JP5389127B2 - 量子通信システムに関する受信機 - Google Patents

Description

ここに記述された実施形態は、一般に、光子検出器に関する。
この出願は、２０１０年９月１３日に出願された、英国特許出願番号１０１５２４１．１に基づいて優先権の利益を主張し、全体が参照されることによりここに組み込まれる。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、一般に単一光子検出に用いられる。ＡＰＤおよび特にＩｎＧａＡｓ ＡＰＤは、それらの低コスト小型化および無冷媒動作（cryogen-free operation）のおかげで、１０年間以上実用的な量子通信システムにおける単一光子検出に関しての基盤となっている。それらの単一光子感度は、それらの降伏電圧を超えてバイアスがかけられたとき、巨大な利得を備えるアバランシェ増倍に起因する。それらの降伏電圧未満でバイアスをかけることは、単一光子感度の損失を引き起こす。しかし、これらのバイアスでさえ、ＡＰＤは光学的に応答がよいままで、バイアス依存利得を備えた光電流を生成する。

最近、単一光子を検出することができず、より高い強度の放射のパルスを用いて操作されるかもしれない“ブラインド状態”になりうるという、ＡＰＤシステムにおける脆弱性が報告されている。

本実施形態は、以下の限定されない実施形態に関して、ここに記述されるだろう。

図１は、本実施形態を理解するために役立つ一例に従う光子検出システムを示す。 図２は、実施形態に従う光子検出システムを示す。 図３ａは、電流読み出しの詳細を示す実施形態に従う光子検出システムを示す。 図３ｂは、簡略化された量子通信システムを示す。 図４ａは、アバランシェフォトダイオードの光強度に対する光子計数率のプロットであり、図４ｂは、実施形態に従う光子検出回路についての光強度に対する光子計数率のプロットであり、３つのトレースがクエンチング抵抗の異なる値に関して示される。 図５ａは、実施形態を理解し、ブラインド攻撃がＱＫＤシステムでどのように用いられうるかを示すために役立つ一例に従う量子通信システムの概略図であり、図５ｂは、クエンチング抵抗の４つの異なる値を用いた、時間上の出力信号に関するＡＰＤ応答を示し、図５ｃは、盗聴者によって送られた信号に応じた、弁別器の後の検出器出力信号およびＡＰＤ出力に関する時間上の光応答信号を示す。 図６ａは、４つの異なるクエンチング抵抗に関する光強度に対する光電流のプロットを示し、図６ｂは、６８０ｋΩのクエンチング抵抗に関する光強度に対する計数率および光電流の両方のプロットを示す。 図７は、追加的な実施形態に従う光子検出システムの概略図である。 図８は、さらに追加的な実施形態に従う光子検出システムのプロットである。 図９は、アクティブクエンチングを用いる追加的な実施形態に従う光子検出システムの概略図である。 図１０は、自己差分回路を用いる追加的な実施形態に従う光子検出システムの概略図である。 図１１は、サイン波ゲートを用いる実施形態に従う光子検出システムの概略図である。 図１２は、実施形態に従う光子検出システムを含むＱＫＤシステムの概略図である。

一実施形態において、本実施形態は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるバイアス回路と、光子吸収により前記アバランシェフォトダイオードに生じるアバランシェイベントをパルス電流として測定する第１測定回路と、前記アバランシェフォトダイオードに流入するバイアス電流を測定する第２測定回路とを具備する光子検出システムを提供する。

この実施形態では、第２測定回路は、ＡＰＤを通るバイアス電流を測定する。これは、ＡＰＤと接地との間のパスに提供される“センシング抵抗”と呼ばれる抵抗上で、過渡電圧降下を測定することにより過渡電流として典型的に測定されるアバランシェイベントとは異なる。パルス電流は、１００ｐｓからマイクロ秒未満の継続期間を有する。過渡アバランシェ電流の振幅は、識別レベルを越えるためにセンシング抵抗のインピーダンスに依存して、約１ｍＡであることが要求される。対照的に、ＤＣバイアス電流は、はるかに高精度で測定されうる。例えば、１０ｎＡのＤＣ電流は、難なく測定されうる。

