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).
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
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
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、前記補助ノードが、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のノードの各々が、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、光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の各ノードに送信するステップと、前記補助ノードが、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のノードの各々が、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
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のノードが、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のノードの各々が、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、光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の各ノードに送信するステップと、前記第3のノードが、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のノードの各々が、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
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
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
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
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
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
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
The signal photon output from the polarization entangled
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
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
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
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
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
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
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〉1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〉3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〉1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〉4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〉2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〉4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〉2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〉3に変換されるものとする。
Here, when a longitudinally polarized idler photon from the polarization entangled
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.
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
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
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,
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
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
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〉3+|+45〉4に変換され、|H〉s1は|−45〉3+|+45〉4に変換され、|V〉s2は−|−45〉4+|+45〉3に変換され、|H〉s2は|−45〉4+|+45〉3に変換される。また、|V〉i1は|+45〉1−|−45〉1と、|H〉i1は|+45〉1+|−45〉1と、|V〉i2は|+45〉2−|−45〉2と、|H〉i2は|+45〉2+|−45〉2と表される。
|−45〉s2に変換され、更に|−45〉s2は|+45〉3+|−45〉4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
| −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.
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
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
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
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
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
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t0,t2乃至t8及び時刻t0,t2乃至t8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
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t0,t2乃至t5,t7,及びt8、並びに時刻t0,t3,t5,t7,t8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
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t0,t7,及びt8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t3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
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
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
(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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
160 Polarized beam splitter (PBS)
161, 162, 163, 164
Claims (5)
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.
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 .
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、
前記補助ノードが、
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のノードの各々が、
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、
光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の各ノードに送信するステップと、
前記補助ノードが、
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のノードの各々が、
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 .
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のノードが、
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のノードの各々が、
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、
光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の各ノードに送信するステップと、
前記第3のノードが、
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のノードの各々が、
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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