JP4462806B2 - 量子暗号鍵配布システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、暗号による情報の秘匿伝送を行う量子暗号鍵配布方法および通信システムに関し、特に、量子暗号プロトコルに基づいて、無条件に安全に共通鍵暗号に使用する秘密鍵を遠隔2者間で共有する量子暗号鍵配布方法および通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
量子鍵配付プロトコルとして、現在までに非直交4状態を用いた暗号、非直交2状態を用いた暗号、2粒子量子干渉を用いた暗号、時間差干渉暗号の各プロトコルが提案されている。これらの各プロトコルについては特開2000−286841号公報に詳述されている。本発明はこれらの暗号のうち、非直交4状態を用いた量子暗号鍵配付プロトコルを用いた量子暗号鍵配付装置に関するものである。
【0003】
非直交4状態を用いた量子暗号鍵配付プロトコル(以下、文献に従い、BB84プロトコルと表記する)においては、非直交4状態として4つの非直交な偏光状態を用いた方法や、異なる時間空間的局在特性をもつ少数光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる方法が実用化を目指して研究開発されている。
【0004】
これらの方法については、「INTRODUCTION TOQUANTUM COMPUTATION AND INORMATION(Hoi-KwongLoら編著)」(WorldScientific、1998年出版)の120ページにあるHugoZbindenによる「ExperimentalQuantum Cryptography」や、「ThePhysics of Quantum Information(D.Bouwmeesterら編著)」(Springer、2000年出版)の15ページにあるA.Ekertらによる「QuantumCryptography」に詳しい説明がある。
【0005】
4非直交偏光状態を用いる方法は、安定かつ特性のそろった偏光素子を送受信用エンコーダー及びデコーダーに用いることができる反面、送受信者間の偏光状態のトラッキング制御が必要であり、制御が複雑になるという問題点がある。また、空間光に対して作用するバルクの偏光素子を用いるため、装置の小型化が難しく光学ロスも大きいという問題点がある。
【0006】
他方、異なる時間空間的局在特性をもつ少数光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる方法では、偏光制御は不要で、光学ロスが少なく、小型の導波路素子で送受信用エンコーダー及びデコーダーを構成することが可能であるが、安定かつ特性の揃った干渉系を構成することが難しいという問題点がある。この問題点は、干渉系デバイスをモノリシック化することにより克服することが可能である。
【0007】
上述した両方式の可能性に関しては現在のところ、欧米や国内研究機関において精力的に研究が行われているところである。
【0008】
以下、本発明に関わる、異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる量子鍵配付方法についての従来技術を詳細に説明する。
【0009】
図7は従来技術の量子鍵配付装置の構成を示す図である。図中、左側曲線内は送信者が利用する送信サイト100、右側曲線内は受信者が利用する受信サイト200を示している。送信サイトの光源1で発生する周期的なコヒーレント光パルスは、3dBカプラ2で非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路3および短距離伝送路4に分岐される。長距離伝送路3には光学的遅延路5が挿入され、他方、短距離伝送路4には位相変調器6が挿入されている。位相変調器6ではθA=0、π/2、π、3π/2の4値からランダムに選んだ位相変調が周期的に到着する各々の光パルスに与えられ、位相変調値の記録が残される。
【0010】
長距離伝送路3および短距離伝送路4を通過したレーザパルス光は3dBカプラ7で合波され、アッテネータ8により平均光子数0.1程度の微弱光パルスに減衰された後、量子通信チャネル9を通じて受信サイト200の受信者に送付される。受信サイトに到達した微弱光パルスは、3dBカプラ10により、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路12および短距離伝送路11に分岐される。長距離伝送路12には光学的遅延路5と同じ光学遅延路14が挿入され、他方、短距離伝送路11には位相変調器13が挿入されている。
【0011】
位相変調器13ではθB=0、π/2の2値からランダムに選んだ位相変調が周期的に到着する各々の光パルスに与えられ、位相変調値の記録が残される。長距離伝送路12および短距離伝送路11を通過した微弱光パルスは3dBカプラ15で合波され、各ポートの出力光は単一光子検出器16および単一光子検出器17に接続される。受信者は、後で詳しく述べるような方法で、単一光子検出器16および単一光子検出器17の光子検出結果を記録する。
