JP4936157B2 - 量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、量子暗号通信方法及びその方法を用いた量子暗号通信装置に関する。さらに詳細には、光信号を用いる位相変調方式の量子暗号通信方法及び量子暗号装置において、量子暗号通信の信頼性の向上、及び量子暗号通信装置の安定性の向上に関する。

近年、ネットワークによる電子商取引や電子政府の推進などネットワーク社会の形成とともに通信の安全性の確保が重要な課題となっている。そして、通信の安全性を実現するためには、種々の暗号技術の開発が重要である。
暗号技術の基本的な目的は、正規の通信者間のみで改竄を受けることなく情報を交換し、その内容が第３者に漏洩しないようにすることである。このような暗号通信は、ある種の計算を実行することが困難であることを利用して実現することができる。例えば、ＲＳＡの公開鍵暗号では、桁数の多い整数の因数分解を実行するには莫大な計算時間が必要であることを利用している。
しかしながら、このような計算の困難さは証明されているわけではなく、それどころか、整数の素因数分解などの場合には、量子力学の原理を利用した量子計算機により、短い時間で実行しうることが逆に証明されている。
以上のような状況を受け、計算の困難さではなく、物理法則を用いて安全な通信を実現するための研究が活発に進められている。量子暗号通信は、量子力学の原理を利用して安全な通信を実現するものである。特に、近年は、量子暗号通信の実用化に向けた研究が進展している。

実際の量子暗号通信では、光を通信手段として用いており、また、非常に微弱な光の状態を測定すると、その測定の痕跡が必ず残ってしまうことを利用している。これは、一般に、測定により測定対象の状態が変化するという量子力学の原理の現れである。
微弱な光の状態としては、単一光子の偏光状態、または、微弱な複数の光パルス間の相対的な位相差で特徴付けられる状態が主に用いられている。光ファイバーを通信路とする場合、光の偏光状態を保持して伝送することは困難であるのに対し、パルス間の位相差を保持して、すなわち、時間的に遅延して送ることは容易であるので、位相差状態を用いる方式が実用上有利である。
単一光子の偏光状態、及び、光パルス間の相対的な位相差で特徴付けられる状態に対応して、量子暗号通信の変調方式には、大別して、単一光子の偏光状態を操作して秘密鍵を通信する方式（非特許文献１参照）と、複数の光パルス間の相対的な位相差を操作して秘密鍵を通信する位相変調方式がある。後者は、無線ＬＡＮやＡＤＳＬ等で用いられている直交振幅変調を微弱な光に対して行うものと理解することができる。

位相変調方式の量子暗号通信方法は、光信号を２つに分割し、２つの光信号間の相対的位相差を送信者及び受信者が制御することにより、秘密鍵の通信を行なうものである。
位相変調方法を使用する従来の量子暗号通信装置には、光信号として単一光子を用いるもの（非特許文献２参照）と、コヒーレント光パルスを用いるもの（特許文献１及び非特許文献３を参照）とがあるが、送信側において光信号を互いに偏光面が直交する２つの光パルスに分割する際の分割比が異なる点及び光の検出方法が異なる点を除けば、送信側及び受信側で２つの光パルス間の位相を変調して秘密鍵を生成する、すなわち、複数の光パルス間の相対的な位相差を操作して秘密鍵を通信する位相変調方式である点は共通する。

図３を参照して従来の位相変調方式の量子暗号通信装置を説明する。
尚、コヒーレント光パルスを用いる場合を例に取り説明するが、単一光子を用いる場合についても同様である。
送信側において、コヒーレント光源４１から出た一定の偏光面を有する光パルスは、ビームスプリッタ４２で２つの光パルスに分割され、一方の光パルスは、ビームスプリッタ４２から偏光ビームスプリッタ４３へ直接到る光路長の短い経路を進んで偏光ビームスプリッタ４３へ到り、他方の光パルスは、１／２波長板４４、光減衰器４５、位相変調器４６、及び複数のミラーｍからなる光路長の長い経路を進んで偏光ビームスプリッタ４３へ到る。長い経路を進む光パルスは、光減衰器４５により強度の弱い光パルスに減衰し、また、位相変調器４６により秘密鍵に対応する送信側の位相変調を加える。また、長い経路を進む光パルスは、１／２波長板４４によって偏光面が９０度回転するので、偏光ビームスプリッタ４３により同一光路上に戻った２つの光パルスは、時間遅延しているだけでなく、互いに直交する偏光状態となり互いに干渉することなく光ファイバ４７を進む。

