JP5144733B2

JP5144733B2 - 偏光制御エンコーダ及び量子鍵分配システム

Info

Publication number: JP5144733B2
Application number: JP2010223920A
Authority: JP
Inventors: 正甫韓; 冰朱; 小范莫; 光▲カン▼ 郭
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: EP2874343A1; JP2007535228A; US20080037998A1; EP2874343B1; WO2005076517A1; EP1713195A1; CN1651947A; US8331797B2; EP1713195A4; JP2011050072A

Description

本発明は、光伝送秘密通信技術分野に属し、特に量子鍵分配における符号化方法及び装置に関する。

従来の量子鍵分配は、光子偏光を用いて符号化することになり、このような方式は、自由空間通信に適するが光ファイバー通信体系に適しない。その理由として、普通の光ファイバーは対称性があまり良くなく、伝送経路中の干渉は光の偏光状態に対する影響として現れるので、その中に伝送するときの光の偏光状態を保持できなくなり、偏光符号化も光ファイバーに使用することが好適ではないからである。特許文献１（米国特許第５３０７４１０号明細書）には、一対の非対称アームのマッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計による位相符号化量子鍵分配の技術が開示されており、その受信装置と送信装置内の光パルスは、それぞれマッハツェンダ干渉計の異なるアームを通じており、異なるアームによる干渉が完全に一致することがあり得ないため、互いに完全相殺されることができなくなるので、安定性が悪く、耐干渉の能力が低下する。また、二つの光子パルスはマッハツェンダ干渉計の異なるアームを介して異なる光路を通じ、量子チャンネルに入るときに二つの光子パルスの偏光状態を一定関係に保証できないので、量子チャンネル中の干渉を受けやすく、長程量子鍵分配に際してこのような干渉は特にひどくなり、当該技術の複数の変形例の何れも実質性の改善がなされていない。

双不対称アームＭ−Ｚ干渉計に存在した安定性問題に鑑みて、非特許文献１（米国「応用物理速報」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７（７），７９３（１９９７））は、ファラデーミラーによって二つの光パルスを送信点と受信点との間に一回往復させ、各光パルスは全ての光路を一回通して自己補償の効果を奏することができる技術を提案した。この技術は、光子パルスが二回往復で同じ位置を通るときに干渉信号まで変化されなく、光パルスに受ける干渉が一致しており、重なるときに干渉効果が互いに相殺されて耐干渉及び安定化になる目的を達成すると想定される。しかしながら、実際にこのような安定化は、伝送距離がそれほど長くない、かつ干渉周波数があまり高くない場合のみに有効であり、伝送距離が長くなると、光パルスの同一位置を往復に要する時間差が増えるとともに、耐干渉能力も低下する。また、光パルスは量子チャンネルにおいて二回往復することが必要であるので、チャンネルの合計損失は実際量子チャンネルの二倍の長さによる損失と等しくなり、通常、このような欠陥は往路強光と復路単光子の方法を採用して補償するが、このような補償方法は、従来の強減衰レーザ光パルスによって単光子源を模擬する場合のみに適用する。理想量子鍵分配の光源は単光子源であるべきだが、現在、理想的な単光子源がまだ実用化されておらず、理想的な単光子源を使用すると、このような技術案の限界伝送距離は単に現在の半分である。さらに、より悪い欠陥は、このような技術案に下記の安全問題が隠れている。即ち、盗聴者は、受信領域に入る前の強信号を比例減衰し、動作波長とごく近接する波長を有する木馬信号（ダミーシグナル）により補充して、受信領域内のトータルモニター信号強度を変化させず、即ち信号強度モニターを無効にさせる。信号が帰還するときに、盗聴者は木馬信号を分離して信号に載せた情報が検出され、更に原始信号光子を「スーパー低損失チャンネル」を介して送信者に回送することができる。盗聴者は信号減衰比例を適当に制御すれば、システムの受信レートに影響を与えず送信者に知られることはない。情報安全技術にとっては、このような盗聴問題が致命的である。

米国特許第５３０７４１０号明細書

米国「応用物理速報」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７（７），７９３（１９９７）

本発明は、二つのユーザとの間で盗聴されない量子鍵を形成し、鍵の無条件安全分配を実現できる偏光制御符号化方法、当該方法による偏光制御エンコーダ及びこのようなエンコーダからなる量子鍵分配システムを提供する。