【0012】
次に、以上に説明した従来の量子暗号装置の動作原理について説明する。送信サイト100から送出される微弱光パルスの量子状態は、光子検出測定にかからない真空状態成分を無視すると、近似的に送信サイト100の干渉系を構成する長距離伝送路3を通過した単一光子状態|l>A、短距離伝送路4を通過した単一光子状態|s>Aの重ね合わせ状態:
【0013】
【数1】
【0014】
(式1)
となる。ΨA=0、π/2、π、3π/2に対応する状態のうち、
【0015】
【数2】
【0016】
は互いに直交し、
【0017】
【数3】
【0018】
は互いに直交する。従って、状態の組
【0019】
【数4】
【0020】
は異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態|s>Aおよび|l>Aで張られる2次元量子状態空間の完備基底系であるが、これらの基底系は互いに非直交である。従って、これら4つの量子状態をBB84プロトコルに適用することができる。
【0021】
次に、受信サイト200に設けられた装置の動作を説明する。受信サイト200は送信サイト100と両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、送信サイト100の干渉系において、長距離伝送路3を通過し、受信サイト200の干渉系において短距離伝送路13を通過した単一光子状態|l>A|s>Bと、送信サイト100の干渉系において短距離伝送路4を通過し、受信サイト200の干渉系において長距離伝送路14を通過した単一光子状態|s>A|l>Bは、3dBカプラ15の上で時間空間的にオーバラップし、干渉する。
【0022】
図8は受信サイト200にて観測される光子の検出信号を光子検出時間に対して模式的に示した図である。光子が送受信サイトの干渉系の2つの腕を通過する組合せにより、3つの異なる時間スロットに光子が検出器に到着する可能性がある。
【0023】
受信サイト200に到着したうちの半分の光子は、中央の時間スロットに観測され、これが3dBカプラ15の上でオーバラップして干渉し、ポートD0またはD1に出力される。残りの半分の光子は図8における左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着するが、受信サイト200ではこのような到着光子を単純に無視し、光源1の光パルス送出周期に同期して、中央の時間スロットに光子が検出されたか否か、また、どちらの出力ポートに検出されたかを記録する。着目した中央の時間スロットに到着した光子がD0(D1)ポートの光子検出器16(17)に検出される確率は、干渉により、
【0024】
【数5】
【0025】
と、θA−θBの関数となる。θA−θB=0(π)に対応する光子は確率1で決定論的にD0(D1)ポートの光子検出器16(17)に向かう。他方、θA−θB=π/2,3π/2に対応する光子は1/2の確率でD0(D1)ポートの光子検出器16(17)に向かう。
【0026】
受信サイト200の正規受信者は、送信サイト100の送信者と量子通信終了後に公衆チャネルで打ち合わせを行い、図8における中央のスロットに到着した光子の検出ポートの記録と送信者と受信者の位相変調値の記録をつきあわせることにより、共有鍵に対応する送信者の位相変調値θAそのものの値を晒すことなく受信サイト200で中央の時間スロットにて検出され、かつ、決定論的な結果を生み出すθA−θB=0,πとなる変調を施した光子に対応する記録を、全体の記録の中から抽出することができる。
【0027】
抽出した記録は全体の記録の半分であり、この記録においては送信者が光子に施した位相変調値の記録と受信者の光子検出ポートの記録の間には完全な相関が生じる。従って、送信者の位相変調値と受信者の光子検出ポートの記録に適当なビット0/1を割り当てることにより、送信者と受信者との間でランダムビット列から成る秘密鍵を共有することが可能になる。
【0028】
盗聴者は送信者および受信者の位相変調値を光子伝送時点には共有することができない。また、受信者が利用する受信サイトにおいて光子が中央の時間スロットに検出されるかサテライトの時間スロットに検出されるかをコントロールすることもできない。従って、光子伝送時に受信者が利用する受信サイトにおいて中央の時間スロットに検出され、決定論的な結果を生み出すこととなる変調を施した光子に対応する記録を送信者および受信者と共有することはできない。送信者および受信者の共有鍵を盗聴者が痕跡無く盗聴することは、量子力学的相補性により不可能であることが、伝送光子が単一光子である場合には厳密に証明されている。
【0029】
