JP4935995B2

JP4935995B2 - 量子暗号装置

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Publication number: JP4935995B2
Application number: JP2007041761A
Authority: JP
Inventors: 芳弘南部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP2008205993A

Description

本発明は、量子暗号装置、特に光ファイバー通信により暗号秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布を行う装置に関する。

インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、DES暗号のような共通鍵方式やRAS暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。従って、特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式が実用化されればそのインパクトは大きいものと予想される。

情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。非特許文献１において、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。そして、これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では１ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、光子が他の量子系に比べると環境による擾乱に強いと同時に、既存の光ファイバー通信技術の活用により長距離の暗号鍵配布が期待できるためである。

理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように、量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態とそれに共役な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、それは数学的にはスピン１／２系と等価である。以下、担体となる物理系が光子の場合について、従来技術を記述する。

本発明に関連する、光子を量子ビット担体とし長距離伝送のため光ファイバーを伝送路として用いる暗号鍵配布装置について、以下に従来技術を説明する。光子を用いた量子暗号装置については、非特許文献２〜４に詳細な説明がある。非特許文献１では、光子の持ち得る２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が提案された。しかしながら、偏波コーディングには伝送路中の偏波回転の実時間制御及び補償が必要となるため、光ファイバーを伝送路として用いる長距離暗号鍵配布システムの実装方法としてはあまり使われない。長距離暗号鍵配布システムとしては、２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装がやはりベネットらにより提案され、実現されている。

図５は非特許文献２〜４に記載がある、位相コーディングによる量子暗号装置の代表的実装例を示している。この量子暗号装置では、２つの非対称マッハツェンダー干渉系を光ファイバー伝送路で直列に連結した構造の光学干渉系が用いられる。送信部（Ａｌｉｃｅ：アリス）側に装備された微弱レーザ光源５１で発生した微弱な短光パルスを送信側の非対称マッハツェンダー干渉系５２に入射することにより、光ファイバー伝送路上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルス５８を準備する。ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハツェンダー干渉系５２により２連パルスの２つのパルスの間に相対位相が明確に定義されていることを意味する。

２連光パルス５８は光ファイバー伝送路５３上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。受信部（Ｂｏｂ：ボブ）側の非対称マッハツェンダー干渉系５４により、２連光パルス５８は３連光パルス５９に変換され、下流側の２つのポートに出力される。光子検出器５５により、非対称マッハツェンダー干渉系５４の２つの下流ポートに出力される３連光パルス５９の中央の光パルス中に含まれる光子が０か１かを識別し記録する。３連光パルス５９のうち中央の光パルスには、送信部で非対称マッハツェンダー干渉系の長尺を通り受信部で短尺を通ってきた光パルスと、送信部で短尺を通り受信部で長尺を通ってきた光パルスが寄与し、これら２つの寄与の干渉により２つの出力ポートへの強度比は２連光パルス５８の光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。この光学干渉システムにおいて２連光パルス５８の光学遅延（相対的な位相）に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配布を行うことができる。

この目的のため、光パルスが非対称マッハツェンダー干渉系５２を通過中に、そこに内包された位相変調器５６で｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を行う。一方、光ファイバー５３を伝送後の２連光パルスが非対称マッハツェンダー干渉系５４を通過中に、そこに内包された位相変調器５７で｛０、π／２｝の２値の位相変調を行う。非対称マッハツェンダー干渉系５２、５４における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。

位相コーディングに基づく量子暗号装置は、光ファイバー伝送路との相性も良く、長距離鍵配布が可能であるというメリットがある。その一方で、送受信者がそれぞれ持つ非対称マッハツェンダー干渉系の相対光学遅延を光波長なみの精度で維持しなければならないという問題がある。これら送受信者に分散して配置された非対称マッハツェンダー干渉系の光学遅延は温度変化その他の原因により独立にゆらいだりドリフトしたりするため、光干渉効果は容易に消失する。この問題を解決するためには、両干渉系の相対光学遅延変化を測定装置で測定し、測定結果をフィードバックして相対光学遅延を一定に維持するアクティブな制御装置が必要となる。このような測定装置はそれ自体がシステムを複雑化するだけでなく、測定に用いる参照光がシステムノイズを増加させ、量子暗号装置の性能劣化の原因となる。

