JP4879294B2 - Quantum cryptographic communication data processing method and quantum cryptographic communication device - Google Patents
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本発明は、一般的に量子暗号通信分野における暗号通信に用いる秘密鍵配送技術に関する。より詳細には、本発明は、量子暗号通信におけるビット誤りを抑制し、量子鍵の生成効率を向上させる技術に関する。 The present invention generally relates to a secret key distribution technique used for cryptographic communication in the field of quantum cryptographic communication. More specifically, the present invention relates to a technique for suppressing bit errors in quantum cryptography communication and improving quantum key generation efficiency.
従来から、秘密鍵暗号方式に必要な秘密鍵を安全に配布するための有望な方法として、量子暗号通信が注目されている。代表的な量子暗号通信方式として、量子鍵配送プロトコルのBB84と呼ばれる方式(非特許文献1参照)とB92(非特許文献2参照)と呼ばれる方式が知られている。 Conventionally, quantum cryptography communication has attracted attention as a promising method for securely distributing a secret key required for a secret key cryptosystem. As typical quantum cryptography communication methods, a method called BB84 (see Non-Patent Document 1) and a method called B92 (see Non-Patent Document 2) of a quantum key distribution protocol are known.
図1は、量子暗号通信方式の構成を概略的に説明する図であり、BB84やB92などの方式を含め全ての量子暗号通信方式は、図1で示される構成を有している。 FIG. 1 is a diagram for schematically explaining the configuration of the quantum cryptography communication system. All quantum cryptography communication systems including the systems such as BB84 and B92 have the configuration shown in FIG.
図1を参照すると、送信器100は、ビット値をランダムに発生させ、その値に応じてレーザー光源や単一光子源から生成される光パルスを変調(つまり、ビット値の符号化)した後、受信器110に対して光ファイバー120などの伝送路を用いて光パルス130を送信する。
Referring to FIG. 1, the
一方、受信器110は、送信器100が行った変調、つまり送信器100が符号化したビット値を読み取るような測定(つまりビット値の復号化)を行う。ビット値の復号化は、変調器111及び光子検出器112、並びに光子検出器112から出力される信号を読み取る電子機器で行われる。復号化の後、公開通信チャネルを併用することにより、送信器100と受信器110は、それぞれ生ビット列を得ることができる。一般にこの生ビット列は雑音や盗聴の影響により、安全でない可能性があり、送信器100と受信器110が得た生ビット列にはビット誤りが含まれることがある。ここで「ビット誤り」とは、送信器100の送ったビット値と受信器110の受信したビット値が異なる事象を指す。
On the other hand, the
上記で説明したステップは、量子通信と一般的に呼ばれているが、秘密鍵を蒸留するためには以下に説明する更なるステップを行う必要がある。 The steps described above are commonly referred to as quantum communications, but additional steps described below must be performed to distill the secret key.
まず、生ビット列のうちのいくつかのビット値を公開する。この公開したビット列はテストビットと呼ばれている。このテストビット中の誤り率を計算することにより、テストビット以外のビット列(コードビット列と呼ばれる)のビット誤り率を推定する。 First, some bit values of the raw bit string are disclosed. This disclosed bit string is called a test bit. By calculating the error rate in the test bit, the bit error rate of a bit string (referred to as a code bit string) other than the test bit is estimated.
次に、推定したビット誤り率をもとに、まずビットエラー訂正プロトコルをコードビット列に対して行い、受信器と送信器のビット列を同一のビット列に変換する。変換したビット列に対して更に秘匿性増強プロトコルを行うことにより盗聴者が持つ情報が無視できるほど小さい安全な秘密鍵を生成する。 Next, based on the estimated bit error rate, a bit error correction protocol is first applied to the code bit string to convert the bit strings of the receiver and the transmitter into the same bit string. By performing a confidentiality enhancement protocol on the converted bit string, a secure secret key that is small enough to ignore information held by an eavesdropper is generated.
秘密鍵を蒸留するための一連のステップの中で、「ビット誤り率」というパラメータが重要な役割を果たす。このビット誤り率から盗聴者に漏れている情報量を推定でき、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなる、という性質がある。そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなる。この『ある値』とは、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。 In the sequence of steps for distilling the secret key, the parameter “bit error rate” plays an important role. The amount of information leaked to the eavesdropper can be estimated from this bit error rate, and if the bit error rate is large, the length of the secret key finally generated is shortened. If the bit error rate exceeds a certain value, a secret key cannot be generated at all. The “certain value” is a value depending on a specific bit error correction protocol, a confidentiality enhancement protocol, or the like.
