JP4421977B2 - Quantum cryptographic communication device - Google Patents

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Description

本発明は、量子暗号通信装置に関し、特に従来よりも長い距離離れた送信機と受信機に対して量子暗号鍵を供給することができる量子暗号通信装置に関する。   The present invention relates to a quantum cryptography communication device, and more particularly, to a quantum cryptography communication device capable of supplying a quantum cryptography key to a transmitter and a receiver that are separated from each other by a longer distance than before.

近年、光子1個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点にいる2つの通信機間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給する暗号化方式の1つで、量子鍵配送とも呼ばれている(特許文献1)。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは、本発明に類似の差動位相シフト量子鍵配送方式について説明する(非特許文献1)。   In recent years, research on quantum cryptography communication in which safety is physically guaranteed by using light of one photon level has been advanced. Quantum cryptography is one of encryption methods for supplying a secret key for performing cryptographic communication between two communication devices located at distant points, and is also called quantum key distribution (Patent Document 1). Although there are various methods for quantum key distribution, here, a differential phase shift quantum key distribution method similar to the present invention will be described (Non-patent Document 1).

図3は従来の差動位相シフト量子鍵配送装置の基本構成を示す。送信機1は、0またはπでランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満として送出する。この平均光子数1個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。このようなパルス列を光子検出すると、あるパルスでは光子が検出されるが、あるパルスでは何も検出されない、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったくの確率的で、検出するまで不確定である。   FIG. 3 shows a basic configuration of a conventional differential phase shift quantum key distribution device. The transmitter 1 transmits a coherent optical pulse train having a constant interval that is randomly phase-modulated with 0 or π as an average of less than one photon per pulse. This state where the average number of photons is less than one is realized by greatly attenuating normal laser light. When such a pulse train is photon detected, a photon is detected with a certain pulse, but nothing is detected with a certain pulse. At which pulse photons are detected is quite probabilistic and uncertain until detected.

送信機1から送出されたパルス列2は伝送路3を経て、受信機4に到達する。受信機4は、受信パルス列を光分岐器(光カップラ)5で2つに分岐し、光遅延回路(光遅延線)6により一方に遅延を加えたのち、2×2の光カップラ(光合波器)7により再び合波する。この合波カップラ7の2つの出力ポートには、それぞれ光子検出器A 8、光子検出器B 9が備えられている。   The pulse train 2 transmitted from the transmitter 1 reaches the receiver 4 through the transmission path 3. The receiver 4 branches the received pulse train into two by an optical branching device (optical coupler) 5, adds a delay to one by an optical delay circuit (optical delay line) 6, and then a 2 × 2 optical coupler (optical multiplexing). Combine) again by 7). Photon detector A 8 and photon detector B 9 are provided at the two output ports of the multiplexing coupler 7, respectively.

ここで、分岐・合波回路5〜7で一方に与える遅延時間は、入力されるパルス列の時間間隔に等しいものとする。このようにすると、合波カップラ7では、前後のパルスが重なり合って合波される。入力パルス列は0またはπで位相変調されている。従って、分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は0またはπとなっている。干渉の結果、位相差が0ならば、検出器A 8が、位相差πなら検出器B 9が、光子を検出することになる。   Here, it is assumed that the delay time given to one of the branching / combining circuits 5 to 7 is equal to the time interval of the input pulse train. If it does in this way, in the multiplexing coupler 7, the front and back pulses will be overlapped and combined. The input pulse train is phase-modulated by 0 or π. Therefore, if the propagation phase of the branching / combining path is appropriate, the phase difference between the overlapping pulses is 0 or π. If the phase difference is 0 as a result of the interference, the detector A 8 detects the photon, and if the phase difference is π, the detector B 9 detects the photon.

以上の構成を用いて、送信機1と受信機4は以下の手順により秘密鍵を得ることができる。まず、受信機4は、上記の受信構成により光子を検出する。この時、検出した時刻と検出器(8または9のいずれか)とを記録する。必要な数だけ光子が送受信された後、受信機4は送信機1に光子検出時刻を知らせる。送信機1は、知らされた検出時刻と自分の位相変調データから、受信機4がどちらの検出器で光子を検出したかを知ることができる。   Using the above configuration, the transmitter 1 and the receiver 4 can obtain a secret key by the following procedure. First, the receiver 4 detects photons by the above reception configuration. At this time, the detected time and the detector (either 8 or 9) are recorded. After the required number of photons are transmitted and received, the receiver 4 informs the transmitter 1 of the photon detection time. The transmitter 1 can know which detector has detected the photon by the receiver 4 from the notified detection time and its own phase modulation data.

そこで、検出器A 8をビット「0」、検出器B 9をビット「1」と予め取り決めておけば、送信機1と受信機4は同じビット列を得ることができる。この手順において、受信機1から送信機4へ知らされるのは光子検出時刻のみで、ビット情報は外部には出されない。したがって、これからビット情報が他の受信機(図示しない)を通じて他人に盗聴されることはない。また、送られているのはパルスあたり平均1光子未満の光なので、他の受信機が信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、光子が2分割されることはないので、他の受信機が分岐により光子検出すると、その光子は受信機4には届かず、送信機1が送信したビット列と受信機4が受信したビット列とが一致しないからである。このように、以上の構成と手順とにより送受信機1,4が得るビット列は、外部から盗聴されることのないビット列となっている。そこで、このビット列を暗号データを生成・再生するための秘密鍵としている。   Therefore, if the detector A 8 is preliminarily determined as the bit “0” and the detector B 9 is the bit “1”, the transmitter 1 and the receiver 4 can obtain the same bit string. In this procedure, only the photon detection time is notified from the receiver 1 to the transmitter 4, and no bit information is output to the outside. Therefore, the bit information is not eavesdropped by another person through another receiver (not shown). Also, since the light that is being transmitted is an average of less than one photon per pulse, other receivers cannot branch part of the signal to obtain bit information. Because the photon is not divided into two, when another receiver detects the photon by branching, the photon does not reach the receiver 4, but the bit string transmitted by the transmitter 1 and the bit string received by the receiver 4 This is because does not match. Thus, the bit string obtained by the transceivers 1 and 4 by the above configuration and procedure is a bit string that is not wiretapped from the outside. Therefore, this bit string is used as a secret key for generating / reproducing encrypted data.