本発明による偏光制御符号化方法は、入射された一つの光パルスを二つの光パルスに分波し、両者に対して相対遅延を行い、さらにこの二つのパルスを一つの経路で合波して出力し、分波又は合波した後でこの二つの光パルスの少なくとも一つを量子鍵分配プロトコルに従って位相変調する、即ち符号化、分波から合波までのプロセスでは、出力された二つの光パルスの偏光状態を制御して、合波後に出力されたこの二つの光パルスの偏光状態が同じであるようにすることを特徴とする。

合波後に出力されたこの二つの光パルスの偏光状態が同じであるようにする前記制御方法は、二つの光パルスを分波から合波までのプロセスで一定の偏光状態に保持し、または、二つの光パルスのそれぞれを９０度回転ファラデーミラーを介して奇数回反射させ、分波から合波までのそれぞれの光路を偶数回通過させ、さらにまた、二つの光パルスの一方をそのまま出力させ、他方を９０度回転ファラデーミラーを介して偶数回反射させ、分波から合波までのそれぞれの光路を偶数回通過させてもよい。

本発明の偏光制御符号化方法に基づく第１の偏光制御エンコーダは、一つの光パルスを一つの偏光保持ビームスプリッターによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、一方の光路は遅延線によって他方の光路に対して遅延された後、さらに偏光保持ビームスプリッターによって一つの光路で合波して出力させ、前記分波後の二つの光路と合波後の出力光路との三者の少なく一つには位相変調器を有し、前記偏光保持エンコーダの内部光路の分波から合波までの部分は偏光保持光路であることを特徴とする。

本発明の偏光制御符号化方法に基づく第２の偏光制御エンコーダは、一つの光パルスを一つの偏光保持ビームスプリッターによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、さらにミラーによって反射させ、何れかの光路のミラーの前に偏光保持遅延線を挿入して二つの光路同士が相対遅延されるようにし、元の偏光保持ビームスプリッターによって一つの光路で合波して出力させ、前記分波後の二つの光路と合波後の出力光路との三者の少なく一つには位相変調器を有し、前記偏光保持エンコーダの内部光路の分波から合波までの部分は偏光保持光路であることを特徴とする。

本発明の偏光制御符号化方法に基づく第３の偏光制御エンコーダは、一つの光パルスを一つのビームスプリッターによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、さらに９０度回転ファラデーミラーによって反射させ、何れかの光路の９０度回転ファラデーミラーの前に遅延線を挿入してこの二つの光路が相対遅延されるようにし、さらに元のビームスプリッターによって一つの光路で合波して出力させ、前記分波後の二つの光路と合波後の出力光路との三者の少なく一つには位相変調器を有することを特徴とする。

本発明の偏光制御符号化方法に基づく第４の偏光制御エンコーダは、一つの光パルスを一つの偏光保持可変ビームスプリッターによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、その一方の光パルスはそのまま出力させ、他方の光パルスはミラーによって反射させ、元の偏光保持可変ビームスプリッターを通過してからさらにミラーによって反射させ、さらに元の偏光保持可変ビームスプリッターによって前記そのまま出力された光パルスと共に一つの光路で合波して出力させ、前記ミラー前の二つの光路の少なくとも一方には遅延線を有し、前記ミラー前の二つの光路と合波後の出力光路との三者の少なく一つには位相変調器を有し、前記遅延線と位相変調器は、同じ光路に位置するときに前後位置が互換可能であり、前記偏光保持エンコーダの内部光路の分波から合波までの部分は偏光保持光路であることを特徴とする。

本発明の偏光制御符号化方法に基づく第５偏光制御エンコーダは、一つの光パルスを一つの可変ビームスプリッターによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、その一方の光パルスはそのまま出力させ、他方の光パルスは９０度回転ファラデーミラーによって反射され、元の可変ビームスプリッターを通過してからさらに９０度回転ファラデーミラーによって反射させ、また元の可変ビームスプリッターに介して前記そのまま出力された光パルスと共に一つの光路で合波して出力させ、前記ミラー前の二つの光路の少なくとも一方には遅延線を有し、前記９０度回転ファラデーミラー前の二つの光路と合波後の出力光路との三者の少なく一つには位相変調器を有し、前記遅延線と位相変調器は、同じ光路に位置するときに前後位置が互換可能であることを特徴とする。

