JP4763166B2 - 光信号伝送装置及び光信号伝送装置の光信号伝送方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子力学の不確定性原理を使い安全な暗号鍵配布を実現する、量子暗号通信装置に関するものである。
また、この発明は、伝送路を通過する光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて情報を伝送する光信号伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公開鍵暗号方式など、現在用いられている暗号の多くは、計算量理論に基づき、その安全性が評価されている。即ち、暗号解読に時間がかかればかかるほどその暗号方式は安全な暗号であると評価される。しかしながら、将来量子計算機などの超高速計算機が実用化された場合や、新しい暗号解読アルゴリズムが発見された場合を考えると、計算量理論によらない、新たな暗号方式の開発が必要とされる。そのような新たな暗号方式の一つとして提案されたのが量子暗号通信である。量子暗号通信では、量子力学の不確定性原理に基づいて盗聴者の存在を検知するため、絶対に安全な暗号システムを構築することが可能である。
【０００３】
図５は、従来の量子暗号通信装置を示している。例えば、文献“Ｐ．Ｄ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．３０，８０９（１９９４）”に記載されている。
図５において、従来の量子暗号通信装置は、暗号送信部４９と光信号を伝送する伝送路４６と暗号受信部５０を有する。
暗号送信部４９は、光パルスを発生させる光源４１と発生した光を１パルス当り１光子まで減衰させる光減衰器４３、前記光減衰器４３によって減衰された光をその偏光状態によって径路Ｓａと径路Ｌａに分岐する偏光ビームスプリッタ４４１、前記径路Ｓａあるいは前記径路Ｌａのどちらか一方に置かれ、通過する光に位相変調を与える位相変調手段４５１、前記径路Ｓａと前記径路Ｌａを通過してきた光を、その偏光を保ちながら合成する偏光ビームスプリッタ４４２から構成される。
また、暗号受信部５０は、前記伝送路４６通じて伝送された光を偏光状態に応じて径路Ｓｂと径路Ｌｂに分岐する偏光ビームスプリッタ４４３、前記径路Ｓａあるいは前記径路Ｌａのどちらか一方に置かれ、通過する光に位相変調を与える位相変調手段４５２、前記径路Ｓａと前記径路Ｌａを通過してきた光を、その偏光状態を保ちながら合成する偏光ビームスプリッタ４４４、前記偏光ビームスプリッタ４４４の後段に置かれ偏波状態によらず光を二つに分岐するカプラ４７、さらに光子１個を検出することができる光子検出器４８１，４８２から構成される。
尚、図中の記号「●」と記号「｜」は光の偏光状態を表し、偏波コントローラ４２１，４２２，４２３，４２４によって、それぞれ図５中に記載の偏光状態を保つように構成されている。
【０００４】
図５における従来の量子暗号通信装置では、暗号送信者と暗号受信者との間で信号を送受信する際に、前記位相変調器４５１でかける位相変調と前記位相変調器４５２でかける位相変調の位相差によって、暗号鍵の共有を行うことが可能である。例えば、位相差が０であれば、干渉効果によって信号光子は前記光子検出器４８１で検出され、位相差がπであれば前記光子検出器４８２で検出される。従って、光子検出器４８１で検出された場合には、０と、前記光子検出器４８２で検出された場合には、１と、それぞれを０，１に対応させることにより暗号鍵を共有することが可能である。
【０００５】
図５における従来の量子暗号通信装置では、主に２つの問題点があげられる。
１つ目は、光が伝送路４６を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題である。２つ目は、量子暗号においては光子１個に情報を載せて通信を行うが、その光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題である。
【０００６】
これら２つの問題を解決するために、２つの量子暗号装置が提案されている。
図６は、従来の量子暗号通信装置を示している。例えば、国際公開ＷＯ９８／１０５６０号公報、あるいは、文献“Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０，７９３−７９５（１９９７）に記載されたｐｌｕｇ ａｎｄ ｐｌａｙ型量子暗号方式の量子暗号通信装置である。
図６における従来の量子暗号通信装置は、上記１番目の問題点である光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決するために提案されたものである。
【０００７】
図６において、従来の量子暗号通信装置は、１対の暗号受信部６２と暗号送信部６１とこれらをつなぐ伝送路５７とから構成される。伝送路５７は、具体的には通信用光ファイバを用いた光路などである。
暗号受信部６２では、光源５１から光子が発生し、サーキュレータ５２を通りカプラ５３に導かれる。カプラ５３に到達した光子は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏波コントローラ５４１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段５５１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路である。
いずれの光路を選択した光子も伝送路５７を通り、暗号送信部６１に送られる。暗号送信部６１に到達した光子は、光減衰器５８、位相変調手段５５２、ファラデーミラー５９を順に通過する。ファラデーミラー５９に到達した光子は反射されてもときた経路を戻るのだが、その際、その偏波面を９０度回転させられる。
往路において、位相変調手段５５１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路を通った光子は、位相変調手段５５２において位相変調を受ける。
再び伝送路５７を通って暗号受信部６２に戻った光子は偏光ビームスプリッタ５６において２つの光路に分離される。
ここで鍵配送に用いられる光子は、往路と復路とで異なる光路を通過した光子である。つまり、往路において、偏波コントローラ５４１を通る光路を選択し、復路で、位相変調手段５５１を通る光路を通過する光子、及び往路において位相変調手段５５１を通る光路を選択し、復路で偏波コントローラ５４１を通過する光子である。往路復路とも同じ光路を通過する光子は観測時間の分解能を高めることで破棄され、使用されない。
復路において位相変調手段５５１を通る光路を通過する光子は位相変調手段５５１において位相変調を受ける。往路に位相変調手段５５１を通る光路、復路に偏波コントローラ５４１を通る光路を選択した光子と、往路に偏波コントローラ５４１を通る光路、復路に位相変調手段５５１を通る光路を選択した光子とは同時にカプラ５３に戻り、位相変調手段５５１及び位相変調手段５５２で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した光子は光子検出手段６０１と光子検出手段６０２のどちらかで選択的に検出される。量子力学的な性質により２つの光子検出器において同時に検出されることはない。
なお、光子検出手段６０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ５２により光源５１に導かれることなく光子検出手段６０２に到達する。
【０００８】
ここで、暗号受信部６２から出射した光を、暗号送信部６１においたファラデーミラー５９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【０００９】
図７は、従来の量子暗号通信装置を示している。図７における従来の量子暗号通信装置は、ホモダイン検波方式の量子暗号通信装置である。
図７における従来の量子暗号通信装置は、上記２番目の問題点である光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決するために提案されたものである。
【００１０】
図７において、従来の量子暗号通信装置は、１対の暗号受信部であるＢｏｂと暗号送信部であるＡｌｉｃｅとこれらをつなぐ伝送路６６とから構成される。伝送路６６は、具体的には通信用光ファイバを用いた光路などである。
Ａｌｉｃｅでは、光源６１から強度の強い光が発生し、偏波コントローラ６２を通り偏光ビームスプリッタ６３１に導かれる。偏光ビームスプリッタ６３１に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏光ビームスプリッタ６３２に直接至る光路であり、もう１つは、光減衰器６４、位相変調手段６５１を通り、偏光ビームスプリッタ６３２に至る光路である。
