JP4528929B2 - 暗号送信装置 - Google Patents

Description

この発明は暗号送信装置に関するものであり、さらに詳しくはＹ−００プロトコルＹｕｅｎ暗号通信システムにおける送信装置の改良に関するものである。

現代の主要な暗号は安全性の根拠を複雑性理論あるいは計算量に置いたものであり、数理科学と共に著しい発展を見せている。他方、通信過程において、その信号系の物理現象に関する物理学の原理を安全性の保証に使う暗号形式がある。これは物理暗号と呼ばれ、近年、開発が進んでいる量子暗号はこれに属するものである。

具体的な技術としての最初の量子暗号としては、１９８４年のＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄとによる秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）がある。これは完全に安全な暗号通信を実現する手段の一部である。

すなわちこの暗号通信実現手段は、完全に安全な暗号通信は平文より多い鍵数を用いるｏｎｅ ｔｉｍｅ ｐａｄ法でのみ可能であるという原理に沿ったものであり、ｏｎｅ ｔｉｍｅ ｐａｄ法に必要な大量の鍵の配送を量子通信を応用して実現しようとするものである。

最近、現存の光ネットワーク上で実用化が期待でき、かつＢＢ−８４鍵配送とｏｎｅ ｔｉｍｅ ｐａｄ法の組み合わせによる完全安全な暗号通信と同じ安全性を持つ共通鍵量子暗号が、開発された。

この共通鍵量子暗号では、Ｍ−ａｒｙ量子状態変調暗号方式という新しい枠組を応用するものである。そこでは、正規の送受信者間の光変復調装置はＭ個の量子信号基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信することにより、直接暗号通信を実施するものである。

ここで量子信号基底とは１と０の情報を送信するときに、その情報を送信する２個の量子状態信号対を言うものである。例えば０度と１８０度の位相のコヒーレント状態信号によって情報が送信されるとき、その２個の量子状態信号対が基底となる。

上記の着想に基づく暗号プロトコルは一般にＹｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（通常Ｙ−００プロトコルと略称される）と呼ばれている。このＹ−００プロトコルを具現化する最初の通信装置は、２００２年にＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ大学のＰ．ＫｕｍａｒやＨ．Ｙｕｅｎらと、２００３年に玉川大学グループにより、発表されている。

発表された方式では、効率を高めるために、偏光変調を伴う２モード・コヒーレント状態が用いられた。しかし以下においては単一モードによるＹ−００プロトコルの通信システムの基本原理について図３により説明する。

図３に示すＹ−００プロトコルの通信システムは通信路３０７により接続された送信装置と受信装置により構成されている。

この送信装置は、送信用擬似乱数発生器３０３と、その出力側に接続された基底選択制御器３０５と、送信データ発生器３０６と、入力側を送信データ発生器３０６と基底選択制御器３０５にかつ出力側を通信路３０７に接続されたＭ−ａｒｙ位相変調器３０２と、を有してなるものである。さらにＭ−ａｒｙ位相変調器３０２の入力側にはレーザーダイオードからなる搬送波発生器３０１が接続されている。

送信データ発生器３０６は１または０からなる送信データを発生する。

搬送波発生器３０１は搬送波器であって、２Ｍ値の位相変調可能なコヒーレント光をＭ−ａｒｙ位相変調器３０２に出力するものである。

初期鍵Ｋが入力されると擬似乱数発生器３０３は２進数擬似乱数列を形成しこれに基づくＲｕｎｎｉｎｇ鍵を出力する。

基底選択制御器３０５はこのＲｕｎｎｉｎｇ鍵の擬似乱数列をｌｏｇ₂Ｍビット毎にブロックして、そのブロックに対応する１０進数に変換してＲｕｎｎｉｎｇ鍵を基底情報として出力する。

Ｍ−ａｒｙ位相変調器３０２にはＲｕｎｎｉｎｇ鍵により示される選択された基底を用いて（つまり基底情報に基づいて）、送信データ発生器３０６から入力された送信データを変調して、搬送波発生器３０１からのコヒーレント光に乗せて通信路３０７を経て受信装置に伝送する。

通信路３０７は例えば光ファイバーなどから構成されている。

他方受信装置は、受信用擬似乱数発生器３０４と、その出力側に接続された基底選択制御器３１１と、入力側を基底選択制御器３１１に接続された位相平面基本軸制御器３１２とを有している。また入力側を通信路３０７と局発レーザーダイオード３０８に接続された合波器３０９はその出力側をフォトダイオード３１０を介して位相平面基本軸制御器３１２に接続されている。

