JP4962700B2 - Quantum cryptographic communication device - Google Patents
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Description
この発明は、量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置に関する。詳しくは、この発明は、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光として送り返し、受信者側端末でさらに送り返された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら送り返された参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御する構成とすることによって、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めるようにした量子暗号通信装置に係るものである。 The present invention relates to a quantum cryptography communication device that executes communication processing based on quantum cryptography. Specifically, in the present invention, signal light and reference light, which are pulsed light, are sent from the light source of the receiver-side terminal to the sender-side terminal through the communication path, and the transmitter-side terminal has a relatively strong intensity from the sender-side terminal to the receiver-side terminal. Based on the reference light and the signal light that are sent back as a reference light and a weak signal light that is randomly phase-modulated, and after the phase modulation is randomly added to the reference light that is further sent back by the receiver side terminal. The receiver side terminal controls the processing start timing of the phase modulator based on the synchronization signal supplied from the synchronization signal source that supplies the synchronization signal to the light source, and the sender side terminal In this configuration, the loss of reference light is suppressed and the homogenizer is controlled by detecting the arrival of the signal light based on the leaked light from the optical attenuator and controlling the processing start timing of the phase modulator. To reduce the excess noise ratio in emission detection, it relates to a quantum cryptography communication apparatus that enhance resistance to eavesdroppers.
第三者への情報漏洩を防ぐ手法として、RSA暗号、EIGamal暗号などの公開鍵暗号、AES,DESなどの秘密鍵暗号がある。前者は、安全性が素因数分解問題、離散対数問題の困難さに起因している。そのため、量子コンピュータによる解読、あるいは未知の攻撃の脅威に常にさらされている。後者は、予め秘密鍵を送受信者が共有する必要があるため、通常は前者の手法を用いて鍵交換を行なう。しかし、前者と同様に,攻撃手法が日々進化しているため、将来、効率的な解読法が出現する可能性がある。一般に、これらは計算量的安全性に基づく暗号と言われている。 As a technique for preventing information leakage to a third party, there are public key cryptography such as RSA cryptography and EIGal cryptography, and secret key cryptography such as AES and DES. In the former, safety is caused by the difficulty of the prime factorization problem and the discrete logarithm problem. For this reason, they are constantly exposed to the threat of decryption by quantum computers or unknown attacks. In the latter case, since it is necessary for the sender and receiver to share the secret key in advance, the former method is usually used for key exchange. However, as with the former, attack techniques are evolving day by day, so efficient cryptanalysis may appear in the future. Generally, these are said to be encryptions based on computational security.
一方、バーナム暗号などの、完全秘匿可能な情報量的安全性に基づく暗号が提案されている。しかし、Shannonにより示されたように、完全秘匿性を有するためには、送受信者が共有する鍵サイズが大きくなり、鍵配布が困難となる。 On the other hand, encryption based on information security that can be completely concealed, such as the Burnham encryption, has been proposed. However, as shown by Shannon, in order to have complete secrecy, the key size shared by the sender and receiver becomes large, and key distribution becomes difficult.
これらの問題を打開する手法として、Bennettらにより量子暗号が提案された。量子暗号とは、量子力学の原理を利用して秘密鍵を共有する手法である。微弱な光の状態を1回の測定により正確に特定できないことを用いる。この量子暗号の実装手法としては、微弱な信号光の測定手法により、大きく2つに分けることができる。 As a technique for overcoming these problems, Bennett et al. Proposed quantum cryptography. Quantum cryptography is a technique for sharing a secret key using the principle of quantum mechanics. It is used that the weak light state cannot be accurately specified by one measurement. The quantum cryptography implementation method can be roughly divided into two types by a weak signal light measurement method.
一方は、単一光子検出に基づく手法、もう一方はホモダイン検出に基づく手法である。前者の手法は、単一光子生成、検出を行なうところが特徴であり難点である。後者の手法は、レーザダイオードからの微弱コヒーレント光をフォトダイオードからなるホモダイン検出器を用いて測定するという特徴を有する。この手法は、室温で高効率の測定が可能である点で有望な手法と考えられている。 One is based on single photon detection and the other is based on homodyne detection. The former method is characterized by the fact that single photon generation and detection are performed and is difficult. The latter method is characterized in that weak coherent light from a laser diode is measured using a homodyne detector made of a photodiode. This method is considered to be a promising method because it enables highly efficient measurement at room temperature.
このホモダイン検出に基づく量子暗号プロトコルは、特許文献1で提案されている。また、長距離通信では回避が難しい光ファイバー上での偏光状態擾乱、光路長のずれに対処可能なプラグアンドプレイ実装も、特許文献2で提案されている。この特許文献2では、さらに、送受信者間で同期を取る手法が提案されている。
A quantum cryptography protocol based on this homodyne detection is proposed in
特許文献2に記載される量子暗号通信装置は、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光として戻し、受信者側端末でさらに戻された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら戻された参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものである。
The quantum cryptography communication device described in
この特許文献2に記載される量子暗号通信装置にあっては、受信者側端末では送信者側端末から戻された参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では受信者側端末から送られてくる参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御し、それぞれの位相変調器で信号光、参照光の各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理が行われるようになっている。
In the quantum cryptography communication device described in
しかしこの場合、送信者側端末および受信者側端末の双方でビームスプリッタによって参照光の一部が失われることから、ホモダイン検出における過剰雑音比がその分高くなり、盗聴者への耐性が低下するという不都合がある。 However, in this case, since a part of the reference light is lost by the beam splitter in both the sender side terminal and the receiver side terminal, the excess noise ratio in the homodyne detection is increased correspondingly, and the resistance to the eavesdropper is reduced. There is an inconvenience.
また、上述した量子暗号プロトコルでは、秘密情報を位相変調量としてパルス光に載せるが,量子暗号の機能を果たすためには、パルスあたりの平均光子数が1個程度の微弱レベルである必要がある。秘密情報を送信する送信者側の出口で、微弱レベルである信号光の平均光子数を正確に設定することが求められる。なぜならば、受信者側で信号を測定した後に平均光子数を見積もり、送信者出口における平均光子数と比較することで盗聴検知の端緒と成り得るからである。 Further, in the above-described quantum cryptography protocol, the secret information is put on the pulsed light as a phase modulation amount. In order to perform the quantum cryptography function, the average number of photons per pulse needs to be a weak level of about one. . It is required to accurately set the average number of photons of signal light, which is a weak level, at an exit on the sender side that transmits secret information. This is because the average number of photons is estimated after measuring the signal on the receiver side and compared with the average number of photons at the sender exit, which can be the beginning of wiretapping detection.
この発明の目的は、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることにある。また、この発明の他の目的は、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定可能とし、盗聴検知を容易とすることにある。 An object of the present invention is to suppress the loss of reference light, reduce the excess noise ratio in homodyne detection, and increase the resistance to an eavesdropper. Another object of the present invention is to make it possible to accurately set the average number of photons of signal light at the exit of the sender side terminal and facilitate wiretapping detection.
本発明の量子暗号通信装置は、量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信装置であって、第1の通信端末と、第2の通信端末と、第1の通信端末および第2の通信端末を結ぶ通信路とを備えている。
上記第1の通信端末は、同期信号を発信する同期信号発信源と、同期信号発信源からの同期信号に基づいてパルス光を発生する光源と、光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第1の光分離部と、遅延器が挿入されている第1の光路と、遅延器が挿入されていない第2の光路と、第1の光分離部で分離され、第1の光路を通過した参照光および第1の光分離部で分離され、第2の光路を通過した信号光を合成して通信路に送出する光合成部と、通信路を介して第2の通信端末から送られてくる信号光および参照光を分離する第2の光分離部と、第2の光分離部で分離され、第2の光路を通過する参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第1の位相変調器と、第2の光分離部で分離され、第2の光路を通過した参照光および第2の光分離部で分離され、第1の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部と、同期信号発信源からの同期信号に基づいて、位相変調器の処理開始タイミングを制御する第1の制御部とを有するものである。
上記第2の通信端末は、通信路を介して第1の通信端末から送られてくる信号光および参照光を所定の光路を介して通信路に送出する光送出部と、所定の光路を通る信号光を減衰させ、所定の光路を通る参照光に対する透過率を高くするように、減衰量を変化させる光減衰器と、所定の光路を通る信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第2の位相変調器と、光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて信号光の到着を検出する検出部と、検出部の検出出力に基づいて、第2の位相変調器および光減衰器の処理開始タイミングを制御する第2の制御部とを有するものである。
Quantum cryptography communication apparatus of the present invention is a quantum cryptography communication apparatus that performs communication processing based on quantum cryptography, a first communication terminal, a second communication terminal, beauty second Oyo first communication terminal And a communication path connecting the communication terminals .