盗聴者の盗聴行為は、上記のようにして抽出した送信者の位相変調値の記録と受信者の光子検出ポートの記録の間に不完全な相関を生じさせ、不完全な共有鍵の生成をもたらす。送信者と受信者は不完全な共有鍵のビットエラーレートの評価により、盗聴者の盗聴情報量上限値をおさえることが可能である。この盗聴情報量を基に、不完全な共有鍵からエラー訂正、秘匿性増強などの論理的アルゴリズムにより理論上無条件に安全な鍵を生成することが可能である。
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
以上の量子鍵配付装置においては、受信者の装置に到着した光子のうち、図8に示す左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着した光子を無視し、中央の時間スロットに到着した光子のみを用いていた。従って、左右のサテライトの時間スロットに到着した光子は無駄になっていた。従ってこの装置においては、受信者のサイトに到着した光子の利用効率は0.5であり、言い換えれば3dBの損失がこの時間選択的観測において無条件に発生するという問題点があった。
【0031】
本発明は、上記の従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる量子鍵配付方法および装置において、受信者の時間選択的観測による光子のロスを防ぎ、効率1で到着光子を利用することのできる量子暗号鍵配布方法および通信システムを提供することを目的とする。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本発明の量子暗号鍵配布システムは、2つの異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる量子暗号鍵配付プロトコルに基づいて、正規送受信者間で秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布システムにおいて、
{0,π,π/2,3π/2}の4種の変調値を光子に与える位相変調器を内包する対称マッハツェンダー型干渉スイッチと、光カップラーと、異なる光学長を持つ導波路と、により構成された非対称マッハツェンダー干渉光学系、を含む送信器と、
非対称マッハツェンダー干渉光学系と、該非対称マッハツェンダー干渉光学の2つの出力ポートへの到着光子を検出する光子検出器と、到着光子の到着時間を記録する記録装置と、を含む受信器と、を具備し、
正規送信者は、0、π、π/2、3π/2のいずれかにより変調した光子を正規受信者に送信し、その後、正規受信者に対して位相変調値が、{0,π}、{π/2,3π/2}のいずれのセットに含まれるかという情報を公開通信路で公開し、
正規受信者は前記情報を基に、どの到着時間の光子で秘密鍵を構成するか、および前記位相変調値と相関し到着光子が検出された出力ポートを示す光子到着ポートデータまたは前記位相変調値と相関し到着光子の検出時間を示す光子到着時間データのいずれを用いて秘密鍵を構成するか、を決定することを特徴とする。
【0033】
この場合、対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光分岐カップラーの位置、または、非対称マッハツェンダー干渉系の光合波カップラーの位置に設けられることとしてもよい。
【0035】
上記のように構成される本発明においては、受信サイトは送信サイトと両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、位相変調値φA=0、π/2、π、3π/2のうち、位相変調値が、{0,π}、{π/2,3π/2}で変調したものは互に直交するものとなり、光子検出器、もしくは検出タイミングと相関するものとなる。このため、従来利用されていなかった変調光も信号として利用されるので、光利用効率が向上する。
【0036】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0037】
図1は本発明の第1の実施の形態の要部構成を示す図であり、以下その作用について説明する。
【0038】
光源21により発生する周期的なコヒーレント光パルスを、後に述べるマッハツェンダー型干渉スイッチ22で非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路23および短距離伝送路24に分岐する。長距離伝送路23には1/4波長相当分の光学的遅延路25が挿入されている。長距離伝送路23および短距離伝送路24を通過したレーザパルス光は3dBカプラ26で合波され、アッテネーター27により平均光子数0.1程度の微弱光パルスに減衰された後、量子通信チャネル28に接続される。
【0039】
