波長と同一波長を用いているので、ＷＤＭ通信などに用いる波長領域の通信資源を費消することもない。
さらに、偏波モードによって量子通信と制御信号通信とを分離することができるので、ＴＤＭＡ（ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）などに用いる時間領域の通信資源も費消しないで済む。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位相変調方式の量子暗号を伝送するための量子伝送路と、量子伝送路の送信側に設置された量子送信装置と、量子伝送路の受信側に設置された量子受信装置と、量子送信装置と量子受信装置とを結合して同期信号を含む制御信号を相互通信するための制御信号通信路とを備えた量子暗号通信装置であって、量子送信装置は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第１の位相変調器を含む光路ループと、光路ループに関連して設置された非相反素子と、制御信号通信路を介して量子受信装置に接続され且つ第１の位相変調器を制御する送信側制御手段と、送信側制御手段に接続された送信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子伝送路に接続された第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタの第１の偏光分離ポートに設置された量子出力手段と、第２の偏光ビームスプリッタの第２の偏光分離ポートに設置された第２の位相変調器を含む量子観測手段と、制御信号通信路を介して量子送信装置に接続され且つ第２の位相変調器を制御する受信側制御手段と、受信側制御手段に接続された受信側データ処理手段とを含み、量子受信装置は、量子出力手段から出力された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタおよび量子伝送路を介して量子送信装置に伝送するとともに、量子送信装置内の非相反素子を介して反射され、量子伝送路を介して受信された光子パルスを、第２の偏光ビームスプリッタを介して量子観測手段に導き、量子受信装置内の量子出力手段および量子観測手段は、偏光ビームスプリッタの第１および第２の偏光分離ポートを介して、互いに分離配置され、量子送信装置内の非相反素子は、光路ループに導入された光子パルスの偏波面の回転を受けて反射を施すので、偏波面調整が不要で、繰返し周波数の選択が自由で、且つ、制御信号通信路用の資源を節減した安価な量子暗号通信装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３による量子暗号通信装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による動作（量子暗号通信方法）を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１Ｂ光ファイバ通信路（量子伝送路）、２公開通信路、３制御信号通信路、４光子発生器、５〜８第１の非対称マッハツェンダ干渉計、９、２０、２５偏光ビームスプリッタ、１０、２２、２２Ａ位相変調器、１１〜１４第２の非対称マッハツェンダ干渉計、１５、１６光子検出器、１７、１７Ｂ受信側制御手段、１８、１８Ｂ受信側データ処理手段、１９アッテネータ、２１ファラディー回転子、２３、２３Ａ、２３Ｂ送信側制御手段、２４、２４Ａ、２４Ｂ送信側データ処理手段、２６、３６ファラディーミラー、２７、３５光検出器、２８レーザ装置、２９、３７強度変調器、３０、３１サーキュレータ、３２、３４ビームスプリッタ、３３遅延ファイバ、１００、１００Ａ、１００Ｂ量子送信装置、２００、２００Ｂ量子受信装置、Ｓ１光子発生ステップ、Ｓ２分離出力ステップ、Ｓ３量子通信用の往路伝送ステップ、Ｓ４第１減衰ステップ、Ｓ５第１偏波回転ステップ、Ｓ６第１位相変調ステップ、Ｓ５ａ第２位相変調ステップ、Ｓ６ａ第２偏波回転ステップ、Ｓ７第２減衰ステップ、Ｓ８量子通信用の復路伝送ステップ、Ｓ９受信側の位相変調ステップ、Ｓ１０分離・合流・干渉ステップ、Ｓ１１検出ステップ、Ｓ２１光パルス発生ステップ、Ｓ２２受信側の強度変調ステップ、Ｓ２３制御用の往路伝送ステップ、Ｓ２４送信側の光受信ステップ、Ｓ２４ａ偏波回転・反射ステップ、Ｓ２５送信側の強度変調ステップ、Ｓ２６制御用の復路伝送ステップ、Ｓ２７受信側の光受信ステップ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum cryptography communication apparatus and method for communicating a quantum signal that is a key for quantum cryptography, and more particularly to a quantum cryptography communication apparatus and method that achieves simplification of configuration and cost reduction.
[0002]
[Prior art]
As an example of a conventional quantum cryptography communication device, for example, an asymmetric Mach-Zehnder system is known, and a pair of quantum transmission / reception devices (that is, a quantum transmission device and a quantum reception device) are connected to these quantum transmission / reception devices. It is comprised by the communication path (an optical fiber communication path, an open communication path, and a control signal communication path) (for example, refer patent document 1).
Here, a dedicated line or the Internet is used as the public communication path, and an optical fiber communication path or a public communication path is used as the control signal communication path.
[0003]
Further, the quantum transmission device includes a photon generator, an asymmetric Mach-Zehnder interferometer, a transmission-side control unit, and a transmission-side data processing unit, and the photon generator generates a photon pulse according to a synchronization signal output from the transmission-side control unit To do. Here, the photon pulse is adjusted so that the number of photons per pulse does not exceed “1”.
The generated photon pulse is incident on an asymmetric Mach-Zehnder interferometer composed of a pair of beam splitters and mirrors and a phase modulator, and is guided to the optical fiber communication path as a double photon pulse having a coherent time difference. It is burned.
[0004]
Of the double photon pulses, the preceding first photon pulse is a photon pulse that has traveled directly from one beam splitter to the other beam splitter, and the subsequent second photon pulse is derived from one beam splitter. A photon pulse that passes through the phase modulator through each mirror.
When the second photon pulse passes through the phase modulator, it is phase-modulated by the transmission-side control means according to the first random number output from the transmission-side data processing means.
[0005]
The quantum receiver includes a polarization controller, an asymmetric Mach-Zehnder interferometer, a reception-side control means, a reception-side data processing means, and a pair of photon detectors. The asymmetric Mach-Zehnder interferometer includes a pair of beam splitters and mirrors. And a phase modulator.
The double photon pulse that has passed through the optical fiber communication path and reached the quantum receiver is subjected to polarization adjustment by the polarization controller and then incident on the asymmetric Mach-Zehnder interferometer.
The asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum receiver is configured to convert a first photon pulse into a first double photon pulse having a time difference (ie, a first preceding photon pulse that goes straight from one beam splitter to the other beam splitter). , And the first subsequent photon pulse passing through the phase modulator).
[0006]
In addition, the asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum reception device converts the second photon pulse into a second double photon pulse having a time difference (that is, a second preceding photon that goes directly from one beam splitter to the other beam splitter). And a second subsequent photon pulse that passes through the phase modulator).
At this time, the time difference between the double photon pulses generated in the asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum transmitter is adjusted to be the same as the time difference between the double photon pulses generated in the asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum receiver. ing.
[0007]
Therefore, in the quantum receiving device, the first subsequent photon pulse and the second preceding photon pulse reach the other beam splitter at the same time and cause interference.
The photon pulse that caused the interference is guided exclusively to a pair of photon detectors and ignites one of the photon detectors.
[0008]
Also, in the quantum receiver, the first subsequent photon pulse is phase-modulated by the reception-side control means according to the second random number output from the reception data processing means when passing through the phase modulator. It is done.
The receiving side control means converts which one of the pair of photon detectors has fired into bit information and transmits it to the receiving side data processing means.
[0009]
As described above, each of the data processing means on the transmission side and the reception side described in Patent Document 1 repeatedly executes the quantum communication per pulse a predetermined number of times, and then performs the first and second random numbers and the quantum communication. From the bit information transmitted in (1), random information with which confidentiality is guaranteed is shared while exchanging a part of the information via a public communication path.
[0010]
As a second conventional device, for example, a Faraday mirror type quantum cryptography communication device is known (see, for example, Non-Patent Document 1 or Patent Document 2).
In this case, the quantum receiver includes a photon generator, a circulator, a beam splitter, a polarization beam splitter, a phase modulator, a reception side control unit, a reception side data processing unit, and a pair of photon detectors. A photon pulse is generated in accordance with the synchronization signal output from the receiving side control means.
[0011]
The photon pulse generated in the quantum receiver passes through the circulator, is divided into two photon pulses by the beam splitter, and is guided to the optical fiber communication path as a double photon pulse having a coherent time difference.
Of the double photon pulses, the preceding first photon pulse is a photon pulse that has traveled directly from the beam splitter to the polarizing beam splitter, and the subsequent second photon pulse is transmitted through the phase modulator to the polarized beam. This is a photon pulse that has traveled to the splitter.
Since the first photon pulse is aligned with an appropriate polarization plane in the fiber connection of the polarization beam splitter, the double photon pulses output from the polarization beam splitter to the optical fiber communication path are orthogonal to each other. ing.
[0012]
The quantum transmission device includes a beam splitter, an attenuator, a phase modulator, a Faraday mirror, a photodetector, a transmission side control unit, and a transmission side data processing unit, and passes through the optical fiber communication path to reach the quantum transmission device. The doubled photon pulse is divided by the beam splitter, and one photon pulse is guided to the photodetector.
