JP4705077B2

JP4705077B2 - 量子暗号システム

Info

Publication number: JP4705077B2
Application number: JP2007220094A
Authority: JP
Inventors: 利守本庄; 恭井上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP2009055345A

Description

本発明は、量子暗号鍵配送システムに関する。より詳細には、偏波状態の変動に関わらず、安定して暗号鍵を供給することができる量子暗号鍵配送システムに関する。

従来、暗号技術として、解読のための計算に膨大な時間がかかるといった数学的な計算の困難性を基礎とした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子１個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。

量子暗号は、量子力学の理論を用いた暗号技術であり、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。量子通信の分野では、互いに離れた地点に存在する二者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。量子鍵配送には、各種の方式が存在するが、本明細書では、従来技術として、「差動位相シフト量子鍵配送方式」について説明する（非特許文献１参照）。

図１は、従来技術による差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示している。システム１００において、送信機１１０は、０またはπでランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均１光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で伝送路１２０に送出する。平均光子数１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現することができる。このような光パルス列を光子検出する場合、あるパルスでは光子が検出され、あるパルスでは何も検出されないという結果となる。どのパルスで光子が検出されるかは、測定するまで不確定である。

図１に示すように、送信機１１０から送出された光パルス列は、伝送路１２０を介して受信機１３０に到達する。まず、受信機１３０は、受信した光パルス列を、光分岐手段Ｃ１により、エネルギー的に等分になるように２つに分岐する。分岐した光パルス列は、遅延時間差Ｔを有する短経路および長経路を介して、２×２合波カップラＣ２で合波される。ここで、遅延時間差Ｔは、送信機１１０から伝送路１２０を介して受信機１３０に入力される光パルス列のパルス間隔に等しいものと仮定すると、２×２合波カップラＣ２では、前後のパルスが重なり合って合波される。

受信機１３０に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されているから、受信機内の分岐・合波経路の伝搬位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は、０またはπとなる。そのため、２×２合波カップラＣ２で重なり合うパルスが干渉し、位相差が０なら検出器１で光子が検出され、位相差πなら検出器２で光子が検出されることになる。

上記の構成において、送信機１１０と受信機１３０は、次の手順により共通の秘密鍵を得る。まず、受信機１３０は、送信機１１０により送出され、伝送路１２０を介して受信したパルス列から光子を検出する。この際、受信機１３０は、光子を検出した時刻と、検出器１または２のどちらで光子を検出したかを記録する。所定の数の光子が検出された後、受信機１３０は、送信機１１０に対して光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。

送信機１１０は、通知された光子検出時刻と、送信機自身の有する位相変調データとから、受信機１３０が検出器１または２のどちらで光子を検出したかを知ることができる。そこで、検出器１で光子を検出した場合をビット「０」、検出器２で光子を検出した場合をビット「１」と予め取り決めておけば、送信機１１０と受信機１３０は、双方で同じビット列を得ることができる。この手順において、受信機１３０から送信機１１０へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機１３０の外部に出ることはなく、盗聴されることはない。

このような量子鍵配送システムを実施するためには、光子１つを検出可能な光子検出器が必要である。これには、通常、高いバイアス電圧が印加されたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）が用いられる。しかしながら、ファイバ通信波長帯（１．３〜１．５μｍ帯）用のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの性能は良くなく、特に、いったん光子を検出した後にその影響のために続けて誤検出するアフターパルスと呼ばれる現象が、システム性能の劣化要因となる。そこで、これを避けるために、通常、時間間隔を空けて間欠的に高いバイアス電圧を印加するゲート動作モードで使用する。ゲート動作の繰り返し周波数の上限は数ＭＨｚであり、これより高い周波数ではアフターパルスによる誤検出の割合が増大する。このＡＰＤのゲート周波数の上限が、量子鍵配送システムの鍵生成レートを制限する要因となっている。

一方、短波長帯（０．５〜０．８μｍ）で動作するＳｉ−ＡＰＤは、検出効率および雑音特性ともに優れた性能を有している。アフターパルスの発生確率も小さく、そのためゲート動作させる必要がない。この特性を通信波長帯の光子検出に利用できれば、量子鍵配送システムの鍵生成レートを大幅に向上することができる。そこで、通信波長帯の光子を短波長帯に波長変換して、Ｓｉ−ＡＰＤで検出する光子検出器の研究が進められている（非特許文献２）。