本発明による量子鍵分配システムは、パルス光源から出力された一つの光パルスを、送信端の偏光制御エンコーダによって二つの光パルスに分波して二つの光路に沿って伝送させ、両方に対して相対遅延させ、さらにこの二つのパルスを一つの経路で合波して出力し、分波又は合波後に少なくとも一つの光パルスを量子鍵プロトコル規定に従って位相変調し、偏光制御エンコーダから出力されたこの二つの光パルスを量子チャンネルに介して受信端に一方向伝送し、受信端の偏光制御エンコーダは、受信されたこの二つの光パルスの各光パルスを、二つの光パルスからなる光パルス群に分波して二つの光路に沿って伝送させ、同じ群となるこの二つの光パルスに対して量子鍵プロトコル規定に従って相対遅延させ、さらにこの二つの光パルス群を一つの経路に合波して出力し、光パルスに対して量子鍵プロトコル規定に従って位相変調し、この二つの光パルス群におけるそれぞれの少なくとも一つの光パルスの干渉重ね結果を単光子検出器によって同期検出し、量子鍵分配プロトコルに従って量子鍵分配を行い、前記五種の偏光制御エンコーダのいずれかが受信端に用いられ且つその位相変調器が出力光路に位置する場合には、当該位相変調器をパルス分波前の入力光路に移動する必要があることを特徴とする。

当該量子鍵分配システムの送信装置の出口又は受信装置の入口に逆方向光子分離検出手段を直列接続してもよい。逆方向光子分離検出手段は光サーキュレータと単光子検出器とからなり、その光サーキュレータの入力端が偏光制御エンコーダの出力端に接続され、サーキュレータの同方向出力端が量子チャンネルに接続され、逆方向出力端が単光子検出器の入力端に接続される。逆方向光子分離検出手段を追加することで、木馬（ダミー）光子の侵入を抑止するとともに、変調情報付き光子の受信装置の安全区域からの離脱を抑止することもできる。さらに、前記逆方向光子分離検出手段における光サーキュレータの入力端に一つの光帯域通過フィルタが直列接続されてもよい。これによって、光サーキュレータと単光子検出器のレスポンスバンド帯域幅の不足が補充される。

前記量子チャンネルは、光導波路、光ファイバー、自由空間、独立光学素子、又はそれらの何れか二つ以上からなる光伝送経路であってもよい。

従来の両非対称アームのマッハツェンダ干渉計からなるエンコーダと比べると、本発明による偏光制御エンコーダは、その内部で光パルスの偏光状態を制御するので、まず、自身に受ける干渉に対して不敏感となり、量子鍵分配システムの環境に対する要求が大きく低減されるとともに、量子チャンネルに進入された二つの光パルス同士の偏光状態が同じであるため、光パルスの共通経路で受けられた干渉が受信端の干渉重ねに際して互いに相殺され、チャンネル干渉と関係ない信号伝送を実現し、システムの実際安定性が大幅に向上される。本発明による９０度回転ファラデーミラー式の偏光制御エンコーダでは、光パルスが位相変調器を二回通過し、且つ通過時の偏光方向が互いに垂直となり、位相変調信号の持続時間が光パルスの二回往復の時間より長くなれば、位相変調の大きさと光パルスの偏光状態とは関係ないので、偏光相関の位相変調器を用いて偏光と関係ない位相変調という目的を達成することができ、位相変調器の速度に対する要求も低減される。本発明による偏光保持ビームスプリッターからなる偏光制御エンコーダは、光パルスが共に特定の偏光状態に保持されるので、当然、偏光相関の位相変調器に適用することもできる。

本発明の量子鍵分配システムは、送信端と受信端に対して逆方向光子分離検出手段を追加してもよい。逆方向光子分離検出手段を追加することで、信号光パルスが送信装置から量子チャンネルに介して受信装置に一方向伝送されるので、逆方向で伝送された光子を分離し、単光子検出器に導入して検出することができる。これによれば、木馬光子がエンコーダに進入して符号化情報を取り出すことを防止するだけでなく、盗聴者が存在しているか否かを判断でき、木馬で攻撃される可能性が取り除かれる。単光子検出器とサーキュレータとの動作波長が一定範囲にあることを考慮すると、本発明の量子鍵分配システムには、光帯域通過フィルタを追加してもよい。これによれば、システムの動作範囲内の光パルスが通過できるが、動作範囲以外の波長を有する光が通過できないため、単光子検出器とサーキュレータの動作波長範囲幅の不充分の欠陥を改善することができる。

偏光保持光路マッハツェンダ干渉計式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。偏光保持光路ミラー式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。９０度回転ファラデーミラー式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。９０度回転ファラデーミラー式の偏光制御エンコーダの変形例の基本構成の模式図である。位相変調器が出力光路に位置する９０度回転ファラデーミラー式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。可変ビームスプリッターを使用する偏光保持光路ミラー式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。可変ビームスプリッターを使用する９０度回転ファラデーミラー式の偏光制御エンコーダの基本構成の模式図である。逆方向光子分離検出ユニットを示す。帯域通過フィルタが追加された他の逆方向光子分離検出ユニットを示す。偏光制御エンコーダを中心とする位相変調光ファイバー量子鍵分配システムの構成の模式図である。

