JP4584975B2 - Qkdに対する変調器自動較正方法 - Google Patents
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Description
QKDを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターの著作(非特許文献4参照)に記載されている。QKDプロセス中は、アリスは乱数発生器(RNG)を用いて、基底(「基底ビット」)のためのランダム・ビットとキー(「キービット」)のためのランダム・ビットとを発生させ、それによって、(例えば、偏光又は位相符号化を用いて)qubitを作り出してボブに送る。
この確率が50:50とは異なる限り、盗聴者にとって潜在的な利点がある。なぜなら、「正しくない」基底測定に伴う不確実性が低下するからである。この50:50確率分布からの変動は生じ得る。なぜなら、変調器基底電圧は「直交」ではない、すなわち、離散量(例えば、V[−π/4]からV[π/4]まで)による基底電圧の変化により、検出器は対応するπ/2の位相差を提供しないからである。
以下に詳述する通り、双方向型QKDシステムに適用された本発明の実施例の一例は、ボブの(タイミングを合わせた)変調器電圧VBを第1正数(例えば、VB(1)=VB[π/4])にセットし、次いで、パルスを交換しながらアリスの変調器電圧VAを正負の両方向に調整する。したがって、QKDシステムの通常動作と較正動作との違いは、変調器がランダムに変調されないということだけである。
図1は、双方向型QKDシステム100の概略図である。ボブは、光パルスP0を出射するレーザ12を備える。レーザ12は、時分割多重化/多重分離(M/D)光学系104に連結される。M/D光学系104は、レーザ12から入力パルスP0を受け取り、個々のパルスを、2つの、直交偏光を有する時分割多重化パルスP1,P2、に分割する。同様に、後のキー交換プロセス(後述)において、光学系104は、アリスから、戻ってくる時分割多重化パルスの組を受け取り、それらを結合し(干渉させ)、単一パルスとする。
ボブは、また、M/D光学系104に連結された2つの検出器32a,32bを備える。ボブは、さらに、レーザ12と、検出器32a,32bと、電圧制御器44と、RNGユニット46と、に機能的に(例えば電気的に)連結された制御器50を備える。
<動作の方法>
続いて図1を参照して、QKDシステム100の動作において、ボブの制御器20は、信号S0をレーザ12へ送信し、それに応じて、比較的強く短いレーザパルスP0を発生する。次いで、レーザパルスP0は、制御器50に操作可能に接続されるとともに制御される、オプションの可変光学的減衰器VOA13Bによって、減衰される。(減衰された)パルスP0は、M/D光学系104に到達し、M/D光学系104は、そのパルスを、2つの、直交偏光されたパルスP1,P2に分割する。パルスP1は、光ファイバリンクFLへ直接進み、一方、パルスP2は遅延されて、この時点では作動されていない変調器MBを通り抜ける。パルスP1,P2は、パルスP2がパルスP1に追従する状態で、M/D光学系104から光ファイバリンクFLへ通り、アリスへと進む。
パルスP1,P2は、アリスの変調器MAを通り、パルスの偏光を90°変化させるファラデーミラーFMで反射して離れる。これらパルスが変調器MAを通って戻ってくるとき、アリスは第1パルスP1を未変調で通過させるが、第2パルスP2の位相を変調する(つまり、位相シフトΦAを与える)。なお、ここで、アリスが、また、パルスP1を変調するよう選択しうることを述べておく必要があろう。パルスP1,P2は、後に、干渉するので、それぞれのパルスに与えられた位相が重要なのではなく、2つのパルス間の相対的な位相がむしろ重要なのである。
単一光子検出器32a,32bは、パルスP1,P2間の強めあう干渉(ΦA−ΦB=0)が検出器32aによって検出され、弱め合う干渉(ΦA−ΦB=π)が検出器32bによって検出されるように配置される。ボブがアリスと同じ基底位相を与えるとき、検出器32aにおけるカウントは二値で0を示し、検出器32bにおけるカウントは二値で1を示す。しかしながら、ボブの基底位相がアリスとは異なるとき、干渉パルスP1,P2の検出に相関性はなく、干渉信号は、検出器32a,32bのいずれでも同じ確率で検出される(つまり、干渉パルスは、50:50のチャンスでいずれの検出器にも検出される)。
<変調器タイミングセットアップ>
上記説明は、双方向型QKDシステムの理想化された動作に基づいている。しかしながら、実際には、このようなシステムは、自動的に理想的な状態で動作することはない。さらに、商業的に実現可能なシステムは、まず、理想的な状態であるいはそれに近い状態で動作するよう、セットアップされなければならず、次に、理想的あるいはそれに近い動作状態で継続的な動作を確実に行うよう、その動作状態の変化に対して補償可能でなければならない。以下に記述する自動較正方法では、QKDシステム100における変調器タイミングが同期信号SSを介して同期チャネルSLを通じて確立されたと想定している。
<変調器自動較正>