バイアス電流は、１マイクロ秒以上の積分時間で測定される。したがって、バイアス電流は、時間平均される光電流として扱われる。

実施形態では、第２測定回路は、ＤＣバイアス電流が単一光子レジーム(regime)を超えるかどうかを示す。ＡＰＤが、高レベルの放射にさらされる場合、ＡＰＤは“ブラインド”、すなわち、さらに入ってくる単一光子に鈍感となりうる。このブラインドは、ＡＰＤに供給されるバイアスをその単一光子感度レベル未満に低下させる、大きな光電流の結果である。

一実施形態では、第２測定回路は、単一光子計数レジームにおいてバイアス電流がアバランシェフォトダイオードの最大の光電流の５０％を超えるかどうかを示す。さらに追加的な実施形態では、第２測定回路は、光電流が最大値の１０％を超えるかどうかを示す。

追加の実施形態では、第２測定回路は、予め定められた誤信号（erroneous signal）を出すことにより、バイアス電流が単一光子計数レジームを超えることを示す。そのような予め定められた信号は、ブラインド攻撃の存在を示すこととして認識されるであろうパルスシーケンスであってもよい。

バイアス回路の異なるタイプもあり得る。ＤＣバイアスは、それ自身が適用されてもよいし、または、ＤＣとＡＣとの組合せが適用されてもよい。第２測定回路は、ＤＣバイアス電源と直列に提供されてもよい。

交流電圧源は、パルス、方形波あるいは正弦波の形式でＡＣ電圧を出力するように構成されてもよい。ＡＣ電源は、周期的でもよいし、準周期的でもよい。

高照度のブラインド効果は、直流バイアスと直列に適用される抵抗（クエンチング抵抗）に依存する。クエンチング抵抗が低いほど、ブラインド効果が弱くなる。一実施形態では、クエンチング抵抗は、２０ｋΩ以下、より好ましくは５ｋΩ以下、さらに好ましくは１ｋΩ以下の抵抗を有する。より高いクエンチング抵抗を備える光子検出器ほど、ブラインド攻撃しやすい。それゆえ、一実施形態では、クエンチング抵抗は少なくとも２０ｋΩである。

ブラインド攻撃では、より高い連続波（ＣＷ）光強度が検出器に入射する。

一実施形態では、第１測定回路は、アバランシェフォトダイオードの容量性応答を消去するためのユニットをさらに含む。例えば、自己差分回路またはバンドパスフィルタが提供されてもよい。

追加的な実施形態では、少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを受信する受信機であり、前記受信機は、前記パルスを符号化するために用いる可能な基底から選択された基底で測定を行なうデコーダと、上述したような光子検出システムとを具備し、前記デコーダの出力を受信する量子通信システムに関する受信機が提供される。

追加的な実施形態では、少なくとも２つの基底を用いて符号化された光パルスを送る送信部と、上述した受信機とを具備する量子通信システムが提供される。

図１は、本実施形態を理解するのに役立つ光子検出システムの概略図である。システムはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１を含む。アバランシェフォトダイオードは、当技術分野で周知であり、ここでさらに記述しない。アバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードに接続されるバイアス回路３を用いて逆バイアスをかけられる。アバランシェフォトダイオードは、センシング抵抗５を介して接地される。