The photodetector converts the introduced photon pulse into an electrical signal and transmits it to the transmission side control means, whereby the transmission side control means is synchronized with the reception side control means.
[0013]
The other photon pulse divided by the beam splitter in the quantum transmitter passes through the attenuator and the phase modulator, and is reflected by rotating the plane of polarization at a right angle by the Faraday mirror.
The reflected double photon pulse passes through the phase modulator, the attenuator, and the beam splitter in this order, and is again guided to the optical fiber communication path.
[0014]
At this time, the transmission side control means applies phase modulation to only the second photon pulse using the phase modulator according to the first random number output from the transmission side data processing means. The attenuator is adjusted so that the number of photons of the second photon pulse does not exceed “1”.
[0015]
Of the double photon pulses that have passed through the optical fiber communication path and returned to the quantum receiver, the first photon pulse is reflected by the polarization beam splitter and guided to the optical path that passes through the phase modulator. The pulse passes through the polarizing beam splitter and is guided to the optical path directly toward the beam splitter.
When the first photon pulse passes through the phase modulator, it is phase-modulated by the receiving-side control means in accordance with the second random number output from the receiving-side data processing means, and after undergoing phase modulation, Head to the beam splitter.
[0016]
Thus, in the second conventional apparatus, since the total optical path length of each of the double photon pulses becomes equal in the beam splitter, the double photon pulses reach the beam splitter at the same time and cause interference.
As a result, the photon pulse is guided exclusively to the pair of photon detectors and ignites one of the photon detectors.
[0017]
Hereinafter, the receiving side control means converts which one of the pair of photon detectors has fired into bit information and transmits it to the receiving side data processing means.
Each of the data processing means on the transmitting side and the receiving side repeatedly executes the above-described quantum communication per pulse a predetermined number of times, and then uses the first and second random numbers and the bit information transmitted by the quantum communication. Through the public communication path, a part of the information is exchanged and the random information with which the confidentiality is guaranteed is shared.
[0018]
Although the technical field is different, a communication device that uses a Faraday rotator as an optical system in a transmission device, reflects a photon pulse through a Faraday rotator that rotates the plane of polarization nonreciprocally and returns it to the reception device. Has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
In addition, a communication device has also been proposed in which a photon pulse introduced from a receiving device is reflected using a Faraday mirror and returned to the receiving device again (see, for example, Patent Document 4).
[0019]
[Patent Document 1]
Special table 2000-511016 gazette
[Non-Patent Document 1]
R. Ribordy, et. al. “Automated 'plug &play' quantum key distribution” (Electronics Letters, Vol. 34, No. 22, pp. 2116-2117, 1998)
[Patent Document 2]
Special Table 2000-517499
[Patent Document 3]
JP-A-5-241104
[Patent Document 4]
JP 2002-156615 A
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the conventional quantum cryptography communication apparatus uses the asymmetric Mach-Zehnder method as in Patent Document 1, for example, the polarization plane of the photon pulse received on the quantum receiver side must be adjusted. was there.
This problem is due to the birefringence of the optical fiber communication channel (typified by the most popular single-mode optical fiber), and the photon pulse with the polarization plane arranged at the time of output from the quantum transmitter is Due to the fact that the plane of polarization is completely random at the time of reception by the device, and since the asymmetric Mach-Zehnder interferometer on the quantum receiver side generally has polarization plane dependency, the interference intelligibility is reduced, This is because the signal-to-noise ratio of signal transmission is greatly reduced.
In particular, a phase modulator, which is an important component of an asymmetric Mach-Zehnder interferometer, is generally composed of an electro-optic crystal, and thus has birefringence, so that the polarization dependence can be eliminated. Impossible.
[0021]
Further, for example, as in Non-Patent Document 1 or Patent Document 2, the conventional quantum cryptography communication device of the Faraday mirror system cannot transmit the correct quantum communication by the repetition frequency of the photon pulse. There was a problem that the frequency could not be freely selected.
This problem is that the photon pulse reciprocates on the same optical path, so that depending on the selection state of the repetition frequency of the photon pulse, there is a possibility that the photon pulse in the forward path and the photon pulse in the backward path may overlap at the site of the phase modulator. This is because, even though the phase modulation should be applied only to the photon pulse, the unintentional phase modulation is also applied to the forward photon pulse.
[0022]
In addition, when a conventional quantum cryptography communication device does not use an optical fiber communication channel as a control signal communication channel when the control signal communication channel is installed, the quantum transmission / reception device can be synchronized and started by a control signal. In addition, there is a problem that other resources have to be prepared separately, such as using a real-time public communication channel or laying a dedicated communication channel.
Further, when an optical fiber communication path is used as a control signal communication path, multiplexing in the time domain using the same wavelength band and WDM (Wavelength Division Multiplex) are performed in order to separate quantum communication and control signal communication. There is a problem in that the resources such as use and multiplexing in the wavelength region must be consumed, resulting in an increase in cost.
[0023]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. It is an inexpensive quantum cryptography that does not require polarization plane adjustment, allows free selection of a repetition frequency, and saves resources for a control signal channel. An object is to obtain a communication apparatus and method.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
A quantum cryptography communication device according to the present invention is installed in a quantum transmission path for transmitting a phase-modulation quantum cryptography, a quantum transmission apparatus installed on the transmission side of the quantum transmission path, and a reception side of the quantum transmission path A quantum cryptography communication device comprising: a quantum reception device; and a control signal communication path for mutually communicating a control signal including a synchronization signal by coupling the quantum transmission device and the quantum reception device. An optical path loop including a first polarization beam splitter and a first phase modulator; a nonreciprocal element installed in association with the optical path loop; and a first signal connected to the quantum receiving device via a control signal communication path. A transmission-side control means for controlling the phase modulator of the transmission side, and a transmission-side data processing means connected to the transmission-side control means, the quantum reception device comprising: a second polarization beam splitter connected to the quantum transmission path; Second polarizing bee Quantum output means installed in the first polarization separation port of the splitter, quantum observation means including a second phase modulator installed in the second polarization separation port of the second polarization beam splitter, and control signal communication A reception-side control unit that is connected to the quantum transmission device via the path and controls the second phase modulator; and a reception-side data processing unit that is connected to the reception-side control unit. The photon pulse output from the means is transmitted to the quantum transmission device via the second polarization beam splitter and the quantum transmission line, and is reflected via the nonreciprocal element in the quantum transmission device, and is transmitted via the quantum transmission line. The received photon pulse is guided to the quantum observation means via the second polarization beam splitter, and the quantum output means and the quantum observation means in the quantum reception device are connected to the first and second polarization beam splitters. Through the second polarization separation ports, they are separated from each other, non-reciprocal device in the quantum sending device is used for providing reflection by receiving the rotation of the polarization plane of the introduced photon pulses in the optical path loop.
[0025]
In addition, the quantum cryptography communication method according to the present invention performs photon pulse communication including quantum cryptography between a quantum transmission device and a quantum reception device via a quantum communication channel, and within the quantum transmission device via a public communication channel. The transmission side data processing means and the reception side data processing means in the quantum receiving device share a secret key, and via the control signal communication path, Connected to the sender's data processing means Sending side control means , In the quantum receiver Connected to receiving data processing means With the receiving control means , A quantum cryptography communication method for causing a quantum transmission device and a quantum reception device to operate synchronously by mutually communicating a control signal including a synchronization signal, wherein the first random number output from a transmission side data processing means in the quantum transmission device In response, the photon pulse transmitted from the quantum transmitter to the quantum receiver is phase-modulated, and the quantum reception from the quantum transmitter is performed according to the second random number output from the reception-side data processing means in the quantum receiver. Phase modulation of the photon pulse input to the device, detection of the photon pulse input to the quantum reception device by a pair of photon detectors, and conversion of which of the pair of photon detectors fired into transmission bit information Then, the data is transmitted from the receiving side control means to the receiving side data processing means, and after the transmission bit information is taken into the receiving side data processing means, the transmitting side data processing means and the receiving side data processing means To share a secret key, the quantum receiving device From the photon generator in A photon generation step for generating a photon pulse, and a photon pulse generated by the photon generation step. In the quantum receiver A separation output step for introducing into a first asymmetric Mach-Zehnder interferometer and outputting as a coherent and temporally separated photon pulse; In quantum receivers Two photon pulses separated and output by the separation output step are transmitted via the quantum communication channel. From quantum receiver The forward transmission step for quantum communication to be transmitted to the quantum transmitter and the two photon pulses that have reached the quantum transmitter In the quantum transmitter A first attenuation step to attenuate, and two photon pulses attenuated by the first attenuation step. In the quantum transmitter A first polarization beam splitting by the first polarization beam splitter, and the polarization plane of the two photon pulses separated by the first polarization separation port of the first polarization beam splitter is Faraday rotated non-reciprocally at a right angle. Of the two photon pulses rotated in the polarization rotation step and the first polarization rotation step, only the subsequent photon pulse In the quantum transmitter A first phase modulation step for performing phase modulation, and only a subsequent photon pulse among the two photon pulses separated by the second polarization separation port of the first polarization beam splitter. In the quantum transmitter A second phase modulation step for performing phase modulation, and a polarization plane of the two photon pulses phase-modulated by the second phase modulation step, In the quantum transmitter A second polarization rotation step for non-reciprocal Faraday rotation at right angles, and two photon pulses phase-modulated by the first phase modulation step, or two beams rotated by polarization by the second polarization rotation step Are recombined by the first polarization beam splitter, In the quantum transmitter, A second attenuation step of attenuating to a photon level intensity at which the number of photons of the subsequent photon pulses out of the two combined photon pulses does not exceed “1”; In quantum transmitters Two photon pulses attenuated by the second attenuation step are transmitted through the quantum channel. From quantum transmitter A return transmission step for quantum communication to be transmitted to the quantum receiver, and a pair of photon pulses reaching the quantum receiver are introduced into a second polarization beam splitter in the quantum receiver, In the quantum receiver Only for the preceding photon pulse of the two series of photon pulses introduced completely into the quantum observation means including the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer. Under the control of the receiving control means A phase modulation step on the reception side that performs phase modulation, and a pair of photon pulses phase-modulated by the phase modulation step on the reception side are introduced into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, In the quantum receiver, Separation, merging and interference steps that cause separation, merging and interference, and installed on the output side of the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer In the quantum receiver A pair of photon detectors detect photon pulses after interference And input to the receiving control means Detecting step.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a quantum cryptography communication device according to Embodiment 1 of the present invention, and shows the overall configuration of the device using a phase modulation method based on an optical fiber.
