JP4709826B2 - Ｑｋｄシステムのレーザオート・キャリブレーション - Google Patents

Description

本発明は量子暗号の分野に関連し、その分野において産業上の実用性を有する。特に、最適なシステムパフォーマンスを維持するために、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムをオート・キャリブレーションする装置及び方法に関連し、その分野において産業上の実用性を有する。

量子鍵配送（ＱＫＤ）は、「量子チャネル」越しに送信された弱い（例えば、平均で０．１フォトン）の光信号（「光子信号」）を用いて、送信者（「アリス」）及び受信者（「ボブ」）の間で、鍵を確立することに関係する。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、光子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。

量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（‘４１０特許）の中で示されている。
上記文献はそれぞれ、いわゆる「一方向型」ＱＫＤシステムについて記載している。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが光子信号の偏光又は位相をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子信号の偏光又は位相をランダムに測定するものである。‘４１０特許に述べられている一方向型システムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリス及びボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計システムの各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号（パルス）は、時分割され、異なった経路をたどる。結果として、干渉計は、熱ドリフトを補正するために、伝送中は数十ナノ秒の精度で能動的に安定化している必要がある。

本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる、ギシンの特許文献２（‘２３４特許）では、偏光や熱ゆらぎを自動補正する、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムについて開示されている。このように、‘２３４特許の双方向型ＱＫＤシステムは、一方向型システムに比べて環境の影響を受けにくい。
米国特許公報第５，３０７，４１０号 米国特許公報第６，４３８，２３４号 "Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ： Ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｉｎ ｔｏｓｓｉｎｇ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８４）

商業用ＱＫＤシステムが動作している際は、多重変数は正しく調整され、さらに最適なシステムパフォーマンスのためにその状態を維持する必要がある。例えば、商業用ＱＫＤシステムでは、予測したパルス到着時間で光パルスの検出を同期させるために、１つ以上の単一光子検出器（ＳＰＤ）が、コントローラからのゲート信号でゲートされている。しかし、そのタイミングは、一旦システムがセットアップされると、様々なシステム的、環境的な要素によってドリフトして、光子カウントが低下することもある。これによって、システムの転送レートが低下して、さらにビットエラー・レートも増加する。つまり、最適なシステムパフォーマンスを下回る。

実験用及びプロトタイプのＱＫＤシステムでは、極端に制御されしかも人工的な条件の下でシステムドリフトを考慮するように調整できる。一方で、同じ分野の商業用ＱＫＤシステムに対して必要とされる調整を行うには、はるかに大変な努力が必要である。そして、実験的な又はプロトタイプのＱＫＤシステムとは異なり、商業用ＱＫＤシステムのエンドユーザは、そのＱＫＤシステムが、オペレータの介入が最小限又は全くなしに、最適な状態で自動的に動作することを期待している。

本発明の第１の態様は、２つの暗号化ステーションを備えたＱＫＤシステムのオート・キャリブレーション方法であり、暗号化ステーションの１つは、レーザ及びコントローラを有している。本方法は、コントローラからレーザへレーザゲート信号Ｓ０を送信することによりレーザゲート・スキャンを実行し、第１選択範囲Ｒ１にわたって信号の到着時間Ｔを変化させる。本方法はまた、ＱＫＤシステムの暗号化ステーション間で光子信号を交換する際に、単一光子検出器（ＳＰＤ）部からの最大光子カウント数Ｎ_MAXに対応するレーザゲート信号の最適なタイミングＴ_MAXを決定する。本方法は、さらに、光子カウントを最大値Ｎ_MAXのような最適な値に維持するために、Ｔ_MAXを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔを変化させることで、レーザゲート信号ディザリングを実行する。

本発明の第２の態様は、２つの暗号化ステーションと、それらの１つにおけるコントローラに連結されたレーザを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて、鍵を交換する方法である。本方法では、光子信号を生成するためにレーザを用い、ＱＫＤシステムにおける暗号化ステーション間で光子信号を交換する。本方法ではまた、第１レーザゲート・スキャンを実行する。第１レーザスキャンは、検出器からの第１最大光子カウント数Ｎ_MAXに対応するレーザゲート信号の第１最適到着時間Ｔ_MAXを確立するために、レーザゲート信号到着時間Ｔの範囲にわたってレーザゲート信号Ｓ０をコントローラからレーザに送ることで実行される。本方法は、さらに、第１Ｔ_MAXが確立されると第１レーザゲート・スキャンを終了し、次いで第１レーザゲート・ディザを実行する。第１レーザゲート・ディザは、範囲Ｒ２にわたって、最大光子カウント数Ｎ_MAXもしくは異なる最大光子カウント数Ｎ’_MAXのいずれかを維持するために、第１Ｔ_MAXについての到着時間範囲Ｒ２にわたって、（最適な）レーザゲート信号の到着時間Ｔをコントローラで変化させることで実行される。

