JP5020999B2 - Quantum cryptographic communication device and quantum cryptographic communication method - Google Patents
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本発明は、量子暗号通信装置および量子暗号通信方法に関する。 The present invention relates to a quantum cryptography communication device and a quantum cryptography communication method.
近年、光の量子力学的性質を利用することにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号は、離れた地点に存在する2者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給する方式であり、量子鍵配送とも呼ばれている。ここで秘密鍵は、実体としてはランダムな「0」又は「1」のビット列である。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは従来技術として、4つのコヒーレント状態をホモダイン検波する量子鍵配送方式(非特許文献1参照)について説明する。 In recent years, research on quantum cryptography communication in which physical safety is guaranteed by using the quantum mechanical properties of light has been underway. Quantum cryptography is a method of supplying a secret key for performing cryptographic communication between two parties present at distant points, and is also called quantum key distribution. Here, the secret key is a random bit string of “0” or “1” as an entity. Although there are various types of quantum key distribution, here, as a conventional technique, a quantum key distribution system (see Non-Patent Document 1) that performs homodyne detection of four coherent states will be described.
図1は、従来のコヒーレント/ホモダイン検波量子鍵配送システムの基本構成を示す図である。送信機は、{0, π}及び{π/2, 3π/2}のいずれかの位相のコヒーレント光を極微弱なパワーで送出する。受信機は、受信した光を受信光と同一周波数の局発光と合波し、合波光の強度を2つの光検出器により検出する。そして、2つの検出信号を差動検波することにより、復調信号を得る。ここで、局発光の位相は0またはπ/2のいずれかとする。なおこの受信機構成は、光ホモダイン検波と呼ばれる構成である。 FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a conventional coherent / homodyne detection quantum key distribution system. The transmitter transmits coherent light having a phase of {0, π} and {π / 2, 3π / 2} with extremely weak power. The receiver combines the received light with the local light having the same frequency as the received light, and detects the intensity of the combined light by the two photodetectors. A demodulated signal is obtained by differential detection of the two detection signals. Here, the phase of local light is 0 or π / 2. This receiver configuration is a configuration called optical homodyne detection.
以上の構成における受信機の復調信号は、次のようになる。まず、 The demodulated signal of the receiver in the above configuration is as follows. First,
と表わす。Aは振幅、ωは角周波数、θは位相で、添え字により受信信号光(S)か局発光(L)かを表わす。この表式を用いると、信号光と局発光とを合波した後の光電場は、光検出器1に対しては It expresses. A is the amplitude, ω is the angular frequency, θ is the phase, and the received signal light (S) or local light (L) is indicated by a subscript. Using this expression, the photoelectric field after combining the signal light and the local light is
光検出器2に対しては
For the
であり、それぞれの光強度Iは、 And each light intensity I is
となる。なおここで、ωS = ωL、とした。 It becomes. Here, ω S = ω L.
光検出器からは光強度に比例した信号が出力され、それが差動検波される。式(1)(2)より、差動検波後の復調信号Sは、次のように表わされる。 A signal proportional to the light intensity is output from the photodetector, and is differentially detected. From the equations (1) and (2), the demodulated signal S after differential detection is expressed as follows.
ここで、信号光の位相はθS = {0, π}{π/2, 3π/2}、局発光の位相はθL= {0,π/2}である。したがって、復調信号Sのとり得る値は、表1に示すように各位相値に応じて0または±2ASALとなる。 Here, the phase of the signal light is θ S = {0, π} {π / 2, 3π / 2}, and the phase of the local light is θ L = {0, π / 2}. Therefore, as shown in Table 1, the value that the demodulated signal S can take is 0 or ± 2A S A L depending on each phase value.
以上は、信号光と局発光に全く揺らぎが無いとしたときの受信特性である。しかしながらコヒーレント光の場合、不確定性原理を源として量子力学的に不可避の揺らぎが存在する。そのため、復調信号は上記の3値を中心に揺らぐことになり、その分布は図2のようになる。今の場合、信号光パワーは極微弱としているのでASは非常に小さく、そのためS = 0を中心とする信号分布とS = ±2ASALを中心とする分布は一部重なり合っている。この信号分布に対して、受信機は、d > 2ASALである閾値dと-d < 2ASALである閾値-dを設定する。なお、S = 0の分布のピークが他の2つより高いのは、位相の組み合わせの数の違いを反映させたためである。 The above is the reception characteristics when there is no fluctuation between the signal light and the local light. However, in the case of coherent light, fluctuations that are inevitable in quantum mechanics exist due to the uncertainty principle. Therefore, the demodulated signal fluctuates around the above three values, and its distribution is as shown in FIG. In this case, since the signal light power is extremely weak, A S is very small. Therefore, the signal distribution centered on S = 0 and the distribution centered on S = ± 2A S A L partially overlap each other. For this signal distribution, the receiver sets a threshold d where d> 2A S A L and a threshold −d where −d <2A S A L. The reason why the peak of the distribution of S = 0 is higher than the other two is that the difference in the number of phase combinations is reflected.
以上の構成を用いて、送信機と受信機は以下の手順により秘密鍵ビットを得る。まず受信機は、上記受信構成により送信機より送出され伝送路を経た信号光を検出する。この際、復調信号が閾値d以上または閾値-d以下である場合に、局発光位相がd以上であったか-d以下であったか、を記録する。上記送受信を必要な回数だけ行った後、受信機は送信機に、復調信号が閾値を越えた時間スロット及びそのときの局発光位相を通知する。ただし、d以上であったか-d以下であったかは教えない。送信機は受信機に対して、知らされた時間スロットの信号光位相が{0, π}であったか{π/2, 3π/2}のどちらであったかを知らせる。ただし、知らせるのはどちらの組かだけで、位相値そのものは教えない。次に受信機は、信号光位相がθS = {0, π}かつ局発光位相がθL = π/2である場合に、閾値d以上であった時間スロットに対しビット「1」を、閾値-d以下であった時間スロットにビット「0」を、それぞれ割り当てる。また、信号光位相がθS = {π/2, 3π/2}かつ局発光位相がθL = 0である場合に、閾値d以上であった時間スロットに対しビット「1」を、閾値-d以下であった時間スロットにビット「0」を、それぞれ割り当てる。一方、送信機は、閾値を超えた時間スロットについて、自身の位相変調データと受信機の局発光位相から、ビット生成する。具体的には、{θL = 0かつθS = π/2}または{θL = π/2かつθS = π}のときにビット「1」、{θL = 0かつθS = -π/2}または{θL = π/2かつθS = 0}のときにビット「0」、とする。このようにして生成したビットは、送信機と受信機とでほぼ同一となる。信号分布のすそ引きにより多少の不一致もあるが、少数のビット不一致は、誤り訂正という手続きにより除去することができ、誤り訂正後のビット列を秘密鍵とすることができる。 Using the above configuration, the transmitter and the receiver obtain a secret key bit by the following procedure. First, the receiver detects the signal light transmitted from the transmitter and transmitted through the transmission path by the above receiving configuration. At this time, when the demodulated signal is greater than or equal to the threshold value d or less than or equal to the threshold value -d, it is recorded whether the local light emission phase is greater than or equal to d or less than or equal to -d. After performing the above transmission / reception a required number of times, the receiver notifies the transmitter of the time slot when the demodulated signal exceeds the threshold and the local light emission phase at that time. However, it does not tell if it was greater than d or less than -d. The transmitter informs the receiver whether the signal light phase of the notified time slot was {0, π} or {π / 2, 3π / 2}. However, only one set is notified, and the phase value itself is not taught. Next, when the signal light phase is θ S = {0, π} and the local light emission phase is θ L = π / 2, the receiver sets bit “1” for the time slot that is equal to or greater than the threshold value d. A bit “0” is assigned to each time slot that is equal to or less than the threshold −d. In addition, when the signal light phase is θ S = {π / 2, 3π / 2} and the local light emission phase is θ L = 0, bit “1” is set to the threshold − Bit “0” is assigned to each time slot that was less than or equal to d. On the other hand, the transmitter generates bits for the time slot exceeding the threshold from its own phase modulation data and the local light emission phase of the receiver. Specifically, when {θ L = 0 and θ S = π / 2} or {θ L = π / 2 and θ S = π}, bit “1”, {θ L = 0 and θ S = − Bits “0” are set when π / 2} or {θ L = π / 2 and θ S = 0}. The bits generated in this way are almost the same in the transmitter and the receiver. Although there are some mismatches due to the tailing of the signal distribution, a small number of bit mismatches can be removed by a procedure called error correction, and the bit string after error correction can be used as a secret key.