特開2004−187268号公報JP 2004-187268 A K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, ”Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light”, Physical Review A, vol. 68, paper number 022317 (2003).K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, “Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light”, Physical Review A, vol. 68, paper number 022317 (2003).

上記のような従来の差動位相シフト量子鍵配送方式では、分岐による盗聴を避けるため、光子1個レベルの光パルスを送受信している。ところで、実際の伝送路3には損失があり、このため、光子の一部は伝送路3で消失して受信機4には届かない。伝送路3が長いと損失も大きく、受信機4に光子が届く確率は小さくなる。一方、一般に光子検出器,9は、実際には光子が入力されていないのにあたかも光子を検出したかのような動作をすることがある。光子検出器,9の誤動作は、入力光子がある程度多ければ無視できるが、入力光子数が少ないと、相対的に誤動作による誤信号が多くなり、正しい光子検出ができなくなる。すなわち、伝送距離が長いと、装置が正しく動作しなくなる。つまり、伝送路の減衰により伝送可能距離が制限されることになる。 In the conventional differential phase shift quantum key distribution system as described above, a single-photon level optical pulse is transmitted and received in order to avoid eavesdropping due to branching. By the way, there is a loss in the actual transmission path 3, and for this reason, some of the photons are lost in the transmission path 3 and do not reach the receiver 4. If the transmission line 3 is long, the loss is large, and the probability that a photon reaches the receiver 4 is small. On the other hand, in general, the photon detectors 8 and 9 may operate as if the photons were detected even though no photons were actually input. The malfunction of the photon detectors 8 and 9 can be ignored if there are a large number of input photons. However, if the number of input photons is small, the number of erroneous signals due to malfunction increases relatively, and correct photon detection cannot be performed. That is, if the transmission distance is long, the device does not operate correctly. That is, the transmittable distance is limited by the attenuation of the transmission path.

通常の光通信であれば、光増幅器または光電気変換を介した中継器を用いて弱まった信号を再び強めることは可能であるが、量子鍵配送の場合には、光子1個レベルの光信号であるため、光直接増幅しようとすると、本来の光信号が光増幅器の自然放出光に埋もれてしまう。また、光電気変換を介して信号再生しようとしても、量子鍵配送で伝送されているのは、どのパルスで光子が検出されるかは確率的であるような光信号であり、このような光パルス列を光電気変換により再生することは不可能である。   In normal optical communication, it is possible to reinforce a weakened signal using an optical amplifier or a repeater via photoelectric conversion, but in the case of quantum key distribution, an optical signal of one photon level Therefore, when trying to directly amplify the light, the original optical signal is buried in the spontaneous emission light of the optical amplifier. In addition, even when attempting to regenerate a signal through photoelectric conversion, what is transmitted by quantum key distribution is an optical signal in which it is probabilistic which pulse will detect a photon. It is impossible to regenerate the pulse train by photoelectric conversion.

以上のように、従来技術による量子鍵配送には、通常の信号中継手段が適用できず、伝送路損失のために伝送可能距離が制限されるという課題があった。   As described above, conventional signal relay means cannot be applied to quantum key distribution according to the prior art, and there is a problem that the transmittable distance is limited due to transmission path loss.

本発明は、上記の点に鑑みて成されたもので、その目的は、量子鍵配送可能とされた従来の限界距離よりも長い距離離れた送信機と受信機に対して量子暗号鍵を供給することができる量子暗号通信装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to supply a quantum encryption key to a transmitter and a receiver that are separated from each other by a distance longer than a conventional limit distance that enables quantum key distribution. An object of the present invention is to provide a quantum cryptography communication device capable of performing the above.

上述の目的を達成するため、請求項1の発明は、送信機と受信機間において送受信されるデータを暗号化し、復号化するための暗号鍵を供給する量子暗号通信装置において、一定間隔の光パルス列を出力する送信機と、量子相関のあるシグナル光子とアイドラー光子から成る光子対を前記光パルス列と同じ時間間隔で出力する量子相関光子対発生器と、前記送信機からの光パルス列と前記シグナル光子とが入力される中継機と、前記アイドラー光子が入力される受信機とを備え、前記中継機は、2×2の入出力端子を有し、同じ時刻に、前記送信機からの光パルス列をその第1の入力端子に入力し、前記シグナル光子の光子列をその第2の入力端子に入力する光カップラと、前記光カップラの第1の出力端子に接続された第1の光子検出器と、前記光カップラの第2の出力端子に接続された第2の光子検出器とを有し、前記中継機は、前記第1と第2の光子検出器の少なくともいずれかが光子を連続して検出した場合に、その時刻を前記送信機と前記受信機の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、2つの光子検出器が交互に光子検出したかを前記送信機に知らせることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, the invention of claim 1 is a quantum cryptography communication apparatus that supplies an encryption key for encrypting and decrypting data transmitted and received between a transmitter and a receiver. A transmitter that outputs a pulse train; a quantum correlation photon pair generator that outputs a photon pair consisting of a signal photon and an idler photon with quantum correlation at the same time interval as the optical pulse train; and the optical pulse train and the signal from the transmitter A repeater to which photons are input; and a receiver to which the idler photons are input. The repeater has 2 × 2 input / output terminals, and an optical pulse train from the transmitter at the same time. Is input to the first input terminal, the photon train of the signal photons is input to the second input terminal, and the first photon detector is connected to the first output terminal of the optical coupler. When A second photon detector connected to a second output terminal of the optical coupler, and the repeater detects at least one of the first and second photon detectors continuously. The time is notified to both the transmitter and the receiver, and the transmitter is informed whether one photon detector continuously detects photons or two photon detectors alternately detect photons. It is characterized by notifying.

ここで、前記受信機は、入力された前記アイドラー光子の光子列を2経路に分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して1パルス分遅延する遅延手段と、2×2の入出力端子を有し、前記分岐手段で分岐された光子列の他方をその第1の入力端子に入力し、前記遅延手段で遅延された光子列をその第2の入力端子に入力する第2の光カップラと、前記第2の光カップラの第1の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう第3の光子検出器と、前記第2の光カップラの第2の出力端子に接続され光子列の検出を行なう第4の光子検出器とを有し、前記受信機は、前記中継器から通知された検出時刻に対応する時刻に、前記第3の光検出器が光子検出していればビット「0」、前記第4の光検出器が光子検出していればビット「1」としてビットを生成し、該ビットを生成した光子の検出時刻を前記送信機に知らせることを特徴とすることができる。 Here, the receiver has a branching means for branching the photon string of the input idler photons into two paths, and one of the photon strings branched by the branching means is 1 for the other of the branched photon strings. A photon train having a delay means for delaying by pulses and a 2 × 2 input / output terminal, inputting the other of the photon trains branched by the branch device to the first input terminal, and delayed by the delay means To the second input terminal, a third photon detector connected to the first output terminal of the second optical coupler to detect a photon string, and the second photocoupler. A fourth photon detector connected to a second output terminal of the optical coupler for detecting a photon train, and the receiver is configured to detect the photon train at a time corresponding to a detection time notified from the repeater. If the third photodetector detects photons, the bit “0”, the fourth If the photodetector is a photon detection bits to generate a bit "1", the detection time of the photons generated the bit can be characterized in that informing the transmitter.

