JP4889630B2

JP4889630B2 - 暗号文伝送のための光送信装置及び方法

Info

Publication number: JP4889630B2
Application number: JP2007510483A
Authority: JP
Inventors: 優布施; 修広田; 正宜相馬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: US7869600B2; US20080095544A1; WO2006104090A1; JPWO2006104090A1

Description

本発明は、Ｙｕｅｎ暗号等において、究極的な安全性を実用化できる暗号文伝送のための光送信装置及び方法に関する。

現代の主要暗号は、安全性の根拠を複雑性理論又は計算量に置き、数理科学と共に著しい発展を見せている。一方、通信過程において、その信号系の物理現象に関する物理学の原理を安全性の保証に使用し、解読不可能な暗号を実現する形式がある。これは物理暗号と呼ばれ、近年開発が進んでいる量子暗号はこれに属している。

量子暗号技術の１つに、非特許文献１に開示された秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）を用いた量子暗号がある。この量子暗号は、完全に安全な暗号通信は平文より多い鍵数を用いるワンタイムパッド（one time pad）法でのみ可能である、という原理に沿ったもので、ワンタイムパッド法に必要な大量の鍵の配送を量子通信を応用して実現する技術である。

また、他の量子暗号技術として、現状の光ネットワーク上で実用化が期待でき、無限の計算能力でも解読できないと謳われた安全な共通鍵量子暗号が開発された。この共通鍵量子暗号は、Ｍ−ａｒｙ量子状態変調方式という新しい枠組を応用するものであり、正規送受信者間の光変復調装置はＭ個（Ｍは正の整数）の量子状態信号基底を共通の擬似乱数に従って切り換えて通信することにより、直接平文を暗号通信する技術である。

ここで、量子状態信号基底とは、論理値「１」及び「０」の情報を送信するときに、その情報を送信する２個の量子状態信号対を言うものである。以下、量子状態信号基底を単に「基底」と呼ぶ。例えば、０度と１８０度の位相のコヒーレント状態信号によって情報が送信されるとき、その２個の量子状態信号対が基底となる。

上記アイデアに基づく暗号プロトコルは、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）と呼ばれている。現在、このＹ−００プロトコルを具現化する通信方式には、非特許文献２に開示されている光位相変調方式と、非特許文献３に開示されている光強度変調方式とがある。これらの方式では、基底群は１つの関係式に従って配置されている。光位相変調方式では、位相平面上で振幅Ａによる円周を信号数で等間隔に分割した位置に、基底が配置される。光強度変調方式では、最大強度と最小強度との中間点を基準に信号数に合わせて等分した位置に、基底が配置される。

非特許文献３の光強度変調方式による従来の暗号通信装置の基本原理を、図３を用いて説明する。
図３において、従来の暗号通信装置は、光送信装置１０と光受信装置２０とが、光ファイバ等の光通信路３０で接続された構成である。光送信装置１０は、搬送波発生部１１と、Ｍ−ａｒｙ強度変調部１２と、擬似乱数発生部１３と、基底選択制御部１４と、送信データ発生部１５とを備える。光受信装置２０は、フォトダイオード２１と、しきい値制御部２２と、擬似乱数発生部２３と、基底選択制御部２４とを備える。光送信装置１０の擬似乱数発生部１３と光受信装置２０の擬似乱数発生部２３とは、構成・機能が実質的に同一である。また、光送信装置１０の基底選択制御部１４と光受信装置２０の基底選択制御部２４とは、構成・機能が実質的に同一である。

搬送波発生部１１は、例えばレーザダイオードからなり、所定の光搬送波を出力する。送信データ発生部１５は、論理値「１」及び「０」で構成される送信データを発生する。擬似乱数発生部１３は、入力する初期鍵Ｋに基づいて２進数擬似乱数列、すなわち２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を生成する。基底選択制御部１４は、この２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を、ｌｏｇ₂Ｍビット毎にブロック分割し、その各ブロックに応じた１０進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に変換する。そして、基底選択制御部１４は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従って基底群から１つの基底を選択し、基底情報としてＭ−ａｒｙ強度変調部１２に指示する。Ｍ−ａｒｙ強度変調部１２は、送信データで光搬送波を強度変調すると共に、基底情報で指示されている基底の強度を用いて論理値「１」又は「０」の情報を含ませて、光通信路３０を介して光受信装置２０へ出力する。

