JP4647748B2 - 暗号化装置及び方法、ならびに通信方法及びシステム - Google Patents

暗号化装置及び方法、ならびに通信方法及びシステム Download PDF

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    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の量子状態の暗号化方法と装置に関するものである。
【０００２】
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【０００３】
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【０００４】
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【０００５】
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【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明による暗号化方法は、
任意の量子情報を入力し、物理系を考慮した演算を施すことにより量子二状態系の情報をqubitとして取得する取得工程と、
前記取得工程で取得したqubitを暗号化する第１の暗号化工程と、
前記qubitに、当該qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するための署名情報を持つ量子系を付加する付加工程と、
前記署名情報を持つ量子系が付加されたqubitを暗号化する第２の暗号化工程とを備える。
【０００７】
また、上記の目的を達成するための本発明による暗号化装置は、
任意の量子情報を入力し、物理系を考慮した演算を施すことにより量子二状態系の情報をqubitとして取得する取得手段と、
前記取得手段で取得したqubitを暗号化する第１の暗号化手段と、
前記qubitに、当該qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するための署名情報を持つ量子系を付加する付加手段と、
前記署名情報を持つ量子系が付加されたqubitを暗号化する第２の暗号化手段とを備える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
【０００９】
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【００１０】
Figure 0004647748
【００１１】
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【００１２】
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【００１３】
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【００１４】
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【００１５】
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【００１６】
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【００１７】
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【００１８】
Figure 0004647748
【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
Figure 0004647748
【００２４】
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【００２５】
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【００２６】
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【００２７】
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【００２８】
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【００２９】
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【００３０】
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【００３１】
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【００３２】
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【００３３】
Figure 0004647748
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、送信者、受信者が予めもつれ合った対のqubitを共有すること無しに、任意の量子状態を暗号化して伝送する方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態で用いられる、Alice，Bob間での量子暗号通信を表した図である。
【図２】第１の実施形態で用いられる、Aliceの行う２回目の暗号化を表した図である。
【図３】第１の実施形態で用いられる、代表的な量子ゲートを表した図である。
【図４】第１の実施形態で用いられる、Eveの盗聴の戦略を表した図である。
【図５】第１の実施形態で用いられる、qubit数を調べる量子ゲートネットワークを表した図である。
【図６】第１の実施形態で用いられる、Eveの系Ｓに対するIntercept／Resend attackを表した図である。
【図７】第１の実施形態で用いられる、Eveの１-qubitに対するIntercept／Resend attackを表した図である。
【図８】第１の実施形態で用いられる、EveのＳ系およびＱ系に対するIntercept／Resend attackを表した図である。
【図９】第１の実施形態で用いられる、EveのＱＳ系に対する、もつれ合いを利用したIntercept／Resend attackを表した図である。
【図１０】第２の実施形態で用いられる、２-qubitの置換を行う量子ゲートネットワークを表した図である。
【図１１】第２の実施形態で用いられる、量子情報qubitにパリティを持たせるネットワークを表した図である。
【図１２】第３の実施形態で用いられる、非線形素子を使った光子数測定を表した図である。
【図１３】第４の実施形態で用いられる、二個の核スピン系におけるZeeman項、スカラー結合項によるエネルギーシフトを表した図である。
【図１４】第１及び第２の実施形態による暗号化装置の装置構成を説明する図である。
【図１５】第１の実施形態による量子状態の暗号化方法の処理手順を示す図である。
【図１６】第２の実施形態による量子状態の暗号化方法の処理手順を示す図である。

Claims (24)

  1. 任意の量子情報を入力し、物理系を考慮した演算を施すことにより量子二状態系の情報をqubitとして取得する取得工程と、
    前記取得工程で取得したqubitを暗号化する第１の暗号化工程と、