In FIG. 1, the quantum cryptography communication device includes an optical fiber serving as a quantum transmission path for interconnecting the quantum transmission device 100 on the transmission side, the quantum reception device 200 on the reception side, and the quantum transmission device 100 and the quantum reception device 200. The communication path 1, the public communication path 2, and the control signal communication path 3 are configured.
[0027]
The quantum transmitter 100 and the quantum receiver 200 are connected to each other via an optical fiber communication path 1 that transmits photons that behave as quanta, a public communication path 2 typified by a LAN or the Internet, and a control signal communication path 3. Connected to.
Specifically, the optical fiber communication path 1 or the public communication path 2 may be used as the control signal communication path 3.
The optical fiber communication path 1 transmits a quantum signal including quantum cryptography, and the control signal communication path 3 transmits a control signal for causing the quantum transmission device 100 and the quantum reception device 200 to perform synchronization and start-stop operations.
[0028]
The quantum transmitter 100 has a configuration similar to that of the optical system described in Patent Document 3 described above, and an attenuator 19 having one end connected to the optical fiber communication path 1 and an optical path at the other end of the attenuator 19. The polarization beam splitter 20 connected, the Faraday rotator 21 and the phase modulator 22 individually connected to the two optical paths of the polarization beam splitter 20, the transmission side control means 23 for controlling the phase modulator 22, and the transmission Transmission-side data processing means 24 connected to the side control means 23 and outputting a first random number.
[0029]
The polarization beam splitter 20, the Faraday rotator 21, and the phase modulator 22 constitute an optical path loop in both rotation directions with respect to a photon pulse for quantum communication.
The quantum transmitter 100 introduces the photon pulse introduced from the quantum receiver 200 into the Faraday rotator 21 via the optical fiber communication path 1 and the attenuator 19 and rotates the polarization plane nonreciprocally. After passing through the element (non-reciprocal element) 21, the light is reflected toward the quantum receiver 200 again through the attenuator 19 and the optical fiber communication path 1.
[0030]
The quantum receiver 200 includes a photon generator 4, a first asymmetric Mach-Zehnder interferometer including beam splitters 5 and 6 and mirrors 7 and 8 disposed in the output optical path of the photon generator 4, and a first asymmetric Mach-Zehnder. Polarization beam splitter 9 disposed in the other optical path of the interferometer, phase modulator 10 disposed in the reflection optical path of polarization beam splitter 9, and beam splitter 11 disposed in the output optical path of phase modulator 10. , 12 and mirrors 13, 14, a second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, a pair of photon detectors 15, 16 disposed in the output optical path of the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, and photon detectors 15, 16 Receiving side control means 17 for controlling the photon generator 4 and the phase modulator 10 and receiving side signal connected to the receiving side control means 17 for outputting a second random number. And a side data processing unit 18.
[0031]
The polarization beam splitter 9 in the quantum reception device 200 is connected to the attenuator 19 in the quantum transmission device 100 via the optical fiber communication path 1, and the reception-side control means 17 performs transmission-side control via the control signal communication path 3. The receiving side data processing means 18 is connected to the sending means data processing means 24 via the public communication path 2.
[0032]
In the quantum receiver 200, the polarization beam splitter 9 separates two orthogonal polarization modes, and a photon generator 4 is connected to a port on the passing side of the polarization beam splitter 9 (first polarization separation port). The pair of photon detectors 15 and 16 are connected to the reflection side port (second polarization separation port) of the polarization beam splitter 9.
[0033]
Next, the operation of the quantum cryptography communication apparatus according to Embodiment 1 of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
The reception-side control unit 17 performs a synchronization / asynchronization operation with the transmission-side control unit 23 in the quantum transmission device 100 by mutual communication of control signals via the control signal communication path 3.
The photon generator 4 in the quantum receiver 200 generates a photon pulse with a uniform polarization plane in accordance with the synchronization signal output from the reception-side control means 17.
[0034]
The photon pulse generated from the photon generator 4 enters the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer, is separated into double photon pulses having a coherent time difference with a uniform polarization plane, and passes through the polarization beam splitter 9. Guided to the optical fiber communication path 1.
Here, of the double photon pulses, the preceding first photon pulse is a photon pulse that has traveled directly from the beam splitter 5 to the beam splitter 6, and the other succeeding second photon pulse is the beam splitter 5. The photon pulse that is reflected by and passes through the mirrors 7 and 8.
[0035]
In FIG. 1, the beam splitters 5 and 6 and the mirrors 7 and 8 are used as a configuration example of the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer. However, a configuration example using an optical planar waveguide (PLC) or an optical A configuration example using a fiber also exists and is not specialized for a specific configuration example.
[0036]
The double photon pulse guided from the quantum receiver 200 to the optical fiber communication path 1 is introduced into the quantum transmitter 100, and the plane of polarization is rotated non-reciprocally at a right angle by the Faraday rotator 21 in the quantum transmitter 100. Then, after the second photon pulse is subjected to phase modulation by the phase modulator 22, it is fed back to the quantum receiver 200 again.
[0037]
The double photon pulse fed back to the quantum receiver 200 is completely reflected by the polarization beam splitter 9 and guided to the (second polarization separation port) where the photon detectors 15 and 16 are arranged.
This is because when the light incident at one end of the optical fiber communication path 1 is reflected and returned by receiving the rotation of the polarization plane at a non-reciprocal right angle at the other end, any birefringence occurs in the intermediate optical path. This is because even if there is a characteristic, the feedback is made with the polarization plane rotated at a right angle from the incident time.
[0038]
The double photon pulse reflected by the polarization beam splitter 9 enters the phase modulator 10. At this time, the phase modulator 10 performs phase modulation only on the preceding first photon pulse in accordance with the second random number output from the reception-side data processing means 18 under the control of the reception-side control means 17. Call.
[0039]
The double photon pulse that has passed through the phase modulator 10 enters the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer. At this time, the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer converts the preceding first photon pulse into a first double photon pulse having a time difference (that is, a first preceding photon pulse that goes directly from the beam splitter 11 to the beam splitter 12). And the first subsequent photon pulse passing through the mirrors 13 and 14, and similarly, the subsequent second photon pulse is divided into a second double photon pulse having a time difference (ie, from the beam splitter 11). A second preceding photon pulse that goes directly to the beam splitter 12 and a second subsequent photon pulse that passes through the mirrors 13 and 14).
[0040]
Here, each time difference of each double photon pulse generated in each asymmetric Mach-Zehnder interferometer is adjusted to be the same.
Therefore, the first subsequent photon pulse and the second previous photon pulse will reach the beam splitter 12 at the same time and cause interference.
The photon pulse that caused the interference is guided exclusively to one of the pair of photon detectors 15 and 16 to ignite one of the photon detectors.
[0041]
The receiving side control means 17 converts which of the photon detectors 15 and 16 has fired into bit information and transmits it to the receiving side data processing means 18.