フォトダイオード２１は、光通信路３０を介して光送信装置１０から出力される強度変調光信号を受信する。擬似乱数発生部２３は、入力する初期鍵Ｋに基づいて２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を生成する。基底選択制御部２４は、この２進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵列を、ｌｏｇ₂Ｍビット毎にブロック分割し、その各ブロックに応じた１０進数Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に変換する。そして、基底選択制御部２４は、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵に従って基底群から１つの基底を選択し、基底情報としてしきい値制御部２２に指示する。しきい値制御部２２は、基底選択制御部２４によって指示される基底情報に基づいて、受信信号をどのしきい値で判定するかを制御して、信号に含まれている論理値「１」及び「０」を抽出し受信データとして出力する。

上記従来の暗号通信装置において、基底選択制御部１４及び２４で用いられる基底群、すなわち各基底の配置は、暗号の強さを決定する重要な要素である。以下、図４を用いて、従来の基底配置方法を説明する。

まず、強度変調のダイナミックレンジを、最大強度Ｓmax〜最小強度Ｓminとして設定する。この最大強度Ｓmaxと最小強度Ｓminとの中心強度を、［（Ｓmax−Ｓmin）／２］とする。各基底は、高強度と低強度とで構成され、高強度は中心強度よりも高く、低強度は中心強度よりも低くなる規則で配置される。また、基底数Ｍは、隣接する信号間（強度Ｓ_iと強度Ｓ_i+1との間）の距離（強度差）が、量子ゆらぎに埋没するように決められる。例えば、図４で示すように、各信号強度を最大強度Ｓmax から最小強度Ｓmin まで順番にＳ₁，Ｓ₂，‥‥，Ｓ_M-1，Ｓ_M，Ｓ_M+1，‥‥，Ｓ_2Mとして、基底｛Ｓ₁，Ｓ_M+1｝，｛Ｓ₂，Ｓ_M+2｝，‥‥のように配置する。なお、隣り合う基底間では、送信データの論理値「１」を伝送する強度信号と、論理値「０」を伝送する強度信号とが、反転するように配置設計されている。

上述した従来の暗号通信装置においては、正規受信者は、信号間距離が大きい２値の信号識別を行うことになるので誤りがほとんどない。しかし、初期鍵Ｋを知らない盗聴者は、信号間距離の小さい２Ｍ値の信号識別のための受信方法に制限されるため、その受信データには量子ゆらぎ又は量子ショット雑音によって誤りが発生する。よって、盗聴者は、暗号文自体の情報を得ることができない。

このような仕組みはランダム・ストリーム暗号の一種であるが、量子ゆらぎによってランダム化されるため、そのランダム性を計算によって確定値に戻すことは不可能である。従って、これらの理由から、Ｙ−００プロトコルは、高い安全性を持つ暗号を実現できると言える。

このように、Ｙｕｅｎ暗号は、通信システム自体が量子性の弱い従来の光通信で構成されているが、鍵を知らない盗聴者は量子ゆらぎによって情報が得られない工夫がなされていることに基づく超安全性を提供する。
シー・エイチ・ベネット・アンド・ジー・ブラサード、「クワンタム・クリプトグラフィ」、イン・プロス・アイトリプルイー、イント・コンフェ・オン・コンピューターズ・システム・アンド・シグナル・プロセッシング（C. H. Bennett and G. Brassard, "Quantum cryptography", in Proc. IEEE, Int. Conf. on Computers system, and signal processing）, pp. 175, 1984 ジー・エイ・バラボサ、イー・コロンドフ、ピー・クマー、エイチ・ピー・ユーエン、「セキュア・コミュニケーション・ユージング・メソスコピック・コヒーレント・ステイト」、フィジ・レブ・レット（G. A. Barbosa, E. Corndorf, P. Kumar, H. P. Yuen, "Secure communication using mesoscopic coherent state", Phys. Rev. Lett.）, vol-90, 227901, 2003 オー・ヒロタ、ケー・カトウ、エム・ソウマ、ティー・ウスダ、ケー・ハラサワ、「クワンタム・ストリーム・サイファ・ベイスド・オン・オプティカル・コミュニケーション」、エスピーアイイー・プロス・オン・クワンタム・コミュニケーションズ（O. Hirota, K. Kato, M. Sohma, T. Usuda, K. Harasawa, "Quantum stream cipher based on optical communication", SPIE Proc. on Quantum Communications）, vol-5551, 2004