本発明の第３の態様は、すぐ上で述べた本発明の第２の態様の方法に続くものであって、レーザゲート・ディザを実行すると、新しい最適な到着時間Ｔ’_MAXを生じさせるものである。本発明の第３の態様の方法は、自動的に最適なシステムパフォーマンスを再確立するために、レーザゲート・ディザの実行を終了し、第２レーザゲート・スキャンを実行し、第２レーザゲート・スキャンを終了し、そして第２レーザゲート・ディザを実行する。

本発明は、最適なシステムパフォーマンスを維持するための、ＱＫＤシステムのオート・キャリブレーションを実行する方法に関する。特に、本発明は、最適なレーザゲート信号の位置（タイミング）を決定するためのレーザゲート信号スキャニングを実行し、さらに、ＱＫＤシステムの動作中に最適なレーザゲート信号のサイズ（すなわち、幅）及び位置を維持するためにレーザゲート信号のタイミングのディザリングを実行することを含む。これにより、通常ＱＫＤシステム全体としての最適な動作に対応する、最適な光子信号（すなわち、最大の光子信号カウント数）を検出することになる。本発明は、システムがオペレータの介入なしに、理想的もしくはほぼ理想的な状態での動作を維持できるように、プログラムされたコントローラによって実行されることが好ましい。このようなオート・キャリブレーションは、商業的に実現可能なＱＫＤシステムにおいて不可欠なものである。

本発明は、偏光符号化又は位相符号化のいずれか、かつ１つ以上の単一光子検出器を用いた、一方向型、双方向型、リング型トポロジ及びｎ方向型ＱＫＤシステムに対して適用できる。本発明は、位相符号化及び２つの検出器を有する単一光子検出器部を用いた、双方向型ＱＫＤシステムの一実施例に関連付けて説明される。このようなＱＫＤシステムを選択したのは、本発明の方法を単に例示するためであり、本発明を制限するものではない。

さらに、下記の説明では、「ゲート信号」は、信号が送られた構成部を駆動させる信号であり、構成部の起動は信号の継続時間（幅Ｗ）に対応している。このように、レーザゲート信号は、レーザゲート信号の継続時間（すなわち、幅）、レーザを駆動する。駆動は、パルスの前端で開始され、パルスの後端で終了する。パルス化されたレーザでは、光パルスが、レーザゲート信号の幅の間のいくつかの点（例えば、ゲート信号の立ち上がりエッジ）においてレーザから放射される。そして、この光パルスは、レーザゲート信号のパルスの幅よりも小さい光パルス幅を有する場合もある。

また、下記では、レーザが、ＱＫＤシステムの２つの暗号化ステーション間で鍵を交換するために用いられる光パルスを生成する。好ましい実施形態においては、これらのパルスは、平均で１光子以下を有する量子パルス（以下、「光子信号」と称す）を形成するために、レーザを出た後に減衰される。従って、以下の記載及びクレームでは、「レーザによって生成された光子信号」や同様な語句は、光子信号を形成するために、後ほど（例えば、可変アッテネータを介して）減衰される比較的強い光パルスをレーザが生成する場合と、レーザが単一光子源であるか、もしくはそうでなければレーザが単一光子源に含まれる場合を含むと解される。
＜ＱＫＤシステムの実施例＞
図１は、本発明の方法が最も良く適合する折り返し型ＱＫＤシステム２００の一実施例の概念図である。システム２００は、２つの鍵暗号化（「暗号化」）ステーションと、以下単に「ボブ」及び「アリス」として称する、伝達／受信ステーションであるボブと、反射ステーションであるアリスとを有する。
＜ボブ＞
図１の参照を続けると、ボブは、光パルス２０４を放射するレーザ２０２を有する。一実施例では、レーザ２０２はレーザダイオードであり、バックファセットモニタ（ＢＦＭ）２０３を含む。レーザ２０２は、入力端２０８Ａ、入力／出力端２０８Ｂ、及び検出器出力端２０８Ｃを有する時間多重化／逆多重化光学システム２０６に連結されている。光学システム２０６は、入力端２０８Ａで入力パルス２０４を受信し、各パルスを時間多重化された２つの直交偏光パルスＰ１，Ｐ２に分割し、それらのパルスを入力／出力端２０８Ｂで出力する。同様に、光学システム２０６は、下記に示すように、光パルスを入力／出力端２０８Ｂでも受信する。