    前記qubitに、当該qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するための署名情報を持つ量子系を付加する付加工程と、
    前記署名情報を持つ量子系が付加されたqubitを暗号化する第２の暗号化工程と
    を備えることを特徴とする暗号化方法。
  2. 前記第１の暗号化工程は、ｎ−qubitの量子状態に作用させる適当なユニタリ演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、暗号化したいｎ−qubitの任意の量子状態に作用させることによって、伝送される量子状態の密度演算子を統計的混合状態とする
    ことを特徴とする請求項１に記載の暗号化方法。
  3. 前記第１の暗号化工程は、１−qubitに作用する恒等演算子とPauli行列｛Ｉ，σx，σy，σz｝のｎ個のテンソル積から成る合計４n個の演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、暗号化したいｎ−qubitの任意の量子状態に作用させることによって、伝送される量子状態の密度演算子をｎ−qubitの完全な統計的混合状態とする恒等演算子とする
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の暗号化方法。
  4. 前記付加工程は、qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号化工程で暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、古典二進数列で与えられる、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化工程は、前記第１の暗号化工程による暗号化が行われたｎ-qubitの量子状態、および、署名を表すqubitの全体に作用させるユニタリ演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、前記の第１の暗号化工程による暗号化が行われたｎ-qubitの量子状態、および、署名を表すqubitに作用させる
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  5. 前記付加工程は、qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号化工程で暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化工程は、送り手と受け手の両者にもつれ合いを生じさせ、次に、各qubitに｛Ｉ，Ｈ，σx，Ｈσx｝（ただし、ＨはHadamard変換、|0>→(1/√2)(|0>+|1>)，|1>→(1/√2)(|0>-|1>)、また、σxはPauli行列の一つで、|0>→|1>→|0>とする）の中から無作為に選び出した演算子を作用させる
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  6. 前記付加工程は、量子状態が送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号工程によって暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化工程は、前記付加工程で付加した署名を表すqubitのそれぞれに対し、１-qubitに作用する恒等演算子、または、Hadamard変換Ｈのどちらかを無作為に作用させ、次いで、量子情報を表すｎ-qubitと署名を表すqubitの全体に無作為に置換を行う
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  7. 受信側において、受信した情報に復号操作を施して署名を表すqubitを観測することにより、認証および盗聴者の介入を検知する検知工程を更に備える
    ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  8. 盗聴者が伝送したい量子情報の一部を観測、破壊したことを検知するために、暗号化したい任意の量子状態を表すｎ個のqubitから任意のqubitの部分集合をＬ個選び出し、各部分集合について１個の補助qubitを付加して部分集合に含まれるqubitの値の和（パリティ）が偶となるようにし、これら（ｎ＋Ｌ）個のqubitに無作為に置換を施してから、前記第１の暗号化工程、付加工程、第２の暗号化工程を実行する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  9. 前記量子二状態系として、光子の偏光、電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、イオンの基底状態と励起状態のいずれかを利用する
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の暗号化方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の暗号化方法を実行可能な装置間の暗号通信の手続きとして送信側装置及び受信側装置は、古典情報（bit列）を伝送し、伝送される情報は公開されて盗聴者も知ることができ、またこれらの情報の複製は可能だが、改変、消去は不可能である古典通信回線と、量子情報（qubit列）を伝送し、盗聴者は伝送される量子状態の一部または全部を、奪取、観測、改変することが可能だが、任意の量子状態を複製することは不可能である量子通信回線とを利用し、
    前記送信側装置は前記第２の暗号化工程で得られた量子状態を前記量子通信回線で前記受信側装置へ送り、
    前記受信側装置は量子状態を受信すると、前記量子通信回線を断ち、そのことを前記送信側装置に古典通信回線で知らせ、
    前記送信側装置は前記受信側装置からの通報を受け取ると、該受信側装置に第２の暗号化工程による暗号化操作がどのような変換かを前記古典通信回線で知らせ、
    前記受信側装置は受信した量子状態に、前記送信側装置から教えられた前記第２の暗号化工程における操作の逆変換を作用させて、署名を表すqubitを観測し、その結果を古典通信回線で前記送信側装置に知らせ、
    前記送信側装置は前記受信側装置から署名を受け取り、それが正しいかどうか確認し、署名が正しければ、前記古典通信回線で第１の暗号化操作がどのような変換かを前記受信側装置に知らせ、署名が正しくなければ、盗聴者の介入があったと判断し、通信を終了し、
    前記受信側装置は前記第１の暗号化工程の操作の逆変換を前記受信した量子状態に作用させて、最終的な量子情報を得る
    ことを特徴とする通信方法。
  11. 前記受信側装置が、確かに量子状態を受け取ったと判断して前記量子通信回線を絶つために、量子情報の担い手であるqubitが自分の手元に存在するかどうかを調べる測定工程を更に備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の通信方法。
  12. 前記測定工程は、原子核の投入された空洞内に二つの光子を導入することにより引き起こされる非線形効果を利用した、光子数測定を行うものである
    ことを特徴とする請求項１１に記載の通信方法。
  13. 任意の量子情報を入力し、物理系を考慮した演算を施すことにより量子二状態系の情報をqubitとして取得する取得手段と、