偏光ビームスプリッタ６３２に直接至る光路を選択した光は、そのまま偏光ビームスプリッタ６３２に至る。
光減衰器６４、位相変調手段６５１を通り、偏光ビームスプリッタ６３２に至る光路を選択した光は、光減衰器６４により光の強度を減衰し、弱い光（光子１個以下）になる。また、上記弱い光は、位相変調手段６５１により位相変調される。
いずれの光路を選択した光も伝送路６６を通り、Ｂｏｂ側に送られる。Ｂｏｂ側に到達した光は、偏光ビームスプリッタ６３３に導かれる。偏光ビームスプリッタ６３３に到達した強い光と弱い光は、量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
弱い光は、偏光ビームスプリッタ６３４に直接至る光路であり、強い光は、位相変調手段６５２を通り、偏光ビームスプリッタ６３４に至る光路である。
偏光ビームスプリッタ６３４に直接至る光路を選択した弱い光は、そのまま偏光ビームスプリッタ６３４に至る。位相変調手段６５２を通り、偏光ビームスプリッタ６３４に至る光路を選択した強い光は、位相変調手段６５２により位相変調される。
偏光ビームスプリッタ６３５に到達した強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ６３５において２つの光路に分離され、光子検出手段６７１と光子検出手段６７２のどちらかで選択的に検出される。
伝送過程で強い光と弱い光に付与された位相変調の差を、重ね合わせることによって得られる干渉効果を測定する。
ここで、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうことにより、光子１個を検出している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の量子暗号通信装置において、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決する量子暗号通信装置は、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決することができなかった。また、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決する量子暗号通信装置は、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決することができなかった。
【００１２】
本発明は、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決し、かつ、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光信号伝送装置は、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の光信号伝送装置は、
光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の光信号伝送装置は、
強度の強い光信号と強度の弱い光信号との干渉を測定するホモダイン方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、上記強度減衰部は、光信号の進行方向により光信号の強度を減衰する減衰量が異なることを特徴とする。
【００１７】
また、上記強度減衰部は、所定の期間、光信号の強度を減衰することを特徴とする。
【００１８】
また、上記伝送路は、環状の経路を有し、
上記強度減衰部は、上記環状の経路に備えられたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の光信号伝送方法は、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送工程と、
上記伝送工程により伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰工程と
を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の光信号伝送装置は、一対の光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
上記光信号を送信する複数の送信部と、
上記送信部により送信された上記光信号を受信する受信部と、
上記光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる、上記受信部と複数の送信部とをつなぐ環状の伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１を示す図である。
実施の形態１では、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図１において、１０は、光源、１２は、サーキュレータ、１３は、カプラ、１４は、偏波コントローラ、１６１，１６２，１６３は、偏光ビームスプリッタ、１７は、伝送路、１８は、アイソレータ（強度減衰部の一例である）、１９は、ミラー、２０は、固定減衰器、２１は、信号増幅手段、１５１，１５２は、位相変調手段、２０１，２０２は、光検出手段である。アイソレータ１８は、光信号の進行方向により光信号の強度を減衰する減衰量が異なる。以下、「減衰する」とは、アイソレータ１８による、進行方向により減衰量が小さい場合と比べ進行方向により減衰量が大きい場合をいう。
図１において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
いずれの光路を選択した強い光も伝送路１７を通り、固定減衰器２０に送られる。固定減衰器２０に到達した強い光は、偏光ビームスプリッタ１６２で偏波状態の違いにより２つの光路を伝送することになる。
１つは、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５２を通り偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路である。その際、位相変調手段１５２を通る光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
ここで、アイソレータ１８を通る光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。
いずれの光路を選択した光もミラー１９で反射され、偏光ビームスプリッタ１６３に送られる。その際、ミラー１９でその偏波面を９０度回転させられる。
偏光ビームスプリッタ１６３に到達した光は、今度は、来た光路とは逆の光路を伝送することになる。すなわち、強い光は、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５２を通り偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路である。
再び伝送路１７を通って偏光ビームスプリッタ１６１に戻った強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ１６１において２つの光路に分離される。
強い光は、偏波コントローラ１４を通り、カプラ１３に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５１を通り、カプラ１３に至る光路である。その際、位相変調手段１５１を通る光路を選択した弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
ここで、強い光と弱い光は、同時にカプラ１３に戻り、位相変調手段１５２及び位相変調手段１５１で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は光検出手段２０１と光検出手段２０２のどちらか又は両方で検出される。
なお、光検出手段２０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ１２により光源１０に導かれることなく光検出手段２０２に到達する。
光検出手段２０１，２０２により検出された信号は、信号増幅手段２１で差電流として検出される。
このように、伝送路（以下、「伝送路」とは、特に符号がない限り、伝送路１７を含む装置全体の伝送路をいう）を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２２】