送信者は、マッハツェンダー型干渉スイッチ22で光源21から周期的に到着する各々の光パルスにφA=0、π/2、π、3π/2の4値からランダムに選んだ位相変調を与えることにより、後に述べる4つの量子状態をランダムに量子通信チャネル28を通じて受信者に送出し、同時に位相変調値を記録する。受信者のサイトに到達した微弱光パルスは、3dBカプラ29により、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路30および短距離伝送路31に分岐される。長距離伝送路30および短距離伝送路31を通過した微弱光パルスは3dBカプラ32で合波され、各ポートの出力光は単一光子検出器33および34に接続される。受信者は、後で述べるような方法で、単一光子検出器33および34の光子検出結果を記録する。
【0040】
マッハツェンダー型干渉スイッチ22は、図2に示される内部構造を有する。マッハツェンダー型干渉スイッチ22は、3dBカプラ41および42からなる対称型マッハツェンダー干渉系の、少なくとも一方の光路に位相変調器43を配置した、いわゆる光振幅変調器と同様の構造を持ち、入力ポートA、Bおよび出力ポートA’、B'する。位相変調器としてはリチウムナイオベートを用いた変調器のような電気光学型デバイスを用いることができる。Aポートに入力するコヒーレント光の複素振幅をaとし、Bポートを解放する(無入力)と、この位相変調器43に位相シフトがφA=φなるような電圧を印可したときのA'ポート/B'ポートの光出力の振幅は
【0041】
【数6】
【0042】
となる。従って、位相シフトがφA=0となるような電圧を印可したときA’ポート/B’ポートの光出力の振幅はα/0となり、φA=πとなるような電圧を印可したときA’ポート/B’ポートの光出力の振幅は0/idとなる。さらに、この位相変調器43にφA=02となるような電圧を印可したときA’ポート/B’ポートの光出力の複素振幅は
【0043】
【数7】
【0044】
となり、φA=3π/2となるような電圧を印可したときA’ポート/B’ポートの光出力の複素振幅は
【0045】
【数8】
【0046】
となる。このような動作特性をもつマッハツェンダー型干渉スイッチは、干渉系の光路長差や3dBカプラ41、42の特性を設計することにより、実現可能である。マッハツェンダー型干渉スイッチ22の2つの出力ポートA’、B’は、非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路23および短距離伝送路24に接続されている。
【0047】
以下、本発明による量子暗号鍵配布装置の動作原理について説明する。
【0048】
マッハツェンダー型干渉スイッチ22の入力ポートAから複素振幅aのコヒーレント光パルスを入力したとき、送信者の送信サイトから送出される微弱光パルスの量子状態は、光子検出測定にかからない真空状態成分を無視すると、位相変調値φA=0、π/2、π、3π/2に対してそれぞれ近似的に、
【0049】
【数9】
【0050】
(式3)
となる。ただし、以下の説明に重要でない位相因子は省略した。ここで、|s>Aおよび|l>Aはそれぞれ送信者の非対称干渉系の長距離伝送路23および短距離伝送路24を通過した、時間空間的に局在した単一光子波束であり、図1に示したとおり長距離伝送路23と短距離伝送路24の光路長差分だけ|s>Aは|l>Aより受信者側に局在する。φA=0、π/2、π、3π/2に対応する状態のうち、
【0051】
【数10】
【0052】
は互いに直交し、
【0053】
【数11】
【0054】
は互いに直交する。従って、状態の組
【0055】
【数12】
【0056】
は異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子からなる量子波束状態|s>Aおよび|l>Aで張られる2次元量子状態空間の完備基底系であるが、これらの基底系は互いに非直交である。従って、これら4つの量子状態をBB84プロトコルに適用することができる。
【0057】
次に、受信者の装置の動作原理を説明する。受信サイトは送信サイトと両腕の光路長差が正確に等しい非対称マッハツェンダー干渉系を具備している。このため、状態
【0058】
【数13】
【0059】
に関しては、送信者の干渉系において長距離伝送路23を通過し、受信者の干渉系において短距離伝送路31を通過した単一光子状態|l>A|s>B、送信者の干渉系において、短距離伝送路24を通過し、受信者の干渉系において長距離伝送路30を通過した単一光子状態|s>A|l>Bは、3dBカプラ32の上で時間空間的にオーバラップ、干渉し、状態に依存してポートD0またはD1のどちらかに確実に出力される。このような経路を通過してきた光子は、受信者の装置に到着した状態
【0060】
【数14】
【0061】
の光子のうちの半数に相当し、従来技術と同様に図8における中央の時間スロットに受信者により観測される。中央の時間スロットに観測された光子に関しては、従来技術同様に送信者の位相変調値と光子の検出ポートは100%の相関がある。残りの半数の状態
【0062】
【数15】
【0063】
の到着光子は図8における左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着するが、これらの光子に関しては送信者の位相変調値と光子の検出ポートは相関がないため、受信者はこのような到着光子の検出結果を無視し、捨てる。