（実施例１）
本発明の量子鍵分配システムにおける偏光制御エンコーダの第１の構成は、図１に示すように、二つの２×２の３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター３，６と、一つの偏光保持位相変調器５と、一つの偏光保持遅延線４とを備え、全体として偏光保持マッハツェンダ干渉計を構成する。ここで、３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター３の一方側の二つのポート１，２の何れかは、偏光制御エンコーダの入力端として機能し、３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター３の他方側の二つのポート７，８の何れかは出力端として機能する。偏光保持位相変調器５と偏光保持遅延線４（順次は任意）は、共に前記マッハツェンダ干渉計のアームの何れかに挿入されるか、両者が前記マッハツェンダ干渉計の二つのアームにそれぞれ挿入される。動作する時、光パルスは偏光保持ビームスプリッター３のポート１又は２を介して偏光保持ビームスプリッター３に進入して二つの経路に分かれ、その一方は偏光保持位相変調器５を介して位相変調され、他方は偏光保持遅延線４を介して遅延される。相対遅延後の二つの経路の光パルスは、偏光保持ビームスプリッター６を介して一つの経路で合波されてポート７又は８から出力される。全ての光路はともに偏光保持光路であるので、ここから出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。偏光保持位相変調器５と偏光保持遅延線４が偏光保持マッハツェンダ干渉計の同一アームに位置する場合には、前記結果にも影響を与えない。

（実施例２）
本発明の量子鍵分配システムにおける偏光制御エンコーダの第２構成は、図２に示すように、一つの２×２の３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター１１と、二つのミラー１３，１５と、一つの偏光保持位相変調器１２と、一つの偏光保持遅延線４とを備える。ここで、３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター１１の一方側の二つのポート９，１０の何れかは、偏光制御エンコーダの入力端と出力端として機能することが可能であり、３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター１１の他方側の二つのポートの何れかは、偏光保持位相変調器１２とミラー１３とに順次に接続され、他のポートは偏光保持遅延線１４とミラー１５とに順次に接続される。少し変化があるが同じ機能を有する構成は、偏光保持遅延線１４と偏光保持位相変調器１２と（順次は無論）を共に同一のポートに直列接続して、他のポートにただ一つのミラーを接続する。動作する時、光パルスは偏光保持ビームスプリッター１１のポート９に介して偏光保持ビームスプリッター１１に進入して二つの経路に分け、その一方は偏光保持遅延線１４に介して遅延されてミラー１５によって反射され、他方は偏光保持位相変調器１２に介して位相変調してミラー１３によって反射される。反射されてくる二つの経路の光パルスは、偏光保持ビームスプリッター１１を介して一つの経路に合波されてポート１０から出力される。全ての光路はともに偏光保持光路であるので、ポート１０から出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。偏光保持遅延線１４と偏光保持位相変調器１２（順次は無論）とが同一のポートに直列接続し、他のポートにただ一つのミラーが接続される場合には、前記結果に影響を与えない。光パルスがポート１０に入力されポート９から出力される場合も、ポート９又は１０を共に入力と出力にする場合と比べて、同じ結果が得られる。

（実施例３）
本発明の量子鍵分配システムにおける偏光制御エンコーダの第３構成は、図３に示すように、一つの２×２の３ｄＢビームスプリッター１８と、二つの９０度回転ファラデーミラー２０，２２と、一つの位相変調器１９と、一つの遅延線２１とを備える。ここで、３ｄＢビームスプリッター１８の一方側の二つのポート１６，１７は、それぞれ偏光制御エンコーダの入力端と出力端として機能し、３ｄＢビームスプリッター１８の他方側の二つのポートの何れかは、位相変調器１９と９０度回転ファラデーミラー２０とに順次に接続され、他のポートは遅延線２１と９０度回転ファラデーミラー２２とに順次に接続される。動作する時、光パルスはビームスプリッター１８のポート１６に介してビームスプリッター１８に進入して二つの経路に分かれ、その一方は遅延線２１を介して遅延されて９０度回転ファラデーミラー２２によって反射され、他方は位相変調器１９を介して位相変調して９０度回転ファラデーミラー２０によって反射される。反射されてくる二つの経路の光パルスは、ビームスプリッター１８を介して一つの経路で合波されてポート１７から出力される。二つの光路はともに９０度回転ファラデーミラーによって反射され、それぞれの光路を偶数回通るので、ここから出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。光パルスがポート１７に入力されポート１６から出力される場合も、ポート１６又は１７を共に入力と出力にする場合と比べて、同じ結果が得られる。