    前記取得手段で取得したqubitを暗号化する第１の暗号化手段と、
    前記qubitに、当該qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するための署名情報を持つ量子系を付加する付加手段と、
    前記署名情報を持つ量子系が付加されたqubitを暗号化する第２の暗号化手段と
    を備えることを特徴とする暗号化装置。
  14. 前記第１の暗号化手段は、ｎ−qubitの量子状態に作用させる適当なユニタリ演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、暗号化したいｎ−qubitの任意の量子状態に作用させることによって、伝送される量子状態の密度演算子を統計的混合状態とする
    ことを特徴とする請求項１３に記載の暗号化装置。
  15. 前記第１の暗号化手段は、１−qubitに作用する恒等演算子とPauli行列｛Ｉ，σx，σy，σz｝のｎ個のテンソル積から成る合計４n個の演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、暗号化したいｎ−qubitの任意の量子状態に作用させることによって、伝送される量子状態の密度演算子をｎ−qubitの完全な統計的混合状態とする恒等演算子とする
    ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の暗号化装置。
  16. 前記付加手段は、qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号化手段で暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、古典二進数列で与えられる、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化手段は、前記第１の暗号化手段による暗号化が行われたｎ-qubitの量子状態、および、署名を表すqubitの全体に作用させるユニタリ演算子の集合を用意し、これらの中から無作為に選ばれた演算子を、前記の第１の暗号化手段による暗号化が行われたｎ-qubitの量子状態、および、署名を表すqubitに作用させる
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  17. 前記付加手段は、qubitが送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号化手段で暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化手段は、送り手と受け手の両者にもつれ合いを生じさせ、次に、各qubitに｛Ｉ，Ｈ，σx，Ｈσx｝（ただし、ＨはHadamard変換、|0>→(1/√2)(|0>+|1>)，|1>→(1/√2)(|0>-|1>)、また、σxはPauli行列の一つで、|0>→|1>→|0>とする）の中から無作為に選び出した演算子を作用させる
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  18. 前記付加手段は、量子状態が送り手から受け手に確かに渡されたことを保証するために、前記第１の暗号手段によって暗号化されたｎ-qubitの量子状態を構成する各qubitに、送信者の署名を表すqubitを付加し、
    前記第２の暗号化手段は、前記付加手段で付加した署名を表すqubitのそれぞれに対し、１-qubitに作用する恒等演算子、または、Hadamard変換Ｈのどちらかを無作為に作用させ、次いで、量子情報を表すｎ-qubitと署名を表すqubitの全体に無作為に置換を行う
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  19. 受信側において、受信した情報に復号操作を施して署名を表すqubitを観測することにより、認証および盗聴者の介入を検知する検知手段を更に備える
    ことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  20. 盗聴者が伝送したい量子情報の一部を観測、破壊したことを検知するために、暗号化したい任意の量子状態を表すｎ個のqubitから任意のqubitの部分集合をＬ個選び出し、各部分集合について１個の補助qubitを付加して部分集合に含まれるqubitの値の和（パリティ）が偶となるようにし、これら（ｎ＋Ｌ）個のqubitに無作為に置換を施してから、前記第１の暗号化手段、付加手段、第２の暗号化手段を実行する
    ことを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  21. 前記量子二状態系として、光子の偏光、電子、核子のスピン、高分子化合物中の核子のスピン、イオンの基底状態と励起状態のいずれかを利用する
    ことを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれか１項に記載の暗号化装置。
  22. 請求項１３乃至２１のいずれか１項に記載の暗号化装置を送信側装置及び受信側装置として備えた通信システムであって、
    前記送信側装置と受信側装置との間の暗号通信の手続きとして当該送信側装置及び受信側装置は、古典情報（bit列）を伝送し、伝送される情報は公開されて盗聴者も知ることができ、またこれらの情報の複製は可能だが、改変、消去は不可能である古典通信回線と、量子情報（qubit列）を伝送し、盗聴者は伝送される量子状態の一部または全部を、奪取、観測、改変することが可能だが、任意の量子状態を複製することは不可能である量子通信回線とを利用し、
    前記送信側装置は前記第２の暗号化手段で得られた量子状態を前記量子通信回線で前記受信側装置へ送り、
    前記受信側装置は量子状態を受信すると、前記量子通信回線を断ち、そのことを前記送信側装置に古典通信回線で知らせ、
    前記送信側装置は前記受信側装置からの通報を受け取ると、該受信側装置に第２の暗号化手段による暗号化操作がどのような変換かを前記古典通信回線で知らせ、
    前記受信側装置は受信した量子状態に、前記送信側装置から教えられた前記第２の暗号化手段における操作の逆変換を作用させて、署名を表すqubitを観測し、その結果を古典通信回線で前記送信側装置に知らせ、
    前記送信側装置は前記受信側装置から署名を受け取り、それが正しいかどうか確認し、署名が正しければ、前記古典通信回線で第１の暗号化操作がどのような変換かを受信者に知らせ、署名が正しくなければ、盗聴者の介入があったと判断し、通信を終了し、
    前記受信側装置は前記第１の暗号化手段の操作の逆変換を前記受信した量子状態に作用させて、最終的な量子情報を得る
    ことを特徴とする通信システム。
  23. 前記受信側装置が、確かに量子状態を受け取ったと判断して前記量子通信回線を絶つために、量子情報の担い手であるqubitが自分の手元に存在するかどうかを調べる測定手段を更に備える
    ことを特徴とする請求項２２に記載の通信システム。
  24. 前記測定手段は、原子核の投入された空洞内に二つの光子を導入することにより引き起こされる非線形効果を利用した、光子数測定を行うものである
    ことを特徴とする請求項２３に記載の通信システム。
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