単一光子検出器（ＳＰＤ）部２１６は、検出器出力端２０８Ｃで、光学システム２０６に連結されている。一実施例では、ＳＰＤ部２１６は、２つのＳＰＤ２１６Ａ及び２１６Ｂを含んでいる。位相変調器（ＰＭ）２２０は、光学システムの入力／出力端２０８Ｂに（例えば、光ファイバによって）連結されている。光ファイバ２４０は、ＰＭ２２０でボブ及びアリスを接続する。

ボブは、さらに、コントローラ２４８を有している。コントローラ２４８は、レーザ２０２、ＢＦＭ２０３、ＳＰＤ部２１６、及びＰＭ２２０に、これら各部の動作を制御するために下記に述べるように機能的に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例では、コントローラ２４８は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示（例えば、「ソフトウェア」）を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示は、下記に述べるように、本発明に係る方法を含んでいる。
＜アリス＞
アリスは、光ファイバ２４０に接続された可変光学アッテネータ（ＶＯＡ）２６４を有している。位相変調器（ＰＭ）２６６は、ＶＯＡ２６４の下流に配置され、ＶＯＡ２６４に光学的に連結されている。ファラデーミラー２７０はＰＭ２６６の下流に配置され、ＰＭ２６６に光学的に連結されている。

また、アリスは、コントローラ２８８も有している。コントローラ２８８は、ＰＭ２６６及びＶＯＡ２６４に、機能的に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例では、コントローラ２８８は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示（例えば、「ソフトウェア」）を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示は、下記に述べるように、本発明に係る方法を含んでいる。

コントローラ２４８，２８８は、アリス及びボブの動作を同期させるため、同期リンク２９０を介して（例えば、電気的あるいは光学的に）接続されている。特に、アリス及びボブの間で量子鍵が交換されると、レーザ２０２、位相変調器２２０，２６６及びＳＰＤ部２１６の動作は、コントローラ２４８，２８８により、ゲート信号Ｓ０，Ｓ２，Ｓ３及びＳ１をそれぞれ用いて、放射された光パルス２０４に対応して制御・整合される。このようにして、一実施例では、コントローラ２４８，２８８は、ＱＫＤシステムの単一コントローラを構成していると考えることができる。
＜ＱＫＤシステムの動作＞
図１の参照を続けると、システム２００の動作において、光パルス２０４を生成するために、レーザゲート信号Ｓ０は、コントローラ２４８によってレーザ２０２へ送信される。次いで、光パルス２０４は、時間多重化／逆多重化光学システム２０６によって、２つの別個のパルスＰ１及びＰ２に分割される。一実施例では、パルスＰ１及びＰ２は、比較的弱いパルスであるが、後ほど、ボブに戻る前にアリスで減衰された強いパルスになり得る。光パルスＰ１及びＰ２は、ＰＭ２２０に向かって光学システムの入力／出力端２０８Ｂを出て行く。ＰＭ２２０は、パルスが変調されずに通過可能なようにゲートされている。パルスＰ１及びＰ２は、次に、光ファイバ２４０越しにアリスへ送られる。パルスＰ１及びＰ２は、続いてＶＯＡ２６４を通過していき、そこでは、必要であればパルスを減衰可能である。次に、パルスは、ＰＭ２６６を通過し、ファラデーミラー２７０で反射され、再度ＰＭ２６６に送り返される。

ＰＭ２６６を介したパルスＰ１及びＰ２の一方の通過に際して、ＰＭはパルスの１つ−例えば、Ｐ１−を変調して、位相変調パルスＰ１’を形成する。これは、コントローラ２８８によって行われ、コントローラ２８８では、パルスＰ１がＰＭ２６６を通過する際に、ＰＭ２６６を短時間で駆動させる間合いの取れたゲート信号Ｓ１（すなわち、パルス間のタイムセパレーションよりも小さい）を送信する。次に、パルスＰ１及びＰ２は、ＶＯＡ２６４を通って送り返され、そこでは、必要であれば、光子信号（すなわち、１以下の平均光子数を有する光パルス）がボブ及びアリスの間で確実に交換されるように、パルスを減衰してもよい。

次にパルスは、光子信号としてボブに戻され、ＰＭ２２０に渡される。次に、ＰＭ２２０は、変調パルスＰ２’を形成するために、選択位相変調値の１つを用いて、ランダムにパルスの１つ−例えば、残りの非変調パルスＰ２−を変調するよう指示される。これは、コントローラ２４８が、ＰＭ２２０に間合いの取れたゲート信号Ｓ２を提供することにより実行することができる。ゲート信号Ｓ２は、パルスＰ２がＰＭ２２０を通過する短い時間の間に、位相変調器を駆動させるものである。