このような問題を解決するため、非特許文献５〜７に開示されているように、平面光回路（PLC: Photonic Lightwave Circuit）技術を応用した量子暗号装置が提案され開発されている。非対称マッハツェンダー干渉系を、シリコン基板上にパターニングで形成した光導波路で作製することにより、外乱の影響を受けることのない安定な光学干渉系を、温度制御というパッシブな制御のみによって実現することができ、低雑音のシステムを構築できるというメリットがある。しかし、PLCを用いた実装の場合、先に示したような位相変調器を内包した低損失な非対称マッハツェンダー干渉系を製作することは現状技術では容易ではない。コスト増は問題としないとしても、デバイスの光学損失の増加は、微弱光を情報担体として用いる量子暗号装置の性能劣化に直結するため、許容できない問題である。この問題を解決するため、位相変調器を非対称マッハツェンダー干渉系の外部に配置した、図６に示すような量子暗号装置が提案され、開発されている。

この量子暗号装置では、送信部（Ａｌｉｃｅ：アリス）側に装備された微弱レーザ光源６１で発生した微弱な短光パルスを送信部のPLCにより構成された非対称マッハツェンダー干渉系６２に入射することより、光ファイバー伝送路６３上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルス６９を準備する。２連光パルス６９は光ファイバー伝送路６３上を伝送される。受信部（Ｂｏｂ：ボブ）側のPLCにより構成された非対称マッハツェンダー干渉系６４により、２連光パルス６９は３連光パルス７０に変換され、下流側の２つのポートに出力される。光子検出器６５により、非対称マッハツェンダー干渉系６４の２つの下流ポートに出力される３連光パルス７０の中央の光パルス中に含まれる光子の有無を識別し記録する。

送信側の非対称マッハツェンダー干渉系６２の下流に直列に挿入した位相変調器６６、６７に、それぞれの変調器の２連光パルス６９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印加する。これにより、２連光パルス６９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を与え、もって２連光パルス６９の光学遅延（相対位相）に４値変調を与える。一方、受信側の非対称マッハツェンダー干渉系６４の上流に直列に挿入した位相変調器６８に、２連光パルス６９の通過時に同期してパルス的な変調信号を印加する。これにより、２連光パルス６９の一方のパルスに選択的に｛０、π／２｝の２値の位相変調を与え、もって２連光パルス６９の光学遅延（相対位相）に２値変調を与える。非対称マッハツェンダー干渉系６２、６４における光学遅延を調整することにより、図５の量子暗号装置と同様に非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。

上記のPLCを用いた量子暗号装置が機能することは確認されているが、２連光パルスの位相変調を行うためにパルス的位相変調を行う必要があり、装置が煩雑になる。例えば、非対称マッハツェンダー干渉系の長短尺光路差は典型的には５ナノ秒程度であり、２連光パルスの一方のパルスに選択的に位相変調を与えるためには、１ナノ秒オーダーのパルス的変調装置が必要になる。パルス変調を光パルスの通過に同期して与えるための高精度な信号同期システムも必要で、その調整作業は簡単とは言えない。また、挿入する位相変調器の光学損失を考えても、位相変調器が排除できる以上に望ましいことはない。

ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INFORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページエカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ南部ほか著「BB84 Quantum Key Distribution System Based on Silica-Based Planar Lightwave Circuits」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１１０９ページ木村ほか著「Single-photon Interference over 150 km Transmission Using Silica-based Integrated-optic Interferometers for Quantum Cryptography」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１２１７ページ南部ほか著「One-way Quantum Key Distribution System based on Planar Lightwave Circuit」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Jpn J. Appl. Phys.）４５号、６Ａ巻（２００６年出版）、５３４４−５３４８ページ