The receiving-side data processing unit 18 exchanges a part of information with the quantum transmission device 100 using the public communication path 2 from the second random number and the bit information transmitted by the quantum communication, and has confidentiality. Share guaranteed random information.
[0042]
Next, specific operations will be described while paying attention to the quantum transmitter 100.
The double photon pulse introduced from the quantum receiver 200 through the optical fiber communication path 1 into the quantum transmitter 100 is biased by the birefringence of the optical fiber communication path 1 when it reaches the quantum transmitter 100. The wavefront is completely random.
The double photon pulse introduced into the quantum transmitter 100 in this state is attenuated by the attenuator 19 and then separated into two orthogonal polarization modes by the polarization beam splitter 20.
[0043]
In this way, among the four separated photon pulses, the double photon pulse traveling in the clockwise direction passes through the polarization beam splitter 20 and is rotated non-reciprocally by the Faraday rotator 21 at the right angle of polarization. After passing through the phase modulator 22, the light beam returns to the polarization beam splitter 20.
Of the four separated photon pulses, the double photon pulse traveling counterclockwise is reflected by the polarization beam splitter 20, passes through the phase modulator 22, and then non-reciprocally by the Faraday rotator 21. The polarization plane is rotated at right angles to the polarization beam splitter 20.
[0044]
At this time, under the control of the transmission-side control means 23, the phase modulator 22 responds to the first random number output from the transmission-side data processing means 24, and the second photon pulse that follows among the two consecutive photon pulses. However, phase modulation is applied when passing through the phase modulator 22 without depending on the traveling direction of clockwise or counterclockwise.
The four photon pulses that have returned to the polarization beam splitter 20 have the same optical path length until they are separated and merged without depending on clockwise or counterclockwise rotation, so that they become double photon pulses again and are introduced into the attenuator 19.
Here, the magnitude of the attenuation of the photon level intensity in the attenuator 19 is adjusted so that the number of photons of the subsequent second photon pulse does not exceed “1”.
[0045]
In this way, the double photon pulse introduced again into the optical fiber communication path 1 and fed back to the quantum receiving device 200 is completely reflected by the polarization beam splitter 9 as described above, and the photon detectors 15 and 16 are installed. Guided to the second polarization separation port.
Thereafter, the receiving side control means 17 converts which of the photon detectors 15 and 16 has fired into bit information and transmits it to the receiving side data processing means 18.
After repeating the above-mentioned quantum communication per pulse for a predetermined number of times, the transmission side data processing means 24 and the reception side data processing means 18 provide confidentiality via the quantum transmission path (optical fiber communication path 1). The confidentiality information is shared using the information transmitted while being maintained and the information transmitted via the public communication path 2. That is, from the first and second random numbers and the bit information transmitted by the quantum communication, the public communication path 2 is used to exchange a part of the information and share the random information in which the confidentiality is guaranteed. To do.
[0046]
Next, the quantum communication operation according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described more specifically with reference to the flowchart of FIG.
In FIG. 2, the processing steps of the quantum communication unit related to the photon pulse (quantum cipher) of the quantum cryptography communication device are the photon pulse generation step S1, the separation output step S2, and the quantum reception device 200 to the quantum transmission device 100. Forward transmission step S3 for quantum communication, first attenuation step S4 on the transmission side, first polarization rotation step S5, first phase modulation step S6, second phase modulation step S5a, and second polarization step. Wave rotation step S6a, second attenuation step S7, return transmission step S8 for quantum communication from the quantum transmitter 100 to the quantum receiver 200, phase modulation step S9 on the receiving side, separation / merging / interference step S10 And detection step S11.
[0047]
First, the photon generator 4 in the quantum receiving device 200 generates a photon pulse under the control of the receiving side control means 17 (photon generation step S1).
At this time, the photon pulse may be generated such that the number of photons per pulse follows a Poisson distribution, such as a laser pulse, or may be generated as a single photon per pulse using a single photon source. Good.
[0048]
Photon pulses generated from the photon generator 4 are guided to a first asymmetric Mach-Zehnder interferometer constituted by beam splitters 5 and 6 and mirrors 7 and 8.
The photon pulse introduced into the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer is separated into two optical paths having different optical path lengths in the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer, and then merged and output again. It becomes a double photon pulse having a time difference according to (separation output step S2).
[0049]
The double photon pulse output from the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer is composed of a preceding first photon pulse and a succeeding second photon pulse, and is guided to the optical fiber communication path 1 through the polarization beam splitter 9. It is burned.
The double photon pulse introduced into the optical fiber communication path 1 is transmitted as it is to the quantum transmitter 100 (outward transmission step S3).
[0050]
At this time, due to the birefringence of the optical fiber communication path 1, the plane of polarization of the double photon pulse becomes completely random.
The double photon pulse introduced into the quantum transmitter 100 passes through the attenuator 19 and is guided to the polarization beam splitter 20 after the number of photons per pulse is attenuated (first attenuation step S4).
[0051]
In addition, the double photon pulse introduced into the quantum transmitter 100 is separated into a photon pulse that circulates clockwise and a photon pulse that circulates counterclockwise in the polarization beam splitter 20 because each polarization plane is random. Thereafter, the light beams are joined again by the polarization beam splitter 20 to return to the double photon pulse.
[0052]
That is, the counterclockwise photon pulse of the double photon pulses passes through the Faraday rotator 21 and the phase modulator 22 in this order in the optical path loop, and the polarization plane is changed when passing through the Faraday rotator 21. Non-reciprocally rotated at right angles (first polarization rotation step S5).
Further, the counterclockwise photon pulse passes through the Faraday rotator 21 and is then introduced into the phase modulator 22. When passing through the phase modulator 22, only the photon pulse corresponding to the subsequent second photon pulse is present. Phase modulation is received (first phase modulation step S6).
The magnitude of the phase modulation at this time is controlled by the transmission-side control means 23, and the synchronization timing is adjusted via the control signal communication path 3 according to the first random number output from the transmission-side data processing means 24. Determined by applying phase modulation.
[0053]
On the other hand, among the double photon pulses introduced into the quantum transmitter 100, the clockwise photon pulse passes through the phase modulator 22 and the Faraday rotator 21 in this order in the optical path loop. After the two-phase modulation step S5a, the second polarization rotation step S6a is executed.
[0054]
The non-reciprocal rotation of the polarization plane by the Faraday rotator (non-reciprocal element) 21 means that the direction of rotation does not depend on the traveling direction of the photon pulse.
Further, in the phase modulator 22 in the optical path loop, only the second photon pulse that follows is selectively phase-modulated with respect to both the counterclockwise photon pulse and the clockwise photon pulse. In this case, the optical path length of the optical path loop including the polarization beam splitter 20, the Faraday rotator 21, and the phase modulator 22 may be set sufficiently shorter than the distance corresponding to the time difference between the incident double photon pulses. Can be easily realized.
[0055]
The photon pulse that has returned to the double photon pulse again through the polarization beam splitter 20 passes through the attenuator 19 again. At this time, after the photon level intensity per pulse is attenuated to the extent that the number of photons of the subsequent second photon pulse does not exceed “1”, it is reintroduced into the optical fiber communication path 1 (second attenuation step). S7).
[0056]
The double photon pulse re-entering the optical fiber communication path 1 returns toward the quantum receiver 200. At this time, the polarization state of the double photon pulse is determined by the duplex state of the optical fiber communication path 1. Due to refraction, it undergoes random variations again.
However, since the plane of polarization of the double photon pulse re-entering the optical fiber communication path 1 is rotated non-reciprocally at a right angle by the Faraday rotator 21 in the quantum transmitter 100, the optical fiber communication path It acts so that the polarization fluctuation received on the forward path 1 and the polarization fluctuation received on the return path just cancel each other.
Therefore, when the reintroduced double photon pulse reaches the polarization beam splitter 9 in the quantum receiver 200, the polarization plane of the double photon pulse is the forward path from the polarization beam splitter 9 to the quantum transmitter 100. Compared with Rotation, it is rotating at a right angle (return path transmission step S8).
[0057]
Thus, the double photon pulse fed back to the quantum receiver 200 is completely reflected by the polarization beam splitter 9 because the plane of polarization rotates at right angles, and the output port in the direction in which the phase modulator 10 is installed. When being guided to (second polarization separation port) and passing through the phase modulator 10, only the preceding first photon pulse undergoes phase modulation (reception side phase modulation step S9).
The magnitude of the phase modulation at this time is controlled by the transmission side control means 17 and is determined by applying phase modulation according to the second random number output from the reception side data processing means 18.
[0058]
The double photon pulse passes through the phase modulator 10 and is then guided to a second asymmetric Mach-Zehnder interferometer constituted by beam splitters 11 and 12 and mirrors 13 and 14.
As described above, the double photon pulse introduced into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer is separated into two optical paths having different optical path lengths and then merged again, so that it is divided into four photon pulses. .