（実施例４）
構成が少し変化されるが同じ機能を有する他の偏光制御エンコーダは、図４に示すようになり、その区別は下記のようになる、即ち、位相変調器１９と遅延線２１と９０度回転ファラデーミラー２２とは、カプラーの一つのポート（但し、１９と２１の順位が置換可能）に順次に接続され、他のポートに一つの９０度回転ファラデーミラー２０だけが接続される。動作する時、光パルスはビームスプリッター１８のポート１６を介してビームスプリッター１８に進入して二つの経路に分かれ、その一方は位相変調器１９を介して位相変調して遅延線２１を介して遅延されて（順次は無論）から、９０度回転ファラデーミラー２２によって反射され、他方は９０度回転ファラデーミラー２０によって反射される。反射されてくる二つの経路の光パルスは、ビームスプリッター１８を介して一つの経路で合波されてポート１７から出力される。二つの光路はともに９０度回転ファラデーミラーによって反射され、それぞれの光路を偶数回通るので、ここから出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。光パルスがポート１７に入力されポート１６から出力される場合も、ポート１６又は１７を共に入力と出力にする場合と比べて、同じ結果が得られる。

（実施例５）
本発明の量子鍵分配システムにおける偏光制御エンコーダの第４構成は、図６に示すよう、一つの２×２の偏光保持可変ビームスプリッター２５と、二つのミラー２３，２７と、一つの偏光保持位相変調器２４と、一つの偏光保持遅延線２６とを備える。ここで、偏光保持可変ビームスプリッター２５の一方側の二つのポートの何れかは、偏光制御エンコーダの出力端２８として機能し、他のポートは偏光保持遅延線２６を介してミラー２７に接続される。偏光保持可変ビームスプリッター２５の他方側の二つのポートの何れかは、偏光制御エンコーダの入力端２９として機能し、他のポートは偏光保持位相変調器２４を介してミラー２３に接続される。少し変化があるが同じ機能を有する構成は、偏光保持遅延線２６と偏光保持位相変調器２４と（順次は無論）を同一のポートに直列接続して、他のポートにただ一つのミラーを接続する。動作する時、光パルスは偏光保持可変ビームスプリッター２５のポート２９に介して偏光保持可変ビームスプリッター２５に進入して二つの経路に分かれており、その一方は偏光保持可変ビームスプリッター２５のポート２８からそのまま出力され、他方は偏光保持遅延線２６を介して遅延されてミラー２７によって反射されてから、偏光保持可変ビームスプリッター２５を通じて、偏光保持位相変調器２４を介して位相変調してミラー２３によって反射される。反射されてくる光パルスは、偏光保持可変ビームスプリッター２５を介して、前記そのまま出力された光パルスと共に一つの経路で合波されてポート２８から出力される。光パルスを分波するときに、ポート２８から出力された二つの光パルスの幅が同じであるように偏光保持可変ビームスプリッターの分波比率を制御して、全ての光路はともに偏光保持光路であるので、ここから出力される二つの光パルスの偏光状態は同じである。偏光保持遅延線２６と偏光保持位相変調器２４と（順次は無論）が同一のポートに直列接続し、他のポートにただ一つのミラーが接続される場合には、前記結果に影響を与えない。パルスがポート２８に入力されポート２９から出力される場合も、同じ結果が得られる。