上述の通り、ドリフトが、システム動作の間に、QKDシステムの電子レイヤに生じる、また、生じる可能性がある。商業的に実行可能なQKDシステムにおいては、システムが連続的に動作できるように、ドリフトを補償する必要がある。したがって、変調器自動補償を行う方法を、次に、双方向型QKDシステム100に関連して説明する。なお、変調器を選択位相にセットするために用いられる電圧を、ここでは、「基底電圧」という。
検出器32aにおいて検出される、戻ってくる干渉パルスに対する最大の光子カウント、および検出器32bにおける最小の光子カウントとして、トータルのパルスに与えられた(相対的な)位相シフトφT=φA+φBが0(強めあう干渉)であることが観測されるまで、電圧VAはそのように変化する。この電圧が、本実施例においてVA(1)=VA[−π/4]である基底値に特定される。
404において、アリスからボブに戻るパルスP1,P2が、好ましくは、弱い(量子パルスである)ことは、述べておくに値する。しかしながら、ボブに配置された強いパルスを検出するのに適しているフォトダイオード検出器を組み合わせて用いる場合は、これらのパルスを強いパルスとすることも可能であろう。簡単化のためには、しかしながら、量子パルスが好ましい。検出器32a,32bが単一光子検出器であるからである。
する。しかし、変化するのは、正の電圧範囲においては、検出器32bにおける最大の光子カウントおよび検出器32aにおける最小の光子カウントによって示されるような、パルスに与えられたトータルの相対的な位相シフトは、π(弱め合う干渉)となるまでである。また、実際には、対応する基底電圧VA(2)=VA[3π/4]を確立するには、検出器32aにおける最小の光子カウントを測定する方がより容易である。次いで、この電圧は、電圧駆動器14にVA(2)=VA[3π/4]としてセットされ、上述の通り、その結果が制御器20に記憶される。
408において、ボブの変調器電圧VBは、制御信号SC1を通じて、残りの基底電圧、本実施例においてはVB(2)=VB[−π/4]、に変更される。VAを正の電圧範囲に変化させることによってVA(3)=VA[π/4]を確立し、そして、電圧を負の電圧範囲に変化させることによってVA(4)=VA[−3π/4]を確立するために、404,406が次いで繰り返される。これが達成されると、ボブの変調器MBおよびアリスの変調器MAの変調に必要なすべての(初期)基底電圧が確立され、そして、その情報はそれぞれの制御器に記憶される。
<継続的な変調器自動較正>
本発明の変調器自動較正方法の実施例の一例は、QKDシステムの通常動作の間も、正しくない基底測定から生じるそれぞれの検出器におけるカウントをモニタする。上述の通り、このカウント分布は、システム動作の際も、50:50となるはずである。QKDプロトコルを行なった後、このカウント分布からのズレを、診断ツールとして用いることができる。他のエラー源が排除されたとき、このパラメータを上記の自動較正プロセスを始めるトリガとして用いることができる。これにより、QKDシステムの変調器を継続的に、あるいは必要に応じて周期的に、較正することが可能になる。
以上、本特許出願は、2004年3月2日に出願された、米国仮特許出願第60/549,357号から、優先権を主張する。
Claims (13)
- 第1変調器(MB)を有する第1QKDステーション(ボブ)と、第2変調器(MA)を有する第2QKDステーション(アリス)と、を備える量子キー分配(QKD)システムを較正する方法であって、
a)前記QKDシステムを、前記第1変調器に対する第1変調器基底電圧値VB(1)で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第2変調器に対する第1基底電圧値VA(1)を確立するために、前記第2変調器に対する基底電圧VAを変化させ、
b)検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第2変調器に対する第2基底電圧値VA(2)を確立するために、前記第2変調器に対する前記基底電圧VAを変化させる間に、前記QKDシステムを前記第1変調器に対する第1変調器基底電圧値VB(1)で動作させ、
c)前記QKDシステムを前記第1変調器に対する第2変調器基底電圧値VB(2)で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第2変調器に対する第3基底電圧値VA(3)を確立するために、前記第2変調器に対する前記基底電圧VAを変化させ、
d)前記QKDシステムを前記第1変調器に対する第2変調器基底電圧値VB(2)で動作させるとともに、検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第2変調器に対する第4基底電圧値VA(4)を確立するために、前記第2変調器に対する前記基底電圧VAを変化させる、方法。 - e)前記QKDシステムを、前記2つの単一光子検出器それぞれの間で50:50の光子カウント確率をもたらすことが予想される、前記第1および第2変調器に対する基底電圧で動作させ、
f)前記光子カウント確率を、前記単一光子検出器を用いて測定し、
