JP5014844B2

JP5014844B2 - 量子通信装置

Info

Publication number: JP5014844B2
Application number: JP2007065114A
Authority: JP
Inventors: 淳一安部; 克宏清水
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008228048A

Description

この発明は、量子暗号通信において光子を検出するための量子通信装置に関するものである。

従来技術として、量子暗号を使用する通信の方法において、多重した強い光よって信号光の同期をとるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、同一の光源から出力される信号に対し、時間的に光強度を変え位相制御を行っているものがある（例えば、非特許文献１参照）。また、伝送路中の信号光の状態を制御するものがある（例えば、特許文献２参照）。さらに、光パワーの大きいチャネルが微弱なチャネルに影響を及ぼすことなく、かつ効率的な情報通信を可能にする光多重通信システムがある（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、このような方法では、通信装置の通信速度が上昇するに従い、量子チャネルと古典チャネルの分離制御が難しくなり、通信路の制御用に用いられる強度の強い古典チャネルの光が量子チャネルの光子検出器に入射され、その雑音によって誤り率が増大するという問題があった。また、強度の強い光信号が、光子検出器に入射され、光子検出器を破損してしまうという問題があった。

ここで、単一光子に関する従来技術について説明すると、１．５μｍ帯での光子検出には、感度の問題からInGaAs系のＡＰＤ（avalanche photodiode）が用いられることが多い（例えば、非特許文献２参照）。光子検出に用いられるＡＰＤは、Geigerモードと呼ばれる特殊なバイアス条件で駆動される。Geigerモード動作では、ＡＰＤの降伏電圧Ｖ_Ｂよりも若干高めにバイアス電圧Ｖ_biasを印加した状態にしておき、光子の入射によって生じた電子雪崩を、パルス信号として観測することができる。また、入射される光子がクロック信号に同期して周期的に飛来するような場合には、gated モードと呼ばれ、入射光子信号と同期して、信号光子が入射されるタイミングに合わせて、ＡＰＤの降伏電圧Ｖ_Ｂより大きなバイアス電圧を印加する方式が用いられる。ここで、バイアスがＶ_Ｂより大きくなった瞬間にちょうど光子が入射されれば、一定の検出効率で出力信号に信号パルスが発生する。また、光子検出できなかったときには、出力には何も出力されない。

特表平９−５０２３２０号公報特開２００−３７５５９号公報特開２００６−１０１４９１号公報 "Quantum key distribution over distances as long as 30 km" Christophe Marand and Paul D. Townsend, August 15, 1995/Vol. 20, No. 16/OPTICS LETTERS, pp. 1695-1697 D. Stucki et al., "Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs/InP APD's" J. Mod. Opt. 48, 1967 （2001）

上述した従来技術では、制御用に用いられる古典チャネルの光信号が、量子チャネルを受信する光子検出器に悪影響を及ぼすという影響があった。

この発明は上記のような点に鑑みてなされたもので、光強度の強い古典チャネルが入射されたことを検出して、量子チャネルのゲートバイアスにマスクを掛け、過剰な雑音による性能劣化が生じない、良好な量子通信装置を得ることを目的とする。

この発明に係る量子通信装置は、量子チャネルと古典チャネルとを合波する合波手段と、前記合波手段で合波された光信号を伝送する伝送路と、前記伝送路を介して伝送された光信号を分波する光分波手段と、前記光分波手段で分波された光信号のうち量子チャネルの光信号を受信する光子検出手段と、前記光分波手段で分波された光信号のうち古典チャネルを検出する古典チャネル検出手段と、前記古典チャネル検出手段の検出結果をもとにマスク信号を発生するマスク信号発生手段と、前記マスク信号を元に前記光子検出手段に印加するバイアス信号をマスクするバイアス信号発生手段とを備えたものである。

この発明によれば、光強度の強い古典チャネルが入射されたことを検出して、量子チャネルのゲートバイアスにマスクを掛けることで、過剰な雑音による性能劣化が生じない、良好な量子通信装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による量子通信装置の概念的な構成を示すブロック図である。この実施の形態１による量子通信装置は、相対的に光パワーが小さい量子チャネル１と、相対的に光パワーが大きい古典チャネル２と、量子チャネル１と古典チャネル２を合波する合波手段３と、合波された信号を伝送する伝送路４と、伝送された合波信号を量子チャネルと古典チャネルに分波する分波手段５と、分波された量子チャネルを受信する光子検出手段６と、分波された古典チャネルを受信する古典チャネル検出手段７と、古典チャネル検出手段７の情報を元にマスク信号を発生するマスク信号発生手段８と、マスク信号が入力されたときには光子検出手段６に印加するゲートバイアス信号をオフにするバイアス発生手段９とを備えている。