偏光ビームスプリッタ４３から、光ファイバー４７および偏光補正用波長板４８を進んだ２つの光パルスは受信側に到り、偏光ビームスプリッタ４９によって、再び２つの経路に分かれて進む。送信側で長い経路を進んだ光パルスは、偏光ビームスプリッタ４９から位相変調器５０を経由して偏光ビームスプリッタ５２へ到る短い光路長の経路を進んで偏光ビームスプリッタ５２へ到り、この際、位相変調器５０により、秘密鍵に対応する受信側の位相変調を加える。送信側で短い経路を進んだ光パルスは、１／２波長板５１、及び複数のミラーｍからなる光路長の長い経路を進んで偏光ビームスプリッタ５２へ到る。偏光ビームスプリッタ５２に到った２つの光パルスのそれぞれは、直交する２つの偏光成分に分割されて偏光成分毎に合波され、合波によって生じた干渉強度をフォトダイオード５３及びフォトダイオード５４で電流として検出し、この２つの電流の差信号を増幅器５５を介して取り出す。差信号は、送信側で加えた位相と受信側で加えた位相との差、すなわち、２つの光パルスの位相差により、強度及び符号（±）が異なる。
この方法は、２つの光パルスの内、強度の弱い光パルスを信号光、強度の強い光パルスを参照光としたホモダイン検出であるので、極めて高感度な量子暗号通信が可能となる。また、差信号は量子力学的直交成分に対応するので、差信号の分布を調べることによって、盗聴者の有無を知ることができる。

次に、図３の装置を用いて、４種類の状態を用いる量子暗号通信のプロトコルを説明する（詳しくは特許文献１を参照）。
送信側で位相変調器４６を制御して信号光毎に、０度、９０度、１８０度、２７０度の位相のどれかをランダムに加え、一方、受信側で、上記位相の加えられた信号光毎に、位相変調器５０を制御して、０度、９０度の位相のどれかをランダムに加えると共に、その信号光の差信号を測定し、差信号が＋の場合にビット１，−の場合にビット０とする。次に、受信者は公衆回線を通じて送信者に、自分の加えた位相が、０度と９０度のどちらであるかを信号光毎に報告する。送信者はこの報告をもとに、自分が加えた位相と受信者が加えた位相との差が０度か１８０度になる信号を選択して、それらの信号光を秘密鍵とすることを受信者に連絡し、位相差が０度の信号光をビット１、位相差が１８０度の信号光をビット０として秘密鍵とする。受信者は送信者から連絡のあった秘密鍵とする信号光のビットのみを選択し、秘密鍵とする。このようにして他人に知られることなく、量子暗号、すなわち、秘密鍵を共有する。

尚、送信側で信号光の強度を光減衰器４５により、信号光パルスに含まれる光子の平均個数が１個程度に減衰すると、不確定性原理に起因する量子雑音の影響により、４つの状態を誤りなく正確に識別し、再送することは原理的に不可能になり盗聴が不可能になる。 また、受信側において、位相変調器５０により、信号光に０度、または９０度の位相を印加してホモダイン検出することは、微弱な光パルスの電場振幅の実部、又は虚部をホモダイン検出により測定することに対応し、合計の位相差０度、または１８０度である場合には、フォトダイオード５３とフォトダイオード５４との電流のバランスがくずれ、差信号が生じ、この差信号は電場の直交振幅の一つに対応する。正規の受信者は、任意のしきい値を設定し、このしきい値を越える差信号を有する光パルスのみを選別することにより、誤り率を任意に小さくすることができる（非特許文献３参照）。
特開２０００−１０１５７０号公報 Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ａｎｄ Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ, "Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｉｎ Ｔｏｓｓｉｎｇ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ Ｉｎｄｉａ，ｐｐ．１７５−１７９, Ｄｅｃｅｍｂｅｒ( １９８４) Ｃ．Ｍａｒａｎｄ，Ｐ．Ｄ．Ｔｏｗｎｓｅｎｄ, "Ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ａｓ ｌｏｎｇ ａｓ ３０ｋｍ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，ｐ．１６９５（１９９５） Ｔ．Ｈｉｒａｎｏ，Ｈ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｍ．Ａｓｈｉｋａｇａ，Ｔ．Ｋｏｎｉｓｈｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｎａｍｉｋｉ, "Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｕｓｉｎｇ ｐｕｌｓｅｄ ｈｏｍｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ"，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ, Ｖｏｌ．６８，ｐ．０４２３３１−１−７（２００３）．

ところで、上記に説明したように、２つの光パルス、すなわち、信号光と参照光が、ホモダイン検出のための偏光ビームスプリター上で、送信側と受信側で加えた位相差を正確に反映した干渉をおこすためには、信号光と参照光との光路長差、すなわち、送信側の長い光路長と受信側の短い光路長の和と、送信側の短い光路長と受信側の長い光路長の和との差が少なくとも光の波長以下の精度で一定でなければならない。
しかしながら、盗聴者等の非存在が確認できた信頼性の高い秘密鍵を共有するためには、長時間の量子暗号通信を必要とする。従来の装置の光路長差を作り出す構成は、図３に示したように、偏光ビームスプリター、複数のミラー、１／２波長板、及び、位相変調器といった、材質及び形状が異なる個別の光学部品を基台上に高精度な光軸合わせをして組立てたものを用いるため、振動や熱膨張によって光路長が変化しやすく、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことが困難であり、それ故、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことは困難であった。
例えば、直角に光路を曲げる光学部品の反射層の厚さ、例えばミラーの厚さが、熱膨張によって０．１μｍ変化したとするとその光路長は０．１４μｍ変化し、８枚のそのようなミラーを使用すれば、合計の光路長の変化は、１．１μｍに達し、また、熱膨張によってミラー面の厚みばかりでなくミラー面の法線方向も変化するので、光路長はさらに大きく変化する。現状で利用可能なレーザー光源の内でも波長の長い１．５μｍの赤外光パルスを使用するとしても、光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことは困難である。