（実施例６）
本発明の量子鍵分配システムにおける偏光制御エンコーダの第５構成は、図７に示すように、一つの２×２の偏光保持可変ビームスプリッター３２と、二つの９０度回転ファラデーミラー３０，３４と、一つの位相変調器３１と、一つの遅延線３３とを備える。ここで、可変ビームスプリッター３２の一方の二つのポートの何れかは、偏光制御エンコーダの出力端３５として機能し、他のポートは遅延線３３を介して９０度回転ファラデーミラー３４に接続される。可変ビームスプリッター３２の他方の二つのポートの何れかは、偏光制御エンコーダの入力端３６として機能し、他のポートは位相変調器３１を介して９０度回転ファラデーミラー３０に接続される。少し変化があるが同じ機能を有する構成は、遅延線３３と位相変調器３１と（順次は無論）を同一のポートに直列接続して、他のポートにただ一つの９０度回転ファラデーミラーを接続する。動作する時、光パルスは可変ビームスプリッター３２のポート３６に介して可変ビームスプリッター３２に進入して二つの経路に分かれ、その一方は可変ビームスプリッター３２のポート３５からそのまま出力され、他方は遅延線３３を介して遅延されて９０度回転ファラデーミラー２７によって反射されてから、可変ビームスプリッター３２を通じて、位相変調器３１を介して位相変調して９０度回転ファラデーミラー３０によって反射される。反射されてくる光パルスは、可変ビームスプリッター３２を介して、前記そのまま出力された光パルスと共に一つの経路で合波されてポート３５から出力される。光パルスを分波するときに、ポート３５から出力された二つのパルスの幅が同じであるように可変ビームスプリッターの分波比率を制御して、二つの光路はともに９０度回転ファラデーミラーによって反射され、それぞれの光路を偶数回通るので、ここから出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。遅延線３３と位相変調器３１と（順次は無論）が同一のポートに直列接続し、他のポートにただ一つの９０度回転ファラデーミラーが接続される場合には、前記結果に影響を与えない。パルスがポート３５に入力されポート３６から出力される場合も、同じ結果が得られる。

（実施例７）
前記実施例に挙げられる五種の偏光制御エンコーダの構成では、位相変調器が出力光路に移動されて同じ位相変調機能を奏することが可能である。例えば、位相変調器が出力光路に位置する偏光制御エンコーダは、図５に示すように、一つの２×２の３ｄＢビームスプリッター１８と、二つの９０度回転ファラデーミラー２０，２２と、一つの位相変調器１９と、一つの遅延線２１とを備える。ここで、３ｄＢビームスプリッター１８の一側の二つのポートのうち一つのポート１６は、偏光制御エンコーダの入力端として機能し、他のポートは位相変調器１９に接続されてから偏光制御エンコーダの出力端１７として機能する。３ｄＢビームスプリッター１８の他側の二つのポートの何れかは、９０度回転ファラデーミラー２０に接続され、他のポートは遅延線２１と９０度回転ファラデーミラー２２とに順次に接続される。前記の偏光制御エンコーダが受信端に使用される場合には、前記の出力光路にある位相変調器がパルス分波前の入力光路に移動される必要がある。例えば、偏光制御エンコーダ４９−５における位相変調器１９は、ポート１７に対する直列接続からポート１６に対する直列接続に変更する必要がある。動作する時、光パルスはビームスプリッター１８のポート１６に介してビームスプリッター１８に進入して二つの経路に分かれており、その一方は遅延線２１に介して遅延されて９０度回転ファラデーミラー２２によって反射され、他方は９０度回転ファラデーミラー２０によって反射される。反射されてくる二つの経路の光パルスは、ビームスプリッター１８を介して一つの経路で合波され、位相変調器１９によってそれぞれ位相変調してから、ポート１７から出力される。二つの光路はともに９０度回転ファラデーミラーによって反射されそれぞれの光路を偶数回通るので、ここから出力される二つのパルスの偏光状態は同じである。このような偏光制御エンコーダが受信端に使用される場合には、前記の出力光路にある位相変調器１９がパルス分波前の入力光路に移動され、入力された二つの光パルスを位相変調器１９によってそれぞれ位相変調する必要がある。前記位相変調器が送信端の出力光路に位置する又は受信端の入力光路に位置する場合には、偏光保持特性に対する要求がない。

（実施例８）
本発明の量子鍵分配装置における逆方向光子分離検出ユニットは、光サーキュレータ３８と単光子検出器３７からなる。ここで、サーキュレータの入射ポート３９は、逆方向光子分離検出ユニットの入力ポートとして機能し、サーキュレータの出射ポート４０は、逆方向光子分離検出ユニットの同方向出力ポートとして機能する。同方向出力ポート４０に入射された逆方向光子は、サーキュレータ３８によって分離されて単光子検出器３７に導入されて検出され、図８に示すようになる。動作する時、サーキュレータの入射ポート３９に入射された正方向光子は直接に通過して、サーキュレータの出射ポート４０から出力される。ポート４０に介して逆方向光子分離検出ユニットに逆方向に進入される光子があれば、サーキュレータ３８は当該光子のポート３９からの出力を抑止して、当該光子を単光子検出器３７に導入し検出して、盗聴木馬光子が存在しているか否かを判断する。それを受信端に使用する場合には、干渉後の信号光子の経路を検出器３７によって検出し、検出結果を量子鍵情報として使用する。

