JP5347644B2 - 光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法 - Google Patents
光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法 Download PDFInfo
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Description
図7は、第1の関連技術として、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(Differential Phase Shift、以下、DPSという)方式を説明するための概念図で、特に、DPS信号の復号化を示している。このDPS方式では、受信側に、1ビット遅延の関係を有する二光線束を干渉させるためのマッハ・ツエンダー(Mach-Zehnder)干渉計71と、該マッハ・ツエンダー干渉計71の遅延量を温度で制御する温度調整器72とを設け、連続する2ビットの光信号パルスPa(同図の枠A)を干渉させて「0」又は「π」の位相情報を取り出すようにしている。ここで、前後2ビットの光信号パルスPaの位相差が0なら、干渉後は、同図の枠Bに示すように、光信号パルスPbとしてポート0に出力され、一方、前後2ビットの光信号パルスPaの位相差がπなら、干渉後は、同図の枠Cに示すように、光信号パルスPcとしてポート1に出力される。
このシステムでは、同図に示すように、送信機であるAlice8aと、光伝送路9と、該光伝送路7aを介してAlice8aから量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるBob9aとから概略構成されている。
上記Alice8aは、パルス光源81と、1ビット遅延干渉計82と、温度調整器(TEC)83と、位相変調器(Mod)84と、2系統の乱数源(RND)85、86と、DAC(デジタル−アナログ変換器)87とから概略構成されている。また、Bob9aは、位相変調器(Mod)91と、1ビット遅延干渉計92と、温度調整器(TEC)93と、光子検出器(PD)94、95と、乱数源(RND)96とから概略構成されている。
図9は、第3の関連技術としてのBB84プロトコル(量子暗号鍵配布アルゴリズム)を説明するための説明図である。
この方法では、4通りの量子状態を利用する。Alice8bが、乱数1を発生する図示せぬ第1の乱数源と乱数2を発生する図示せぬ第2の乱数源とを持ち、乱数1で「0」又は「1」の暗号鍵データを表し、乱数2で乱数1の情報をコーディングする方法(基底)を決定するようにしている。
コヒーレントな2パルス間の位相差を利用して4状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法では、図9に示すように、位相0が暗号鍵「0」、位相πが暗号鍵「1」の組(コーディングセット)を表す基底(該基底を「X基底」と称する)と、位相π/2が暗号鍵「0」、位相3π/2が暗号鍵「1」を表す基底(該基底を「Y基底」と称する)との2組の基底を乱数2で選択する。
つまり、Alice8bは、1つの光子に対して、0、π/2、π、3π/2の4通りの変調をランダムに施して、光伝送路7b経由でBob9bへ送信する。一方、Bob9bでは、同図に示すように、基底に対応する乱数3を発生する図示せぬ乱数源を持ち、Alice8bから送られてきた光子に対してデコードを行う。
この発明の好適な実施形態(その2)として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、複数のビット時間からなるブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記光パルス(光子)を検出するための光パルス(光子)検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、1の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
図1は、この発明の第1の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図、また、図2は、同システムで、ブロック毎に平均1光子が検出される様子を説明するための概念図である。
この実施形態は、BB84プロトコル対応のシステムに係り、受信機(Bob3)側で、時間軸の長さで画定されたブロック内の複数の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光子パルスを検出する光パルス検出器(ゲートモード光子検出器35、36)が、同一のブロック内で複数の光子パルスを検出すると、当該ブロックを破棄する構成となっている。以下の説明を容易とするため、この実施形態では、10ビットを1ブロックとして、ブロック内での基底変調が固定される。
Alice1は、同図に示すように、光子パルスの生成を行うレーザダイオード(LD: Laser Diode)11と、図示せぬ光減衰器と、2入力2出力のマッハ・ツエンダー干渉計12と、温度調整器13と、位相変調器14と、レーザダイオード11を駆動するクロック源15と、乱数源16と、量子暗号鍵配付プログラム(以下、簡単に、処理プログラムという)と、信号処理を行うプロセッサ17とから構成されている。
上記光減衰器は、レーザダイオード11から出射する波長の光強度を1光子/パルス以下に抑圧して、単一光子パルスを生成する。マッハ・ツエンダー干渉計12は、光減衰器によって減衰された光子パルスを時間分離して2連光子パルスを出力する。上記温度調整器13は、マッハ・ツエンダー干渉計12の遅延量の温度制御を行う。位相変調器14は、2つに時間分離した2連光子パルスに所定の位相差を加える機能を備えている。
乱数源16の駆動により、Alice1は、1つの光子に対して、0、π/2、π、3π/2の4通りの変調をランダムに施して、光伝送路2経由でBob3へ送信する。
上記プロセッサ17は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップS11と、(Bob3側の)光子検出器35、36がブロック内に複数ビット(光子パルス)を検出すると、当該ブロックを破棄するステップS12(ブロック破棄処理)と、基底照合を行うステップS13と、誤り訂正を行うステップS14と、秘匿性増強を行うステップS15とを実行する。
上記位相変調器31は、乱数源34の駆動に基づいて光伝送路2を介してAlice1から送られてきた2連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計32は、位相変調器31によって再度位相差を与えられた2連光子パルスを合波する。温度調整器33は、マッハ・ツエンダー干渉計32の遅延量の温度制御を行う。光子検出器35、36は、アバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photo Diode、)からなっている。