上記の構成および手順により生成した秘密鍵の安全性は、以下の理由により確保される。もっとも基本的な盗聴方法は、伝送信号の一部を分岐/保存し、受信機が送信機へ通知する局発光位相を盗み聞いた後に、保存していた信号を受信機と同じ局発光位相によりホモダイン測定する方法である。しかしながら、受信機と同様に閾値を設定してビット値を得ようとしても、量子雑音のため受信機の揺らぎと盗聴者の揺らぎには相関がなく、同じ信号が受信機/盗聴者ともに閾値を超える確率は小さい。そのため、盗聴者が受信機と同一のビット値を得る確率は小さく、わずかな情報漏洩は秘匿性増強と呼ばれるデータ圧縮処理により除去される。あるいは、信号レベル=0に閾値を設定して、それより大ならビット「1」/小ならビット「0」、として盗聴ビットを生成する方法も考えられるが、図2のように信号分布が拡がっているため、送受信機とは異なるビット値を生成する場合がある。すると送受信機は、盗聴者のビット誤り率を見積もり、秘匿性増強により誤りを拡張して安全な秘密鍵を生成することができる。すなわち、上記いずれの盗聴ビット生成手段によっても、盗聴者が秘密鍵を得ることはできない。 The security of the secret key generated by the above configuration and procedure is ensured for the following reason. The most basic eavesdropping method is to branch / save part of the transmission signal and wiretap the local light emission phase that the receiver notifies the transmitter, and then use the same local light emission phase as the receiver for the stored signal. This is a method for measuring homodyne. However, even if the threshold value is set in the same way as the receiver and the bit value is obtained, there is no correlation between the fluctuation of the receiver and the fluctuation of the eavesdropper due to quantum noise, and the same signal is set to the threshold value for both the receiver and the eavesdropper. The probability of exceeding is small. Therefore, the probability that an eavesdropper obtains the same bit value as that of the receiver is small, and slight information leakage is removed by a data compression process called confidentiality enhancement. Alternatively, a method of generating a wiretapping bit by setting a threshold value at signal level = 0 and generating a bit “1” if it is larger than that and bit “0” if it is smaller can be considered, but the signal distribution is widened as shown in FIG. Therefore, a bit value different from that of the transceiver may be generated. Then, the transmitter / receiver can estimate the bit error rate of the eavesdropper and extend the error by increasing the confidentiality to generate a secure secret key. That is, an eavesdropper cannot obtain a secret key by any of the above eavesdropping bit generation means.
さらに高度な盗聴法としては、なりすまし法と呼ばれる方法がある。なりすまし盗聴とは、盗聴者が伝送信号を全て受信し、受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機に光送信器を用いて送信する盗聴方法である。盗聴者が伝送信号を正しく認識できれば、元の送信信号と同一のダミー信号を送ることができ、受信機に気付かれずに秘密鍵を得ることができる。ここで完全なダミー信号を送るためには、信号光位相θSが{0, π/2, π, 3π/2}のいずれであるかを正しく識別しなくではならない。この4つの位相値を識別するためには、盗聴者は、受信信号を2分岐し、一方に対して局発光位相θL = 0のホモダイン検波を、他方に対してθL = π/2のホモダイン検波をそれぞれ行ない、両者の結果を総合して判断することになる。しかしながら、伝送信号には量子雑音による揺らぎに加えて上記2分岐により信号対雑音比が劣化するため、4位相値を常に正しく識別することはできない。そのため、受信機がダミー信号から鍵ビットを生成すると、送信機の鍵ビットとの間に不一致が生じる。 As a more advanced wiretapping method, there is a method called an impersonation method. Impersonation eavesdropping is an eavesdropping method in which an eavesdropper receives all transmission signals and transmits a dummy signal to an original receiver using an optical transmitter based on the reception result. If the eavesdropper can correctly recognize the transmission signal, the same dummy signal as the original transmission signal can be sent, and the secret key can be obtained without being noticed by the receiver. Here, in order to send a complete dummy signal, it is necessary to correctly identify whether the signal light phase θ S is {0, π / 2, π, 3π / 2}. In order to identify these four phase values, the eavesdropper branches the received signal into two, and performs homodyne detection with the local light emission phase θ L = 0 for one and θ L = π / 2 for the other. Each of the homodyne detections is performed, and the results of both are comprehensively judged. However, since the signal-to-noise ratio is deteriorated in the transmission signal due to the two branches in addition to the fluctuation due to the quantum noise, the four phase values cannot always be correctly identified. Therefore, when the receiver generates a key bit from the dummy signal, a mismatch occurs with the key bit of the transmitter.
そこで送受信機は、通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットについて答え合わせをする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば不一致ビットが出てくる。不一致ビットがある場合、盗聴の可能性ありと判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。 Therefore, the transmitter / receiver obtains a secret key according to a normal procedure, and then answers several test bits. If the system is operating normally, the bit information of both will match, but if there is spoofing, a mismatch bit will appear. If there is a mismatch bit, it is determined that there is a possibility of eavesdropping, and the secret key is discarded. In other words, if the test bits match, it can be determined that there was no wiretapping, and the secret key is guaranteed to be secure.
上記従来技術では、受信機は極微弱光をホモダイン検波することにより秘密鍵ビットを生成した。しかしながら、正しくホモダイン検波をするためには、局発光の周波数及び位相が安定かつ精密に制御されていなければならない。光周波数の領域でこれを実現するのは非常の困難であり、このことが上記従来技術を実装するうえでの課題となっている。 In the above prior art, the receiver generates a secret key bit by homodyne detection of extremely weak light. However, in order to correctly perform homodyne detection, the frequency and phase of the local light must be controlled stably and precisely. This is very difficult to achieve in the optical frequency region, and this is a problem in implementing the above-described conventional technology.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、ホモダイン検波を用いずに秘密鍵を供給するための量子暗号通信装置および量子暗号通信方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a quantum cryptography communication device and a quantum cryptography communication method for supplying a secret key without using homodyne detection.
このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、前記受信機は、前記送信機からの前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐手段と、前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、前記第1及び第2の経路のいずれかの伝播位相を0またはπ/2で変調する位相変調手段と、2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第1及び第2の経路が接続された光カップラーと、前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有し、前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調手段が変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the first aspect of the present invention provides a secret key in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ. A quantum cryptography communication device comprising: a transmitter that transmits an optical pulse train at a constant time interval; and a receiver that demodulates the secret key from the optical pulse train, wherein the optical power level and δ of the optical pulse train are quantum noises. Are selected so that some of the pulses phase-modulated with a phase of ± δ overlap with each other, and some of the pulses phase-modulated with a phase of π / 2 ± δ overlap with each other. Branching means for bifurcating the optical pulse train from the first path into a first path and a second path, and a delay means for giving a time difference equal to the pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path And one of the first and second paths A phase modulating means for modulating the propagation phase at 0 or [pi / 2, has input and output terminals of the 2 × 2, and the optical coupler the first and second paths to the respective input terminals are connected, the optical coupler First and second light detection means connected to output terminals of the first and second light detection means, differential detection means for generating a demodulated signal from the outputs of the first and second light detection means by differential detection, and the demodulated signal possess a threshold processing means for performing threshold processing with respect to the receiver, the time slots and the phase modulation means when said demodulated signal is less than the threshold value d is greater than or threshold -d is phase modulated Whether the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, or (b) ± It was π / 2 ± 2δ (C) Notifying the receiver whether it was the other, and based on the notification from the transmitter, the receiver has the transmission phase difference of the above (a) and the demodulated signal is greater than or equal to a threshold value d, or A bit “0” is assigned to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is the threshold −d. Or assigning bit “1” to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter, based on the notification from the receiver, In a time slot where the phase modulated by the phase modulation means is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2−2δ, or the phase modulated by the phase modulation means is π / 2 and the transmission phase difference is −2δ. Bit "0" is assigned to A bit for a time slot in which the phase modulated by the phase modulation means is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the phase modulated by the phase modulation means is π / 2 and the transmission phase difference is 2δ. A secret key bit is generated by assigning “1” .
