JP4632203B2 - Quantum key generation system and quantum key generation method - Google Patents

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Description

本発明は、量子鍵配送システム及び量子鍵生成方法に関する。   The present invention relates to a quantum key distribution system and a quantum key generation method.

近年、量子力学の不確定性原理を利用することにより、物理的に安全性が保障された暗号通信を行うことの出来る量子暗号システムの研究が進められている。量子暗号は、離れた2者間で、情報通信を暗号化、複合化するための暗号鍵を共有するための仕組みで、量子鍵配送とも呼ばれ、これまでにさまざまな方法が提案されてきた(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, research on quantum cryptography systems that can perform cryptographic communication with physically secured security by utilizing the uncertainty principle of quantum mechanics has been underway. Quantum cryptography is a mechanism for sharing an encryption key for encrypting and decrypting information communication between two distant parties, also called quantum key distribution, and various methods have been proposed so far. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2004−187268号公報JP 2004-187268 A

しかしながら、従来の量子鍵配送は、2つのノード間における鍵配送を実現するものであった。そのため、3つ以上のノード間で共通の暗号鍵を共有するためには、2つ以上の量子暗号システムを組み合わせた複雑なシステムを構築する必要があるという問題があった。   However, the conventional quantum key distribution realizes key distribution between two nodes. Therefore, in order to share a common encryption key among three or more nodes, there is a problem that it is necessary to construct a complex system in which two or more quantum encryption systems are combined.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、3つ以上のノードのうちの2つ、3つ、または3つ以上のノード間で安全に共通の暗号鍵を共有するための量子鍵配信システム及び量子鍵生成方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to securely encrypt a common encryption among two, three, or three or more of three or more nodes. An object is to provide a quantum key distribution system and a quantum key generation method for sharing a key.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第1、第2、第3及び第4のノードとを備え、前記補助ノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第3の2分の1波長板と、前記第4のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第4の2分の1波長板と、前記第3の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第1の出力ポートと、前記第4の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第2の出力ポートとを備え、前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段を備え、前記第4のノードは、前記第2の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第4の偏波判別手段を備え、前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、前記補助ノードは、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1、第2、第3、及び第4のノードに送信する手段を備え、前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々は、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a quantum key generation for generating a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes. A first and second polarization entangled photon pair generating means for generating a photon pair in a quantum entangled state with respect to polarization, an auxiliary node, and first, second, third and fourth The auxiliary node includes a first input port for inputting one photon of the photon pair output from the first polarization entangled photon pair generating means, and the second polarization entangled photon. A second input port for inputting one photon of the photon pair output from the pair generating means, and one axial photon of the photon pair input from the first input port can be transmitted in the axial direction. A first half-wave plate and the second input Transmitting one of photons of the photon pair which is input from over preparative, organic and a second half-wave plate in a rotatable, first, second, third, and fourth ports axial A polarization beam splitter, which is input from one photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the first half-wave plate input from the first port and the second port. One photon of the pair of horizontally polarized photons transmitted through the second half-wave plate is branched and coupled to the third port, and the first 2 input from the first port. One photon of the horizontally polarized photon pair transmitted through the half-wave plate and the vertically polarized photon pair transmitted through the second half-wave plate input from the second port A polarization beam splitter for branching and coupling one photon to the fourth port, and the third port A third half-wave plate that can rotate in the axial direction and transmits one photon of the photon pair output from the fourth port, and one photon of the photon pair output from the fourth port. A first half-wave plate capable of rotating in the axial direction, a first output port that outputs one photon of the pair of photons transmitted through the third half-wave plate, and And a second output port that outputs one photon of the photon pair that has passed through the fourth half-wave plate, and the first node is connected to the first polarization entangled photon pair generating means. The other photon of the photon pair is input, the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave One of the measurements to be discriminated is selected at random, and the bias of the other photon in the input photon pair is selected. First polarization discriminating means for discriminating a wave, and the second node inputs the other photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generating means, and for the photon, Either the measurement for discriminating whether it is longitudinal polarization or transverse polarization and the measurement for discriminating whether it is +45 degree polarization or -45 degree polarization are selected at random and input 2nd polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the photon pair is provided, and the third node inputs one photon of the photon pair output from the first output port. Randomly select one of the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and the measurement to determine whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave. And determining the polarization of one photon of the input photon pair Polarization determining means is provided, and the fourth node inputs one photon of the photon pair output from the second output port, and the photon is either longitudinally polarized or transversely polarized. One of a measurement for discriminating whether or not +45 degree polarization or -45 degree polarization is selected at random, and the polarization of one photon of the input photon pair is selected. A fourth polarization discriminating unit for discriminating, and each of the first, second, third and fourth nodes is selected at the time when the polarization discriminating unit of the own node receives the photon. The measurement type and the polarization of the determined photon is recorded, and the time and the measurement type selected at the time are transmitted to the auxiliary node and all nodes other than the self, The auxiliary nodes are the first, second, third, and The time at which two or more of the fourth nodes simultaneously receive photons and the angle of the crystal axes of the first, second, third, and fourth half-wave plates at the time are Means for transmitting to the first, second, third and fourth nodes, each of the first, second, third and fourth nodes comprising the first, second, third, And at least two of the fourth nodes simultaneously detect photons, and the polarization discrimination type used for the detection of the photons, the first, second, third and fourth 2 Means for allocating and storing a predetermined bit to the detected photon when the combination of angles of crystal axes of the half-wave plate is coincident; The encryption key is shared with the detected node .

請求項2に記載の発明は、前記量子鍵生成システムは、前記補助ノードと、前記第3または第4のノードとが一体であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that in the quantum key generation system, the auxiliary node and the third or fourth node are integrated.

請求項3に記載の発明は、ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、第1、第2及び第3のノードとを備え、前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と、前記第4のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段とを備え、前記第1、第2、及び第3のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、前記第3のノードは、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1及び第2のノードに送信する手段を備え、前記第1、第2、及び第3のノードの各々は、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is a quantum key generation system that generates a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes, and is in a quantum entangled state with respect to polarization. First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a pair of photons and first, second and third nodes, wherein the first node is the first polarization entangled photon One photon of the photon pair from the pair generating means is input, a measurement for determining whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarized wave or −45 degree polarized wave A first polarization discriminating unit that randomly selects one of the measurements for discriminating between the two photons and discriminates the polarization of one photon of the input photon pair; and the second node includes: It said light from said second polarization entangled photon pair generating means Measurement that inputs one photon of a pair and determines whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave And a second polarization discriminating unit that discriminates the polarization of one photon of the input photon pair, and the third node includes the first polarization. A first input port for inputting the other photon of the photon pair output from the entangled photon pair generating means, and a first input port for inputting the other photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means. Two input ports, an axially rotatable first half-wave plate that transmits the other photon of the photon pair input from the first input port, and the second input port and it transmits the other photon of the photon pair which is input from the axial And the rolling possible second half-wave plate, the first, second, third, and a polarization beam splitter that have a fourth port, said first input from said first port The second photon of the vertically polarized photon pair transmitted through the half-wave plate and the horizontally polarized photon transmitted through the second half-wave plate input from the second port. Branching and coupling the other photon of the pair to the third port, and passing through the first half-wave plate inputted from the first port, the other photon of the horizontally polarized photon pair and A polarization beam splitter for branching and coupling the other photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the second half-wave plate inputted from the second port to the fourth port; Photon detection means for detecting the other photon of the photon pair output from the third port; The other photon of the photon pair output from the fourth port is input, the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarized wave or −45 one of the measurement to determine whether it is in degrees polarization randomly select, and a third polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the photon pair which is input, wherein the Each of the first, second, and third nodes records the time at which the polarization discriminating unit of the node receives the photon, the type of measurement selected at the time, and the discriminated polarization of the photon, Means for transmitting the time and the type of measurement selected at the time to all nodes other than the auxiliary node and the self, wherein the third node comprises the first, second and third Two or more of the nodes receive photons simultaneously And a means for transmitting the first and second nodes to the first and second half-wave plate angles at the time and the first and second half-wave plates at the time, the first, second and third Each of the first, second, and third nodes has photons detected simultaneously by two or more of the first, second, and third nodes, and the polarization discrimination type used to detect the photons, and the first Means for allocating and storing predetermined bits to the detected photons when the combination of crystal axis angles of the first and second half-wave plates coincides; The bit is used as an encryption key shared with a node that simultaneously detects photons .

