JP4777069B2

JP4777069B2 - 量子暗号通信システム及び方法、偏波／位相変調変換器並びに位相／偏波変調変換器

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Publication number: JP4777069B2
Application number: JP2006000571A
Authority: JP
Inventors: 毅西岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2007184700A

Description

この発明は、合理化された量子テレポーテーションを用い、このとき、伝送路上でのキュビットは長距離伝送可能なように位相符号化されたキュビットを用いて、意味のあるメッセージを直接伝送する量子暗号通信システム及び方法、偏波／位相変調変換器並びに位相／偏波変調変換器に関するものである。

従来の量子暗号は、暗号鍵として用いられるランダム情報の秘密共有を量子力学により保証された安全性で提供するものである（例えば、非特許文献１参照）。また、任意の量子状態を古典情報のみを伝送することで遠隔地に伝送できる量子テレポーテーション技術を用いることで暗号通信を実現することも容易に考えられることである（例えば、非特許文献２参照）。

C. H. Bennett and G. Brassard "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing"in Proc. of IEEE Int. Conf. Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, pp.175-179、 1984 D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, and A. Zeilinger "Experimental quantum teleportation"Nature 390, pp.575-579, 1997

従来の量子暗号は、暗号鍵として用いるランダム情報の秘密共有を提供するものであり、意味のあるメッセージの秘匿伝送には別途古典通信路を使って古典暗号通信を行わなければならないという問題点があった。

また、従来の量子テレポーテーション技術を用いて暗号通信を実現する方式では、古典情報１ビットに対応する量子情報１キュビットを伝送する２次元量子テレポーテーションにおいては未だ完全な実現方式が提案されておらず、失敗確率が５０％ほどあり伝送効率が悪い。さらに、１キュビットあたり２ビットの古典情報の伝送が必要となり通信コストが高くなっている。また、量子テレポーテーションの受信側では受け取ったこの古典情報を用いて量子ユニタリ変換を用いて量子状態を復元する必要があるという問題点があった。更に、量子テレポーテーションにおいてはＥＰＲ（Einsteinらの３名の人名の頭文字）対という特殊な２光子状態を用いるが、偏光変調された量子状態についてのみ具体的な実現方式が提示されている、一方、偏光変調された量子状態は伝送距離がせいぜい１０ｋｍ前後と長距離伝送ができないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、意味のあるメッセージを直接伝送することができる量子暗号通信システム及び方法、偏波／位相変調変換器並びに位相／偏波変調変換器を得るものである。

この量子暗号通信システムは、その実現において量子テレポーテーション技術を応用するものであるが、現在実現できている不完全な方式を用いても１００％の成功確率を保証し、古典伝送情報としては半分の１ビットでよく、受信側においても量子状態を測定するのみで、量子状態を変換する操作が不要である。また、偏光変調された量子状態を位相変調された量子状態に変調変換、位相変調された量子状態を偏光変調された変調変換することで、量子状態の伝送においては位相変調された量子状態を用いて長距離伝送が可能である。

この発明に係る量子暗号通信システムは、量子暗号送信装置と、前記量子暗号送信装置に量子通信路及び古典通信路によって接続された量子暗号受信装置とを備えた量子暗号通信システムであって、前記量子暗号送信装置は、偏波状態のＥＰＲ対と呼ばれる光子対を発生する偏波状態ＥＰＲ対発生源と、前記偏波状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の一方の光子の偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換する偏波／位相変調変換器と、前記偏光状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の他方の光子の量子状態を測定し、前記量子暗号受信装置側の第２の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第２の忠実度検定手段によって測定された一方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価する第１の忠実度検定手段と、単一光子を発生する単一光子源と、前記単一光子源により発生された光子を送信したいデータに従い偏光状態に変調する偏光変調器と、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子と前記偏光変調器で変調された光子のＢｅｌｌ状態と呼ばれる２光子状態を測定し、４つあるＢｅｌｌ状態を２つのグループに分類する縮退したＢｅｌｌ状態測定手段とを有するとともに、前記量子暗号受信装置は、前記偏波／位相変調変換器から前記量子通信路により伝送され、前記偏波／位相変調変換器によって偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換された一方の光子を偏波状態で符号化された量子状態に変換する位相／偏波変調変換器と、前記位相／偏波変調変換器から出力された一方の光子の量子状態を測定し、前記第１の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第１の忠実度検定手段によって測定された他方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価する前記第２の忠実度検定手段と、前記第２の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を測定し、この測定結果と前記Ｂｅｌｌ状態測定手段から前記古典通信路により伝送された縮退したＢｅｌｌ状態測定結果との排他的論理和をとることにより送信データを復号する量子状態測定手段とを有するものである。