（実施例９）
サーキュレータと単光子検出器との動作波長範囲に限界があることを考えると、サーキュレータと単光子検出器から離れる波長を有する光子は、偏光制御エンコーダに逆方向に進入する場合もある。少し異なる逆方向光子分離検出ユニットは、図９に示すようになる。その異なる点としては、一つの光帯域通過フィルタ４１を入力ポート３９の後に増加することにある。動作する時、光帯域通過フィルタ４１は、システム動作波長範囲内の光を通過させるが、逆方向光子分離検出ユニットの動作波長範囲以外の光子が通過できないようにすることで、システムの盗聴対抗の能力を向上する。

（実施例１０）
本発明の偏光制御エンコーダと、逆方向光子分離検出ユニットと、単光子検出器と、パルス光源とを利用して、典型的な量子鍵分配システムを構成することができる。図１０に示すように、送信装置は、単光子源４２（レーザと強減衰器からなる模擬単光子源に置換可能）と、本発明の偏光制御エンコーダ４３と、逆方向光子分離検出ユニット４４とからなる。具体的な接続関係は以下のようになる。即ち、偏光制御エンコーダ４３（４９−１，４９−２，４９−３，４９−６，４９−７又はそれらの変形例の何れかであってもよい）の入力端は単光子光源４２の出力ポートに接続し、偏光制御エンコーダ４３の出力端は逆方向光子分離検出ユニット４４（５０−１，５０−２の何れかであってもよい）の入力端に接続し、逆方向光子分離検出ユニット４４の同方向出力ポートは、送信装置の信号出力ポートとして安全領域以外にある量子チャンネル４５に接続する。

量子鍵分配システムの受信装置は、本発明の偏光制御エンコーダ４７（４９−１，４９−２，４９−３，４９−６，４９−７又はそれらの変形例の何れかであってもよいが、特に４９−３又は４９−７が好ましい）と、逆方向光子分離検出ユニット４６（５０−１，５０−２の何れかであってもよい）と、単光子検出器４８とからなる。具体的な接続関係は以下のようになる。即ち、量子チャンネル４５は受信安全領域内に進入して逆方向光子分離検出ユニット４６の入力端に接続し、逆方向光子分離検出ユニット４６の同方向出力端は偏光制御エンコーダ４７の入力端に接続し、偏光制御エンコーダ４７の出力端は単光子検出器４８に接続する。

量子鍵分配方法では、送信者が、まず単光子源４２によって一つの単光子パルス（実際には、その代わりに強減衰のパルスレーザ光を採用してもよく、各パルスに含まれた光子数が１以下であることを要求する）を送信して偏光制御エンコーダ４３に進入し、偏光制御エンコーダは、単光子パルスを分波して相対遅延し、その中の一つに対して量子鍵分配プロトコルに従って位相変調して、同じ偏光状態の二つの光パルスを出力し、逆方向光子分離検出ユニット４４を介して、量子チャンネル４５に進入し、受信装置に一方向で伝送する。当該二つの光パルスは、量子チャンネル４５に介して受信装置に達した後、まず逆方向光子分離検出ユニット４６を介して偏光制御エンコーダ４７に進入される。偏光制御エンコーダ４７は、二つのパルスを再び分波して、量子鍵分配プロトコルに従って相対遅延を行い、量子鍵分配プロトコルに従って位相変調する。偏光制御エンコーダ４７の出力された第１の干渉信号は、そのまま単光子検出器４８に送信され検出されて（暗計数と未相関部分の干渉を減少するために、ここでの検出は、時間ゲート模式を採用する需要があり、ゲート制御信号が送信端によってチャンネルに介して提供されてもよい）、偏光制御エンコーダ４７の出力された第２の干渉信号は、逆方向光子分離検出ユニットによって分離されて検出され、前記の二つの干渉信号の検出結果、送信と受信側の位相変調記録および両者公開照合情報に基づいて、量子鍵分配プロトコルに従って一ビットの量子鍵が得られる。前記プロセスを繰り返すと、任意長さの無条件安全の量子鍵が構築できる。偏光制御エンコーダ内部に偏光保持光路又は９０度回転ファラデーミラーを採用することによって、出力された二つの光パルスの偏光状態が同じに保持されるので、システムは優れた耐干渉能力を有する。偏光制御エンコーダが同一のポートを使用して同時に入力と出力ポートとして機能する方式を、送信装置と受信装置を採用する場合は、サーキュレータ及びＹ型ビームスプリッターなどの分波素子を光路に追加して入力と出力の信号を分離する需要がある。送信装置と受信装置が偏光制御エンコーダ４９−６と４９−７を採用する場合は、光パルスを分波するときに出力された二つの光パルスの幅が同じであるように分波比率を制御する需要があり、これによって最終に生成された量子鍵のエラーレートを低減することができる。

