JP5233334B2 - 量子鍵配付の符号化装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は量子鍵配付の符号化装置と方法に関し、特に送信する状態として位相‐時間基底状態を用いた符号化装置と方法に関する。

近年、盗聴行為に対する絶対安全性を持つ暗号化通信を実現する方法として量子鍵配付が盛んに研究され、実用化開発が進んでいる（非特許文献１参照）。

量子鍵配付において送受信する光パルスの符号化方法として、位相‐時間基底状態（Ｙ−Ｚ基底状態とも呼ぶ）を利用した方式が提案されている（非特許文献２参照）。

この方式は、コヒーレントな２連光パルスの相対位相を２値変調することで得られる２つの位相基底状態（Ｙ基底状態）と、２連光パルスのどちらか一方のみを送信することで得られる２つの時間基底状態（Ｚ基底状態）とを利用したものである。

位相‐時間基底状態を生成する方法として非特許文献２では、図２に示すように、１つの光パルス２０３を２連光パルスに変換するための非対称マッハツェンダー干渉計２０４と、２つの位相変調器が並列に接続され、それぞれが独立な位相変調を施すことができる２電極マッハツェンダー変調器２０６を用いている。一方の位相変調器において｛０°、９０°｝、他方の位相変調器において｛０°、１８０°｝の位相変調を行うことで位相‐時間基底に属する４つの状態２０８を生成することができる。

ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサ−ド（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著 ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ， Ｉｎｄｉａ， ｐ． １７５， １９８４） 吉野他、"Ｄｕａｌ−ｍｏｄｅ Ｔｉｍｅ−ｂｉｎ Ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｄｕａｌ−ｄｒｉｖｅ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ"、３３ｒｄ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、Ｖｏｌ．４、ｐ．７１、２００７

以下に本発明による関連技術の分析を与える。

図２に示した関連技術は、周囲温度の変動などによって位相変調器が挿入された２つの経路の光路差が変化する現象（ＤＣドリフト）が起こった場合にも、出力光の平均強度に変化が生じない。このため、ＤＣドリフトを容易には検知できない。

このような状況では、結果として、送受信されたデータの誤り率からＤＣドリフトを推定する必要があるが、誤り率に影響するパラメータは、この他にも多数存在するため、ＤＣドリフトの影響を切り分けられることが望ましい。

したがって本発明の目的は、ＤＣドリフトが起こった場合に出力光の平均強度も変化し、ＤＣドリフトを容易に検知することができる位相‐時間基底状態の符号化装置、方法を提供することにある。

本発明においては、光回路によって生成された２連光パルスに対して、並列接続された第１、第２の位相変調器で、それぞれ｛θ、θ＋９０°｝及び｛θ−９０°、θ｝（ただし、θは任意）の位相変調を与え、位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態を生成し、前記第１、第２の位相変調器の出力結合部での光強度を監視し、監視結果に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御する。

本発明においては、前記第１、第２の位相変調器の出力結合部から出力光をカプラーで分岐させ、前記分岐光強度を測定するパワーメーターと、前記パワーメーターからの出力信号に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する制御回路と、を備える。あるいは、前記第１、第２の位相変調器の出力結合部における放射モードの光強度を測定するパワーメーターと、前記パワーメーターからの出力信号に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する制御回路と、を備えた構成としてもよい。

本発明によれば、位相‐時間基底状態を用いた量子鍵配付の符号化装置において、位相変調器での変調振幅を９０°に低減することにより、消費電力を削減し高速動作性能を向上するとともに、ＤＣドリフトを容易に検知することができる。

本発明においては、まず、レーザー光源（１０２）から発生した光パルス（１０３）を、非対称マッハツェンダー干渉計などの光回路（１０４）によって２連光パルス（１０５）に変換し、次にこの２連光パルス（１０５）を並列接続された２つの位相変調器（１０６）に入射し、その出力光を受信者へと送信する。並列接続された位相変調器（１０６）は、入力光を２つの光路に分岐し、各光路に１つずつ位相変調器を配置し、その後、再び２つの光路を結合させたものである。