この発明に係る量子暗号通信システムは、意味のあるメッセージを直接伝送することができるという効果を奏する。その実現において量子テレポーテーション技術を応用するものであるが、現在実現できている不完全な方式を用いても１００％の成功確率を保証し、古典伝送情報としては半分の１ビットでよく、受信側においても量子状態を測定するのみで、量子状態を変換する操作が不要である。また、偏光変調された量子状態を位相変調された量子状態に変調変換、位相変調された量子状態を偏光変調された変調変換することで、量子状態の伝送においては位相変調された量子状態を用いて長距離伝送が可能である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムについて図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、量子暗号送信装置Ａには、偏波状態ＥＰＲ対発生源１と、偏波／位相変調変換器２と、忠実度検定手段（第１の忠実度検定手段）３Ａと、単一光子源４と、偏光変調器５と、Ｂｅｌｌ（ベル：人名）状態測定手段６とが設けられている。また、量子暗号受信装置Ｂには、位相／偏波変調変換器７と、忠実度検定手段（第２の忠実度検定手段）３Ｂと、量子状態測定手段８と、排他的論理和ゲート９とが設けられている。

なお、二重線は通信ケーブルなどの古典通信路３２を表し、それ以外は光ファイバー３１、３３を表す。すなわち、偏波／位相変調変換器２と位相／偏波変調変換器７は、光ファイバーなどの量子通信路３１により接続されている。

量子暗号送信装置Ａにある偏波状態ＥＰＲ対発生源１は、ＥＰＲ対と呼ばれるエンタングルした２光子状態を定常的に発生するものである。特に、偏波状態に関してエンタングルした２光子状態を発生する。例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４：Beta-Barium Borate）などの非線形光学結晶にレーザー光を照射することによりこのような２光子状態が発生することはよく知られている。

偏波／位相変調変換器２は、偏波状態として光子が持っている情報を位相情報に変換するものである。この偏波／位相変調変換器２の構成、及び動作は、図２とともに後述する。忠実度検定手段３Ａは、取込んだ光子の状態を測定し、量子暗号受信装置Ｂにある忠実度検定手段３Ｂと古典情報を交換し、ＥＰＲ対状態の品質を評価するものである。単一光子源４は、ある特定の偏波状態（水平偏光）を持った光子を放出するものである。例えば、非線形光学結晶を用いたパラメトリックダウンコンバージョンや量子ドットを用いて実現することができる。偏光変調器５は、データという伝送したい古典情報を用いて、１ビット毎に単一光子の偏波状態を変換するものである。

Ｂｅｌｌ状態測定手段６は、偏波状態を持った２つの光子を取込み、そのＢｅｌｌ状態を測定した後、測定結果を古典通信路３２により量子暗号受信装置に通知するものである。完全Ｂｅｌｌ測定では、４つある２光子状態のいずれか１つに射影するものであるが、この縮退したＢｅｌｌ測定では、４つあるＢｅｌｌ状態を２つのグループに分け、いずれのグループに属しているかどうか決定するのみでよい測定である。従ってよく知られた、ビームスプリッタ１つと２つの偏光ビームスプリッタと４つの光子検出器からなるＢｅｌｌ測定器を用いて成功確率１００％で決定できる（K. Mattle, et. al., Physical Review Letter 76, pp.4656-4659, 1996）。

量子暗号受信装置Ｂにある位相／偏波変調変換器７は、位相状態として光子が持っている情報を偏波情報に変換するものである。この位相／偏波変調変換器７の構成、及び動作は、図３とともに後述する。忠実度検定手段は３Ｂ、取込んだ光子の状態を測定し、量子暗号送信装置Ａにある忠実度検定手段３Ａと古典情報を交換し、ＥＰＲ対状態の品質を評価するものである。量子状態測定手段８は、取込んだ光子の偏波状態を測定し、量子暗号送信装置Ａから通知された縮退したＢｅｌｌ状態測定結果からデータという古典情報を復調するものである。

つぎに、この実施の形態１に係る量子暗号通信システムの動作について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの動作を示すフローチャートである。