そこで本発明は、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことができ、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことが可能な、量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の量子暗号通信方法は、位相変調方式の量子暗号通信方法であって、送信側において、偏光状態に依存して異なる屈折率を示す送信側媒質に光パルスを所定の偏光状態で入射して、この送信側媒質中に２つの偏光成分を生起し、同一の光路を進んでこの送信側媒質の偏光状態に依存して異なる屈折率により２つの偏光成分のうち一方の偏光成分に対して他方の偏光成分を遅延させて、一方の偏光成分を有する光パルスと他方の偏光成分を有する光パルスとが互いに重ならず、かつ屈折率の差と送信側媒質の長さとの積を光速で除して求まる時間差が光パルスのコヒーレンス時間よりも大きくなるように２つの光パルスを送信側媒質から出力するステップと、受信側において、送信側媒質と材質及び形状に関して同等な受信側媒質であって上記送信側の遅延と逆の遅延を生じさせるように受信側媒質を配置して、この受信側媒質に時間差を有する２つの光パルスを入射して出力することにより、受信側媒質中で２つの光パスルが同一の光路を進んで２つの光パルスの時間差を消去し一つの光パルスに復元するステップと、を有することを特徴とする。
この方法によれば、単に光パルスを透過させるだけで、所望の時間差を有する２つの光パルスを形成できる。また、所望の時間差を有する２つの光パルスを単に透過させるだけで２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元できる。
従来は、時間差を有する光パルスを生成するために、また、２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元するために、偏光ビームスプリッター、複数のミラー、１／２波長板、及び、位相変調器の組み合わせからなる光遅延方法を必要としたため、振動や熱膨張によって上記光学部品の厚みの変化や光軸のずれが生じやすく、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことが困難であり、それ故、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことは困難であった。
本発明の方法によれば、単一の部品で時間差を有する光パルスを生成でき、また、単一の部品で２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元できるので、振動や熱膨張による光路長の変化が無く、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことができ、それ故、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことができる。

また、送信側媒質に入射する光パルスがコヒーレント光パルスであり、一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度比を１万倍以上とすれば、受信側において、強度が強い偏光成分、すなわち、強度が強い光パルスを局部発振光とし、強度の弱い偏光成分、すなわち、強度の弱い光パルスを信号光としてホモダイン検出ができるので、極めて高感度、高信頼、且つ、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことができる。

また、送信側媒質に入射する光パルスが単一光子であり、一方の偏光成分と他方の偏光成分との強度を等しくすれば、受信側において、復元した単一光子の偏光状態を単一光子検出器を用いて測定することができるので、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことができる。

また、送信側媒質及び受信側媒質が光学的異方性を有する媒質であればよく、所定の偏光状態は２つの偏光成分が互いに直交する直線偏光であればよい。例えば、方解石（ＣａＣＯ₃ ）や、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）が使用できる。

また、送信側媒質及び受信側媒質が光学活性を有する媒質であっても良く、その場合には、所定の偏光状態は２つの偏光成分が互いに逆回りの円偏光であればよい。例えば、水晶（ＳｉＯ₂ ）や液晶が使用できる。
また、送信側媒質及び受信側媒質が共に電気光学結晶であり、送信側の電気光学結晶により互いに直交する直線偏光の２つの偏光成分が生じ、受信側の電気光学結晶が送信側の電気光学結晶に対して光軸回りに９０度回転して配置されている。

また、電気光学結晶の異常光線屈折率方向に直交する方向に電圧を印加して、秘密鍵を生成するための位相変調を行うことにより、参照光と信号光の間の時間差の生成、消去のみでなく、量子暗号を生成する位相変調も兼ねることができる。