また、本発明の第2の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、前記受信機は、前記光パルス列の各パルスの位相を0またはπ/2で変調する位相変調手段と、位相変調された前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐手段と、前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第1及び第2の経路が接続された光カップラーと、前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有し、前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調手段が変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする。 Further, the second aspect of the present invention provides an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ. A quantum cryptography communication device comprising a transmitter for transmission and a receiver for demodulating the secret key from the optical pulse train, wherein the optical power level and δ of the optical pulse train are phase-modulated with a phase of ± δ by quantum noise Are selected such that some of the generated pulses overlap, and some of the pulses phase-modulated with a phase of π / 2 ± δ overlap, and the receiver sets the phase of each pulse of the optical pulse train to 0 or a phase modulation means that modulates by π / 2, an optical branching means that bifurcates the phase-modulated optical pulse train into first and second paths, and a gap between the first path and the second path. A delay giving a time difference equal to the pulse interval of the optical pulse train. And an optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal, the first and second paths being connected to each input terminal, and a first and a first connected to the output terminal of the optical coupler, respectively. and second light detecting means, a differential detection means for generating a demodulated signal by differential detection from the output of the first and second light detecting means, and a threshold processing means for performing threshold processing on the demodulated signal Yes, and the receiver, the time slot and the or phase of the phase modulation means is modulated was 0, the transmission or was [pi / 2 when the demodulated signal is less than the threshold value d is greater than or threshold -d The transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) To the receiver. Then, based on the notification from the transmitter, the receiver determines that the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or the transmission phase difference is (b) and is demodulated. A bit “0” is assigned to a time slot where the signal is equal to or less than the threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b). And a bit “1” is assigned to a time slot whose demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter has a phase modulated by the phase modulation means of 0 based on the notification from the receiver, and A bit “0” is assigned to a time slot having a transmission phase difference of ± π / 2−2δ or a phase modulated by the phase modulation means of π / 2 and a transmission phase difference of −2δ, and the phase modulation means The phase modulated by is 0 And by assigning bit “1” to a time slot having a transmission phase difference of ± π / 2 + 2δ or a phase modulated by the phase modulation means of π / 2 and a transmission phase difference of 2δ, the secret key bit is generated and characterized in that.
また、本発明の第3の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、前記受信機は、前記送信機からの前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する第1の光分岐手段と、前記第1の光分岐手段により分岐された一方の光パルス列を第3及び第4の経路に2分岐する第2の光分岐手段と、前記第3の経路と前記第4の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第1の遅延手段と、前記第3及び第4の経路のいずれかの伝播位相を0とする第1の位相変調手段と、2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第3及び第4の経路が接続された第1の光カップラーと、前記第1の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により第1の復調信号を生成する第1の差動検波手段と、前記第1の差動検波手段が生成した第1の復調信号に対して閾値処理を行なう第1の閾値処理手段と、前記第1の光分岐手段により分岐された他方の光パルス列を第5及び第6の経路に2分岐する第3の光分岐手段と、前記第5の経路と前記第6の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第2の遅延手段と、前記第5及び第6の経路のいずれかの伝播位相をπ/2とする第2の位相変調手段と、2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第5及び第6の経路が接続された第2の光カップラーと、前記第2の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第3および第4の光検出手段と、前記第3及び第4の光検出手段の出力から差動検波により第2の復調信号を生成する第2の差動検波手段と、前記第2の差動検波手段が生成した第2の復調信号に対して閾値処理を行なう第2の閾値処理手段とを有し、前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよびそれが前記第1の復調信号であったか、前記第2の復調信号であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする。 The third aspect of the present invention provides an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ. A quantum cryptography communication device comprising a transmitter for transmission and a receiver for demodulating the secret key from the optical pulse train, wherein the optical power level and δ of the optical pulse train are phase-modulated with a phase of ± δ by quantum noise The selected pulses are selected such that a part of the pulses overlapped and a part of the pulses phase-modulated with a phase of π / 2 ± δ overlap, and the receiver selects the optical pulse train from the transmitter as a first And a first optical branching unit bifurcating into a second path, and a second optical branching unit bifurcating one of the optical pulse trains branched by the first optical branching unit into the third and fourth paths And the optical path between the third path and the fourth path. A first delay means for providing a time difference equal to the pulse interval of the scan row, the third and the first phase modulating means for either of the propagation phase and 0 of the fourth path, the 2 × 2 output terminals A first optical coupler having the input terminals connected to the third and fourth paths, and first and second optical detection means connected to the output terminals of the first optical coupler, respectively. When the a first differential detection means for generating a first demodulated signal by differential detection from the output of the first and second light detecting means, said first differential detecting means is first generated First threshold processing means for performing threshold processing on the demodulated signal, and third optical branching means for branching the other optical pulse train branched by the first optical branching means into fifth and sixth paths And the pulse interval of the optical pulse train between the fifth path and the sixth path. A correct a second delay means for providing a time difference, the second phase modulating means to said fifth and 6 [pi / 2 to one of the propagation phase of the path of the input and output terminals of the 2 × 2, A second optical coupler in which the fifth and sixth paths are connected to each input terminal; third and fourth photodetecting means connected to output terminals of the second optical coupler; and from the output of the third and fourth optical detection means and the second differential detection means for generating a second demodulated signal by differential detection, for the second demodulated signal and the second differential detecting means is generated have a second threshold value processing means for performing threshold processing Te, the receiver, the time slot and it said first demodulated signal when the demodulated signal is less than the threshold value d is greater than or threshold -d Or the second demodulated signal is notified to the transmitter. And whether the transmitter has (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) other than that, with respect to the notified time slot. To the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or the transmission phase difference is (b) ) And a bit “0” is assigned to a time slot in which the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, and the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is Bit (1) is assigned to a time slot that is (b) above and the demodulated signal is equal to or greater than the threshold value d, and the transmitter is the first demodulated signal based on the notification from the receiver. And the transmission phase difference is ± π / 2-2δ, Alternatively, bit “0” is assigned to a time slot of the second demodulated signal and the transmission phase difference is −2δ, and the first demodulated signal and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the first A secret key bit is generated by assigning bit “1” to a time slot having a demodulation signal of 2 and a transmission phase difference of 2δ .
また、本発明の第4の態様は、第1から第3の態様のいずれかにおいて、前記復調信号は、受信光振幅をAとして、{0、±Asin(2δ)、±Acos(2δ)、±A}の7値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the demodulated signal has a received light amplitude of A, {0, ± Asin (2δ), ± Acos (2δ), The distribution is spread around 7 values of ± A}.
また、本発明の第5の態様は、第4の態様において、前記閾値処理は、Asin(2δ)より大きな値に第1の閾値を設定し、- Asin(2δ)より小さな値に第2の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第1の閾値より大きいか又は前記第2の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the threshold processing sets the first threshold value to a value larger than Asin (2δ) and sets the second threshold value to a value smaller than −Asin (2δ). It is a process for setting a threshold value and determining whether the demodulated signal is larger than the first threshold value or smaller than the second threshold value.