ここで、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となり、弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から直接偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２３】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受け、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から直接偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２４】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２５】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２６】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受けた後、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。逆に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２７】
ここで、本実施の形態１での上記各構成では、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００２８】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２を示す図である。
実施の形態２は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図２において、固定減衰器２０とミラー１９との間の構成は、位相変調手段１５２を通る光路のみとなる。アイソレータ１８（強度減衰部の一例である）は、偏波コントローラ１４と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、偏波コントローラ１４から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
図２において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。ここまでは、実施の形態１と同様である。
１つは、偏波コントローラ１４、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
ここで、アイソレータ１８を通る光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。
偏光ビームスプリッタ１６１に到達した強い光と弱い光は、伝送路１７を通り、固定減衰器２０に送られる。固定減衰器２０に到達した強い光と弱い光は、位相変調手段１５２を通り、ミラー１９で反射され、来た光路とは逆に、位相変調手段１５２、固定減衰器２０、伝送路１７を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に送られる。その際、ミラー１９でその偏波面を９０度回転させられる。また、強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
再び偏光ビームスプリッタ１６１に戻った強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ１６１において偏波状態の違いにより２つの光路に分離される。
強い光は、アイソレータ１８、偏波コントローラ１４を通り、カプラ１３に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５１を通り、カプラ１３に至る光路である。その際、位相変調手段１５１を通る光路を選択した弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
ここで、強い光と弱い光は、同時にカプラ１３に戻り、位相変調手段１５２及び位相変調手段１５１で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は光検出手段２０１と光検出手段２０２のどちらか又は両方で検出される。
なお、光検出手段２０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ１２により光源１０に導かれることなく光検出手段２０２に到達する。
光検出手段２０１，２０２により検出された信号は、信号増幅手段２１で差電流として検出される。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２９】
ここで、アイソレータ１８は、図２とは異なり、カプラ１３と位相変調手段１５１との間に、カプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通るカプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となり、弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、カプラ１３と位相変調手段１５１との間に、カプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３０】
また、アイソレータ１８は、図２とは異なり、位相変調手段１５１と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５１と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３１】
また、アイソレータ１８は、図２とは異なり、偏波コントローラ１４とカプラ１３との間に、カプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通るカプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光になる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から位相変調手段１５１を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏波コントローラ１４とカプラ１３との間に、カプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３２】
以上のように、実施の形態１，２において、量子暗号通信装置は、１つの光信号を往路と復路とで異なる経路にて伝送させる経路（光路）を有している場合に、アイソレータ１８は、上記１つの光信号を異なる経路にて伝送させる経路（光路）に備えられていればよい。また、光を減衰する向きは限定しなくてもよい。
【００３３】
ここで、本実施の形態２での上記各構成では、本実施の形態１と同様、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００３４】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３を示す図である。
実施の形態３は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図３において、２５は、光スイッチ（強度減衰部の一例である）、２６は、信号制御部である。
光スイッチ２５は、偏波コントローラ１４と偏光ビームスプリッタ１６１との間に設置されている。また、信号制御部２６は、光スイッチ２５に対し、所定の期間、光スイッチ２５を通過する光の強度を減衰するように光スイッチ２５を制御している。その他の構成は、実施の形態２と同様である。
図３において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。ここまでは、実施の形態１，２と同様である。
１つは、偏波コントローラ１４、光スイッチ２５を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
ここで、光スイッチ２５を通る光路を選択した強い光は、光スイッチ２５で減衰され弱い光となる。ここで、光スイッチ２５は、光スイッチ２５を通る光路を選択した強い光が光スイッチ２５をちょうど通過する際に減衰されるように信号制御部２６により制御されている。これ以降は、実施の形態２と同様である。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３５】
ここで、光スイッチ２５は、図３とは異なり、光源１０とカプラ１３との間、または、カプラ１３と光検出手段２０１若しくは光検出手段２０２との間以外であれば、どこに設置してもよい。また、設置する向きも限定しなくてよい。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３６】