一般に長距離になるほど信号のSN比(SNR)の悪化が原因でビット誤り率が上昇するので、長距離に渡って安全な通信を達成するためにはビット誤り率をできるだけ小さくする必要がある。更に、秘密鍵が蒸留できるビット誤り率の領域でも、ビット誤り率が大きくなると、ビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルが消費する通信量が大きくなるため鍵生成速度が低下する、という性質がある。従って、量子暗号通信において長距離化を達成する為、及び鍵生成速度の向上の為にはビット誤り率を小さくする必要がある。 In general, the longer the distance, the higher the bit error rate due to the deterioration of the signal-to-noise ratio (SNR) of the signal. Therefore, in order to achieve safe communication over a long distance, the bit error rate needs to be as small as possible. Furthermore, even in the bit error rate area where the secret key can be distilled, if the bit error rate increases, the amount of communication consumed by the bit error correction protocol and the confidentiality enhancement protocol increases, so that the key generation rate decreases. . Therefore, it is necessary to reduce the bit error rate in order to achieve long distance in quantum cryptography communication and to improve the key generation speed.
従って、量子暗号通信において長距離化を達成する為、及び鍵生成速度の向上の為にはビット誤り率を小さくしなければならない。多くの量子暗号通信では、このビット誤りの主原因は検出器における暗計数であることが知られている。ここで、暗計数とは、光信号の入力がないのにもかかわらず検出器が電気信号を発する事象のことをいう。この暗計数は時間的にランダムに起こると考えられているのに対し、本来の光子信号からくる電気信号は時刻tiに非常に近いところほど高確率で起こる。ここで、tiはi番目のシグナルを受信器が受信すると思われる時刻を表す。 Therefore, in order to achieve a long distance in quantum cryptography communication and to improve the key generation rate, the bit error rate must be reduced. In many quantum cryptography communications, it is known that the main cause of this bit error is a dark count at the detector. Here, the dark count refers to an event in which the detector emits an electrical signal even when no optical signal is input. While this dark count is thought to occur randomly in time, the electrical signal coming from the original photon signal occurs with higher probability as it is very close to time t i . Here, t i represents the time at which the receiver is supposed to receive the i-th signal.
従って、時刻tiに非常に近いところの信号のみを選択すればビット誤り率が低いことが期待されるが、従来の方法では電気信号を計測した時刻をそれほど正確に記録しておらず、ti±Δt以内(Δtは、検出器や電気信号解析機の性質に依存して決まる定数)に受け取った信号をi番目のパルスによる信号と記録していた。このため、ビット誤り率が高くなり、鍵生成速度の低下や通信距離の縮小といった問題が生じていた。 Therefore, if only a signal very close to time t i is selected, it is expected that the bit error rate is low, but the conventional method does not record the time when the electric signal is measured so accurately, and t The signal received within i ± Δt (Δt is a constant determined depending on the properties of the detector and the electric signal analyzer) was recorded as the signal of the i-th pulse. For this reason, the bit error rate has increased, and problems such as a decrease in key generation speed and a reduction in communication distance have occurred.
このような問題は時刻のみならず、信号の強度領域や信号の波形などの他のパラメータにおいても存在する。 Such a problem exists not only in the time but also in other parameters such as a signal intensity region and a signal waveform.
信号の強度領域については、例えば、暗計数が起きた時に、ある特定の信号強度を出力してしまう電気信号解析機があったと仮定する。この場合、その特定の信号強度を生んだシグナルのビット誤り率が高いことが明らかなので、そのビット値は捨てるべきであるが、従来の方法では信号強度によるビット値の選抜は行っていなかった。このため、やはりビット誤り率が高くなり、鍵生成速度の低下や通信距離の縮小といった問題が生じていた。 As for the signal intensity region, for example, it is assumed that there is an electric signal analyzer that outputs a specific signal intensity when dark count occurs. In this case, since it is clear that the bit error rate of the signal that generated the specific signal strength is high, the bit value should be discarded, but the conventional method does not select the bit value based on the signal strength. For this reason, the bit error rate is also increased, causing problems such as a decrease in key generation speed and a reduction in communication distance.
信号の波形についても同様に、暗計数が起きた時にある特定の信号波形を出力してしまう電気信号解析機があったと仮定すると、同様の問題が起きてしまっていた。 Similarly, assuming that there is an electrical signal analyzer that outputs a specific signal waveform when dark counting occurs, the same problem has occurred.
本発明は、上記のようなデータ処理の粗視化によって生じる鍵生成速度の低下や通信距離の縮小という課題を改善するためになされたものである。 The present invention has been made in order to improve the problems such as a decrease in key generation speed and a reduction in communication distance caused by the coarse graining of data processing as described above.