[0059]
That is, among the double photon pulses introduced into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, the first (preceding) photon pulse includes a first preceding photon pulse that goes straight from the beam splitter 11 to the beam splitter 12, and a mirror. 13 and 14 and the first subsequent photon pulse.
Similarly, of the double photon pulses introduced into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, the second (subsequent) photon pulse includes a second preceding photon pulse that goes straight from the beam splitter 11 to the beam splitter 12, and It is separated into a second subsequent photon pulse that passes through mirrors 13, 14.
[0060]
The four photon pulses are merged again by the beam splitter 12, but a time difference is caused by the optical path length difference.
However, since the first subsequent photon pulse and the second previous photon pulse reach the beam splitter 12 at the same time by appropriately adjusting the optical path length difference of the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, it causes interference. (Separation / merging / interference step S10).
[0061]
As a result of the interference at the beam splitter 12, the combined photon pulse of the first subsequent photon pulse and the second previous photon pulse will be guided exclusively to one of the photon detectors 15 or 16.
Whether the combined photon pulse is guided to the photon detectors 15 and 16 depends on the phase modulation received by the second photon pulse in the first phase modulation step S6 and the first photon pulse in the phase modulation step S9 on the receiving side. Is stochastically determined by the phase difference from the phase modulation received. However, when the phase difference of each phase modulation is “0” or “π”, the photon detector to which the combined photon pulse is guided is determined.
[0062]
Thus, the first preceding photon pulse, the merged photon pulse (the first succeeding photon pulse and the second preceding photon pulse), and the second succeeding photon pulse are respectively guided to the photon detectors 15 and 16. .
Here, by adjusting the timing, one of the photon detectors 15 and 16 can be ignited only when the combined photon pulse is introduced.
Alternatively, either one of the photon detectors 15 and 16 may ignite, but only the ignition at the timing when the merged photon pulse is introduced can be validated by the reception side control means 17.
In any case, the receiving side control means 17 determines the quantum communication bit information of “0” or “1” depending on which one of the photon detectors 15 and 16 has fired, and uses this quantum communication bit information as the receiving side data. The data is sent to the processing means 18 (detection step S11).
[0063]
The above is the operation flow per photon pulse of the quantum communication unit.
The quantum communication operation is repeatedly executed a predetermined number of times. Thereafter, the transmission side data processing unit 24 and the reception side data processing unit 18 exchange information with each other using the public communication path 2 while Random information whose confidentiality is guaranteed is shared from the second random number and the quantum communication bit information.
[0064]
As described above, in the quantum receiver 200, the photon pulse output from the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer and introduced into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer has an arbitrary birefringence that the optical fiber communication path 1 has. Even if random polarization fluctuations occur due to this, the polarization plane is rotated non-reciprocally at a right angle at the transmission side end (Faraday rotator 21 in the quantum transmission device 100) of the optical fiber communication path 1 to reciprocate. As a result, random polarization fluctuations are canceled out.
[0065]
Accordingly, since the polarization state of the photon pulse guided to the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer is automatically adjusted completely, the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer is required to be independent of polarization. Even if there is no polarization dependence, it is not necessary to adjust the polarization plane of the photon pulse.
Further, in the optical path in the quantum receiver 200, the optical path from the photon output device 4 to the optical fiber communication path 1 and the optical path from the optical fiber communication path 1 to the photon detectors 15 and 16 are completely transmitted by the polarization beam splitter 9. Therefore, the flow of the photon pulse in the phase modulator 10 is limited to one direction, and there is no possibility that improper phase modulation is applied to the photon pulse. You can choose freely.
[0066]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment (see FIG. 1), the quantum transmitter 100 again forms a loop-shaped optical path using the polarization beam splitter 20 for the photon pulse guided from the quantum receiver 200. Although the feedback is made to the quantum receiver 200, a configuration similar to the optical system described in Patent Document 4 is provided in the quantum transmitter, and Faraday is applied to the photon pulse introduced from the quantum receiver. You may make it return to a quantum receiver again using a mirror.
[0067]
FIG. 3 is a block diagram showing a quantum cryptography communication device according to Embodiment 2 of the present invention in which a Faraday mirror 26 is provided in the quantum transmitter 100A. The same components as those described above (see FIG. 1) are described above. The same reference numerals are attached, or “A” is attached after the reference numerals, and the detailed description is omitted.
In FIG. 3, the quantum transmitter 100A is inserted in a loop including the polarization beam splitter 20 in addition to the attenuator 19, the polarization beam splitter 20, the phase modulator 22, the transmission side control means 23A, and the transmission side data processing means 24A. The phase modulator 22A and the polarization beam splitter 25, and a Faraday mirror 26 disposed on the other end side of the polarization beam splitter 25 are provided.
[0068]
In this case, at the quantum transmission side end of the optical fiber communication path 1, the photon pulse is reflected through the Faraday mirror 26 that rotates the plane of polarization non-reciprocally at a right angle.
In addition, at the quantum reception side end (quantum reception device 200) of the optical fiber communication path 1, the photon pulse is separated into two orthogonal polarization modes by the polarization beam splitter 9 as described above, and the first polarization separation is performed. It is introduced into the photon generator 4 through the port, and is introduced into the photon detectors 15 and 16 through the second polarization separation port.
[0069]
Next, the operation of the quantum cryptography communication apparatus according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3 will be described.
The double photon pulse transmitted from the quantum receiving device 200 to the quantum transmitting device 100A via the optical fiber communication path 1 is attenuated by the attenuator 19 in the quantum transmitting device 100A and then orthogonalized by the polarization beam splitter 20. Separated into two polarization modes.
[0070]
In the quantum transmitter 100A, the photon pulses separated by the polarization beam splitter 20 become a double photon pulse traveling to the phase modulator 22A and a double photon pulse traveling to the phase modulator 22, respectively. It merges again at the splitter 25.
The four combined photon pulses are reflected by the Faraday mirror 26 by rotating the plane of polarization at a right angle non-reciprocally.
[0071]
The photon pulse reflected by the Faraday mirror 26 returns to the polarization beam splitter 25 again and is separated according to the polarization mode.
At this time, the double photon pulse that has passed through the phase modulator 22A in the forward path passes through the phase modulator 22 in the return path, and the double photon pulse that has passed through the phase modulator 22 in the forward path has the phase modulator 22A in the return path. Pass through.
Further, the transmission-side control means 23A controls the phase modulators 22A and 22 and, in accordance with the first random number output from the transmission-side data processing means 24A, the second photon pulse that follows among the four photon pulses. Only, phase modulation is applied when passing through the phase modulators 22A and 22.
[0072]
The four photon pulses that have been reflected by the Faraday mirror 26 and then returned to the polarizing beam splitter 20 have the same optical path length regardless of the optical path until they are separated and joined by the polarizing beam splitter 20, so that the double photon pulse is again generated. Then head for the attenuator 19. As described above, the magnitude of attenuation (dimming) by the attenuator 19 is adjusted so that the number of photons of the subsequent second photon pulse does not exceed “1”.
[0073]
The double photon pulse introduced again into the optical fiber communication path 1 returns to the quantum receiving device 200 and is completely reflected by the polarization beam splitter 9 as described above, and the photon detectors 15 and 16 are installed. The light is guided to the second polarization separation port and introduced into the phase modulator 10.
At this time, the phase modulator 10 applies phase modulation only to the preceding first photon pulse in accordance with the second random number output from the reception-side data processing means 18 under the control of the reception-side control means 17.
[0074]
The double photon pulse that has passed through the phase modulator 10 enters the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, divides the preceding first photon pulse into the first double photon pulse, and the subsequent second photon. Divide the pulse into second dual photon pulses.
At this time, the time difference between the two consecutive photon pulses generated in the first and second asymmetric Mach-Zehnder interferometers is adjusted to be the same, and the first subsequent photon pulse and the second preceding photon pulse are At the same time, it reaches the beam splitter 12 and causes interference.
[0075]
Hereinafter, similarly to the above, the photon pulse that caused the interference is guided exclusively to one of the two photon detectors 15 and 16 to ignite the photon detector, and the receiving side control means 17 Which one of the photon detectors 15 and 16 has fired is converted into bit information and transmitted to the reception-side data processing means 18.
After the above-described quantum communication per pulse is repeated a predetermined number of times, the transmission side data processing means 24A and the reception side data processing means 18 use the first and second random numbers and the bit information transmitted by the quantum communication. Thus, using the public communication path 2, random information with confidentiality guaranteed is shared while exchanging part of the information.
[0076]
As described above, the random polarization of the photon pulse generated due to the birefringence of the optical fiber communication path 1 during the period from the output from the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer to the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer. The fluctuations cancel each other by reciprocally rotating the polarization plane at a right angle at one end (quantum transmission device 100A) of the optical fiber communication path 1 in a reciprocal manner.