ここで、本実施の形態３での上記各構成では、本実施の形態２と同様、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００３７】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４を示す図である。
実施の形態４は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図４において、３１，３２は、暗号送信部（送信部の一例である）、３３は、暗号受信部（受信部の一例である）、３４は、光減衰手段（強度減衰部の一例である）、３５は、伝送路、３６，３７，３８は、変調器である。
また、図示されていないが、暗号受信部３３は、光源とカプラと２種類の光検出手段とをそれぞれ備えている。
暗号受信部３３は、環状の伝送路３５に、図４を正面から見て時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）とに、同時に、偏波状態の異なる強度の強い光を発生させ、伝送させる。ＣＷの強い光は、暗号送信部３１，３２、光減衰手段３４を通り、暗号受信部３３に戻ってくる。暗号受信部３３に戻って来たＣＷの強い光は、変調器３８で光の位相を位相変調される。ＣＣＷの強い光は、光減衰手段３４に至る。光減衰手段３４に至ったＣＣＷの強い光は、減衰され弱い光になり、暗号送信部３１に至る。暗号送信部３１に至った弱い光は、変調器３６で光の位相を位相変調される。変調器３６で位相変調された弱い光は、暗号送信部３２を通り、暗号受信部３３に戻ってくる。経路が反対で、同じ長さの伝送路を伝送されたＣＷの強い光とＣＣＷの弱い光は、同時に、暗号受信部３３に戻ってくる。暗号受信部３３に戻って来た強い光と弱い光は、カプラにより混合され、変調器３６及び変調器３８で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は２種類の光検出手段のどちらか又は両方で検出される。
このように、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、同一の伝送路３５中を逆方向に光を伝送させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３８】
ここで、伝送路３５が環状であることから、暗号送信部３２のように、複数の暗号送信部を備えてもよい。これにより、１つの伝送路３５に、量子暗号装置を複数提供することができる。
【００３９】
以上のように、量子暗号通信装置は、強度の強い参照光と強度の弱い信号光を用いる量子暗号通信装置において、前記参照光と前記信号光が通信過程に置いて全く同じ径路を通過する（径路がループ型である）ことを特徴とする。
【００４０】
また、量子暗号通信装置は、暗号受信側から送信された光信号を、伝送路を通じて暗号送信側に伝送し、前記暗号送信側から、前記伝送路を通じて再び前記暗号受信側に、前記光信号を折り返す量子暗号通信方式において、前記光信号を強度の強い参照信号と強度の弱い伝送信号とに分離し、伝送過程で各々の信号に付与された位相変調の差を、前記参照信号と前記伝送信号を前記暗号受信側で重ね合わせることによって得られる、干渉効果により測定することを特徴とする。
【００４１】
また、量子暗号通信装置は、前記参照信号の光強度が光信号１パルス当り１００００光子以上、かつ、前記伝送信号の光強度が光信号１パルス当り高々１光子であることを特徴とする。
【００４２】
また、量子暗号通信装置における光学構成は、光の進行方向によって光の減衰量が異なる光素子を備え、前記参照信号と前記伝送信号を前記光素子に互いに逆方向から入射することを特徴とする。
【００４３】
また、量子暗号通信装置における光学構成は、減衰量が可変である光素子を備え、前記参照信号が通過するときには減衰量を小さく、前記伝送信号が通過するときには減衰量を大きくすることを特徴とする。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決し、かつ、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器を提供することができるという効果がある。
【００４５】
本発明によれば、１つの伝送路に、量子暗号装置を複数提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１を示す図である。
【図２】 実施の形態２を示す図である。
【図３】 実施の形態３を示す図である。
【図４】 実施の形態４を示す図である。
【図５】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【図６】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【図７】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【符号の説明】
１０ 光源、１２ サーキュレータ、１３ カプラ、１４ 偏波コントローラ、１６１，１６２，１６３ 偏光ビームスプリッタ、１７，３５ 伝送路、１８アイソレータ、１９ ミラー、２０ 固定減衰器、２１ 信号増幅手段、２５光スイッチ、２６ 信号制御部、３１，３２ 暗号送信部、３３ 暗号受信部、３４ 光減衰手段、３６，３７，３８ 変調器、１５１，１５２ 位相変調手段、２０１，２０２ 光検出手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子力学の不確定性原理を使い安全な暗号鍵配布を実現する、量子暗号通信装置に関するものである。
また、この発明は、伝送路を通過する光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて情報を伝送する光信号伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公開鍵暗号方式など、現在用いられている暗号の多くは、計算量理論に基づき、その安全性が評価されている。即ち、暗号解読に時間がかかればかかるほどその暗号方式は安全な暗号であると評価される。しかしながら、将来量子計算機などの超高速計算機が実用化された場合や、新しい暗号解読アルゴリズムが発見された場合を考えると、計算量理論によらない、新たな暗号方式の開発が必要とされる。そのような新たな暗号方式の一つとして提案されたのが量子暗号通信である。量子暗号通信では、量子力学の不確定性原理に基づいて盗聴者の存在を検知するため、絶対に安全な暗号システムを構築することが可能である。
【０００３】
図５は、従来の量子暗号通信装置を示している。例えば、文献“Ｐ．Ｄ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．３０，８０９（１９９４）”に記載されている。
図５において、従来の量子暗号通信装置は、暗号送信部４９と光信号を伝送する伝送路４６と暗号受信部５０を有する。
暗号送信部４９は、光パルスを発生させる光源４１と発生した光を１パルス当り１光子まで減衰させる光減衰器４３、前記光減衰器４３によって減衰された光をその偏光状態によって径路Ｓａと径路Ｌａに分岐する偏光ビームスプリッタ４４１、前記径路Ｓａあるいは前記径路Ｌａのどちらか一方に置かれ、通過する光に位相変調を与える位相変調手段４５１、前記径路Ｓａと前記径路Ｌａを通過してきた光を、その偏光を保ちながら合成する偏光ビームスプリッタ４４２から構成される。
また、暗号受信部５０は、前記伝送路４６通じて伝送された光を偏光状態に応じて径路Ｓｂと径路Ｌｂに分岐する偏光ビームスプリッタ４４３、前記径路Ｓａあるいは前記径路Ｌａのどちらか一方に置かれ、通過する光に位相変調を与える位相変調手段４５２、前記径路Ｓａと前記径路Ｌａを通過してきた光を、その偏光状態を保ちながら合成する偏光ビームスプリッタ４４４、前記偏光ビームスプリッタ４４４の後段に置かれ偏波状態によらず光を二つに分岐するカプラ４７、さらに光子１個を検出することができる光子検出器４８１，４８２から構成される。
尚、図中の記号「●」と記号「｜」は光の偏光状態を表し、偏波コントローラ４２１，４２２，４２３，４２４によって、それぞれ図５中に記載の偏光状態を保つように構成されている。
【０００４】
図５における従来の量子暗号通信装置では、暗号送信者と暗号受信者との間で信号を送受信する際に、前記位相変調器４５１でかける位相変調と前記位相変調器４５２でかける位相変調の位相差によって、暗号鍵の共有を行うことが可能である。例えば、位相差が０であれば、干渉効果によって信号光子は前記光子検出器４８１で検出され、位相差がπであれば前記光子検出器４８２で検出される。従って、光子検出器４８１で検出された場合には、０と、前記光子検出器４８２で検出された場合には、１と、それぞれを０，１に対応させることにより暗号鍵を共有することが可能である。