【0064】
一方、状態
【0065】
【数16】
【0066】
の光子も図8における各時間スロットに観測されるが、これらの場合、逆に左右のサテライトの時間スロットに検出器に到着した光子の検出時間(左の時間スロットか右の時間スロットか)と送信者の位相変調値の間に100%の相関がある。このような光子は受信者の装置に到着した状態
【0067】
【数17】
【0068】
の光子のうちの半数に相当し、図8における中央のサテライトの時間スロットに検出器に到着した残りの半数の状態
【0069】
【数18】
【0070】
の到着光子は、送信者の位相変調値と光子の検出ポートは相関がないため、受信者はこのような到着光子の検出結果を無視し、捨てる。
【0071】
受信者は、光源1の光パルス送出周期に同期して、従来技術のように中央の時間スロットのみならず、左右のサテライトの時間スロットについても光子が検出されたか否か、どちらの出力ポートに検出されたかを記録する。
【0072】
正規受信者は送信者と量子通信終了後に公衆チャネルで打ち合わせを行うことにより、光子検出記録と送信者の位相変調値φAの記録をつきあわせる。送信者は送出した全ての光パルスについて、位相変調値φAそのものをさらさずに、φAが{0,π}、{π/2,3π/2}のどちらの組であったか、言い換えれば送信者が準備した状態は、
【0073】
【数19】
【0074】
のどちらの組に属していたかを晒す。受信者はφA={0,π}の場合はサテライトの時間スロットに検出された光子の記録を抽出し、φA={π/2,3π/2}の場合は中央の時間スロットに検出された光子の記録を抽出する。前者の記録に関しては検出時間スロットが左であったか右であったか、後者の記録に関しては検出ポートがD0であったかD1であったかが、送信者の位相変調値φAと相関しているので、位相変調値φAと時間スロット/検出ポートに適当にビット0/1を割り当てることにより、送信者と受信者との間でランダムなビット列から成る秘密鍵を共有することが可能になる。
【0075】
盗聴に対する安全性は、従来技術と変わりなくBB84プロトコルの安全性に依存している。
【0076】
本発明の装置においては、従来技術のように図8における中央の時間スロットに到着する光子だけが利用されるのではなく、従来技術では無条件に捨てられていた左右の時間スロットに到着した光子も利用される。従って、本発明の方法における到着光子の利用効率は従来技術の2倍となり、これはBB84プロトコルで可能な最大の効率に対応し、ロスをなくすことができる。
【0077】
また本発明による装置は、光子到着の時間スロットに関する光子検出情報を記録し、受信者側の装置には、より高度な光子検出および記録装置が必要となるが、従来技術のような位相変調器を要しない。従って、高価な位相変調器を用いる必要はなく、位相変調器による光学ロスを避けることができる。
【0078】
図3は本発明による第2の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【0079】
本実施形態は、第1の実施形態におけるマッハツェンダー型干渉スイッチ22と3dBカプラ26の挿入位置を入れ換えたものである。本実施形態の場合にも第1の実施形態と動作原理は変わり無く、全く同様に作用する。
【0080】
以下、本発明のより具体的な実施例について図面を参照して説明する。
【0081】
図4および図5は、図1に示した本発明による第1の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【0082】
本実施例における光源21、マッハツェンダー型干渉スイッチ22、長距離伝送路23、短距離伝送路24、光学的遅延路25、3dBカプラ26、アッテネーター27、量子通信チャネル28、3dBカプラ29、長距離伝送路30、短距離伝送路31、3dBカプラ32、単一光子検出器33および34のそれぞれは図1に示したものと同様であり、同じ番号を付して説明は省略する。
【0083】
本実施例におけるクロック信号生成装置51は、システムの繰り返し周波数であるクロックパルスを送信者のタイミング制御装置52および受信者のタイミング制御装置53に送出する。送信者が使用するタイミング制御装置52へのクロックパルス信号は、波長多重のような方式を用いて、量子通信チャネル28に多重化して伝送することができる。あるいは、原子時計のような高精度のクロック生成器を送信者側と受信者側で独立に持つことも原理的には可能である。
【0084】
タイミング制御器52は光源21から送出された光パルスがマッハツェンダー型干渉スイッチ22を通過する際に位相変調が施されるように、ランダムパルス発生器54および光源21に時間同期したタイミングパルスを供給する。ランダムパルス発生器54で発生した2ビットのランダムパルスを基に、マッハツェンダー型干渉スイッチ22は光源21から周期的に到着する各々の光パルスにφA=0、π/2、π、3π/2の4値からランダムに選んだ位相変調を与える。同時に2ビットのランダム数値データの時系列は送信者が使用するコンピュータ55に格納される。
