JP5019979B2 - 量子暗号受信装置およびそれを使用する量子暗号受信方法 - Google Patents

Description

この発明は、量子暗号のキーとなる量子信号を受信するための量子暗号受信装置およびそれを使用する量子暗号受信方法に関するものである。

量子暗号システムは、一般に量子暗号送信装置、量子暗号受信装置、両装置間をつなぐ量子通信路および古典通信路から構成される。位相変調方式を用いる量子暗号プロトコルであるＢＢ８４プロトコルを実装する場合、量子暗号送信装置から量子暗号受信装置に光子が伝送される。
このとき、従来の量子暗号送信装置では、光路長差が異なる非対称マッハツェンダ干渉計（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、以下「ＡＭＺＩ」と称する）を用いて、単一の光子パルスから時間差を有する２連光子パルスを生成する。この２連光子パルスの相対位相差を０、π、π／２、−π／２の４つに変調して送信している。

一方、従来の量子暗号受信装置は、２つのＡＭＺＩを備え、伝送された光子をビームスプリッタ（以下、「ＢＳ」と称する）により分岐させ２つのＡＭＺＩのうちのいずれかに導くことで、２つの観測基底を決定するＢＢ８４プロトコルの受信装置の要件を満足している（例えば、非特許文献１参照）。

具体的には、量子暗号受信装置に伝送された光子は、ＢＳで５０対５０の割合で２つある出力ポートのいずれかに出力される。ＢＳの出力ポートにはそれぞれＡＭＺＩが接続されている。この２つのＡＭＺＩは量子暗号送信装置に備わるＡＭＺＩと同じ光路長差を有しており、干渉が生じるようになっている。
一方のＡＭＺＩでは、波長オーダーで光路長差が微調整されており、入力された位相差０の２連光子パルスは必ず特定の一方の出力ポートに導かれる。また、入力された位相差πの２連光子パルスは必ず特定の他方の出力ポートに導かれる。一方、入力された位相差±π／２の２連光子パルスはいずれの出力ポートに導かれるかは不定である。
同様に、他方のＡＭＺＩでも波長オーダーで光路長差が微調整されており、入力された位相差π／２の２連光子パルスは必ず特定の一方の出力ポートに導かれる。また、入力された位相差−π／２の２連光子パルスは、必ず特定の他方の出力ポートに導かれる。一方、入力された位相差０、πの２連光子パルスはいずれの出力ポートに導かれるかは不定である。

そして、２つのＡＭＺＩの計４つの出力ポートにそれぞれ光子検出器を設けると、どの光子検出器が発火したかによりビット値が「０」または「１」のいずれであるかが決定される。２つの基底：＋基底（０、π）と×基底（π／２、−π／２）のいずれを選択したかは、発火した光子検出器がどのＡＭＺＩに接続しているかで決定される。ＢＳが５０対５０の割合で分岐することが、ランダムに基底を選択することに対応している。

しかし、従来の量子暗号受信装置では、伝送された光子をＢＳを介してＡＭＺＩへと導くため、伝送途中で光子の偏波面が回転してしまい、直交する２つの偏波モードの光子がいずれもがＡＭＺＩに入力していた。そして、ＡＭＺＩは一般に複屈折性の媒質で構成されているため、２つの偏波モードでは光路長に差が生じてしまい干渉明瞭度が低下する、即ち、エラー率が増大するという問題があった。
そこで、ＡＭＺＩの前段に偏光子を設け、単一の偏波モードのみ入力を許すことで干渉明瞭度の低下を防ぐことは容易にできるが、入力できなかった他方の偏波モードは捨てているので、通信速度が低下するという問題があった。

そこで、量子暗号受信装置の前段に偏波補償器を設け、ＡＭＺＩに入力する光子を最大にするように偏波面を回転することが行われている。例えば、非特許文献１では静的な偏波回転器を用いて偏波面を調節している。