また、前記送信機は、一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生する手段と、前記光パルスの位相を0またはπで変調する手段と、変調された前記光パルスを1パルス当り平均1光子未満で前記中継機への伝送路に送出する手段とを備え、前記送信機は、位相変調データを記録し、前記中継器から通知された検出時刻と、前記受信機から通知された検出時刻と、及び自分の位相変調データとから、前記受信機が生成したビット情報を感知して、該ビット情報を自身のビット情報とすることを特徴とすることができる。 The transmitter includes means for generating a coherent optical pulse train at regular intervals, means for modulating the phase of the optical pulse by 0 or π, and the modulated optical pulse at an average of less than one photon per pulse. and means for transmitting to a transmission path to said relay apparatus, the transmitter records the phase modulation data, and detection time notified from the repeater, the detection time notified from the receiver, and The bit information generated by the receiver is detected from the own phase modulation data, and the bit information is used as its own bit information.

また、前記量子相関光子対発生器は、ポンプ光子を発生する手段を含み、前記光子対として光パラメトリック過程により該ポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子を発生することを特徴とすることができる。   The quantum correlation photon pair generator may include means for generating a pump photon, and generate a signal photon and an idler photon from the pump photon as an optical parametric process as the photon pair.

一般に、信号伝送装置の伝送距離は、送信パワーと最小受信感度の差で決まる。本発明で用いる量子相関光子対発生器の光子発生効率が送信機のそれと同じであると想定すると、その量子相関光子対発生器から受信機までの伝送距離は、中継ノードが無い場合の送受信機間の距離と同じにできる。本発明ではこれに加えて、本発明による中継器(中継ノード)を採用したので、量子相関光子発生器からその中継器までの距離に、送信機から中継器までの距離が足されたものが、送信機から受信機までの実効的な伝送距離となる。したがって、本発明を適用すると、送受信機間の距離を従来よりも大幅に長くすることができる。   In general, the transmission distance of a signal transmission apparatus is determined by the difference between transmission power and minimum reception sensitivity. Assuming that the photon generation efficiency of the quantum correlation photon pair generator used in the present invention is the same as that of the transmitter, the transmission distance from the quantum correlation photon pair generator to the receiver is the transmitter / receiver when there is no relay node. Can be the same as the distance between. In addition to this, the repeater (relay node) according to the present invention is adopted in the present invention, so that the distance from the transmitter to the repeater is added to the distance from the quantum correlation photon generator to the repeater. The effective transmission distance from the transmitter to the receiver. Therefore, when the present invention is applied, the distance between the transmitter and the receiver can be made significantly longer than before.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明は、以下に詳述するように、従来技術で述べた差動位相シフト量子鍵配送を基本としつつ、送信機と受信機の間に、量子相関光子対発生器と中継ノードとを挿入することにより、送受信機間の長距離化を図っている。   As described in detail below, the present invention inserts a quantum correlation photon pair generator and a relay node between a transmitter and a receiver based on the differential phase shift quantum key distribution described in the prior art. By doing so, the distance between the transceivers is increased.

図1は、本発明の一実施の形態における量子暗号通信装置の特に量子相関光子対発生器と中継ノードに関わる部分の構成を示す。送受信機間1,4の伝送路中に、量子相関光子対発生器13と、中継ノード(中継器)14とが配置されている。中継ノード14は合波手段としての2×2の光カップラ15と、そのカップラの出力ポートにそれぞれ接続した2つの光子検出器16、17と、2つの光子検出器16、17に接続して送信機1間と受信機4間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置18とを備えている。情報交換装置18はCPU等から構成される。図1では説明のため、量子相関光子対発生器13と中継ノード14は近い位置に配置されているように描かれているが、実際には従来よりも大幅に長い伝送路を介して接続されているものとする。   FIG. 1 shows a configuration of a part relating to a quantum correlation photon pair generator and a relay node of a quantum cryptography communication apparatus according to an embodiment of the present invention. A quantum correlation photon pair generator 13 and a relay node (repeater) 14 are arranged in the transmission path between the transceivers 1 and 4. The relay node 14 is connected to a 2 × 2 optical coupler 15 as a multiplexing means, two photon detectors 16 and 17 connected to the output port of the coupler, and two photon detectors 16 and 17 for transmission. An information exchange device 18 as means for exchanging information between the machine 1 and the receiver 4 is provided. The information exchange device 18 is composed of a CPU and the like. In FIG. 1, the quantum correlation photon pair generator 13 and the relay node 14 are depicted as being arranged close to each other for the sake of explanation, but in actuality, they are connected via a transmission line that is significantly longer than the conventional one. It shall be.

送信機1は、コヒーレントパルス光源21からの光をパルス毎に|0,π|で位相変調し、平均1光子/パルス未満に減衰させて、伝送路へ送出する。さらに詳細には、送信機1は、一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生するコヒーレントパルス光源21と、その光パルスの位相を0またはπで変調する位相変調回路22と、変調された光パルスを1パルス当り平均1光子未満で中継機14へ送出する減衰回路23と、位相変調回路22に接続して中継ノード14間と受信機4間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置24とを備えている。情報交換装置24はCPU等から構成される。 The transmitter 1 phase-modulates the light from the coherent pulse light source 21 by | 0, π | for each pulse, attenuates it to an average of less than 1 photon / pulse, and sends it to the transmission line. More specifically, the transmitter 1 includes a coherent pulse light source 21 that generates a coherent optical pulse train at regular intervals, a phase modulation circuit 22 that modulates the phase of the optical pulse with 0 or π, and a modulated optical pulse. An attenuation circuit 23 for transmitting to the repeater 14 with an average of less than one photon per pulse, and an information exchange device 24 as means for exchanging information between the relay node 14 and the receiver 4 connected to the phase modulation circuit 22 I have. The information exchange device 24 is composed of a CPU and the like.