The first communication terminal on SL, the signal and the synchronizing signal source for transmitting a synchronization signal, a light source for generating a pulsed light based on the synchronization signal from the synchronization signal source, the pulsed light generated from the light source The first optical separation unit that separates the light into the reference light, the first optical path in which the delay device is inserted, the second optical path in which the delay device is not inserted , and the first optical separation unit. , separated by the first beauty first ginseng illuminated Oyo passed through the optical path of the light separating unit, and a combining section for sending the communication path by combining the signal light passed through the second optical path, communication path a second beam splitting section for separating the beauty ginseng illumination Oyo signal light that will be sent from the second communication terminal via is separated by the second beam splitting unit, it passes through the second optical path a first phase modulator applying a random phase modulation for each pulse in ginseng illuminated, separated by the second beam splitting unit, passed through the second optical path ginseng Is separated by the optical and the second beam splitting unit, and a homodyne detector performing homodyne detection on the basis of the signal light passing through the first optical path, based on the synchronization signal from the synchronization signal source, it is to have a first control unit for controlling the processing start timing of the position phase modulator.
The second communication terminal on SL includes a light generating portion for sending first beauty ginseng illumination Oyo signal light that will be transmitted from the communication terminal via the communication path to the communication path through a predetermined optical path attenuates the passing Ru signal light to Jo Tokoro optical path, so as to increase the transmittance for the reference light through a predetermined optical path, and an optical attenuator to vary the attenuation amount, Jo Tokoro optical path passing Ru signal a second phase modulator applying a random phase modulation for each pulse to the light, a detector for detecting the arrival of the signal light based on the obtained light leakage with the optical attenuator in the attenuation process, detection unit on the basis of the detection output of, and has a second control unit for controlling the processing start timing of the beauty optical attenuator Oyo second phase modulator.
この発明において、量子暗号通信装置は、受信者側端末である第1の通信端末と、送信者側端末である第2の通信端末と、これら第1、第2の通信端末を結ぶ光ファイバー、あるいは自由空間からなる通信路とを備えている。 In this invention, the quantum cryptography communication device includes a first communication terminal that is a receiver side terminal, a second communication terminal that is a sender side terminal, and an optical fiber that connects the first and second communication terminals, or And a communication path consisting of free space.
第1の通信端末(受信者側端末)の光源からは、同期信号発信源からの同期信号に基づいてパルス光が発生される。このパルス光は光分離部で信号光および参照光に分離される。そして、遅延器が挿入された第1の光路を通過した参照光および遅延器が挿入されていない第2の光路を通過した信号光が合成されて、通信路に送出される。この場合、通信路には、最初に信号光が送出され、その後に所定の時間差をもって参照光が送出される。 Pulse light is generated from the light source of the first communication terminal (receiver side terminal) based on the synchronization signal from the synchronization signal transmission source. This pulsed light is separated into signal light and reference light by the light separation unit. Then, the reference light that has passed through the first optical path in which the delay device is inserted and the signal light that has passed through the second optical path in which the delay device is not inserted are combined and transmitted to the communication path. In this case, the signal light is first transmitted to the communication path, and then the reference light is transmitted with a predetermined time difference.
第2の通信端末(送信者側端末)には、通信路を介して上述の信号光および参照光が送られてくる。これら信号光および参照光は所定の光路を介して再び通信路に送出される。この場合、この所定の光路を通る信号光は光減衰器により減衰され、通信路に送出される信号光の強度は微弱とされる。なお、この所定の光路を通る参照光は減衰されず、通信路に送出される参照光は比較的強度の強いものとなる。また、第2の位相変調器により、所定の光路を通る信号光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。これにより、信号光は秘密情報が位相変調量として載せられたものとなる。 The above-described signal light and reference light are sent to the second communication terminal (sender side terminal) via the communication path. These signal light and reference light are sent again to the communication path via a predetermined optical path. In this case, the signal light passing through the predetermined optical path is attenuated by the optical attenuator, and the intensity of the signal light transmitted to the communication path is weak. Note that the reference light passing through the predetermined optical path is not attenuated, and the reference light transmitted to the communication path is relatively strong. Further, the second phase modulator applies random phase modulation to the signal light passing through a predetermined optical path for each pulse. As a result, the signal light has secret information as a phase modulation amount.
光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて信号光の到着が検出される。そして、この信号光の到着の検出出力に基づいて、第2の位相変調器および光減衰器の処理開始タイミングが制御される。これにより、信号光を構成する各パルスに対して、正しいタイミングで位相変調および減衰の処理が可能となる。 The arrival of the signal light is detected based on the leaked light obtained from the optical attenuator along with the attenuation process. The processing start timing of the second phase modulator and the optical attenuator is controlled based on the detection output of the arrival of the signal light. Thereby, it is possible to perform phase modulation and attenuation processing at the correct timing for each pulse constituting the signal light.
例えば、この所定の光路から通信路に再び送出される信号光の平均光子数は、光子数設定部により所定値に設定される。例えば、通信路を介して第1の通信端末から送られてくる信号光の強度が第1の検出器により検出される。また、光減衰器で減衰された後の信号光の強度が第2の検出器により検出される。そして、第1の検出器の強度検出値および通信路に送出すべき信号光の平均光子数設定値を基に、第2の検出器の強度検出値が強度見積もり部により見積もられ、第2の検出器の強度検出値が強度見積もり部で見積もられた強度検出値となるように減衰量制御部により光減衰器の減衰量が決定される。 For example, the average number of photons of signal light transmitted again from the predetermined optical path to the communication path is set to a predetermined value by the photon number setting unit. For example, the intensity of the signal light transmitted from the first communication terminal via the communication path is detected by the first detector. The intensity of the signal light after being attenuated by the optical attenuator is detected by the second detector. Then, based on the detected intensity value of the first detector and the average photon number setting value of the signal light to be transmitted to the communication path, the detected intensity value of the second detector is estimated by the intensity estimating unit, The attenuation amount of the optical attenuator is determined by the attenuation amount control unit such that the detected intensity value of the detector becomes the detected intensity value estimated by the intensity estimation unit.
例えば、第1の通信端末から通信路を介して送られてくる信号光が光スイッチにより第1の検出器に選択的に供給される。また例えば、所定光路を通る光減衰器で減衰処理された信号光が光スイッチにより第2の検出器に選択的に供給される。このように所定の光路に対応して光スイッチを配置し、第1、第2の検出器に選択的に信号光を供給する構成とすることで、所定の光路を通して通信路に再び戻される参照光の損失を抑えることができ、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくして、盗聴者への耐性を高めることが可能となる。 For example, signal light sent from the first communication terminal via the communication path is selectively supplied to the first detector by the optical switch. For example, the signal light attenuated by the optical attenuator passing through the predetermined optical path is selectively supplied to the second detector by the optical switch. Thus, the optical switch is arranged corresponding to the predetermined optical path, and the signal light is selectively supplied to the first and second detectors, so that the reference is returned to the communication path again through the predetermined optical path. The loss of light can be suppressed, and the excess noise ratio in the homodyne detection can be reduced to increase the resistance to an eavesdropper.
第1の通信端末(受信者側端末)には、通信路を介して上述の信号光および参照光が送られてくるが、第2の光分離部でこれら信号光および参照光が分離される。上述したように信号光および参照光をこの第1の通信端末から第2の通信端末に送る際には、参照光が第1の光路を通過し、信号光が第2の光路を通過するようにされるが、第2の通信端末からこの第1の通信端末に送り返されたものに関しては、信号光が第1の光路を通過し、参照光が第2の光路を通過するようにされる。 The above-described signal light and reference light are sent to the first communication terminal (recipient side terminal) via the communication path, and the signal light and reference light are separated by the second light separation unit. . As described above, when the signal light and the reference light are sent from the first communication terminal to the second communication terminal, the reference light passes through the first optical path, and the signal light passes through the second optical path. However, with respect to what is sent back from the second communication terminal to the first communication terminal, the signal light passes through the first optical path and the reference light passes through the second optical path. .
また、第1の位相変調器により、第2の光路を通る参照光に、パルス毎に、ランダムな位相変調が加えられる。この第1の位相変調器の処理開始は、同期信号発信源からの同期信号に基づいて行われる。上述したように光源からのパルス光の発生もこの同期信号発信源からの同期信号に基づいて行われていることから、この同期信号発信源からは第2の通信端末から戻ってくる参照光のタイミングに合わせた同期信号を発信できる。これにより、参照光を構成する各パルスに対して、正しいタイミングで位相変調の処理が可能となる。 Further, random phase modulation is applied to the reference light passing through the second optical path for each pulse by the first phase modulator. The process of the first phase modulator is started based on the synchronization signal from the synchronization signal source. As described above, since the generation of the pulsed light from the light source is also performed based on the synchronization signal from the synchronization signal transmission source, the reference signal returning from the second communication terminal is transmitted from the synchronization signal transmission source. Synchronized signals can be sent in time. Thereby, the phase modulation process can be performed at the correct timing for each pulse constituting the reference light.