この並列接続された位相変調器の入出力関係は、次式（１）で表すことができる。

・・・（１）

ここで、
Ｅｉｎ、Ｅｏｕｔは入出力光の複素電場振幅、
φ１、φ２は各位相変調器による位相シフト
を表す。

本発明においては、それぞれの位相変調は２値変調とし、
φ１＝｛θ、θ＋９０°｝、
φ２＝｛θ−９０°、θ｝
の値を採用する。

この場合に出力される４つの状態の強度と位相は表１のようになる。

このような並列接続された位相変調器を用いて２連光パルスの各光パルスに個別に変調を施すことにより、位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態を生成することができる。

第１の状態は、２連光パルスの前パルスに｛φ１，φ２｝＝｛θ，θ−９０°｝の変調を、後パルスに｛φ１，φ２｝＝｛θ＋９０°，θ｝の変調を施す。これによって強度が１／２で、前後パルスの相対位相が＋９０°ずれた２連光パルスを生成できる。

第２の状態は、第１の状態と同じ変調を逆の順序で施すことにより、強度が１／２で前後パルスの相対位相が−９０°ずれた２連光パルスを生成する。これにより位相基底に属する２つの状態を生成できることになる。

第３の状態は、２連光パルスの前パルスに｛φ１，φ２｝＝｛θ，θ｝の変調を、後パルスに｛φ１，φ２｝＝｛θ＋９０°，θ−９０°｝の変調を施す。これにより強度が１の前パルスのみの状態を生成できる。

第４の状態は、第３の状態と同じ変調を逆の順序で施すことにより、強度が１の後パルスのみの状態を生成する。これにより時間基底に属する２状態を生成できることになる。
以上のように、２連光パルスと並列接続された位相変調器によって位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態を生成することができる。

次に、ＤＣドリフトが起こった場合の影響について考察する。ＤＣドリフトの効果はφ２→φ２＋δのような変化と考えることができる。この場合の出力光強度を表１と同様の４つの状態について計算した結果を以下の表２に示す。

ＤＣドリフトがない場合（δ＝０）には、これらの強度は表１と一致するが、δが大きくなると各状態の強度に変化が現れる。

２つの時間基底状態｛φ１，φ２｝＝｛θ，θ＋δ｝と｛θ＋９０°，θ−９０°＋δ｝の間では、強度の変化が相殺されるが、位相基底状態｛φ１，φ２｝＝｛θ，θ−９０°＋δ｝と｛θ＋９０°，θ＋δ｝では、どちらも強度が（ｓｉｎδ）／２だけ大きくなるため、全体としては、ｓｉｎδの強度変化が起こることになる。

そこで、本実施例では、この強度変化をパワーメーター（１１０）などによって監視することにより、容易にＤＣドリフトを検知することが可能である。

本発明によれば、位相‐時間基底を用いた量子鍵配付の符号化において出力光の平均強度を監視するだけでＤＣドリフトの影響を検知することができる。

図１は本発明の一実施例の構成を示す図である。図１を参照すると、送信機１０１において、送信機に内蔵されたレーザー光源１０２の出力光パルス１０３は、非対称マッハツェンダー干渉計などの光回路１０４に入力され、続いてその出力である２連光パルス１０５は並列接続された位相変調器１０６に入射する。

並列接続された位相変調器１０６では、入力を５０／５０カップラーなどによって２つの光路に分岐し、各光路に１つずつ配置された位相変調器を通過した後再び２つの光路が結合され、出力される。

この出力を光カップラー１０９によって２つに分岐し、一方は光強度を監視するためのパワーメーター１１０へ、もう一方は送信機１０１からの出力として光ファイバー通信路１０７に接続される。

パワーメーター１１０により測定された信号はＤＣドリフト制御用アンプ１１１で処理され、並列接続された位相変調器１０６内部の一方の位相変調器へとフィードバックされる。

次に、本実施例の動作を説明する。

送信機１０１に内蔵されたレーザー光源１０２から発生した光パルス１０３は光回路１０４に入射し、光路長の異なる２つの光路を通過した後再び結合されるために２連光パルス１０５となる。