上述の非特許文献２〜４及び非特許文献５〜７に開示された量子暗号装置には前述したように問題がある。特に、非特許文献１〜４に示された従来の位相コーディングによる量子暗号装置には、２つの非対称マッハツェンダー干渉系の光路長の相対差を長時間にわたって維持する必要があり、そのためにアクティブな制御装置が必要となり装置が複雑化する。この問題は、非特許文献５〜７に示されるように、２つの非対称マッハツェンダー干渉系をPLCで構成することにより回避できるが、信号変調のためにパルス的位相変調とその同期信号系が必要になり装置とその調整が複雑化する。すなわち、どちらの実装方法を選んでも、装置の複雑化を避けることが困難であった。

本発明は上記従来技術の抱える問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は正規利用者の持つべき装置が従来技術より簡単な装置構成で済む量子暗号装置、特にその送信装置を提供することにある。

本発明による量子暗号装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源と、平面光回路の構成要素である２つの光学腕のもつ光路長差（光学位相差）が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎ（但し、ｍは整数、λは波長、ｎは平面光回路の導波路の平均屈折率）だけ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系と、光偏波面を切り替える偏波変調器、所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチや偏波選択素子、偏波面を制御する偏波コントローラーなどの光偏波制御素子を有することを特徴とする。

具体的には、本発明によれば、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源と、平面光回路で構成され、その構成要素である２つの光学腕のもつ光路長差が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系と、光子を伝送する光伝送路とを含む送信装置を備えたことを特徴とする量子暗号装置が提供される。

本発明の第１の態様による量子暗号装置においては、前記送信装置は更に、光偏波面を切り替える偏波変調器または所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチと、偏波面を制御する偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波変調器または前記偏波スイッチ−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記偏波コントローラー−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする。

本発明の第２の態様による量子暗号装置においては、前記送信装置は更に、光偏波面を切り替える偏波変調器または所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチと、偏波面を制御する偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波変調器または前記偏波スイッチ−前記偏波コントローラー−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする。

本発明の第３の態様による量子暗号装置においては、前記微弱レーザ光源として４組の微弱レーザ光源を有する。この場合、前記送信装置は更に、偏波を保持しつつ共通の光伝送路に結合する２組の偏波保持カップラーまたは偏波ビームスプリッターと、偏波面を制御する２つの偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記４組の微弱レーザ光源−前記２組の偏波保持カップラーまたは偏波ビームスプリッター−前記２つの偏波コントローラーのうちの一方−前記非対称マッハツェンダー干渉系−ビームスプリッター−前記２つの偏波コントローラーのうちの他方−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする。

本発明の第４の態様による量子暗号装置においては、前記送信装置は更に、偏波面を制御する偏波コントローラーと、４分岐光カップラーと、独立に制御される４組の光スイッチと、４組の偏波選択素子と、４合波光カップラーとを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波コントローラー−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記４分岐光カップラー−前記４組の光スイッチ−前記４組の偏波選択素子−前記４合波光カップラー−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする。

上記のいずれの量子暗号装置においても、前記２つの光学腕のもつ光路長差が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるようにデバイス温度調整によって制御されることを特徴とする。

本発明による量子暗号装置においては、平面光回路で構成した非対称マッハツェンダー干渉系を利用することによって、該非対称マッハツェンダー干渉系の光路長の相対差を維持するアクティブな制御装置を排除すると同時に、高速かつ高精度の信号変調装置を排除することを特徴としている。

本発明においては、光導波路の複屈折特性（あるいは偏波モード分散特性）を利用することにより構成要素である２つの光学腕のもつ光路長差（光学位相差）が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系、偏波変調素子、偏波スイッチ素子、偏波選択素子、偏波コントローラーなどの光偏波制御素子を用いることにより、高速・高精度の位相変調装置を用いることなく、量子光信号伝送路上に量子暗号プロトコルに必要とされる非直交状態を準備する。