また、本発明の第6の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とにおいて共通の秘密鍵ビットを生成するための量子暗号通信方法であって、前記受信機において、前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐ステップと、前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、前記第1及び第2の経路のいずれかの伝播位相を0またはπ/2で変調する位相変調ステップと、前記第1及び第2の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調ステップが変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むることを特徴とする。 Further, the sixth aspect of the present invention provides an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ. A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common to a transmitter to transmit and a receiver to demodulate the secret key from the pulse train , wherein the optical pulse train is a first and a second in the receiver . An optical branching step for bifurcating into two paths, a delay step for giving a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path, and the first and second paths A phase modulation step for modulating one of the propagation phases by 0 or π / 2, and an optical pulse train that has passed through the first and second paths are combined to be combined with the first and second photodetectors. A multiplexing step for outputting the optical pulse train A differential detection step of generating a demodulated signal by differential detection from the outputs of the first and second light detection means, and a threshold processing step of performing a threshold processing on the demodulated signal, wherein the light of the optical pulse train The power level and δ are selected so that some of the pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and some of the pulses phase modulated with a phase of π / 2 ± δ overlap. In the receiver, the transmitter determines whether the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and the phase modulated by the phase modulation step is 0 or π / 2. In the transmitter, whether the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, or (b) ± π / 2 ± 2δ, c) notifying the receiver whether it was other than that, and in the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, or A bit “0” is assigned to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is the threshold −d. Or assigning bit “1” to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, and based on the notification from the receiver in the transmitter, In the time slot where the phase modulated by the phase modulation step is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2−2δ, or the phase modulated by the phase modulation step is π / 2 and the transmission phase difference is −2δ. Then, bit “0” is assigned, and the phase modulated by the phase modulation step is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the phase modulated by the phase modulation step is π / 2 and the transmission phase difference There by assigning bit "1" for the time slot of the 2.delta., characterized Rukoto further comprising the step of generating a secret key bits.
また、本発明の第7の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とにおいて共通の秘密鍵ビットを生成するための量子暗号通信方法であって、前記受信機において、前記光パルス列の各パルスの位相を0またはπ/2で変調する位相変調ステップと、位相変調された前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐ステップと、前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、前記第1及び第2の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調ステップが変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むことを特徴とする。 Further, according to a seventh aspect of the present invention, an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases ± δ and π / 2 ± δ , A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common in a transmitter for transmitting and a receiver for demodulating the secret key from the pulse train , wherein the phase of each pulse of the optical pulse train is determined in the receiver. A phase modulation step of modulating the phase- modulated optical pulse train into two first and second paths, a first path and a second path, A delay step that gives a time difference equal to the pulse interval of the optical pulse train between the first and second optical detection means by combining the optical pulse train that has passed through the first and second paths Multiplexing step to output pulse train A differential detection step of generating a demodulated signal by differential detection from outputs of the first and second light detection means, and a threshold processing step of performing threshold processing on the demodulated signal, The optical power level and δ are selected so that some of the pulses that are phase-modulated with a phase of ± δ due to quantum noise overlap, and some of the pulses that are phase-modulated with a phase of π / 2 ± δ overlap. In the receiver, the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and whether the phase modulated by the phase modulation step is 0 or π / 2. The transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ or (b) ± π / 2 ± 2δ. (C) Informing the receiver whether it was other than that, and in the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, Alternatively, bit “0” is assigned to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, and the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is the threshold − bit “1” is assigned to a time slot equal to or less than d or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter is configured to receive the bit based on the notification from the receiver. A time slot in which the phase modulated by the phase modulation step is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2−2δ, or the phase modulated by the phase modulation step is π / 2 and the transmission phase difference is −2δ. Bit “0” is assigned to the phase modulation step is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the phase modulation step modulation phase is π / 2 and the transmission phase difference. Generating a secret key bit by assigning bit “1” to a time slot of 2δ .
また、本発明の第8の態様は、±δおよびπ/2±δの4つの位相のうちのいずれかの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とにおいて共通の秘密鍵ビットを生成するための量子暗号通信方法であって、前記受信機において、前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する第1の光分岐ステップと、前記第1の光分岐ステップにより光分岐された一方の光パルス列を第3及び第4の経路に2分岐する第2の光分岐ステップと、前記第3の経路と前記第4の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第1の遅延ステップと、前記第3及び第4の経路のいずれかの伝播位相を0とする第1の位相変調ステップと、前記第3及び第4の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第1の合波ステップと、前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により第1の復調信号を生成する第1の差動検波ステップと、前記第1の差動検波ステップにより生成された第1の復調信号に対して閾値処理を行なう第1の閾値処理ステップと、前記第1の光分岐ステップにより光分岐された他方の光パルス列を第5及び第6の経路に2分岐する第3の光分岐ステップと、前記第5の経路と前記第6の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第2の遅延ステップと、前記第5及び第6の経路のいずれかの伝播位相をπ/2とする第2の位相変調ステップと、前記第5及び第6の経路を通過した光パルス列を合波して第3及び第4の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第2の合波ステップと、前記第5及び第6の光検出手段の出力から差動検波により第2の復調信号を生成する第2の差動検波ステップと、前記第2の差動検波ステップにより生成された第2の復調信号に対して閾値処理を行なう第2の閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよびそれが前記第1の復調信号であったか、前記第2の復調信号であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むことを特徴とする。 Further, an eighth aspect of the present invention provides an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ. A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common to a transmitter to transmit and a receiver to demodulate the secret key from the pulse train , wherein the optical pulse train is a first and a second in the receiver . A first optical branching step that branches into two paths, and a second optical branching step that splits one of the optical pulse trains optically branched by the first optical branching step into the third and fourth paths. A first delay step that gives a time difference equal to the pulse interval of the optical pulse train between the third path and the fourth path, and the propagation phase of any of the third and fourth paths is 0 a first phase modulating step of the said A first combining step for combining the optical pulse trains that have passed through the third and fourth paths and outputting the combined optical pulse train to the first and second light detection means; and the first and second light components a first differential detection step of generating a first demodulated signal by differential detection from the output of the detection means, performs threshold processing on the first demodulated signal generated by the first differential detection step A first threshold value processing step, a third optical branching step for bifurcating the other optical pulse train optically branched by the first optical branching step into fifth and sixth paths, and the fifth path A second delay step for giving a time difference equal to the pulse interval of the optical pulse train to the sixth path, and a propagation phase of any one of the fifth and sixth paths to be π / 2 Phase modulation step and passed through the fifth and sixth paths A second combining step for combining the optical pulse trains and outputting the combined optical pulse trains to the third and fourth light detection means; and differential detection from the outputs of the fifth and sixth light detection means. A second differential detection step for generating a second demodulated signal; and a second threshold processing step for performing threshold processing on the second demodulated signal generated by the second differential detection step. The optical power level and δ of the optical pulse train are such that some of the pulses that are phase-modulated with a phase of ± δ due to quantum noise overlap, and some of the pulses that are phase-modulated with a phase of π / 2 ± δ In the receiver, a time slot when the demodulated signal is greater than a threshold d or less than a threshold −d and whether it was the first demodulated signal or the second demodulated signal at the receiver. Whether it was a signal (B) ± π / 2 ± 2δ, (c) Whether the transmission phase difference of the pulses related to the notified time slot is (a) ± 2δ, or (c) ) Notifying the receiver of whether it was other than that, and in the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or A bit “0” is assigned to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, and the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d. Or assigning bit “1” to a time slot in which the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is greater than or equal to a threshold value d, and the transmitter, based on the notification from the receiver, First And a bit “0” is assigned to a time slot with a transmission phase difference of ± π / 2-2δ or the second demodulation signal and a transmission phase difference of −2δ, A secret key bit is generated by assigning bit “1” to a time slot that is a demodulated signal and has a transmission phase difference of ± π / 2 + 2δ or the second demodulated signal and has a transmission phase difference of 2δ. And further comprising a step .