上記の課題を解決するために、本発明に係る送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理の第一の方法は、(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送するステップと、(e)受信器から伝送されたビット値集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送するステップと、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first method of quantum cryptography communication data processing between a transmitter and a receiver according to the present invention is as follows: (a) measuring a decrypted bit from signal light transmitted from a transmitter (B) determining which group the decoded bits belong to among groups generated according to predetermined parameters; and (c) a set including information of decoded bit values belonging to the same group. (D) dividing the set into two and transmitting a subset including bit values of one set to the transmitter; (e) a bit value set transmitted from the receiver; And calculating the bit error rate by comparing the bit value initially transmitted by the transmitter itself, selecting the bit value set for performing the key distillation process, and transmitting the bit value set to the receiver. It is characterized in.
また、上記の課題を解決するために、本発明に係る送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理の第二の方法は、(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送するステップと、(e)受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送するステップと、(f)送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送するステップと、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a second method of quantum cryptography communication data processing between a transmitter and a receiver according to the present invention is as follows: (a) Decryption bits from signal light transmitted from a transmitter And (b) determining which group of the groups generated according to the predetermined parameter the decoded bit belongs to; and (c) including information on decoded bit values belonging to the same group. Determining a set; (d) dividing the set into two and transmitting information on the position of a bit value in one set to the transmitter; and (e) bits transmitted from the receiver. Transmitting a bit value set corresponding to the position of the value to the receiver; and (f) comparing a bit value set transmitted from the transmitter with a bit value initially received by the receiver itself to detect a bit error. The rate was calculated, by selecting the bit value set to perform the key distillation process, characterized in that it comprises the steps of: transmitting the bit value set to the transmitter.
また、本発明に係る送信器と受信器を含む第一の量子暗号通信装置は、(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、(c)同一のグループに属する前記復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送する手段と、(e)受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送する手段と、を含むことを特徴とする。 A first quantum cryptography communication device including a transmitter and a receiver according to the present invention includes (a) means for measuring a decrypted bit from signal light transmitted from a transmitter, and (b) according to predetermined parameters. Means for determining which of the generated groups the decoded bits belong to; (c) means for determining a set including information of the decoded bit values belonging to the same group; and (d) the set Means for transmitting a subset including the bit values of one set to the transmitter, and (e) a subset including the bit values transmitted from the receiver and the transmitter itself Means for comparing the transmitted bit values to calculate a bit error rate, selecting a bit value set to be subjected to key distillation processing, and transmitting the bit value set to a receiver.
また、本発明に係る送信器と受信器を含む第二の量子暗号通信装置は、(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送する手段と、(e)受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送する手段と、(f)送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送する手段と、を含むことを特徴とする。 A second quantum cryptography communication device including a transmitter and a receiver according to the present invention includes (a) means for measuring a decrypted bit from signal light transmitted from a transmitter, and (b) according to a predetermined parameter. Means for determining which of the generated groups the decoded bits belong to; (c) means for determining a set including information of decoded bit values belonging to the same group; and (d) the set Means for transmitting information on the position of the bit value in one set to the transmitter divided into two, and (e) receiving the bit value set corresponding to the position of the bit value transmitted from the receiver. (F) The bit value set transmitted from the transmitter and the bit value initially received by the receiver itself are compared to calculate the bit error rate, and the bit value set for performing the key distillation process is selected. The bit value collection Characterized in that it comprises a means for transmitting to the transmitter the.
本発明によれば、受信器が復号したビットデータを、ビット値以外のあるパラメータ(例えば、時間、信号強度、信号パターン等)を基に適切にグループ分けすることにより、ビット誤り率を抑制することができる。その結果、本発明によれば、従来の方式では鍵が生成できなかった距離においても鍵生成が可能になり、量子暗号通信の長距離化が可能になり、あるいはエラー訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコルに必要な通信量の節約によって鍵生成速度の向上が可能になるという2つの効果を得ることができる。 According to the present invention, bit data decoded by a receiver is appropriately grouped based on certain parameters (eg, time, signal strength, signal pattern, etc.) other than bit values, thereby suppressing the bit error rate. be able to. As a result, according to the present invention, it becomes possible to generate a key even at a distance where a key could not be generated by the conventional method, and it is possible to increase the distance of quantum cryptography communication, or an error correction protocol or a confidentiality enhancing protocol. Two effects can be obtained that the key generation speed can be improved by saving the amount of communication necessary for the communication.