受信機4は、入力光パルス列を2分岐し、一方に1パルス分の遅延を与えた後に再び合波する。合波カップラ7の2つの出力端にはそれぞれ光子検出器8,9が備えられている。さらに詳細には、受信機4は、入力された後述のアイドラー光子の光子列を2経路に分岐する光分岐器(光カップラ)5と、その分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して1パルス分遅延する光遅延回路(光遅延線)6と、2×2の入出力端子を有し、分岐された光子列の他方をその第1の入力端子に入力し、遅延された光子列をその第2の入力端子に入力する2×2の光カップラ(光合波)7と、その光カップラの第1の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう光子検出器A 8と、その光カップラの第2の出力端子に接続され光子列の検出を行なう光子検出器B 9と、2つの光子検出器8,9に接続して送信機1間と中継ノード14間で情報交換を行なう手段としての情報交換装置25とを備えている。情報交換装置25はCPU等から構成される。 The receiver 4 divides the input optical pulse train into two branches, and multiplexes them again after giving one pulse a delay for one pulse. Photon detectors 8 and 9 are provided at two output ends of the multiplexing coupler 7, respectively. More specifically, the receiver 4 includes an optical splitter (optical coupler) 5 that branches an input photon sequence of an idler photon, which will be described later, into two paths, and a photon sequence branched from one of the branched photon sequences. An optical delay circuit (optical delay line) 6 that is delayed by one pulse with respect to the other of the first and second input / output terminals, and the other of the branched photon strings is input to the first input terminal, 2 × 2 optical coupler for inputting a photon sequence delayed to the second input terminal (optical multiplexer) 7, photon detection for detecting the first is connected to the output terminal photons column of the optical coupler A photon detector B 9 connected to the second output terminal of the optical coupler A 8 and detecting the photon train; and connected to the two photon detectors 8 and 9 between the transmitter 1 and the relay node 14. And an information exchange device 25 as a means for exchanging information between them. The information exchange device 25 is composed of a CPU and the like.

中継ノード14の情報交換装置(CPU)18は、光子を検出した時刻といずれかの光子検出器が検出したかを記録し、後述のように、その光子検出時刻を送信機1と受信機4の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、2つの光子検出器が交互に光子検出したかを送信機1に知らせる。送信機1の情報交換装置(CPU)24は、位相変調データを記録し、後述のように、中継器14からの検出情報と、受信機4からの時刻情報と、及び自分の位相変調データとから、受信機4が生成したビット情報を感知して、そのビット情報を自身のビット情報とする動作をする。受信機4の情報交換装置(CPU)25は、光子検出時刻および検出した検出器を記録し、後述のように、中継器14から通知された検出時刻に対応する時刻に、光検出器A 8が光子検出していればビット「0」、光検出器B 9が光子検出していればビット「1」としてビットを生成し、そのビットを生成した光子の検出時刻を送信機1に知らせる動作をする。   The information exchange device (CPU) 18 of the relay node 14 records the time when the photon was detected and which photon detector detected, and the photon detection time is transmitted to the transmitter 1 and the receiver 4 as will be described later. Both of them are notified to the transmitter 1 whether one photon detector continuously detects photons or two photon detectors alternately detect photons. The information exchange device (CPU) 24 of the transmitter 1 records the phase modulation data and, as will be described later, the detection information from the repeater 14, the time information from the receiver 4, and its own phase modulation data. Then, the bit information generated by the receiver 4 is sensed and the bit information is operated as its own bit information. The information exchange device (CPU) 25 of the receiver 4 records the photon detection time and the detected detector, and, as will be described later, at the time corresponding to the detection time notified from the repeater 14, the photodetector A 8. If the photon is detected, the bit is “0”, and if the photo detector B 9 is detecting the photon, the bit is generated as the bit “1”, and the transmitter 1 is informed of the detection time of the photon that generated the bit. do.

量子相関光子対発生器13は、ポンプ光源19と光非線形媒質20とを有し、相関を持った2つの光子を必ず同時に出力する装置である。具体的には、量子相関光子対発生器13は、例えば、光パラメトリック過程(optical parametric process)を利用して2つの光子、すなわち後述のシグナル光子とアイドラー光子を出力する。ポンプ光源19からの光を光非線形媒質20に入力し、光非線形媒質20から出力されるシグナル光子とアイドラー光子を、前者を中継ノード14へ送信し、後者を受信機4に送信する。   The quantum correlation photon pair generator 13 has a pump light source 19 and an optical nonlinear medium 20, and is a device that always outputs two correlated photons simultaneously. Specifically, the quantum correlation photon pair generator 13 outputs two photons, that is, a signal photon and an idler photon, which will be described later, using, for example, an optical parametric process. The light from the pump light source 19 is input to the optical nonlinear medium 20, the signal photon and idler photon output from the optical nonlinear medium 20 are transmitted to the relay node 14, and the latter is transmitted to the receiver 4.

上記の光パラメトリック過程とは光非線形現象の一種で、例えば、光周波数fのポンプ光と光周波数fのシグナル光を2次の光非線形結晶20に入力すると、非線形分極P=c から光周波数f=f−fの周波数光が発生する(c:非線形感受率、E:ポンプ光電場、E:シグナル光電場、*は複素共役)。慣例的に、その新たに発生する光はアイドラー光(idler light)と呼ばれる。量子学的に言うと、これは、ポンプ光子とシグナル光子からアイドラー光子が発生する現象で、エネルギー保存則より3つの光子間には図2のような関係がある。この関係は、1つのポンプ光子(f)が消滅してシグナル光子(f)とアイドラー光子(f)が1つずつ生成される過程、とみることができる。シグナル光入力はこの過程を促進する働きをするが、ポンプ光が充分強ければ、シグナル光入力無しでも自発的にこの過程を起こすことができる。 A type of optical nonlinear phenomena and said optical parametric process, for example, if you enter the signal light of the pump light and the optical frequency f s of the optical frequency f p in a second-order optical nonlinear crystal 20, nonlinear polarization P = c 2 E p E s * from the frequency of the light frequency f i = f p -f s is generated (c 2: nonlinear susceptibility, E p: pump light electric field, E s: signal light field, * is a complex conjugate). Conventionally, the newly generated light is called idler light. Quantitatively speaking, this is a phenomenon in which an idler photon is generated from a pump photon and a signal photon, and there is a relationship as shown in FIG. This relationship can be regarded as a process in which one pump photon (f p ) disappears and one signal photon (f s ) and one idler photon (f i ) are generated. The signal light input works to promote this process, but if the pump light is sufficiently strong, this process can occur spontaneously without the signal light input.