ステップ１０１（偏光ＥＰＲ対発生ステップ）において、偏波状態ＥＰＲ対発生源１は、定常的にＥＰＲ対を発生し続けている。この２光子状態は、以下の式で表すことができる。

ここで、式中のＨ、Ｖは、それぞれ水平偏光、垂直偏光状態に光子があることを示す。また、下添え字の１、２は、光子１、光子２の状態であることを示す。光子１は忠実度検定手段３Ａに入力され、光子２は偏波／位相変調変換器２に入力されることになる。

ステップ１０２（光子伝送ステップ）において、偏波／位相変調変換器２では、水平、垂直偏波状態が下記の式のような位相状態にそれぞれ変換される。

ここで、式中のｓ、ｌは、それぞれ時間差２連光子パルスの先行パルスにある状態、後続パルスにある状態を示す。偏波情報は、時間差２連光子パルスの先行パルスと後続パルスの相対位相情報に変換されている。

このように時間差２連光子パルスに変換された光子２は、量子通信路３１である光ファイバを通って量子暗号受信装置Ｂに伝送される。光ファイバが被る外乱に対して、時間差２連光子パルスの先行パルスも後続パルスも同じように外乱を受けるが相対位相は変化が受けにくいため、長距離伝送が可能になる。

量子暗号受信装置Ｂに伝送された光子２は、位相／偏波変調変換器７において、先行パルスにある状態、後続パルスにある状態がそれぞれ下記の式のような偏波状態に変換される。

従って、水平偏波状態であった光子２は再び水平偏波状態に戻り、垂直偏波状態であった光子２は再び垂直偏波状態に戻ることになる。この結果として、ＥＰＲ対が量子暗号送受信装置Ａ、Ｂ間で共有できたことになる。

しかしながら、伝送路上に悪意のある攻撃者が存在し、量子状態を壊してしまう可能性があるため、量子暗号送受信装置間Ａ、ＢでＥＰＲ対の品質を評価確認する必要がある。これを実行するのが忠実度検定手段３Ａ、３Ｂである。

ステップ１０３（忠実度検定ステップ）において、光子を観測するとその量子状態が破壊さてしまうため、多量の被評価ＥＰＲ対を用意し、一部を観測してＥＰＲ対の評価データを得、残ったＥＰＲ対を量子暗号通信に用いる統計的手法が従来の量子暗号技術でよく知られている。具体的には、２Ｎ個のＥＰＲ対を用意する。これは伝送順に並んでいるものとする。忠実度検定手段３Ａ、３Ｂは、送受信装置間でＮ個のＥＰＲ対をランダムに選択して抜き出す。このＮ個のＥＰＲ対について、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂは、さらにランダムにＮ／２個抜き出し、水平偏光状態にあるか、垂直偏光状態にあるか送受信装置間で測定する。次に残ったＮ／２のＥＰＲ対について、斜め４５度偏光状態にあるか、斜め１３５度偏光状態にあるかを送受信装置間で測定する。このとき、正しいＥＰＲ対においては、水平・垂直偏光状態識別の際は送受信装置間で正反対の状態になり、斜め４５度・１３５度偏光状態識別の際は送受信装置間で同一の状態になるため、測定結果を忠実度検定手段３Ａ、３Ｂ間で照合すればＥＰＲ対の品質が評価できる（P. W. Shor and J. Preskill, Physical Review Letters 85, pp.441-444, 2000）。ＥＰＲ対の品質が合格すれば、残されたＮ個のＥＰＲ対を使って、意味のあるメッセージ伝送を行うステップ１０４以降に進むことになる。品質が不合格のときは、ステップ１０１にもどり、再度繰り返せばよい。

ステップ１０４（データ変調ステップ）においては、送信したいデータを１ビット毎に変調していく。まず、単一光子源４において３つめの光子を発生する。この光子は水平偏光状態にある。偏光変調器５は、送信データｂが“０”のときは変調しない、送信データが“１”のときは９０度偏波面を回転し垂直偏光状態にする。従って、光子３の量子状態は下記の式のように書ける。

ステップ１０５（Ｂｅｌｌ測定ステップ）においては、忠実度検定手段３Ａで合格した光子１と、偏光変調器５で偏光された光子３をＢｅｌｌ状態測定手段６において測定する。測定結果として１ビットの情報が得られるので、これを量子暗号受信装置Ｂに通知する。具体的には、２光子状態は独立した２つの光子の状態の直積で表現できる他に、エンタングルした状態で表現できることも知られている。これをＢｅｌｌ状態といい以下の式で表す４つの状態がある。