図2(a)は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信データ処理方法の概略を説明するフロー図である。図2(a)の説明では、送信器100の動作クロックの周期時間はTであり、当該周期時間Tで受信器110と同期がとれていることを前提に説明する。
FIG. 2A is a flowchart for explaining an outline of the quantum cryptography communication data processing method according to the embodiment of the present invention. In the description of FIG. 2A, the description will be made on the assumption that the period time of the operation clock of the
ステップS210では、送信器100は、図1で説明したように、i番目(i=1,2,・・・,N)の周期内にランダムなビット値Bi (s)を符号化したシグナル光を送信器100と受信器110の間のチャネル(光ファイバー120など)を通じて受信器110に送信する。
In step S210, the
ステップS220では、受信器110は、受信したシグナル光からビット情報を得た時刻に対応する周期のi番目(ここで、i∈D⊆{1,2,・・・,N})を求める。本実施形態では、i番目のパルスを受信した時刻を出来る限り正確に測定する。この時刻は、例えば、TIA(Time Interval Analyzer)などを用いて測定される。この測定した時刻をti+Δtiとする。ここで、tiはi番目のシグナルを受信器110が受信すると思われる時刻、Δtiはtiからのずれを表す。
In step S220, the
ステップS230では、測定後、受信器110は、図3に示すようにΔtiの値に応じて受信したビット値を複数のグループに分類する。すなわち、周期時間Tを複数のグループに分割できるように定数a0,・・・,aNを予め決めておき、ak≦Δti<ak+1であればi番目に受信したビット値をグループkに含める処理を行う。
At step S230, the post-measurement, the
ステップS240では、受信器110は、ステップS220で求めた各i番目の周期内に対して時間領域を分割した小区間のk番目(k∈{1,2,...,N})を求めた後、i番目の周期及びk番目の小区間内に得られたビット値Bi,k (r)を求める。
In step S240, the
ステップS250では、受信器110は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T) にさらに分解し、2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算する。その後、受信器110は、S(T)の部分集合
In step S250, the
を公開チャネルを通じて送信器100に送信する。
To the
ステップS260では、各グループkに対して個別にビット誤り率Ekの推定を行う。具体的に説明すると、各グループに属するビット値と、そのビット値を得たシグナルに対して送信器100が符号化したビット値を比べ、ビット値が異なっている割合をグループごとに計算する。
In step S260, the bit error rate Ek is estimated individually for each group k. More specifically, the bit value belonging to each group is compared with the bit value encoded by the
つまり、送信器100は、まず受信した
That is, the
の要素に含まれているBi,k (r)とBi (s)を比較する。そして、各kに対して、以下の式で求められるビット誤り率Ekを計算する。 B i, k (r) and B i (s) included in the elements of are compared. Then, for each k, a bit error rate E k obtained by the following equation is calculated.
次に、送信器100は、Ekをkについて取捨選択、つまり、鍵蒸留処理を行っても鍵を生成できない程大きなビット誤り率Ekを持つグループを捨てる。この取捨選択を行う基準となる閾値(上記『ある値』)は、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。つまり、[背景技術]の欄で説明したように、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなり、そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなるため、鍵を生成できない程大きなビット誤り率のグループを捨てる処理を行う。この選択後、残ったグループの集合をFとする。その後、送信器100は、採択することにしたkの集合Fを受信器110に公開チャネルを通じて送信する。
Next, the
そして、図3に示すように、F内のグループごとに鍵蒸留処理、すなわちビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルを行い、 Then, as shown in FIG. 3, a key distillation process, that is, a bit error correction protocol and a confidentiality enhancement protocol is performed for each group in F.
の中からkごとに個別に秘密鍵を生成する。 A secret key is generated individually for each k.
本実施形態を別の観点から言うと、図4にグループ構成の例を示したように最終的に生成する秘密鍵の和が最大になるように、各グループの長さ、すなわち定数a0,・・・,aNを定める。つまり、鍵生成率が最大化されるように、各グループの時間領域での長さを定める。なお、図4に示したグループ分けは単なる概念図であり、図4に示した長さは具体的な実験結果によって決めることができる。図4では、1番目と2番目のパルスを受信すると思われる時刻をそれぞれt1、t2と書いており、グループは6つ構成してある。 From another point of view, this embodiment will be described with reference to the length of each group, that is, the constant a 0, so that the sum of secret keys to be finally generated is maximized, as shown in FIG. ..., a N is determined. That is, the length of each group in the time domain is determined so that the key generation rate is maximized. Note that the grouping shown in FIG. 4 is merely a conceptual diagram, and the length shown in FIG. 4 can be determined by specific experimental results. In FIG. 4, the times when the first and second pulses are supposed to be received are written as t 1 and t 2 , respectively, and six groups are formed.
このように本実施形態によれば、ビット誤り率を単純な粗視化によって求める代わりに、各グループからエリート選別、つまり鍵生成率がより高いものを選別することができ、量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, instead of obtaining the bit error rate by simple coarse-graining, it is possible to select the elite selection from each group, that is, the one with a higher key generation rate. Distance and key generation speed can be improved.