また、本発明の第9の態様は、第6から第8の態様のいずれかにおいて、前記復調信号は、受信光振幅をAとして、{0、±Asin(2δ)、±Acos(2δ)、±A}の7値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする。 A ninth aspect of the present invention is the demodulated signal according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the demodulated signal has a received light amplitude of A, {0, ± Asin (2δ), ± Acos (2δ), The distribution is spread around 7 values of ± A}.
また、本発明の第10の態様は、第9の態様において、前記閾値処理は、Asin(2δ)より大きな値に第1の閾値を設定し、- Asin(2δ)より小さな値に第2の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第1の閾値より大きいか又は前記第2の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, the threshold processing sets the first threshold value to a value larger than Asin (2δ), and sets the second threshold value to a value smaller than −Asin (2δ). It is a process for setting a threshold value and determining whether the demodulated signal is larger than the first threshold value or smaller than the second threshold value.
本発明によれば、直接光強度を検出する光検出器を用いて、暗号通信用の秘密鍵を安全に供給することができる。従来技術のように、極微弱光をホモダイン検出する必要がないので、実用性の高い量子暗号通信装置および量子暗号通信方法が提供できる。 According to the present invention, a secret key for cryptographic communication can be safely supplied using a photodetector that directly detects light intensity. Unlike the prior art, since it is not necessary to perform homodyne detection of extremely weak light, a highly practical quantum cryptography communication device and quantum cryptography communication method can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図3は、本発明の第1の実施形態に係る量子暗号通信装置の構成図である。図3において、送信機310は、光源311及び位相変調器312を備える。光源311は、一定間隔のコヒーレント光パルス列を出力する。位相変調器312は各パルスの位相を、-δ若しくは δ、又は (π/2 - δ) 若しくは (π/2 + δ)、で変調する。ここで、光パワーレベル(後述の実数振幅Aの2乗)と位相δは、次に述べる関係を満たしているものとする。
(First embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram of the quantum cryptography communication device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the
一般に光電場の状態は、複素振幅空間上の点で表わされる。ただし、従来技術の説明においても述べたように、コヒーレント光には必然的に量子雑音が伴っているため、厳密にはある点を中心として拡がった円で表わされる。いまの場合、出力されるのは、A×exp[-iδ]、A×exp[iδ]、A×exp[i(π/2 - δ)]、A×exp[i(π/2 + δ)]、の4状態であるが(Aは実数振幅を表わす定数)、これらが図4に示す関係を満たしているものとする。すなわち、A×exp[-iδ]とA×exp[iδ]は量子雑音のため状態の一部が重なり合い、A×exp[i(π/2 - δ)]とA×exp[i(π/2 + δ)]は量子雑音のため状態の一部が重なり合っている。ここで、4状態は図4のように重なり合っていればよく、δを適切に選べば、従来技術のように極微弱光である必要はない。 In general, the state of the photoelectric field is represented by a point on a complex amplitude space. However, as described in the description of the prior art, since coherent light inevitably involves quantum noise, it is strictly expressed by a circle extending around a certain point. In this case, the outputs are A × exp [−iδ], A × exp [iδ], A × exp [i (π / 2−δ)], A × exp [i (π / 2 + δ). )] (A is a constant representing the real number amplitude), and these satisfy the relationship shown in FIG. That is, A × exp [−iδ] and A × exp [iδ] partially overlap with each other due to quantum noise, and A × exp [i (π / 2−δ)] and A × exp [i (π / 2 + δ)] partly overlaps due to quantum noise. Here, the four states need only overlap as shown in FIG. 4, and if δ is appropriately selected, it is not necessary to be extremely weak light as in the prior art.
受信機320は、光分岐手段321と、分岐した一方の伝播位相を変調する変調手段322と、2×2光カップラー323と、2つの光検出器324及び325とを備える。受信機320へ入力された光は、光分岐手段321により2分岐され、一方に遅延時間を与えられた後、光カップラー323により再び合波される。一方の経路は遅延手段として機能しているとも言える。ここで、遅延時間は入力されたパルス列のパルス間隔に等しいものとする。また、2分岐された一方の経路上には位相を変調する変調手段322が設けられ、これにより伝播光の位相が0またはπ/2で変調される。光分岐手段321により分岐された2つの経路が入力端子に接続された光カップラー323の2つの出力端子には、それぞれ光検出器324及び325が接続されている。2つの光検出器324及び325からの出力は、差動検波手段326により差動検波される。
The
以上の構成により、送信機310は-δ 若しくは δ又は(π/2 - δ) 若しくは (π/2 + δ)でランダムに位相変調した一定間隔(パルス間隔)の光パルス列を送出する。受信機320は、光伝送路を経て送信機310より伝送されてきたパルス列を、光分岐手段321に入力する。分岐された光パルス列は、光カップラー323で再び合波され、光子検出器324及び325にてそれぞれ検出される。
With the above configuration, the
このように受信回路を構成すると、受信機320の光カップラー323では、前後のパルスが重なり合い、干渉を起こす。干渉の様子は、次のように記述される。
When the receiving circuit is configured in this manner, the
いま、長経路を通る光パルス1と短経路を通る光パルス2を考え、光カップラー321入力前の光電場をそれぞれ
Now, consider the
と表わす。光パルス1は、長経路から光カップラー323を経て光検出器324および光検出器325へ到達する。光パルス1の光検出器324における光電場E1(D1)および光検出器325における光電場E1(D2)は、次のように表わされる。
It expresses. The
ここで、θbは長経路上で印加される位相である。一方、光パルス2は、短経路から光カップラー323を経て光検出器324および光検出器325へ到達する。光パルス2の光検出器324における光電場E2(D1)および光検出器325における光電場E2(D2)は、次のように表わされる。
Here, θ b is a phase applied on the long path. On the other hand, the
以上より、光検出器324へ入力される光電場E(D1)は、
From the above, the photoelectric field E (D1) input to the
光検出器325へ入力される光電場E(D2)は、
The photoelectric field E (D2) input to the
となる。なおここで、Δθ = θ1 - θ2とした。 It becomes. Here, Δθ = θ 1 −θ 2 .
式(3)及び(4)より、光検出器324からの出力I1および光検出器325からの出力I2は、それぞれ次のように表わされる。
From Expressions (3) and (4), the output I 1 from the
さらに、これの差動検波出力Sは、 Furthermore, this differential detection output S is
となる。 It becomes.
上記のように、差動検出出力(=復調信号)の値はΔθおよびθbによって決まる。いまの場合、θ1,2 = {-δ, δ, π/2 - δ, π/2 + δ}なので、Δθは{0, ±2δ, -π/2, -π/2±2δ, π/2, π/2±2δ}のいずれかである。ここで、Δθがどの値となるかの確率はθ1とθ2の組み合わせの数によって決まる。表2に各値の出現比率をまとめておく。また、θbは{0, π/2}のいずれかであり、その比率は1:1である。これらより、Sは{0, ±Asin(2δ), ±Acos(2δ), ±A}のいずれかとなる。Sを与えるΔθとθbの組み合わせを表3にまとめておく。 As described above, the value of the differential detection output (= demodulated signal) is determined by Δθ and theta b. In this case, θ 1,2 = {-δ, δ, π / 2-δ, π / 2 + δ}, so Δθ is {0, ± 2δ, -π / 2, -π / 2 ± 2δ, π / 2, π / 2 ± 2δ}. Here, the probability that Δθ will be determined is determined by the number of combinations of θ 1 and θ 2 . Table 2 summarizes the appearance ratio of each value. Further, θ b is any one of {0, π / 2}, and the ratio is 1: 1. Accordingly, S is any one of {0, ± Asin (2δ), ± Acos (2δ), ± A}. Table 3 summarizes the combinations of Δθ and θ b that give S.