第2の光路を通過した参照光および第1の光路を通過した信号光に基づいてホモダイン検出部でホモダイン検出が行われる。このホモダイン検出部の検出情報から、上述したように第2の通信端末で信号光に載せられた秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。 Based on the reference light that has passed through the second optical path and the signal light that has passed through the first optical path, homodyne detection is performed by the homodyne detection unit. From the detection information of the homodyne detection unit, as described above, secret information, for example, a secret key, placed on the signal light at the second communication terminal can be obtained.
上述したようにこの発明における量子暗号通信装置では、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御するものであり、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることが可能となる。 As described above, in the quantum cryptography communication device according to the present invention, the receiver side terminal controls the processing start timing of the phase modulator based on the synchronization signal supplied from the synchronization signal transmission source that supplies the synchronization signal to the light source, and transmits The user side terminal detects the arrival of the signal light based on the leaked light from the optical attenuator and controls the processing start timing of the phase modulator, suppresses the loss of the reference light, and increases the excess noise ratio in homodyne detection. It is possible to reduce the size and increase resistance to eavesdroppers.
なお、第1の通信端末が、第2の信号端末から通信路に送出される信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部、さらにはこの光子数見積もり部で見積もられた平均光子数と、第2の通信端末の光子数設定部で設定された上記信号光の平均光子数とを照合する光子数照合部をさらに有するようにしてもよい。このように平均光子数を見積もり、それを設定された平均光子数と照合することで、盗聴検知が可能となる。この場合、第2の通信端末から通信路に送出される信号光の平均光子数が所定値に設定されることから、上述したような照合による盗聴検知が容易となる。 Note that the first communication terminal estimates the average number of photons of the signal light transmitted from the second signal terminal to the communication path, and further calculates the average number of photons estimated by the photon number estimation unit. In addition, a photon number collating unit that collates the average photon number of the signal light set by the photon number setting unit of the second communication terminal may be provided. Thus, eavesdropping can be detected by estimating the average photon number and collating it with the set average photon number. In this case, since the average number of photons of the signal light transmitted from the second communication terminal to the communication path is set to a predetermined value, it is easy to detect eavesdropping by collation as described above.
また、第1の通信端末の第1の位相変調器は、参照光に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に特定パターンの位相変調を行い、第2の通信端末の第2の位相変調器は、信号光に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に上述の特定パターンの位相変調を行うようにしてもよい。これにより、第1,第2の位相変調器の位相変調タイミングにずれがあるとき、ホモダイン検出部における上述した特定パターンの位相変調期間の検出出力にそのタイミングのずれ量が現れる。このずれ量を用いることで、送受信間で測定基底の交換、変調適合を正しく行うことが可能となる。 In addition, the first phase modulator of the first communication terminal performs the phase modulation of a specific pattern for each pulse after performing a predetermined number of times of random phase modulation for each pulse on the reference light as described above, The second phase modulator of the second communication terminal performs the phase modulation of the specific pattern for each pulse after performing a predetermined number of random phase modulations for each pulse as described above on the signal light. Also good. As a result, when there is a deviation in the phase modulation timing of the first and second phase modulators, a deviation in the timing appears in the detection output of the phase modulation period of the specific pattern described above in the homodyne detection unit. By using this amount of deviation, it is possible to correctly exchange measurement bases and perform modulation adaptation between transmission and reception.
この発明によれば、受信者側端末の光源から送信者側端末に通信路を通じてパルス光である信号光および参照光を送り、この送信者側端末から受信者側端末に比較的強度の強い参照光およびランダムに位相変調が加えられた微弱な信号光として送り返し、受信者側端末でさらに送り返された参照光にランダムに位相変調を加えた後、これら送り返された参照光および信号光に基づいてホモダイン検出を行うものにあって、受信者側端末では光源に同期信号を供給する同期信号発信源から供給される同期信号に基づいて位相変調器の処理開始タイミングを制御し、送信者側端末では光減衰器からの漏れ光に基づいて信号光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御するものであり、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めることができる。 According to the present invention, signal light and reference light, which are pulsed light, are sent from the light source of the receiver-side terminal to the sender-side terminal through the communication path, and a relatively strong reference is transmitted from the sender-side terminal to the receiver-side terminal. It is sent back as light and weak signal light that is randomly phase-modulated, and after phase modulation is randomly added to the reference light that is further sent back at the receiver side terminal, based on these returned reference light and signal light In the homodyne detection, the receiver side terminal controls the processing start timing of the phase modulator based on the synchronization signal supplied from the synchronization signal source that supplies the synchronization signal to the light source. It detects the arrival of the signal light based on the leaked light from the optical attenuator and controls the processing start timing of the phase modulator, suppresses the loss of the reference light, and in homodyne detection Retained noise ratio is reduced, it is possible to increase the resistance to eavesdroppers.
また、この発明によれば、送信者側端末がその出口における平均光子数を所定値に設定する設定部を有する構成とすることで、送信者側端末の出口における信号光の平均光子数を正確に設定でき、盗聴検知が容易となる。 Further, according to the present invention, the transmitter side terminal has a setting unit that sets the average photon number at the exit to a predetermined value, so that the average photon number of the signal light at the exit of the sender side terminal is accurately determined. Eavesdropping detection is easy.
この発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態としての量子暗号通信装置100の構成を示している。
An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a configuration of a quantum
この量子暗号通信装置100は、第2の通信端末としての送信者側端末1と、第1の通信端末としての受信者側端末2と、これら送信者側端末1および受信者側端末2を結ぶ通信路3とを備えている。この量子暗号通信装置100は、通信路3を介して、送信者側端末1から受信者側端末2に向けて秘密情報を送信する。この秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において使用される共有秘密鍵などの秘密情報である。
The quantum
受信者側端末2は、光源4、サーキュレータ5、分岐比が1対1のビームスプリッタ6、位相変調器7、光スイッチ8、偏光ビームスプリッタ9、検出器10,11、光遮断器12、遅延器13、可変減衰器14、ホモダイン検出器15、コントローラ16および信号発信源17を有している。
The receiver-
また、送信者側端末1は、光スイッチ18、可変減衰器19、遅延器20、位相変調器21、光スイッチ22、ファラデーミラー23、検出器24,25,26およびコントローラ27を有している。
In addition, the
通信路3として、光ファイバーあるいは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路3とするときは、望遠鏡を使用して通信路3における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
As the
以下、量子暗号を適用した通信処理の動作シーケンスに従って、各構成部における処理の詳細を説明する。 Hereinafter, details of processing in each component will be described in accordance with an operation sequence of communication processing to which quantum cryptography is applied.