しかしながら、上記Ｙｕｅｎ暗号システムで解読不可能な暗号通信を実施するには、送信光のエネルギーと信号送信用の基底数との最適設計、又は隣接する基底との信号距離を極めて小さくする必要がある。このため、光源や変調装置は、極めて高精度でなければならないという問題がある。

また、安全性強化のための従来のランダマイゼーションは、原則的に図４で示した基底配置構造のままで種々の最適設計を行うものであり、変調装置の高精度化を緩和するものではない。このため、かえって更なる高い能力の電子制御を必要としなければならないという問題がある。

さらに、従来の光強度変調方式では、基底群が最大強度と最小強度との中間点強度を挟んで対称に設計されている。このため、中間点強度を挟む隣り合った強度Ｓ_M及び強度Ｓ_M+1には、送信データの論理値「１」だけ（又は、論理値「０」だけ）が含まれることになり（図４の破線円部分）、中間点強度の上側と下側という信号のクラス化が可能となる。従って、盗聴者が、中間点強度の上側及び下側の観測データに対して鍵の全数探索を実施した場合には、盗聴者のエラーが十分小さくなる確率が高くなる。このような攻撃は間接測定攻撃と呼ばれ、本質的に解読できるものではないが、エラーが小さくなると偶然解読できる可能性は否定できない。

それ故に、本発明の目的は、変調装置の精度的負担を増やすことなく、間接測定攻撃を含めて更なる安全性を高めることが可能な、暗号文伝送のための光送信装置及び方法を提供することである。

本発明は、暗号文を光信号で伝送する光送信装置及び方法に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の光送信装置（及び方法）は、初期鍵から疑似乱数列を発生する擬似乱数発生部（ステップ）と、複数の基底から構成される基底群を保持し、疑似乱数列に従って基底群の中から１つの基底を選択する基底選択制御部（ステップ）と、選択された１つの基底と送信データの論理値とに基づいた強度で変調された光信号を生成する強度光変調部（ステップ）とを備える。そして、基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、隣接する強度が送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されている。

基底群を構成する複数の基底は、それぞれ、高強度と低強度との差が、最大強度と最小強度との中間点の強度以下となる一定値に設定されていることが好ましい。又は、基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底の低強度が一致し、かつ、少なくとも２つの基底の高強度が一致するように配置されていることが好ましい。

なお、上記光送信装置と、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、隣接する強度が送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置された複数の基底を用いて、送信データの論理値を抽出する光受信装置と、光送信装置と光受信装置とを接続する光通信路とによって、光暗号伝送システムを構成することが可能である。

本発明によれば、盗聴者によって行われる、直接データを得るための直接測定攻撃に強く、かつ、偶然性を頼りにする間接測定攻撃に対しても強くなる。従って、光強度変調方式において、変調信号の制御精度を極限的に高めることなく、既知平文攻撃に対して高い解読耐性を有する暗号が実施可能となる。また、既存の通信インフラをそのまま活用できるので、暗号通信の絶対安全性を低コストで提供できる。

本発明の暗号文伝送のための光送信装置は、基本的に図３に示した光送信装置１０と同様の構成である。本発明は、この構成の基底選択制御部１４において独自の基底配置を用いることに特徴がある。
以下、本発明の特徴的な基底配置について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置で行われる光強度変調方式の基底配置を説明する模式図である。本発明の第１の実施形態では、以下のように基底配置を行う。

まず、強度変調のダイナミックレンジを、最大強度Ｓmax〜最小強度Ｓminとして設定する。この最大強度Ｓmaxと最小強度Ｓminとの差分Δ（＝Ｓmax−Ｓmin）を、多値信号数２Ｍで分割する。これにより、隣接する信号間（強度Ｓ_iと強度Ｓ_i+1との間）の距離（強度差）は、［Δ／２Ｍ］となる。多値信号数２Ｍは、この距離［Δ／２Ｍ］が、ヘテロダイン測定時の量子ゆらぎの幅又は直接検波時の量子ショット雑音のゆらぎの幅に、十分埋没するように選択される。そして、基底群の各基底を、高強度と低強度との差を中間点強度である［Δ／２］以下の一定値にして、それぞれの強度信号に配置する。図１の例では、一定値を［Δ／２Ｍ×（Ｍ−４）］とした場合の基底配置を示している。なお、従来と同様に、隣り合う基底間では、送信データの論理値「１」を伝送する強度信号と、論理値「０」を伝送する強度信号とが、反転するように配置設計されている。