そこで、Ｂｅｌｌ状態測定は、光子１と光子３の量子状態を上記４つの量子状態に射影することになる。しかしながら、光子１と光子２はＥＰＲ対と呼ばれるエンタングル状態であるので、光子１、光子２、光子３の量子状態をまとめて扱うと、光子１、３についてのＢｅｌｌ状態への射影は以下の式のように書ける。

これは、光子１と光子３のＢｅｌｌ状態測定により、その測定結果として、等確率１／４で上記４つのＢｅｌｌ状態の１つが現れることを記述している。ここまでは従来の量子テレポーテーションでよく知られた事実であるが、既存の技術では、この４つのＢｅｌｌ状態のうち、｜Φ^＋〉と｜Φ⁻〉を区別できないことが問題になっており、この２つの状態に射影されると、正しい量子テレポーテーションが実行できなかった。このイベントが生起する確率は５０％である。

当方式では、上記Ｂｅｌｌ状態射影後の光子２の量子状態が、Ｂｅｌｌ状態を２つのグループ｜Φ^＋〉と｜Φ⁻〉、および、｜Ψ^＋〉と｜Ψ⁻〉に分けたときに、水平偏光状態と垂直偏光状態の相対的な位相因子の符号しか違わないことに着目する。つまり、Ｂｅｌｌ状態測定の測定結果として、ΦのグループかΨのグループであったかどうかのみを判定し、Φグループの場合は“１”を、Ψグループの場合は“０”を出力し、この値を量子暗号受信装置Ｂに通知する。ここで重要なことは、このような縮退した測定は既存のよく知られたＢｅｌｌ測定技術（Physical Review Letters 76 pp.4656-4659, 1996）を用いても、成功確率１００％で実施できることである。

ステップ１０６（量子状態測定ステップ）においては、量子暗号受信装置Ｂにある量子状態測定手段８は、ステップ１０５の縮退したＢｅｌｌ状態測定結果を待って、光子２の量子状態を測定する。光子２の量子状態が水平偏光状態にあれば“０”を、垂直偏光状態にあれば“１”を出力する。この測定結果と量子暗号送信装置Ａから通知された縮退したＢｅｌｌ状態測定結果１ビットを、排他的論理和ゲート９で排他的論理和をとることで送信データを正しく復調できる。

これは、上記Ｂｅｌｌ状態への射影式から、光子１と光子３の縮退したＢｅｌｌ状態測定結果をｘ、光子２の量子状態測定結果をｙとおくと、伝送データｂとｘからｙは一意に決定されるので、以下の表１のような関係になることから明らかである。

次に、図２を用いて偏波／位相変調変換器について説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの偏波／位相変調変換器の構成を示す図である。偏波／位相変調変換器２は、下記の式のように偏波変調された光子：

（ここで、Ｈは水平偏光状態、Ｖは垂直偏光状態を表し、その複素振幅α、βに情報が符号化される。）を入力すると、位相変調された光子：

（ここで、ｓは時間差２連光子パルスの先行光子パルスに光子がある状態、ｌは後続光子パルスに光子がある状態、この２つの光子パルスの位相差として情報が符号化されている。）として時間差２連光子パルスを出力するものである。

図２において、偏波／位相変調変換器２は、水平偏光と垂直偏光を分離する偏光ビームスプリッタ（第１の偏光ビームスプリッタ）２１と、垂直偏光を水平偏光に回転する半波長板（ＨＷＰ：Half Wave Plate）（第１の半波長板）２２と、偏波状態で分離された２つの光子を再び合波・干渉、分離するビームスプリッタ（第１のビームスプリッタ）２５と、上記２つの光子それぞれの光路を変更、調整し、同時にビームスプリッタ２５入力するように設置されたミラー（第１のミラー）２３、ミラー（第２のミラー）２４と、ビームスプリッタ２５で再分離された光子の１つが直行し、もう１つの光子が遅延を持って入力するビームスプリッタ（第２のビームスプリッタ）２８と、適切な遅延を与えるように設置されたミラー（第３のミラー）２６、ミラー（第４のミラー）２７とから構成されている。