今や変調されたパルスＰ１及びＰ２は、光学システム２０６に向かい続ける。光学システム２０６は、結合パルスＰ３を形成するためにパルスを結合し、結合パルスＰ３は、検出器出力端２０８Ｃから出てＳＰＤ部２１６に向かう。ＳＰＤ部２１６は、結合パルスＰ３を受信し、コントローラ２４８に信号を出力する。信号は、ＰＭ２６６，２０６によって、各々パルスＰ１，Ｐ２に伝えられる相対位相に対応している。一実施例では、干渉が強めあうものか弱めあうものかに基づいて、検出器２１６Ａ及び２１６Ｂの１つが干渉されたパルスＰ３を受け取る。与えられた位相が強めあうものでも弱めあうものでもなければ、パルスＰ３は、等確率でいずれかの検出器においてワインドアップする。

一旦、所望の光子信号数が交換されると、標準的な技術を用いて鍵を得ることができる。例えば、アリス及びボブにより、それらの測定基準を公開で比較し、同じ測定基準に対応する測定（ビット）のみを保持する。これにより、ふるいにかけられた鍵が形成される。その後、アリス及びボブは、盗聴者イブの存在を検査するために残りのビットの集合を選択して、その後廃棄する。ボブ及びアリスの間に送信される弱い光パルスを妨害あるいは測定しようする、イブの光ファイバ２４０上における盗聴行為は、交換される光子の量子性により必然的に鍵にエラーを導入してしまう。ふるいにかけた鍵に、盗聴者イブの存在によるエラーがない場合には、送信は安全だと考えられ、量子鍵が確立される。
＜最適なシステム動作を維持する方法＞
図２は、図１のＱＫＤシステム２００のような、ＱＫＤシステムの最適なシステム動作を維持するための方法を示すフロー図３００である。この方法は、下記に述べる方式によって、レーザゲート・スキャン及びレーザゲート・ディザの両方を実行する。

３０２において、鍵交換プロセスは、コントローラ２４８によって開始される。コントローラ２４８は、時分割された光パルスＰ１，Ｐ２がボブからアリスに送られるように光パルス２０４を放射するために、レーザ２０２に対してレーザゲート信号Ｓ０を送出する。このプロセスは、上述したように、コントローラ２８８がＰＭ２６６に対して、ゲート信号Ｓ１を介してパルスの一つを位相変調するように指示すること、パルスをボブに戻すこと、残りのパルスを変調すること、変調パルスを結合すること、及びＳＰＤ部２１６において結合されたパルスＰ３を検出すること、を含んでいる。

３０４では、レーザゲート・スキャンが実行される。これは、タイミング値の選択範囲Ｒ１にわたってレーザゲート信号Ｓ０のタイミング（例えば、到着時間Ｔ）を変化させることで、最適な光子カウントをもたらす最適なゲート・タイミング（到着時間）Ｔ_MAXを確立することを含む。一実施例では、最適な光子カウントは、ＳＰＤ部２１６により検出された、交換された光子信号の最大光子カウント数Ｎ_MAXである。他の実施例では、最適な光子カウントは、所定の間隔におけるＳＰＤ部２１６からの「ダブルクリック」数に対するその同じ時間間隔における全光子カウント数ＮＴの最大である。ダブルクリックは、例えば、ダークノイズもしくはＳＰＤ部２１６の２つの別個のＳＰＤにおいて検出された２つの光子から生じる。

ＳＰＤ部２１６が２つの検出器２１６Ａ及び２１６Ｂを含む場合、ＳＰＤ部に生じるドリフト（例えば、熱ドリフト）が、２つのＳＰＤが共にドリフトするように、ＳＰＤの２１６Ａ及び２１６Ｂに実質的に同程度に影響を与えるだろうと推定するのは、概してよいことである。
図３は、実施例中のレーザゲート・スキャンの結果の例示プロットであり、最大光子カウント数Ｎは、最適な光子カウントとして測定される。図３のプロットにおいて、Ｙ軸は、所定のレーザゲート・スキャン時間Ｔに関連する、ＳＰＤ部２１６によって得られた光子カウント数Ｎである。Ｘ軸は、最大光子カウント数Ｎ_MAXを得るために変化する、レーザ２０２でのレーザゲート信号Ｓ０の相対時間（例えば、到着時間Ｔ）を示す。