Ｒ Ｔ Ｔｈｅｗ著、外８名、「Ｌｏｗ ｊｉｔｔｅｒ ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｔｅｌｅｃｏｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＧＨｚ ＱＫＤ」、Ｎｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００６年、３月、ｖｏｌ．８、ｎｏ．３２、ｐｐ．１−１２

しかし、実用的には伝送路中で光子の偏波面は時々刻々ランダムに回転してしまうため、偏波モニタと偏波制御器を組み合わせ、かつ、偏波モニタが動作可能な強度の強い光を光子と共に伝送し、フィードバックする偏波面制御という複雑な制御を行なう必要があるという問題がある。

この発明の目的は、伝送途中での光子の偏波面のランダムな回転に関わりなく、干渉明瞭度と通信速度を高く保持し、且つ、伝送光子とは別の強度の高い光を用いたフィードバック偏波面制御を不要とする量子暗号受信装置およびそれを使用する量子暗号受信方法を提供することである。

この発明に係る量子暗号受信装置は、非対称マッハツェンダ干渉計を用いて量子暗号送信装置から伝送された４種類の相対位相差があり且つ時間差を有する２連光子パルスの相対位相差の種類を識別するための２つの非対称マッハツェンダ干渉計および伝送されて入力する光子の偏波状態に従って上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計のいずれかに導く偏光ビームスプリッタを備える量子暗号受信装置において、上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計の双方に同数の検出イベントが生じるよう入力する光子の偏波状態を回転し、且つ上記偏光ビームスプリッタの入力ポートの前段に設けられた動的な偏波回転器を備える。

この発明に係る量子暗号受信方法は、非対称マッハツェンダ干渉計を用いて量子暗号送信装置から伝送された４種類の相対位相差があり且つ時間差を有する２連光子パルスの相対位相差の種類を２つの非対称マッハツェンダ干渉計により識別する量子暗号受信方式において、伝送された２つの偏波モードを有する光子を偏光ビームスプリッタにより偏波モード別に２つに分岐し、且つ単一偏波モードのみを後段の上記非対称マッハツェンダ干渉計に導いて光子干渉を測定し、動的な偏波回転器の後段に位置する上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計のいずれかに導かれるかを伝送された光子の量子暗号受信装置に入力したときの偏波面からは特定できないよう上記伝送された光子の偏波面を上記動的な偏波回転器により回転する。

この発明に係る量子暗号受信装置の効果は、偏光ビームスプリッタを用いて伝送された光子を２つの非対称マッハツェンダ干渉計のいずれかに導いているので、どのような偏波面を持った光子でも光子伝送に使うことができ、通信速度（ビットレート）の低下を防ぐことができるということである。
また、非対称マッハツェンダ干渉計には１つの偏波モードの光子しか導かれないため、複屈折性による干渉明瞭度の低下、即ち、ビットエラーレートの増加を防ぐことができるということである。

図１は、この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置を含む量子暗号システムの構成を示すブロック構成図である。
この発明の実施の形態に係る量子暗号システムは、図１に示すように、量子暗号送信装置１、量子暗号受信装置２、主に光ファイバで構成される量子通信路３、および古典通信路４から構成される。
量子通信路３では、光子が量子暗号送信装置１から量子暗号受信装置２に伝送される。 古典通信路４では、量子暗号通信を行うための制御情報およびＢＢ８４などの量子暗号プロトコルを実施するのに必要とする古典情報が伝送される。

図２は、この発明の実施の形態に係る量子暗号送信装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態に係る量子暗号送信装置１は、図２に示すように、光子源であるＬＡＳＥＲ１１と、出力された光子の偏波面を回転・調整する偏波制御子１２、光子を位相変調可能な時間差を有する２連パルスに変換する非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）１３、ＡＭＺＩ１３から出力された２連パルスの後続パルスに位相変調を施す位相変調器（以下、「ＰＭＡ」と略称する）１４、ＰＭＡ１４から出力された２連パルスを量子暗号の要求する強度まで減光するアッテネータ（以下、「ＡＴＴ」と略称する）１５、ＬＡＳＥＲ１１およびＰＭＡ１４を制御し、量子暗号受信装置２と古典通信を行う送信側制御装置１６を備える。