上記プロセッサ37は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップP11と、光子検出器35、36がブロック内に複数ビット(光子パルス)を検出すると、当該ブロックを破棄するステップP12(ブロック破棄処理)と、基底照合を行うステップP13と、誤り訂正を行うステップP14と、秘匿性増強を行うステップP15とを実行する。
Alice1では、図1に示すように、625MHzのクロック源15に同期した光子パルスがレーザダイオード11によって生成され、2入力2出力の非対称二光線束干渉計であるマッハ・ツエンダー干渉計12によって、時間分離された2連光子パルスへと変換される。この後、この2連光子パルスの片側の光位相を位相変調器14で変調することで、2連光子パルスの相対位相差(φA)をランダムに生成し、光伝送路2へと送り出す。
この実施形態は、波長分割多重(WDM)方式採用で、BB84プロトコル対応のシステムに係り、受信機(Bob6a)側で、同一のタイムスロット(ビット時間)内では複数波長の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光パルス検出器651、661、…、658、668が、複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄する構成となっている。
説明の便宜のため、8波長を波長分割多重(WDM)技術によって合波して伝送する場合を取り扱う。
Alice4aは、同図に示すように、互いに異なる波長λ1、λ2、…λ8を有する8波長の光子パルスの生成を行う、8個のレーザダイオード(LD)411、412、…、418と、図示せぬ8個の光減衰器と、2入力2出力のマッハ・ツエンダー干渉計42と、温度調整器(TEC)43と、8個の位相変調器(Mod)441、442、…、448と、クロック源451、452、…、458と、可変遅延器461、462、…、468と、位相変調器441、442、…、448を駆動する乱数源47と、例えば、WDMフィルタからなる光合波器481、482と、WDMフィルタからなる光分波器483と、量子暗号鍵配付プログラム(以下、簡単に、処理プログラムという)と、信号処理をおこなうプロセッサ49とから構成されている。
乱数源16の駆動により、Alice4aは、1つの光子に対して、0、π/2、π、3π/2の4通りの変調をランダムに施して、光伝送路5経由でBob6aに送信する。
上記光合波器482は、位相変調器441、442、…、448から入力される8波長λ1、λ2、…λ8の2連光子パルスを合波して、光伝送路5aを介してBob6aに送信する。
上記プロセッサ49は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップS21と、(Bob6a側の)光パルス検出器651、661、…、658、668が複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄するステップS22(同時計測ビット破棄処理)と、基底照合を行うステップS23と、誤り訂正を行うステップS24と、秘匿性増強を行うステップS25とを実行する。
上記位相変調器61は、乱数源62の駆動に従って、光伝送路5aを介してAlice4aから送られてきた多重2連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計63は、位相変調器61によって再度位相差を与えられた多重2連光子パルスを合波して単一の光子パルスを生成する。温度調整器64は、マッハ・ツエンダー干渉計63の遅延量の温度制御を行う。上記光分波器671、672は、マッハ・ツエンダー干渉計63から入力される多重光子パルスを8波長λ1、λ2、…λ8の単一光パルスに分岐して、対応する光子検出器651、652、…、658、661、662、…、668に向けて出力する。上記光パルス検出器651、661、…、658、668は、アバランシェフォトダイオード(APD)からなっている。
上記プロセッサ68は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップP21と、光子検出器651、652、…、658、661、662、…、668が、全体として、複数波長の光子パルスを同時スロットで検出すると、当該ブビットを破棄するステップP22(同時計測ビット破棄処理)と、基底照合を行うステップP23と、誤り訂正を行うステップP24と、秘匿性増強を行うステップP25とを実行する。
ここで、この実施形態において、Alice4a側のマッハ・ツエンダー干渉計42とBob6a側のマッハ・ツエンダー干渉計63とは、長短両経路の位相差が、波長単位の精度で一致しているものを用いるのが好ましい。
Alice4aでは、625MHzのクロック源451、452、…、458に同期した8波長の光子パルスがレーザダイオード411、412、…、418によって生成され、マッハ・ツエンダー干渉計42によって時間分離されて、8波長の2連光子パルスへと変換される。この後、乱数源16の駆動に基づいて、波長毎の2連光子パルスの片側の光位相を位相変調器441、442、…、448で変調することで、波長毎の2連光子パルスの相対位相差(φA)を0、π/2、π、3π/2の4通りにランダムに生成する。上記光合波器482は、位相変調器441、442、…、448から入力される8波長λ1、λ2、…λ8の2連光子パルスを合波して、光伝送路5aを介してBob6aに送信する。
上記の通り、実際には光子を検出できる確率は1/1000程度であるため、ある波長の光子を検出できたビットに別の波長の光子も検出できる確率は1/100程度になり、ここでの破棄分は、鍵生成速度に大きな劣化をもたらさないので、支障はない。
量子暗号システムにWDMを適用する場合には、図5に示すような構成も採ることができる。この実施形態でも複数波長の信号に対して同じ基底変調を行うが、第2の実施形態との違いは、Bob6b内の位相変調器611、612、…、618を複数設けることによって、Alice4b内での光パルスのタイミング制御を不要としている点である。図5のような構成でも使用する乱数量(乱数源モジュールの搭載量や構成部品数)を削減できる。
また、上述の第1の実施形態では、複数ビットが検出されたブロックを全て破棄したが、これに代えて、1ビットのみを残して残りのビットを破棄しても良い。すなわち、1ブロック中に2ビット検出したブロックからは1ビットを破棄、1ブロック中に3ビット検出したブロックからは2ビットを破棄となる。
また、上述の第2の実施形態では、複数波長が同時に検出されたビットを全て破棄したが、これに代えて、1波長分のみを残して残りの波長分を破棄してもよい。すなわち、1ビットで2波長検出したビットでは1波長分破棄、1ビットで3波長検出したビットでは2波長分破棄、というようにビット破棄を行う。
11、411、412、…、418 レーザダイオード(LD、光源)
12、42、421、422、…、428 マッハ・ツエンダー干渉計
13、43、431、432、…、438 温度調整器
14、441、442、…、448 位相変調器(変調器)