本発明の文脈上において、最大光子カウント数Ｎ_MAXは、最適なシステム性能に対応している。なぜなら、最大光子カウント数Ｎ_MAXは、暗電流カウントを増加させることなく、最高のデータ転送レート及び最高の光子信号感度レベルｖｓタイミングに対応しているからである。同様に、本発明の一実施例では、下記に説明するように、最適な光子信号は、レーザゲート・ディザリングを可能とするスムーズな検出器応答を維持しながら、光子パルスの比をダーク・イベント・パルスに最適化する。

図３の曲線は、タイミング値Ｔ（Ｘ軸）の選択範囲Ｒ１にわたってレーザゲート信号Ｓ０の到着時間Ｔをインクリメントすることによって得られる。一実施例では、到着時間Ｔは、基準、例えば、コントローラ２４８によって提供されたクロック基準時間に対して、レーザゲート信号の前端の位置に対応している。
一旦Ｔ_MAX及びＮ_MAXが決定されると、次にプロセスは３０６に移行し、レーザゲート・スキャンが停止される（すなわち、オフされる）。

３０８では、レーザゲート・ディザリングが実行される。これは、レーザゲート信号Ｓ０のタイミング（例えば、到着時間Ｔ）及び／又はパルス幅Ｗを最大（最適）到着時間Ｔ_MAX辺りの選択されたタイミング範囲Ｒ２内で少量だけ繰り返し変更することを含む（すなわち、レーザゲート信号は「ディザ」される）。そして、必要であれば、到着時間Ｔを元の最適値Ｔ_MAXから新しい最適値Ｔ’_MAXにシフトして、光子カウントＮが最大値Ｎ_MAX（又は、別の場合には、新しい最大光子カウントＮ’_MAX）に維持されることを含む。なお、選択範囲Ｒ２は、Ｒ１より狭く、Ｔ_MAXについての比較的小さな範囲を囲むように選択される。さらになお、上述したように、任意のレーザゲート幅スキャニング及びディザリングを実行してもよい。

一実施例では、タイミング範囲Ｒ２は、セキュリティ・アタッカ（例えば、イヴ）がタイミングをずらして好ましくない配置に持っていくことを妨げるくらい小さく、しかもディザリング・プロセスが成功する、すなわち、光子カウントＮを最大値Ｎ_MAXに保つくらい大きくなるように選択される。
図３を再び参照すると、曲線上の４個のデータ・ポイントｄ１，ｄ２，ｄ３及びｄ４は、例示のために強調されている。データ・ポイントｄ１が最初に計測され、次により大きな到着時間Ｔに関連したデータ・ポイントｄ２が計測されると想定する。ｄ２に関連した光子カウント数がｄ１に関連した光子カウント数より少ないため、レーザゲート信号Ｓ０の到着時間Ｔは減少している。データ・ポイントｄ１に関連したレーザゲート信号位置に対する光子カウント数は、再測定される。ｄ１において、第２データ・ポイントに関連する光子カウント数Ｎは、データ・ポイントｄ２に関連する光子カウント数より高いため、到着時間Ｔはさらに減少し、光子カウントが測定される。この結果はデータ・ポイントｄ３であり、それはデータ・ポイントｄ１に対する光子カウントより多い光子カウントを有している。到着時間Ｔはこのようにして再び減らされ、データ・ポイントｄ４に関連したより小さな光子カウントをもたらす。この計測はｄ３のための計測より少ないため、レーザゲート信号Ｓ０の到着時間Ｔは増加するが、それほど多くはなく、データ・ポイントｄ２に関連した値に戻る。

この方法では、レーザゲート信号タイミングは、最大（又はほとんど最大の）光子カウント数に集束するまで、往復的に変更される（「ディザ」される）。このようにして、ＳＰＤ部２１６の通常動作中は、レーザゲート・ディザ・プロセスが単一光子感度を高く保つ。一実施例では、レーザゲート・ディザリングは定期的に、例えば毎秒実行される。一実施例では、このレートは、受信された単一光子カウント数に比例している。

３１０では、別のレーザゲート・スキャンを開始することで、レーザゲート信号Ｓ０のオート・キャリブレーションを選択実行することが提示されている。このようなオート・キャリブレーションが望ましい又は必要とみなされた場合には、方法は３１２に移行する。３１２では、レーザゲート・ディザはオフされ、プロセスは３０４のレーザゲート・スキャンに戻って、レーザゲートタイミング及び／又はレーザゲート信号幅に対してアップデートされたキャリブレーションを実行する。それによって、新しい最適な到着時間Ｔ_MAX及び／又は最適なパルス幅Ｗ_MAXを見つけだす。このアップデートされたキャリブレーションは、様々な理由、例えば、環境における変化の検出や通常のシステムドリフトのために実行が必要とされる。