Therefore, since the polarization state of the photon pulse that has reached the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer is automatically adjusted completely, it is absolutely necessary that the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer be polarization independent. Even if it has polarization dependency, it is not necessary to adjust the polarization plane of the photon pulse.
Further, in the optical path in the quantum receiver 200, the optical path from the photon output unit 4 to the optical fiber communication path 1 and the optical path from the optical fiber communication path 1 to the photon detectors 15 and 16 are more from the polarization beam splitter 9. Since it is completely separated, the flow of the photon pulse in the phase modulator 10 is unidirectional, and improper phase modulation is not applied to the photon pulse, and the repetition frequency of photon pulse generation can be freely set. You can choose.
[0077]
Embodiment 3 FIG.
In the first and second embodiments, the control signal communication path 3 is provided separately from the optical fiber communication path 1. However, the control signal communication uses the same wavelength band as the quantum communication and is not used in the quantum communication. The polarization mode may be used, and the optical fiber communication path may be used as the control signal communication path.
FIG. 4 is a block diagram showing a quantum cryptography communication device according to Embodiment 3 of the present invention in which an optical fiber communication channel is also used as a control signal communication channel. The same components as those described above (see FIG. 1) are the same as those described above. Detailed description is omitted by adding a reference numeral or adding “B” after the reference numeral.
[0078]
In FIG. 4, the optical fiber communication path 1B (quantum transmission path and control signal communication path) connecting the quantum transmission apparatus 100B and the quantum reception apparatus 200B is used not only as a communication path for quantum communication but also as a control signal communication path. To function. That is, the optical fiber communication path 1B is used as the control signal communication path by using the same wavelength band as the quantum communication as the control signal and using the other polarization mode not used in the quantum communication.
[0079]
The quantum receiver 200B includes a photon generator 4, first and second asymmetric Mach-Zehnder interferometers, a polarization beam splitter 9, a phase modulator 10, photon detectors 15 and 16, a reception side control unit 17B, and a reception side data processing unit. In addition to 18B, a light detector 27 that detects a light pulse that has passed through the polarizing beam splitter 9, a laser device 28 that outputs a control light pulse, and the intensity of the control light pulse under the control of the reception-side control means 17B , A circulator 30 inserted between the polarization beam splitter 9, the phase modulator 10 and the intensity modulator 29, the polarization beam splitter 9, the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer and the photodetector. 27 and a circulator 31 inserted between them.
[0080]
In addition to the attenuator 19, the polarization beam splitter 20, the Faraday rotator 21, the phase modulator 22, the transmission side control unit 23B, and the transmission side data processing unit 24B, the quantum transmission device 100B includes the optical fiber communication path 1B and the attenuator 19. A beam splitter 32 and a delay fiber 33 inserted between them, a beam splitter 34 inserted in a reflection optical path of the beam splitter 32, a photodetector 35 disposed in a light path of the beam splitter 34, and a beam splitter A Faraday mirror 36 and an intensity modulator 37 inserted in the reflection optical path 34.
The intensity modulator 37 modulates the intensity of the control light pulse reflected from the Faraday mirror 36 under the control of the transmission side control means 23B.
[0081]
Next, the operation of the quantum cryptography communication apparatus according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 4 will be described.
In this case, since the operation related to the quantum communication is the same as described above, the operation related to the control signal communication will be described.
In the quantum reception device 200B, the wavelength of the control optical pulse for control signal communication output from the laser device 28 to be output may be set to the same wavelength as the photon pulse for quantum communication output from the photon generator 4. it can.
[0082]
The laser device 28 oscillates and outputs a control light pulse in synchronization with the synchronization signal from the reception-side control means 17B.
The control optical pulse output from the laser device 28 passes through the intensity modulator 29 and is subjected to intensity modulation in accordance with the control signal from the receiving side control means 17B.
The control optical pulse subjected to the intensity modulation is connected to the optical path connecting the polarization beam splitter 9 and the phase modulator 10 via the circulator 30 and guided to the polarization beam splitter side 9.
[0083]
The control optical pulse introduced into the polarization beam splitter is guided to the optical fiber communication path 1B, transmitted to the quantum transmitter 100B, and branched into two optical pulses by the beam splitter 32 in the quantum transmitter 100B.
Among these, the light pulse that passes through the beam splitter 32 and is guided to the attenuator 19 is sufficiently attenuated when it is output again from the quantum transmitter 100B, and does not function as a control light pulse, and can be ignored. .
At this time, the delay fiber 33 has a sufficient time difference between the control light pulse and the quantum communication (controlled) photon pulse.
[0084]
On the other hand, the control light pulse reflected by the beam splitter 32 and guided to the other beam splitter 34 is further branched into two by the beam splitter 34, and one control light pulse passing through the beam splitter 34 is Guided to the photodetector 35.
The photodetector 35 has a resolution that can identify the intensity modulation received by the control light pulse both in terms of intensity and timing. The light detector 35 receives the control light pulse from the quantum receiver 200B as an electrical signal. And transmitted to the transmission side control means 23B.
[0085]
The other control light pulse reflected by the beam splitter 34 passes through the intensity modulator 37 and is guided to the Faraday mirror 36, and after the polarization plane is rotated non-reciprocally at a right angle by the Faraday mirror 36. , Reflected.
The control light pulse reflected by the Faraday mirror 36 passes through the intensity modulator 37 again, but at this time, undergoes intensity modulation according to the control signal from the transmission-side control means 23B.
The control light pulse subjected to the intensity modulation passes in the order of the beam splitters 34 and 32, is again guided to the optical fiber communication path 1B, and heads toward the quantum receiving device 200B.
[0086]
The control optical pulse fed back to the quantum receiving device 200B completely passes through the polarization beam splitter 9, is guided to the first polarization separation port where the circulator 31 is disposed, and enters the photodetector 27. At this time, even if the control optical pulse introduced into the quantum receiving device 200B is subjected to polarization fluctuation due to the birefringence of the optical fiber communication path 1B, compared with the case where the control optical pulse is first directed to the quantum transmitting device 100B, Since the polarization plane is rotated at right angles, it completely passes through the polarization beam splitter 9 and is guided to the photodetector 27 via the circulator 31.
Like the photodetector 35 in the quantum transmitter 100B, the photodetector 27 has a resolution that can identify the intensity modulation received by the control light pulse both in terms of intensity and timing. Then, the control optical pulse from the quantum transmission device 100B is converted into an electric signal and transmitted to the reception-side control means 17B.
[0087]
Next, referring to the flowchart of FIG. 5, the communication operation of the control optical pulse related to the optical fiber communication path 1B (control signal communication path) according to the third embodiment of the present invention will be described more specifically.
In FIG. 5, the processing steps of the control signal communication unit related to the control optical pulse are the control optical pulse generation step S21, the intensity modulation step S22 on the reception side, and the quantum reception device 200B to the quantum transmission device 100B. Forward transmission step S23 for control, optical reception step S24 on the transmission side, polarization rotation / reflection step S24a, intensity modulation step S25 on the transmission side, and control for transmission from the quantum transmission device 100B to the quantum reception device 200B A return path transmission step S26 and an optical reception step S27 on the receiving side are included.
[0088]
First, the laser device 28 in the quantum receiving device 200B oscillates and outputs a control light pulse in synchronization with the synchronization signal from the receiving-side control means 17B, and introduces it into the intensity modulator 29 (light pulse). Generation step S21).
The control optical pulse guided to the intensity modulator 29 is intensity-modulated by the intensity modulator 29 in accordance with the control signal from the reception-side control means 17B (reception-side intensity modulation step S22).
The control optical pulse subjected to the intensity modulation passes through the circulator 30 and the polarization beam splitter 9 in this order, and is guided to the optical fiber communication path 1B.
The control optical pulse guided to the optical fiber communication path 1B is transmitted to the quantum transmitter 100B (outward transmission step S23).
[0089]
A part of the control light pulse reaching the quantum transmitter 100B is reflected by the beam splitter 32, and then further divided by the beam splitter 34. The control light pulse that has passed through the beam splitter 34 is detected by the photodetector. 35, is converted into an electrical signal by the photodetector 35 and transmitted to the transmission side control means 23B (transmission side optical reception step 24).
[0090]
Although not described in detail here, the photon pulse for quantum communication that has reached the quantum transmitter 100B passes through the delay fiber 33 from the beam splitter 32, and then passes through the attenuator 19 in the same manner as described above, and then passes through the polarization beam splitter. 20 into the optical path loop.
At this time, since a sufficient time difference is generated by passing through the delay fiber 33, the phase modulator 22 in the loop can apply a completely controlled phase modulation to the photon pulse responsible for the quantum communication. it can.
[0091]
On the other hand, among the control light pulses reflected by the beam splitter 32 in the quantum transmitter 100B and guided to the beam splitter 34, some other control light pulses reflected by the beam splitter 34 are intensity-modulated. Then, the polarization plane is rotated non-reciprocally at a right angle and reflected by the Faraday mirror 36 (polarization rotation / reflection step S24a).