上記S = {0, ±Asin(2δ), ±Acos(2δ), ±A}は揺らぎが無いとしたときの受信特性であり、実際には、量子雑音により、復調信号分布はこれらの値を中心に拡がることになる。図5(a)は、θb = 0の場合の復調信号分布、図5(b)は、θb = π/2の場合の復調信号分布である。図4のように{A, δ}が設定されているため、0及び±Asin(2δ)を中心とする信号分布は、その一部が重なり合っている。 The above S = {0, ± Asin (2δ), ± Acos (2δ), ± A} is the reception characteristic when there is no fluctuation. Actually, the demodulated signal distribution has these values due to quantum noise. It will spread to the center. 5A shows a demodulated signal distribution when θ b = 0, and FIG. 5B shows a demodulated signal distribution when θ b = π / 2. Since {A, δ} is set as shown in FIG. 4, the signal distributions centered on 0 and ± Asin (2δ) partially overlap.
この復調信号分布に対し、受信機は、閾値処理手段(図示せず)により図6に示すように閾値±dを設定する。すなわち、Asin(2δ)より大きくかつAsin(2δ)を中心とする信号が分布している範囲内の値に閾値dを、-Asin(2δ)より小さくかつ-Asin(2δ)を中心とする信号が分布している範囲内の値に閾値-dを、それぞれ設定する。 For this demodulated signal distribution, the receiver sets a threshold ± d as shown in FIG. 6 by threshold processing means (not shown). That is, the threshold value d is set to a value within a range in which a signal larger than Asin (2δ) and centered on Asin (2δ) is distributed, and the signal smaller than -Asin (2δ) and centered on -Asin (2δ). The threshold value -d is set to each value within the range in which is distributed.
上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機と受信機は共通のビットを得る。(1)送信機310と受信機320は、必要な長さの光パルス列を送受信する。(2)受信機320は送信機310に、復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値-dより小さかったときの時間スロット、および遅延経路上の変調位相θbが0であったかπ/2であったか、を通知する。(3)送信機310は受信機320に、受信機320から通知された時間スロットに関わるパルスの位相差が(a){±2δ}であったか、(b){±π/2±2δ}であったか、(c)それ以外であったか、を通知する。ただし、(a)〜(c)の3パターンのうちのどれかを通知するのみで、さらに詳細な値(例えば、2δか-2δか)は教えない。(4)受信機320は、送信機310の位相差がパターン(a)かつ復調信号が閾値d以上、または、送信機310の位相差がパターン(b)かつ復調信号が閾値-d以下、の時間スロットに対してビット「0」を割り当てる。また、送信機310の位相差がパターン(a)かつ復調信号が閾値-d以下、または、送信機310の位相差がパターン(b)かつ復調信号が閾値d以上、の時間スロットに対してビット「1」を割り当てる。(5)送信機310は、受信機320から通知された時間スロットについて、干渉計位相差が0かつ送信位相差が±π/2 - 2δ、または干渉計位相差がπ/2かつ送信位相差が-2δ、ならばビット「0」を割り当てる。また、干渉計位相差が0かつ送信位相差が±π/2 + 2δ、または干渉計位相差がπ/2かつ送信位相差が2δ、ならばビット「1」を割り当てる。以上の手順で生成したビット値は、送受信機でほぼ同一となる。これを秘密鍵ビットとする。
Using the above configuration and operating characteristics, the transmitter and the receiver obtain a common bit by the following procedure. (1) The
以上により生成した秘密鍵の安全性は、従来技術と同様に考えることができる。 The security of the secret key generated as described above can be considered in the same way as in the prior art.
伝送信号の一部を分岐/保存する盗聴方法の場合、盗聴者はAsin(2δ)を中心とする信号とAsin(2δ) を中心とする信号を識別することになるが、図6に示すように両者の分布は一部重なり合っているため識別誤りが起こり、正しい秘密鍵は得られない。 In the case of an eavesdropping method in which a part of a transmission signal is branched / stored, an eavesdropper distinguishes a signal centered on Asin (2δ) and a signal centered on Asin (2δ), as shown in FIG. In addition, since the distributions of both overlap, identification errors occur and a correct secret key cannot be obtained.
なりすまし盗聴の場合、盗聴者は図4に示す4状態を識別する必要があるが、ホモダイン検波でこれを行なうとすると、信号を2分岐したうえで、それぞれを局発光位相θL = 0とθL =π/2で測定することになり、量子雑音及び分岐による信号対雑音比劣化のため、4状態を常に正しく識別することはできない。そのため、受信機320がダミー信号から鍵ビットを生成すると、送信機310の鍵ビットとの間に不一致が生じ、これより盗聴が発覚する。
In the case of spoofing, it is necessary for the eavesdropper to identify the four states shown in FIG. 4. However, if this is performed by homodyne detection, the signal is split into two and then the local light emission phases θ L = 0 and θ The measurement is performed with L = π / 2, and the four states cannot always be correctly identified due to deterioration of the signal-to-noise ratio due to quantum noise and branching. Therefore, when the
上記のように、本実施形態においては、従来技術と同様のメカニズムにより、安全な秘密鍵が生成される。ただし、実装上の大きな違いは、従来技術が極微弱光をホモダイン受信していたのに対し、本実施形態では、ある程度のパワーレベルの信号光を直接強度検出している点である。そのため、高度なホモダイン検出技術が必要ではなく、より実用性の高い方式であるといえる。 As described above, in the present embodiment, a secure secret key is generated by the same mechanism as in the conventional technology. However, the major difference in mounting is that, while the prior art has received very weak light with homodyne, this embodiment directly detects the intensity of signal light of a certain power level. Therefore, an advanced homodyne detection technique is not necessary, and it can be said that the method is more practical.
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、受信機320は遅延経路上の位相θbにより前後のパルス間の位相差に{0, π/2}の変調を加えていたが、同様の機能は、図7の構成によっても実現できる。第2の実施形態の受信機720は、干渉計の前段で、各パルスに対して{0, π/2}の位相変調を加えるように構成されている。受信機320の位相変調の目的は、前後のパルスの位相差に0またはπ/2の位相差を付与することにあるので、このような構成によっても第1の実施形態と同様の機能を得ることができる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the
(第3の実施形態)
第1及び第2の実施形態と同様の受信機の機能は、図8の構成によっても実現できる。本実施形態の受信機820は、伝送されてきた信号を光カップラー又は光スイッチで2分岐し、それぞれ、位相差0の干渉計と位相差π/2の干渉計を透過するように構成されている。このように構成すると、位相差0の干渉計出力で復調信号が閾値を越えることと、第1の実施形態においてθb = 0かつ閾値越えとなったことと等価となり、また、位相差π/2の干渉計出力で復調信号が閾値を超えることと、第1の実施形態においてθb = π/2かつ閾値越えとなったことと等価となる。したがって、本実施形態によっても第1の実施形態と同様にして安全な秘密鍵を得ることができる。
(Third embodiment)
The function of the receiver similar to that of the first and second embodiments can also be realized by the configuration of FIG. The
310 送信機
311 光源
312 位相変調器
320 受信機
321 光分岐手段
322 変調手段
323 2×2光カップラー(光カップラーに対応)
324、325 光検出器(光検出手段に対応)
326 差動検出手段
310
324, 325 Photodetector (corresponding to photodetection means)
326 Differential detection means
Claims (10)
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記送信機からの前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐手段と、
前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、
前記第1及び第2の経路のいずれかの伝播位相を0またはπ/2で変調する位相変調手段と、
2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第1及び第2の経路が接続された光カップラーと、
前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有し、
前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調手段が変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、
前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする量子暗号通信装置。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ;
A quantum cryptography communication device comprising a receiver for demodulating the secret key from the optical pulse train,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. Selected as
The receiver
Optical branching means for bifurcating the optical pulse train from the transmitter into first and second paths;
Delay means for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path;
Phase modulation means for modulating the propagation phase of any of the first and second paths by 0 or π / 2;
An optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal and having the first and second paths connected to each input terminal;
First and second light detection means respectively connected to output terminals of the optical coupler;
Differential detection means for generating a demodulated signal from the outputs of the first and second light detection means by differential detection;
It possesses a threshold processing means for performing threshold processing on the demodulated signal,
The receiver notifies the transmitter whether the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and the phase modulated by the phase modulation means was 0 or π / 2. At the same time, whether the transmitter has (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) other than that, the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot To the receiver,
Based on the notification from the transmitter, the receiver determines that the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold value d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot in which the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter, based on the notification from the receiver, has a phase modulated by the phase modulation means of 0 and a transmission level. A bit “0” is assigned to a time slot in which the phase difference is ± π / 2−2δ or the phase modulated by the phase modulation means is π / 2 and the transmission phase difference is −2δ, and the phase modulation means modulates Phase is 0 and By assigning bit "1" to the signal phase difference ± π / 2 + 2δ or the phase modulation means is a phase [pi / 2 was modulated and time slot difference transmission phase 2.delta.,, Generating a secret key bit A quantum cryptography communication device.