このように構成された実施の形態１による量子通信装置では、古典チャネル２が入射された際には、バイアス発生手段９により、光子検出手段６に印加するゲートバイアス信号がオフになって量子チャネル１がオフになるため、古典チャネル２のクロストークの影響による誤り率を改善できる。また、強度の強い光信号が、光子検出手段６に入射され、光子検出手段６を破損してしまうという問題も生じない。

実施の形態２．
次に、図２は、この発明の実施の形態２による量子通信装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態２による量子通信装置は、量子チャネル１０と、同期信号を送信する古典チャネル１１と、分波手段５と、ＡＰＤ（avalanche photodiode）１３及びバイアス印加手段１４を有する、図１に示す光子検出手段６に対応する光子検出器１２と、古典チャネル１１を分岐する光分岐手段１５と、マスク信号発生手段８と、図１に示すバイアス信号発生手段９に対応する、古典チャネル１１を受信して同期信号を取り出すクロック抽出手段１６とゲートバイアス発生手段１８及び位相調整器１９を備えている。

ここで、量子チャネル１０と古典チャネル１１は、図１に示す実施の形態１と同様な図示しない合波手段３によって、タイムスロット割り当てにより、図３に示すように、ブロックごとに時分割多重されている。

このように構成された量子通信装置では、古典チャネル１１が検出されている、図３に示す期間Ｔ_１の間は、マスク信号発生手段８からのマスク信号により光子検出器１２に与えられるゲートバイアスは、ＡＰＤ１３のブレークダウン電圧以下に抑圧されているため、光子検出器１２からは何も出力されない。このため、古典チャネル１１のクロストークがあったとしても誤った光子信号をカウントすることはない。また、合波手段と分波手段との間の伝送路中で多重反射が発生し、本来のタイムスロット割り当て以外の位置に強度の強い古典チャネルが存在した場合も、古典チャネル検出手段７とマスク信号発生手段８によってゲートバイアス発生手段１８からのゲートバイアスがマスクされる。

実施の形態３．
次に、図４は、この発明の実施の形態３による量子通信装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態３による量子通信装置は、図２に示す実施の形態２と同様な構成を備えるが、実施の形態２に係る分波手段５の代わりに、異なる波長の光信号を分波する波長分波手段２２を備えている点が異なる。その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態３の量子通信装置では、図１に示す実施の形態１と同様な図示しない合波手段３によって、量子チャネル１０と古典チャネル１１が、異なる波長λ_１及びλ_２で波長多重され、さらにタイムスロット割り当てにより、異なるブロックに時分割多重されている。

このように構成された量子通信装置では、波長分波手段２２により、量子チャネル１０への古典チャネル１１のクロストークが例えば３０ｄＢ以上抑圧されるため、前記実施の形態２よりも、より効果的に古典チャネル１１が量子チャネル１０に及ぼす影響を抑圧することが可能である。

なお、波長分波手段２２としては、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ: arrayed−waveguide grating）型分波器、または薄膜フィルタがあげられる。

実施の形態４．
次に、図５は、この発明の実施の形態４による量子通信装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態４による量子通信装置は、実施の形態１の構成に対し、送信側データ処理手段２４と、量子チャネル送信機２５と、古典チャネル送信機（同期信号）２６と、古典チャネル送信機（データ信号）２７と、古典チャネル送信機（制御信号）２８と、後述する伝送路状態モニタ手段３４の情報を元に伝送路４の状態を制御する伝送路制御手段２９と、量子チャネル受信機３０と、古典チャネル受信機（同期信号）３１と、古典チャネル受信機（データ信号）３２と、古典チャネル受信機（制御信号）３３と、古典チャネルの受信情報を元に伝送路４の状態をモニタする伝送路状態モニタ手段３４と、受信側データ処理手段３５をさらに備えている点が異なり、その他の構成は同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

この実施の形態４では、古典チャネルとして、量子チャネル送信機２４と同期した光信号を送信する古典チャネル送受信機（２５、３１）と、データ通信を行うための古典チャネル送受信機（２７、３２）と、伝送路の状態制御を行うための古典チャネル送受信機（２８、３３）の三種類の古典チャネルを備えている。