擬似乱数発生器３０４および基底選択制御器３１１は送信装置側の擬似乱数発生器３０３および基底選択制御器３０５とその構成・機能が実質的に同一である。

位相平面基本軸制御器３１２は基底選択制御器３１１からの基底情報に基づいて、光ヘテロダイン受信された後の信号を位相平面の基底軸にしたがって１と０との判定を行って、受信データを出力する。

初期鍵を共有していない盗聴者はどの基底で信号が送られているかを知らないので、暗号を解読するには２Ｍ値の位相変調信号を全て識別する受信方法を採用しなければならない。

以上のシステムにおいては、通信システムは従来の光通信ではあるが、初期鍵を知らない盗聴者の受信方法が制限される。加えて受信データからは量子ゆらぎによって情報が得られない工夫がなされている。したがってこれらの理由からＹ−００プロトコルは完全な安全性を提供する暗号である。

ところで上記のシステムにおいて、基底の選択規則を実行する基底選択制御器は暗号の強さを決定する重要な構成要素である。

図４により基底選択制御器の動作を説明する。基底選択制御器ではレーザーダイオードの出力とＭ−ａｒｙ位相変調器で用意される位相信号を表わす信号位相空間の円周３６０度を２Ｍ分割した２Ｍ個の位相を図示のように２個のセットにして１個の基底とし、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵と順番に対応させる指令信号を作成する。この指令信号がＭ−ａｒｙ位相変調器に出力される。

情報ビットはＲｕｎｎｉｎｇ鍵で選択された基底を用いて、位相空間上の信号配置の順番に、かつ交互に１，０，１，０，…としてＭ−ａｒｙ位相変調器から送信される。
Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，"Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ"， ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｐ．１７５，（１９８４）． Ｇ．Ａ．Ｂａｒｂｏｓａ，Ｅ．Ｃｏｒｎｄｏｒｆ，Ｐ．Ｋｕｍａｒ，Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，"Ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ，" Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ−９０，２２７９０１，（２００３）． Ｈ．Ｐ．Ｙｕｅｎ，"Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ" Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ ａｒＸｉｖ． ｑｕａｎｔｕ−ｐｈ／０３１１０６１ ｖ５，（２００３） Ｏ．Ｈｉｒｏｔａ，Ｋ．Ｋａｔｏ，Ｍ．Ｓｏｈｍａ，Ｔ．Ｕｓｕｄａ，Ｋ．Ｈａｒａｓａｗａ，"Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔｒｅａｍ ｃｉｐｈｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ" ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ． ｖｏｌ−５５５１，（２００４）

従来の基底選択制御器とＭ−ａｒｙ位相変調器との連携動作では、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵の数値と基底の配置順序が図４に示すようにきれいに並んでいる。したがって盗聴者が識別する測定を実施したときに、基底の識別の誤りが主に隣接基底となると、対応するＲｕｎｎｉｎｇ鍵の数値に対する誤りが隣接の数値に対応することになる。故にその数値の２進数表現では２ビット程度の誤りにしかならない。すなわち盗聴者が推定アルゴリズムを実施するときの組合せ総数があまり大きくならない。

すなわち情報理論的安全ではあるが、偶然的解読可能性を排除することができない。偶然的解読可能性を完全に排除するためには、追加の手段を講じる必要があり、従来のシステムでは信号エネルギーを小さくしなければならないため、通信の性能が悪くなるという問題がある。

かかる従来技術の現状に鑑みてこの発明の目的は、通信の性能を劣化させることなしに、暗号の安全性を高めるＹｅｕｎ暗号送信装置を提供することにある。

このためこの発明の暗号送信装置は、情報伝送する搬送波を発生する搬送波発生器と初期鍵を持ち擬似乱数列を形成する送信用擬似乱数発生器と送信用擬似乱数発生器出力に基づく擬似乱数を変換したＲｕｎｎｉｎｇ鍵を信号伝送用の基底に不規則な順序に対応づける基底選択制御器と前記基底選択制御器によって選択された基底情報と送信データにしたがって、前記選択された基底を用いて送信データを変調して出力するＭ−ａｒｙ変調器とを有してなることを要旨とするものである。

