JP5286852B2 - 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には、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（φ１）において｛０°、９０°｝、他方の位相変調器（φ２）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を参照して説明した関連技術においては、位相変調器での変調振幅として、１８０°という大きな値が必要とされる。変調振幅が大きい場合、変調器に印加する電圧振幅も、ほぼ、比例して大きくする必要がある。そのため、変調器ドライバの消費電力や高速動作といった観点からは不利となる。

したがって本発明の目的は、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の削減および高速動作性能の向上を実現した符号化装置、方法を提供することにある。

本発明においては、１つの光パルスを２連光パルスに変換するための光回路と、並列接続された２つの位相変調器とを備え、２つの位相変調器はそれぞれ｛θ、θ＋９０°｝、｛θ−９０°、θ｝の変調深度で駆動される。ここでθは任意の位相を表す。

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。

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位相変調器の変調振幅を９０°に抑えることができ、変調器ドライバの消費電力の削減や高速動作性能の向上を図ることができる。

図１は本発明の一実施例の構成を示す図である。本実施例の送信機１０１において、送信機１０１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。

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、もう一方では｛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。

このように生成された光パルスは、光ファイバー通信路１０７によって送信される。

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。

本発明の一実施形態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
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 (6)

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、それぞれ位相シフトφ１＝｛θ、θ＋９０°｝及びφ２＝｛θ−９０°、θ｝（ただし、θは任意）にて、前パルスと後パルスに位相変調を施すことで、少なくとも２連光パルスを生成し、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、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化装置。
2. 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つずつ接続され並列接続された第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、第２の位相変調器では、それぞれ位相シフトφ１＝｛θ、θ＋９０°｝、φ２＝｛θ−９０°、θ｝にて、前記２連光パルスの前パルスと後パルスに位相変調を施すことで少なくとも２連光パルスを生成し、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、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化装置。
3. 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｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛θ，θ｝の位相変調を施し、後パルスに｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛θ＋９０°，θ−９０°｝の位相変調を、後パルスに｛φ１、φ２｝＝｛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又は２記載の量子鍵配付の符号化装置。
4. 請求項１乃至３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。
5. 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の位相変調器を用いてそれぞれ位相シフトφ１＝｛θ、θ＋９０°｝及びφ１＝｛θ−９０°、θ｝（ただし、θは任意）にて、前パルスと後パルスに位相変調を施すことにより、少なくとも２連光パルスを生成し、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、ことを特徴とする量子鍵配付の符号化方法。
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｛φ１、φ２｝＝｛θ，θ−９０°｝の位相変調を施し、後パルスに｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛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｛φ１、φ２｝＝｛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５記載の量子鍵配付の符号化方法。

Images