受信者側端末2の光源4で発生するパルス光が、通信路3を介して送信者側端末1へ送信され、その送信データが再度、通信路3を介して受信者側端末2へ戻ってくるという順番で動作するので、その順番に従って説明する。
Pulse light generated by the
受信者側端末2の信号発信源17は光源およびコントローラ16に同期信号を発信する。受信者側端末2の光源4は、信号発信源17からの同期信号(光源駆動信号)に基づいてパルス光を発生する。受信者側端末2のサーキュレータ5は、光源4からの光がビームスプリッタ6へ出力され、ビームスプリッタ6から戻ってきた光がホモダイン検出器15へ出力されるように光路制御を実行する。
The
受信者側端末2の光源4から発生したパルス光は、サーキュレータ5を介してビームスプリッタ6に入力されると、ビームスプリッタ6において、信号光であるパルス光P1および参照光であるパルス光P2に分離される。
When the pulsed light generated from the
ビームスプリッタ6から位相変調器7、光スイッチ8が存在する光路(第2の光路)を経て偏光ビームスプリッタ9に進むパルス光をP1とする。また、ビームスプリッタ6から遅延器13、光遮断器12が存在する光路(第1の光路)を経て偏光ビームスプリッタ9に進むパルス光をP2とする。図では、受信者側端末2から送信者側端末1へ向かうパルス光P1,P2を実線矢印で示し、送信者側端末1から受信者側端末2へ戻るパルス光P1,P2を点線矢印で示している。
Pulse light that travels from the beam splitter 6 to the polarization beam splitter 9 through the optical path (second optical path) in which the
ビームスプリッタ6から偏光ビームスプリッタ9へ進む2つの経路は偏波保存ファイバーで各部品間を接続し、パルス光P1とパルス光P2が偏光ビームスプリッタ9で合流し、通信路3に送出されるときには、パルス光P1とパルス光P2は互いに直交する直線偏光となる。
When the two paths from the beam splitter 6 to the polarizing beam splitter 9 are connected to each other by a polarization-maintaining fiber, the pulsed light P1 and the pulsed light P2 are merged by the polarizing beam splitter 9 and sent to the
ただし、遅延器13により、パルス光P2はパルス光P1よりも遅れて通信路3に入力される。パルス光P1とパルス光P2の時間差は、光源4のパルス光のコヒーレンス時間よりも十分長くなければならず、また、受信者側端末2の位相変調器7と、送信者側端末1の位相変調器21および可変減衰器19の応答時間よりも長くなるように選ぶ。
However, the
送信者側端末1では、受信者側端末2から通信路3を経由してパルス光P1、P2を受信する。光スイッチ18は、量子鍵配布プロトコルを実施する場合は可変減衰器19側に、各種パラメータを測定する場合は検出器25側に、選択的に切り替える機能を持つ。
The
検出器26は、可変減衰器19において減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて、パルス光P1(信号光)の到着をモニターするために用いる。上述したように、受信者側端末2において遅延器13はパルス光P2(参照光)の往路上にあるため、この受信者側端末2から通信路3にはパルス光P1(信号光)がパルス光P2(参照光)より先に入り、従って送信者側端末1へはパルス光P1が先に到達する。
The
可変減衰器19は初めはパルス光P1(信号光)の強度を減衰させる、透過率が低い状態におかれる。これにより、パルス光P1の到着時にこの可変減衰器19から検出器26に供給される漏れ光は充分なレベルとなり、検出器26では可変減衰器19からの漏れ光によってパルス光P1の到着の検出が可能となる。
The variable attenuator 19 is initially placed in a low transmittance state that attenuates the intensity of the pulsed light P1 (signal light). As a result, the leakage light supplied from the variable attenuator 19 to the
検出器26としては、例えばフォトダイオードもしくはアバランシェフォトダイオードと、これに増幅器を組み合わせた構成を適用できる。フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはSiを、波長が1.3μm〜1.6μmの場合にはGeもしくはInGaAsを用いることができる。なお、詳細説明は省略するが、その他の検出器も、この検出器26と同様に構成される。
As the
検出器26の検出出力は、コントローラ27に供給される。コントローラ27は、検出器26の検出出力に基づいてパルス光P1(信号光)の到着を知り、位相変調器21および可変減衰器19を制御する。この場合、パルス光P2(参照光)に対しては、可変減衰器19の透過率が高くなるようにし、位相変調器21は作用させない。一方、パルス光P1(信号光)に対しては、可変減衰器19の減衰量を大きくして透過率を低くし、さらに位相変調器21により適当な位相変調処理を実行する。
The detection output of the
可変減衰器19としては、音響光学素子またはLiNbO3強度変調器を用いることができる。両者とも3つの端子を持つことが可能で、光スイッチ18からの光を入射する端子、遅延器20への光を出射する端子、検出器26への光を出射する端子がある。
As the variable attenuator 19, an acousto-optic element or a LiNbO 3 intensity modulator can be used. Both can have three terminals, a terminal for receiving light from the optical switch 18, a terminal for emitting light to the
コントローラ27は、検出器26の検出出力に基づいて、パルス光P1(信号光)の到着を知ることができ、位相変調器21におけるパルス光P1に対する位相変調の処理開始タイミングおよびホモダイン検出器15の出力値の読み出しタイミングを制御する。そのため、位相変調器21においては、パルス光P1(信号光)を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理を行うことができる。
The controller 27 can know the arrival of the pulsed light P1 (signal light) based on the detection output of the
例えば、4つの量子状態を用いる量子暗号を行う場合には、0度(0ラジアン)、90度(π/2ラジアン)、180度(πラジアン)、270度(3π/2ラジアン)の位相変調をパルス毎にランダムに加える。位相変調器22には、LiNbO3位相変調器を用いることができる。
For example, when performing quantum cryptography using four quantum states, phase modulation of 0 degrees (0 radians), 90 degrees (π / 2 radians), 180 degrees (π radians), and 270 degrees (3π / 2 radians) At random for each pulse. The
受信者側端末2から通信路3を介して送信者側端末1に入力したパルス光P1とパルス光P2は送信者側端末1のファラデーミラー23で反射され、受信者側端末2に戻される。したがって、パルス光P1とパルス光P2は送信者側端末1の可変減衰器19と位相変調器21を、行きと帰りをあわせて2回通ることになる。可変減衰器19の減衰量は、送信者側端末1から受信者側端末2へ戻っていくパルス光P1のパルスあたりの平均光子数が1個程度となるように設定する。
The pulsed light P1 and pulsed light P2 input from the
このように信号光としてのパルス光P1を微弱にすることは、量子暗号通信装置として、通信の安全性を確保するためである。本実施の形態において、送信者側端末1は、通信路3に送出する信号光の平均光子数を所定値とするための光子数設定部を有している。この光子数設定部は、光スイッチ18、可変減衰器19、検出器25、光スイッチ22、検出器24およびコントローラ27により構成されている。この光子数設定部によるパルス光P1の平均光子数の設定方法については後述する。
The reason why the pulsed light P1 as the signal light is weakened in this way is to ensure the safety of communication as the quantum cryptography communication device. In the present embodiment, the sender-
一方、送信者側端末1から受信者側端末2へ戻っていくパルス光P2のパルスあたりの平均光子数は、受信者側端末2側のホモダイン検出器15の信号対雑音比が最適になるように選ぶ。典型的なパルス光P2の強度はパルスあたりの平均光子数が106個程度である。このとき、送信者側端末1側の可変減衰器19のパルス光P1とパルス光P2に対する相対的な透過率の典型的な比は、10−6:1程度となる。
On the other hand, the average number of photons per pulse of the pulsed light P2 returning from the
上述したように、ホモダイン検出法は微弱な信号光(パルスあたりの平均光子数が1個程度)と比較的強度の強い参照光(典型的な平均光子数はパルスあたり106個程度)を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。送信者側端末1から受信者側端末2へ戻っていくパルス光P1が、平均光子数が1個程度となる信号光に相当する。また、送信者側端末1から受信者側端末2へ戻っていくパルス光P2が、平均光子数が106個程度の参照光に相当する。
As described above, homodyne detection method repeated weak signal light (the average number of photons of about one per pulse) and relatively strong strong reference beam (typical mean photon number 106 or so per pulse) In addition, this is a method for measuring the state of signal light. The pulsed light P1 returning from the sender-
送信者側端末1の位相変調器21と可変減衰器19はともに、通信路3から送信者側端末1へ入るパルス光の偏光状態に依存しない位相変調と減衰を与える必要があるが、パルス光P1とパルス光P2の反射にファラデーミラー23を用いることで、自動的にこの条件を満たすことができる。可変減衰器19に音響光学素子を用いる場合には、ほぼ光の偏光状態に依存しない透過率となるので、この場合、パルス光P1に対する可変減衰器19の1回あたりの透過率は10−3程度に設定する。
Both the
送信者側端末1において上述の処理がなされた減衰パルス光と非減衰パルス光、すなわち減衰パルス光であるパルス光P1と、非減衰パルス光であるパルス光P2は、通信路3を介して受信者側端末2に入力される。減衰パルス光であるパルス光P1は信号光に相当し、非減衰パルス光であるパルス光P2は参照光に相当する。
Attenuated pulsed light and non-attenuated pulsed light, that is, pulsed light P1 that is attenuated pulsed light and pulsed light P2 that is non-attenuated pulsed light that have been subjected to the above-described processing in the
送信者側端末1から通信路3を介して受信者側端末2に入力されたパルス光P1(信号光)とパルス光P2(参照光)は、偏光ビームスプリッタ9により分岐される。この場合、パルス光P1は光遮断器12および遅延器13を介してビームスプリッタ6へ入力される長い経路へ出力され、パルス光P2は光スイッチ8および位相変調器7を通る短い経路へ出力される。図では、パルス光P1(信号光)、パルス光P2(参照光)をそれぞれ点線矢印で示している。
The pulsed light P1 (signal light) and the pulsed light P2 (reference light) input from the
パルス光P1とパルス光P2は、送信者側端末1に設置されたファラデーミラー23によって反射された光であるので、受信者側端末2の偏光ビームスプリッタ9へ戻ってきたパルス光P1とパルス光P2は、受信者側端末2から出力されたパルス光P1とパルス光P2に対してそれぞれ90度偏光面が回転した直線偏光になっている。