請求項4に記載の発明は、ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第1、第2、第3及び第4のノードとを備え、前記補助ノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第3の2分の1波長板と、前記第4のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第4の2分の1波長板と、前記第3の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第1の出力ポートと、前記第4の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第2の出力ポートとを備え、前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段を備え、前記第4のノードは、前記第2の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第4の偏波判別手段とを備え、前記方法は、前記補助ノード、前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、0度,0度,0度,及び0度、22.5度,22.5度,22.5度,及び22.5度の一方に、または0度,0度,0度,及び0度、−22.5度,−22.5度,−22.5度,及び−22.5度の一方に設定するステップと、前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々、前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全てノードに送信するステップと、前記補助ノード、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1、第2、第3、及び第4のノードに送信するステップと、前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップとを含むことを特徴とする。 The invention according to claim 4 is a quantum key generation method for generating a quantum key which is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes , wherein the quantum key is in a quantum entangled state with respect to polarization. First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a pair of photons, an auxiliary node, and first, second, third and fourth nodes, wherein the auxiliary node includes the first and second nodes. A first input port for inputting one photon of the photon pair output from the polarization entangled photon pair generating means, and one photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means. An input second input port; an axially rotatable first half-wave plate that transmits one photon of the pair of photons input from the first input port; and the second One photon of the photon pair input from the input port is transmitted through. Let a second half wave plate that can be rotated axially, first, second, a polarization beam splitter that have the third and fourth ports, the input from the first port Horizontally transmitted through one photon of the vertically polarized photon pair transmitted through the first half-wave plate and the second half-wave plate input from the second port. One photon of the polarized photon pair is branched and coupled to the third port, and the horizontally polarized photon pair transmitted through the first half-wave plate input from the first port Polarized light for branching and coupling one photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the second half-wave plate input from the second port and the second port to the fourth port Transmits one photon of the photon pair output from the beam splitter and the third port. A third half-wave plate capable of rotating in the axial direction and a fourth half-portable in the axial direction that transmits one photon of the photon pair output from the fourth port. A first output port that outputs one photon of the photon pair that has passed through the third half-wave plate, and the fourth wave plate that has passed through the fourth half-wave plate. A second output port for outputting one photon of the photon pair, and the first node inputs the other photon of the photon pair from the first polarization entangled photon pair generating means , and Select either the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and the measurement to determine whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave. A first polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the photon pair, wherein the second node is: , A measurement of inputting the other photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generating means and determining whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degrees Second polarization discriminating means is provided for selecting either of the measurements for discriminating between the polarization and the -45 degree polarization and discriminating the polarization of the other photon of the inputted photon pair. The third node receives one photon of the photon pair output from the first output port, and determines whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized. And a third polarization discrimination that discriminates the polarization of one photon of the input photon pair by selecting one of the measurements for discriminating whether the polarization is +45 degree polarization or -45 degree polarization. And the fourth node is output from the second output port. One photon of a pair of photons is input, measurement for determining whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave And a fourth polarization discriminating means for discriminating the polarization of one photon of the inputted photon pair, wherein the auxiliary node has the first, The angles of the crystal axes of the second, third, and fourth half-wave plates are randomly 0 °, 0 °, 0 °, and 0 °, 22.5 °, 22 for each unit time. .0 degrees, 0 degrees, 0 degrees, and 0 degrees, -22.5 degrees, -22.5 degrees, -22.5 degrees, one of .5 degrees, 22.5 degrees, and 22.5 degrees and a step of setting one of -22.5 degrees, said first, second, each of the third and fourth nodes, randomly for each of the unit time The vertical polarization or measured to determine whether it is a horizontally polarized wave, and select one of the measurement to determine whether it is of the + 45 ° polarization or -45 degrees polarized input light record the step of determining the polarization of the child, the time that has received photon in the step of determining the polarization of the photon, the type of selected measurement in the time, and the polarization of the discriminated said photons, the time, and transmitting the type of selected measurement at the time to all the nodes other than the auxiliary node and self, the auxiliary node, said first, second, third, and fourth node Of the first, second, third, and fourth half-wave plates at the time at which two or more of the nodes simultaneously receive photons, and the first, second, Sent to the second, third, and fourth nodes And each of the first, second, third, and fourth nodes causes photons to be simultaneously emitted by two or more of the first, second, third, and fourth nodes. The polarization discrimination type detected and used for detecting the photon coincides with the combination of the crystal axis angles of the first, second, third and fourth half-wave plates. A predetermined bit is allocated to the detected photon and stored, and the allocated predetermined bit is used as an encryption key shared with a node that simultaneously detects the photon. To do.

請求項5に記載の発明は、ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、第1、第2及び第3のノードとを備え、前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と前記第4のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段とを備え、前記方法は、前記第3のノード、前記第1、及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、0度,22.5度の一方に、または0度,−22.5度の一方に設定するステップと、前記第1、第2、及び第3のノードの各々、前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を自己以外の全てノードに送信するステップと、前記第3のノード、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1及び第2のノードに送信するステップと、前記第1、第2、及び第3のノードの各々、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、及び第3の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップとを含むことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is a quantum key generation method for generating a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes , wherein the quantum key is in a quantum entangled state with respect to polarization. First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a pair of photons and first, second and third nodes, wherein the first node is the first polarization entangled photon One photon of the photon pair from the pair generating means is input, a measurement for determining whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarized wave or −45 degree polarized wave A first polarization discriminating unit that selects one of the measurements for discriminating between the two photons and discriminates the polarization of one photon of the input photon pair, and the second node includes the first node 2 of one of the light of the photon pairs from the polarization entangled photon pair generating means And select either measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized, and measurement to determine whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave And second polarization discriminating means for discriminating the polarization of one photon of the input photon pair, and the third node outputs from the first polarization entangled photon pair generating means A first input port for inputting the other photon of the photon pair generated, a second input port for inputting the other photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means, An axially rotatable first half-wave plate that transmits the other photon of the photon pair input from the first input port, and the photon pair input from the second input port and it transmits the other photon, 1 of the second-half rotatable axial And elongated plate, first, second, third, and a polarization beam splitter that have a fourth port, passed through the first said inputted from the port of the first half wave plate of The other photon of the horizontally polarized photon pair that has passed through the other half photon of the vertically polarized photon pair and the second half-wave plate input from the second port is the third photon. Branched and coupled to a port, and the other photon of the horizontally polarized photon pair that has passed through the first half-wave plate input from the first port and the input from the second port A polarization beam splitter for branching and coupling the other photon of the vertically polarized photon pair transmitted through the second half-wave plate to the fourth port, and the photon output from the third port The photon detection means for detecting the other photon of the pair and the fourth port output The other photon of the photon pair is input, the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave one of the measurement to determine selected at random, and a third polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the photon pair which is input, the method, the third node The angles of the crystal axes of the first and second half-wave plates are randomly set to one of 0 degrees and 22.5 degrees, or 0 degrees and -22.5 degrees, every unit time. The step of setting to one of the following, and a measurement for determining whether each of the first, second, and third nodes is the longitudinally polarized wave or the transversely polarized wave at random for each unit time, And any one of the measurements for determining whether the polarization is +45 degree polarization or -45 degree polarization. And-option, the step of determining the polarization of the input photon, time of receiving photons in the step of determining the polarization of the optical element, the type of selected measurement in the time, and discriminated the photon the polarization recording, and transmitting the time, and the type of measurement selected in the time to all the nodes other than the self, the third node, said first, second, and third two or more nodes the first and second half of the first and second node the angle of the crystal axis of the wave plate at the time and the time of receiving photons simultaneously of the three nodes Transmitting , each of the first, second, and third nodes detecting photons simultaneously by two or more of the first, second, and third nodes, and Polarization discrimination used for photon detection And another, the first, if the combination of the angle of the crystal axis of the second and third half-wave plate of matches, stores assigning a predetermined bit in the detected photon And using the assigned predetermined bit as an encryption key shared with a node that simultaneously detects photons .

以上説明したように、本発明によれば、3つ以上のノードのうちの2つ、3つ、または3つ以上のノード間で安全に共通の暗号鍵を共有するための量子鍵配信システム及び量子鍵生成方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a quantum key distribution system for securely sharing a common encryption key between two, three, or three or more of three or more nodes, and A quantum key generation method can be provided.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
(第1の実施形態)
図1に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第1の実施形態を示す。量子鍵配信システム100は、シグナル光子とアイドラ光子とからなる光子対をそれぞれ出力する偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102と、偏波もつれ光源101から出力されたアイドラ光子が入力されるノード111と、偏波もつれ光源102から出力されたアイドラ光子が入力されるノード112と、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が、補助ノード130を介して入力されるノード113及び114とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a quantum key distribution system according to the present invention. The quantum key distribution system 100 includes a polarization entangled light source 101 and a polarization entangled light source 102 that respectively output a photon pair composed of a signal photon and an idler photon, and a node to which an idler photon output from the polarization entangled light source 101 is input. 111, the node 112 to which the idler photon output from the polarization entangled light source 102 is input, the signal photon output from the polarization entangled light source 101 and the signal photon output from the polarization entangled light source 102 are the auxiliary node 130. Nodes 113 and 114 input via.

偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102は式(1)に示す量子状態を持つ偏波もつれ光子対を発生する。   The polarization entangled light source 101 and the polarization entangled light source 102 generate a polarization entangled photon pair having the quantum state shown in the equation (1).

Figure 0004632203
Figure 0004632203

ここで、|V〉は縦偏波、|H〉は横偏波の量子状態を示し、添え字s及びiはシグナル及びアイドラ光子を表す。 Here, | V> indicates the vertically polarized quantum state, | H> indicates the laterally polarized quantum state, and the subscripts s and i indicate the signal and idler photon.

補助ノード130は、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート131と、偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート132と、入力ポート131から入力されたシグナル光子の偏波を回転させる2分の1波長板(half wave plate:HWP)151と、入力ポート132から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP152と、ポート161,162,163,164を有し、ポート161から入力されたHWP151を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート162から入力されたHWP152を透過した水平偏波のシグナル光子をポート163へ分岐結合させ、ポート161から入力されたHWP151を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート162から入力されたHWP152を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート164へ分岐結合させる偏波ビームスプリッタ(Polarization beam splitter:PBS)160と、PBS160のポート163から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP153と、PBS160のポート164から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP154と、HWP153を透過したシグナル光子が出力される出力ポート141と、HWP154を透過したシグナル光子が出力される出力ポート142とを備える。出力ポート141及び出力ポート142から出力されたシグナル光子はそれぞれノード113及び114へ入力される。   The auxiliary node 130 has an input port 131 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 101 is input, an input port 132 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 102 is input, and an input from the input port 131. A half wave plate (HWP) 151 that rotates the polarization of the signal photons, a HWP 152 that rotates the polarization of the signal photons input from the input port 132, and ports 161, 162, and 163. 164, the vertically polarized signal light transmitted through the HWP 151 input from the port 161 and the horizontally polarized signal photon transmitted through the HWP 152 from the port 162 are branched and coupled to the port 163. Horizontally polarized signal photons transmitted through the input HWP 151 and input from the port 162 Polarization beam splitter (PBS) 160 for branching and coupling vertically polarized signal photons transmitted through the HWP 152 to the port 164, and HWP 153 for rotating the polarization of the signal photons output from the port 163 of the PBS 160 An HWP 154 that rotates the polarization of the signal photons output from the port 164 of the PBS 160, an output port 141 that outputs the signal photons that have passed through the HWP 153, and an output port 142 that outputs the signal photons that have passed through the HWP 154. Is provided. Signal photons output from the output port 141 and the output port 142 are input to the nodes 113 and 114, respectively.