g)前記f)における測定された前記光子カウント確率が50:50でない場合、前記光子カウント確率が50:50になるまで、前記第1変調器に対する前記基底電圧値VB(1),VB(2)の少なくとも一方を変化させ、前記a)〜f)を繰り返す、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1QKDステーションに設けられた第1および第2単一光子検出器を用いて光子をカウントし、前記a)からd)の各動作中に前記第1および前記第2単一光子検出器のいずれかにおいて最小の光子数が検出される電圧値を、前記基底電圧V A (1),V A (2),V A (3),およびV A (4)のそれぞれに割り当てることにより、前記基底電圧V A (1),V A (2),V A (3),およびV A (4)を確立する、請求項1に記載の方法。
- 基底電圧VB,VAのそれぞれによって駆動される第1および第2変調器MB,MAをそれぞれ有する、互いに動作可能接続に接続された第1および第2QKDステーションであるボブおよびアリスを備える量子キー分配(QKD)システムを較正する方法であって、
a)基底電圧V B を第1の値V B (1)に固定するとともに、二つの単一光子検出器のいずれかにおいて最小あるいは最大いずれかの光子数が検出される電圧値をそれぞれ割り当てることによって、検出された量子パルスの強め合う干渉および弱め合う干渉をそれぞれもたらす基底電圧値VA(1),VA(2)を決定するために基底電圧VAを変化させながら、前記QKDステーション間で光子を交換し、
b)前記基底電圧V B を第2の値V B (2)に固定するとともに、前記二つの単一光子検出器のいずれかにおいて最小あるいは最大いずれかの光子数が検出される電圧値をそれぞれ割り当てることによって、検出された量子パルスの強め合う干渉および弱め合う干渉をそれぞれもたらす基底電圧値VA(3),VA(4)を決定するために前記基底電圧VAを変化させながら、前記QKDステーション間で光子を交換する、方法。 - c)前記QKDシステムを、VB(1),VB(2),VA(1),VA(2),VA(3),およびVA(4)以外の基底電圧値で動作させ、前記基底電圧値VB(1),VB(2),VA(1),VA(2),VA(3),およびVA(4)の直交性を評価するために、前記変調器MA,MBによって変調された光子間の強め合う干渉対弱め合う干渉を検出する確率分布を測定する、
請求項4に記載の方法。 - 50:50の前記確率分布をもたらす前記基底電圧VA,VBに対する値を確立するために、前記測定された確率分布が50:50と異なる場合に、電圧VBに対する1つ以上の異なる基底電圧値で前記a)〜c)を繰り返す、
請求項5に記載の方法。 - 前記QKDシステムを、前記基底電圧値VB(1),VB(2),VA(1),VA(2),VA(3),およびVA(4)で動作させる、
請求項4に記載の方法。 - 前記a)〜c)を実行するために、
i)前記変調器MB,MAそれぞれに動作可能に接続され、前記基底電圧を前記変調器MB,MAに付与する電圧制御器と、
ii)前記二つの単一光子検出器と、
に動作可能に接続された制御器を用いることを含む、
請求項5に記載の方法。 - 量子キー分配(QKD)システムにおける第1および第2変調器を較正する方法であって、
a)前記QKDシステムを、前記第1変調器に対する第1固定変調電圧値VB(1)で動作させるとともに、前記第2変調器の変調電圧V A を変化させて、検出された量子パルスの強め合う干渉および弱め合う干渉をそれぞれもたらす前記第2変調器に対する第1および第2基底電圧値VA(1),VA(2)を光子カウントの測定により確立し、
b)前記QKDシステムを、前記第1変調器に対する第2固定変調電圧値VB(2)で動作させるとともに、前記第2変調器の前記変調電圧V A を変化させて、検出された量子パルスの強め合う干渉および弱め合う干渉をそれぞれもたらす前記第2変調器に対する第3および第4基底電圧値VA(3),VA(4)を光子カウントの測定により確立する、
方法。 - 基底電圧値VA(1),VA(2),VA(3),およびVA(4)の直交性を測定する、請求項9に記載の方法。
- 前記測定において、前記基底電圧値が直交ではないことを示す場合、少なくとも1つの前記基底電圧を調整して前記基底電圧値を直交とする、請求項10に記載の方法。
- c)前記基底電圧を、強め合うおよび弱め合うよう干渉する光子間の、50:50の光子カウント確率分布をもたらすと予想される値にセットし、
d)前記光子カウント確率分布を測定し、
e)前記光子カウント確率分布が50:50とは異なる場合、50:50の光子カウント確率分布を得るために、第1変調器に対する少なくとも1つの前記基底電圧を調整し、前記a)〜d)を繰り返して、
基底電圧値の前記直交性を測定する、請求項10に記載の方法。 - 前記QKDシステムを、較正された基底電圧として前記基底電圧値VB(1),VB(2),VA(1),VA(2),VA(3),およびVA(4)で動作させる、請求項9に記載の方法。
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