本発明によれば、正規利用者の持つべき装置の構造が簡単化でき、その取扱いが容易になる。従って、非特許文献１〜７に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置及び装置運用のための経済及び技術的負担を大幅に軽減することができる。

［構成の説明］
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明による量子暗号装置の第一の実施形態の構成を送信側について示した図である。第一の実施形態の送信装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源１１、偏波面を切り替える偏波変調器（あるいは所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチ）１２、平面光回路（以下、PLCと略記することがある）で構成した非対称マッハツェンダー干渉系１３、偏波コントローラー１４、偏波選択素子１５により構成され、光伝送路１６により受信装置（図示省略）に接続される。なお、１７は非直交パルスの光子状態を示す。

図２は本発明による量子暗号装置の第二の実施形態の構成を送信側について示した図である。第二の実施形態の送信装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源２１、偏波面を切り替える偏波変調器（あるいは所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチ）２２、偏波コントローラー２３、平面光回路で構成した非対称マッハツェンダー干渉系２４、偏波選択素子２５により構成され、光伝送路２６により受信装置（図示省略）に接続される。２７は非直交パルスの光子状態を示す。

図３は本発明による量子暗号装置の第三の実施形態の構成を送信側について示した図である。第三の実施形態の送信装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する４組の微弱レーザ光源３１（LD00，LD01，LD10，LD11）、偏波を保持しつつ共通の光伝送路に結合する２組の偏波保持カップラー（あるいは偏波ビームスプリッター）３２、偏波コントローラー３３、平面光回路で構成した非対称マッハツェンダー干渉系３４、偏波コントローラー３５、偏波選択素子３６により構成され、光伝送路３７により受信装置（図示省略）に接続される。３８は非直交パルスの光子状態を示す。

図４は本発明による量子暗号装置の第四の実施形態の構成を送信側について示した図である。第四の実施形態の送信装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源４１、偏波コントローラー４２、平面光回路で構成した非対称マッハツェンダー干渉系４３、４分岐光カップラー４４、独立に制御される４組の光スイッチ４５、４組の偏波選択素子４６、４合波光カップラー４７により構成され、光伝送路４８により受信装置（図示省略）に接続される。４９は非直交パルスの光子状態を示す。

［動作の説明］
次に、上記の四つの実施形態の動作について順次説明する。

図１に示した第一の実施形態において、正規の送信者は波長λのコヒーレント光を発生する微弱レーザ光源１１から微弱な短光パルスを出射する。短光パルスは偏波面を切り替える偏波変調器（あるいは所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチ）１２により、導波路の光学軸で決まる直線ＴＥ偏波（基板面に平行な偏波）またはＴＭ偏波（基板面に垂直な偏波）もしくはそれらの線形結合である、互いに直交する斜め偏光状態（以下、TE+TM、TE-TMと記す）の何れかが選択され、非対称マッハツェンダー干渉系１３の入力ポートに入射される。

非対称マッハツェンダー干渉系１３は、シリカ光導波路の複屈折特性を利用して、その構成要素である長短尺光路の光路長差がＴＥ偏波光とＴＭ偏波光では（ｍ＋１／２）λ／ｎ（ｍは整数、ｎはPLC導波路の平均屈折率）だけ異なるように（すなわち、長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波で反転するように）、荒いデバイス温度調整によって制御される。このとき、非対称マッハツェンダー干渉系１３の入力パルス光の偏波がＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波である場合には、非対称マッハツェンダー干渉系１３の出力側ポートに入力偏波と同一偏波面を持つコヒーレント２連光パルスが出力される。一方、互いに直交する斜め偏光状態（TE+TM、TE-TM）の光パルスを入射した場合、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の等重率の重ね合わせからなる互いに直交する偏波を持つコヒーレント２連光パルスが順次出力される。これらの２連パルスの一方のパルスのみを切り出すように、偏波コントローラー１４及び偏波選択素子１５を調整する。このとき、光伝送路１６上に、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに共役な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらを構成する先進あるいは遅延微弱光パルス１７を、偏波変調器（あるいは偏波スイッチ）１２の出力パルス光の４種の偏波（TE/TM/TE+TM/TE-TM）選択に依存して準備することができる。