すなわち、ポンプ光のみの入力から、シグナル光子とアイドラー光子が発生する。この際、エネルギー保存を満たすために、シグナル光子とアイドラー光子は必ず対で発生する。このような相関を持った光子のペアーを量子相関光子対という。   That is, a signal photon and an idler photon are generated from an input of only pump light. At this time, in order to satisfy energy conservation, signal photons and idler photons are always generated in pairs. A pair of photons having such a correlation is called a quantum correlation photon pair.

図1の量子相関光子対発生器13は、このような相関のある光子のペアーを発生する装置である。なお、光パラメトリック過程を利用して相関光子対を発生させる場合、相互作用するポンプ光、シグナル光、アイドラー光の位相には、後述のようなある関係が成り立っている。上記のように、古典的には、アイドラー光はP=c という非線形分極から発生する。この表式の位相をみると、φ=φ−φ(φ:アイドラー分極波の位相=アイドラー光位相、φ:ポンプ光位相、φ:シグナル光位相)という関係にあることがわかる。光パラメトリック過程により発生する量子相関光子対にも、この間系がそのまま成り立っている。 The quantum correlation photon pair generator 13 in FIG. 1 is a device that generates such a correlated photon pair. When a correlated photon pair is generated using an optical parametric process, the following relationships are established between the phases of the interacting pump light, signal light, and idler light. As described above, classically, idler light is generated from nonlinear polarization of P = c 2 E p E s * . Looking at the phase of this expression, there is a relationship of φ i = φ p −φ si : phase of idler polarization wave = idler light phase, φ p : pump light phase, φ s : signal light phase) I understand. This inter-system is also established in the quantum correlation photon pair generated by the optical parametric process.

図1の構成において、量子相関光子対発生器13からは上記のような量子相関光子対が発せられ、シグナル光子は中継ノード(中継器)14へ、アイドラー光子は受信機4へ、と送出される。ここで、送出される光子は、送信機からの送信パルス列と同じ時間間隔のパルス列であるとする。ここで、送出されるシグナル光子とアイドラー光子との光子対は1パルス当り1ペア以下であるとする。   In the configuration of FIG. 1, the quantum correlation photon pair generator 13 emits the quantum correlation photon pair as described above, the signal photons are sent to the relay node (repeater) 14, and the idler photons are sent to the receiver 4. The Here, it is assumed that the transmitted photons are pulse trains having the same time interval as the transmission pulse train from the transmitter. Here, it is assumed that the number of photon pairs of signal photons and idler photons to be transmitted is one pair or less per pulse.

中継ノード14には、送信機1からの送信信号と量子相関光子対発生器13からのシグナル光子が入力される。入力された送信信号とシグナル光子は、2×2の光カップラ15により合波される。光カップラ15の2つの出力ポートには、光子検出器16,17がそれぞれ配置されている。   The relay node 14 receives a transmission signal from the transmitter 1 and a signal photon from the quantum correlation photon pair generator 13. The input transmission signal and signal photon are combined by the 2 × 2 optical coupler 15. Photon detectors 16 and 17 are arranged at two output ports of the optical coupler 15, respectively.

以上の構成により、送受信機1,4に秘密鍵を供給することができる。その原理及び手順を以下に式を用いて説明する。量子力学的表示を用いると、中継ノード14へ入力される送信機1からの送信信号の状態|Ψ>は、次式(1)のように表される。 With the above configuration, the secret key can be supplied to the transceivers 1 and 4. The principle and procedure will be described below using equations. When the quantum mechanical representation is used, the state | Ψ t > of the transmission signal from the transmitter 1 input to the relay node 14 is expressed as the following equation (1).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、|t>は時刻tに1光子が存在する状態、a exp(iθ)は状態|t>の確率振幅(複素数)で、aが振幅部(実数)、θが位相を表す。Nはパルス数である。添え字のtは受信機4へ転送したいターゲット状態の意味で用いている。以後、送信機1から送られてきた状態をターゲット状態と呼ぶ。一方、量子相関光子対発生器13から発せられる状態|Ψ>は、次式(2)のように表される。 Here, | t j > is a state where one photon exists at time t j , a exp (iθ j ) is a probability amplitude (complex number) of state | t j >, a is an amplitude part (real number), and θ j is Represents the phase. N is the number of pulses. The subscript t is used to mean the target state to be transferred to the receiver 4. Hereinafter, the state sent from the transmitter 1 is called a target state. On the other hand, the state | ψ e > emitted from the quantum correlation photon pair generator 13 is expressed by the following equation (2).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、添え字s、iはそれぞれ、シグナル光子、アイドラー光子を表す。量子相関光子対は必ずペアーで発生するので、ペアーでひとつの量子状態として|t|tという形で表される。a exp(iφ)は状態|t|tの確率振幅(複素数)で、aが振幅部(実数)、φが位相を表す。これが、周期的なパルスとして出力されるので、相関光子対発生器13からの出力状態は各ペアーの和として表される。 Here, the subscripts s and i represent a signal photon and an idler photon, respectively. Since a quantum correlation photon pair is always generated in a pair, it is expressed as | t j > s | t j > i as one quantum state in the pair. a exp (iφ j ) is the probability amplitude (complex number) of the state | t j > s | t j > i , where a is the amplitude part (real number) and φ j is the phase. Since this is output as a periodic pulse, the output state from the correlated photon pair generator 13 is expressed as the sum of each pair.

本発明では、ターゲット状態と量子相関光子対状態とを相互作用させることにより、伝送距離の拡大を図っている。このような状況を記述するために、ターゲット状態と相関光子対状態をまとめてひとつの状態とみなし、全体状態|Ψ>を次式(3)のように書き表す。   In the present invention, the transmission distance is increased by causing the target state and the quantum correlation photon pair state to interact with each other. In order to describe such a situation, the target state and the correlated photon pair state are collectively regarded as one state, and the entire state | Ψ> is expressed as the following equation (3).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、中継ノード14において、時刻t及び時刻tj+1で光子が検出される場合に着目する。このような光子検出事象に関係する状態を書き出すと、次式(4)のようになる。 Here, attention is paid to the case where photons are detected at the time t j and the time t j + 1 in the relay node 14 . When a state related to such a photon detection event is written out, the following equation (4) is obtained.