この２連光パルス１０５に対し、並列接続された位相変調器１０６を用いて、一方の位相変調器では｛θ、θ＋９０°｝の２値の位相変調を、他方の位相変調器では｛θ−９０°、θ｝の２値の位相変調を与える。前述したように、この変調によって位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態１０８を生成することができる。４つの状態１０８のうち、｛｜０＞＋ｉ｜１＞｝は強度が１／２で、前後パルスの相対位相が＋９０°ずれた２連光パルス（第１の状態）、｛｜０＞−ｉ｜１＞｝は強度が１／２で前後パルスの相対位相が−９０°ずれた２連光パルス（第２の状態）、｜０＞は、強度が１の前パルスのみの状態（第３の状態）、｜１＞は、強度が１の後パルスのみの状態（第４の状態）に対応する。

この出力光を光カップラー１０９によって２つに分岐し、一方は光ファイバー通信路１０７を通じて送信される。もう一方はパワーメーター１１０に導入され、光強度に比例した電流信号を得る。この電流信号はＤＣドリフトに関する情報を持つ。

従ってこの電流信号に対して制御用アンプ１１１により適切な信号処理を行った後、並列接続された位相変調器１０６内部の一方の位相変調器にフィードバックすることによりＤＣドリフトの影響を相殺することができる。

本実施例によれば、このような構成により、ＤＣドリフトが起こった場合でもその影響を検知して自動的に補償する送信機を実現できる。

また本実施例において、光カップラー１０９によって出力光を分岐して光強度を監視する代わりに、並列接続された位相変調器１０６内の出力側結合部における放射モードの光強度をパワーメーターで監視することによっても、同様の機能を持たせることができる。

なお、上記非特許文献１、２の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の一実施例の構成を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。

符号の説明

１０１ 送信機
１０２ レーザー光源
１０３ 光パルス
１０４ 光回路
１０５ ２連光パルス
１０６ 並列接続された位相変調器
１０７ 光ファイバー通信路
１０８ 位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態
１０９ 光カップラー
１１０ パワーメーター
１１１ 制御用アンプ
２０１ 送信機
２０２ レーザー光源
２０３ 光パルス
２０４ 光回路（非対称マッハツェンダー干渉計）
２０５ ２連光パルス
２０６ 並列接続された位相変調器（２電極マッハツェンダー変調器）
２０７ 光ファイバー通信路
２０８ 位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態

Claims (11)