図２は、波長変換型の光子検出器の基本構成を示している。この波長変換型の光子検出器２００において、波長１．５μｍの信号光子と、波長１．３μｍのポンプ光とが合波され、光非線形素子２０２に入力される。光非線形素子２０２では、光パラメトリック相互作用と呼ばれる光のミキシング現象により、波長１．５μｍの信号光子が（１／１．５＋１／１．３）^-1＝０．７μｍという波長の光子に変換される。これを光フィルタ２０４で取り出し、Ｓｉ−ＡＰＤ２０６で検出する。これにより、１．５μｍの光子をゲート動作させることなく検出することができ、量子鍵配送システムの鍵生成レートを高めることができる。

K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, "Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light," Physical Review A, vol. 68, paper number 022317, 2003 C. Langrock, E. Diamanyi, R. V. Roussev, Y. Yamamoto, M. M. Fejer, H. Takesue, "Highly efficient single-photon detection at communication wavelength by use of upconversion in reverse-photon-exchanged periodically poled LiNbO3 waveguide," Optics Letters, vol. 30, pp. 1725-1727, 2005

しかしながら、波長変換型の光子検出器は、非ゲート動作が可能であるという利点がある一方、偏波依存性があるという欠点を有する。光非線形素子内で起こる光パラメトリック相互作用の効率は、ポンプ光と信号光の偏波状態に依存する。そのため、光検出器としての検出効率が信号光子の偏波状態に依存することになる。信号光は光ファイバを伝搬してきており、その偏波状態は伝送環境により変動する。これに対処するためには、信号光の検出器への入力偏波状態を一定とする制御系が必要となり、伝送装置が複雑化する。

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、偏波状態の変動に関わらず、安定して暗号鍵を供給することができる量子暗号鍵配送システムを提供することにある。

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、送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうための量子暗号システムであって、前記送信機は、一定の時間間隔の光パルスからなる光パルス列を発生する光源と、前記光パルス列の各光パルスを０またはπで位相変調する位相変調器と、前記位相変調器から出力される光パルス列を、パルス当りの平均光子数が１未満になるように減衰する減衰器とを備え、前記受信機は、前記送信機からの光パルス列を２分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された２つの光パルス列間に前記一定の時間間隔と等しい時間差Ｔを与える第１の遅延手段と、前記時間差Ｔが与えられた２つの光パルス列を合波し、位相差０またはπに応じて、２つのポートのいずれかに干渉光パルスを出力する第１の合波手段と、前記第１の合波手段の一方の出力ポートに接続され、当該一方の出力ポートから出力される前記干渉光パルスの光子を直交する第１偏光、第２偏光の２つの偏光成分に分離する第１の偏光分離手段と、前記第１の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子を、前記第１の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子に対して、所定時間ｔだけ遅延させる第２の遅延手段と、前記第１の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子の偏光状態を、前記第２偏光に変換する第１の偏光変換手段と、前記第２の遅延手段で所定時間ｔだけ遅延されるとともに前記第１の偏光変換手段で偏光状態が前記第２偏光に変換された後の前記第１の偏光分離手段で分離された一方の光子と、前記第１の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子とを合波する第２の合波手段と、偏波依存性を有する光子検出器であって、前記第２の合波手段の２つの出力ポートのうちの一方に接続され、前記第２偏光の光子を検出するように構成された第１の光子検出器と、前記第１の合波手段の他方の出力ポートに接続され、当該他方の出力ポートから出力される前記干渉光パルスの光子を直交する第１偏光、第２偏光の２つの偏光成分に分離する第２の偏光分離手段と、前記第２の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子を、前記第２の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子に対して、前記所定時間ｔだけ遅延させる第３の遅延手段と、前記第２の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子の偏光状態を、前記第２偏光に変換する第２の偏光変換手段と、前記第３の遅延手段で前記所定時間ｔだけ遅延されるとともに前記第２の偏光変換手段で偏光状態が第２偏光に変換された後の前記第２の偏光分離手段で分離された一方の光子と、前記第２の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子とを合波する第３の合波手段と、偏光依存性を有する光子検出器であって、前記第３の合波手段の２つの出力ポートのうちの一方に接続され、前記第２偏光の光子を検出するように構成された第２の光子検出器とを備え、前記所定時間ｔは、前記第２、第３の合波手段に入力される光パルス同士が干渉しないように設定され、前記受信機が前記第１、第２の光子検出器において光子を検出した時刻を前記送信機に伝えることによって、前記受信機および前記送信機で共通のビット列を共有するように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、偏波依存性のある光子検出器を使用した量子鍵配送システムにおいて、光伝送路での伝搬等による偏波状態の変動に関わらず、安定して動作する量子鍵配送システムを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示す図である。この量子鍵配送システム３００は、送信機３１０と、光伝送路３２０と、受信機３３０とから構成されている。送信機３１０は、光パルス列を発生する光源３１２と、光パルス列を位相変調する位相変調器３１４と、光パルス列の平均光子数が１個未満となるように光パルス列を減衰する減衰器３１６と、送信機全体の主制御を行うＣＰＵ１とを備えている。送信機３１０は、その他、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを保管するＲＡＭ等のメモリ（図示せず）などを備えている。