このような構成をとることによって、例えば、水平偏光状態にあった光子が入力すると、偏光ビームスプリッタ２１で反射されミラー２４を通ってビームスプリッタ２５に水平方向から入射する。ビームスプリッタ２５で５０：５０に分割されて、１つの光子はビームスプリッタ２８に直行し、他方の光子はミラー２６、２７を通ってビームスプリッタ２８に入射することになる。ビームスプリッタ２８にこの２つの光子が入射したとき、時間差を持って入射するので相互に干渉することなく、ビームスプリッタ２８で５０：５０に分割される。従って、水平方向に出力された光子は、時間差２連光子パルスとして出力される。

一方、垂直偏光状態にあった光子が入力すると、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、半波長板２２で偏波面を９０度回転させられて水平偏光状態になった後、ビームスプリッタ２５に鉛直方向から入射する。ビームスプリッタ２５で５０：５０に分割されて、１つの光子はビームスプリッタ２８に直行し、他方の光子はミラー２６、２７を通ってビームスプリッタ２８に入射することになる。ビームスプリッタ２８にこの２つの光子が入射したとき、時間差を持って入射するので相互に干渉することなく、ビームスプリッタ２８で５０：５０に分割される。これも水平方向に出力された光子が時間差２連光子パルスとして出力される。

このとき、ビームスプリッタ２５の入力方向の違いで、先行パルスと後続パルスの相対位相が反転している。つまり、偏波情報が位相情報に変換されていることになる。

次に、図３を用いて位相／偏波変調変換器について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの位相／偏波変調変換器の構成を示す図である。位相／偏波変調変換器７は、下記の式のように位相変調された光子：

（ここで、複素振幅γ、δに情報が符号化される。）である時間差２連光子パルスを入力すると、偏光変調された光子：

として出力するものである。

位相／偏波変調変換器７は、入力した時間差２連光子パルスのそれぞれを５０：５０に分割するビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ）７１と、ビームスプリッタ７１で分割された光子パルスが再度、合波・干渉・分離するビームスプリッタ（第４のビームスプリッタ）７４と、入力した時間差２連光子パルスの先行パルスと後続パルスの時間差とビームスプリッタ７１からビームスプリッタ７４に向かう２つの光路の時間差が等しくなるように設置されたミラー（第５のミラー）７２、ミラー（第６のミラー）７３と、ビームスプリッタ７４で分離した光子パルスが再度合波する偏光ビームスプリッタ（第２の偏光ビームスプリッタ）７８と、ビームスプリッタ７４から偏光ビームスプリッタ７８に向かう一方の光子パルスの偏波面を９０度回転する半波長板（ＨＷＰ）（第２の半波長板）７７と、ビームスプリッタ７４と偏光ビームスプリッタ７８を結ぶ２つの光路が等長になるように設置されたミラー（第７のミラー）７５、ミラー（第８のミラー）７６とから構成されている。

このような構成をとることによって、例えば、先行パルスと後続パルスの相対位相差が０である光子状態

を入力すると、ビームスプリッタ７１で先行、後続併せて４つの光子パルスに分割される。このとき、先行光子パルスが分割されてできた２つの光子パルスのうち、ビームスプリッタ７４に直行するパルスは捨てる。また、後続光子パルスが分割されてできた２つの光子パルスのうち、ビームスプリッタ７４に直行しないパルスも捨てる。先行光子パルスを分割してできたもう１つの光子パルスは、ミラー７２、７３を通る光路を通って遅延するので、後続光子パルスを分割してできたビームスプリッタ７４に直行する光子パルスと、丁度ビームスプリッタ７４において同じタイミングで入射、干渉を起こすことになる。この結果、ビームスプリッタ７４の水平方向に出力されるポートのみ光子が出され、この光子はミラー７５を通って偏光ビームスプリッタ７８に向かい、偏光ビームスプリッタ７８で反射して、水平偏光状態にある光子