１、２、７、８、９、１０、１６、１７、２８、２９、３５、３６、３９、４０ポート
３、６、１１、１７、１８３ｄＢ偏光保持ビームスプリッター
４、１４、２６偏光保持遅延線
５、１２、２４偏光保持位相変調器
１３、１５、２３、２７ミラー
１９、３１位相変調器
２０、２２、３０，３４９０度回転ファラデーミラー
２１、３３遅延線
２５、３２偏光保持可変ビームスプリッター
３７、４８単光子検出器
３８光サーキュレータ
４１光帯域通過フィルタ
４２単光子光源
４３、４７偏光制御エンコーダ
４４、４６逆方向光子分離検出ユニット
４５量子チャンネル

Claims

偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）であって、
一つの入射光パルスを二つの光パルスに分波し、遅延及び／又は変調された前記二つの光パルスを一つの光出力に合波するための２×２の３ｄＢビームスプリッター（１８）と、
前記二つの光パルスのうち一方を遅延させるための遅延線（２１）と、
量子鍵分配プロトコルに従って前記二つの光パルスのうち少なくとも一つを位相変調するための位相変調器（１９）と、
二つの９０度回転ファラデーミラー（２０、２２）と、を備え、
前記２×２の３ｄＢビームスプリッター（１８）の一方側の二つのポートのうち一方が、前記偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の出力ポート（１７）であり、前記一方側の二つのポートのうち他方が、前記偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の入力ポート（１６）であり、
前記２×３の３ｄＢビームスプリッター（１８）の他方側の二つのポートのうち一方が、前記二つの９０度回転ファラデーミラー（２０、２２）のうち一方に接続され、前記他方側の二つのポートのうち他方が、前記二つの９０度回転ファラデーミラー（２０，２２）のうち他方に接続され、
前記遅延線（２１）が、前記２×２の３ｄＢビームスプリッター（１８）と、前記二つの９０度ファラデーミラー（２０、２２）のうちいずれか一つとの間に接続され、
前記位相変調器（１９）が、前記２×２の３ｄＢビームスプリッター（１８）の一つのポートと、前記二つの９０度ファラデーミラー（２０、２２）うちいずれか一つとの間に接続されているか、又は、前記偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の前記出力ポート（１７）に接続されている、偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）。
前記偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の前記出力ポート（１７）に位置する光サーキュレータ（３８）を更に備え、
前記光サーキュレータ（３８）の第一のポートに入力される光が、前記光サーキュレータ（３８）の第二のポートから出力され、前記光サーキュレータ（３８）の前記第二のポートに入力される光が、前記光サーキュレータ（３８）の第三のポートから出力され、合波光出力が、前記光サーキュレータ（３８）の前記第一のポートに入力され、前記光サーキュレータ（３８）の前記第二のポートから出力される、請求項１に記載の偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）。
前記光サーキュレータ（３８）の前記第二のポートからの逆方向入射光を検出するために、前記光サーキュレータの前記第三のポートに接続された検出器（３７）を更に備えた請求項２に記載の偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）。
前記合波光出力に対して光帯域通過フィルタリングを行うために、前記光サーキュレータ（３８）の前記第一のポートに接続された光帯域通過フィルタ（４１）を更に備えた請求項１に記載の偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）。
量子鍵分配システムであって、
光パルスを発生させるための光パルス光源（４２）と、
請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）を採用した送信装置であって、前記光パルス光源（４２）によって発生した光パルスに対する偏光制御エンコーディングを行うための送信装置と、
前記送信装置からの合波光出力を伝送するための量子チャネル（４５）と、
請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）を採用した受信装置であって、前記送信装置によって伝送される一つの光パルスからそれぞれ生じる二つの光パルス群を発生させる量子鍵分配プロトコルに従って、前記送信装置から発生し前記量子チャネル（４５）を伝送された前記合波光出力をデコーディングするための受信装置と、
前記二つの光パルス群におけるそれぞれの光パルスの干渉重ね結果を同期検出し、量子鍵分配プロトコルに従って量子鍵を分配するための単一光子検出器（４８）と、を備えた量子鍵分配システム。
前記送信装置の側において、位相変調器（１９）が、偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の出力ポート（１７）に接続されていて、受信装置の側において、位相変調器（１９）が、偏光制御エンコーダ（４９−３、４９−４、４９−５）の入力ポート（１６）に接続されている、請求項５に記載の量子鍵分配システム。