次に、図２に示した第二の実施形態について説明する。図２において、正規の送信者は波長λのコヒーレント光を発生する微弱レーザ光源２１から微弱な短光パルスを出射する。短光パルスは偏波面を切り替える偏波変調器（あるいは所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチ）２２により、導波路の光学軸で決まる直線ＴＥ偏波またはＴＭ偏波もしくはそれらの線形結合である、互いに直交する斜め偏光状態（TE+TM、TE-TM）の何れかが選択され、偏波コントローラー２３によりその偏波を適切に変換した後、非対称マッハツェンダー干渉系２４の入力ポートに入射される。

非対称マッハツェンダー干渉系２４は、シリカ光導波路の複屈折特性を利用して、その構成要素である長短尺光路の光路長差がＴＥ偏波光とＴＭ偏波光では（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるように（すなわち、長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波で反転するように）、荒いデバイス温度調整によって制御される。このとき、偏波変調器２２（偏波スイッチ）の出力パルス光の偏波がＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波である場合には、非対称マッハツェンダー干渉系２４の出力側ポートにこれらの偏波と同一偏波面を持つコヒーレント２連光パルスが出力され、互いに直交する斜め偏光状態（TE+TM、TE-TM）の場合は異なる斜め偏波（TE+TM、TE-TM）を持つコヒーレント２連光パルスが順次出力されるように、偏波コントローラー２３を調整することが可能である。これら２連パルスの一方のパルスのみを切り出すため、斜め偏光（TE+TM）または（TE-TM）の何れかを選択透過する偏波選択素子２５を配置する。このとき、光伝送路２６上に、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに共役な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらを構成する先進あるいは遅延微弱光パルス２７を、偏波変調器（あるいは偏波スイッチ）２２の出力パルス光の４種の偏波（TE/TM/TE+TM/TE-TM）選択に依存して準備することができる。

次に、図３に示した第三の実施形態について説明する。第三の実施形態は、第一の実施形態（図１）において、微弱レーザ光源１１及び偏波変調器（あるいは偏波スイッチ）１２を、４組の微弱レーザ光源３１及び偏波保持カップラー（あるいは偏波ビームスプリッター）３２で代替した例である。４組の微弱レーザ光源３１のうち、LD00及びLD11の２つはTE偏波の微弱パルス光を、LD01及びLD10の２つはTM偏波の微弱パルス光を発生する。微弱レーザ光源LD00及びLD01から出射される微弱パルス光は、偏波保持カップラー（あるいは偏波ビームスプリッター）３２を経由して、その偏波が斜め偏波（TE+TM、TE-TM）となるように偏波コントローラー３３で調整後、非対称マッハツェンダー干渉系３４の一方の入力ポートに入射される。一方、微弱レーザ光源LD10及びLD11から出射される微弱パルス光は、偏波保持カップラー（あるいは偏波ビームスプリッター）３２を経由して、ＴＥまたはＴＭ偏波のまま非対称マッハツェンダー干渉系３４の他方の入力ポートに入射される。非対称マッハツェンダー干渉系３４以降の偏波コントローラー３５及び偏波選択素子３６の機能は第一の実施形態と同様である。

このような構成、作用により、正規の送信者は、光伝送路３７上に、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに共役な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらを構成する先進あるいは遅延微弱光パルス３８を、４組の微弱レーザ光源３１の光出力の選択に依存して準備することができる。同様の構成が第二の実施形態の場合についても有効であることは言うまでもない。