本発明の量子暗号通信装置は、送信装置及び受信装置を備えた位相変調方式の量子暗号通信装置において、送信装置は、偏光状態に依存して異なる屈折率を示す送信側媒質を備え、この送信側媒質に所定の偏光状態の光パルスが入射することにより２つの偏光成分を生起し、同一の光路を進んで一方の偏光成分に対して他方の偏光成分を遅延させることにより一方の偏光成分を有する光パルスと他方の偏光成分を有する光パルスとが互いに重ならず、かつ屈折率の差と送信側媒質の長さとの積を光速で除して求まる時間差が光パルスのコヒーレント時間よりも大きくなるように２つの光パルスを生成し、受信装置は、送信側媒質と材質及び形状に関して同等な受信側媒質を備え、この受信側媒質が送信側の遅延と逆の遅延を生じさせるように配置されていることにより、送信装置から出力された２つの光パルスが同一の光路を進んで２つの光パルスの時間差を消去し一つの光パルスに復元することを特徴とする。
本発明の装置によれば、単に光パルスを透過させるだけで、所望の時間差を有する２つの光パルスを形成できる。また、所望の時間差を有する２つの光パルスを単に透過させるだけで２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元できる。
従来は、時間差を有する光パルスを生成するために、また、２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元するために、偏光ビームスプリッター、複数のミラー、１／２波長板、及び、位相変調器の組み合わせからなる光遅延装置を必要としたため、振動や熱膨張によって上記光学部品の厚みや光軸が変化しやすく、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことが困難であり、それ故、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことは困難であった。
本発明の装置によれば、単一の部品で時間差を有する光パルスを生成でき、また、単一の部品で２つの光パルスの時間差を消去し元の光パルスを復元できるので、振動や熱膨張による光路長の変化が無く、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことができ、それ故、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことができる量子暗号通信装置である。

上記構成において、送信装置は、光パルス光源と、光パルス光源から出る光パルスの偏光面を回転する１／２波長板とを備え、この１／２波長板によって偏光面を回転した光パルスが送信側媒質に入射し、受信装置は、偏光面を回転する１／２波長板と、この１／２波長板により偏光面が回転された２つの光パルスを偏光分離する偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターで偏光分離された２つの光パルスを測定する光検出器と、を備える。
また、送信側媒質に入射する光パルスがコヒーレント光パルスであり、一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度比を１万倍以上とし、受信側において、強度が強い偏光成分、すなわち、強度が強い光パルスを局部発振光とし、強度の弱い偏光成分、すなわち、強度の弱い光パルスを信号光としたホモダイン検出の構成とした装置は、極めて高感度、高信頼、且つ、長時間にわたって安定して量子暗号通信ができる量子暗号通信装置である。

また、送信側媒質に入射する光パルスが単一光子であり、一方の偏光成分と他方の偏光成分との強度が等しくなる偏光状態にし、受信装置において、復元した単一光子の偏光状態を単一光子検出器を用いて測定する構成とした装置は、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことができる量子暗号通信装置である。

また、送信側媒質及び受信側媒質が光学異方性を有する媒質であればよく、所定の偏光状態は２つの偏光成分が互いに異なる直交する直線偏光であればよい。例えば、方解石（ＣａＣＯ₃ ）や、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）が使用できる。

また、送信側媒質及び受信側媒質が光学活性を有する媒質であってもよく、この場合には、所定の偏光状態は２つの偏光成分が互いに逆向きの円偏光であればよい。例えば、水晶（ＳｉＯ₂ ）や液晶が使用できる。
また、送信側媒質及び受信側媒質が共に電気光学結晶であり、送信側の電気光学結晶により互いに直交する直線偏光の２つの偏光成分が生じ、受信側の電気光学結晶が送信側の電気光学結晶に対して光線軸回りに９０度回転して配置されている。

また、電気光学結晶の表面で異常光線屈折率方向に直交する方向の表面には電極が設けられ、電極に印加する電圧により、秘密鍵を生成するための位相変調を行うことによって、参照光と信号光の間の時間差の生成、消去のみでなく、量子暗号を生成する位相変調も兼ねることができる。

本発明の量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置によれば、２つの光パルスの光路長の差を光パルスの波長以下の一定値に長時間保持することができるので、長時間にわたって安定して量子暗号通信ができる。