【０００５】
図５における従来の量子暗号通信装置では、主に２つの問題点があげられる。
１つ目は、光が伝送路４６を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題である。２つ目は、量子暗号においては光子１個に情報を載せて通信を行うが、その光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題である。
【０００６】
これら２つの問題を解決するために、２つの量子暗号装置が提案されている。
図６は、従来の量子暗号通信装置を示している。例えば、国際公開ＷＯ９８／１０５６０号公報、あるいは、文献“Ａ．Ｍｕｌｌｅｒ ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０，７９３−７９５（１９９７）に記載されたｐｌｕｇ ａｎｄ ｐｌａｙ型量子暗号方式の量子暗号通信装置である。
図６における従来の量子暗号通信装置は、上記１番目の問題点である光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決するために提案されたものである。
【０００７】
図６において、従来の量子暗号通信装置は、１対の暗号受信部６２と暗号送信部６１とこれらをつなぐ伝送路５７とから構成される。伝送路５７は、具体的には通信用光ファイバを用いた光路などである。
暗号受信部６２では、光源５１から光子が発生し、サーキュレータ５２を通りカプラ５３に導かれる。カプラ５３に到達した光子は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏波コントローラ５４１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段５５１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路である。
いずれの光路を選択した光子も伝送路５７を通り、暗号送信部６１に送られる。暗号送信部６１に到達した光子は、光減衰器５８、位相変調手段５５２、ファラデーミラー５９を順に通過する。ファラデーミラー５９に到達した光子は反射されてもときた経路を戻るのだが、その際、その偏波面を９０度回転させられる。
往路において、位相変調手段５５１を通り、偏光ビームスプリッタ５６に至る光路を通った光子は、位相変調手段５５２において位相変調を受ける。
再び伝送路５７を通って暗号受信部６２に戻った光子は偏光ビームスプリッタ５６において２つの光路に分離される。
ここで鍵配送に用いられる光子は、往路と復路とで異なる光路を通過した光子である。つまり、往路において、偏波コントローラ５４１を通る光路を選択し、復路で、位相変調手段５５１を通る光路を通過する光子、及び往路において位相変調手段５５１を通る光路を選択し、復路で偏波コントローラ５４１を通過する光子である。往路復路とも同じ光路を通過する光子は観測時間の分解能を高めることで破棄され、使用されない。
復路において位相変調手段５５１を通る光路を通過する光子は位相変調手段５５１において位相変調を受ける。往路に位相変調手段５５１を通る光路、復路に偏波コントローラ５４１を通る光路を選択した光子と、往路に偏波コントローラ５４１を通る光路、復路に位相変調手段５５１を通る光路を選択した光子とは同時にカプラ５３に戻り、位相変調手段５５１及び位相変調手段５５２で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した光子は光子検出手段６０１と光子検出手段６０２のどちらかで選択的に検出される。量子力学的な性質により２つの光子検出器において同時に検出されることはない。
なお、光子検出手段６０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ５２により光源５１に導かれることなく光子検出手段６０２に到達する。
【０００８】
ここで、暗号受信部６２から出射した光を、暗号送信部６１においたファラデーミラー５９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【０００９】
図７は、従来の量子暗号通信装置を示している。図７における従来の量子暗号通信装置は、ホモダイン検波方式の量子暗号通信装置である。
図７における従来の量子暗号通信装置は、上記２番目の問題点である光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決するために提案されたものである。
【００１０】
図７において、従来の量子暗号通信装置は、１対の暗号受信部であるＢｏｂと暗号送信部であるＡｌｉｃｅとこれらをつなぐ伝送路６６とから構成される。伝送路６６は、具体的には通信用光ファイバを用いた光路などである。
Ａｌｉｃｅでは、光源６１から強度の強い光が発生し、偏波コントローラ６２を通り偏光ビームスプリッタ６３１に導かれる。偏光ビームスプリッタ６３１に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏光ビームスプリッタ６３２に直接至る光路であり、もう１つは、光減衰器６４、位相変調手段６５１を通り、偏光ビームスプリッタ６３２に至る光路である。
偏光ビームスプリッタ６３２に直接至る光路を選択した光は、そのまま偏光ビームスプリッタ６３２に至る。
光減衰器６４、位相変調手段６５１を通り、偏光ビームスプリッタ６３２に至る光路を選択した光は、光減衰器６４により光の強度を減衰し、弱い光（光子１個以下）になる。また、上記弱い光は、位相変調手段６５１により位相変調される。
いずれの光路を選択した光も伝送路６６を通り、Ｂｏｂ側に送られる。Ｂｏｂ側に到達した光は、偏光ビームスプリッタ６３３に導かれる。偏光ビームスプリッタ６３３に到達した強い光と弱い光は、量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
弱い光は、偏光ビームスプリッタ６３４に直接至る光路であり、強い光は、位相変調手段６５２を通り、偏光ビームスプリッタ６３４に至る光路である。
偏光ビームスプリッタ６３４に直接至る光路を選択した弱い光は、そのまま偏光ビームスプリッタ６３４に至る。位相変調手段６５２を通り、偏光ビームスプリッタ６３４に至る光路を選択した強い光は、位相変調手段６５２により位相変調される。
偏光ビームスプリッタ６３５に到達した強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ６３５において２つの光路に分離され、光子検出手段６７１と光子検出手段６７２のどちらかで選択的に検出される。
伝送過程で強い光と弱い光に付与された位相変調の差を、重ね合わせることによって得られる干渉効果を測定する。
ここで、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうことにより、光子１個を検出している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の量子暗号通信装置において、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決する量子暗号通信装置は、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決することができなかった。また、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器が存在しないという問題を解決する量子暗号通信装置は、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決することができなかった。
【００１２】
本発明は、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決し、かつ、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光信号伝送装置は、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の光信号伝送装置は、
光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の光信号伝送装置は、
強度の強い光信号と強度の弱い光信号との干渉を測定するホモダイン方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、上記強度減衰部は、光信号の進行方向により光信号の強度を減衰する減衰量が異なることを特徴とする。