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記光パルス列の各パルスの位相を0またはπ/2で変調する位相変調手段と、
前記位相変調手段が位相変調した前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐手段と、
前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、
2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第1及び第2の経路が接続された光カップラーと、
前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有し、
前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調手段が変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、
前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調手段が変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調手段が変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする量子暗号通信装置。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ;
A quantum cryptography communication device comprising a receiver for demodulating the secret key from the optical pulse train,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. Selected as
The receiver
Phase modulation means for modulating the phase of each pulse of the optical pulse train by 0 or π / 2;
Optical branching means for branching the optical pulse train phase-modulated by the phase modulation means into first and second paths;
Delay means for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path;
An optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal and having the first and second paths connected to each input terminal;
First and second light detection means respectively connected to output terminals of the optical coupler;
Differential detection means for generating a demodulated signal from the outputs of the first and second light detection means by differential detection;
It possesses a threshold processing means for performing threshold processing on the demodulated signal,
The receiver notifies the transmitter whether the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and the phase modulated by the phase modulation means was 0 or π / 2. At the same time, whether the transmitter has (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) other than that, the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot To the receiver,
Based on the notification from the transmitter, the receiver determines that the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold value d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot in which the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter, based on the notification from the receiver, has a phase modulated by the phase modulation means of 0 and a transmission level. A bit “0” is assigned to a time slot in which the phase difference is ± π / 2−2δ or the phase modulated by the phase modulation means is π / 2 and the transmission phase difference is −2δ, and the phase modulation means modulates Phase is 0 and By assigning bit "1" to the signal phase difference ± π / 2 + 2δ or the phase modulation means is a phase [pi / 2 was modulated and time slot difference transmission phase 2.delta.,, Generating a secret key bit A quantum cryptography communication device.
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記送信機からの前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する第1の光分岐手段と、
前記第1の光分岐手段により分岐された一方の光パルス列を第3及び第4の経路に2分岐する第2の光分岐手段と、
前記第3の経路と前記第4の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第1の遅延手段と、
前記第3及び第4の経路のいずれかの伝播位相を0とする第1の位相変調手段と、
2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第3及び第4の経路が接続された第1の光カップラーと、
前記第1の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第1および第2の光検出手段と、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により第1の復調信号を生成する第1の差動検波手段と、
前記第1の差動検波手段が生成した第1の復調信号に対して閾値処理を行なう第1の閾値処理手段と、
前記第1の光分岐手段により分岐された他方の光パルス列を第5及び第6の経路に2分岐する第3の光分岐手段と、
前記第5の経路と前記第6の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第2の遅延手段と、
前記第5及び第6の経路のいずれかの伝播位相をπ/2とする第2の位相変調手段と、
2×2の入出力端子を有し、各入力端子に前記第5及び第6の経路が接続された第2の光カップラーと、
前記第2の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第3および第4の光検出手段と、
前記第3及び第4の光検出手段の出力から差動検波により第2の復調信号を生成する第2の差動検波手段と、
前記第2の差動検波手段が生成した第2の復調信号に対して閾値処理を行なう第2の閾値処理手段とを有し、
前記受信機が、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよびそれが前記第1の復調信号であったか、前記第2の復調信号であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機が、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知し、
前記受信機が、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機は、受信機からの前記通知に基づいて、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成することを特徴とする量子暗号通信装置。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ;
A quantum cryptography communication device comprising a receiver for demodulating the secret key from the optical pulse train,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. Selected as
The receiver
First optical branching means for bifurcating the optical pulse train from the transmitter into first and second paths;
Second optical branching means for bifurcating one optical pulse train branched by the first optical branching means into third and fourth paths;
First delay means for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the third path and the fourth path;
First phase modulation means for setting the propagation phase of any of the third and fourth paths to 0;
A first optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal and having the third and fourth paths connected to each input terminal;
First and second light detection means respectively connected to output terminals of the first optical coupler;
A first differential detection means for generating a first demodulated signal by differential detection from the output of the first and second light detecting means,
A first threshold value processing means for performing threshold processing on the first demodulated signal of the first differential detection means is generated,
Third optical branching means for bifurcating the other optical pulse train branched by the first optical branching means into fifth and sixth paths;
Second delay means for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the fifth path and the sixth path;
Second phase modulation means for setting the propagation phase of any of the fifth and sixth paths to π / 2;
A second optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal and having the fifth and sixth paths connected to each input terminal;
Third and fourth light detection means respectively connected to output terminals of the second optical coupler;
A second differential detection means for generating a second demodulated signal by differential detection from the output of said third and fourth optical detection means,
Have a second threshold value processing means for performing threshold processing with respect to the second demodulated signal and the second differential detecting means is generated,
Said receiver, said one demodulated signals was the time slot and it said first demodulated signal when smaller than the threshold value d is greater than or threshold -d, whether a second demodulation signal to the transmitter And the transmitter transmits (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) otherwise, the transmission phase difference of the pulses related to the notified time slot. Notify the receiver if it was,
Based on the notification from the transmitter, the receiver determines that the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold value d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot whose demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d , and the transmitter is the first demodulated signal and has a transmission phase difference of ± π based on the notification from the receiver. / 2-2δ, or the second demodulated signal and a bit slot “0” is assigned to a time slot having a transmission phase difference of −2δ, and the first demodulated signal and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the second demodulated signal There and by difference transmission phase assigns a bit "1" for the time slot of the 2.delta., Quantum cryptography communication device and generating a secret key bits.
前記受信機において、
前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐ステップと、
前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、
前記第1及び第2の経路のいずれかの伝播位相を0またはπ/2で変調する位相変調ステップと、
前記第1及び第2の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、
前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調ステップが変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、
前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むることを特徴とする量子暗号通信方法。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ, and A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common to a receiver that demodulates a secret key ,
In the receiver,
An optical branching step of bifurcating the optical pulse train into first and second paths;
A delay step for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path;
A phase modulation step of modulating the propagation phase of any of the first and second paths by 0 or π / 2;
A combining step of combining the optical pulse train that has passed through the first and second paths and outputting the combined optical pulse train to the first and second light detection means;
A differential detection step of generating a demodulated signal by differential detection from the outputs of the first and second light detection means;
A threshold processing step for performing threshold processing on the demodulated signal,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. It has been selected as,
In the receiver, the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and whether the phase modulated by the phase modulation step is 0 or π / 2 is notified to the transmitter. In addition, in the transmitter, whether the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) other than that Informing the receiver of:
In the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot whose demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter modulates the phase modulated by the phase modulation step based on the notification from the receiver and transmits the bit. A bit “0” is assigned to a time slot having a phase difference of ± π / 2−2δ or a phase modulated by the phase modulation step of π / 2 and a transmission phase difference of −2δ, and the phase modulation step A bit “1” is assigned to a time slot in which the modulated phase is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the phase modulated by the phase modulation step is π / 2 and the transmission phase difference is 2δ. it makes quantum cryptography communication method comprising Rukoto further comprising the step of generating a secret key bits.