図2(b)は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信データ処理方法の概略を説明するフロー図である。上記実施形態と本実施形態との違いは、図2におけるステップS250で受信器110が送信器100へ送る情報の種類と、この情報を受信後送信器100がビット情報を受信器110へ送り、受信器110がビット誤り率を計算しエリート選抜を行うことであり、それ以外は同じである。従って、以下ではステップS240以降を説明する。
FIG. 2B is a flowchart explaining an outline of the quantum cryptography communication data processing method according to the embodiment of the present invention. The difference between the above embodiment and the present embodiment is that the type of information that the
ステップS250bでは、受信器110は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T) にさらに分解し、2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算する。その後、受信器110は、集合
In step S250b, the
を公開チャネルを通じて送信器100に送信する。
To the
ステップS260bでは、受信器110から受け取った集合
In step S260b, the set received from the
に対応するビット情報 Bit information corresponding to
を送信器100が公開チャネルを通じて受信器110に送信する。
Is transmitted to the
ステップS270bでは各グループkに対して個別にビット誤り率Ekの推定を行う。具体的に説明すると、各グループに属するビット値と、そのビット値を得たシグナルに対して送信器100が符号化したビット値を比べ、ビット値が異なっている割合をグループごとに計算する。
To estimate the individual bit error rate E k relative to step S270b in each group k. More specifically, the bit value belonging to each group is compared with the bit value encoded by the
つまり、受信器110は、まず受信した
That is, the
の要素に含まれているBi (s)とBi,k (r)を比較する。そして、各kに対して、以下の式で求められるビット誤り率Ekを計算する。 B i (s) and B i, k (r) included in the elements of are compared. Then, for each k, a bit error rate E k obtained by the following equation is calculated.
次に、受信器110は、Ekをkについて取捨選択、つまり、鍵蒸留処理を行っても鍵を生成できない程大きなビット誤り率Ekを持つグループを捨てる。この取捨選択を行う基準となる閾値(上記『ある値』)は、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。つまり、[背景技術]の欄で説明したように、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなり、そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなるため、鍵を生成できない程大きなビット誤り率のグループを捨てる処理を行う。この選択後、残ったグループの集合をFとする。その後、受信器110は、採択することにしたkの集合Fを送信器100に公開チャネルを通じて送信する。
Next, the
そして、図3に示すように、F内のグループごとに鍵蒸留処理、すなわちビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルを行い、 Then, as shown in FIG. 3, a key distillation process, that is, a bit error correction protocol and a confidentiality enhancement protocol is performed for each group in F.
の中からkごとに個別に秘密鍵を生成する。 A secret key is generated individually for each k.
本実施形態を別の観点から言うと、図4にグループ構成の例を示したように最終的に生成する秘密鍵の和が最大になるように、各グループの長さ、すなわち定数a0,・・・,aNを定める。つまり、鍵生成率が最大化されるように、各グループの時間領域での長さを定める。なお、図4に示したグループ分けは単なる概念図であり、図4に示した長さは具体的な実験結果によって決めることができる。図4では、1番目と2番目のパルスを受信すると思われる時刻をそれぞれt1、t2と書いており、グループは6つ構成してある。 From another point of view, this embodiment will be described with reference to the length of each group, that is, the constant a 0, so that the sum of secret keys to be finally generated is maximized, as shown in FIG. ..., a N is determined. That is, the length of each group in the time domain is determined so that the key generation rate is maximized. Note that the grouping shown in FIG. 4 is merely a conceptual diagram, and the length shown in FIG. 4 can be determined by specific experimental results. In FIG. 4, the times when the first and second pulses are supposed to be received are written as t 1 and t 2 , respectively, and six groups are formed.
このように本実施形態によれば、ビット誤り率を単純な粗視化によって求める代わりに、各グループからエリート選別、つまり鍵生成率がより高いものを選別することができ、量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, instead of obtaining the bit error rate by simple coarse-graining, it is possible to select the elite selection from each group, that is, the one with a higher key generation rate. Distance and key generation speed can be improved.
上記2つの実施形態と本実施形態との違いは、ステップS230で行われるグループ分けの方法だけである。つまり、上記実施形態では、時間をパラメータとしてグループ分けしていたが、本実施形態では、パルスの信号強度をパラメータとしてグループ分けを行う。以下の説明では、上述した実施形態と異なる点を重点的に説明する。 The only difference between the above two embodiments and this embodiment is the grouping method performed in step S230. That is, in the above embodiment, time is grouped as a parameter, but in this embodiment, grouping is performed using a pulse signal intensity as a parameter. In the following description, differences from the above-described embodiment will be mainly described.