以下、本発明の量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置を図面に基づいて詳細に説明する。
初めに本発明に用いる、一つの光パルスから所定の時間差を有する２つの光パルスを生成する方法、及び、２つの光パルスの時間差を消去し復元する方法を説明する。
図１は、本発明の量子暗号通信方法、及び、量子暗号通信装置に用いる、時間差を有する２つの光パルスを生成する方法、及び、２つの光パルスの時間差を消去する方法を説明する図である。偏光状態に依存して異なる屈折率を示す媒質が光学異方性を有する媒質であり、光学異方性を有する媒質が電気光学結晶である場合を例に取り説明する。
（ａ）図は、常光線屈折率（ｎo ）方向がｘ軸方向、異常光線屈折率（ｎe ）方向がｙ軸方向となるように電気光学結晶１を配置し、ｚ軸の正方向に複数の光パルス２を一定の時間間隔で入射する場合を示している。また、光パルス２はｘ軸方向から４５度傾いた偏光面を有するものとし、光パルス２のｘ方向の偏光成分を２ａ、ｙ軸方向の偏光成分を２ｂとする。光パルス３は、光パルス２が電気光学結晶１を通過した後の光パルスを表し、光パルス３のｘ軸方向の偏光成分を３ａ、ｙ軸方向の偏光成分を３ｂとする。
電気光学結晶１中で、ｘ方向の偏光成分２ａは屈折率ｎo を感じ、ｙ方向の偏光成分２ｂは屈折率ｎe を感じるので、電気光学結晶１のｚ軸方向の長さをｓとすると、偏光成分２ａの偏光成分２ｂに対する電気光学結晶１による光路長差Δｕは、Δｕ＝（ｎo −ｎe ）ｓとなり、ｎｏ＜ｎｅであれば、偏光成分３ｂは偏光成分３ａから、時間差Δｔ＝Δｕ／ｃ（但し、ｃは光速）だけ遅延し、図に示すように、互いに時間差Δｔで遅延した偏光成分３ａと偏光成分３ｂ、すなわち、時間差Δｔで遅延した２つの光パルス列が形成される。
ニオブ酸リチウムを用いた電気光学素子の場合に具体的な値を計算すると、ｎe ＝２．１４、ｎｏ＝２．１７、ｓ＝４０ｍｍとすると、Δｕ＝−３ｍｍとなり、Δｔは−１０ピコ秒となる。光パルスのコヒーレンス時間が、時間差Δｔよりも小さければ、２つのパルスを時間的に分離できることになる。本来、光パルスの偏光面が互いに直交していれば互いに干渉することはないが、光ファイバ中で偏光面の揺らぎが生じるので、時間的に分離することによって、この揺らぎによる干渉を防止することができる。
ファブリーペロー型半導体レーザーを利得スイッチ法でパルス発振させることにより、コヒーレンス時間が１０ピコ秒より小さい光パルスを発生することが出来るので、この寸法のニオブ酸リチウムを用いることによって、２つの光パルスを互いに干渉させずに送信側から受信側に送信するために必要な、２つの光パルス間の所定の時間差を形成できる。尚、光パルスのコヒーレンス時間に比べて、２つの光パルス間の所定の時間差が小さくなると、偏光状態を制御することに近づく。

（ｂ）図は、（ａ）の配置の電気光学結晶１をｚ軸の回りに９０度回転し、（ａ）で形成された時間差Δｔで遅延した偏光成分３ａと偏光成分３ｂとからなる光パルス列３をｚ軸の正方向に入射した場合を示している。
この場合には、（ａ）とは逆に、ｘ方向の偏光成分３ａは屈折率ｎｅを感じ、ｙ方向の偏光成分３ｂは屈折率ｎｏを感じるので、偏光成分３ａの偏光成分３ｂに対する電気光学結晶１による光路長差は−Δｕとなり、偏光成分３ｂは偏光成分３ａから、時間差−Δｔだけ遅延し、その結果、（ａ）で形成された時間差が消去され、図に示すように、元の複数の光パルス列２が復元される。
このように、本発明においては、位相変調方式の量子暗号通信方法、及び、量子暗号通信装置において必要不可欠である、同一の光パルスから生成した所定の時間遅延を有する２つの光パルスの生成と、この２つの光パルスの復元を、単に、電気光学結晶に光パルスを透過させることで行うので、従来技術で課題であった、熱膨張や機械的振動によるミラー等による光路長の変化が無く、従って、信号光と参照光との光路長差を、長時間、光の波長以下の精度で一定に保つことができ、長時間にわたって安定して量子暗号通信を行うことが可能な、量子暗号通信方法、及び、量子暗号通信装置が可能になる。

上記方法は電気光学結晶に電圧を印加しないで行うが、電気光学結晶の異常光線屈折率ｎｅ方向に直交する２枚の表面に電極１ａ、電極１ｂを設けて電気光学素子とし、電極端子１ａ、電極端子１ｂ間に電圧を印加するようにしてもよい。このようにすれば、異常光線屈折率方向の屈折率を印加電圧によって調整できるので、時間差を有する２つの光パルスを生成、及び、２つの光パルスの時間差を消去し復元することに加えて、秘密鍵を生成する位相変調を兼ねることができる。
電気光学素子は、異常光線屈折率ｎｅ方向に電圧を印可することにより、異常光線屈折率方向の屈折率を電気光学効果により変化させることができる。位相変調量φは、電圧Ｖに比例して変化し、φ＝πｎｅ³ ｒｓＶ／λｄと表すことが出来る。ここで、ｎe は異常光線屈折率、r は電気光学定数、ｓは電気光学素子の長さ、λは光の波長、ｄは電気光学素子の厚さである。ニオブ酸リチウムを用いた電気光学素子の場合に具体的な値を計算すると、ｎe ＝２．１４、r ＝３０．８ｐｍ／Ｖ、ｓ＝４０ｍｍ、Ｖ＝２００Ｖ、λ＝１．５５μｍ、ｄ＝３ｍｍを代入すると、およそφ= π／２となる。従って、印加電圧を選択することにより、０度、９０度、１８０度、及び、２７０度の位相を加えることができ、秘密鍵を生成するために必要な変調手段を兼ねることができる。
このように、本発明の方法は熱的、また、機械的にも安定であるため、長時間にわたって安定した量子暗号通信を実現することが出来、また、電気光学素子だけで、時間的な分離、復元と位相変調という２つの機能を実現できるので、簡便に量子暗号通信装置を実現することが出来る。