一実施例では、ＱＫＤシステムのオート・キャリブレーションは、下記の条件のいずれかが生じると実行される。すなわち、ａ）光子カウントレベルにおける統計上の制限外の変化、ｂ）所定量、例えば０．５℃を越えた周囲温度の変化、ｃ）光子カウントレベルの変化の前にペンディング中のイベントのメッセージが送られるように、スイッチング・ネットワーク・エレメントを通過するように光経路がａ）とは異なる構成に変化した場合、ｄ）周知の１日の間の温度サイクルに起因する日々のスケジュール、及びｅ）要不要に関係なく、例えば毎時といった固定時間ベースの場合、である。

レーザゲート・スキャンを実行するに先立って、レーザゲート・ディザをオフする必要が生じる。なぜなら、これら２つのプロセスは互いに干渉し得るからである。具体的には、レーザゲート・スキャンが、レーザゲート信号のタイミング又は幅をスムーズに（すなわち、インクリメンタルに）増加させようとするのに対して、レーザゲート・ディザは、最大光子カウント数に留まるために小さなインクリメントにわたって往復的に変数を調整しようとする。この結果、これら２つの競合プロセスは、偽りの結果を作り出す可能性がある。このようにして、３０４のレーザゲート・スキャン中のレーザゲート信号パラメータのスキャン及びアップデートに続いて、レーザゲート・ディザが自動的に（又は、別の例として、手動で）オンに戻される。

もし、オート・キャリブレーションを実行する要求やその必要がない場合は、方法は、レーザゲート・ディザ・プロセス３０８に留まり、上述したように、例えば毎秒程度繰り返される。定期的なレーザゲート・ディザ・プロセスでは、光子カウントをＮ_MAXに維持するために、又は別の例として光子カウントを新しい最大値Ｎ’_MAX，Ｎ”_MAX等に維持するために、通常はＴ_MAXの値がわずかに変化するだけである。

明瞭かつ簡潔にするため、本発明では、「最大光子カウント」は、Ｎ_MAX，Ｎ’_MAX，又はＮ”_MAX等を意味する。同様に、「最適な到着時間Ｔ_MAX」は変化可能であり、そのため本発明では、Ｔ_MAX，Ｔ’_MAX，及びＴ”_MAX等を意味する。同様に、「最適な光子カウント」は、ここでは一般的にＱＫＤプロセスの最中に光子をカウント（検出）することに基づく性能指数を参照するために用いられる。

一実施例では、一以上の本発明の方法は、少なくともコンピュータによる読みとり可能な媒体２５０及び２８９の１つに組み込まれ、少なくともコントローラ２４８及び２８８の１つによって実行される。
以上、本特許出願は、２００４年３月１９日に出願された、米国仮特許出願第６０／５５４，６８７号から、優先権を主張する。
前述の実施形態においては、理解を簡単にするために様々な実施例において様々な特徴をまとめた。本発明の特徴及び効果の多くは詳細な明細書から明らかであり、それ故、添付の明細書は、本発明の真の趣旨及び範囲に従う開示された装置のそのような特徴及び効果を全て網羅することを意図している。さらに、当技術分野の技術者ならば多くの修正や変更を容易に思いつくであろうから、本発明は、ここで述べた構成、動作、及び実施例に厳密に限定されるものではない。従って、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれる。

本発明の方法の実装に適した双方向型ＱＫＤシステムの一例を示す図。 光子信号を交換する際に、光子カウントを最適化するためのレーザゲート信号のスキャニング及びディザリングを実行する、レーザオート・キャリブレーション方法を示すフロー図。 図１に示すようなＱＫＤシステムの単一光子レーザゲート・スキャンの例示プロット。ここで、Ｙ軸は、ＳＰＤ部からの規則的な時間間隔における光子カウント数Ｎであり、Ｘ軸は、レーザゲート信号のタイミング（到着時間）である。

図面に描かれた様々な構成は単に代表的なものであり、必ずしも実寸通りに描かれていない。強調された部分もあれば、縮小された部分もあり得る。これら図面は、当業者にとって理解及び適切な実施が可能な本発明の様々な実施形態を例示することを意図している。

Claims (14)