ステップS220では、受信器110は、i番目のパルスの信号強度(光強度)を出来る限り正確に測定する。この測定した信号強度をAiとする。そして、ステップS230では、受信器110は、図5に示すようにAiの値に応じて信号を複数のグループに分ける。すなわち、定数a0,・・・,aNを予め決めておき、ak≦Ai<ak+1であればi番目の信号をグループkに含める。なお、図5は、信号強度をもとにグループ分けを行う例を示す図であり、biはi番目に得られたビット値を表す。
In step S220, the
その後、図2のステップS260及び図2(b)のステップ270bで説明したように、各グループkに対して個別にビット誤り率Ekの推定を行い、エリート選別を行った後にグループごとに鍵蒸留処理を行うことにより、鍵生成率がより高いものを選別することができ、その結果、本実施形態によれば量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。 Thereafter, as described in step S260 in FIG. 2 and step 270b in FIG. 2B, the bit error rate E k is individually estimated for each group k, and after elite selection, a key is set for each group. By performing the distillation process, it is possible to select those having a higher key generation rate. As a result, according to the present embodiment, it is possible to increase the distance of quantum cryptography communication and improve the key generation speed.
上記3つの実施形態と本実施形態との違いは、ステップS230で行われるグループ分けの方法だけである。つまり、上記実施形態では、時間や信号強度をパラメータとしてグループ分けしていたが、本実施形態では、パルスの信号波形をパラメータとしてグループ分けを行う。以下の説明では、上述した実施形態と異なる点を重点的に説明する。 The only difference between the above three embodiments and the present embodiment is the grouping method performed in step S230. That is, in the above embodiment, time and signal intensity are grouped as parameters, but in this embodiment, pulse signal waveforms are grouped as parameters. In the following description, differences from the above-described embodiment will be mainly described.
ステップS220では、受信器110は、i番目のパルスの信号波形をまず記録する。この信号波形を時間の関数として表して、その関数をAi(t)とする。ここで、関数Ai(t)はi番目の信号を測定し始める時刻を0とし、測定が終わる時刻をTとした場合、0≦t≦Tに渡って定義されているとする。得られた信号波形を、関数形に応じて信号を複数のブロックに分ける。すなわち、信号波形a0(t),・・・,aN(t)を予め決めておき、Ai(t)がa0(t)からaN(t)の信号波形の内どの波形に最も近いかを計算する。
In step S220, the
この『近さ』の定義は任意の定義でよいが、一例として、Ai(t)とak(t)の近さdikは、以下の式のように定義できる。 The definition of “closeness” may be any definition, but as an example, the closeness d ik between A i (t) and a k (t) can be defined as the following equation.
もしAi(t)がak(t)に一番近ければ、ステップS230では、i番目の信号をグループkに含める処理を行う。図6に信号波形をもとにグループ分けを行う例を示す。biはi番目に得られたビット値を表す。 If A i (t) is closest to a k (t), in step S230, a process of including the i-th signal in group k is performed. FIG. 6 shows an example in which grouping is performed based on signal waveforms. b i represents the i-th obtained bit value.
そして、ステップS260及び図2(b)のステップ270bで説明したように、各グループkに対して個別にビット誤り率Ekの推定を行い、エリート選別を行った後にグループごとに鍵蒸留処理を行うことにより、鍵生成率がより高いものを選別することができ、その結果、本実施形態によれば量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。 Then, as described in step S260 and step 270b in FIG. 2B, the bit error rate E k is individually estimated for each group k, and after performing elite selection, a key distillation process is performed for each group. By doing so, it is possible to select those having a higher key generation rate. As a result, according to the present embodiment, it is possible to increase the distance of the quantum cryptography communication and improve the key generation speed.
100 送信器
110 受信器
111 変調器
112 光子検出器
120 光ファイバー
130 光パルス
DESCRIPTION OF
Claims (12)
(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、
(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、
(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、
(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送するステップと、
(e)受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送するステップと
を含むことを特徴とする量子暗号通信データ処理方法。 A quantum cryptography communication data processing method between a transmitter and a receiver,
(A) measuring a decoded bit from signal light transmitted from a transmitter;
(B) determining which of the groups generated according to the predetermined parameter the decoded bit belongs to;
(C) obtaining a set including information of decoded bit values belonging to the same group;
(D) dividing the set into two and transmitting a subset including bit values of one set to the transmitter;
(E) A bit error rate is calculated by comparing a subset including a bit value transmitted from a receiver with a bit value initially transmitted by the transmitter, and a bit value set for performing a key distillation process is selected and the bit is selected. Transmitting a set of values to a receiver.