上述した条件に従って基底配置を行うと、中間点強度［Δ／２］を挟む隣り合った強度Ｓ_M及び強度Ｓ_M+1には、送信データの論理値「１」及び「０」の両方が含まれる可能性が生じる（図１の破線円部分）。疑似乱数発生部１３からのＲｕｎｎｉｎｇ鍵は一様分布であるので、準備されている基底の選択確率も一様分布となる。このため、初期鍵Ｋを知らない盗聴者が、受信データについて任意の幾つかの範囲に強度があるとするクラス化を行う場合には、クラスの数に比例して盗聴者のデータにおけるエラー（光自身が持つ量子ゆらぎによる誤り）が一様にかつ効果的分布するようになる。よって、中間点強度［Δ／２］の上側と下側という大雑把なクラス化は無意味になる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置及び基底配置手法によれば、盗聴者によって行われる、直接データを得るための直接測定攻撃に強く、かつ、偶然性を頼りにする間接測定攻撃に対しても強くなる。従って、光強度変調方式において、変調信号の制御精度を極限的に高めることなく、既知平文攻撃に対して高い解読耐性を有する暗号が実施可能となる。また、既存の通信インフラをそのまま活用できるので、暗号通信の絶対安全性を低コストで提供できる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置で行われる光強度変調方式の基底配置を説明する模式図である。本発明の第２の実施形態では、以下のように基底配置を行う。

まず、強度変調のダイナミックレンジを決定する最大強度Ｓmax及び最小強度Ｓminを設定する。この最大強度Ｓmaxと最小強度Ｓminとの差分Δ（＝Ｓmax−Ｓmin）を、多値信号数２Ｍで分割する。これにより、隣接する信号間（強度Ｓ_iと強度Ｓ_i+1との間）の距離（強度差）は、［Δ／２Ｍ］となる。多値信号数２Ｍは、この距離［Δ／２Ｍ］が、ヘテロダイン測定時の量子ゆらぎの幅又は直接検波時の量子ショット雑音のゆらぎの幅に、十分埋没するように選択される。そして、基底群の各基底を、高強度と低強度との差を中間点強度である［Δ／２］以下の値にして、それぞれの強度信号に配置する。このとき、高強度が大きい順にＮ個（Ｎ＜Ｍ）までの基底については、全ての低強度を中間点強度より僅かに小さい強度Ｓ_M+1に設定し、かつ、低強度が小さい順にＮ個までの基底については、全ての高強度を中間点強度より僅かに大きい強度Ｓ_Mに設定する。これ以外の基底の高強度と低強度との差は、一定値でよい。図１の例では、Ｎ＝５とした場合の基底配置を示している。なお、従来と同様に、隣り合う基底間では、送信データの論理値「１」を伝送する強度信号と、論理値「０」を伝送する強度信号とが、反転するように配置設計されている。

上述した条件に従って基底配置を行うと、中間点強度［Δ／２］を挟む隣り合った強度Ｓ_M及び強度Ｓ_M+1には、送信データの論理値「１」及び「０」の両方が重畳される可能性が高くなる（図２の破線円部分）。疑似乱数発生部１３からのＲｕｎｎｉｎｇ鍵は一様分布であるので、準備されている基底の選択確率も一様分布となる。この場合、盗聴者は、送信情報を直接検出するために各信号強度を識別しなければならず、中間点強度［Δ／２］の上側と下側というクラス化では半数が判定不能となる。正規の通信者は、どの基底を用いているかを知っているので、もちろん判定が可能である。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置及び基底配置手法によれば、盗聴者によって行われる、直接データを得るための直接測定攻撃に強く、かつ、偶然性を頼りにする間接測定攻撃に対しても強くなる。従って、光強度変調方式において、変調信号の制御精度を極限的に高めることなく、既知平文攻撃に対して高い解読耐性を有する暗号が実施可能となる。また、既存の通信インフラをそのまま活用できるので、暗号通信の絶対安全性を低コストで提供できる。