図２は、本発明の量子暗号通信装置の構成を示す模式図である。
本発明の量子暗号通信装置２１は、送信装置２２と受信装置２３とより成る。送信装置２２は、光パルス光源２４と、光パルス光源２４から出る光パルス２５の偏光面を回転する１／２波長板２６と、１／２波長板２６によって偏光面を回転した光パルスを入射する電気光学素子２８とより成る。θは、電気光学素子２８に入射する直前の光パルス２５の偏光面と電気光学素子２８の異常光線屈折率方向とが成す角である。光パルス光源２４にコヒーレント光パルス源を使用する場合は、電気光学素子２８中の光パルス２５の異常光線屈折率方向の偏光成分が常光線屈折率方向の偏光成分に比べて１万倍以上大きくなるようにθを選択して、電気光学素子２８を出た光パルス２７の電界成分２７ａと電界成分２７ｂの２つの光パルスの強度比が１万倍以上になるようにする。１万倍以上になるθは１０^-4ラジアンから１０^-6ラジアン程度である。また、光パルス光源２４に単一光子源を用いる場合は、電界成分２７ａと電界成分２７ｂの２つの光パルスの強度比が等しくなるように、θ＝４５度を選択する。
電気光学素子２８の長さは、二つの光パルス２７ａと２７ｂとの時間差が所定の大きさになるように選択する。所定の時間差は、この２つの光パルスが伝送路を伝搬中の偏光面の揺らぎによって干渉しないための時間差であり、光源２４のコヒーレンス性の程度によって決まる。
電気光学素子２８を出た２つの光パルス２７ａと２７ｂは伝送路３０を介して受信装置２３に伝送する。伝送路３０は、光ファイバでもよく、また、自由空間でもよく、自由空間の場合には、望遠鏡でビーム断面を広げて伝送し、回折の影響を少なくすることが好ましい。

受信装置２３は、伝送路３０から出た２つの光パルス２７ａと２７ｂを入射する、送信装置の電気光学素子２８と材質、形状、共に同等な電気光学素子を光線軸の周りに９０度回転して配置した電気光学素子３１と、電気光学素子３１を透過することによって２つの光パルス２７ａと２７ｂの時間差を消去された２つの光パルス３２ａと３２ｂの偏光面を回転する１／２波長板３３と、１／２波長板３３により偏光面が回転された２つの光パルス３２ａと３２ｂを偏光分離する偏光ビームスプリッター３４と、偏光ビームスプリッター３４の２つの光出力をそれぞれ測定する光検出器３５ａ、３５ｂとより成る。
２つの電気光学素子２８、３１は長さが等しいことが望ましいが、長さにずれがある場合には、時間遅延補正用の第３の光学異方性を有する媒質を付加しても良く、さらに、この第３の光学異方性を有する媒質の光軸に対する角度を調整することで時間遅延量の補正を行っても良い。また、２つの電気光学素子の温度を安定化することにより、時間遅延量を安定化しても良い。
光源２４をコヒーレント光パルス源とし、光パルス３２ａと３２ｂをそれぞれ参照光と信号光とし、ホモダイン検出により秘密鍵を生成する場合は、従来技術の図３で説明したように、光検出器３５ａ、３５ｂの出力の差信号を測定して秘密鍵を生成する。
光源２４を単一光子源とする場合は、光検出器３５ａ、３５ｂにより、フォトンカウンティングを行い、秘密鍵を生成する。

次に、上記装置の光源がコヒーレント光パルス源である場合に、秘密鍵の生成を説明する（特許文献１及び非特許文献３を参照）。
電気光学素子２８中の異常光線屈折率方向の偏光成分が常光線屈折率方向の偏光成分に比べて１万倍以上大きくなるようにθを選択して、コヒーレント光パルスを電気光学素子２８に入射し、送信者は、電気光学素子２８の電極端子２８ａ、２８ｂ間に電圧を印加して、０度、９０度、１８０度、２７０度の内の何れかの位相を光パルス列２５にランダムに印加する。受信者は、電気光学素子３１の電極端子３１ａ，３１ｂに電圧を印加して、上記光パルス列に、０度と９０度の内の何れかの位相をランダムに印加すると共に、その光パルスの差信号を測定し、差信号が＋の場合にビット１，−の場合にビット０とする。次に、受信者は公衆回線を通じて送信者に、自分の加えた位相が、０度と９０度のどちらであるかを光パルス毎に報告する。送信者はこの報告をもとに、自分が加えた位相と受信者が加えた位相との差が０度か１８０度になる光パルスを選択して、それらの光パルスを秘密鍵とすることを受信者に連絡し、位相差が０度の信号光をビット１、位相差が１８０度の光パルスをビット０として秘密鍵とする。受信者は送信者から連絡のあった秘密鍵とする光パルスのビットのみを選択し秘密鍵とする。このようにして他人に知られることなく秘密鍵を共有する。
尚、受信側で０度と９０度の内の何れかの位相をランダムに印加するが、これは、微弱な光パルスの電場振幅の実部を測定するか、虚部を測定するかということに対応する。１／２波長板３３で偏光面を４５度回転した後、偏光ビームスプリッター３４により、２つの光パルス３２ａ，３２ｂをそれぞれ偏光ビームスプリッター３４の２つの偏光面に分割し、この２つの偏光面それぞれの合波出力を、光検出器３５ａ、３５ｂで検出し、その差信号を検出すれば、微弱な光パルス３２ｂ（信号光）を強度の強い光パルス３２ａ（参照光）でホモダイン検出したことに相当し、直交振幅をホモダイン検出したことになる。