Since the pulsed light P1 and the pulsed light P2 are light reflected by the Faraday mirror 23 installed in the sender-
この偏光に起因して、受信者側端末2に入力されたパルス光P1は、偏光ビームスプリッタ9により、光遮断器12および遅延器13を介してビームスプリッタ6へ入力される長い経路へ出力され、パルス光P2は光スイッチ8および位相変調器7を通る短い経路へ出力される。すなわち、受信者側端末2の偏光ビームスプリッタ9とビームスプリッタ6の間の経路は、受信者側端末2から送信者側端末1へ向かう際のパルス光P1,P2と、逆に送信者側端末1から受信者側端末2へ戻ったパルス光P1,P2とで入れ替わることになる。
Due to this polarization, the pulsed light P1 input to the
光スイッチ8は、偏光ビームスプリッタ9からの入射光を、量子鍵配布プロトコルを実施する場合は位相変調器7側に、各種パラメータを測定する場合は検出器11側に、選択的に切り替える機能を持つ。
The optical switch 8 has a function of selectively switching the incident light from the polarization beam splitter 9 to the
送信者側端末1から通信路3を介して送られてくるパルス光P2(参照光)は、偏光ビームスプリッタ9から光スイッチ8を介して位相変調器7に供給される。コントローラ16は、この位相変調器7を制御する他、ホモダイン検出器15の出力を読み出すタイミングを制御する。コントローラ16は、この位相変調器7におけるパルス光P2(参照光)に対する位相変調の処理開始タイミングを、信号発信源17からの同期信号に基づいて制御する。
The pulsed light P2 (reference light) sent from the
上述したように光源4からのパルス光の発生もこの信号発信源17からの同期信号に基づいて行われていることから、この信号発信源17からは、送信者側端末2から戻ってくるパルス光P2(参照光)のタイミングに合わせた同期信号を発信できる。これにより、位相変調器7においては、パルス光P2を構成する各パルスに対して正しいタイミングで位相変調の処理が行われる。
As described above, the generation of the pulsed light from the
位相変調器7は、パルス光P2に、パルス毎に、ランダムな位相変調を与える。4つの量子状態を用いる量子暗号の場合は、0度(0ラジアン)または90度(π/2ラジアン)の位相変調をランダムに与える。
The
往路、すなわち受信者側端末2から送信者側端末1へ向かう際には、短い経路(ビームスプリッタ6→位相変調器7→光スイッチ8→偏光ビームスプリッタ9)を通ったパルス光P1は、復路では長い経路(偏光ビームスプリッタ9→光遮断器12→遅延器13→ビームスプリッタ6)を通る。一方、往路では長い経路(ビームスプリッタ6→遅延器13→光遮断器12→偏光ビームスプリッタ9)を通ったパルス光P2は、復路では短い経路(偏光ビームスプリッタ9→光スイッチ8→位相変調器7→ビームスプリッタ6)を通る。
When traveling from the
このように、パルス光P1,P2は、受信者側端末2と送信者側端末1との間の往復において全く等距離の経路を経由することになり、パルス光P1(信号光)とパルス光P2(参照光)は同時にビームスプリッタ6に到着する。
In this way, the pulsed lights P1 and P2 pass through a completely equidistant path in the round trip between the
パルス光P1は量子力学的な性質が現れる信号光で、それに比べて強度の強いパルス光P2を参照光(「局部発振光」ともいう)として用いて、パルス光P1のホモダイン検出を行うことになる。ビームスプリッタ6の2つの出力は、片方は可変減衰器14を介して、もう片方はサーキュレータ5を通って、ホモダイン検出器15へ入力される。
The pulsed light P1 is a signal light in which quantum mechanical properties appear, and the pulsed light P2 having a stronger intensity is used as reference light (also referred to as “local oscillation light”) to detect the homodyne of the pulsed light P1. Become. Two outputs of the beam splitter 6 are input to the
ホモダイン検出器15の2つの入力部には、それぞれフォトダイオードを設置する。フォトダイオードには、パルス光の波長が可視域もしくは近赤外の場合にはSiを、波長が1.3μm〜1.6μmの場合にはGeもしくはInGaAsを用いることができる。2つのフォトダイオードの出力は、低雑音で利得の高い増幅器に入力され、さらにこの増幅器の出力を、パルス光P2(参照光)の強度や増幅器の利得等を使って規格化すると、パルス光P1(信号光)の直交位相振幅が得られる。このホモダイン検出器15の検出情報から通信秘密情報、例えば秘密鍵を得ることができる。
Photodiodes are respectively installed at the two input parts of the
本実施の形態において、受信者側端末2は、送信者側端末1から通信路3に送出されるパルス光P1(信号光)の平均光子数を見積もる光子数見積もり部と、さらにこの見積もられたパルス光P1の平均光子数と、上述した送信者側端末1で設定されたパルス光P1の光子数とを照合する光子数照合部とを有している。これら光子数見積もり部および光子数照合部の詳細については後述する。
In the present embodiment, the
図1に示す量子暗号通信装置100における、送信者側端末1と受信者側端末2との間の通信による秘密情報の共有シーケンスの概要について、図2〜図4を参照して説明する。
An outline of a secret information sharing sequence by communication between the sender-
まず、図2に示すように、受信者側端末2から往路のパルス光P1,P2が送信者側端末1に出力され、送信者側端末1から受信者側端末2に復路のパルス光P1,P2が戻される。ここで、送信者側端末1は、受信者側端末2からのパルス光P1,P2のうち、パルス光P1(信号光)に位相変調器21を適用して、{0,π/2,π,3π/2}のいずれかの位相変調を施す。この位相変調系列が図2下段の表の(b)のデータ送信側位相変調系列に相当する。
First, as shown in FIG. 2, forward pulse lights P1 and P2 are output from the receiver-
送信者側端末1が、パルス光P1に対して実行する位相変調系列(図2の下段の表の(b))はランダムに選択された系列であってよい。あるいは、予め図2の下段の表の(a)選択ビットを設定した後、その選択ビットに対応する変調を行なってもよい。なお、例えば、ビット0に対しては、0またはπ/2の位相変調光とし、ビット1に対しては、π,または3π/2の位相変調が対応付けられているものとする。
The phase modulation sequence ((b) in the lower table of FIG. 2) executed by the
このような位相変調が行なわれたパルス光P1は可変減衰器21(図1参照)によって減衰された信号光として受信者側端末2に戻される。なお、パルス光P2(参照光)は減衰されることなく受信者側端末2に戻される。送信者側端末1から受信者側端末2に戻されるパルス光P1は微弱な信号光(パルスあたりの平均光子数が1個程度)であり、送信者側端末1から受信者側端末2に戻されるパルス光P2は、比較的強度の強い参照光(典型的な平均光子数はパルスあたり106個程度)である。
The pulse light P1 subjected to such phase modulation is returned to the
この戻りパルス光P1(信号光)と、戻りパルス光P2(参照光)を受信した受信者側端末2は、位相変調器7において、例えば{0,π/2}のいずれかをランダムに選択して、パルス光P2(参照光)に対する位相変調を行いホモダイン検出器15において干渉を測定する。
The
例えば、受信者側端末2の位相変調器7において、図2の下段の表に示す(c)の位相変調処理を実行した場合、ホモダイン検出器15においては、(d)に示すビット検出が可能となる。(d)干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、[0],[1]が、干渉によるビット識別が実行できた部分であり、[×]は、ビット識別が実行できなかった部分である。ビット識別の可否は、前述したように送信者側端末1と受信者側端末2において実行される位相変調処理の組み合わせによって決定される。
For example, when the phase modulation process of (c) shown in the lower table of FIG. 2 is executed in the
例えば、受信者側端末2のホモダイン検出器15は、図2の下段の表の(d)干渉に基づく確認ビットに示すデータに示すように、位相変調処理の組み合わせが所定条件を満足する場合にのみ、ビット[0]、または[1]が検出されることになる。[×]は、ビットの識別が実行できなかった部分である。
For example, the
その後、受信者側端末2は、図3に示すように、受信者側端末2において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の(c)の情報列を送信者側端末1に通知する。図に示す{0,0,π/2,π/2,0・・}である。
After that, as shown in FIG. 3, the receiver-
送信者側端末1は、受信者側端末2から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成して受信者側端末2に送信する。すなわち図の下段の表の(e)の情報列を受信者側端末2に通知する。図に示す{○,×,○,×,○,○・・}である。なお、図3に示す受信者側端末2からの変調系列情報{0,0,π/2,π/2,0・・}、送信者側端末1からの情報{○,×,○,×,○,○・・}は公開通信路を適用してよい。
Based on the modulation sequence information received from the
次に、図4に示すように、受信者側端末2は、検出されたビット情報列を送信者側端末1に通知する。図に示す{0,0,1,0・・}である。一方、送信者側端末1は、受信者側端末2側で検出可能な位相変調を行なった部分のみのビット列情報を受信者側端末2に通知する。図に示す{0,0,1,0・・}である。これは、図4の下段の表において、(a)の選択ビットから(e)送受信側の変調適合において[○]が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
Next, as shown in FIG. 4, the
通信路3において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図4に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、通信路3において通信データの盗聴が行なわれると、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、通信路3の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。通信路3における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
When the communication data is not wiretapped in the
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵nビットを共有する場合は、図4を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたmビット(m>n)からnビットを選択するなどの処理が実行される。 Such data communication makes it possible to share secret information such as a secret key in a common key cryptosystem. For example, when n bits of the secret key are shared, after confirming that the bits subjected to the mutual notification processing described with reference to FIG. 4 match each other, the common bit selection processing that has been notified to each other in advance is performed. Processing such as selecting n bits from m bits (m> n) that can be shared by the above processing is executed.