なお、上記第１及び第２の実施形態では、光信号を伝送する光送信装置について説明したが、光通信路３０で生じる量子雑音成分と等価な雑音を発生する雑音源等を用いれば、電気信号を伝送する送信装置にも応用することが可能である。

本発明は、暗号文を伝送するための光送信装置等に利用可能であり、特に、直接測定攻撃及び間接測定攻撃の両方に強くして、暗号通信の絶対安全性を高めたい場合等に適している。

本発明の第１の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置で行われる光強度変調方式の基底配置を説明する模式図本発明の第２の実施形態に係る暗号文伝送のための光送信装置で行われる光強度変調方式の基底配置を説明する模式図従来の暗号通信装置の構成を説明する図従来の暗号通信装置で行われる光強度変調方式の基底配置を説明する模式図

符号の説明

１０光送信装置
１１搬送波発生部
１２Ｍ−ａｒｙ強度変調部
１３、２３疑似乱数発生部
１４、２４基底選択制御部
１５送信データ発生部
２０光受信装置
２１フォトダイオード
２２しきい値制御部
３０光通信路

Claims

暗号化された送信データを光信号で伝送する光送信装置であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、
暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群を保持し、前記疑似乱数列に従って当該基底群の中から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
前記選択された１つの基底と送信データの論理値とに基づいた強度で変調することにより前記送信データを暗号化して光信号を生成する強度光変調部とを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、各基底の高強度と低強度との差が、最大強度と最小強度との差分値の半分以下となる一定値に設定されていることを特徴とする、光送信装置。
暗号化された送信データを光信号で伝送する光送信装置であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、
暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群を保持し、前記疑似乱数列に従って当該基底群の中から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
前記選択された１つの基底と送信データの論理値とに基づいた強度で変調することにより前記送信データを暗号化して光信号を生成する強度光変調部とを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、少なくとも２つの基底の低強度が一致し、かつ、少なくとも２つの基底の高強度が一致するように配置されていることを特徴とする、光送信装置。
暗号化された送信データを光信号で伝送する光送信方法であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生するステップと、
前記疑似乱数列に従って、暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群の中から１つの基底を選択するステップと、
前記選択された１つの基底と送信データの論理値とに基づいた強度で変調することにより前記送信データを暗号化して光信号を生成するステップとを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、各基底の高強度と低強度との差が、最大強度と最小強度との差分値の半分以下となる一定値に設定されていることを特徴とする、光送信方法。
暗号化された送信データを光信号で伝送する光送信方法であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生するステップと、
前記疑似乱数列に従って、暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群の中から１つの基底を選択するステップと、
前記選択された１つの基底と送信データの論理値とに基づいた強度で変調することにより前記送信データを暗号化して光信号を生成するステップとを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、少なくとも２つの基底の低強度が一致し、かつ、少なくとも２つの基底の高強度が一致するように配置されていることを特徴とする、光送信方法。
請求項１に記載の光送信装置から出力される光信号を受信する光受信装置であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、
暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群を保持し、前記疑似乱数列に従って当該基底群の中から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
前記選択された１つの基底を用いて、受信した光信号から送信データの論理値を再生するデータ抽出部とを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、各基底の高強度と低強度との差が、最大強度と最小強度との差分値の半分以下となる一定値に設定されていることを特徴とする、光受信装置。
請求項２に記載の光送信装置から出力される光信号を受信する光受信装置であって、
初期鍵から疑似乱数列を発生する擬似乱数発生部と、
暗号の強さを決定する要素であって、複数の基底から構成される基底群を保持し、前記疑似乱数列に従って当該基底群の中から１つの基底を選択する基底選択制御部と、
前記選択された１つの基底を用いて、受信した光信号から送信データの論理値を再生するデータ抽出部とを備え、
前記基底群を構成する複数の基底は、少なくとも２つの基底が最大強度と最小強度との中間点を挟んで隣接する強度を持ち、かつ、当該隣接する強度が前記送信データが取り得る２つの論理値を含むように配置されており、さらに、少なくとも２つの基底の低強度が一致し、かつ、少なくとも２つの基底の高強度が一致するように配置されていることを特徴とする、光受信装置。