光源３１２は、一定の時間間隔Ｔで光パルス列を送出する。位相変調器３１４は、この光パルス列に含まれる各パルスを０またはπでランダムに位相変調する。したがって、位相変調器から出力される光パルス列に含まれる各パルスの位相は、０またはπとなる。次に、減衰器３１６は、位相変調された光パルス列を減衰して、光パルス当り平均光子数が１個未満となるようにする。減衰器３１６としては、例えば、ＮＤフィルタ（ＮｅｕｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙＦｉｌｔｅｒ）等、レーザ光などの光源から入射される光を大きく減衰させるための手段であればどのようなものを用いてもよい。最終的に、送信機３１０は、光ファイバなどの光伝送路３２０に対して減衰した光パルス列を送出する。

次に、図３を参照して、受信機３３０の構成について説明する。受信機３３０は、受信した光パルス列を分岐する光分岐手段Ｃ１と、分岐した光パルス列に時間差Ｔを与える短経路および長経路と、時間差Ｔが与えられた光パルス列を合波する２×２合波カップラＣ２とを備えている。受信機３３０は、さらに、２×２合波カップラＣ２の２つの出力ポートのそれぞれに接続された偏光ビームスプリッタＰＢＳ１，ＰＢＳ２と、各偏光ビームスプリッタの一方の出力に接続された遅延線（遅延時間差ｔ）および半波長板Ｗ１，Ｗ２と、各偏光ビームスプリッタの２つの出力からの光パルス列を合波する２×２光合波カップラＣ３，Ｃ４と、合波された光パルス列を検出する光検出器１，２とを備えている。ここで、光検出器１，２は、図２で説明した波長変換型の光子検出器２００であり、それゆえ、偏波依存性を有するものとする。また、受信機３３０は、受信機全体の主制御を行うＣＰＵ２を備え、その他、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを保管するＲＡＭ等のメモリ（図示せず）などを備えている。

上記の構成において、受信機３３０は、光伝送路３２０を介して送信機３１０からの光パルス列を受信する。光分岐手段Ｃ１は、受信した光パルス列を２つに分岐する。分岐した光パルス列は、遅延時間差Ｔを有する短経路および長経路を介して、２×２合波カップラＣ２で合波される。遅延時間差Ｔが送信機３１０からの光パルス列のパルス間隔に等しくなるように設定されると、２×２合波カップラＣ２では、光パルス列の前後のパルスが重なり合って合波される。受信した光パルス列は、送信機３１０で各パルスが０またはπで位相変調されており、受信機内の分岐・合波経路の伝搬位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は、０またはπとなる。そして、重なり合うパルスの位相差に応じて、２×２合波カップラＣ２の２つの出力端のいずれかに光子が出力される。例えば、位相差０のとき、２×２合波カップラＣ２のＰＢＳ１側の出力端に光子が出力され、位相差πのとき、２×２合波カップラＣ２のＰＢＳ２側の出力端に光子が出力される。