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、前記周期時間を予め定められた時間間隔に基づいて分割することによって生成されており、
前記ステップ(b)は、前記復号化ビットを受信した時刻が前記i番目の周期内の前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、
それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T)にさらに分解し、
2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記受信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated by dividing the periodic time based on a predetermined time interval;
In the step (b), when the time when the decoded bit is received belongs to the k-th group (kε {1, 2,..., N}) among the groups in the i-th period, Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
In step (d), a set {(B i, k (r) , i, k)} i, k including bit values is converted into elements (B i, k (r) , i, k) is decomposed into sets S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
Each S k element is randomly further broken down into two sets S k (C) and S k (T) ,
Two sets S (C) = {S k (C)} k = 1,2, ... n and S (T) = {S k (T)} k = 1,2, calculate the ... n, S ( A subset of T)
The step (e) includes the set transmitted from the receiver.
The method
Using the set F transmitted from the transmitter, set
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号強度に基づいて生成されており、
前記ステップ(b)は、前記ステップ(a)で測定された復号化ビットの信号強度が前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、
それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T) にさらに分解し、
2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記受信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated based on a predetermined signal strength,
In the step (b), when the signal strength of the decoded bit measured in the step (a) belongs to the k-th group (kε {1, 2,..., N}) among the groups, Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
In step (d), a set {(B i, k (r) , i, k)} i, k including bit values is converted into elements (B i, k (r) , i, k) is decomposed into sets S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
Each S k element is randomly further broken down into two sets S k (C) and S k (T) ,
Two sets S (C) = {S k (C)} k = 1,2, ... n and S (T) = {S k (T)} k = 1,2, calculate the ... n, S ( A subset of T)
The step (e) includes the set transmitted from the receiver.
The method
Using the set F transmitted from the transmitter, set
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号波形パターンに基づいて生成されており、
前記ステップ(b)は、前記ステップ(a)で測定された復号化ビットの信号波形パターンが前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、
それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T)にさらに分解し、
2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記受信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated based on a predetermined signal waveform pattern,
In the step (b), the signal waveform pattern of the decoded bits measured in the step (a) belongs to the kth group (k∈ {1, 2,..., N}) of the groups. Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
In step (d), a set {(B i, k (r) , i, k)} i, k including bit values is converted into elements (B i, k (r) , i, k) is decomposed into sets S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
Each S k element is randomly further broken down into two sets S k (C) and S k (T) ,
Two sets S (C) = {S k (C)} k = 1,2, ... n and S (T) = {S k (T)} k = 1,2, calculate the ... n, S ( A subset of T)
The step (e) includes the set transmitted from the receiver.
The method
Using the set F transmitted from the transmitter, set
(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、
(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、
(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、
(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送するステップと、
(e)受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送するステップと、
(f)送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送するステップと
を含むことを特徴とする量子暗号通信データ処理方法。 A quantum cryptography communication data processing method between a transmitter and a receiver,
(A) measuring a decoded bit from signal light transmitted from a transmitter;
(B) determining which of the groups generated according to the predetermined parameter the decoded bit belongs to;
(C) obtaining a set including information of decoded bit values belonging to the same group;
(D) dividing the set into two and transmitting information on the position of bit values in one set to the transmitter;
(E) transmitting a bit value set corresponding to the position of the bit value transmitted from the receiver to the receiver;
(F) The bit value set transmitted from the transmitter and the bit value initially received by the receiver are compared to calculate the bit error rate, and the bit value set for performing the key distillation process is selected and the bit value set is selected. A quantum cryptography communication data processing method comprising: transmitting to a transmitter.
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、前記周期時間を予め定められた時間間隔に基づいて分割することによって生成されており、
前記ステップ(b)は、前記復号化ビットを受信した時刻が前記i番目の周期内の前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、
それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T)にさらに分解し、
2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記送信器から伝送された集合
前記ステップ(f)は、前記送信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated by dividing the periodic time based on a predetermined time interval;
In the step (b), when the time when the decoded bit is received belongs to the k-th group (kε {1, 2,..., N}) among the groups in the i-th period, Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
In step (d), a set {(B i, k (r) , i, k)} i, k including bit values is converted into elements (B i, k (r) , i, k) is decomposed into sets S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
Each S k element is randomly further broken down into two sets S k (C) and S k (T) ,
Two sets S (C) = {S k (C)} k = 1,2, ... n and S (T) = {S k (T)} k = 1,2, calculate the ... n, S ( A subset of T)
In step (e), the set transmitted from the transmitter
The step (f) includes the set transmitted from the transmitter.