図1の構成によれば、端末間で往復通信路を形成し、信号光として利用されるパルス光P1と、参照光(局部発信光)として利用されるパルス光P2との往復経路距離が同一となる。そのため、受信者側端末2のビームスプリッタ6に到着するタイミングは、信号光として利用されるパルス光P1と、参照光として利用されるパルス光P2が全く同じタイミングとなり、ホモダイン検出器15における干渉測定を正確に実行することが可能となる。
According to the configuration of FIG. 1, a round-trip communication path is formed between terminals, and the round-trip path distance between the pulsed light P1 used as signal light and the pulsed light P2 used as reference light (locally transmitted light) is the same. It becomes. Therefore, the timing of arrival at the beam splitter 6 of the
具体的には、図1の受信者側端末2のビームスプリッタ6と偏光ビームスプリッタ9との間の経路を往路と復路で、パルス光P1,P2が入れ替わる構成とすることで、受信者側端末2と送信者側端末1との間を往復する2つのパルス光P1,P2の往復経路距離が等しくなり、この結果、ホモダイン検出器15における干渉測定を正確に実行することが可能となっている。
Specifically, the path between the beam splitter 6 and the polarization beam splitter 9 of the
また、図1の構成によれば、受信者側端末2では、コントローラ16が、光源4に同期信号を供給する信号発信源17から供給される、パルス光P2(参照光)の到着タイミングに合わせた同期信号に基づき、位相変調器7のパルス光P2に対する位相変調の処理開始タイミングを制御し、また送信者側端末1では、コントローラ27が、可変減衰器19からの漏れ光が供給される検出器26の検出出力に基づいてパルス光P1(信号光)の到着を知り、位相変調器21におけるパルス光P1に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。
Further, according to the configuration of FIG. 1, in the
そのため、参照光からビームスプリッタで分岐された光を用いて参照光の到着を検出して位相変調器の処理開始タイミングを制御する上述した特許文献2に記載された量子暗号通信装置のようにパルス光P2(参照光)の一部が失われるものではなく、参照光の損失を抑えて、ホモダイン検出15の過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。
Therefore, the pulse is detected like the quantum cryptography communication device described in
次に、上述した送信者側端末1に設けられた光子数設定部、また受信者側端末2に設けられた光子数見積もり部および光子数照合部の詳細を説明する。
Next, details of the above-described photon number setting unit provided in the
図5のフローチャートは、光子数設定部における信号光の平均光子数設定、光子数見積もり部における信号光の平均光子数見積もり、光子数照合部における信号光の平均光子数の照合の手順を示している。量子暗号通信装置100では、このフローチャートの手順を、受信者側端末2のコントローラ16および送信者側端末1のコントローラ27に保持している。
The flowchart of FIG. 5 shows the procedure for setting the average photon number of the signal light in the photon number setting unit, estimating the average photon number of the signal light in the photon number estimation unit, and checking the average photon number of the signal light in the photon number verification unit. Yes. In the quantum
(1)信号光の平均光子数設定の手順を説明する。 (1) A procedure for setting the average number of photons of signal light will be described.
まず、信号光の平均光子数は、送信者側端末1の出口、つまり光スイッチ18から通信路3へ入射する地点で、平均光子数が所定値になることが求められる。パルス光P1(信号光)は、受信者側端末2のビームスプリッタ6、位相変調器7、光スイッチ8、偏光ビームスプリッタ9、さらに通信路3を通って送信者側端末1へ入射する。通信路3から送信者側端末1にパルス光P1のみが入射されるように、受信者側端末2の光遮断器12を遮断状態としてパルス光P2(参照光)を遮断する。
First, the average number of photons of the signal light is required to be a predetermined value at the exit of the sender-
次に、送信者側端末1の光スイッチ18を検出器25側に設定し、この検出器25でパルス光P1の強度(パワー)を検出する。この場合、検出器25は第1の検出器を構成している。この検出器25の強度検出値はコントローラ27に供給される。コントローラ27は、この検出器25における強度検出値、および送信者側端末1から通信路3に送出すべきパルス光P1(信号光)の平均光子数設定値を基に、送信者側端末1の検出器24の強度検出値を見積もる。この場合、コントローラ27は、強度見積もり部を構成している。
Next, the optical switch 18 of the
次に、送信者側端末1の光スイッチ18を可変減衰器19側に戻し、さらにこの送信者側端末1の光スイッチ22を検出器24側に設定する。この検出器24では可変減衰器19で減衰処理された後のパルス光P1(信号光)の強度が検出される。この検出器24の強度検出値はコントローラ27に供給される。この場合、検出器24は第2の検出器を構成している。コントローラ27は、この検出器24の強度検出値が、上述したように見積もった強度検出値となるように、可変減衰器19の減衰量を決定する。この場合、コントローラ27は減衰量制御部を構成している。
Next, the optical switch 18 of the
なお、可変減衰器19の減衰度が安定的で最大透過時の減衰度が既知ならば、検出器24と可変減衰器19を用いることで、上述の検出器25で行ったパルス光P1(信号光)の強度検出を行うことが可能となる。この場合、可変減衰器19の最大透過時における検出器24の強度検出値が、上述した検出器25における強度検出値の代替となる。そしてこの場合、検出器24は、第2の検出器の他に、第1の検出器をも構成することになる。またこの場合、光スイッチ18および検出器25は不要になる。
If the attenuation of the variable attenuator 19 is stable and the attenuation at the maximum transmission is known, the detector 24 and the variable attenuator 19 are used so that the pulsed light P1 (signal It is possible to detect the intensity of light. In this case, the detected intensity value of the detector 24 at the time of maximum transmission of the variable attenuator 19 is an alternative to the detected intensity value of the
上述した手順により、送信者側端末1の出口、つまり光スイッチ18から通信路3へ入射する地点における、パルス光P1(信号光)の平均光子数を所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が1個程度となるように設定できる。
By the above-described procedure, the average number of photons of the pulsed light P1 (signal light) at the exit of the
上述した光子数設定を行うために、送信者側端末1では、受信者側端末2から通信路3を介して送られてくるパルス光P1(信号光)を光スイッチ18により検出器25に選択的に供給し、また可変減衰器19で減衰処理されたパルス光P1を光スイッチ22により検出器24に選択的に供給する構成となっている。
In order to perform the above-described setting of the number of photons, the
このように光路に対応して光スイッチ18,22を配置し、検出器25,24に選択的にパルス光P1を供給する構成とすることで、ビームスプリッタを用いて光を分岐するものと比較して、量子鍵配布プロトコルの実施時に、この光路を通して通信路3に再び戻されるパルス光P2(参照光)の損失を抑えることができ、受信者側端末2におけるホモダイン検出における過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。
In this way, the
(2)信号光の平均光子数見積もりおよび照合の手順を説明する。 (2) The procedure for estimating and comparing the average number of photons of signal light will be described.