[0092]
The control light pulse reflected by the Faraday mirror 36 is guided again to the intensity modulator 37, and is subjected to intensity modulation according to the control signal from the transmission side control means 23B (intensity on the transmission side). Modulation step S25).
The control optical pulse subjected to the intensity modulation in the intensity modulation step S25 on the transmission side passes through the beam splitters 34 and 28 in this order, is again guided to the optical fiber communication path 1B, and is transmitted to the quantum receiver 200B (return path) Transmission step S26).
[0093]
At this time, the control optical pulse during the backward transmission undergoes polarization fluctuation due to the birefringence of the optical fiber communication path 1B, but the polarization plane is nonreciprocally orthogonal by the Faraday mirror 36 in the quantum transmitter 100B. Therefore, the polarization fluctuations cancel each other out between the forward path and the return path of the optical fiber communication path 1B.
Therefore, the control light pulse that has reached the polarization beam splitter 9 after reciprocating through the optical fiber communication path 1B is in a state in which the plane of polarization is rotated at right angles from the initial polarization state in the forward transmission step S23.
[0094]
In this way, the control light pulse that has reached the polarization beam splitter 9 in the quantum receiving device 200B in a state where the plane of polarization is rotated at a right angle completely passes through the first polarized light separation in which the circulator 31 is disposed. Led to the port.
The circulator 31 guides the control optical pulse fed back from the quantum transmitter 100B to the photodetector 27, and the photodetector 27 converts the control signal of the quantum transmitter 100B added to the control optical pulse into an electrical signal. The signal is converted and transmitted to the receiving-side control means 17B (receiving-side optical receiving step S27).
[0095]
In this way, the quantum transmission device 100B and the quantum reception device 200B can communicate control signals with each other using the optical fiber communication path 1B.
Therefore, it is not necessary to provide a dedicated line separately as the control signal communication path, and since there is no need to use a public communication path represented by the Internet, mutual communication of control signals with real-time characteristics can be realized.
Further, since the same wavelength as that used for quantum communication is used for control signal communication, communication resources in the wavelength region used for WDM communication or the like are not consumed.
Furthermore, since quantum communication and control signal communication can be separated by the polarization mode, communication resources in the time domain used for TDMA (Time Division Multiple Access) or the like can be saved.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a quantum transmission line for transmitting a phase-modulation type quantum cipher, a quantum transmission device installed on the transmission side of the quantum transmission line, and a reception side of the quantum transmission line A quantum cryptography communication device comprising: a quantum reception device, and a control signal communication path for mutually communicating a control signal including a synchronization signal by coupling the quantum transmission device and the quantum reception device. Is connected to the quantum receiver through the optical path loop including the first polarization beam splitter and the first phase modulator, the nonreciprocal element installed in association with the optical path loop, and the control signal communication path. A transmission-side control unit that controls one phase modulator; and a transmission-side data processing unit that is connected to the transmission-side control unit. The quantum reception device includes: a second polarization beam splitter that is connected to the quantum transmission line; The second polarized beam Quantum output means installed in the first polarization separation port of the splitter, quantum observation means including a second phase modulator installed in the second polarization separation port of the second polarization beam splitter, and control signal communication A reception-side control unit that is connected to the quantum transmission device via the path and controls the second phase modulator; and a reception-side data processing unit that is connected to the reception-side control unit. The photon pulse output from the means is transmitted to the quantum transmission device via the second polarization beam splitter and the quantum transmission line, and is reflected via the nonreciprocal element in the quantum transmission device, and is transmitted via the quantum transmission line. The received photon pulse is guided to the quantum observation means via the second polarization beam splitter, and the quantum output means and the quantum observation means in the quantum reception device are connected to the first and second polarization beam splitters. Two non-reciprocal elements in the quantum transmitter device that are separated from each other via the polarization separation port are reflected by the rotation of the polarization plane of the photon pulse introduced into the optical path loop, so that the polarization plane adjustment is unnecessary. Thus, it is possible to obtain an inexpensive quantum cryptography communication apparatus that can freely select a repetition frequency and save resources for a control signal communication path.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a quantum cryptography communication device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an operation (quantum cryptography communication method) according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 3 is a block diagram showing a quantum cryptography communication device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 4 is a block diagram showing a quantum cryptography communication apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing an operation (quantum cryptography communication method) according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1B Optical fiber communication channel (quantum transmission channel), 2 public communication channel, 3 control signal communication channel, 4 photon generator, 5-8 1st asymmetric Mach-Zehnder interferometer, 9, 20, 25 Polarization beam splitter, 10 , 22, 22A phase modulator, 11-14 second asymmetric Mach-Zehnder interferometer, 15, 16 photon detector, 17, 17B reception side control means, 18, 18B reception side data processing means, 19 attenuator, 21 Faraday rotation 23, 23A, 23B Transmission side control means, 24, 24A, 24B Transmission side data processing means, 26, 36 Faraday mirror, 27, 35 Photo detector, 28 Laser device, 29, 37 Intensity modulator, 30, 31 Circulator, 32, 34 Beam splitter, 33 Delay fiber, 100, 100A, 100B Quantum transmitter, 200, 2 0B quantum receiver, S1 photon generation step, S2 separation output step, S3 forward transmission step for quantum communication, S4 first attenuation step, S5 first polarization rotation step, S6 first phase modulation step, S5a second phase modulation Step, S6a second polarization rotation step, S7 second attenuation step, S8 return transmission step for quantum communication, S9 reception side phase modulation step, S10 separation / merging / interference step, S11 detection step, S21 optical pulse generation step S22, intensity modulation step on the receiving side, S23 forward transmission step for control, S24 optical reception step on the transmission side, S24a polarization rotation / reflection step, S25 intensity modulation step on the transmission side, return transmission step for S26 control, S27 Optical reception step on the receiving side.

Claims

A quantum transmission line for transmitting phase-modulation quantum cryptography;
A quantum transmitter installed on the transmission side of the quantum transmission path;
A quantum receiver installed on the receiving side of the quantum transmission path;
A quantum cryptography communication device comprising a control signal communication path for mutually communicating a control signal including a synchronization signal by combining the quantum transmission device and the quantum reception device,
The quantum transmitter is
An optical path loop including a first polarizing beam splitter and a first phase modulator;
A non-reciprocal element installed in connection with the optical path loop;
Transmitting-side control means connected to the quantum receiving device via the control signal communication path and controlling the first phase modulator;
Transmission side data processing means connected to the transmission side control means,
The quantum receiver is
A second polarizing beam splitter connected to the quantum transmission line;
Quantum output means disposed at a first polarization separation port of the second polarization beam splitter;
Quantum observation means including a second phase modulator installed at a second polarization separation port of the second polarization beam splitter;
Receiving-side control means connected to the quantum transmission device via the control signal communication path and controlling the second phase modulator;
Receiving side data processing means connected to the receiving side control means,
The quantum receiver is
While transmitting the photon pulse output from the quantum output means to the quantum transmitter via the second polarization beam splitter and the quantum transmission path,
The photon pulse reflected through the non-reciprocal element in the quantum transmitter and received through the quantum transmission path is guided to the quantum observation unit through the second polarization beam splitter,
The quantum output means and the quantum observation means in the quantum receiver are arranged separately from each other via the first and second polarization separation ports of the polarization beam splitter,
The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein the nonreciprocal element in the quantum transmission device reflects and receives a rotation of a polarization plane of a photon pulse introduced into the optical path loop.

The quantum output means includes
A photon generator that outputs a photon pulse under the control of the receiving side control means;
A first asymmetric Mach-Zehnder interferometer installed between the first polarization separation port of the second polarization beam splitter and the photon generator;
The quantum observation means includes:
A second asymmetric Mach-Zehnder interferometer connected to the second polarization separation port via the second phase modulator;
A photon detector that receives a photon pulse that has passed through the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer,
The photon pulse output from the photon generator is transmitted to the second polarization beam splitter via the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer,
The second polarization beam splitter guides a photon pulse input from the quantum transmitter to the photon detector via the second phase modulator and the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer. The quantum cryptography communication device according to claim 1.

The photon detector comprises a pair of photon detectors that exclusively receive photon pulses that have passed through the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer,
The reception side data processing means converts an electrical signal input from the pair of photon detectors to the reception side control means into digital data,
The quantum output means outputs the photon pulse output from the photon generator as a series of photon pulses via the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer,
The series of photon pulses has a specific plane of polarization, and is output with coherence and time.
The optical path differences of the first and second asymmetric Mach-Zehnder interferometers are the same as each other so that the time differences of the two series of photon pulses generated in the first and second asymmetric Mach-Zehnder interferometers are the same. The quantum cryptography communication device according to claim 2, wherein the quantum cryptography communication device is set.