として出力されることになる。

一方、先行パルスと後続パルスの相対位相差がπである光子状態

を入力すると、これも同様にして、ビームスプリッタ７１で先行、後続併せて４つの光子パルスに分割される。この場合も先行光子パルスが分割されてできた２つの光子パルスのうち、ビームスプリッタ７４に直行するパルスは捨てる。また、後続光子パルスが分割されてできた２つの光子パルスのうち、ビームスプリッタ７４に直行しないパルスも捨てる。先行光子パルスを分割してできたもう１つの光子パルスは、ミラー７２、７３を通る光路を通って遅延するので、後続光子パルスを分割してできたビームスプリッタ７４に直行する光子パルスと、丁度ビームスプリッタ７４において同じタイミングで入射、干渉を起こすことになる。ここまでは位相差０の光子状態と全く同様であるが、干渉の結果は位相差を反映して全く異なっている。干渉の結果として、ビームスプリッタ７４の鉛直方向に出力されるポートのみ光子が出され、この光子はミラー７６を通って半波長板７７で偏波面を９０度回転させられた後、偏光ビームスプリッタ７８に入射する。偏光ビームスプリッタ７８を透過して、垂直偏光状態にある光子

として出力されることになる。

このように位相情報の違いで偏波面の違う量子状態に変換されるので、位相情報を偏波情報に変換していることになる。

以上のように、意味のあるメッセージを伝送データとして直接できるので、メッセージ伝送用の通信コストを削減できる。その伝送方法として量子テレポーテーションを用いているが、被量子状態を被伝送データに応じて最適化しているので、従来からある不完全Ｂｅｌｌ測定装置を用いても、成功確率１００％で伝送を実現できる。また、古典伝送情報量は伝送データ１ビットあたり、従来からある量子テレポーテーションの半分の１ビットでよく、量子暗号受信装置Ｂも量子状態を測定するのみでよく、量子ユニタリ変換を実施しなくてよい。さらに、ＥＰＲ対をなす光子の量子暗号送信装置Ａから量子暗号受信装置Ｂへの伝送について、壊れやすい偏光変調ではなく、位相変調した光子を用いて伝送するので長距離伝送ができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信システムについて図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。

上記の実施の形態１では、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂで不合格になった場合、検定対象になった光子を全て捨てるようにしたものであるが、この実施の形態２では、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂで不合格が出た場合でも、検定対象の光子を捨てないで、忠実度を上げて再利用するものである。

図５において、図１の量子暗号送受信装置Ａ、Ｂそれぞれに、ＥＰＲ対精製手段（第１のＥＰＲ対精製手段）１０Ａ、ＥＰＲ対精製手段（第２のＥＰＲ対精製手段）１０Ｂと、量子メモリ（第１の量子メモリ）１１Ａ、量子メモリ（第２の量子メモリ）１１Ｂとを付加したものである。

つぎに、この実施の形態２に係る量子暗号通信システムの動作について図面を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信システムの動作を示すフローチャートである。

動作についてもほぼ上記実施の形態１と同様である。上記実施の形態１との違いは、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂを合格した光子が一反、量子メモリ１１Ａ、１１Ｂに貯蔵されることである。忠実度検定手段３Ａ、３Ｂで不合格になった光子全てを捨てるのではなく、量子暗号送受信装置Ａ、ＢそれぞれのＥＰＲ対精製手段１０Ａ、１０Ｂに送り、ＥＰＲ対精製手段１０Ａ、１０Ｂでは、よく知られたエンタングルメント精製プロトコルに従って、光子に対して適当なユニタリ変換と量子測定および量子暗号送受信装置Ａ、ＢそれぞれにあるＥＰＲ対精製手段１０Ａ、１０Ｂとの相互古典通信を繰り返すことで、光子を選別、ＥＰＲ対としての忠実度を上げていく。十分に忠実度が上がったときに、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂに光子を戻す。忠実度検定手段３Ａ、３Ｂにおいては再度、忠実度検定を行い、検定が合格すれば、量子メモリ１１Ａ、１１Ｂに光子を送る。不合格であればＥＰＲ対精製手段１０Ａ、１０Ｂに再度、光子を戻す。

ＥＰＲ対精製手段１０Ａ、１０Ｂでよく知られた精製手続きは、「C. H. Benett, et. al., Physical Review Letters 76, pp.722-725, 1996」に記載されているものを採ることができる。このように、忠実度検定手段３Ａ、３Ｂで不合格になったＥＰＲ対も再利用することができる。