次に、上記装置の光源が単一光子源である場合に、ＢＢ８４プロトコル（非特許文献１を参照）による秘密鍵の生成を説明する。
単一光子源は、光源から出る光パルスを十分減衰して形成した非常に微弱な光パルス、すなわち、擬似的な単一光子源を使用することができる。この単一光子列をθ＝４５度で電気光学素子２８に入射し、送信者は、電極端子２８ａ、２８ｂ間に電圧を印加して、０度、９０度、１８０度、２７０度の４つの位相の内の何れかを単一光子列にランダムに加える。受信者は、電気光学素子３１の電極端子３１ａ，３１ｂに電圧を印加して、上記単一光子列に、０度と９０度の内の何れかの位相をランダムに印加すると共に、その単一光子が、光検出器３５ａ、３５ｂのどちらに入射したかを検出し、光検出器３５ａに入射した場合をビット１、光検出器３５ｂに入射した場合をビット０とする。次に、受信者は公衆回線を通じて送信者に、自分の加えた位相が、０度と９０度のどちらであるかを単一光子毎に報告する。送信者はこの報告をもとに、自分が加えた位相と受信者が加えた位相との差が０度か１８０度になる単一光子を選択して、それらの単一光子を秘密鍵とすることを受信者に連絡し、位相差が０度の信号光をビット１、位相差が１８０度の信号光をビット０として秘密鍵とする。受信者は送信者から連絡のあった秘密鍵とする単一光子のビットのみを選択し、秘密鍵とする。このようにして他人に知られることなく秘密鍵を共有する。
尚、送信側と受信側の２つの位相変調の差が０度の時は、単一光子の偏光状態は最初と同じ４５度直線偏光、１８０度の時は、最初とは９０度偏光面が回転した直線偏光、９０度と２７０度の時は、右回りと左回りの円偏光状態となる。１／２波長板３３で偏光面を４５度回転した後、偏光ビームスプリッタ３４を通すと、単一光子は、直線偏光状態に応じて、２つの単一光子検出器３５ａ、３５ｂのどちらかに必ず向かい、検出される。この検出結果を基に、秘密鍵を得ることができる。

本発明の量子暗号通信方法及び量子暗号通信装置に用いる、時間差を有する２つの光パルスを生成する方法、及び、２つの光パルスの時間差を消去する方法を説明する図である。 本発明の量子暗号通信装置の構成を示す模式図である。 従来の位相変調方式の量子暗号通信装置を説明する図である。

符号の説明

１ 電気光学結晶（電気光学素子）
１ａ 電極端子
１ｂ 電極端子
２ 光パルス、光パルス列
２ａ 電界成分
２ｂ 電界成分
３ 光パルス
３ａ 電界成分、光パルス
３ｂ 電界成分、光パルス
２１ 本発明の量子暗号通信装置
２２ 送信装置
２３ 受信装置
２４ 光パルス光源
２５ 光パルス
２６ １／２波長板
２７ 光パルス
２７ａ 電界成分、光パルス
２７ｂ 電界成分、光パルス
２８ 電気光学素子
２８ａ 電極端子
２８ｂ 電極端子
３０ 伝送路
３１ 電気光学素子
３１ａ 電極端子
３２ 光パルス
３２ａ 電界成分、光パルス
３２ｂ 電界成分、光パルス
３３ １／２波長板
３４ 偏光ビームスプリッター
３５ａ 光検出器
３５ｂ 光検出器

Claims (15)