The transmission side data processing means outputs a first random number,
The transmission-side control means controls the first phase modulator according to the first random number, so that subsequent photons of the two series of photon pulses input to the first phase modulator. Phase-modulate only the pulse,
The receiving side data processing means outputs a second random number,
The receiving side control means includes:
By controlling the second phase modulator according to the second random number, only the preceding photon pulse of the two series of photon pulses input to the quantum observation means is phase-modulated,
4. The quantum cryptography communication apparatus according to claim 3, wherein transmission bit information indicating which of the pair of photon detectors has fired is input to the reception side data processing means.

3. The optical path length of the optical path loop is set to be shorter than a distance corresponding to a time difference between two series of photon pulses separated via the first asymmetric Mach-Zehnder interferometer. 5. The quantum cryptography communication device according to any one of 4 to 4.

The control signal communication path is configured to be shared by the quantum transmission path,
The quantum receiver is
A laser device for outputting a control light pulse as the control signal;
An intensity modulator on the receiving side for performing intensity modulation on the control light pulse under the control of the receiving side control means;
A first circulator that is inserted between the second polarizing beam splitter and the quantum observation means and guides a control light pulse via the receiving-side intensity modulator to the second polarizing beam splitter;
A second circulator inserted between the second polarizing beam splitter and the quantum output means;
A receiving-side photodetector that receives the control optical pulse input from the quantum transmission device via the second circulator;
The receiving-side photodetector has an intensity resolution for converting the control light pulse guided by the second circulator into an electric signal and relaying it to the receiving-side control means,
The control light pulse output from the laser device has the same wavelength as the photon pulse from the photon generator and has a specific plane of polarization. 2. A quantum cryptography communication device according to item 1.

The quantum transmitter is
A first beam splitter that separates a control light pulse input from the quantum receiver;
A delay fiber inserted between a first separation port of the first beam splitter and the optical path loop;
A second beam splitter installed at a second separation port of the first beam splitter and further separating the control light pulse separated by the first beam splitter;
A transmitter-side photodetector installed at a first separation port of the second beam splitter;
A Faraday mirror for control installed at a second separation port of the second beam splitter;
An intensity modulator on the transmission side for performing intensity modulation on the control optical pulse reflected by the control Faraday mirror under the control of the transmission side control means;
The transmission-side photodetector has an intensity resolution for converting a control optical pulse input from the quantum reception device into an electric signal and relaying it to the transmission-side control means,
The quantum cryptography communication device according to claim 6, wherein the control Faraday mirror rotates the polarization plane of the control optical pulse separated by the second beam splitter at a right angle and reflects it.

8. The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein the non-reciprocal element is configured by a Faraday rotator inserted in the optical path loop. 9.

The optical path loop is
A third polarizing beam splitter inserted at a position opposite to the first polarizing beam splitter;
A third phase modulator inserted at a position opposite to the first phase modulator,
8. The non-reciprocal element is configured by a Faraday mirror for quantum communication installed at a first polarization separation port of the third polarization beam splitter. 2. A quantum cryptography communication device according to claim 1.

A public communication path for mutually coupling the transmission side data processing means and the reception side data processing means,
The transmission-side data processing means and the reception-side data processing means use information transmitted with confidentiality via the quantum transmission path and information transmitted via the public communication path, The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein random information whose property is guaranteed is shared.

The quantum cryptography communication device according to any one of claims 1 to 10, wherein the quantum transmission path is configured by an optical fiber communication path.

Through the quantum communication path, photon pulse communication including quantum cryptography is performed between the quantum transmitter and the quantum receiver,
While sharing a secret key between the transmission side data processing means in the quantum transmission device and the reception side data processing means in the quantum reception device via a public communication path,
Via a control signal channel, the transmission-side control means connected to the transmission side data processing unit in the quantum sending device, the receiving side data processing means connected to the receiving side control means in said quantum receiving device A quantum cryptography communication method for causing the quantum transmitter and the quantum receiver to operate synchronously by communicating with each other a control signal including a synchronization signal,
In response to the first random number output from the transmission-side data processing means in the quantum transmitter, the photon pulse transmitted from the quantum transmitter to the quantum receiver is phase-modulated,
In response to the second random number output from the reception-side data processing means in the quantum receiver, the photon pulse input from the quantum transmitter to the quantum receiver is phase-modulated,
Detecting a photon pulse input to the quantum receiver with a pair of photon detectors;
Which one of the pair of photon detectors ignited is converted into transmission bit information and transmitted from the receiving side control means to the receiving side data processing means,
In order to share the secret key by the transmission side data processing means and the reception side data processing means after the transmission bit information is taken into the reception side data processing means,
A photon generation step of generating a photon pulse from a photon generator in the quantum receiver;
A separation output step for introducing the photon pulse generated in the photon generation step into a first asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum receiver and outputting the photon pulse as a coherent and temporally separated photon pulse; ,
A forward transmission step for quantum communication, wherein the two photon pulses separated and output by the separation output step in the quantum reception device are transmitted from the quantum reception device to the quantum transmission device via the quantum communication channel;
A first attenuation step of attenuating in the quantum transmitter the two series of photon pulses that have reached the quantum transmitter ;
The two photon pulses attenuated by the first attenuation step are polarized and separated by the first polarization beam splitter in the quantum transmitter, and separated to the first polarization separation port of the first polarization beam splitter. A first polarization rotation step for Faraday rotation of the polarization planes of two photon pulses non-reciprocally at right angles;
A first phase modulation step of performing phase modulation in the quantum transmitter only on subsequent photon pulses out of the two series of photon pulses rotated in polarization by the first polarization rotation step;
A second phase modulation step of performing phase modulation in the quantum transmitter only on subsequent photon pulses out of the two series of photon pulses separated by the second polarization separation port of the first polarization beam splitter; ,
A second polarization rotation step of rotating the polarization plane of the two series of photon pulses phase-modulated by the second phase modulation step in a nonreciprocal manner at a right angle in the quantum transmission device; and the first phase modulation step. In the quantum transmitting device, the two photon pulses phase-modulated by the second polarization or the two photon pulses rotated by the second polarization rotation step are recombined by the first polarization beam splitter . A second attenuation step of attenuating to a photon level intensity where the number of photons of the subsequent photon pulses out of the two combined photon pulses does not exceed “1”;
And the return transmission step for quantum communication for transmitting a photon pulses duplicate which has been attenuated by the second attenuation steps in the quantum sending device and the quantum receiving device from the quantum sending device via the quantum channel,
A quantum observation means including a second asymmetric Mach-Zehnder interferometer in the quantum receiver by introducing the two series of photon pulses reaching the quantum receiver into a second polarization beam splitter in the quantum receiver. A phase modulation step on the receiving side that performs phase modulation under the control of the receiving side control means, only for the preceding photon pulses of the two series of photon pulses introduced to the quantum observation means,
Separation, merging, and interference that cause separation, merging, and interference in the quantum receiver by introducing two photon pulses phase-modulated by the phase modulation step on the receiving side into the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer Steps,
A detecting step of detecting a photon pulse after interference by a pair of photon detectors in the quantum receiver installed on the output side of the second asymmetric Mach-Zehnder interferometer and inputting the photon pulse to the receiving side control means ; A quantum cryptography communication method comprising:

The quantum communication path is also used as the control signal communication path,
An optical pulse generating step for generating a control optical pulse from a laser device in the quantum receiving device according to a synchronization signal output by the receiving side control means;
In accordance with a control signal output from the receiving side control means, an intensity modulation step on the receiving side that performs intensity modulation under the control of the receiving side control means with respect to the control optical pulse output from the laser device;
A control forward transmission step of transmitting the control optical pulse intensity-modulated by the reception-side intensity modulation step from the reception-side control means to the transmission-side control means via the quantum communication path;
The control optical pulse reaching the quantum transmission device is received by a transmission-side photodetector and converted into an electrical signal, and the control signal including the synchronization signal is transmitted to the transmission-side control means by the electrical signal. An optical receiving step on the transmitting side;
A polarization rotation / reflection step for reflecting the polarization plane of the control optical pulse that has reached the quantum transmitter by rotating it at a right angle in the quantum transmitter , and
In accordance with the control signal output from the transmission side control means, the intensity modulation step on the transmission side that modulates the intensity of the control optical pulse reflected by the polarization rotation / reflection step;
A control return pulse transmission step for transmitting the control optical pulse intensity-modulated in the intensity modulation step on the transmission side from the quantum transmission device to the quantum reception device via the quantum communication channel;
The control optical pulse fed back to the quantum receiving device is introduced into the second polarization beam splitter in the quantum receiving device, and is completely guided to the receiving-side photodetector. 13. The quantum cryptography communication method according to claim 12, further comprising: a receiving side optical receiving step of converting the signal into a signal and transmitting the signal to the receiving side control means.