1. ２つの暗号化ステーションと、レーザと、単一光子検出器（ＳＰＤ）部とを備えた量子鍵配送（ＱＫＤ）システムのオート・キャリブレーション方法であって、
   ａ）前記レーザにレーザゲート信号を送信することによってレーザゲート・スキャンを実行し、前記レーザによって生成され、前記２つの暗号化ステーションの間で交換された光子信号に対する前記ＳＰＤ部からの第１最適光子カウント数に対応する最適到着時間Ｔ_MAXを決定するために、第１範囲Ｒ１にわたって前記レーザゲート信号の到着時間Ｔを変化させること、
   ｂ）前記最適到着時間Ｔ_MAXを決定した場合前記レーザゲート・スキャンを終了し、
   ｃ）前記最適到着時間Ｔ_MAX周りであって前記第１の範囲よりも小さい第２範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによってレーザゲート・ディザリングを実行して、前記第１最適光子カウント数、又は前記第１最適光子カウント数よりも多い第２最適光子カウント数のいずれかを維持し、
   ｄ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
   ｅ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記レーザゲート・ディザリングを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
   オート・キャリブレーション方法。
2. 前記第１及び／又は第２最適光子カウント数は、
   ｉ）検出された光子の最大数Ｎ_MAX、又はｉｉ）ある時間間隔にわたって検出された全光子カウント数Ｎを前記時間間隔における前記ＳＰＤ部によるダブルカウントの数によって除算した数の最大、のいずれかである、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ＱＫＤシステムは、プログラム可能なコントローラ及びコンピュータによる読み取り可能な媒体を有しており、前記レーザゲート信号は前記コントローラによって提供され、前記コントローラが前記ＱＫＤシステムに指示して前記ａ）及びｅ）を実行可能となるように、前記方法は前記コンピュータによる読み取り可能な媒体で具現化されている、請求項１に記載の方法。
4. 以下の量子鍵配送（ＱＫＤ）システムのオート・キャリブレーション方法を実行するために、レーザを有する前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指示するための指示を具現化するコンピュータにより実行可能なプログラムであって、
   ａ）前記レーザにレーザゲート信号を送信することによってレーザゲート・スキャンを実行し、ＳＰＤ部からの最適光子カウント数に対応する最適な到着時間Ｔ_MAXを決定するために、第１範囲Ｒ１にわたって前記レーザゲート信号の到着時間Ｔを変化させ、
   ｂ）前記最適到着時間Ｔ_MAXを決定した場合前記レーザゲート・スキャンを終了し、
   ｃ）前記最適到着時間Ｔ_MAX周りであって前記第１の範囲よりも小さい第２範囲Ｒ２にわたって前記レーザゲート信号の前記到着時間Ｔを変更することによってレーザゲート・ディザリングを実行して、前記光子カウントを最適に維持し、
   ｄ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
   ｅ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記レーザゲート・ディザリングを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
   コンピュータにより実行可能なプログラム。
5. 前記最適な光子カウント数は、
   ｉ）最大光子数Ｎ_MAX、又はｉｉ）ある時間間隔にわたって検出された全光子カウント数Ｎを前記時間間隔における前記ＳＰＤ部によるダブルカウントの数によって除算した数の最大、のいずれかである、
   請求項４に記載のコンピュータにより実行可能なプログラム。
6. コントローラに共に動作可能に連結されたレーザ及びＳＰＤ部を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて量子鍵を確立する方法であって、
   前記ＱＫＤシステムの暗号化ステーション間で光子信号を交換し、前記光子信号は前記レーザによって生成され、
   下記のａ）からｆ）を実行することによりシステム動作を最適に維持し、
   ａ）レーザゲート信号の到着時間Ｔの範囲Ｒ１にわたって、前記コントローラから前記レーザにレーザゲート信号を送信することによってレーザゲート・スキャンを実行し、
   ｂ）前記レーザゲート・スキャンから、前記ＳＰＤ部からの第１最大光子カウント数Ｎ_MAXに対応する前記レーザゲート信号の第１最適到着時間Ｔ_MAXを確立し、
   ｃ）前記第１最適到着時間Ｔ_MAXが確立されると、前記レーザゲート・スキャンを終了し、
   ｄ）前記第１の範囲Ｒ１よりも小さく且つ前記第１最適到着時間Ｔ_MAX周りの第２の範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更させることによって、レーザゲート・ディザを実行して、前記第２の範囲Ｒ２にわたって、前記第１最大光子カウント数Ｎ_MAX又は前記第１最大光子カウント数Ｎ_MAXよりも多い最大光子カウント数Ｎ’_MAXのいずれかを維持し、
   ｅ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