【００１７】
また、上記強度減衰部は、所定の期間、光信号の強度を減衰することを特徴とする。
【００１８】
また、上記伝送路は、環状の経路を有し、
上記強度減衰部は、上記環状の経路に備えられたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の光信号伝送方法は、
偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる伝送工程と、
上記伝送工程により伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰工程と
を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の光信号伝送装置は、一対の光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
上記光信号を送信する複数の送信部と、
上記送信部により送信された上記光信号を受信する受信部と、
上記光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させる、上記受信部と複数の送信部とをつなぐ環状の伝送路と、
上記伝送路を伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１を示す図である。
実施の形態１では、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図１において、１０は、光源、１２は、サーキュレータ、１３は、カプラ、１４は、偏波コントローラ、１６１，１６２，１６３は、偏光ビームスプリッタ、１７は、伝送路、１８は、アイソレータ（強度減衰部の一例である）、１９は、ミラー、２０は、固定減衰器、２１は、信号増幅手段、１５１，１５２は、位相変調手段、２０１，２０２は、光検出手段である。アイソレータ１８は、光信号の進行方向により光信号の強度を減衰する減衰量が異なる。以下、「減衰する」とは、アイソレータ１８による、進行方向により減衰量が小さい場合と比べ進行方向により減衰量が大きい場合をいう。
図１において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。
１つは、偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
いずれの光路を選択した強い光も伝送路１７を通り、固定減衰器２０に送られる。固定減衰器２０に到達した強い光は、偏光ビームスプリッタ１６２で偏波状態の違いにより２つの光路を伝送することになる。
１つは、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５２を通り偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路である。その際、位相変調手段１５２を通る光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
ここで、アイソレータ１８を通る光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。
いずれの光路を選択した光もミラー１９で反射され、偏光ビームスプリッタ１６３に送られる。その際、ミラー１９でその偏波面を９０度回転させられる。
偏光ビームスプリッタ１６３に到達した光は、今度は、来た光路とは逆の光路を伝送することになる。すなわち、強い光は、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５２を通り偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路である。
再び伝送路１７を通って偏光ビームスプリッタ１６１に戻った強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ１６１において２つの光路に分離される。
強い光は、偏波コントローラ１４を通り、カプラ１３に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５１を通り、カプラ１３に至る光路である。その際、位相変調手段１５１を通る光路を選択した弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
ここで、強い光と弱い光は、同時にカプラ１３に戻り、位相変調手段１５２及び位相変調手段１５１で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は光検出手段２０１と光検出手段２０２のどちらか又は両方で検出される。
なお、光検出手段２０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ１２により光源１０に導かれることなく光検出手段２０２に到達する。
光検出手段２０１，２０２により検出された信号は、信号増幅手段２１で差電流として検出される。
このように、伝送路（以下、「伝送路」とは、特に符号がない限り、伝送路１７を含む装置全体の伝送路をいう）を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２２】
ここで、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となり、弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から直接偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２３】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受け、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から直接偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６３に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２４】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と位相変調手段１５２との間に、位相変調手段１５２から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２５】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、偏光ビームスプリッタ１６２から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６３に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２６】
また、アイソレータ１８は、図１とは異なり、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成の場合には、アイソレータ１８を通る偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光路を選択した強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受けた後、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。逆に、偏光ビームスプリッタ１６３から位相変調手段１５２を通り、偏光ビームスプリッタ１６２に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏光ビームスプリッタ１６２と偏光ビームスプリッタ１６３との間に、偏光ビームスプリッタ１６３から偏光ビームスプリッタ１６２に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２７】
ここで、本実施の形態１での上記各構成では、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、偏光ビームスプリッタ１６２から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００２８】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２を示す図である。