最後に、図４に示した本発明の第四の実施形態について説明する。図４において、正規の送信者は波長λのコヒーレント光を発生する微弱レーザ光源４１から微弱な短光パルスを出射する。短光パルスはその偏波が導波路の光学軸で決まる直線ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の線形結合である、斜め偏光状態（TE+TMまたはTE-TM）になるように偏波コントローラー４２によりその偏波が変換され、非対称マッハツェンダー干渉系４３の入力ポートに入射される。

非対称マッハツェンダー干渉系４３は、シリカ光導波路の複屈折特性を利用して、その構成要素である長短尺光路の光路長差がＴＥ偏波光とＴＭ偏波光では（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるように（すなわち、長短尺光路の伝搬光位相差が両偏波で反転するように）、荒いデバイス温度調整によって制御される。この結果、非対称マッハツェンダー干渉系４３の出力ポートに出力される光子状態は、近似的に偏波モードとTime-binモードと呼ばれる２連パルスの光子波束状態で張られる状態モードの、最大縺れ合い状態になる。このことを利用して、光子の偏波モードを適切に選択して特定の偏波成分をフィルタリングすることにより、それに対応する任意のTime-bin状態を準備することが可能になる。

４分岐光カップラー４４、４組の光スイッチ４５、４組の偏波選択素子４６、４合波光カップラー４７はこの目的に使用する、制御偏波フィルタである。通常時、４組の光スイッチ４５はクローズ状態にしておく。正規の送信者は、同期信号を用いて微弱光パルスの通過するタイミングで、４組の光スイッチ４５のうち一つをオープンにする。これにより、４分岐光カップラー４４、４合波光カップラー４７で定義される４組の光路のうちひとつがオープンにされる。４組の偏波選択素子４６はそれぞれ、出力パルス光の４種の偏波（TE/TM/TE+TM/TE-TM）のうちひとつを選択して透過するように設定されている。従って、４組の光スイッチ４５の選択的オープン動作に依存して、出力パルス光の対応する偏波成分が選択される。４合波光カップラー４７は、パルス光が同一の偏波（例えばTE偏波）となるように偏波面を適切に変換した後、出力パルス光を光伝送路４８上に出力する。このような偏波面の変換は、４分岐光カップラー４４を構成する偏波保存光ファイバー端面を適切に軸回転して結合することにより可能である。あるいは、偏波コントローラーを用いることも可能である。

以上の構成により、光伝送路４８上に、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる、Time-binモードに属する互いに共役な基底系に属する近似的単一光子状態２７を、４組の光スイッチ４５の選択的オープン動作に依存して準備することができる。

以上の第一〜第四の実施形態に共通の特徴は、次の通りである。

上記の各実施形態の装置構成によると、従来技術のように２連光パルスのひとつのパルスを選択的に変調するような高速な信号変調器は一切不要であり、システム繰り返し周期で動作可能な低速の偏波変調器、偏波スイッチあるいは光スイッチを制御するだけでよく、量子暗号装置における送信装置を簡便に構成できる。構成に必要な非対称マッハツェンダー干渉系の精密制御は必要であるが、これは平面光回路に温度調整を施せば容易にクリアできる。もって、正規利用者の持つべき装置の構造が簡単化でき、その取扱いを容易化できる。従って、非特許文献１〜７に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置及び装置運用のための経済的及び技術的負担を大幅に軽減することができる。

以上の説明で明らかなように、本発明による量子暗号装置の特徴は、特に送信側の構成にある。それゆえ受信側の構成については説明を省略しているが、装置の簡単化および製造コストの低減を念頭において言えば、送信側及び受信側をほぼ同一の構成からなる装置として送受信者で共用可能な、対称的な構成で実現することができる。例えば、図１について言えば、送信側と受信側とを光伝送路１６を間にして対称的な構成とし、送信側の微弱レーザ光源１１に代えて受信側には光子検出器を配置するようにすれば良い。図２〜図４の実施形態の場合も同様である。しかし、これはあくまでも一例であり、本発明はこのような構成上の制約を受けることは無い。