HWP151,152,153,及び154はそれぞれ、HWPの結晶軸を単位時間毎に、垂直方向(から0度),及び垂直方向から+22.5度のいずれかに回転させる機構を備える。すなわち、HWPの結晶軸を垂直方向から0度にした場合、HWPを透過する光子の偏波がπだけ回転する。HWPの結晶軸を垂直方向から22.5度回転した場合、HWPを透過する光子の偏波が45度だけ回転する。HWP151,152,153,及び154の結晶軸の角度の組み合わせは、(0度,0度,0度,0度)及び(22.5度,22.5度,22.5度,22.5度)のいずれか一方が単位時間毎にランダムに選択される。   Each of the HWPs 151, 152, 153, and 154 includes a mechanism that rotates the crystal axis of the HWP in either the vertical direction (from 0 degree) or +22.5 degrees from the vertical direction every unit time. That is, when the crystal axis of the HWP is set to 0 degrees from the vertical direction, the polarization of the photon transmitted through the HWP rotates by π. When the crystal axis of the HWP is rotated 22.5 degrees from the vertical direction, the polarization of the photon transmitted through the HWP rotates by 45 degrees. The combinations of angles of crystal axes of HWP 151, 152, 153, and 154 are (0 degree, 0 degree, 0 degree, 0 degree) and (22.5 degree, 22.5 degree, 22.5 degree, 22.5 degree). Is selected at random for each unit time.

ノード1乃至4の各々は、入力された光子に対し、垂直(V)または水平(H)偏波のどちらであるかを判別する測定(以下、{V,H}測定と呼ぶ)と、+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定(以下、{+45,−45}測定と呼ぶ)とのいずれか一方を、単位時間毎にランダムに選択して光子の偏波の判別を行う偏波判別機能を持つ光子検出手段121,122,123,124を備えている。   Each of the nodes 1 to 4 has a measurement (hereinafter referred to as {V, H} measurement) for determining whether the input photon is vertical (V) or horizontal (H) polarized wave, and +45 Is selected at random for each unit time to measure whether the polarization is a positive polarization or -45 degree polarization (hereinafter referred to as {+45, -45} measurement). Photon detection means 121, 122, 123, 124 having a polarization discrimination function for discriminating between

次に上記の構成における量子鍵配信システム100の動作を説明する。
偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子は、補助ノード130の入力ポート131を介してHWP151へ入力される。同様に、偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子は、補助ノード130の入力ポート132を介してHWP152へ入力される。
Next, the operation of the quantum key distribution system 100 having the above configuration will be described.
The signal photon output from the polarization entangled light source 101 is input to the HWP 151 via the input port 131 of the auxiliary node 130. Similarly, the signal photon output from the polarization entangled light source 102 is input to the HWP 152 via the input port 132 of the auxiliary node 130.

HWP151及びHWP152はそれぞれ、HWPの結晶軸を単位時間毎にランダムに、垂直方向から0度及び垂直方向から+22.5度のいずれかに回転させられ、透過するシグナル光子の偏波をそれぞれ180度(πrad)または45度(π/4rad)回転させる。   The HWP 151 and the HWP 152 each rotate the crystal axis of the HWP randomly at 0 ° from the vertical direction and + 22.5 ° from the vertical direction at every unit time, and the polarization of the transmitted signal photon is 180 degrees. Rotate (π rad) or 45 degrees (π / 4 rad).

ポート161を介してPBS160へ入力された水平偏波(偏波0radまたはπrad)のシグナル光子、及びポート162を介してPBS160へ入力された垂直偏波(偏波π/2radまたは−π/2rad)のシグナル光子はポート163へ分岐結合され、ポート161を介してPBS160へ入力された垂直偏波のシグナル光子及びポート162を介してPBS160へ入力された水平偏波のシグナル光子はポート164へ分岐結合される。   Horizontally polarized wave (polarized wave 0 rad or π rad) signal photon input to PBS 160 via port 161 and vertical polarization wave (polarized wave π / 2 rad or −π / 2 rad) input to PBS 160 via port 162. Are coupled to the port 163, and the vertically polarized signal photons input to the PBS 160 via the port 161 and the horizontally polarized signal photons input to the PBS 160 via the port 162 are branched and coupled to the port 164. Is done.

HWP153及びHWP154はそれぞれ、HWPの結晶軸を単位時間毎にランダムに、垂直方向から0度及び垂直方向から22.5度のいずれかに回転させられ、透過するシグナル光子の偏波をそれぞれ0度または45度(π/4rad)回転させる。上記のとおり、HWP151及びHWP152の結晶軸の角度が0度の場合、HWP153及びHWP154の結晶軸の角度も0度に設定され、HWP151及びHWP152の結晶軸の角度が22.5度の場合、HWP153及びHWP154の結晶軸の角度は22.5度に設定される。HWP153及びHWP154を透過したシグナル光子はそれぞれ、出力ポート141及び出力ポート142を介してノード113及びノード114へ入力される。   The HWP 153 and the HWP 154 are each rotated at 0 degree from the vertical direction and 22.5 degrees from the vertical direction at random, and the polarization of the transmitted signal photon is 0 degree respectively. Or rotate 45 degrees (π / 4 rad). As described above, when the angle of the crystal axes of HWP 151 and HWP 152 is 0 degrees, the angle of the crystal axes of HWP 153 and HWP 154 is also set to 0 degrees, and when the angle of the crystal axes of HWP 151 and HWP 152 is 22.5 degrees, HWP 153 The angle of the crystal axis of HWP154 is set to 22.5 degrees. Signal photons transmitted through the HWP 153 and the HWP 154 are input to the node 113 and the node 114 via the output port 141 and the output port 142, respectively.

各ノードが備える光子検出手段121,122,123,124は、{V,H}測定及び{+45,−45}測定のいずれか一方を単位時間毎にランダムに選択して、入力された光子の偏波の判別を行う。光子検出手段121及び光子検出手段122はそれぞれ、偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102からのアイドラ光子の偏波を判別する。光子検出手段123及び光子検出手段124はそれぞれ、補助ノードの出力ポート141及び出力ポート142からのシグナル光子の偏波を判別する。   The photon detection means 121, 122, 123, 124 provided in each node randomly selects one of {V, H} measurement and {+45, −45} measurement for each unit time, and inputs photons Determine the polarization. The photon detection means 121 and the photon detection means 122 discriminate the polarization of idler photons from the polarization entangled light source 101 and the polarization entangled light source 102, respectively. The photon detection means 123 and the photon detection means 124 respectively determine the polarization of the signal photons from the output port 141 and the output port 142 of the auxiliary node.

偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102を合わせた(4光子の)全体の状態を|Φ〉とすると、式(2)のように表される。   When the entire state (of 4 photons) including the polarization entangled light source 101 and the polarization entangled light source 102 is represented by | Φ>, it can be expressed as Expression (2).

Figure 0004632203
Figure 0004632203

なお、添え字s1及びi1は偏波もつれ光源101からのシグナル及びアイドラ光子を表し、添え字s2及びi2は偏波もつれ光源102からのシグナル及びアイドラ光子を表す。また、式(2)においては、正規化係数を省略している。 The subscripts s1 and i1 represent the signal and idler photon from the polarization entangled light source 101, and the subscripts s2 and i2 represent the signal and idler photon from the polarization entangled light source 102. Further, in Equation (2), the normalization coefficient is omitted.

ここで、偏波もつれ光源101からの縦偏波のアイドラ光子がノード111へ入力される場合、|V〉i1は|V〉に変換され、偏波もつれ光源101からの縦偏波のシグナル光子がノード113へ入力される場合、|V〉s1は|V〉に変換され、偏波もつれ光源101からの横偏波のアイドラ光子がノード111へ入力される場合、|H〉i1は|H〉に変換され、偏波もつれ光源101からの横偏波のアイドラ光子がノード114へ入力される場合、|H〉s1は|H〉に変換されるものとする。同様に、偏波もつれ光源102からの縦偏波のアイドラ光子がノード112へ入力される場合、|V〉i2は|V〉に変換され、偏波もつれ光源102からの縦偏波のアイドラ光子がノード114へ入力される場合、|V〉s2は|V〉に変換され、偏波もつれ光源102からの横偏波のアイドラ光子がノード112へ入力される場合、|H〉i2は|H〉に変換され、偏波もつれ光源102からの縦偏波のアイドラ光子がノード113へ入力される場合、|H〉s2は|V〉に変換されるものとする。 Here, when a longitudinally polarized idler photon from the polarization entangled light source 101 is input to the node 111, | V> i1 is converted to | V> 1 , and a longitudinally polarized signal from the polarization entangled light source 101 is obtained. When a photon is input to node 113, | V> s1 is converted to | V> 3 , and when a horizontally polarized idler photon from polarization entangled light source 101 is input to node 111, | H> i1 is When | H> 1 is converted and the horizontally polarized idler photon from the polarization entangled light source 101 is input to the node 114, | H> s1 is converted to | H> 4 . Similarly, when the longitudinally polarized idler photon from the polarization entangled light source 102 is input to the node 112, | V> i2 is converted to | V> 2 , and the longitudinally polarized idler from the polarization entangled light source 102 is converted. When a photon is input to node 114, | V> s2 is converted to | V> 4 , and when a horizontally polarized idler photon from polarization entangled light source 102 is input to node 112, | H> i2 is It is assumed that | H> s2 is converted to | V> 3 when | H> 2 and longitudinally polarized idler photons from the polarization entangled light source 102 are input to the node 113.

これらの変換を用いると、式(2)は、式(3)に書き直すことができる。なお、式(3)においては、正規化係数を省略している。   Using these transformations, equation (2) can be rewritten into equation (3). Note that in Equation (3), the normalization coefficient is omitted.