Figure 0004421977
Figure 0004421977

上式(4)は、上式(1)、(2)のt及びtj+1に関する項を上式(3)に代入したもので、さらに、Δ=θj+1−θ、δ=φj+1−φ、という置き換えを行っている。ここで、そのφ及びδについて考える。φはシグナル光子状態とアイドラー光子状態を掛け合わせた状態の位相である(式(2))。したがって、φ=φ+φである。ところで、前述のように、量子相関光子対発生器13から発せられる光子対には、φ=φ−φという関係が成り立っている。したがって、φ=φである。ここで、量子相関光子対発生器13内のポンプ光のコヒーレンス時間は、パルス列の時間間隔よりも充分長いものとする。すなわち、隣り合う光子対を発生するポンプ光の位相は一定であるものとする。このように設定すると、φ(t)=φ(tj+1)、よってδ=0となる。これを代入すると、式(4)は次式(5)のようになる。 The above equation (4) is obtained by substituting the terms relating to t j and t j + 1 of the above equations (1) and (2) into the above equation (3). Furthermore, Δ = θ j + 1 −θ j , δ = φ j + 1j is replaced. Here, φ and δ are considered. φ is the phase of the signal photon state multiplied by the idler photon state (formula (2)). Therefore, φ = φ s + φ i . By the way, as described above, the relationship of φ i = φ p −φ s is established in the photon pair emitted from the quantum correlation photon pair generator 13. Therefore, it is φ = φ p. Here, it is assumed that the coherence time of the pump light in the quantum correlation photon pair generator 13 is sufficiently longer than the time interval of the pulse train. That is, the phase of pump light that generates adjacent photon pairs is assumed to be constant. With this setting, φ (t j ) = φ (t j + 1 ), and thus δ = 0. Substituting this, equation (4) becomes the following equation (5).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

上式(5)は、ターゲット状態とシグナル光子が中継ノード14内の光カップラ15へ入力される前の段階における全体状態を表わしている。光カップラ15において、ターゲット状態とシグナル光子は、それぞれ2つの出力ポートに分岐される。その分岐による状態変化は、次式(6a),(6b)のように表される。   The above equation (5) represents the overall state in the stage before the target state and the signal photon are input to the optical coupler 15 in the relay node 14. In the optical coupler 15, the target state and the signal photon are branched to two output ports, respectively. The state change due to the branching is expressed by the following equations (6a) and (6b).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、|d,t>は1光子が光子検出器16への出力ポートへ時刻tに出力される状態を表わし、|d,t>は1光子が光子検出器17への出力ポートへ時刻tに出力される状態を表す。上式(6a),(6b)を上式(5)に代入し、さらに光子が時刻t及びtj+1で連続して検出される状態を取り出すと、次式(7)となる。 Here, | d 1 , t j > represents a state in which one photon is output to the output port to the photon detector 16 at time t j , and | d 2 , t j > represents one photon to the photon detector 17. Represents the state of being output to the output port at time t j . Substituting the above equations (6a) and (6b) into the above equation (5), and further extracting the state in which photons are continuously detected at times t j and t j + 1 , the following equation (7) is obtained.

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、光子検出に際して、ターゲット光子とシグナル光子は区別がつかないものと仮定する。そうすると、ターゲット光子状態とシグナル光子状態を区別する添え字t、sがなくなり、上式(7)は次式(8)のように書き直される。 Here, it is assumed that the target photon and the signal photon cannot be distinguished in the photon detection. Then, the subscripts t and s that distinguish the target photon state and the signal photon state are eliminated, and the above equation (7) is rewritten as the following equation (8).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

上式(8)は、光子検出器16が連続して光子を検出する状態(|d,t>|d,tj+1>がかかっている項)、光子検出器17が連続して光子を検出する状態(|d,t>|d,tj+1>がかかっている項)、光子検出器16と17とが交互に光子を検出する状態(|d,t>|d,tj+1>または|d,t>|d,tj+1>がかかっている項)、の足し合わせとなっている。 In the above equation (8), the photon detector 16 continuously detects photons (terms where | d 1 , t j > | d 1 , t j + 1 >), and the photon detector 17 continues. A state in which photons are detected (terms where | d 2 , t j > | d 2 , t j + 1 > are applied), a state in which photon detectors 16 and 17 alternately detect photons (| d 1 , t j > | D 2 , t j + 1 > or | d 2 , t j > | d 1 , t j + 1 >)).

次に、その各々の状態について考えてみる。上式(8)から、ひとつの光子検出器が連続して光子を検出する状態を抜き出すと、次式(9)となる。   Next, consider each of these states. When the state in which one photon detector continuously detects photons is extracted from the above equation (8), the following equation (9) is obtained.

Figure 0004421977
Figure 0004421977

従来技術の項で述べたように、差動位相シフト量子鍵配送においては、送信光パルスは0またはπで位相変調されている。したがって、Δ=0または±π、である。これを上式(9)に代入すると、各場合について次式(10a),(10b)が得られる。   As described in the section of the prior art, in the differential phase shift quantum key distribution, the transmission light pulse is phase-modulated by 0 or π. Therefore, Δ = 0 or ± π. When this is substituted into the above equation (9), the following equations (10a) and (10b) are obtained for each case.

Figure 0004421977
Figure 0004421977

ここで、アイドラー光子の状態に着目する。上式(10a)には、(|t+|tj+1)という項が共通項として掛け合わさっている。これは、ひとつの光子検出器が時刻t、tj+1で連続して光子を検出する場合には、時刻t、tj+1のアイドラー光子の確率振幅は必ず同位相となることを表している。一方、上式(10b)には、(|t−|tj+1)という項が共通項として掛け合わさっている。これは、ひとつの光子検出器が時刻t、tj+1で連続して光子を検出する場合には、時刻t、tj+1のアイドラー光子の確率振幅は必ず逆位相となることを表している。 Here, attention is paid to the state of idler photons. In the above equation (10a), a term (| t j > i + | t j + 1 > i ) is multiplied as a common term. This is because when the single photon detectors time t j, successively with t j + 1 to detect a photon, the time t j, the probability amplitude of the idler photons t j + 1 represents that always the same phase . On the other hand, the term (| t j > i− | t j + 1 > i ) is multiplied as a common term in the above equation (10b). This is one of the photon detectors time t j, when detecting photons in succession with t j + 1, the time t j, the probability amplitude of the idler photons t j + 1 represents that the always antiphase .