実施の形態２は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図２において、固定減衰器２０とミラー１９との間の構成は、位相変調手段１５２を通る光路のみとなる。アイソレータ１８（強度減衰部の一例である）は、偏波コントローラ１４と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、偏波コントローラ１４から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
図２において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。ここまでは、実施の形態１と同様である。
１つは、偏波コントローラ１４、アイソレータ１８を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
ここで、アイソレータ１８を通る光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。
偏光ビームスプリッタ１６１に到達した強い光と弱い光は、伝送路１７を通り、固定減衰器２０に送られる。固定減衰器２０に到達した強い光と弱い光は、位相変調手段１５２を通り、ミラー１９で反射され、来た光路とは逆に、位相変調手段１５２、固定減衰器２０、伝送路１７を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に送られる。その際、ミラー１９でその偏波面を９０度回転させられる。また、強い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
再び偏光ビームスプリッタ１６１に戻った強い光と弱い光は、偏光ビームスプリッタ１６１において偏波状態の違いにより２つの光路に分離される。
強い光は、アイソレータ１８、偏波コントローラ１４を通り、カプラ１３に至る光路であり、弱い光は、位相変調手段１５１を通り、カプラ１３に至る光路である。その際、位相変調手段１５１を通る光路を選択した弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
ここで、強い光と弱い光は、同時にカプラ１３に戻り、位相変調手段１５２及び位相変調手段１５１で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は光検出手段２０１と光検出手段２０２のどちらか又は両方で検出される。
なお、光検出手段２０２において検出されるべき光子は、サーキュレータ１２により光源１０に導かれることなく光検出手段２０２に到達する。
光検出手段２０１，２０２により検出された信号は、信号増幅手段２１で差電流として検出される。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００２９】
ここで、アイソレータ１８は、図２とは異なり、カプラ１３と位相変調手段１５１との間に、カプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通るカプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となり、弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、カプラ１３と位相変調手段１５１との間に、カプラ１３から位相変調手段１５１に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３０】
また、アイソレータ１８は、図２とは異なり、位相変調手段１５１と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通る位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光となる。弱い光は、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から偏波コントローラ１４を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、位相変調手段１５１と偏光ビームスプリッタ１６１との間に、位相変調手段１５１から偏光ビームスプリッタ１６１に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３１】
また、アイソレータ１８は、図２とは異なり、偏波コントローラ１４とカプラ１３との間に、カプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光を減衰する向きに設置されてもよい。上記構成の場合には、アイソレータ１８を通るカプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光路を選択した強い光は、アイソレータ１８で減衰され弱い光になる。弱い光は、位相変調手段１５１において位相変調を受ける。逆に、カプラ１３から位相変調手段１５１を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路をを選択した強い光は、減衰されず、位相変調手段１５２において位相変調を受ける。
上記アイソレータ１８が、偏波コントローラ１４とカプラ１３との間に、カプラ１３から偏波コントローラ１４に向かう光を減衰する向きに設置された構成においても、同様に、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３２】
以上のように、実施の形態１，２において、量子暗号通信装置は、１つの光信号を往路と復路とで異なる経路にて伝送させる経路（光路）を有している場合に、アイソレータ１８は、上記１つの光信号を異なる経路にて伝送させる経路（光路）に備えられていればよい。また、光を減衰する向きは限定しなくてもよい。
【００３３】
ここで、本実施の形態２での上記各構成では、本実施の形態１と同様、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００３４】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３を示す図である。
実施の形態３は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図３において、２５は、光スイッチ（強度減衰部の一例である）、２６は、信号制御部である。
光スイッチ２５は、偏波コントローラ１４と偏光ビームスプリッタ１６１との間に設置されている。また、信号制御部２６は、光スイッチ２５に対し、所定の期間、光スイッチ２５を通過する光の強度を減衰するように光スイッチ２５を制御している。その他の構成は、実施の形態２と同様である。
図３において、光源１０から強度の強い光が発生し、サーキュレータ１２を通りカプラ１３に導かれる。カプラ１３に到達した強い光は量子力学的に２つの光路を伝送することになる。ここまでは、実施の形態１，２と同様である。
１つは、偏波コントローラ１４、光スイッチ２５を通り、偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路であり、もう１つは、位相変調手段１５１を通り偏光ビームスプリッタ１６１に至る光路である。
ここで、光スイッチ２５を通る光路を選択した強い光は、光スイッチ２５で減衰され弱い光となる。ここで、光スイッチ２５は、光スイッチ２５を通る光路を選択した強い光が光スイッチ２５をちょうど通過する際に減衰されるように信号制御部２６により制御されている。これ以降は、実施の形態２と同様である。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３５】
ここで、光スイッチ２５は、図３とは異なり、光源１０とカプラ１３との間、または、カプラ１３と光検出手段２０１若しくは光検出手段２０２との間以外であれば、どこに設置してもよい。また、設置する向きも限定しなくてよい。
このように、伝送路を通過中の光であって、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）の内、一方のみ（２連パルスの先行する光信号、または、後行する光信号）を減衰させることにより、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、ミラー１９によって反射し、伝送路中の光を往復させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３６】
ここで、本実施の形態３での上記各構成では、本実施の形態２と同様、光路の長さの違いにより時間的なずれを生じた光信号（すなわち、２連パルスとなった光信号）に対し、一方の光信号に位相変調手段１５１において位相変調をかけ、他方の光信号に位相変調手段１５２において位相変調をかけているが、上記２連パルスとなった光信号の内、どちらか一方の光信号にのみ位相変調手段１５１及び位相変調手段１５２両方において位相変調をかけてもよい。