２×２合波カップラＣ２から出力された光子は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１またはＰＢＳ２により、縦偏光成分と、横偏光成分とに分離される。ここで、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの縦偏光成分の出力は、２×２合波カップラＣ３の２つの入力の一方に直接接続され、横偏光成分の出力は、遅延線および半波長板Ｗ１を介して、２×２合波カップラＣ３の他方の入力に接続されている。同様に、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２からの縦偏光成分の出力は、２×２合波カップラＣ４の２つの入力の一方に直接接続され、横偏光成分の出力は、遅延線および半波長板Ｗ２を介して、２×２合波カップラＣ４の他方の入力に接続されている。半波長板Ｗ１，Ｗ２は、横偏光の光を縦偏光に変換する機能を有する。また、遅延線の遅延時間差ｔは、２×２合波カップラＣ３，Ｃ４で光パルス同士が干渉しないように設定される。このときの光パルス列の様子を、図４に示す。

また、図３に示すように、光子検出器１が２×２合波カップラＣ３の一方の出力に接続され、光子検出器２が２×２合波カップラＣ４の一方の出力に接続されている。なお、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１，ＰＢＳ２の出力から光子検出器１，２の入力までの間の偏光状態は、偏光保持ファイバや偏光保持カップラなどを用いることにより、保持されているものとする。

このような設定により、光伝送路３２０で光パルス列の偏光状態が変化しても、安定して光パルス列を検出することができる。具体的に説明すると、２×２合波カップラＣ２からＰＢＳ１側に出力された光子は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１により、縦偏光成分の光パルスＡと横偏光成分の光パルスＢに分離され、縦偏光成分の光パルスＡは、縦偏光状態のまま２×２合波カップラＣ３に到達する。一方、横偏光成分の光パルスＢは、遅延線により、２×２合波カップラＣ３で光パルスＡと干渉しないように遅延時間差ｔが与えられ、半波長板Ｗ１により、横偏光成分から縦偏光成分に変換された後、２×２合波カップラＣ３に到達する。２×２合波カップラＣ３では、遅延線の効果により、光パルスＡおよび光パルスＢは同時に到達しない。すなわち、２×２合波カップラＣ３では干渉は発生しない。このため、光パルスＡおよびＢは、それぞれ５０：５０の確率で２×２合波カップラＣ３の２つの出力ポートのうちのいずれか、すなわち、光子検出器１が接続されたポートまたは光子検出器１が接続されていないポートのいずれかに出力されることになる。したがって、受信した光パルス列のうち、２×２合波カップラＣ２からＰＢＳ１側に出力された光子は、その偏波状態によらず、５０％の確率で光子検出器１によって検出されることになる。

同様に、２×２合波カップラＣ２からＰＢＳ２側に出力された光子は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２により、縦偏光成分の光パルスＡと横偏光成分の光パルスＢに分離され、縦偏光成分の光パルスＡは、縦偏光状態のまま２×２合波カップラＣ４に到達する。一方、横偏光成分の光パルスＢは、遅延線により、２×２合波カップラＣ４で光パルスＡと干渉しないように遅延時間差ｔが与えられ、半波長板Ｗ２により、横偏光成分から縦偏光成分に変換された後、２×２合波カップラＣ４に到達する。２×２合波カップラＣ４では、遅延線の効果により、光パルスＡおよび光パルスＢは同時に到達しない。すなわち、２×２合波カップラＣ４では干渉は発生しない。このため、光パルスＡおよびＢは、それぞれ５０：５０の確率で２×２合波カップラＣ４の２つの出力ポートのうちのいずれか、すなわち、光子検出器２が接続されたポートまたは光子検出器２が接続されていないポートのいずれかに出力されることになる。したがって、受信した光パルス列のうち、２×２合波カップラＣ２からＰＢＳ２側に出力された光子は、その偏波状態によらず、５０％の確率で光子検出器２によって検出されることになる。

受信機３３０は、ＣＰＵ２により、光子を検出した時刻と、いずれの光子検出器で光子を検出したかを記録する。所定の数の光子が検出された後、受信機３３０は、送信機３１０に対して光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。