15、451、452、…、458 クロック源
16、47 乱数源
461、462、…、468 可変遅延器
481、482 光合波器(WDMフィルタ)
483 光分波器(WDMフィルタ)
17、49 プロセッサ(鍵情報破棄手段)
S11、S21 フレーム同期
S12 ブロック破棄
S22 同時計測ビット破棄
S13、S23 基底照合
S14、S24 誤り訂正
S15、S25 秘匿性増強
2、5 光伝送路
3、6a、6b、6c 受信機(Bob)
32、63、641、642、…、648 マッハ・ツエンダー干渉計
33、64、641、642、…、648 温度調整器
31、61、611、612、…、618 位相変調器(変調器)
35、36、651、661、…、658、668 ゲートモード光子検出器(光子検出器)
34、62 乱数源
671、672、673、675 光分波器(WDMフィルタ)
674 光合波器(WDMフィルタ)
37、68 プロセッサ(鍵情報破棄手段)
P11、P21 フレーム同期
P12 ブロック破棄
P22 同時計測ビット破棄
P13、P23 基底照合
P14、P24 誤り訂正
P15、P25 秘匿性増強
Claims (28)
- 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、予め決められた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。 - 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。 - 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、1の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。 - 共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。 - 共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、1波長分のビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。 - 前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項2又は3記載の光通信システム。
- 前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項4又は5記載の光通信システム。
- 前記変調器は、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一に記載の光通信システム。
- 前記変調器は、乱数源によって駆動されることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一に記載の光通信システム。
- 前記送信機には、光源から出射する波長の光強度を1光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器が備えられていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一に記載の光通信システム。
- 請求項1乃至10の何れか一に記載の光通信システムを構成する受信機であって、前記変調器と、前記光パルス検出器と、前記破棄手段とを備えてなることを特徴とする受信機。
- 請求項1乃至10の何れか一に記載の光通信システムを構成する送信機であって、前記変調器と、前記受信機の前記破棄手段の動作結果に基づいて、動作する前記破棄手段を備えてなることを特徴とする送信機。
- 請求項1乃至10の何れか一に記載の光通信システムにおいて、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
- 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、予め決めた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。 - 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄するブロック破棄処理とを備えてなることを特徴とする光通信方法。 - 微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、1の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。 - 共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する全ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。 - 共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、1波長分のビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。 - 前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項15又は16記載の光通信方法。
- 前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項17又は18記載の光通信方法。
- 前記変調処理では、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項14乃至18の何れか一に記載の光通信方法。
- 前記変調処理では、乱数源を用いて前記変調を施すことを特徴とする請求項14乃至18の何れか一に記載の光通信方法。
- 前記送信機に、光源から出射する波長の光強度を1光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器を設けることを特徴とする請求項14乃至18の何れか一に記載の光通信方法。
- 請求項14乃至21の何れか一に記載の光通信方法において、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布方法。
- コンピュータを請求項1乃至10の何れか一に記載の光通信システムの破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
- コンピュータを請求項11に記載の受信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
- コンピュータを請求項12に記載の送信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
- コンピュータに請求項14乃至23の何れか一に記載の光通信方法の各処理を実行させることを特徴とするプログラム。
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