このセンシング抵抗５を通る過渡電圧は、アバランシェフォトダイオード１とセンシング抵抗５との間に接続される回路７を介して測定される。

単一光子検出については、バイアス回路３は、ＡＰＤにその降伏電圧を上回るバイアスがかけられるように設定される。この状態で、ＡＰＤ１での単一光子入射は、単一光子誘導電荷（single photon induced charge）のアバランシェ増倍を引き起こすための有限確率（finite probability）を有し、巨視的な電流を生成する。この過渡アバランシェ電流は、センシング抵抗５を介して電圧降下として検出される。過渡電圧はその後、弁別器６において、予め定められた電圧レベル、すなわち識別レベルに対して識別される。この識別レベルが過渡電圧によって越えられる場合、弁別器は、検出イベントを示す検出器出力を与えるために、明確な電気信号を、例えば、たいていＴＴＬパルスとして出力する。

いったん検出イベントが記録される（register）と、アバランシェ電流は、ＡＰＤ降伏電圧未満でＡＰＤバイアスをもたらすことによってクエンチされ、その後ＡＰＤが単一光子感知状態となるようにリセットされる。アバランシェクエンチングは、受動的には大きなクエンチング抵抗を用いるか、または能動的にはＡＰＤバイアスを制御するためにアバランシェ電流を用いるかで達成されうる。代替的に、ゲートモードも用いることができる。ゲートモードでは、ＡＰＤは、電圧ゲートによって短期間だけ、典型的に数ナノ秒で、その降伏電圧を上回るバイアスがかけられる。ゲート窓の外で、ＡＰＤはその降伏電圧を下回るバイアスがかけられ、それゆえアバランシェがクエンチされる。

図２は、実施形態に従う光子検出システムの概略図である。不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。図２の光子システムは、図１の光子検出システムと同様である。しかしながら、ＡＰＤ１を通過するバイアス電流をモニタする電流モニタ回路９が提供される。この電流モニタ回路９の妥当性は、後により詳細に記述する。

図３ａは、バイアス回路および電流検出回路９がより詳細に示された実施形態に従う光子検出システムを示す。不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。

ここで、電流監視回路９はバイアス回路３の一部として示される。ゲートＡＰＤとともに、バイアス回路はＤＣパス２１およびＡＣパス２３から成る。これらは、バイアスＴ接合２５によって結合する。ＤＣパス２１は、ＤＣ電圧源、読み出し出力２９を備える電流モニタ２７、およびクエンチング抵抗３１を含む。ＤＣ電圧は、ＡＰＤ１の降伏よりわずかに低く設定され、重畳ゲートＡＣバイアスはその後、予め定められた時間でＡＰＤが単一光子感知になるようにするため、ＡＰＤ１に降伏を上回るバイアスをかける。変調ＡＣバイアスは、ＡＰＤが速くリセットされることを可能にする。

ＡＰＤは、単一光子検出に関する量子通信システムにおいてしばしば用いられる。図３ｂに示されるタイプの簡略化された光子検出システムでは、アリス３１は、受信機ボブ３３に光子を送る。

あるよく知られたプロトコルシステム、ＢＢ８４プロトコルでは、アリスは２つの基底のうちの１つにおいて、ボブに単一光子を送る。簡単にするため、光子は偏光符号化であるとみなす。ただし、符号化の他のタイプは、位相などのようなものがあり得る。偏光基底（polarisation bases）は、（他の基底でも可能であるが）水平および垂直偏光である第１基底、および４５°ずつ回転する第２基底から選択される。アリスが水平に偏光された光子をボブに送り、かつ、ボブが水平／垂直測定基底である測定基底を用いる場合、ボブは、１００％の理論的精度で水平光子の偏光を決定することができる。しかしながら、ボブが、水平および垂直から４５°ずつ測定基底を回転させれば、ボブは、水平に偏光された光子が送られたかどうかを決定する５０％の可能性しか得られない。ＢＢ８４プロトコルでは、アリス３１は、光子を２つの基底間でランダムに選択してボブ３３に送り、ボブも測定基底をランダムに変更するだろう。ボブ３３は、どの測定基底を各光子に用いたかをアリスに伝えるために、古典的チャネルでアリスと通信する。アリスはその後、ボブがどの測定を保持するかをボブに伝え（つまり彼らが同じ基底を用いる）、彼らは両方とも鍵を確立する。