   ｆ）前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記レーザゲート・ディザリングを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
   前記ＱＫＤシステムにおいて前記暗号化ステーション間で交換された光子信号を測定し、
   前記暗号化ステーション間において、光子信号を測定する測定基準を比較し、
   前記暗号化ステーションにおいて同じ測定基準に対応する測定結果を保持し、
   量子鍵を確立するためのふるいにかけられた鍵を形成する、
   方法。
7. 前記レーザゲート・ディザの実行により、新しい最適な到着時間Ｔ’_MAXがもたらされる、請求項６に記載の方法。
8. 前記新たなレーザゲート・スキャンを終了し、
   新たなレーザゲート・ディザを実行する、
   請求項６に記載の方法。
9. 一連のレーザゲート・ディザが実行されるように、さらに、前記レーザゲート・ディザを定期的に終了する及び繰り返す、請求項６に記載の方法。
10. 以下の量子鍵配送（ＱＫＤ）システムのオート・キャリブレーション方法を実行するために、前記ＱＫＤシステムの動作を制御するように調整された前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指令するプログラムであって、前記方法は、
    光子信号を前記ＱＫＤシステムの暗号化ステーション間に送信し、前記光子信号は、レーザでの関連到着時間Ｔを有するレーザゲート信号に応じて、前記レーザによって生成され、
    複数の到着時間を含む第１範囲Ｒ１にわたって到着時間Ｔを変化させることにより、レーザゲート・スキャンを実行して、前記ＱＫＤステーションのうちの１つにおける検出部からの第１最大光子カウント数Ｎ_MAXに対応する第１最適到着時間Ｔ_MAXを決定し、
    前記第１最適到着時間Ｔ_MAXが決定されると、前記レーザゲート・スキャンを終了し、
    前記第１最適到着時間Ｔ_MAX周りであって前記第１の範囲Ｒ１よりも小さい第２範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによって、レーザゲート・ディザを実行して、ａ）前記第１最大光子カウント数Ｎ_MAX、又はｂ）前記第２範囲Ｒ２にわたって前記第１最大光子カウント数Ｎ_MAXよりも多い第２最大光子カウント数Ｎ’_MAXのいずれかを維持し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記レーザゲート・ディザを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
    プログラム。
11. レーザと、単一光子検出器（ＳＰＤ）部と、前記レーザ及び前記ＳＰＤ部に動作可能に連結されたコントローラとを備えた量子鍵配送（ＱＫＤ）システムのオート・キャリブレーション方法であって、
    前記コントローラから送信されたレーザゲート信号で前記レーザを駆動することによって、前記レーザで光子信号を生成し、前記レーザゲート信号は関連レーザゲート信号タイミングＴを有しており、
    前記ＱＫＤシステムにおいて、暗号化ステーション間で前記光子信号を送信し、
    前記ＳＰＤ部で第１最適光子カウント数を得ることによって、前記レーザに到着する前記レーザゲート信号の最適な到着時間Ｔ_MAXを決定するために、レーザゲート・スキャンを実行し、
    前記最適到着時間Ｔ_MAXが決定されると、前記レーザゲート・スキャンを終了し、
    前記最適到着時間Ｔ_MAXの周りにおいて前記レーザゲート信号到着時間を周期的にディザリングして、前記第１最適光子カウント数又は前記第１最適光子カウント数よりも多い第２最適光子カウント数のいずれかを維持し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記ディザリングを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
    オート・キャリブレーション方法。
12. 前記第１及び／又は第２最適光子カウント数は、最大光子カウント数である、請求項１１に記載の方法。
13. ２つの暗号化ステーション、及び前記２つの暗号化ステーションの１つにおけるコントローラに連結されたレーザを備えた量子鍵配送（ＱＫＤ）システムのオート・キャリブレーション方法であって、前記方法は、
    前記暗号化ステーション間で光子信号を交換する際に、前記暗号化ステーションの１つにおける単一光子検出器（ＳＰＤ）部からの第１最適光子カウント数に対応するレーザでのレーザゲート信号の第１最適到着時間を確立するために、レーザゲート・スキャンを実行し、
    前記レーザゲート・スキャンを終了し、
    前記ＳＰＤ部によって前記第１最適光子カウント数又は前記第１最適光子カウント数よりも大きい第２最適光子カウント数のいずれかをもたらすように前記到着時間に僅かな調整を与えるために、前記第１最適到着時間周りの前記レーザゲート信号の前記到着時間を変化させることによって、レーザゲート・ディザ・プロセスを実行し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出し、
    前記システムの環境における変化又はドリフトを検出した場合は、前記レーザゲート・ディザリングを終了し、新たなレーザゲート・スキャンを実行する、
    オート・キャリブレーション方法。
14. 前記第１最適光子カウント数及び／又は前記第２最適光子カウント数は、最大光子カウント数、又はある時間間隔にわたって検出された全光子カウント数を前記時間間隔における前記ＳＰＤ部によるダブルカウントの数によって除算した数の最大、のいずれかである、請求項１３に記載の方法。

Images