送信者側端末1から通信路3に送出されるパルス光P1(信号光)の平均光子数を見積もり、この見積もられた平均光子数と上述した送信者側端末1で設定されたパルス光P1(信号光)の平均光子数とを照合することで盗聴検知の端緒とできる。
The average number of photons of pulsed light P1 (signal light) transmitted from the sender-
まず、ホモダイン検出器15の出力値と各パラメータ値に基づいて、パルス光P1(信号光)の平均光子数の見積もりが行われる。すなわち、受信者側端末2のコントローラ16は、以下の(1)式に基づいて、送信者側端末1から通信路3に送出されるパルス光P1(信号光)の平均光子数の見積もりをする。この見積もり値は盗聴検知のための参考値となる。この場合、コントローラ16は、光子数見積もり部を構成している。
First, the average number of photons of the pulsed light P1 (signal light) is estimated based on the output value of the
N0−N180=4×V×√(S×L×E×Lo) ・・・(1)
この(1)式において、N0,N180は、位相変調量が0度、180度であるときのホモダイン検出器15の出力値、Vは明瞭度、Sは信号光平均光子数、Lは送信者側端末1の光スイッチ18と受信者側端末2のホモダイン検出器15との間の光学損失、Eは量子効率、Loは参照光平均電子数である。
N 0 −N 180 = 4 × V × √ (S × L × E × Lo) (1)
In this equation (1), N 0 and N 180 are the output values of the
参照平均電子数Lo、光学損失Lおよび明瞭度Vの測定は、例えば、図5に示すように、上述したように送信者側端末1から受信者側端末2に秘密情報を送信する量子暗号通信(量子鍵配布プロトコル)に先だって行われる。
For example, as shown in FIG. 5, the reference average electron number Lo, the optical loss L, and the intelligibility V are measured by transmitting the secret information from the
参照光平均電子数Loの測定は、光スイッチ8を偏光ビームスプリッタ9と検出器11との間が通じるように設定し、この検出器11でパルス光P2(参照光)の強度を検出することで行われる。この検出器11の強度検出値はコントローラ16に供給される。コントローラ16は、検出器11の強度検出値からホモダイン検出器15での参照光電子数を見積もる。
In measuring the average number of reference light electrons Lo, the optical switch 8 is set so as to communicate between the polarizing beam splitter 9 and the detector 11, and the detector 11 detects the intensity of the pulsed light P2 (reference light). Done in The detected intensity value of the detector 11 is supplied to the
光学損失Lの測定は以下のようにして行われる。光スイッチ8を位相変調器7と検出器10との間が通じるように設定し、この検出器10でパルス光P1(信号光)の強度を検出する。また、光スイッチ8を位相変調器7と偏光ビームスプリッタ9との間が通じるように設定し、光遮断器12を遮断状態とし、さらに送信者側端末1の光スイッチ18を検出器25側に設定し、この検出器25でパルス光P1(信号光)の強度を検出する。そして、これら検出器10,25の強度検出値の差から不安定な通信路3の損失を算出する。
The optical loss L is measured as follows. The optical switch 8 is set so as to communicate between the
通信路3以外の光学部品は安定的であると考えられるため、上述したように算出される通信路3の損失とその他の光学部品の損失とから、光学損失Lを算出する。なお、可変減衰器19が安定的であるならば、検出器25を用いる代わりに検出器24を用いてパルス光P1(信号光)の強度を検出することも可能である。この場合、光スイッチ18、検出器25は不要になる。
Since optical components other than the
明瞭度Vの測定は以下のようにして行われる。まず初めに、可変減衰器14、19を最小透過にし、ファラデーミラー23における反射を防ぐために、光スイッチ22を検出器24側に設定しておく。この状態で、ホモダイン検出器15の出力値R0を読み取る。その後、可変減衰器19をホモダイン検出器15が飽和しない程度の透過率にし、光スイッチ22をファラデーミラー23側に設定する。そして、位相変調器7または位相変調器21を0度から360度程度まで動作させ,各変調量でのホモダイン検出器15の出力値を読み取る。最大値をR1、最小値をR2としたとき、V=(R1−R2)/(R1+R2−2×R0)の式から明瞭度Vを算出する。
The measurement of the intelligibility V is performed as follows. First, in order to make the
受信者側端末2のコントローラ16は、上述したように測定された参照光平均電子数Lo、光学損失Lおよび明瞭度Vを用いて、量子暗号通信(量子鍵配布プロトコル)が行われた後に、上述した(1)式に基づいて、信号光平均光子数Sを見積もる。この場合、N0,N180としては、量子暗号通信が行われた際に得られる、位相変調量が0度、180度であるときのホモダイン検出器15の出力値が用いられる。
The
そして、受信者側端末2のコントローラ16は、上述したように設定された送信者側端末1から通信路3に送出されるパルス光P1(信号光)の平均光子数設定値と、見積もられたパルス光P1(信号光)の平均光子数とを照合する。この照合により、盗聴検知が可能となる。この場合、コントローラ16は、光子数照合部を構成している。
Then, the
上述した光子数見積もりのために、受信者側端末2では、送信者側端末1から通信路3を介して送られてくるパルス光P2(参照光)を光スイッチ8により検出器11に選択的に供給する構成となっている。そのため、ビームスプリッタを用いて光を分岐するものと比較して、量子鍵配布プロトコルの実施時に、ビームスプリッタ6に供給されるパルス光P2の損失を抑えることができ、受信者側端末2におけるホモダイン検出における過剰雑音比を小さくでき、盗聴者への耐性を高めることができる。
In order to estimate the number of photons described above, the
上述したように、図1に示す量子暗号通信装置100によれば、送信者側端末1がその出口におけるパルス光P1(信号光)の平均光子数を所定値、例えばパルスあたりの平均光子数が1個程度となるように設定する光子数設定部を有するものであり、送信者側端末1の出口におけるパルス光P1の平均光子数を正確に設定でき、上述したように受信者側端末2で見積もられたパルス光P1(信号光)の平均光子数との照合を行うことで、盗聴検知を容易に行うことができる。
As described above, according to the quantum
なお、図1に示す量子暗号通信装置100では、受信者側端末2では、コントローラ16が、光源4に同期信号を供給する信号発信源17から供給される、パルス光P2(参照光)の到着タイミングに合わせた同期信号に基づき、位相変調器7におけるパルス光P2(参照光)に対する位相変調の処理開始タイミングおよびホモダイン検出器15の出力値の読み出しタイミングを制御し、一方送信者側端末1では、コントローラ27が、可変減衰器19からの漏れ光が供給される検出器26の検出出力に基づいてパルス光P1(信号光)の到着を知り、位相変調器21におけるパルス光P1に対する位相変調の処理開始タイミングを制御する。
In the quantum
このように、送信者側端末1での位相変調と受信者側端末2での位相変調およびホモダイン検出値の読み出しの双方がパルス光P2あるいはパルス光P1に依存したものでなく、従ってこれら送信者側端末1での位相変調と受信者側端末2での位相変調およびホモダイン検出値の読み出しとは互いに独立して開始する。
Thus, both the phase modulation at the
そのため、上述の図3で説明したような測定基底の交換、変調適合が困難になる。そのため、本実施の形態においては、送信者側端末1の位相変調器21で、パルス光P1(信号光)に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に特定パターンの位相変調を行い、また受信者側端末2の位相変調器7は、パルス光P2(参照光)に、上述したようにパルス毎にランダムな位相変調を所定回数行った後に、パルス毎に上述の特定パターンの位相変調を行って、位相変調器7,21の開始タイミングのずれ量を検出することが行われる。
For this reason, it is difficult to exchange measurement bases and apply modulation as described with reference to FIG. Therefore, in the present embodiment, after the
例えば、位相変調器7,21では、それぞれ、ランダムな位相変調列の最後に、0度変調をm回、180度変調をm回行うようにする。図6は、位相変調器21の開始タイミングが位相変調器7の開始タイミングに対してk個分だけ遅れている場合を示している。なお、図6において、「*」はランダム変調量であることを示している。
For example, in the
この場合、k個連続してパルス光P1(信号光)とパルス光P2(参照光)との間の相対変調量が180度となり、ホモダイン検出器15の出力値に位相変調器7,21の開始タイミングのずれ量が現れる。このずれ量を用いることで、送受信間における測定基底の交換、変調適合を正しく行うことが可能となる。
In this case, the relative modulation amount between the pulsed light P1 (signal light) and the pulsed light P2 (reference light) is 180 degrees in succession, and the output value of the
なおこの場合、特定パターンの部分では、0度変調と180度変調との結果の区別がつくように、送信者端末1の可変減衰器19は透過率を高めた状態にしておく。また、位相変調器21のタイミングは、送信者側端末1の内部信号に基づくようにする。勿論、クロック誤差範囲内で、これらの処理を行う必要がある。ただし、送信者側端末1および受信者側端末2における位相変調の開始順序、およびランダム変調の終了タイミングを予め明確にしておく必要がある。
In this case, in the specific pattern portion, the variable attenuator 19 of the
図7は、位相変調器21の開始タイミングが位相変調器7の開始タイミングに対して2個分だけ遅れている場合の具体例を示している。
FIG. 7 shows a specific example when the start timing of the
Q1は、送信者側端末1の位相変調器21における、パルス光P1(信号光)に対する所定個数のランダムな位相変調系列を示している。Q1'は、送信者側端末1の位相変調器21における、上述のランダムな位相変調系列Q1に続く、パルス光P1(信号光)に対する特定パターンの位相変調系列を示している。Q2は、受信者側端末2の位相変調器7における、パルス光P2(参照光)に対する所定個数のランダムな位相変調系列を示している。Q2'は、受信者側端末2の位相変調器7における、上述のランダムな位相変調系列Q2に続く、パルス光P2(参照光)に対する特定パターンの位相変調系列を示している。
Q1 represents a predetermined number of random phase modulation sequences for the pulsed light P1 (signal light) in the
この例では、特定パターンの位相変調系列の部分に対応する(d)干渉に基づく確認ビット(ホモダイン検出器15の出力値)に、2個分の連続した「1」(矢印SIで図示)が得られることから、受信者側端末2では、位相変調器7の開始タイミングが、位相変調器21の開始タイミングに対して、2個分だけ進んでいることがわかる。
In this example, (d) confirmation bits based on interference (output value of the homodyne detector 15) corresponding to the portion of the phase modulation sequence of a specific pattern have two consecutive “1” s (illustrated by arrows SI). From this, it can be seen that in the
このような場合、受信者側端末2は、送信者側端末1に、先頭の2個を除いた状態で、変調系列情報を通知すればよい。すなわち、位相変調器7における位相変調系列は本来{0,0,π/2,π/2,0,π/2,0,π/2,・・・}であるが、受信者側端末2から送信者側端末1には、{π/2,π/2,0,π/2,0,π/2,・・・}を通知する。
In such a case, the receiver-
これにより、送信者側端末1では、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位と、正しくない変調が行なわれた部位を示す情報を生成する変調適合を正しく行うことができ、図7の(e)の情報列、すなわち{×,○,×,×,○,○,・・・}を、受信者側端末2に通知できる。
As a result, the
この発明は、参照光の損失を抑え、ホモダイン検出における過剰雑音比を小さくし、盗聴者への耐性を高めるようにしたものであり、秘密鍵暗号方式における秘密鍵等の秘密情報を交換する場合等に適用できる。 The present invention suppresses the loss of reference light, reduces the excess noise ratio in homodyne detection, and enhances resistance to eavesdroppers. When exchanging secret information such as a secret key in a secret key cryptosystem Applicable to etc.