1. 位相変調方式の量子暗号通信方法であって、
   送信側において、偏光状態に依存して異なる屈折率を示す送信側媒質に光パルスを所定の偏光状態で入射して、この送信側媒質中に２つの偏光成分を生起し、同一の光路を進んでこの送信側媒質の偏光状態に依存して異なる屈折率により上記２つの偏光成分のうち一方の偏光成分に対して他方の偏光成分を遅延させて、上記一方の偏光成分を有する光パルスと上記他方の偏光成分を有する光パルスとが互いに重ならず、かつ屈折率の差と上記送信側媒質の長さとの積を光速で除して求まる時間差が光パルスのコヒーレンス時間よりも大きくなるように２つの光パルスを上記送信側媒質から出力するステップと、
   受信側において、上記送信側媒質と材質及び形状に関して同等な受信側媒質であって上記送信側の遅延と逆の遅延を生じさせるように受信側媒質を配置して、この受信側媒質に上記時間差を有する２つの光パルスを入射して出力することにより、上記受信側媒質中で該２つの光パルスが同一の光路を進んで該２つの光パルスの時間差を消去し一つの光パルスに復元するステップと、を有することを特徴とする、量子暗号通信方法。
2. 前記送信側媒質に入射する光パルスがコヒーレント光パルスであり、前記一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度比を１万倍以上とすることを特徴とする、請求項１に記載の量子暗号通信方法。
3. 前記送信側媒質に入射する光パルスが単一光子であり、前記一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度が等しいことを特徴とする、請求項１に記載の量子暗号通信方法。
4. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が光学異方性を有する媒質であり、前記所定の偏光状態は前記２つの偏光成分が互いに直交する直線偏光であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の量子暗号通信方法。
5. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が光学活性を有する媒質であり、前記所定の偏光状態は前記２つの偏光成分が互いに逆回りの円偏光であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の量子暗号通信方法。
6. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が共に電気光学結晶であり、前記送信側の電気光学結晶により互いに直交する直線偏光の２つの偏光成分が生じ、前記受信側の電気光学結晶が前記送信側の電気光学結晶に対して光軸回りに９０度回転して配置されている、請求項１〜４の何れかに記載の量子暗号通信方法。
7. 前記電気光学結晶の異常光線屈折率方向に直交する方向に電圧を印加することにより、秘密鍵を生成するための位相変調を行うことを特徴とする、請求項６に記載の量子暗号通信方法。
8. 送信装置及び受信装置を備えた位相変調方式の量子暗号通信装置において、
   上記送信装置は、偏光状態に依存して異なる屈折率を示す送信側媒質を備え、この送信側媒質に所定の偏光状態の光パルスが入射することにより２つの偏光成分を生起し、同一の光路を進んで一方の偏光成分に対して他方の偏光成分を遅延させることにより上記一方の偏光成分を有する光パルスと上記他方の偏光成分を有する光パルスとが互いに重ならず、かつ屈折率の差と上記送信側媒質の長さとの積を光速で除して求まる時間差が光パルスのコヒーレンス時間よりも大きくなるように２つの光パルスを生成し、
   上記受信装置は、上記送信側媒質と材質及び形状に関して同等な受信側媒質を備え、この受信側媒質が上記送信側の遅延と逆の遅延を生じさせるように配置されていることにより、上記送信装置から出力された上記２つの光パルスが同一の光路を進んで上記２つの光パルスの時間差を消去し一つの光パルスに復元することを特徴とする、量子暗号通信装置。
9. 前記送信装置は、光パルス光源と、該光パルス光源から出る光パルスの偏光面を回転する１／２波長板とを備え、この１／２波長板によって偏光面を回転した光パルスが前記送信側媒質に入射し、
   前記受信装置は、偏光面を回転する１／２波長板と、この１／２波長板により偏光面が回転された２つの光パルスを偏光分離する偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターで偏光分離された２つの光パルスを測定する光検出器と、を備えることを特徴とする、請求項８に記載の量子暗号通信装置。
10. 前記送信側媒質に入射する光パルスがコヒーレント光パルスであり、前記一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度比を１万倍以上とすることを特徴とする、請求項８に記載の量子暗号通信装置。
11. 前記送信側媒質に入射する光パルスが単一光子であり、前記一方の偏光成分と前記他方の偏光成分との強度が等しいことを特徴とする、請求項８に記載の量子暗号通信装置。
12. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が光学異方性を有する媒質であり、前記所定の偏光状態は前記２つの偏光成分が互いに直交する直線偏光であることを特徴とする、請求項８〜１１の何れかに記載の量子暗号通信装置。
13. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が光学活性を有する媒質であり、前記所定の偏光状態は前記２つの偏光成分が互いに逆周りの円偏光であることを特徴とする、請求項８〜１１の何れかに記載の量子暗号通信装置。
14. 前記送信側媒質及び前記受信側媒質が共に電気光学結晶であり、前記送信側の電気光学結晶により互いに直交する直線偏光の２つの偏光成分が生じ、前記受信側の電気光学結晶が前記送信側の電気光学結晶に対して光線軸回りに９０度回転して配置されている、請求項８〜１２の何れかに記載の量子暗号通信装置。
15. 前記電気光学結晶の表面で異常光線屈折率方向に直交する方向の表面には電極が設けられ、該電極に印加する電圧により、秘密鍵を生成するための位相変調を行うことを特徴とする、請求項１４に記載の量子暗号通信装置。

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