他のプロトコルは、存在するが、１以上の基底から選択した１つの基底を用いてアリスとボブとが測定しているという原理に最も作用する。もし盗聴者イブ３５が存在し、イブがアリスからボブへの光子を傍受する場合、光子が破壊される。イブは、光子を複製し、その後ボブにそれを送ることができる。しかしながら、イブは測定すべき正しい基底を知らないで通信を傍受する場合、イブは正しい測定基底を推測しなければならない。これは、イブが再生するどんな光子も、アリスによって元々送られたものと同じ基底でボブに再送されない可能性があることを意味するだろう。これは、アリスとボブとの間で確立された鍵における誤りとして現われ、それゆえ、イブの存在が検出されうる。

実際には、アリスとボブとは、鍵の一部における誤差からイブの存在を決定するために、鍵の一部分を比較する。しかしながら、ボブが単一光子検出器としてＡＰＤを用いる場合、イブがいわゆる「ブラインド攻撃」を開始することができるということが最近提案されている。この攻撃では、イブは、ボブの検出器をブラインドにする明るいＣＷ光を送る。

検出器が連続光線によってブラインドになるとき、検出器がその降伏バイアス未満となるように、検出器を通るバイアスが低下する。ブラインドレジームでは、ＡＰＤは、もはや単一入射光子に関する巨視的なアバランシェパルスを生成しない。ブラインドにするための光強度は、検出器回路構成およびＡＰＤのタイプに依存して、数ナノワットから数ミリワットまでの範囲に及ぶ。

巨視的なアバランシェはブラインド状態で生じないが、ＡＰＤは、有限利得を備える光電流出力に光照度を変換し、入射光照度に光学的に応答し続ける。検出器がこの状態である場合、強いパルス放射は、単一光子アバランシェ信号をシミュレートする過渡電流パルスを促すことができる。したがって、イブは、検出器での検出クリックを強制するために、放射パルスを送ることができる。ボブの検出器がパルスを完全に受信する場合、放射パルスがボブの検出器で記録できるように、イブのパルスの大きさが設定される。しかしながら、パルスが分離している場合、ボブの検出器のそれぞれは、放射の半分だけ受信し、これは検出イベントを引き起こすのに十分ではないだろう。

この攻撃は、ＢＢ８４プロトコルに有効である。ボブがイブと同じ基底を選ぶ場合はいつでも、パルス放射は単一検出器に向かう。しかしながら、イブが１つの基底でパルスを送り、ボブの検出器が別の基底にセットされる場合、その後イブの信号は分離されるだろう。これは、ボブの検出器のそれぞれが放射の半分のみを受信し、これが検出イベントを引き起こすのに十分にならないだろうということを意味する。したがって、ボブが彼女に異なる測定基底を用いる場合、ボブが光子が到着しないことを記録するだろうということをイブは知っている。この逆は、ボブがイブの送信基底を用いた全ての基底について、ボブが信号を受信したということをイブは知っているということである。

したがって、ボブが信号をいつ受信しボブが用いた基底をいつ受信したのかを通知するため、ボブは古典的チャネル上でアリスと通信するとき、イブは、この交換からボブと同じ鍵についての情報を正確に得ることができる。それは、イブが、彼らが異なる基底を用いた場合ボブが検出イベントを記録していないことを確証できたからである。

したがって、ブラインド攻撃は非常に強力である。検出器がブラインドになる場合があるかどうかは、測定回路の構成に部分的に依存する。図３ａは、クエンチ抵抗３１の存在を示す。ＡＰＤがブラインドである場合、ＡＰＤに適用するバイアスがその降下未満に減少するように、光照度は、クエンチング抵抗を通ってとても大きな電圧降下を生ずる。