より具体的にはこの発明の暗号送信装置は、送信用擬似乱数発生器と、その出力側に接続された基底選択制御器と、送信データ発生器と、入力側を送信データ発生器と基底選択制御器にかつ出力側を通信路に接続されたＭ−ａｒｙ変調器とを有してなり、基底選択制御器が入力側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器と出力側の変調信号対応指定機構とから構成されており、基底選択制御器がＲｕｎｎｉｎｇ鍵を信号伝送用の基底に不規則な順序で対応づけるか、あるいは擬似乱数の一部を用いて不規則に対応づけて、前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵で基底を選択し、該基底をＲｕｎｎｉｎｇ鍵と不規則に対応させる基底情報を作成し、該基底情報としての基底選択指令信号をＭ−ａｒｙ変調器に出力し、Ｍ−ａｒｙ変調器が基底情報と送信データにしたがって、選択された基底を用いて送信データを変調して通信路に出力するものである。

この発明においてはかかる構成により、位相変調方式や強度変調方式において、盗聴者の既知平文攻撃に対する安全性が著しく改善される。それによって完全な安全性が達成されるための基底数や信号強度の設計条件を緩和することができるので、装置への負担が極めて軽く、装置本来の機能を簡便に実施させることができる。

図１に示すのは位相変調方式に対して、この発明を装着した暗号送信装置の基本的実施例である。図中の搬送波発生器１０１、Ｍ−ａｒｙ位相変調器１０２、擬似乱数発生器１０３および送信データ発生器１０６はそれぞれ、図３に示す従来の暗号送信装置における搬送波発生器３０１、Ｍ−ａｒｙ位相変調器３０２、擬似乱数発生器３０３および送信データ発生器３０６とその構成・機能が実質的に同一である。

この発明の暗号送信装置における基底選択制御器１０５はＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０５１とその出力側に接続された変調信号対応指定機構１０５２とから構成されている。

Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器１０５１は擬似乱数ビット列を１０進数のＲｕｎｎｉｎｇ鍵に変換するものである。また変調信号対応指定機構１０５２はそのＲｕｎｎｉｎｇ鍵の数値を変調信号の配置に対応させるものである。

図２Ａにより基底選択制御器１０５の動作を説明する。基底選択制御器１０５においては、搬送波発生器１０１とＭ−ａｒｙ位相変調器１０２で用意される位相信号を表わす信号位相空間の円周３６０度を２Ｍで分割した２Ｍ個の位相を図示のように２個セットにして１個の基底とする。これをＲｕｎｎｉｎｇ鍵と不規則に対応させる指令信号を作成して基底情報（指令信号）としてＭ−ａｒｙ位相変調器１０２に出力する。

このとき隣接する基底には、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を２進数表現としたとき、互いのハミング距離（１と０の違いの総計）が大きくなるような基底を対応させる。それによって、盗聴者が基底の測定で隣接する基底間の誤りを発生したとき、ビット列としては多数のビットを誤ったことになる。

搬送波発生器１０１とＭ−ａｒｙ位相変調器１０２は基底選択制御器１０５からの基底情報（指令信号）に従って搬送波の位相軸を例えば（Δ、Δ+π）や（２Δ、２Δ＋π）などの基底で発信するように準備される。すると送信データに従って、図２Ｂに示すような関係で２値の位相偏移キーイング（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）が実施される。

以上のプロセスにより、送信装置からは多数の２値変調信号群のひとつが不規則に選ばれて送信されることになる。さらに図２Ａに示すように送信された信号の位相空間上での配置とＲｕｎｎｉｎｇ鍵の対応が不規則となる。かかる構成によれば、盗聴者が既知平文攻撃を行うとしても、装置の他のパラメータに過度な負担を掛けずにそれに対応できる完全な安全性を確保することが可能となる。

なお以上の実施例においては、基底選択制御器がＲｕｎｎｉｎｇ鍵を信号伝送用の基底に不規則な順序で対応づけて基底情報としての基底選択指令信号をＭ−ａｒｙ位相変調器に出力するようにした。

しかしこれに代えてこの発明の他の実施例では、基底選択制御器が擬似乱数の一部の系列にしたがってＲｕｎｎｉｎｇ鍵とは独立に不規則に対応づけて基底情報としての基底選択指令信号をＭ−ａｒｙ位相変調器に出力するように構成することもできる。