1. 光回路によって生成された２連光パルスに対して、並列接続された第１、第２の位相変調器で、それぞれ｛θ、θ＋９０°｝及び｛θ−９０°、θ｝（ただし、θは任意）の位相変調を与え、位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態を生成し、
   前記第１、第２の位相変調器の出力結合部での光強度を監視し、監視結果に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御する制御手段を備えている、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化装置。
2. 前記制御手段は、
   前記第１、第２の位相変調器の出力結合部から出力光をカップラーで分岐させ、前記分岐光強度を測定するパワーメーターと、
   前記パワーメーターからの出力信号に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する制御回路と、
   を備えている、請求項１記載の量子鍵配付の符号化装置。
3. 前記制御手段は、
   前記第１、第２の位相変調器の出力結合部における放射モードの光強度を測定するパワーメーターと、
   前記パワーメーターからの出力信号に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する制御回路と、
   を備えている、請求項１記載の量子鍵配付の符号化装置。
4. レーザー光源と、
   前記レーザー光源からのレーザー光を受けコヒーレントな２連光パルスを生成する光回路と、
   前記光回路からの出力を２つの光路に分岐する第１のカップラーと、
   前記第１のカップラーの各出力ポートに１つずつ接続された第１、第２の位相変調器と、
   前記第１、第２の位相変調器の出力を１つの光路に結合する第２のカップラーと、
   を有し、
   前記第１の位相変調器では、光パルスに｛θ、θ＋９０°｝の位相変調を施し（ただし、θは任意）、
   前記第２の位相変調器では光パルスに｛θ−９０°、θ｝の位相変調を施すことにより符号化を行い、
   前記第２のカップラーの出力光を分岐させる第３のカップラーと、
   前記第３のカップラーの出力光強度を測定するパワーメーターと、
   前記パワーメーターからの出力信号を、前記第１、第２の位相変調器の一方に印加する信号に変換する制御回路と、
   を備えた、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化装置。
5. レーザー光源と、
   前記レーザー光源からのレーザー光を受けコヒーレントな２連光パルスを生成する光回路と、
   前記光回路からの出力を２つの光路に分岐する第１のカップラーと、
   前記第１のカップラーの各出力ポートに１つずつ接続された第１、第２の位相変調器と、
   前記第１、第２の位相変調器の出力を１つの光路に結合する第２のカップラーと、
   を有し、
   前記第１の位相変調器では、光パルスに｛θ、θ＋９０°｝の位相変調を施し（ただし、θは任意）、
   前記第２の位相変調器では光パルスに｛θ−９０°、θ｝の位相変調を施すことにより符号化を行い、
   前記第２のカップラーにおける放射モードの光強度を測定するパワーメーターと、
   前記パワーメーターからの出力信号を前記第１、第２の位相変調器の一方に印加する信号に変換する制御回路と、
   を備えた、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化装置。
6. 前記第１、第２の位相変調器において、
   （ａ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ，θ−９０°｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ＋９０°，θ｝の位相変調を施すことで、強度が１／２で、前後パルスの相対位相が＋９０°ずれた２連光パルスが生成され、
   （ｂ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ＋９０°，θ｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ，θ−９０°｝の位相変調を施すことで、強度が１／２で、前後パルスの相対位相が−９０°ずれた２連光パルスが生成され、
   上記（ａ）、（ｂ）により、位相基底に属する２つの状態を生成し、
   （ｃ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ，θ｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ＋９０°，θ−９０°｝の位相変調を施すことで、強度が１の前パルスのみの状態を生成し、
   （ｄ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ＋９０°，θ−９０°｝の位相変調を、後パルスに｛θ，θ｝の位相変調を施すことで、強度が１の後パルスのみの状態を生成し、
   上記（ｃ）、（ｄ）により時間基底に属する２状態を生成する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子鍵配付の符号化装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の量子鍵配付の符号化装置を備えた送信機。
8. 光回路によって生成された２連光パルスに対して、並列接続された第１、第２の位相変調器で、それぞれ｛θ、θ＋９０°｝及び｛θ−９０°、θ｝（ただし、θは任意）の位相変調を与え、位相‐時間基底を用いた量子鍵配付に必要な４状態を生成し、
   前記第１、第２の位相変調器の出力結合部での光強度を監視し、監視結果に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御する、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化方法。
9. 前記第１、第２の位相変調器の出力結合部から出力光をカップラーで分岐させ、前記分岐光強度を測定し、前記測定結果に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する、請求項８記載の量子鍵配付の符号化方法。
10. 前記第１、第２の位相変調器の出力結合部における放射モードの光強度を測定し、前記測定結果に基づき、前記第１、第２の位相変調器の一方を制御するための信号を生成する、請求項８記載の量子鍵配付の符号化方法。
11. 前記第１、第２の位相変調器において、
    （ａ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ，θ−９０°｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ＋９０°，θ｝の位相変調を施すことで、強度が１／２で、前後パルスの相対位相が＋９０°ずれた２連光パルスが生成され、
    （ｂ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ＋９０°，θ｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ，θ−９０°｝の位相変調を施すことで、強度が１／２で、前後パルスの相対位相が−９０°ずれた２連光パルスが生成され、
    上記（ａ）、（ｂ）により、位相基底に属する２つの状態を生成し、
    （ｃ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ，θ｝の位相変調を施し、後パルスに｛θ＋９０°，θ−９０°｝の位相変調を施すことで、強度が１の前パルスのみの状態を生成し、
    （ｄ）前記２連光パルスの前パルスに｛θ＋９０°，θ−９０°｝の位相変調を、後パルスに｛θ，θ｝の位相変調を施すことで、強度が１の後パルスのみの状態を生成し、
    上記（ｃ）、（ｄ）により時間基底に属する２状態を生成する、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の量子鍵配付の符号化方法。

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