特に、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけるようにするとなおよい。なぜなら、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう強い光信号に対し位相変調をかけると、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により光信号を分岐され、通信者に知られずに位相変調の情報が漏洩してしまう可能性が有りうる。その点、弱い光信号になる予定の光信号に対し、位相変調手段１５２において位相変調をかけた場合は、固定減衰器２０により光子１個レベルに減衰されているため、固定減衰器２０から伝送路１７を通り偏光ビームスプリッタ１６１に向かう途中で盗聴者により盗聴された場合には盗聴の有無が判明してしまう。よって、量子暗号通信装置の安全性を高めることができるからである。
【００３７】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４を示す図である。
実施の形態４は、量子暗号通信装置（光信号伝送装置の一例である）について説明する。図４において、３１，３２は、暗号送信部（送信部の一例である）、３３は、暗号受信部（受信部の一例である）、３４は、光減衰手段（強度減衰部の一例である）、３５は、伝送路、３６，３７，３８は、変調器である。
また、図示されていないが、暗号受信部３３は、光源とカプラと２種類の光検出手段とをそれぞれ備えている。
暗号受信部３３は、環状の伝送路３５に、図４を正面から見て時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）とに、同時に、偏波状態の異なる強度の強い光を発生させ、伝送させる。ＣＷの強い光は、暗号送信部３１，３２、光減衰手段３４を通り、暗号受信部３３に戻ってくる。暗号受信部３３に戻って来たＣＷの強い光は、変調器３８で光の位相を位相変調される。ＣＣＷの強い光は、光減衰手段３４に至る。光減衰手段３４に至ったＣＣＷの強い光は、減衰され弱い光になり、暗号送信部３１に至る。暗号送信部３１に至った弱い光は、変調器３６で光の位相を位相変調される。変調器３６で位相変調された弱い光は、暗号送信部３２を通り、暗号受信部３３に戻ってくる。経路が反対で、同じ長さの伝送路を伝送されたＣＷの強い光とＣＣＷの弱い光は、同時に、暗号受信部３３に戻ってくる。暗号受信部３３に戻って来た強い光と弱い光は、カプラにより混合され、変調器３６及び変調器３８で受けた位相変調の大きさに応じた干渉を起こすことになる。
干渉の結果、帰還した強い光と弱い光との光子は２種類の光検出手段のどちらか又は両方で検出される。
このように、強い光と弱い光を作り出し、強い光と弱い光を用いて光子検出を行なうホモダイン検波を行なうことにより、光子１個を検出している。また、同一の伝送路３５中を逆方向に光を伝送させることにより、偏波面の揺らぎ等を打ち消し、量子暗号通信装置の安定度を高めている。
【００３８】
ここで、伝送路３５が環状であることから、暗号送信部３２のように、複数の暗号送信部を備えてもよい。これにより、１つの伝送路３５に、量子暗号装置を複数提供することができる。
【００３９】
以上のように、量子暗号通信装置は、強度の強い参照光と強度の弱い信号光を用いる量子暗号通信装置において、前記参照光と前記信号光が通信過程に置いて全く同じ径路を通過する（径路がループ型である）ことを特徴とする。
【００４０】
また、量子暗号通信装置は、暗号受信側から送信された光信号を、伝送路を通じて暗号送信側に伝送し、前記暗号送信側から、前記伝送路を通じて再び前記暗号受信側に、前記光信号を折り返す量子暗号通信方式において、前記光信号を強度の強い参照信号と強度の弱い伝送信号とに分離し、伝送過程で各々の信号に付与された位相変調の差を、前記参照信号と前記伝送信号を前記暗号受信側で重ね合わせることによって得られる、干渉効果により測定することを特徴とする。
【００４１】
また、量子暗号通信装置は、前記参照信号の光強度が光信号１パルス当り１００００光子以上、かつ、前記伝送信号の光強度が光信号１パルス当り高々１光子であることを特徴とする。
【００４２】
また、量子暗号通信装置における光学構成は、光の進行方向によって光の減衰量が異なる光素子を備え、前記参照信号と前記伝送信号を前記光素子に互いに逆方向から入射することを特徴とする。
【００４３】
また、量子暗号通信装置における光学構成は、減衰量が可変である光素子を備え、前記参照信号が通過するときには減衰量を小さく、前記伝送信号が通過するときには減衰量を大きくすることを特徴とする。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光が伝送路を通過する間に、外的要因により、光の偏波面等に揺らぎが生じる問題を解決し、かつ、光子１個を検出するための高量子効率光子検出器を提供することができるという効果がある。
【００４５】
本発明によれば、１つの伝送路に、量子暗号装置を複数提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１を示す図である。
【図２】 実施の形態２を示す図である。
【図３】 実施の形態３を示す図である。
【図４】 実施の形態４を示す図である。
【図５】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【図６】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【図７】 従来の量子暗号通信装置を示している。
【符号の説明】
１０ 光源、１２ サーキュレータ、１３ カプラ、１４ 偏波コントローラ、１６１，１６２，１６３ 偏光ビームスプリッタ、１７，３５ 伝送路、１８アイソレータ、１９ ミラー、２０ 固定減衰器、２１ 信号増幅手段、２５光スイッチ、２６ 信号制御部、３１，３２ 暗号送信部、３３ 暗号受信部、３４ 光減衰手段、３６，３７，３８ 変調器、１５１，１５２ 位相変調手段、２０１，２０２ 光検出手段。
Claims (8)
- 偏光状態の異なる一対の光信号が所定の位置から同一経路を反対向きに伝送される伝送路と、
上記伝送路を伝送する上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする光信号伝送装置。 - 光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号が所定の位置から同一経路を反対向きに伝送される伝送路と、
上記伝送路を伝送する上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする光信号伝送装置。 - 強度の強い光信号と強度の弱い光信号との干渉を測定するホモダイン方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
偏光状態の異なる一対の光信号が所定の位置から同一経路を反対向きに伝送される伝送路と、
上記伝送路を伝送する上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする光信号伝送装置。 - 上記強度減衰部は、光信号の進行方向により光信号の強度を減衰する減衰量が異なることを特徴とする請求項１記載の光信号伝送装置。
- 上記強度減衰部は、所定の期間、光信号の強度を減衰することを特徴とする請求項１記載の光信号伝送装置。
- 上記伝送路は、環状の経路を有し、
上記強度減衰部は、上記環状の経路に備えられたことを特徴とする請求項１記載の光信号伝送装置。 - 偏光ビームスプリッタが、偏光状態の異なる一対の光信号を所定の位置から同一経路を反対向きに伝送させ、
強度減衰部が、上記偏光ビームスプリッタにより伝送させられた上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する
ことを特徴とする光信号伝送装置の光信号伝送方法。 - 一対の光信号の位相を位相変調する位相変調方式を用いて量子暗号を生成する光信号伝送装置において、
上記光信号を送信する複数の送信部と、
上記送信部により送信された上記光信号を受信する受信部と、
上記光信号が所定の位置から同一経路を反対向きに伝送される、上記受信部と複数の送信部とをつなぐ環状の伝送路と、
上記伝送路を伝送する上記一対の光信号の内１つの光信号の強度を減衰する強度減衰部と
を備えたことを特徴とする光信号伝送装置。
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