The method
Using the set F transmitted from the receiver, set
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号強度に基づいて生成されており、
前記ステップ(b)は、前記ステップ(a)で測定された復号化ビットの信号強度が前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)はビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}i
に分解し、それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T) にさらに分解し、2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記送信器から伝送された集合
前記ステップ(f)は、前記送信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated based on a predetermined signal strength,
In the step (b), when the signal strength of the decoded bit measured in the step (a) belongs to the k-th group (kε {1, 2,..., N}) among the groups, Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
Wherein step (d) sets including the bit values {(B i, k (r ), i, k)} i, elements with the same value of the k a k (B i, k (r ), i, k ) Set S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
And each element of S k is randomly further divided into two sets S k (C) and S k (T) , and two sets S (C) = {S k (C) } k = 1 , 2, ... n and S (T) = {S k (T) } k = 1,2, ... n , and a subset of S (T)
In step (e), the set transmitted from the transmitter
The step (f) includes the set transmitted from the transmitter.
The method
Using the set F transmitted from the receiver, set
前記ステップ(a)の前に、前記送信器がi番目(i=1,2,・・・,N)の周期内に符号化したランダムなビット値Bi (s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号波形パターンに基づいて生成されており、
前記ステップ(b)は、前記ステップ(a)で測定された復号化ビットの信号波形パターンが前記グループのうちk番目(k∈{1,2,...,N})のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Bi,k (r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ(d)は、ビット値を含む集合{(Bi,k (r), i, k)}i,kを同一のkの値をもつ要素(Bi,k (r), i, k)ごとにまとめた集合Sk={(Bi,k (r), i, k)}iに分解し、
それぞれのSkの要素をランダムに2つの集合Sk (C)とSk (T)にさらに分解し、
2つの集合S(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとS(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、S(T)の部分集合
前記ステップ(e)は、前記送信器から伝送された集合
前記ステップ(f)は、前記送信器から伝送された前記集合
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Fを使用して、集合
Before the step (a), the transmitter transmits a signal light including a random bit value B i (s) encoded within the i-th (i = 1, 2,..., N) period. Further comprising transmitting to the receiver;
The group is generated based on a predetermined signal waveform pattern,
In the step (b), the signal waveform pattern of the decoded bits measured in the step (a) belongs to the kth group (k∈ {1, 2,..., N}) of the groups. Further comprising determining the value of the decoded bit as a bit value B i, k (r) ,
In step (d), a set {(B i, k (r) , i, k)} i, k including bit values is converted into elements (B i, k (r) , i, k) is decomposed into sets S k = {(B i, k (r) , i, k)} i
Each S k element is randomly further broken down into two sets S k (C) and S k (T) ,
Two sets S (C) = {S k (C)} k = 1,2, ... n and S (T) = {S k (T)} k = 1,2, calculate the ... n, S ( A subset of T)
In step (e), the set transmitted from the transmitter
The step (f) includes the set transmitted from the transmitter.
The method
Using the set F transmitted from the receiver, set
前記グループのそれぞれに対応する信号波形パターンak(t)と前記Ai(t)の波形の近さを、
The closeness of the waveform of the signal waveform pattern a k (t) corresponding to each of the groups and the A i (t)
(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、
(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、
(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、
(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送する手段と、
(e)受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送する手段と
を含むことを特徴とする量子暗号通信装置。 A quantum cryptography communication device including a transmitter and a receiver,
(A) means for measuring the decoded bit from the signal light transmitted from the transmitter;
(B) means for determining to which group the decoded bits belong among groups generated according to predetermined parameters;
(C) means for obtaining a set including information of decoded bit values belonging to the same group;
(D) means for dividing the set into two and transmitting a subset including bit values of one set to the transmitter;
(E) A bit error rate is calculated by comparing a subset including a bit value transmitted from a receiver with a bit value initially transmitted by the transmitter, and a bit value set for performing a key distillation process is selected and the bit is selected. Means for transmitting a set of values to a receiver.
(a)送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、
(b)所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、
(c)同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、
(d)前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送する手段と、
(e)受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送する手段と、
(f)送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送する手段と
を含むことを特徴とする量子暗号通信装置。 A quantum cryptography communication device including a transmitter and a receiver,
(A) means for measuring the decoded bit from the signal light transmitted from the transmitter;
(B) means for determining to which group the decoded bits belong among groups generated according to predetermined parameters;
(C) means for obtaining a set including information of decoded bit values belonging to the same group;
(D) means for dividing the set into two and transmitting information on the position of the bit value in one set to the transmitter;
(E) means for transmitting a bit value set corresponding to the position of the bit value transmitted from the receiver to the receiver;
(F) The bit value set transmitted from the transmitter and the bit value initially received by the receiver are compared to calculate the bit error rate, and the bit value set for performing the key distillation process is selected and the bit value set is selected. Means for transmitting to a transmitter.
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