前記受信機において、
前記光パルス列の各パルスの位相を0またはπ/2で変調する位相変調ステップと、
位相変調された前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する光分岐ステップと、
前記第1の経路と前記第2の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、
前記第1及び第2の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、
前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよび前記位相変調ステップが変調した位相が0であったか、π/2であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、
前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記位相変調ステップが変調した位相が0でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記位相変調ステップが変調した位相がπ/2でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むことを特徴とする量子暗号通信方法。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ, and the secret from the pulse train A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common to a receiver that demodulates a key,
In the receiver,
A phase modulation step of modulating the phase of each pulse of the optical pulse train by 0 or π / 2;
An optical branching step of bifurcating the phase-modulated optical pulse train into first and second paths;
A delay step for providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the first path and the second path;
A combining step of combining the optical pulse train that has passed through the first and second paths and outputting the combined optical pulse train to the first and second light detection means;
A differential detection step of generating a demodulated signal by differential detection from the outputs of the first and second light detection means;
A threshold processing step for performing threshold processing on the demodulated signal,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. It has been selected as,
In the receiver, the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and whether the phase modulated by the phase modulation step is 0 or π / 2 is notified to the transmitter. In addition, in the transmitter, whether the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) other than that Informing the receiver of:
In the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot in which the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and in the transmitter, the phase modulated by the phase modulation step is 0 based on the notification from the receiver, and the transmission level A bit “0” is assigned to a time slot having a phase difference of ± π / 2−2δ or a phase modulated by the phase modulation step of π / 2 and a transmission phase difference of −2δ, and the phase modulation step is changed. Bit “1” is assigned to a time slot in which the phase is 0 and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ, or the phase modulated by the phase modulation step is π / 2 and the transmission phase difference is 2δ. And a step of generating a secret key bit .
前記受信機において、
前記光パルス列を第1及び第2の経路に2分岐する第1の光分岐ステップと、
前記第1の光分岐ステップにより光分岐された一方の光パルス列を第3及び第4の経路に2分岐する第2の光分岐ステップと、
前記第3の経路と前記第4の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第1の遅延ステップと、
前記第3及び第4の経路のいずれかの伝播位相を0とする第1の位相変調ステップと、
前記第3及び第4の経路を通過した光パルス列を合波して第1及び第2の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第1の合波ステップと、
前記第1及び第2の光検出手段の出力から差動検波により第1の復調信号を生成する第1の差動検波ステップと、
前記第1の差動検波ステップにより生成された第1の復調信号に対して閾値処理を行なう第1の閾値処理ステップと、
前記第1の光分岐ステップにより光分岐された他方の光パルス列を第5及び第6の経路に2分岐する第3の光分岐ステップと、
前記第5の経路と前記第6の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第2の遅延ステップと、
前記第5及び第6の経路のいずれかの伝播位相をπ/2とする第2の位相変調ステップと、
前記第5及び第6の経路を通過した光パルス列を合波して第3及び第4の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第2の合波ステップと、
前記第5及び第6の光検出手段の出力から差動検波により第2の復調信号を生成する第2の差動検波ステップと、
前記第2の差動検波ステップにより生成された第2の復調信号に対して閾値処理を行なう第2の閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されており、
前記受信機において、前記復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値−dより小さかったときの時間スロットおよびそれが前記第1の復調信号であったか、前記第2の復調信号であったかを前記送信機に通知するとともに、前記送信機において、前記通知された時間スロットに関わるパルスの送信位相差が、(a)±2δであったか、(b)±π/2±2δであったか、(c)それ以外であったかを受信機に通知するステップと、
前記受信機において、送信機からの前記通知に基づいて、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値d以上、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値−d以下の時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記送信位相差が上記(a)でありかつ復調信号が閾値−d以下、または前記送信位相差が上記(b)でありかつ復調信号が閾値d以上の時間スロットに対してビット「1」を割り当てるとともに、前記送信機において、受信機からの前記通知に基づいて、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2−2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が−2δの時間スロットに対してビット「0」を割り当て、前記第1の復調信号でありかつ送信位相差が±π/2+2δ、または前記第2の復調信号でありかつ送信位相差が2δの時間スロットに対してビット「1」を割り当てることにより、秘密鍵ビットを生成するステップとをさらに含むことを特徴とする量子暗号通信方法。 A transmitter for transmitting an optical pulse train having a constant time interval representing a secret key, in which each pulse is phase-modulated in any one of four phases of ± δ and π / 2 ± δ, and the secret from the pulse train A quantum cryptography communication method for generating a secret key bit common to a receiver that demodulates a key,
In the receiver,
A first optical branching step for bifurcating the optical pulse train into first and second paths;
A second optical branching step of branching one optical pulse train optically branched by the first optical branching step into a third and a fourth path;
A first delay step for providing a time difference between the third path and the fourth path equal to a pulse interval of the optical pulse train;
A first phase modulation step in which the propagation phase of any of the third and fourth paths is 0;
A first combining step of combining the optical pulse trains that have passed through the third and fourth paths and outputting the combined optical pulse train to the first and second light detection means;
A first differential detection step of generating a first demodulated signal by differential detection from the output of the first and second light detecting means,
A first threshold value processing step of performing threshold processing on first demodulated signal generated by the first differential detection step,
A third optical branching step for bifurcating the other optical pulse train optically branched by the first optical branching step into fifth and sixth paths;
A second delay step providing a time difference equal to a pulse interval of the optical pulse train between the fifth path and the sixth path;
A second phase modulation step in which the propagation phase of any of the fifth and sixth paths is π / 2;
A second combining step of combining the optical pulse trains that have passed through the fifth and sixth paths and outputting the combined optical pulse train to the third and fourth photodetecting means;
A second differential detector generating a second demodulated signal by differential detection from the output of said fifth and sixth light detection means,
And a second threshold value processing step of performing threshold processing with respect to the second demodulated signal generated by the second differential detection step,
Regarding the optical power level and δ of the optical pulse train, a part of pulses modulated by quantum noise with a phase of ± δ overlap, and a part of pulses modulated by a phase of π / 2 ± δ overlap. It has been selected as,
In the receiver, the time slot when the demodulated signal is larger than the threshold value d or smaller than the threshold value −d and whether it is the first demodulated signal or the second demodulated signal are sent to the transmitter. At the transmitter, whether the transmission phase difference of the pulse related to the notified time slot is (a) ± 2δ, (b) ± π / 2 ± 2δ, or (c) otherwise A step of notifying the receiver of the occurrence,
In the receiver, based on the notification from the transmitter, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is greater than or equal to the threshold d, or the transmission phase difference is (b) and the demodulated signal is Bit “0” is assigned to a time slot equal to or less than a threshold −d, the transmission phase difference is (a) and the demodulated signal is equal to or less than the threshold −d, or the transmission phase difference is (b) and A bit “1” is assigned to a time slot in which the demodulated signal is equal to or greater than a threshold value d, and the transmitter is the first demodulated signal and the transmission phase difference is ± π based on the notification from the receiver. / 2-2δ, or the second demodulated signal and a bit slot “0” is assigned to a time slot having a transmission phase difference of −2δ, and the first demodulated signal and the transmission phase difference is ± π / 2 + 2δ or the second And generating a secret key bit by assigning a bit “1” to a time slot having a transmission phase difference of 2δ .
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