1・・・送信者側端末、2・・・受信者側端末、3・・・通信路、4・・・光源、5・・・サーキュレータ、6・・・ビームスプリッタ、7,21・・・位相変調器、8,18,22・・・光スイッチ、9・・・偏光ビームスプリッタ、10,11,24〜26・・・検出器、12・・・光遮断器、13,20・・・遅延器、14,19・・・可変減衰器、15・・・ホモダイン検出器、16,27・・・コントローラ、17・・・信号発信源、23・・・ファラデーミラー、100・・・量子暗号通信装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
第1の通信端末と、第2の通信端末と、前記第1の通信端末および前記第2の通信端末を結ぶ通信路とを備え、
前記第1の通信端末は、
同期信号を発信する同期信号発信源と、
前記同期信号発信源からの同期信号に基づいてパルス光を発生する光源と、
前記光源から発生されるパルス光を信号光および参照光に分離する第1の光分離部と、
遅延器が挿入されている第1の光路と、
遅延器が挿入されていない第2の光路と、
前記第1の光分離部で分離され、前記第1の光路を通過した前記参照光および前記第1の光分離部で分離され、前記第2の光路を通過した前記信号光を合成して前記通信路に送出する光合成部と、
前記通信路を介して前記第2の通信端末から送られてくる前記信号光および前記参照光を分離する第2の光分離部と、
前記第2の光分離部で分離され、前記第2の光路を通過する前記参照光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第1の位相変調器と、
前記第2の光分離部で分離され、前記第2の光路を通過した前記参照光および前記第2の光分離部で分離され、前記第1の光路を通過した前記信号光に基づいてホモダイン検出を行うホモダイン検出部と、
前記同期信号発信源からの同期信号に基づいて、前記位相変調器の処理開始タイミングを制御する第1の制御部と
を有し、
前記第2の通信端末は、
前記通信路を介して前記第1の通信端末から送られてくる前記信号光および前記参照光を所定の光路を介して前記通信路に送出する光送出部と、
前記所定の光路を通る前記信号光を減衰させ、前記所定の光路を通る前記参照光に対する透過率を高くするように、減衰量を変化させる光減衰器と、
前記所定の光路を通る前記信号光にパルス毎にランダムな位相変調を加える第2の位相変調器と、
前記光減衰器から減衰処理に伴って得られる漏れ光に基づいて前記信号光の到着を検出する検出部と、
前記検出部の検出出力に基づいて、前記第2の位相変調器および前記光減衰器の処理開始タイミングを制御する第2の制御部と
を有する量子暗号通信装置。 A quantum cryptography communication device that executes communication processing based on quantum cryptography,
Comprising a first communication terminal, a second communication terminal, a communication path and connecting the first communication terminal and the second communication terminal,
The first communication terminal,
A synchronization signal source for transmitting the synchronization signal;
A light source for generating a pulsed light based on the synchronization signal from the synchronization signal source,
A first light separation unit that separates pulsed light generated from the light source into signal light and reference light;
A first optical path in which a delay is inserted;
A second optical path in which no delay is inserted;
Separated by the first beam splitting unit, the first of the reference light and the passing through the optical path separated by the first beam splitting unit, said combining the signal light having passed through the second optical path A photosynthesis unit for sending to the communication path;
A second beam splitting section for separating the signal light and the reference light transmitted from said second communication terminal via the communication path,
Separated by the second beam splitting unit, a first phase modulator applying a random phase modulation for each pulse in the reference light passing through the second optical path,
The are separated by the second beam splitting unit, the second of the reference light and the passing through the optical path is separated by the second beam splitting unit, the first homodyne detection based on the signal light that has passed through the optical path A homodyne detector for performing
Based on the synchronization signal from the synchronization signal source, a first control unit for controlling the processing start timing of the phase modulator
Have,
The second communication terminal,
A light generating portion for sending to the communication channel the signal light and the reference light transmitted from the first communication terminal via the communication path through the predetermined light path,
Attenuates the signal light passing through said predetermined light path, so as to increase the transmittance for the reference light passing through said predetermined light path, and an optical attenuator to vary the attenuation amount,
A second phase modulator applying a random phase modulation pulses every said signal light passing through said predetermined light path,
A detector for detecting the arrival of the signal light based on the leakage light obtained with the attenuation process from said optical attenuator,
Based on the detection output of the detecting portion, and a second control section for controlling the processing start timing of the second phase modulator and said optical attenuator
Quantum cryptography communication apparatus that have a.
前記第2の通信端末の前記第2の位相変調器は、前記信号光に、パルス毎にランダムな位相変調を前記所定回数行った後に、パルス毎に前記特定パターンの位相変調を行う
請求項1に記載の量子暗号通信装置。 It said first phase modulator of the first communication terminal, the reference light, a random phase modulation for each pulse after a predetermined number of times, performs phase modulation of a specific pattern for each pulse,
It said second phase modulator of the second communication terminal, to the signal light, a random phase modulation after performing the predetermined number of times for each pulse, intends line phase modulation of said specific pattern for each pulse
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 1.
前記光送出部により前記通信路に送出される前記信号光の平均光子数を所定値に設定するための光子数設定部をさらに有する
請求項1に記載の量子暗号通信装置。 The second communication terminal,
Further that having a photon number setting unit for setting the average photon number of the signal light to be transmitted to the communication channel to a predetermined value by the light transmitting section
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 1.
前記通信路を介して前記第1の通信端末から送られてくる前記信号光の強度を検出する第1の検出器と、
前記光減衰器で減衰処理された後の前記信号光の強度を検出する第2の検出器と、
前記第1の検出器の強度検出値および前記通信路に送出すべき前記信号光の平均光子数設定値を基に、前記第2の検出器の強度検出値を見積もる強度見積もり部と、
前記第2の検出器の強度検出値が前記強度見積もり部で見積もられた強度検出値となるように前記光減衰器の減衰量を決定する減衰量制御部とを有する
請求項3に記載の量子暗号通信装置。 The photon number setting unit
A first detector for detecting the intensity of the signal light transmitted from the first communication terminal via the communication path,
A second detector for detecting the intensity of the signal light after attenuation processing by the optical attenuator,
Based on the mean photon number set value of the signal light to be sent to the strength detection value and the channel of the first detector, and said second estimate strength detection value of the detector intensity estimating unit,
That having a the attenuation control unit that the strength detection value of the second detector determines the attenuation amount of said optical attenuator so that the strength detection value as estimated by the intensity estimating unit
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 3.
前記通信路を介して前記第1の通信端末から送られてくる前記信号光を、前記所定の光路または前記第1の検出器に選択的に供給する光スイッチをさらに有する
請求項4に記載の量子暗号通信装置。 The second communication terminal,
The signal light via the communication path transmitted from said first communication terminal further that having a selectively supplying light switch in said predetermined optical path and said first detector
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 4.
前記所定の光路を通る前記光減衰器で減衰処理された信号光を、前記第2の検出器に選択的に供給する光スイッチをさらに有する
請求項4に記載の量子暗号通信装置。 The second communication terminal,
Attenuated the processed signal light by the optical attenuator through the predetermined light path, that further having a said selectively supplying light switch to the second detector
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 4.
前記通信路を介して前記第2の通信端末から送られてくる前記信号光の平均光子数を見積もる光子数見積もり部をさらに有する
請求項4に記載の量子暗号通信装置。 The first communication terminal,
That further having a photon number estimating unit for estimating the average number of photons of the signal light transmitted from said second communication terminal via the communication channel
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 4.
請求項7に記載の量子暗号通信装置。 The average number of photons estimated by the photon number estimation section, further that having a photon number collating unit for collating the average photon number of the signal light sent to the communication path from the second communication terminal
Quantum cryptography communication apparatus according to 請 Motomeko 7.
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