この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの偏波／位相変調変換器の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの位相／偏波変調変換器の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る量子暗号通信システムの動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信システムの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る量子暗号通信システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ量子暗号送信装置、Ｂ量子暗号受信装置、１偏波状態ＥＰＲ対発生源、２偏波／位相変調変換器、３Ａ忠実度検定手段、３Ｂ忠実度検定手段、４単一光子源、５偏光変調器、６Ｂｅｌｌ状態測定手段、７位相／偏波変調変換器、８量子状態測定手段、９排他的論理和ゲート、１０ＡＥＰＲ対精製手段、１０ＢＥＰＲ対精製手段、１１Ａ量子メモリ、１１Ｂ量子メモリ、２１偏光ビームスプリッタ、２２半波長板、２３ミラー、２４ミラー、２５ビームスプリッタ、２６ミラー、２７ミラー、２８ビームスプリッタ、３１量子通信路、３２古典通信路、７１ビームスプリッタ、７２ミラー、７３ミラー、７４ビームスプリッタ、７５ミラー、７６ミラー、７７半波長板、７８偏光ビームスプリッタ。

Claims

量子暗号送信装置と、前記量子暗号送信装置に量子通信路及び古典通信路によって接続された量子暗号受信装置とを備えた量子暗号通信システムであって、
前記量子暗号送信装置は、
偏波状態のＥＰＲ対と呼ばれる光子対を発生する偏波状態ＥＰＲ対発生源と、
前記偏波状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の一方の光子の偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換する偏波／位相変調変換器と、
前記偏光状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の他方の光子の量子状態を測定し、前記量子暗号受信装置側の第２の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第２の忠実度検定手段によって測定された一方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価する第１の忠実度検定手段と、
単一光子を発生する単一光子源と、
前記単一光子源により発生された光子を送信したいデータに従い偏光状態に変調する偏光変調器と、
前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子と前記偏光変調器で変調された光子のＢｅｌｌ状態と呼ばれる２光子状態を測定し、４つあるＢｅｌｌ状態を２つのグループに分類する縮退したＢｅｌｌ状態測定手段とを有するとともに、
前記量子暗号受信装置は、
前記偏波／位相変調変換器から前記量子通信路により伝送され、前記偏波／位相変調変換器によって偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換された一方の光子を偏波状態で符号化された量子状態に変換する位相／偏波変調変換器と、
前記位相／偏波変調変換器から出力された一方の光子の量子状態を測定し、前記第１の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第１の忠実度検定手段によって測定された他方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価する前記第２の忠実度検定手段と、
前記第２の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を測定し、この測定結果と前記Ｂｅｌｌ状態測定手段から前記古典通信路により伝送された縮退したＢｅｌｌ状態測定結果との排他的論理和をとることにより送信データを復号する量子状態測定手段とを有する
ことを特徴とする量子暗号通信システム。
前記量子暗号送信装置は、
前記第１の忠実度検定手段で品質が不合格の光子に対して、エンタングルメント精製プロトコルに従ってユニタリ変換と量子測定を行い、この精製結果について前記古典通信路により前記量子暗号受信装置側の第２のＥＰＲ対精製手段との相互古典通信を繰り返すことで、光子を選別してＥＰＲ対としての品質を上げていき、品質が上がったときに、前記第１の忠実度検定手段に光子を戻す第１のＥＰＲ対精製手段と、
前記Ｂｅｌｌ状態測定手段が測定を行うまで、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を保存しておく第１の量子メモリとをさらに有するとともに、
前記量子暗号受信装置は、
前記第２の忠実度検定手段で品質が不合格の光子に対して、エンタングルメント精製プロトコルに従ってユニタリ変換と量子測定を行い、この精製結果について前記古典通信路により前記量子暗号送信装置側の第１のＥＰＲ対精製手段との相互古典通信を繰り返すことで、光子を選別してＥＰＲ対としての品質を上げていき、品質が上がったときに、前記第２の忠実度検定手段に光子を戻す前記第２のＥＰＲ対精製手段と、
前記量子状態測定手段が測定を行うまで、前記第２の忠実度検定手段で合格した光子の量子状態を保存しておく第２の量子メモリとをさらに有し、