偏波制御子１２は、ＡＭＺＩ１３に単一の偏波モードのみが入力するように偏波面を調整する。
例えば石英平面回路（PLC)で構成されるAMZIは複屈折性を持つので、偏波制御子により、AMZIに対して単一の偏波モードのみが入力するように偏波面を調整している。
送信側制御装置１６は、マスタクロック１７を有し、マスタクロック１７に従って、ＬＡＳＥＲ１１およびＰＭＡ１４を制御している。
ＰＭＡ１４は、ＢＢ８４プロトコルに従い、例えば、位相差０、π、π／２、−π／２のような４値変調を行う。４値のうちいずれを選択するかは、光子パルス毎に送信側制御装置１６が生成する乱数データに従う。
送信側制御装置１６は、古典通信路４を介して量子暗号受信装置２との間で、クロック信号などの伝送制御情報および量子暗号プロトコルで要求される古典情報の伝送を行う。

図３は、この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置の構成図である。
この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置２は、図１のような量子暗号システムにおいて、量子暗号送信装置１と量子暗号通信を行うことを目的としている。
この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置２は、図３に示すように、量子通信路３を伝送された光子の偏波面を静的に回転する静的な偏波回転器としての半波長板（以下、「ＨＷＰ」と称す）２１、ＨＷＰ２１を通過した光子の偏波面を受信側制御装置２２の制御により動的に回転する動的な偏波回転器２３、動的な偏波回転器２３を通過した光子を偏波面に従い２つに分岐する偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と称す）２４、ＰＢＳ２４の２つの出力ポートにそれぞれ接続された２つのＡＭＺＩ２５、２６、ＡＭＺＩ２５、２６のそれぞれ２つの出力ポートに接続された４つの光子検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、４つの光子検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの検出信号を受信したり、動的な偏波回転器２３を制御したり、古典通信路４を介して量子暗号送信装置１と古典通信を行う受信側制御装置２２を備える。

ＨＷＰ２１は、量子暗号通信を開始するときや途中など量子暗号受信装置２の外部から、例えば人などにより回転され、その間は静止している。そして、静的とはこのようなことを意味する。
偏波回転器２３は、半波長板や１／４波長板から構成され、これらの波長板をメカニカルに回すものでも、電気光学効果により電気的に媒質の複屈折性を変化させるような偏波変調器を用いてもよい。なお、動的とは受信側制御装置２２によりランダムにまたは規則的に回転されることを意味する。

ＰＢＳ２４は、偏波面がＰ偏光の光子を第１のＡＭＺＩ２５に導く。
第１のＡＭＺＩ２５が複屈折性を有するとき、その２つある偏波モードのうちの１つがＰＢＳ２４のＰ偏光に対応するように偏波軸の調整がなされて、ＰＢＳ２４と第１のＡＭＺＩ２５が接続されている。
また、ＰＢＳ２４は、偏波面がＳ偏光の光子を第２のＡＭＺＩ２６に導く。
第２のＡＭＺＩ２６が複屈折性を有するとき、その２つある偏波モードのうちの１つがＰＢＳ２４のＳ偏光に対応するように偏波軸の調整がなされて、ＰＢＳ２４と第２のＡＭＺＩ２６が接続されている。

ＡＭＺＩ２５、２６は、干渉が生じるように、量子暗号送信装置１に備わるＡＭＺＩ１３と光路長差が等しくなるように調整されている。２つのＡＭＺＩ２５、２６のうちの第１のＡＭＺＩ２５は、伝送された時間差を有する２連光子パルスが入力したとき干渉し、位相差が０のとき第１の光子検出器２７ａに、位相差がπのとき第２の光子検出器２７ｂに導かれるように波長オーダーで光路長差が微調整されている。位相差が±π／２のときは、第１の光子検出器２７ａまたは第２の光子検出器２７ｂのいずれに導かれるかは不定である。