【0085】
受信者のタイミング制御装置53は送信者および受信者との間の非対称マッハツェンダー干渉系の長距離伝送路と短距離伝送路の遅延時間に等しい時間間隔の3連パルスをクロック周波数の逆数の周期で生成する。この3連パルスは、単一光子波束の到着時刻に同期して、単一光子検出器33および34のゲート信号として与えられる。単一光子検出器33および34はゲート信号が与えられた時だけアクティブとなり、光子が到着すれば検出信号を出力する。その他の時間に光子が到着しても検出信号は出力されない。単一光子検出器33および34からの検出信号は記録装置56に入力され、記録装置56は検出信号がHighの場合には1、lowの場合には0と識別する。
【0086】
従って、単一光子検出器33および34からの検出信号は2ビットのビット時系列を構成する。記録装置56は同時に、タイミング制御装置53から3連パルスを単一光子検出器33および34からの検出信号と同期したゲート信号を入力する。3連パルスも同様に、Highの場合には1、lowの場合には0と識別する。これらのパルス信号入力をもとに、記録装置56は単一光子検出器33および34からの検出信号とゲート信号の論理和をとることにより、図4中に示される検出時間スロットごとの光子検出の有無のテーブルをクロックパルスに同期して生成する。この6ビットの情報から成るテーブル情報は、非同期に受信者のコンピュータ57に記録される。
【0087】
量子信号の伝送後、送信者と受信者は送信者のコンピュータ55に格納された、位相変調値φAに対応する2ビットのランダム数値データの時系列と、受信者のコンピュータ57に格納された、検出時間スロットごとの光子検出の有無のテーブルの時系列をもとに、先述したように、光子検出記録と送信者の位相変調値φAの記録をつきあわせる情報交換を行う。この情報交換には、クロック信号の伝送と同様、波長多重のような方式を用いて、量子通信チャネル28に多重化して伝送することができる。この情報交換から、送信者と受信者は最終鍵をつくる種となる生の鍵を抽出する。
【0088】
図5は、本発明の第1の実施例にて、送信者が使用するマッハツェンダー型干渉スイッチおよび非対称干渉系の構成を説明するための図である。
【0089】
送信者が使用するマッハツェンダー型干渉スイッチ22は、入力側に設けられる3dBカプラ61とリチウムナイオベートの電気光学効果を用いた光位相変調器62とから構成されている。非対称干渉系はマッハツェンダー型干渉スイッチ22の出力側に設けられる3dBカプラ63、長距離伝送路64、短距離伝送路65および10dBカプラ66により構成されている。
【0090】
長距離伝送路64および短距離伝送路65は、石英系プレーナ光波回路(PLC)技術により作製されており、これらの各導波路は偏光状態に依存することなく、かつ、偏光状態を保存する特性を有している。従って、干渉性を保持するために特別の偏光制御は不要である。また、長距離伝送路64および短距離伝送路65の光路長差はその温度を調節することにより制御可能である。図1中の光学的遅延路25は非対称干渉系が作り込まれたデバイスの動作温度を制御することにより実現されている。また、本実施例においては、石英導波路の光学ロスの非対称性を補正するため、10dBカプラ66が用いられている。
【0091】
図6は受信者側の非対称マッハツェンダー干渉系の一構成例を示した図であり、図5に示したデバイスの非対称干渉系だけからなるサブセットとなっている。
【0092】
なお、図4は本発明の第1の実施形態を基として構成された実施例として示したが、図3に示した第2の実施例についても全く同様に動作することができる。
【0093】
以上の実施例においては、干渉デバイスとして導波光学素子を用いた場合について説明したが、一般的な空間光学系を構成するミラーやレンズなどを用いたバルクの光学素子や光ファイバーを用いても構成することができ、このような構成としてもよい。
【0094】
本実施例の装置によると、受信サイトへの到着光子の利用効率は従来技術の2倍となる。これはBB84プロトコルで可能な最大の効率に対応することを意味し、ロスをなくすことができる。また本発明の装置においては、受信者の装置に従来必要とされていた位相変調器が不要となる。従って、高価な位相変調器を用いる必要はなく、位相変調器による光学ロスを避けることもできる。
【0095】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【0096】
本発明の量子暗号装置によれば、従来技術に比較すると2倍の光子利用効率を得ることができ、無条件に安全な共通暗号の秘密鍵の生成を、より効率よく、より安価に行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の要部構成を示す図である。