同様に、2つの光子検出器16,17が交互に光子を検出する状態については、次式(11a),(11b)となる。   Similarly, the state in which the two photon detectors 16 and 17 alternately detect photons is expressed by the following equations (11a) and (11b).

Figure 0004421977
Figure 0004421977

上式(11a)は、Δ=0で、かつ2つの光子検出器16,17が交互に光子を検出する場合には、時刻t、tj+1のアイドラー光子の確率振幅は必ず逆位相となることを表している。上式(11b)は、Δ=±πで、かつ2つの光子検出器16,17が交互に光子を検出する場合には、時刻t、tj+1のアイドラー光子の確率振幅は必ず同位相となることを表している。 In the above equation (11a), when Δ = 0 and the two photon detectors 16 and 17 detect photons alternately, the probability amplitudes of idler photons at times t j and t j + 1 are always in opposite phases. Represents that. In the above equation (11b), when Δ = ± π and the two photon detectors 16 and 17 detect photons alternately, the probability amplitudes of idler photons at times t j and t j + 1 are always in phase. Represents that.

受信機4が、従来技術の項で述べた構成(図3)と同様な構成で光子を検出すると、2連続パルスが同位相ならば光子検出器8が光子を検出し、2連続パルスが逆位相ならば光子検出器9が光子を検出する。この受信動作と上記の場合分けを考え合わせると、受信機4の光子検出の態様は次のようになる。
(i)中継ノード14がひとつの光子検出器(16または17)で連続して光子を検出し、かつΔ=0ならば、受信機4は光子検出器A 8で光子を検出、
(ii)中継ノード14がひとつの光子検出器で連続して光子を検出し、かつΔ=±πならば、受信機4は光子検出器B 9で光子を検出、
(iii)中継ノード14が2つの光子検出器16,17で交互に光子を検出し、かつΔ=0ならば、受信機4は光子検出器B 9で光子を検出、
(iv)中継ノード14が2つの光子検出器16,17で交互に光子を検出し、かつΔ=±πならば、受信機4は光子検出器A 8で光子を検出、
することになる。
When the receiver 4 detects a photon with a configuration similar to that described in the section of the prior art (FIG. 3), if two consecutive pulses are in phase, the photon detector 8 detects the photon and the two consecutive pulses are reversed. If it is in phase, the photon detector 9 detects the photon. Considering this reception operation and the above case classification, the photon detection mode of the receiver 4 is as follows.
(I) If the relay node 14 detects photons continuously with one photon detector (16 or 17) and Δ = 0, the receiver 4 detects photons with photon detector A8;
(Ii) If the relay node 14 detects photons continuously with one photon detector and Δ = ± π, the receiver 4 detects photons with the photon detector B 9
(Iii) If the relay node 14 detects photons alternately by the two photon detectors 16 and 17, and Δ = 0, the receiver 4 detects photons by the photon detector B 9;
(Iv) If the relay node 14 detects photons alternately by the two photon detectors 16 and 17, and Δ = ± π, the receiver 4 detects photons by the photon detector A8;
Will do.

以上の動作特性を利用すると、以下の手順で、送信機1と受信機4は暗号鍵を得ることができる。   Using the above operating characteristics, the transmitter 1 and the receiver 4 can obtain an encryption key in the following procedure.

送信機1と量子相関光子発生器13はターゲットパルス列と量子相関光子対パルス列をそれぞれ送信し、中継ノード14と受信機4は図3及び図1の受信構成で光子検出をする。   The transmitter 1 and the quantum correlation photon generator 13 transmit the target pulse train and the quantum correlation photon pair pulse train, respectively, and the relay node 14 and the receiver 4 perform photon detection with the receiving configuration of FIGS.

中継ノード14は、光子検出器(16,17)が光子を連続して検出した場合に、その時刻を送信機1と受信機4に知らせる。また中継ノード14は、その場合に、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、2つの光子検出器が交互に光子検出したか、を送信機1に知らせる。   When the photon detector (16, 17) continuously detects photons, the relay node 14 notifies the transmitter 1 and the receiver 4 of the time. In this case, the relay node 14 informs the transmitter 1 whether one photon detector continuously detects photons or whether two photon detectors alternately detect photons.

受信機4は、中継ノード14から通知された検出時刻に対応する時刻に、検出器A 8が光子検出していればビット「0」、検出器B 9が光子検出していればビット「1」、とする。さらに受信機4は、ビットを生成した光子の検出時刻を送信機1に知らせる。   When the detector A 8 detects photons at the time corresponding to the detection time notified from the relay node 14, the receiver 4 uses the bit “0”, and if the detector B 9 detects photons, the bit “1”. ". Furthermore, the receiver 4 informs the transmitter 1 of the detection time of the photon that generated the bit.

送信機1は、中継ノード14からの検出情報と、受信機4からの時刻情報と、及び自分の変調データとから、受信機4が生成したビット情報を知ることができる。そこで、それを自身のビット情報とする。   The transmitter 1 can know the bit information generated by the receiver 4 from the detection information from the relay node 14, the time information from the receiver 4, and its own modulation data. Therefore, it is used as its own bit information.

以上の手順により、送受信機1,4は同じビット列を得る。この際、ビット情報そのものは外部には出されていない。したがって、このビット列を秘密鍵とすることができる。   Through the above procedure, the transceivers 1 and 4 obtain the same bit string. At this time, the bit information itself is not sent to the outside. Therefore, this bit string can be used as a secret key.

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

本発明の一実施形態における量子暗号通信装置の主要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the quantum cryptography communication apparatus in one Embodiment of this invention. 2次の光パラメトリック過程の原理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the principle of a secondary optical parametric process. 従来の差動位相シフト量子鍵配送方式による量子暗号装置の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the quantum cryptography apparatus by the conventional differential phase shift quantum key distribution system.