他方の第２のＡＭＺＩ２６は、伝送された時間差を有する２連光子パルスが入力したとき干渉し、位相差がπ／２のとき第３の光子検出器２７ｃに、位相差が−π／２のとき第４の光子検出器２７ｄに導かれるように波長オーダーで光路長差が微調整されている。位相差が０、πときは、第３の光子検出器２７ｃまたは第４の光子検出器２７ｄのいずれに導かれるかは不定である。

次に、この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置２の動作について説明する。
一般に図１のような量子暗号システムでは、まず量子暗号送信装置１から量子受信装置２へ位相変調された光子が量子通信路３を介して伝送される。これに伴い古典通信路４を介してクロック信号などの制御情報も伝送される。そして、複数の光子伝送が終わると、古典通信路４を介して、量子暗号プロトコル、例えば、ＢＢ８４プロトコルを実行するのに必要な補助情報が伝送され、データ処理が行われた後、最終的に共有される秘密鍵が量子暗号送信装置１および量子暗号受信装置２それぞれで出力される。

この発明は上述のプロセスのうち前段の光子伝送に関するものであり、以下光子伝送に関する動作を説明する。
一般に光ファイバなどの量子通信路３を通ると、複屈折性のために光子の偏波面はランダムに回転してしまうのだが、光子伝送を始めるにあたり、量子暗号受信装置２ではＨＷＰ２１をランダムに回転して固定する。このようにすることにより量子暗号受信装置２に入力する光子のどのような偏波面が、ＰＢＳ２４のＰ偏光またはＳ偏光に対応するかが盗聴者には同定できなくなる。このため、盗聴者が偏波面を回転することで伝送光子のすべてを２つあるＡＭＺＩ２５、２６のうちの一方に偏らせることができなくなる。

次に、ＨＷＰ２１を通過した光子の偏波面を更に動的な偏波回転器２３で回転する。この偏波面の回転は受信側制御装置２２で制御し、通過する光子に対して偏波面を固定的ではなく動的に回転する。このとき、偏波回転器２３は伝送光子の通過タイミングと非同期に独自のタイミングで光子の偏波面を回転する。そして、偏波面を回転する偏波の大きさおよび回転するタイミングをランダムに変更する。
なお、受信側制御装置２２は古典通信路４を介してクロック信号を受信しているので、光子の通過タイミングと同期して光子の偏波面を回転してもよい。
また、偏波回転器２３を半波長板で構成し、偏波面を回転する偏波の大きさおよび回転するタイミングを規則的にするために、半波長板を回転速度一定で回転しても良い。

このような処理を行うことで、伝送された光子の偏波面はＰＢＳ２４に入射するとき、量子暗号受信装置２に入射したときの偏波面と全く異なるものになっている。これにより、ＰＢＳ２４は、伝送光子を２つのＡＭＺＩ２５、２６のいずれに導かれるかをまったくランダムに振り分けられる。

２つのＡＭＺＩ２５、２６のいずれかに導かれた光子は干渉を起こし、４つある光子検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄのいずれかを発火させることになる。
受信側制御装置２２は、第１の光子検出器２７ａが発火すると、＋基底（０、π）で「０」を受信したと判断する。第２の光子検出器２７ｂが発火すると、＋基底（０、π）で「１」を受信したと判断する。第３の光子検出器２７ｃが発火すると、×基底（π／２、−π／２）で「０」を受信したと判断する。第４の光子検出器２７ｄが発火すると、×基底（π／２、−π／２）で「１」を受信したと判断する。
このような受信情報により、量子暗号受信装置２は一般の量子暗号プロトコルにおける光子伝送が完了した後の後段を処理を実行できる。なお、受信情報には、偏波回転器２３をどのように制御したかの情報は全く不要である。
また、受信情報より受信側制御装置２２は、＋基底と×基底の頻度偏りを検定し、盗聴者が偏波面を制御するような攻撃の有無を検証する。