送信機３１０は、通知された光子検出時刻と、送信機自身の有する位相変調データとから、受信機３３０が検出器１または２のどちらで光子を検出したかを知ることができる。送信機３１０と受信機３３０は、光子を検出した事象について、例えば、光子検出器１によるものであればビット「０」を、光子検出器２によるものであればビット「１」を付与する。これにより、送信機３１０と受信機３３０は、共通のビット列を得ることになり、これを秘密鍵とすることができる。

以上、本発明について、具体的に説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

従来技術による差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示すブロック図である。波長変換型の光子検出器の基本構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。図３における２×２合波カップラＣ３，Ｃ４の出力端での光パルス列の様子を示す図である。

符号の説明

１００量子鍵配送システム
１１０送信機
１２０伝送路
１３０受信機
２００光子検出器
２０２光非線形素子
２０４光フィルタ
２０６Ｓｉ−ＡＰＤ
３００量子鍵配送システム
３１０送信機
３１２光源
３１４位相変調器
３１６減衰器
３２０光伝送路
３３０受信機

Claims

送信機と受信機とを備えた、量子暗号通信を行なうための量子暗号システムであって、
前記送信機は、
一定の時間間隔の光パルスからなる光パルス列を発生する光源と、
前記光パルス列の各光パルスを０またはπで位相変調する位相変調器と、
前記位相変調器から出力される光パルス列を、パルス当りの平均光子数が１未満になるように減衰する減衰器と
を備え、
前記受信機は、
前記送信機からの光パルス列を２分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された２つの光パルス列間に前記一定の時間間隔と等しい時間差Ｔを与える第１の遅延手段と、
前記時間差Ｔが与えられた２つの光パルス列を合波し、位相差０またはπに応じて、２つのポートのいずれかに干渉光パルスを出力する第１の合波手段と、
前記第１の合波手段の一方の出力ポートに接続され、当該一方の出力ポートから出力される前記干渉光パルスの光子を直交する第１偏光、第２偏光の２つの偏光成分に分離する第１の偏光分離手段と、
前記第１の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子を、前記第１の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子に対して、所定時間ｔだけ遅延させる第２の遅延手段と、
前記第１の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子の偏光状態を、前記第２偏光に変換する第１の偏光変換手段と、
前記第２の遅延手段で所定時間ｔだけ遅延されるとともに前記第１の偏光変換手段で偏光状態が前記第２偏光に変換された後の前記第１の偏光分離手段で分離された一方の光子と、前記第１の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子とを合波する第２の合波手段と、
偏波依存性を有する光子検出器であって、前記第２の合波手段の２つの出力ポートのうちの一方に接続され、前記第２偏光の光子を検出するように構成された第１の光子検出器と、
前記第１の合波手段の他方の出力ポートに接続され、当該他方の出力ポートから出力される前記干渉光パルスの光子を直交する第１偏光、第２偏光の２つの偏光成分に分離する第２の偏光分離手段と、
前記第２の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子を、前記第２の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子に対して、前記所定時間ｔだけ遅延させる第３の遅延手段と、
前記第２の偏光分離手段で分離された一方である前記第１偏光の光子の偏光状態を、前記第２偏光に変換する第２の偏光変換手段と、
前記第３の遅延手段で前記所定時間ｔだけ遅延されるとともに前記第２の偏光変換手段で偏光状態が第２偏光に変換された後の前記第２の偏光分離手段で分離された一方の光子と、前記第２の偏光分離手段で分離された他方である前記第２偏光の光子とを合波する第３の合波手段と、
偏光依存性を有する光子検出器であって、前記第３の合波手段の２つの出力ポートのうちの一方に接続され、前記第２偏光の光子を検出するように構成された第２の光子検出器と
を備え、
前記所定時間ｔは、前記第２、第３の合波手段に入力される光パルス同士が干渉しないように設定され、
前記受信機が前記第１、第２の光子検出器において光子を検出した時刻を前記送信機に伝えることによって、前記受信機および前記送信機で共通のビット列を共有するように構成されたことを特徴とする量子暗号システム。