図１は、本発明の第一の実施形態にかかる量子暗号装置の構成を送信側について示した図である。図２は、本発明の第二の実施形態にかかる量子暗号装置の構成を送信側について示した図である。図３は、本発明の第三の実施形態にかかる量子暗号装置の構成を送信側について示した図である。図４は、本発明の第四の実施形態にかかる量子暗号装置の構成を送信側について示した図である。図５は、従来の量子暗号装置の一例の構成を示した図である。図６は、従来の量子暗号装置の他の例の構成を示した図である。

符号の説明

１１，２１，３１，４１微弱レーザ光源
１２，２２、偏波変調器（又は偏波スイッチ）
１３，２４，３４，４３平面光回路で構成した非対称マッハツェンダー干渉系
１４，２３，３３，３５，４２偏波コントローラー
１５，２５，３６偏波選択素子
１６，２６，３７，４８光伝送路
１７、２７，３８，４９非直交パルスの光子状態
３２偏波保持カップラー（あるいは偏波ビームスプリッター）
４４４分岐光カップラー
４５光スイッチ
４６偏波選択素子
４７４合波光カップラー
５１，６１微弱レーザ光源
５２，６２非対称マッハツェンダー干渉系
５３，６３光ファイバー伝送路
５４，６４非対称マッハツェンダー干渉系
５５，５６，５７，６５光子検出器
５８，６９コヒーレント２連光パルス
５９，７０３連光パルス出力
６６，６７，６８位相変調器

Claims

量子ビットの情報担体となる光子を発生する微弱レーザ光源と、
平面光回路で構成され、その構成要素である２つの光学腕のもつ光路長差が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎ（但し、ｍは整数、λは波長、ｎは平面光回路の導波路の平均屈折率）だけ異なるように制御された非対称マッハツェンダー干渉系と、
光子を伝送する光伝送路と、
を含む送信装置を備えたことを特徴とする量子暗号装置。
前記送信装置は更に、光偏波面を切り替える偏波変調器または所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチと、偏波面を制御する偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波変調器または前記偏波スイッチ−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記偏波コントローラー−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号装置。
前記送信装置は更に、光偏波面を切り替える偏波変調器または所望の偏波面の光を選択して透過する偏波スイッチと、偏波面を制御する偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波変調器または前記偏波スイッチ−前記偏波コントローラー−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号装置。
前記微弱レーザ光源として４組の微弱レーザ光源を有し、
前記送信装置は更に、偏波を保持しつつ共通の光伝送路に結合する２組の偏波保持カップラーまたは偏波ビームスプリッターと、偏波面を制御する２つの偏波コントローラーと、偏波選択素子とを含み、前記４組の微弱レーザ光源−前記２組の偏波保持カップラーまたは偏波ビームスプリッター−前記２つの偏波コントローラーのうちの一方−前記非対称マッハツェンダー干渉系−ビームスプリッター−前記２つの偏波コントローラーのうちの他方−前記偏波選択素子−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号装置。
前記送信装置は更に、偏波面を制御する偏波コントローラーと、４分岐光カップラーと、独立に制御される４組の光スイッチと、４組の偏波選択素子と、４合波光カップラーとを含み、前記微弱レーザ光源−前記偏波コントローラー−前記非対称マッハツェンダー干渉系−前記４分岐光カップラー−前記４組の光スイッチ−前記４組の偏波選択素子−前記４合波光カップラー−前記光伝送路の順で結合された構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号装置。
前記２つの光学腕のもつ光路長差が２偏波モード間で（ｍ＋１／２）λ／ｎだけ異なるようにデバイス温度調整によって制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の量子暗号装置。