Figure 0004632203
Figure 0004632203

ここで、補助ノード130においてすべてのHWP(151,152,153,154)の結晶軸が垂直方向に対して0度に設定され、すべてのノードの光子検出手段(121,122,123,124)において{V,H}測定が行われる場合を考える。このとき、HWP151,152に入力された光子は、V偏波はV偏波のまま、H偏波はH偏波のまま出力される。この状況で、ノード111乃至114において同時に光子の受信が観測されたとする。このとき、ノード113で検出された光子は、(1)偏波もつれ光源101からのV偏波光子、(2)偏波もつれ光源102からのH偏波光子のいずれかである。もし(1)であった場合、偏波もつれ光子対の性質により、ノード111で受信されるのは偏波もつれ光源101からのV偏波光子であり、ノード112及びノード114で観測されるのは、偏波もつれ光源102からのV偏波光子であることになる。一方、もし(2)であった場合、ノード112で受信されるのは偏波もつれ光源102からのH偏波光子であり、ノード111及びノード114で観測されるのは偏波もつれ光源101からのH偏波光子である。   Here, in the auxiliary node 130, the crystal axes of all the HWPs (151, 152, 153, 154) are set to 0 degrees with respect to the vertical direction, and the photon detection means (121, 122, 123, 124) of all the nodes Let us consider a case where {V, H} measurement is performed in FIG. At this time, the photons input to the HWPs 151 and 152 are output with the V polarized wave remaining as the V polarized wave and the H polarized wave remaining as the H polarized wave. In this situation, it is assumed that reception of photons is simultaneously observed in the nodes 111 to 114. At this time, the photon detected at the node 113 is either (1) a V-polarized photon from the polarization entangled light source 101 or (2) an H-polarized photon from the polarization entangled light source 102. If (1), due to the nature of the polarization entangled photon pair, the node 111 receives the V polarization photon from the polarization entangled light source 101 and is observed at the node 112 and the node 114. Are V-polarized photons from the polarization entangled light source 102. On the other hand, if (2), the node 112 receives the H polarization photon from the polarization entangled light source 102 and the nodes 111 and 114 observe the polarization entangled light source 101. H-polarized photons.

式(3)の第3項はノード114へ光子が入力されない場合を、式(3)の第4項はノード113へ光子が入力されない場合を表すので、以上を総合すると、系全体の状態は以下の式(4)ように表される。   The third term of Equation (3) represents the case where no photon is input to the node 114, and the fourth term of Equation (3) represents the case where no photon is input to the node 113. It is expressed as the following formula (4).

Figure 0004632203
Figure 0004632203

ここで、添え字1乃至4はノード111乃至114において観測される量子状態であることを表す。 Here, subscripts 1 to 4 represent quantum states observed at the nodes 111 to 114.

次に、補助ノード130において、HWP151及びHWP152が入力された光子の偏波を+45度回転させるように設定され、HWP153及びHWP4が入力された光子の偏波を+45度回転させるように設定され、かつ、すべてのノードの光子検出手段において{+45,−45}測定が行われる場合を考える。この状況で、ノード111乃至114において同時に光子の受信が観測されたとする。このとき検出された光子は、(1)偏波もつれ光源101からの+45度偏波光子、(2)偏波もつれ光源102からの−45度偏波光子のいずれかである。もし(1)であった場合、偏波もつれ光子対の性質より、ノード111で受信されるのは偏波もつれ光源101からの+45度偏波光子であり、ノード102及びノード104で観測されるのは、偏波もつれ光源102からの+45度偏波光子であることになる。一方、もし(2)であった場合、ノード112で受信されるのは偏波もつれ光源102からの−45度偏波光子であり、ノード111及びノード114で観測されるのは偏波もつれ光源101からの−45度偏波光子である。   Next, in the auxiliary node 130, the HWP 151 and the HWP 152 are set to rotate the polarization of the input photon by +45 degrees, and the HWP 153 and the HWP 4 are set to rotate the polarization of the input photon by +45 degrees. Consider a case where {+45, −45} measurement is performed in the photon detection means of all nodes. In this situation, it is assumed that reception of photons is simultaneously observed in the nodes 111 to 114. The photons detected at this time are either (1) a +45 degree polarized photon from the polarization entangled light source 101 or (2) a −45 degree polarized photon from the polarization entangled light source 102. If (1), due to the nature of the polarization entangled photon pair, the node 111 receives +45 degree polarization photons from the polarization entangled light source 101 and is observed at the nodes 102 and 104. Is a +45 degree polarized photon from the polarization entangled light source 102. On the other hand, in the case of (2), the node 112 receives the -45 degree polarized photon from the polarization entangled light source 102, and the nodes 111 and 114 observe the polarization entangled light source. -45 degree polarized photons from 101.

ここで、HWP151及びHWP152へ入力された|H〉は|+45〉に変換され、|V〉は|−45〉に変換されるものとし、また、HWP153及びHWP154へ入力された|H〉は|−45〉に変換され、|V〉は|+45〉に変換されるものとする。また、|+45〉は|V〉+|H〉、|−45〉は−|V〉+|H〉と表すものとする。   Here, | H> input to HWP 151 and HWP 152 is converted to | +45>, | V> is converted to | −45>, and | H> input to HWP 153 and HWP 154 is | -45>, and | V> is converted to | +45>. Also, | +45> is represented as | V> + | H>, and | −45> is represented as − | V> + | H>.

上記変換に従えば、ノード113及びノード114へ入力される光子の状態は、|V〉s1は−|−45〉+|+45〉に変換され、|H〉s1は|−45〉+|+45〉に変換され、|V〉s2は−|−45〉+|+45〉に変換され、|H〉s2は|−45〉+|+45〉に変換される。また、|V〉i1は|+45〉−|−45〉と、|H〉i1は|+45〉+|−45〉と、|V〉i2は|+45〉−|−45〉と、|H〉i2は|+45〉+|−45〉と表される。
|−45〉s2に変換され、更に|−45〉s2は|+45〉+|−45〉と、−|V〉s1+|H〉s1と表すことができる。
According to the above conversion, the state of photons input to the node 113 and the node 114 is converted from | V> s1 to − | −45> 3 + | +45> 4 and | H> s1 is | −45> 3. + | +45> are converted to 4, | V> s2 is - | is converted +45> to 3, | | -45> 4 + H> s2 is | is converted into +45> 3 | -45> 4 +. In addition, | V> i1 is | +45> 1 − | −45> 1 and | H> i1 is | +45> 1 + | −45> 1 and | V> i2 is | +45> 2 − | −45>. 2 and | H> i2 is represented as | +45> 2 + | −45> 2 .
| −45> s2 and | −45> s2 can be expressed as | +45> 3 + | −45> 4 and − | V> s1 + | H> s1 .

これらを用いると式(2)は、式(5)のように書き換えることができる。なお、式(5)においては、正規化係数を省略している。   Using these, equation (2) can be rewritten as equation (5). Note that in Equation (5), the normalization coefficient is omitted.

Figure 0004632203
Figure 0004632203

式(5)の第3項はノード113へ光子が入力されない場合を、式(5)の第4項はノード114へ光子が入力されない場合を表すので、以上を総合すると、系全体の状態は式(6)のように表される。   The third term of Equation (5) represents the case where no photon is input to the node 113, and the fourth term of Equation (5) represents the case where no photon is input to the node 114. It is expressed as equation (6).

Figure 0004632203
Figure 0004632203

ここで、|+45〉は+45度偏波の光子の量子状態を、|−45〉は−45度偏波の光子 の量子状態を表す。 Here, | +45> represents the quantum state of a +45 degree polarized photon, and | −45> represents the quantum state of a −45 degree polarized photon.

このように、補助ノード130の各HWPの角度設定と、各ノードの偏波判別法が一致した場合、各ノードの測定結果には式(4),(6)で表される相関がある。すなわち、例えば補助ノード130の各HWPの結晶軸が0度に設定され、すべてのノード111乃至114において{V,H}測定が行われている場合、ノード111乃至114の測定結果はすべてVまたはすべてHとなる。また、例えば補助ノード130の各HWPの結晶軸が0度に設定され、ノード111とノード112において{V,H}測定が行われ、ノード113及びノード114において{+45,−45}測定が行われた場合、ノード111とノード112の測定結果には相関があり、ノード113とノード114の測定結果には相関はない。これらの性質を利用して、以下の手順にしたがって、各ノード間で暗号鍵を生成することが出来る。   As described above, when the angle setting of each HWP of the auxiliary node 130 matches the polarization discrimination method of each node, the measurement result of each node has a correlation represented by the equations (4) and (6). That is, for example, when the crystal axis of each HWP of the auxiliary node 130 is set to 0 degree and {V, H} measurement is performed at all the nodes 111 to 114, the measurement results of the nodes 111 to 114 are all V or All become H. Further, for example, the crystal axes of each HWP of the auxiliary node 130 are set to 0 degree, {V, H} measurement is performed at the nodes 111 and 112, and {+45, −45} measurement is performed at the nodes 113 and 114. In this case, the measurement results of the nodes 111 and 112 have a correlation, and the measurement results of the nodes 113 and 114 have no correlation. Using these properties, an encryption key can be generated between nodes according to the following procedure.

1.補助ノード130は、ある単位時間毎に、HWP151,152,153,及び154の結晶軸の角度の組み合わせを(0度,0度,0度,0度)及び(22.5度,22.5度,22.5度,22.5度)のいずれか一方からランダムに選択し、選択した角度に設定する。   1. The auxiliary node 130 sets the angle combinations of the crystal axes of the HWPs 151, 152, 153, and 154 to (0 degrees, 0 degrees, 0 degrees, 0 degrees) and (22.5 degrees, 22.5) every certain unit time. (Degrees, 22.5 degrees, 22.5 degrees) is selected at random and set to the selected angle.