【図2】図1におけるマッハツェンダー型干渉スイッチを説明するための図である。
【図3】本発明による第2の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図4】図1に示した本発明による第1の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【図5】図1に示した本発明による第1の実施形態を基として構成された実施例のブロック図である。
【図6】受信者側の非対称マッハツェンダー干渉系の一構成例を示した図であり、図5に示したデバイスの非対称干渉系だけからなるサブセットとなっている。
【図7】従来技術を説明するための図である。
【図8】受信者の光子検出時間を説明するための図である。
【符号の説明】
1 光源
2 3dBカプラ
3 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
4 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
5 光学的遅延路
6 位相変調器
7 3dBカプラ
8 アッテネーター
9 量子通信チャネル
10 3dBカプラ
11 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する、長距離伝送路
12 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
13 光学遅延路
14 位相変調器
15 3dBカプラ
16 単一光子検出器
17 単一光子検出器
21 光源
22 マッハツェンダー型干渉スイッチ
23 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
24 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
25 1/4波長相当分の光学的遅延路
26 3dBカプラ
27 アッテネーター
28 量子通信チャネル
29 3dBカプラ
30 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する長距離伝送路
31 非対称マッハツェンダー干渉系を構成する短距離伝送路
32 3dBカプラ
33 単一光子検出器
34 単一光子検出器
41 3dBカプラ
42 3dBカプラ
43 位相変調器
51 クロック信号生成装置
52 タイミング制御装置
53 タイミング制御装置
54 ランダムパルス発生器
55 コンピュータ
56 記録装置
57 コンピュータ
61 3dBカプラ
62 光位相変調器
63 3dBカプラ
64 非対称干渉系の長距離伝送路
65 非対称干渉系の短距離伝送路
66 10dBカプラ
Claims (3)
- 2つの異なる時間空間的局在特性をもつ単一光子量子波束状態の重ね合わせにより表現される4非直交状態を用いる量子暗号鍵配付プロトコルに基づいて、正規送受信者間で秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布システムにおいて、
{0,π,π/2,3π/2}の4種の変調値を光子に与える位相変調器を内包する対称マッハツェンダー型干渉スイッチと、光カップラーと、異なる光学長を持つ導波路と、により構成された非対称マッハツェンダー干渉光学系、を含む送信器と、
非対称マッハツェンダー干渉光学系と、該非対称マッハツェンダー干渉光学の2つの出力ポートへの到着光子を検出する光子検出器と、到着光子の到着時間を記録する記録装置と、を含む受信器と、を具備し、
正規送信者は、0、π、π/2、3π/2のいずれかにより変調した光子を正規受信者に送信し、その後、正規受信者に対して位相変調値が、{0,π}、{π/2,3π/2}のいずれのセットに含まれるかという情報を公開通信路で公開し、
前記正規受信者は前記情報を基に、どの到着時間の光子で秘密鍵を構成するか、および前記位相変調値と相関し到着光子が検出された出力ポートを示す光子到着ポートデータまたは前記位相変調値と相関し到着光子の検出時間を示す光子到着時間データのいずれを用いて秘密鍵を構成するか、を決定することを特徴とする量子暗号鍵配布システム。 - 請求項1記載の量子暗号鍵配布システムにおいて、
対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光分岐カップラーの位置に設けられていることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。 - 請求項1記載の量子暗号鍵配布システムにおいて、
対称マッハツェンダー型干渉スイッチは、非対称マッハツェンダー干渉系の光合波カップラーの位置に設けられていることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
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