符号の説明Explanation of symbols

1 送信機
2 パルス列
3 伝送路
4 受信機
5 光分岐器(光カップラ)
6 光遅延回路(光遅延線)
7 光合波器(2×2の光カップラ)
8 光子検出器A
9 光子検出器B
13 量子相関光子対発生器
14 中継ノード(中継器)
15 光カップラC
16 光子検出器1
17 光子検出器2
18,24,25 情報交換装置(CPU)
19 ポンプ光源
20 光非線形媒質
21 コヒーレントパルス光源
22 位相変調回路
23 減衰回路
1 Transmitter 2 Pulse train 3 Transmission path 4 Receiver 5 Optical splitter (optical coupler)
6 Optical delay circuit (optical delay line)
7 Optical multiplexer (2 × 2 optical coupler)
8 Photon detector A
9 Photon detector B
13 Quantum correlation photon pair generator 14 Relay node (repeater)
15 Optical coupler C
16 Photon detector 1
17 Photon detector 2
18, 24, 25 Information exchange device (CPU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 Pump light source 20 Optical nonlinear medium 21 Coherent pulse light source 22 Phase modulation circuit 23 Attenuation circuit

Claims (4)

送信機と受信機間において送受信されるデータを暗号化し、復号化するための暗号鍵を供給する量子暗号通信装置において、
一定間隔の光パルス列を出力する送信機と、
量子相関のあるシグナル光子とアイドラー光子から成る光子対を前記光パルス列と同じ時間間隔で出力する量子相関光子対発生器と、
前記送信機からの光パルス列と前記シグナル光子とが入力される中継機と、
前記アイドラー光子が入力される受信機とを備え、
前記中継機は、
2×2の入出力端子を有し、同じ時刻に、前記送信機からの光パルス列をその第1の入力端子に入力し、前記シグナル光子の光子列をその第2の入力端子に入力する光カップラと、
前記光カップラの第1の出力端子に接続された第1の光子検出器と、
前記光カップラの第2の出力端子に接続された第2の光子検出器とを有し、
前記中継機は、前記第1と第2の光子検出器の少なくともいずれかが光子を連続して検出した場合に、その時刻を前記送信機と前記受信機の両方に知らせ、ひとつの光子検出器が連続して光子検出したか、2つの光子検出器が交互に光子検出したかを前記送信機に知らせることを特徴とする量子暗号通信装置。
In a quantum cryptography communication device that supplies an encryption key for encrypting and decrypting data transmitted and received between a transmitter and a receiver,
A transmitter that outputs optical pulse trains at regular intervals;
A quantum correlation photon pair generator for outputting a photon pair consisting of a signal photon and an idler photon with quantum correlation at the same time interval as the optical pulse train;
A repeater to which the optical pulse train from the transmitter and the signal photon are input;
A receiver to which the idler photon is input,
The repeater is
Light having a 2 × 2 input / output terminal, and inputting the optical pulse train from the transmitter to the first input terminal at the same time and inputting the photon train of the signal photons to the second input terminal With the coupler,
A first photon detector connected to a first output terminal of the optical coupler;
A second photon detector connected to a second output terminal of the optical coupler;
When at least one of the first and second photon detectors detects photons continuously, the repeater informs both the transmitter and the receiver of the time, and one photon detector A quantum cryptography communication device that informs the transmitter whether photons are detected continuously or two photon detectors detect photons alternately.
前記受信機は、
入力された前記アイドラー光子の光子列を2経路に分岐する分岐手段と、
前記分岐手段により分岐された光子列の一方を分岐された光子列の他方に対して1パルス分遅延する遅延手段と、
2×2の入出力端子を有し、前記分岐手段で分岐された光子列の他方をその第1の入力端子に入力し、前記遅延手段で遅延された光子列をその第2の入力端子に入力する第2の光カップラと、
前記第2の光カップラの第1の出力端子に接続されて光子列の検出を行なう第3の光子検出器と、
前記第2の光カップラの第2の出力端子に接続され光子列の検出を行なう第4の光子検出器とを有し、
前記受信機は、前記中継器から通知された検出時刻に対応する時刻に、前記第3の光検出器が光子検出していればビット「0」、前記第4の光検出器が光子検出していればビット「1」としてビットを生成し、該ビットを生成した光子の検出時刻を前記送信機に知らせることを特徴とする請求項1に記載の量子暗号通信装置。
The receiver
Branching means for branching the photon train of the input idler photons into two paths;
Delay means for delaying one of the photon trains branched by the branching means by one pulse with respect to the other of the branched photon trains;
A 2 × 2 input / output terminal; the other one of the photon strings branched by the branching means is input to the first input terminal; and the photon string delayed by the delaying means is input to the second input terminal. A second optical coupler for input;
A third photon detector connected to the first output terminal of the second optical coupler for detecting a photon string;
A fourth photon detector connected to a second output terminal of the second optical coupler for detecting a photon train;
The receiver detects bit “0” if the third photodetector detects photons at a time corresponding to the detection time notified from the repeater, and the fourth photodetector detects photons. 2. The quantum cryptography communication device according to claim 1, wherein a bit is generated as bit “1” and the transmitter is notified of the detection time of the photon that generated the bit.
前記送信機は、
一定間隔のコヒーレントな光パルス列を発生する手段と、
前記光パルスの位相を0またはπで変調する手段と、
変調された前記光パルスを1パルス当り平均1光子未満で前記中継機への伝送路に送出する手段と
を備え、
前記送信機は、位相変調データを記録し、前記中継器から通知された検出時刻と、前記受信機から通知された検出時刻と、及び自分の位相変調データとから、前記受信機が生成したビット情報を感知して、該ビット情報を自身のビット情報とすることを特徴とする請求項に記載の量子暗号通信装置。
The transmitter is
Means for generating a coherent optical pulse train at regular intervals;
Means for modulating the phase of the optical pulse by 0 or π;
Means for sending the modulated optical pulses to the transmission path to the repeater at an average of less than one photon per pulse;
The transmitter records phase modulation data, and the bit generated by the receiver from the detection time notified from the repeater, the detection time notified from the receiver, and its own phase modulation data. 3. The quantum cryptography communication apparatus according to claim 2 , wherein information is detected and the bit information is used as its own bit information.
前記量子相関光子対発生器は、ポンプ光子を発生する手段を含み、前記光子対として光パラメトリック過程により該ポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子を発生することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の量子暗号通信装置。   4. The quantum correlation photon pair generator includes means for generating a pump photon, and generates a signal photon and an idler photon from the pump photon by an optical parametric process as the photon pair. The quantum cryptography communication device according to any one of the above.
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