前記Ｂｅｌｌ状態測定手段は、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子と前記偏光変調器で変調された光子の２光子状態を測定する代わりに、前記第１の量子メモリで保存した光子と前記偏光変調器で変調された光子の２光子状態を測定し、
前記量子状態測定手段は、前記第２の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を測定する代わりに、前記第２の量子メモリで保存した光子の量子状態を測定する
ことを特徴とする請求項１記載の量子暗号通信システム。
量子暗号送信装置と、前記量子暗号送信装置に量子通信路及び古典通信路によって接続された量子暗号受信装置とを備えた量子暗号通信システムであって、
前記量子暗号送信装置は、偏波状態ＥＰＲ対発生源、偏波／位相変調変換器、第１の忠実度検定手段、単一光子源、偏光変調器、並びにＢｅｌｌ状態測定手段を有するとともに、
前記量子暗号受信装置は、位相／偏波変調変換器、第２の忠実度検定手段、並びに量子状態測定手段を有する、量子暗号通信システムにおいて、
前記偏波状態ＥＰＲ対発生源が、偏波状態のＥＰＲ対と呼ばれる光子対を発生するステップと、
前記偏波／位相変調変換器が、前記偏波状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の一方の光子の偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換するステップと、
前記第１の忠実度検定手段が、前記偏光状態ＥＰＲ対発生源により発生された光子対の他方の光子の量子状態を測定し、前記量子暗号受信装置側の前記第２の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第２の忠実度検定手段によって測定された一方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価するステップと、
前記単一光子源が、単一光子を発生するステップと、
前記偏光変調器が、前記単一光子源により発生された光子を送信したいデータに従い偏光状態に変調するステップと、
前記Ｂｅｌｌ状態測定手段が、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子と前記偏光変調器で変調された光子のＢｅｌｌ状態と呼ばれる２光子状態を測定し、４つあるＢｅｌｌ状態を２つのグループに分類するステップと、
前記位相／偏波変調変換器が、前記偏波／位相変調変換器から前記量子通信路により伝送され、前記偏波／位相変調変換器によって偏波状態で符号化された量子状態を位相状態で符号化された量子状態に変換された一方の光子を偏波状態で符号化された量子状態に変換するステップと、
前記第２の忠実度検定手段が、前記位相／偏波変調変換器から出力された一方の光子の量子状態を測定し、前記第１の忠実度検定手段と前記古典通信路により古典通信することにより、前記第１の忠実度検定手段によって測定された他方の光子の量子状態と照合することによりＥＰＲ対の品質を評価するステップと、
前記量子状態測定手段が、前記第２の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を測定し、この測定結果と前記Ｂｅｌｌ状態測定手段から前記古典通信路により伝送された縮退したＢｅｌｌ状態測定結果との排他的論理和をとることにより送信データを復号するステップと
を含むことを特徴とする量子暗号通信方法。
前記量子暗号送信装置は、第１のＥＰＲ対精製手段及び第１の量子メモリとをさらに有するとともに、
前記量子暗号受信装置は、第２のＥＰＲ対精製手段及び第２の量子メモリとをさらに有する、量子暗号通信システムにおいて、
前記第１のＥＰＲ対精製手段が、前記第１の忠実度検定手段で品質が不合格の光子に対して、エンタングルメント精製プロトコルに従ってユニタリ変換と量子測定を行い、この精製結果について前記古典通信路により前記量子暗号受信装置側の前記第２のＥＰＲ対精製手段との相互古典通信を繰り返すことで、光子を選別してＥＰＲ対としての品質を上げていき、品質が上がったときに、前記第１の忠実度検定手段に光子を戻すステップと、
前記第１の量子メモリが、前記Ｂｅｌｌ状態測定手段が測定を行うまで、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を保存しておくステップと、
前記第２のＥＰＲ対精製手段が、前記第２の忠実度検定手段で品質が不合格の光子に対して、エンタングルメント精製プロトコルに従ってユニタリ変換と量子測定を行い、この精製結果について前記古典通信路により前記量子暗号送信装置側の第１のＥＰＲ対精製手段との相互古典通信を繰り返すことで、光子を選別してＥＰＲ対としての品質を上げていき、品質が上がったときに、前記第２の忠実度検定手段に光子を戻すステップと、
前記第２の量子メモリが、前記量子状態測定手段が測定を行うまで、前記第２の忠実度検定手段で合格した光子の量子状態を保存しておくステップとをさらに含み、
前記分類するステップにおいて、前記Ｂｅｌｌ状態測定手段が、前記第１の忠実度検定手段で品質が合格した光子と前記偏光変調器で変調された光子の２光子状態を測定する代わりに、前記第１の量子メモリで保存した光子と前記偏光変調器で変調された光子の２光子状態を測定し、
前記復号するステップにおいて、前記量子状態測定手段が、前記第２の忠実度検定手段で品質が合格した光子の量子状態を測定する代わりに、前記第２の量子メモリで保存した光子の量子状態を測定する
ことを特徴とする請求項３記載の量子暗号通信方法。