2.各ノード(111,112,113,114)は、{V,H}測定及び{+45,−45}測定のいずれか一方を上記単位時間毎にランダムに選択して、入力される光子の偏波の判別を行う。また、各ノードは光子を受信(測定)した時刻及び測定した光子の偏波をデータとして記録しておく。   2. Each node (111, 112, 113, 114) selects one of {V, H} measurement and {+45, −45} measurement at random for each unit time, and the polarization of the input photon. To determine. Each node records the time when the photon is received (measured) and the measured polarization of the photon as data.

3.各ノードは、光子を受信した時刻及びその時刻において用いた測定の種別を補助ノード130及びすべてのノードに公開する。   3. Each node publishes to the auxiliary node 130 and all nodes the time at which the photon was received and the type of measurement used at that time.

4.補助ノードは、2個以上のノードが同時に光子を受信した時刻及びその時刻における各HWPの結晶軸の角度をすべてのノードに公開する。尚、上記3.及び4.における公開は既知の通信手段を用いて実施することができる。   4). The auxiliary node exposes to all nodes the time at which two or more nodes received photons simultaneously and the angle of the crystal axis of each HWP at that time. The above 3. And 4. Publication in can be performed using known communication means.

5.各ノードは、2個以上のノードが同時に光子を検出し、かつ用いた偏波判別種別と、補助ノードの各HWPの結晶軸の角度の組み合わせが一致している場合のデータのみを残し、他のデータを捨てる。すなわち、各ノードは、上記2.において記録したデータのうち、光子の受信時刻と補助ノードによって公開された時刻が一致しないデータを削除する。さらに、各ノードは、各時刻において、(1)補助ノードのHWP151乃至HWP154の結晶軸の角度が0度に設定され、かつ光子検出手段によって{V,H}測定が選択された場合、(2)補助ノードのHWP151乃至HWP154の結晶軸の角度が45度に設定され、かつ光子検出手段によって{+45,−45}測定が選択された場合のデータを残して他のデータを削除する。   5. Each node leaves only data when two or more nodes detect photons at the same time, and the combination of the polarization discrimination type used and the angle of the crystal axis of each HWP of the auxiliary node is the same. Discard the data. That is, each node has the above 2. The data whose photon reception time does not coincide with the time disclosed by the auxiliary node is deleted from the data recorded in (1). Further, at each time, each node has (1) when the angle of the crystal axes of the auxiliary nodes HWP 151 to HWP 154 is set to 0 degree and {V, H} measurement is selected by the photon detection means (2 ) Delete the other data except the data when the angle of the crystal axes of the auxiliary nodes HWP151 to HWP154 is set to 45 degrees and {+45, −45} measurement is selected by the photon detection means.

6.各ノードは、残ったデータを用いて鍵を生成する。例えば、{V,H}測定を用いて測定したV偏波に“0”ビット、H偏波に“1”ビット、{+45,−45}測定を用いて測定した+45度偏波に“0”ビット、−45度偏波に“1”ビットを割り当てる。   6). Each node generates a key using the remaining data. For example, “0” bit for V polarization measured using {V, H} measurement, “1” bit for H polarization, and “0” for +45 degree polarization measured using {+45, −45} measurement. "1" bit is assigned to "bit, -45 degree polarization".

図2は、上記2.において各ノードが記録したデータと、上記3.において公開するデータの一部を示す。例えば、ノード111は、記録したデータのうち、時刻t,t乃至t及び時刻t,t乃至tにおける測定種別を、補助ノード及びすべてのノードに公開することを示す。 FIG. And the data recorded by each node in the above 3. A part of the data to be disclosed in. For example, the node 111 indicates that, among the recorded data, the measurement types at times t 0 and t 2 to t 8 and times t 0 and t 2 to t 8 are disclosed to the auxiliary node and all nodes.

図3は、上記4.において補助ノード130が各ノードに公開する時刻及びその時刻における各HWPの結晶軸の角度を示す。例えば、補助ノードは、時刻t,t乃至t,t,及びt、並びに時刻t,t,t,t,tにおける各HWPの結晶軸の角度を各ノードに公開することを示す。 FIG. 5 shows the time when the auxiliary node 130 opens to each node and the angle of the crystal axis of each HWP at that time. For example, the auxiliary node determines the angle of the crystal axis of each HWP at times t 0 , t 2 to t 5 , t 7 , and t 8 , and at times t 0 , t 3 , t 5 , t 7 , and t 8 . Indicates that it will be made public.

図4は、上記5.及び6.において各ノードに残されるデータ及びそのデータに割り当てられるビットを示す。ノード111は時刻t,t,及びtに測定した光子に割り当てたビット“101”を、ノード112,ノード113,及びノード114との間で共有する暗号鍵とする。また、ノード112は、時刻tに測定した光子に割り当てたビット“0”をノード114との間で共有する暗号鍵とする。 FIG. And 6. Shows the data remaining in each node and the bits allocated to the data. The node 111 uses the bit “101” assigned to the photons measured at times t 0 , t 7 , and t 8 as an encryption key shared among the nodes 112, 113, and 114. The node 112 uses the bit “0” assigned to the photon measured at time t 3 as an encryption key shared with the node 114.

上記により、ノード1〜4の間の任意の2ノード、3ノード、及び全てのノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。   As described above, it is possible to share different encryption keys between any two nodes, three nodes, and all nodes between the nodes 1 to 4.

なお、本実施形態では、HWP151,152,153,及び154の結晶軸の角度の組み合わせが、(0度,0度,0度,0度)及び(22.5度,22.5度,22.5度,22.5度)から選択される場合を説明したが、(0度,0度,0度,0度)及び(−22.5度,−22.5度,−22.5度,−22.5度)から選択されるようにしても良い。   In the present embodiment, the combinations of angles of crystal axes of HWP 151, 152, 153, and 154 are (0 degrees, 0 degrees, 0 degrees, 0 degrees) and (22.5 degrees, 22.5 degrees, 22 .5 degrees, 22.5 degrees) is selected, but (0 degrees, 0 degrees, 0 degrees, 0 degrees) and (-22.5 degrees, -22.5 degrees, -22.5) are described. Degree, -22.5 degrees).

(第2の実施形態)
図5に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第2の実施形態を示す。本実施形態の量子鍵配信システム200は、第1の実施形態における補助ノード130とノード113とを一体としたノード213を備える点で第1の実施形態の量子鍵配信システム100と異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a second embodiment of the quantum key distribution system according to the present invention. The quantum key distribution system 200 of this embodiment is different from the quantum key distribution system 100 of the first embodiment in that it includes a node 213 in which the auxiliary node 130 and the node 113 in the first embodiment are integrated.

量子鍵配信システム200は、偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102と、偏波もつれ光源101から出力されたアイドラ光子が入力されるノード111と、偏波もつれ光源102から出力されたアイドラ光子が入力されるノード112と、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が、補助ノード130を介して入力されるノード213と、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が、ノード213を介して入力される114とを備える。   The quantum key distribution system 200 includes a polarization entangled light source 101 and a polarization entangled light source 102, a node 111 to which an idler photon output from the polarization entangled light source 101 is input, and an idler photon output from the polarization entangled light source 102. , The node 112 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 101 and the signal photon output from the polarization entangled light source 102 are input via the auxiliary node 130, and the polarization entangled light source The signal photon output from 101 and the signal photon output from the polarization entangled light source 102 are input via the node 213.

ノード213は、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート131と、偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート132と、入力ポート131から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP151と、入力ポート132から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP152と、ポート161,162,163,164を有し、ポート161から入力されたHWP151を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート162から入力されたHWP152を透過した水平偏波のシグナル光子をポート163へ分岐結合させ、ポート161から入力されたHWP151を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート162から入力されたHWP152を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート164へ分岐結合させるPBS160と、PBS160のポート163から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP153と、PBS160のポート164から出力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP154と、HWP153を透過したシグナル光子が入力される光子検出手段123と、HWP154を透過したシグナル光子が出力される出力ポート142とを備える。出力ポート142から出力されたシグナル光子は114へ入力される。   The node 213 is input from the input port 131 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 101 is input, the input port 132 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 102 is input, and the input port 131. HWP 151 that rotates the polarization of the signal photon, HWP 152 that rotates the polarization of the signal photon input from the input port 132, and ports 161, 162, 163, and 164, and the HWP 151 that is input from the port 161. The vertically polarized signal light and the horizontally polarized signal photon transmitted through the HWP 152 input from the port 162 are branched and coupled to the port 163, and the horizontally polarized signal photon transmitted through the HWP 151 input from the port 161 and Vertical transmission through HWP 152 input from port 162 PBS 160 for branching and coupling wave signal photons to port 164, HWP 153 for rotating the polarization of signal photons output from port 163 of PBS 160, and HWP 154 for rotating the polarization of signal photons output from port 164 of PBS 160 And a photon detection means 123 to which signal photons transmitted through the HWP 153 are input, and an output port 142 from which signal photons transmitted through the HWP 154 are output. The signal photon output from the output port 142 is input to 114.

ノード213は、各HWPの結晶軸を単位時間毎にランダムに、0度,及び22.5度のいずれか、または0度,及び−22.5度のいずれかに設定する。またノード213は、{V,H}測定及び{+45,−45}測定のいずれかを選択し、自らに割り当てられた光子を受信する。これにより、第1の実施形態の1.乃至6.の手順と同様の手順で、ノード111,ノード112,ノード114,及びノード213の任意の2ノード、3ノード、及び全てのノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。ただし、ノード213が含まれる組み合わせが圧倒的に多くなる。   The node 213 randomly sets the crystal axis of each HWP to either 0 degree and 22.5 degrees, or to 0 degree and -22.5 degrees every unit time. The node 213 selects either the {V, H} measurement or the {+45, −45} measurement, and receives the photons assigned to the node 213. Thereby, 1. of the first embodiment. To 6. It is possible to share different encryption keys among any two nodes, three nodes, and all of the nodes 111, 112, 114, and 213 by the same procedure as the above. However, the combination including the node 213 is overwhelmingly large.