量子チャネルとしては、従来技術で示した文献に記載されている、量子暗号通信送受信機などがあり、複数の量子チャネルを備えている。また、同期信号用古典チャネルは、実施の形態２、３と同様である。

データ通信用古典チャネルは、量子暗号通信で用いられる、暗号送信者と暗号受信者の間で通信される、変調基底情報の交換などに用いられる。また、通常の古典的なデータ通信でも良い。

伝送路状態制御用古典チャネルは、伝送路４の偏波状態を制御するものがあり、伝送路制御手段２９により、伝送路状態モニタ手段３４でモニタされる偏波状態が一定になるように制御を行う。あるいは、量子暗号通信であれば、受信側データ処理手段３５でモニタされる誤り率が最小になるように制御を行う。

また、伝送路状態制御用古典チャネルは、伝送路の波長分散を制御するものでもよい。この場合、量子暗号通信であれば、伝送路制御手段２９により、受信側データ処理手段３５でモニタされる誤り率などの伝送品質情報が最小になるように制御を行う。

この発明の実施の形態１による量子通信装置の概念的な構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２による量子通信装置の構成を示すブロック図である。量子チャネルと古典チャネルがタイムスロット割り当てによりブロックごとに時分割多重されていることを説明する図である。この発明の実施の形態３による量子通信装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態４による量子通信装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１０量子チャネル、２，１１古典チャネル、３合波手段、４伝送路、５分波手段、６光子検出手段、７古典チャネル検出手段、８マスク信号発生手段、９バイアス発生手段、１２光子検出器、１３ＡＰＤ（avalanche photodiode）、１４バイアス印加手段、１５光分岐手段、１６クロック抽出手段、１８ゲートバイアス発生手段、１９位相調整器、２２波長分波手段、２４送信側データ処理手段、２５量子チャネル送信機、２６古典チャネル送信機（同期信号）、２７古典チャネル送信機（データ信号）、２８古典チャネル送信機（制御信号）、２９伝送路制御手段、３０量子チャネル受信機、３１古典チャネル受信機（同期信号）、３２古典チャネル受信機（データ信号）、３３古典チャネル受信機（制御信号）、３４伝送路状態モニタ手段、３５受信側データ処理手段。

Claims

量子チャネルと古典チャネルとを合波する合波手段と、
前記合波手段で合波された光信号を伝送する伝送路と、
前記伝送路を介して伝送された光信号を分波する光分波手段と、
前記光分波手段で分波された光信号のうち量子チャネルの光信号を受信する光子検出手段と、
前記光分波手段で分波された光信号のうち古典チャネルを検出する古典チャネル検出手段と、
前記古典チャネル検出手段の検出結果を元にマスク信号を発生するマスク信号発生手段と、
前記マスク信号を元に前記光子検出手段に印加するバイアス信号をマスクするバイアス信号発生手段と
を備えた量子通信装置。
請求項１に記載の量子通信装置において、
前記合波手段は、前記量子チャネルと前記古典チャネルとを時分割多重する
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項１または２に記載の量子通信装置において、
前記合波手段は、前記量子チャネルと前記古典チャネルとを波長多重し、
前記分波手段は、異なる波長の光信号を分波する波長分波手段でなる
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の量子通信装置において、
前記量子チャネルは、量子暗号通信を行う光信号であり、
前記古典チャネルは、同期信号を送信する光信号である
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項１から４までのいずれか１項に記載の量子通信装置において、
前記古典チャネルは、データ信号を送信する光信号である
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項１から５までのいずれか１項に記載の量子通信装置において、
前記古典チャネルの受信情報を元に前記伝送路の状態をモニタする伝送路状態モニタ手段と、
前記伝送路状態モニタ手段の情報を元に前記伝送路の状態を制御する伝送路制御手段と
をさらに備えた
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項６に記載の量子通信装置において、
前記伝送路制御手段は、前記伝送路の偏波状態を制御する
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項６に記載の量子通信装置において、
前記伝送路制御手段は、前記伝送路の波長分散を制御する
ことを特徴とする量子通信装置。
請求項１から８までのいずれか１項に記載の量子通信装置において、
前記量子チャネルと前記古典チャネルは、複数の量子チャネルと複数の古典チャネルを備えた
ことを特徴とする量子通信装置。