この発明の暗号送信装置は、理論的に完全な安全性を有するＹ−００プロトコルを実装する際に、装置に過度な性能を要求せずに、同じ完全な安全性を達成できる。したがって装置の製造が低コスト化され得るので、広範な通信サービスにおいて利用することができる。

この発明の暗号送信装置の基本的実施例の構成を示すブロック線図である。 この発明におけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵と基底の対応の一例を示す模型図である。 この発明により発生される信号群の一例を示す模型図である。 従来技術における単一モードによるＹ−００プロトコルの通信システムの基本的構成を示すブロック線図である。 従来技術におけるＲｕｎｎｉｎｇ鍵と基底の対応の一例を示す模型図である。

符号の説明

１０１ ： 搬送波発生器
１０２ ： Ｍ−ａｒｙ変調器
１０３ ： 擬似乱数発生器
１０５ ： 基底選択制御器
１０５１： Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成器
１０５２： 変調信号対応指定機構
１０６ ： 送信データ発生器
１０７ ： 通信路

Claims (4)

1. 情報伝送する搬送波を発生する搬送波発生器と、
   擬似乱数列を形成する送信用擬似乱数発生器と、
   前記送信用擬似乱数発生器出力に基づく前記擬似乱数を変換したＲｕｎｎｉｎｇ鍵を信号伝送用の基底に不規則な順序で対応づける基底選択制御器と、
   前記基底選択制御器によって選択された基底情報と送信データにしたがって信号値に変調し出力するＭ−ａｒｙ変調器とを有してなり、
   前記Ｍ−ａｒｙ変調器が前記基底選択制御器により選択された基底情報と前記送信データにしたがって、前記選択された基底を用いて前記送信データを変調して出力することを特徴とする暗号送信装置。
2. 前記不規則な順序に対応づける基底選択制御器に代えて前記擬似乱数の一部の系列にしたがって前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を前記信号伝送用の基底に不規則な対応づけをする基底選択制御器を有してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. Ｙ−００プロトコルＹｕｅｎ暗号通信システムにおいて、擬似乱数列を形成する送信用擬似乱数発生器（１０３）と、その出力側に接続された基底選択制御器（１０５）と、
   送信データ発生器（１０６）と、入力側を前記送信データ発生器と前記基底選択制御器（１０５）にかつ出力側を通信路（１０７）に接続されたＭ−ａｒｙ変調器（１０２）とを有してなる暗号送信装置であって、
   前記基底選択制御器が入力側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器（１０５１）と出力側の変調信号対応指定機構（１０５２）とから構成されており、
   前記基底選択制御器が前記送信用擬似乱数発生器出力に基づく前記擬似乱数を変換したＲｕｎｎｉｎｇ鍵を信号伝送用の基底に不規則な順序で対応づけて、前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵で基底を選択し、該基底をＲｕｎｎｉｎｇ鍵と不規則に対応させる基底情報を作成し、該基底情報としての基底選択指令信号を前記Ｍ−ａｒｙ変調器に出力し、前記Ｍ−ａｒｙ変調器が前記基底選択制御器により選択された基底情報と送信データにしたがって、前記選択された基底を用いて前記送信データを変調して通信路に出力することを特徴とする暗号送信装置。
4. Ｙ−００プロトコルＹｕｅｎ暗号通信システムにおいて、擬似乱数を発生させる送信用擬似乱数発生器（１０３）と、その出力側に接続された基底選択制御器（１０５）と、送信データ発生器（１０６）と、入力側を前記送信データ発生器と前記基底選択制御器（１０５）にかつ出力側を通信路（１０７）に接続されたＭ−ａｒｙ変調器（１０２）とを有してなる暗号送信装置であって、
   前記基底選択制御器が入力側のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成器（１０５１）と出力側の変調信号対応指定機構（１０５２）とから構成されており、
   前記基底選択制御器が前記擬似乱数の一部の系列にしたがって前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を前記信号伝送用の基底に不規則に対応づけて、前記Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵で基底を選択し、該基底をＲｕｎｎｉｎｇ鍵と不規則に対応させる基底情報を作成し、該基底情報としての基底選択指令信号を前記Ｍ−ａｒｙ変調器に出力し、前記Ｍ−ａｒｙ変調器が前記基底選択制御器により選択された基底情報と送信データにしたがって、前記選択された基底を用いて前記送信データを変調して通信路に出力することを特徴とする暗号送信装置。
   

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