(第3実施形態)
図6に、本発明にかかる量子鍵配信システムの第3の実施形態を示す。本実施形態の量子鍵配信システム300は、3つのノードのうちの2つまたは3つのノード間で共通の暗号鍵を共有するものである。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a third embodiment of the quantum key distribution system according to the present invention. The quantum key distribution system 300 according to the present embodiment shares a common encryption key between two or three of the three nodes.

量子鍵配信システム300は、偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102と、偏波もつれ光源101から出力されたアイドラ光子が入力されるノード111と、偏波もつれ光源102から出力されたアイドラ光子が入力されるノード112と、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子及び偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が入力されるノード313とを備える。   The quantum key distribution system 300 includes a polarization entangled light source 101 and a polarization entangled light source 102, a node 111 to which an idler photon output from the polarization entangled light source 101 is input, and an idler photon output from the polarization entangled light source 102. And a node 313 to which a signal photon output from the polarization entangled light source 101 and a signal photon output from the polarization entangled light source 102 are input.

ノード313は、偏波もつれ光源101から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート131と、偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子が入力される入力ポート132と、入力ポート131から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP151と、入力ポート132から入力されたシグナル光子の偏波を回転させるHWP152と、ポート161,162,163,164を有し、ポート161から入力されたHWP151を透過した垂直偏波のシグナル光及びポート162から入力されたHWP152を透過した水平偏波のシグナル光子をポート163へ分岐結合させ、ポート161から入力されたHWP151を透過した水平偏波のシグナル光子及びポート162から入力されたHWP152を透過した垂直偏波のシグナル光子をポート164へ分岐結合させるPBS160と、PBS160のポート163から出力されたシグナル光子が入力される光子検出器323と、PBS160のポート164から出力されたシグナル光子が入力される光子検出手段124とを備える。   The node 313 is input from the input port 131 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 101 is input, the input port 132 to which the signal photon output from the polarization entangled light source 102 is input, and the input port 131. HWP 151 that rotates the polarization of the signal photon, HWP 152 that rotates the polarization of the signal photon input from the input port 132, and ports 161, 162, 163, and 164, and the HWP 151 that is input from the port 161. The vertically polarized signal light and the horizontally polarized signal photon transmitted through the HWP 152 input from the port 162 are branched and coupled to the port 163, and the horizontally polarized signal photon transmitted through the HWP 151 input from the port 161 and Vertical transmission through HWP 152 input from port 162 PBS 160 for branching and coupling wave signal photons to port 164, photon detector 323 to which signal photons output from port 163 of PBS 160 are input, and photon detection to which signal photons output from port 164 of PBS 160 are input Means 124.

偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102は上記式(1)に示す偏波もつれ光子対を出力する。偏波もつれ光源101からのアイドラ光子はノード111へ、偏波もつれ光源102からのアイドラ光子はノード112へ入力される。偏波もつれ光源101及び偏波もつれ光源102から出力されたシグナル光子は、ノード313へ、入力ポート131及び132からそれぞれ入力される。   The polarization entangled light source 101 and the polarization entangled light source 102 output the polarization entangled photon pair shown in the above equation (1). The idler photon from the polarization entangled light source 101 is input to the node 111, and the idler photon from the polarization entangled light source 102 is input to the node 112. Signal photons output from the polarization entangled light source 101 and the polarization entangled light source 102 are input to the node 313 from the input ports 131 and 132, respectively.

ノード313の入力ポート131からのシグナル光子は、HPW151を透過した後、PBS160のポート161から入力される。同様に、入力ポート132からのシグナル光子は、HWP122を透過した後、PBS160のポート162から入力される。PBS160のポート163から出力された光子は、光子検出器323により検出される。PBS160のポート164から出力された光子は、偏波判別機能を持つ光子検出手段124により検出される。一方ノード111及びノード2に入力された光子は、それぞれ偏波判別機能を持つ光子検出手段121及び光子検出手段122により検出される。   Signal photons from the input port 131 of the node 313 are input from the port 161 of the PBS 160 after passing through the HPW 151. Similarly, signal photons from the input port 132 are input from the port 162 of the PBS 160 after passing through the HWP 122. Photons output from the port 163 of the PBS 160 are detected by the photon detector 323. Photons output from the port 164 of the PBS 160 are detected by the photon detection means 124 having a polarization discrimination function. On the other hand, the photons input to the node 111 and the node 2 are detected by the photon detection means 121 and the photon detection means 122 having a polarization discrimination function, respectively.

上記の構成においては、第1の実施形態の場合と同様に、ノード3におけるHWPの角度及び偏波判別法と、他のノードにおける偏波判別法の組み合わせが一致した場合にのみ各ノードの結果に相関が生じる。これにより、以下の手順にしたがって各ノード間で暗号鍵を生成することが出来る。   In the above configuration, as in the case of the first embodiment, the result of each node is obtained only when the combination of the HWP angle and polarization discrimination method at the node 3 matches the polarization discrimination method at the other nodes. Correlation occurs. Thereby, an encryption key can be generated between the nodes according to the following procedure.

1.ノード313は、ある単位時間毎に、HWP151及びHWP152の結晶軸の角度の組み合わせを(0度,0度)及び(22.5度,22.5度)のいずれか一方からランダムに選択し、選択した角度に設定する。   1. The node 313 randomly selects a combination of angles of crystal axes of the HWP 151 and the HWP 152 from one of (0 degree, 0 degree) and (22.5 degree, 22.5 degree) every certain unit time, Set to the selected angle.

2.各ノードは、(111,112,313)は、{V,H}測定及び{+45,−45}測定のいずれか一方を上記単位時間毎にランダムに選択して、入力される光子の偏波の判別を行う。また、各ノードは光子を受信(測定)した時刻及び測定した光子の偏波をデータとして記録しておく。   2. For each node, (111, 112, 313) is a random selection of one of {V, H} measurement and {+45, −45} measurement for each unit time, and polarization of input photons. To determine. Each node records the time when the photon is received (measured) and the measured polarization of the photon as data.

3.各ノードは、光子を受信した時刻及びその時刻において用いた測定の種別をすべてのノードに公開する。   3. Each node discloses the time when the photon is received and the type of measurement used at that time to all nodes.

4.ノード313は、2個以上のノードが同時に光子を受信した時刻及びその時刻における各HWPの結晶軸の角度をすべてのノードに公開する。   4). The node 313 discloses the time at which two or more nodes simultaneously receive photons and the angle of the crystal axis of each HWP at that time to all nodes.

5.各ノードは、2個以上のノードが同時に光子を検出し、かつ用いた偏波判別種別と、ノード313の各HWP角度の組み合わせが一致している場合のデータのみを残し、他のデータを捨てる。すなわち、各ノードは、上記2.において記録したデータのうち、光子の受信時刻とノード313によって公開された時刻が一致しないデータを削除する。さらに、各ノードは、各時刻において、(1)ノード313のHWP151及びHWP152の結晶軸の角度が0度に設定され、かつ光子検出手段によって{V,H}測定が選択された場合、(2)ノード313のHWP151及びHWP152の結晶軸の角度が45度に設定され、かつ光子検出手段によって{+45,−45}測定が選択された場合のデータを残して他のデータを削除する。   5. For each node, two or more nodes detect photons at the same time, and leave only the data when the combination of the polarization discrimination type used and each HWP angle of the node 313 matches, and discard other data. . That is, each node has the above 2. In the data recorded in the step 1, data whose photon reception time does not match the time disclosed by the node 313 is deleted. Further, at each time, each node (1) When the angle of the crystal axes of the HWP 151 and HWP 152 of the node 313 is set to 0 degree and {V, H} measurement is selected by the photon detection means, (2 ) The crystal axis angle of the HWP 151 and the HWP 152 at the node 313 is set to 45 degrees and {+45, −45} measurement is selected by the photon detection means, leaving other data and deleting other data.

6.各ノードは、残ったデータを用いて鍵を生成する。例えば、{V,H}測定を用いて測定したV偏波に“0”ビット、H偏波に“1”ビット、{+45,−45}測定を用いて測定した+45度偏波に“0”ビット、−45度偏波に“1”ビットを割り当てる。   6). Each node generates a key using the remaining data. For example, “0” bit for V polarization measured using {V, H} measurement, “1” bit for H polarization, and “0” for +45 degree polarization measured using {+45, −45} measurement. "1" bit is assigned to "bit, -45 degree polarization".

上記により、ノード111、ノード112、及びノード313の間の任意の2ノード及び3ノード間で異なる暗号鍵を共有することが可能となる。   As described above, it is possible to share different encryption keys between any two nodes and three nodes among the nodes 111, 112, and 313.

なお、本実施形態では、HWP151及びHWP152の結晶軸の角度の組み合わせが、(0度,0度)及び(22.5度,22.5度)から選択される場合を説明したが、(0度,0度)及び(−22.5度,−22.5度)から選択されるようにしても良い。   In the present embodiment, the case where the combination of the crystal axis angles of the HWP 151 and the HWP 152 is selected from (0 degrees, 0 degrees) and (22.5 degrees, 22.5 degrees) has been described. (Degrees, 0 degrees) and (-22.5 degrees, -22.5 degrees) may be selected.