この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置２は、ＰＢＳ２４を用いて伝送光子を２つのＡＭＺＩ２５、２６のいずれかに導いているので、どのような偏波面を持った光子でも光子伝送に使うことができ、通信速度（ビットレート）の低下を防ぐことができる。
また、ＡＭＺＩ２５、２６には１つの偏波モードの光子しか導かれないため、複屈折性による干渉明瞭度の低下、即ち、ビットエラーレートの増加を防ぐことができる。

このようにＰＢＳ２４の前段にＨＷＰ２１と偏波回転器２３とを配置することで、いずれの偏波状態の伝送光子がいずれのＡＭＺＩ２５、２６に導かれるか、即ち、どの基底を用いて観測されるか特定されることを防ぐことができるので、安全性も保持することができる。

以上のような偏波回転の制御方式を用いているので、偏波回転制御は量子暗号受信装置２が独立に可能で、量子通信路３に強い制御信号光を混在させフィードバック制御を行うような偏波回転制御を不要であるため、簡単な偏波回転制御で済む。

この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置を含む量子暗号システムの構成を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態に係る量子暗号送信装置の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態に係る量子暗号受信装置の構成図である。

符号の説明

１ 量子暗号送信装置、２ 量子暗号受信装置、３ 量子通信路、４ 古典通信路、１１ ＬＡＳＥＲ、１２ 偏波制御子、１３、２５、２６ 非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）、１４ 位相変調器、１５ アッテネータ（ＡＴＴ）、１６ 送信側制御装置、１７ マスタクロック、２１ 半波長板（ＨＷＰ）、２２ 受信側制御装置、２３ 偏波回転器、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ 光子検出器。

Claims (9)

1. 非対称マッハツェンダ干渉計を用いて量子暗号送信装置から伝送された４種類の相対位相差があり且つ時間差を有する２連光子パルスの相対位相差の種類を識別するための２つの非対称マッハツェンダ干渉計および伝送されて入力する光子の偏波状態に従って上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計のいずれかに導く偏光ビームスプリッタを備える量子暗号受信装置において、
   上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計の双方に同数の検出イベントが生じるよう入力する光子の偏波状態を回転し、且つ上記偏光ビームスプリッタの入力ポートの前段に設けられた動的な偏波回転器を備えることを特徴とする量子暗号受信装置。
2. 上記動的な偏波回転器の前段に設けられた静的な偏波回転器を備えることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号受信装置。
3. 非対称マッハツェンダ干渉計を用いて量子暗号送信装置から伝送された４種類の相対位相差があり且つ時間差を有する２連光子パルスの相対位相差の種類を２つの非対称マッハツェンダ干渉計により識別する量子暗号受信方式において、
   伝送された２つの偏波モードを有する光子を偏光ビームスプリッタにより偏波モード別に２つに分岐し、且つ単一偏波モードのみを後段の上記非対称マッハツェンダ干渉計に導いて光子干渉を測定し、
   動的な偏波回転器の後段に位置する上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計のいずれかに導かれるかを伝送された光子の量子暗号受信装置に入力したときの偏波面からは特定できないよう上記伝送された光子の偏波面を上記動的な偏波回転器により回転する
   ことを特徴とする量子暗号受信方法。
4. 上記伝送された光子が量子暗号受信装置に入力したときの偏波面が偏光ビームスプリッタでどのように分離されるかを不定にするよう量子暗号通信の最初に上記入力した光子の偏波面をランダムに静的に回転することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。
5. 上記伝送された光子の偏波面を静的な偏波回転器により上記伝送された光子の伝送タイミングと非同期に回転することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。
6. 上記伝送された光子の偏波面を上記動的な偏波回転器により上記伝送された光子の伝送タイミングと同期して回転することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。
7. 上記動的な偏波回転器によりランダムな偏波の大きさまたはランダムなタイミングで偏波面を回転することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。
8. 上記動的な偏波回転器により規則的な偏波の大きさまたは規則的なタイミングで偏波面を回転することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。
9. 上記２つの非対称マッハツェンダ干渉計で発生した光子検出イベントの頻度偏りを検定し、且つ有意な偏りがあれば盗聴者が検知したと判断することを特徴とする請求項３に記載の量子暗号受信方法。

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