本発明の第1の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the quantum key distribution system concerning the 1st Embodiment of this invention. 各ノードが記録したデータと、公開するデータの一部を示す図である。It is a figure which shows a part of the data which each node recorded, and the data disclosed. 補助ノードが各ノードに公開する時刻及びその時刻における各HWPの結晶軸の角度を示す図である。It is a figure which shows the angle which the auxiliary node discloses to each node, and the angle of the crystal axis of each HWP at that time. 各ノードに残されるデータ及びそのデータに割り当てられるビットを示す図である。It is a figure which shows the data remaining at each node, and the bit allocated to the data. 本発明の第2の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the quantum key distribution system concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかる量子鍵配信システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the quantum key distribution system concerning the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100,200,300 量子鍵配信システム
101,102 偏波もつれ光源
111,112,113 ,114,213,313 ノード
121,122,123,124 偏波判別機能付き光検出器
130 補助ノード
131,132 入力ポート
133,134 出力ポート
151,152,153,154 2分の1波長板(HWP)
160 偏波ビームスプリッタ(PBS)
161,162,163,164 ポート
323 光子検出器
100, 200, 300 Quantum key distribution system 101, 102 Polarized light source 111, 112, 113, 114, 213, 313 Node 121, 122, 123, 124 Photodetector with polarization discrimination function 130 Auxiliary node 131, 132 Input Port 133, 134 Output port 151, 152, 153, 154 Half-wave plate (HWP)
160 Polarized beam splitter (PBS)
161, 162, 163, 164 port 323 photon detector

Claims (5)

ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、
補助ノードと、
第1、第2、第3及び第4のノードとを備え、
前記補助ノードは、
前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第1の入力ポートと、
前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第2の入力ポートと、
前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、
前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、
第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、
前記第3のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第3の2分の1波長板と、
前記第4のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第4の2分の1波長板と、
前記第3の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第1の出力ポートと、
前記第4の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第2の出力ポートとを備え、
前記第1のノードは、
前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、
前記第2のノードは、
前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、
前記第3のノードは、前記第1の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段を備え、
前記第4のノードは、前記第2の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第4の偏波判別手段を備え
前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、
前記補助ノードは、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1、第2、第3、及び第4のノードに送信する手段を備え、
前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々は、前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする量子鍵生成システム。
A quantum key generation system that generates a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes,
First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a photon pair in a quantum entangled state with respect to polarization;
An auxiliary node;
Comprising first, second, third and fourth nodes;
The auxiliary node is
A first input port for inputting one photon of the photon pair output from the first polarization entangled photon pair generating means;
A second input port for inputting one photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means;
A first half-wave plate capable of rotating in the axial direction that transmits one photon of the photon pair input from the first input port;
An axially rotatable second half-wave plate that transmits one photon of the photon pair input from the second input port; and
First, second, a polarization beam splitter that have the third and fourth ports, the vertically polarized transmitted through the first said inputted from the port of the first half wave plate of One photon of the photon pair and one photon of the horizontally polarized photon pair transmitted through the second half-wave plate inputted from the second port are branched and coupled to the third port. And one second photon of the pair of horizontally polarized photons transmitted through the first half-wave plate inputted from the first port and the second 2 inputted from the second port. A polarization beam splitter for branching and coupling one photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the half-wave plate to the fourth port;
A third half-wave plate capable of rotating in the axial direction that transmits one photon of the photon pair output from the third port;
A fourth half-wave plate capable of rotating in the axial direction that transmits one photon of the photon pair output from the fourth port;
A first output port for outputting one photon of the photon pair transmitted through the third half-wave plate;
A second output port for outputting one photon of the pair of photons transmitted through the fourth half-wave plate;
The first node is:
The other photon of the photon pair from the first polarization entangled photon pair generating means is input, the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarization 1st polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the inputted photon pair by randomly selecting either of the measurement for discriminating between the wave and the −45 degree polarization. ,
The second node is
The other photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generating unit is input, and a measurement to determine whether the photon is longitudinal polarization or transverse polarization, and +45 degree polarization Second polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the inputted photon pair by randomly selecting one of the measurements for discriminating between the wave and the −45 degree polarization. Prepared,
The third node receives one photon of the photon pair output from the first output port, and determines whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized, And a third polarization for discriminating the polarization of one photon of the input photon pair by randomly selecting one of the measurements for discriminating between +45 degree polarization and -45 degree polarization. With a discrimination means,
The fourth node receives one photon of the photon pair output from the second output port, and determines whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized, And a fourth polarization for discriminating the polarization of one photon of the input photon pair by randomly selecting one of the measurements for discriminating between +45 degree polarization and -45 degree polarization. With a discrimination means ,
Each of the first, second, third, and fourth nodes includes the time at which the polarization discriminating unit of the node receives the photon, the type of measurement selected at the time, and the deviation of the discriminated photon. Means for recording a wave and transmitting the time and the type of measurement selected at the time to each node other than the auxiliary node and the self;
The auxiliary node includes a time at which two or more of the first, second, third, and fourth nodes simultaneously receive photons and the first, second, third, and Means for transmitting the angle of the crystal axis of the fourth half-wave plate to the first, second, third and fourth nodes;
Each of the first, second, third, and fourth nodes has a photon detected simultaneously by two or more of the first, second, third, and fourth nodes; and When the polarization discrimination type used for detection of the photon and the combination of the angles of the crystal axes of the first, second, third, and fourth half-wave plates match, comprising a means for storing assigning predetermined bits of the detected photons, a predetermined bit of the allocated, quantum key generation, characterized in that the encryption key shared with the node that detects the photons simultaneously system.
前記量子鍵生成システムにおいて、
前記補助ノードと、前記第3または第4のノードとが一体であることを
を特徴とする請求項1に記載の量子鍵生成システム。
In the quantum key generation system,
The quantum key generation system according to claim 1, wherein the auxiliary node and the third or fourth node are integrated.
ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成システムであって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、
第1、第2及び第3のノードとを備え、
前記第1のノードは、
前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、
前記第2のノードは、
前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、
前記第3のノードは、
前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第1の入力ポートと、
前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第2の入力ポートと、
前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、
前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、
第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、
前記第3のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と
前記第4のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段とを備え
前記第1、第2、及び第3のノードの各々は、自ノードの偏波判別手段が光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全ての各ノードに送信する手段を備え、
前記第3のノードは、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1及び第2のノードに送信する手段を備え、
前記第1、第2、及び第3のノードの各々は、前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶する手段を備え、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とすることを特徴とする量子鍵生成システム。
A quantum key generation system that generates a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes,
First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a photon pair in a quantum entangled state with respect to polarization;
Comprising first, second and third nodes;
The first node is:
One photon of the photon pair from the first polarization entangled photon pair generating means is input, measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarization 1st polarization discriminating means for discriminating the polarization of one photon of the inputted photon pair by randomly selecting one of the measurements for discriminating between the wave and the −45 degree polarization. ,
The second node is
One photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generating means is input, a measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized, and +45 degree polarization A second polarization discriminating means for discriminating one of the photons of the input photon pair by randomly selecting one of the measurements for discriminating between the wave and the −45 degree polarization. Prepared,
The third node is
A first input port for inputting the other photon of the photon pair output from the first polarization entangled photon pair generating means;
A second input port for inputting the other photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means;
A first half-wave plate capable of rotating in the axial direction and transmitting the other photon of the photon pair input from the first input port;
An axially rotatable second half-wave plate that transmits the other photon of the photon pair input from the second input port;
First, second, a polarization beam splitter that have the third and fourth ports, the vertically polarized transmitted through the first said inputted from the port of the first half wave plate of The other photon of the horizontally polarized photon pair transmitted through the second half-wave plate inputted from the other photon of the photon pair and the second port is branched and coupled to the third port. The second photon input from the second port and the other photon of the pair of horizontally polarized photons transmitted through the first half-wave plate input from the first port. A polarization beam splitter that branches and couples the other photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the half-wave plate to the fourth port;
Photon detection means for detecting the other photon of the photon pair output from the third port ;
The other photon of the photon pair output from the fourth port is input, and the measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized wave or transversely polarized wave, and +45 degree polarized wave or −45 A third polarization discriminating means for randomly selecting one of the measurements for discriminating which degree of polarization is present, and discriminating the polarization of the other photon of the input photon pair ;
Each of the first, second, and third nodes records the time at which the polarization discriminating unit of the local node receives the photon, the type of measurement selected at the time, and the polarization of the discriminated photon. And means for transmitting the time and the type of measurement selected at the time to each node other than the auxiliary node and the self,
The third node includes a time at which two or more of the first, second, and third nodes simultaneously receive photons and the first and second half wavelengths at the time. Means for transmitting the angle of the crystal axis of the plate to the first and second nodes;
In each of the first, second, and third nodes, photons are simultaneously detected by two or more of the first, second, and third nodes, and are used to detect the photons. If the detected polarization discrimination type matches the combination of the crystal axis angles of the first and second half-wave plates, a predetermined bit is assigned to the detected photon and stored. A quantum key generation system , wherein the assigned predetermined bit is used as an encryption key shared with a node that simultaneously detects photons .
ノード間で送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、補助ノードと、第1、第2、第3及び第4のノードとを備え、
前記補助ノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の一方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の一方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の一方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第3の2分の1波長板と、前記第4のポートから出力された前記光子対の一方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第4の2分の1波長板と、前記第3の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第1の出力ポートと、前記第4の2分の1波長板を透過した前記光子対の一方の光子を出力する第2の出力ポートとを備え、前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段を備え、前記第4のノードは、前記第2の出力ポートから出力される前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第4の偏波判別手段とを備え、前記方法は、
前記補助ノード
前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、0度,0度,0度,及び0度、22.5度,22.5度,22.5度,及び22.5度の一方に、または0度,0度,0度,及び0度、−22.5度,−22.5度,−22.5度,及び−22.5度の一方に設定するステップと、
前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々
前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、
子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を前記補助ノード及び自己以外の全てノードに送信するステップと、
前記補助ノード
前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1、第2、第3、及び第4のノードに送信するステップと、
前記第1、第2、第3、及び第4のノードの各々
前記第1、第2、第3、及び第4のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、第3、及び第4の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップと
を含むことを特徴とする量子鍵生成方法。
A quantum key generation method for generating a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes,
First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a photon pair in a quantum entangled state with respect to polarization, an auxiliary node, and first, second, third and fourth nodes ,
The auxiliary node outputs a first input port for inputting one photon of the photon pair output from the first polarization entangled photon pair generation unit, and is output from the second polarization entangled photon pair generation unit. A second input port for inputting one photon of the photon pair and a first half of the photon pair input from the first input port and transmitting the one photon of the photon pair and capable of rotating in the axial direction. A one-wave plate, a second half-wave plate capable of rotating in the axial direction that transmits one photon of the pair of photons input from the second input port, and first, second, second 3, and a polarization beam splitter that have a fourth port, the photon pairs one photon of the first said inputted from the port of the first vertical polarization transmitted through the half wave plate And transmitted through the second half-wave plate inputted from the second port. One photon of the horizontally polarized photon pair is branched and coupled to the third port, and the horizontally polarized photon transmitted through the first half-wave plate input from the first port One of the photons in the pair and one photon in the vertically polarized photon pair transmitted through the second half-wave plate inputted from the second port are branched and coupled to the fourth port. A wave beam splitter, a third half-wave plate capable of rotating in the axial direction that transmits one photon of the photon pair output from the third port, and an output from the fourth port A fourth half-wave plate capable of rotating in the axial direction, which transmits one photon of the photon pair, and one photon of the photon pair transmitted through the third half-wave plate. A first output port for outputting, and the photon transmitted through the fourth half-wave plate And a second output port for outputting one of the photons, the first node receives the other photon of the photon pair from said first polarization entangled photon pair generating means, to the photon On the other hand, either the measurement for discriminating whether it is longitudinal polarization or transverse polarization and the measurement for discriminating whether it is +45 degree polarization or -45 degree polarization are selected and inputted. First polarization discriminating means for discriminating the polarization of the other photon of the photon pair, and the second node detects the other photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generating means. Input and select either measurement to determine whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized and measurement to determine whether it is +45 degree polarized wave or -45 degree polarized wave The second polarization for determining the polarization of the other photon of the input photon pair Wave detection means, and the third node inputs one photon of the photon pair output from the first output port, and is either longitudinally polarized or transversely polarized with respect to the photon. A measurement for discriminating between them and a measurement for discriminating between +45 degree polarization and -45 degree polarization, and the polarization of one photon of the inputted photon pair is discriminated. 3 polarization discriminating means, wherein the fourth node inputs one photon of the photon pair output from the second output port, and the photon is either longitudinally polarized or transversely polarized. Select one of the measurement to determine which is the +45 degree polarization or the −45 degree polarization to determine the polarization of one photon of the input photon pair. And a fourth polarization discriminating means for discriminating, the method comprising:
The auxiliary node is
The crystal axis angles of the first, second, third, and fourth half-wave plates are randomly set to 0 degree, 0 degree, 0 degree, and 0 degree, respectively, for each unit time. One of 5 degrees, 22.5 degrees, 22.5 degrees, and 22.5 degrees, or 0 degrees, 0 degrees, 0 degrees, and 0 degrees, -22.5 degrees, -22.5 degrees, -22 . Setting one of 5 degrees and -22.5 degrees;
Each of the first, second, third, and fourth nodes is
Any one of the measurement for determining whether the polarization is the longitudinal polarization or the transverse polarization, and the measurement for determining whether the +45 degree polarization or the −45 degree polarization is randomly performed at each unit time. a step of selecting, to determine the polarization of the input photon,
Time of receiving photons in the step of determining the polarization of the optical element, the type of selected measurement in the time, and record the polarization discriminated the photon, the time, and the measurement selected in the time transmitting a type to all the nodes other than the auxiliary node and self,
The auxiliary node is
The time at which two or more of the first, second, third, and fourth nodes simultaneously receive photons and the first, second, third, and fourth minutes at the time. Transmitting the angle of the crystal axis of the one-wave plate to the first, second, third, and fourth nodes;
Each of the first, second, third, and fourth nodes is
Two or more of the first, second, third, and fourth nodes detect photons at the same time, and the polarization discrimination type used to detect the photons, and the first, first, When the combination of the crystal axis angles of the second, third, and fourth half-wave plates coincides, a predetermined bit is allocated and stored in the detected photon, and the allocated predetermined A method for generating a quantum key, comprising the step of: using a bit as a cryptographic key shared with a node that simultaneously detects photons .
ノード間において送受信するデータを暗号化または復号化するための暗号鍵である量子鍵を生成する量子鍵生成方法であって、
偏波に関して量子もつれ状態になっている光子対を発生する第1及び第2の偏波もつれ光子対発生手段と、第1、第2及び第3のノードとを備え、
前記第1のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する第1の偏波判別手段を備え、前記第2のノードは、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段からの前記光子対の一方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された前記光子対の一方の光子の偏波を判別する行う第2の偏波判別手段を備え、前記第3のノードは、前記第1の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第1の入力ポートと、前記第2の偏波もつれ光子対発生手段から出力された光子対の他方の光子を入力する第2の入力ポートと、前記第1の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第1の2分の1波長板と、前記第2の入力ポートから入力された前記光子対の他方の光子を透過させる、軸方向を回転可能な第2の2分の1波長板と、第1、第2、第3、及び第4のポートを有する偏波ビームスプリッタであり、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子を前記第3のポートへ分岐結合させ、前記第1のポートから入力された前記第1の2分の1波長板を透過した水平偏波の前記光子対の他方の光子及び前記第2のポートから入力された前記第2の2分の1波長板を透過した垂直偏波の前記光子対の他方の光子を前記第4のポートへ分岐結合させる偏波ビームスプリッタと、前記第3のポートから出力される前記光子対の他方の光子を検出する光子検出手段と前記第4のポートから出力される前記光子対の他方の光子を入力し、当該光子に対し、縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかをランダムに選択して、入力された前記光子対の他方の光子の偏波を判別する第3の偏波判別手段とを備え、前記方法は、
前記第3のノード
前記第1、及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度をそれぞれ、単位時間毎にランダムに、0度,22.5度の一方に、または0度,−22.5度の一方に設定するステップと、
前記第1、第2、及び第3のノードの各々
前記単位時間毎にランダムに、前記縦偏波または横偏波のどちらであるかを判別する測定、及び前記+45度偏波または−45度偏波のどちらであるか判別する測定のいずれかを選択して、入力された光子の偏波を判別するステップと、
子の偏波を判別する前記ステップにおいて光子を受信した時刻、当該時刻において選択された測定の種別、及び判別した当該光子の偏波を記録し、前記時刻、及び前記時刻において選択された測定の種別を自己以外の全てノードに送信するステップと、
前記第3のノード
前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードが同時に光子を受信した時刻及び当該時刻における前記第1及び第2の2分の1波長板の結晶軸の角度を前記第1及び第2のノードに送信するステップと、
前記第1、第2、及び第3のノードの各々
前記第1、第2、及び第3のノードのうちの2つ以上のノードによって同時に光子が検出され、かつ当該光子の検出に用いられた偏波判別種別と、前記第1、第2、及び第3の2分の1波長板の結晶軸の角度の組み合わせとが一致している場合に、前記検出された光子に所定のビットを割り当てて記憶し、前記割り当てた所定のビットを、光子を同時に検出したノードとの間で共有する暗号鍵とするステップと
を含むことを特徴とする量子鍵生成方法。
A quantum key generation method for generating a quantum key that is an encryption key for encrypting or decrypting data transmitted and received between nodes,
First and second polarization entangled photon pair generating means for generating a photon pair in a quantum entangled state with respect to polarization, and first, second and third nodes,
The first node inputs one photon of the photon pair from the first polarization entangled photon pair generating means , and determines whether the photon is longitudinally polarized or transversely polarized The first polarization for discriminating the polarization of one photon of the input photon pair is selected. Wave detection means, and the second node inputs one photon of the photon pair from the second polarization entangled photon pair generation means, and the photon is either vertically polarized or transversely polarized. Select one of the measurement to determine which is the +45 degree polarization or the −45 degree polarization to determine the polarization of one photon of the input photon pair. A second polarization discriminating means for discriminating, wherein the third node comprises the first polarization A first input port for inputting the other photon of the photon pair output from the wave entangled photon pair generating means, and the other photon of the photon pair output from the second polarization entangled photon pair generating means are input. A second input port, a first half-wave plate capable of rotating in the axial direction and transmitting the other photon of the photon pair input from the first input port, and the second input and it transmits the other photon of the photon pair which is input from the port and chromatic 1 and half-wave plate rotatable second axial direction, the first, second, third, and fourth ports A polarization beam splitter, which is input from the other photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the first half-wave plate input from the first port and the second port The other of the horizontally polarized photon pairs transmitted through the second half-wave plate Branching and coupling a photon to the third port, the other photon of the horizontally polarized photon pair transmitted through the first half-wave plate input from the first port, and the second A polarization beam splitter that branches and couples the other photon of the pair of vertically polarized photons transmitted through the second half-wave plate input from the port to the fourth port; and the third port The photon detection means for detecting the other photon of the photon pair output from the photon and the other photon of the photon pair output from the fourth port are input, and longitudinal polarization or transverse polarization is applied to the photon. Of the other photon of the input photon pair is selected by randomly selecting one of the measurement for determining whether the photon is +45 degree polarization or the −45 degree polarization. A third polarization discriminating means for discriminating the polarization; The method
The third node is
The angles of the crystal axes of the first and second half-wave plates are randomly set to one of 0 degree and 22.5 degrees, or 0 degree and -22.5 degrees, every unit time. One step to set,
Each of the first, second, and third nodes is
Any one of the measurement for determining whether the polarization is the longitudinal polarization or the transverse polarization, and the measurement for determining whether the +45 degree polarization or the −45 degree polarization is randomly performed at each unit time. a step of selecting, to determine the polarization of the input photon,
Time of receiving photons in the step of determining the polarization of the optical element, the type of selected measurement in the time, and record the polarization discriminated the photon, the time, and the measurement selected in the time Sending the type of each to all nodes other than self ,
The third node is
The time at which two or more of the first, second, and third nodes simultaneously receive photons and the angle of the crystal axes of the first and second half-wave plates at that time. Transmitting to the first and second nodes;
Each of the first, second, and third nodes is
The photon is simultaneously detected by two or more of the first, second, and third nodes, and the polarization discrimination type used to detect the photon, and the first, second, and If the combination of angles of crystal axes of the third half-wave plate is coincident, a predetermined bit is allocated and stored in the detected photon, and the allocated predetermined bit is stored as a photon. A quantum key generation method comprising: a cryptographic key shared with nodes detected at the same time .
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