これは図４ａおよびｂに示される。図４ａおよび４ｂは、光強度が増加するのに伴い測定された光子の計数率を示す。

図４ａおよび４ｂにおいて示されるデータを得る際に、ＩｎＧａＡｓ ＡＰＤは、単一光子検出のために２ＭＨｚの周波数でゲートされる。ＡＰＤは、１５５０ｎｍのレーザーダイオードによって照射される。

図４ａは、クエンチング抵抗が０である、つまり、意図的にクエンチング抵抗が使用されない状況を示す。実験データは飽和を示すが、ブラインド効果を示さない。この実験データは、一定の単一光子検出効率を仮定するシミュレーションによく一致する。

図４ｂは、１００ｋΩ、３３０ｋΩおよび６８０ｋΩのクエンチ抵抗に関するデータを示す。３つの全ての場合で、計数率は、光強度が大きくなるほど増加するが、その後急激に減少し始める。全ての場合で、計数率は、ある期間０に降下し、０の計数率のこの期間は、光子検出器がブラインドになるとき（ブラインド領域）である。光強度がさらに増加するにつれて、トレースは、図４ａで見られる飽和レベルに戻る。

計数率がより速く下落し、より大きいブラインド期間であるほどより高い抵抗であるクエンチ抵抗であることが理解されうる。

図５ａは、イブのブラインド攻撃がどのように構成されるかの概略図である。アリス４１は、すでに記述されるようにボブ４３に単一光子パルスを送る。イブ４５は、ボブとアリスとの間に位置する。イブの機器は、アリスのように、測定基底の間で選択することができるボブと同じである受信機４７を含む。イブは、光子が測定回路４７に登録される場合はいつでも、ボブ４３へ強い光学パルスを再送することを可能にさせる再送回路４９を有する。再送回路４９により設定されたパルスは、測定回路４７によって測定されたものと同じ基底にあるだろう。イブはまた、ボブの検出器をブラインド領域に移動させるのに十分な強度の連続光波をボブに送るブラインド回路５１を有する。再送回路４９は、振幅がボブの検出器における識別を超えるのに十分である光電流パルスを生成するため、とても大きな振幅である強い光学パルスを送るだろう。すでに説明したように、再送パルスの振幅は、（不正確な基底で測定されているので）信号が分離する場合、ボブの検出器のそれぞれにより受信した信号は、低すぎて検出イベントをトリガできない。

上記の攻撃を用いることによって、イブは、測定回路４７を用いて測定したもののうち、彼女の測定のうちのどれを保持し、どれを捨てるかを正確に知っており、イブがボブと同じ測定基底を用いる測定をイブはボブに記録だけさせることができる。したがって、古典的チャネル上でアリスおよびボブの古典的通信を聞くこと（listening）によって、彼女は、鍵に関する１００％の情報を得ることができる。

図５ｂは、異なるインピーダンスクエンチング抵抗に関するＡＰＤ出力を示す。照度は、１マイクロワットであり、最も高い信号ピークが、０ｋΩで、次に高いものが１００ｋΩのクエンチング抵抗で、次のものが３３０ｋΩで、および、最後のものが６８０ｋΩのクエンチング抵抗で見られる。識別レベルをちょうど容量性応答（capacitive response）を上回るように設定するとき、ＡＰＤは、３００ｋΩより大きいインピーダンスをクエンチングするために１マイクロワット照度下でブラインドになる。３００ｋΩおよび６８０ｋΩのピークが、容量性応答ピークとほぼ同じ高さであることが理解される。

図５ｃは、ボブの検出器がブラインド攻撃にさらされるときの結果を示す。

下段パネルでは、検出器はＣＷ照度を受ける。ＡＰＤはゲート信号に起因する出力を示す。識別後、上部のトレースである検出器出力は、完全に静的であるように見られる。

検出イベントは登録されない。

上段パネルでは、再送回路４９は、ブラインド回路５１からのＣＷ信号に加えて、パルスを送るために用いられる。送られた信号がボブと同じ測定基底であるとき、ＡＰＤ出力は弁別器のレベル（点線）より上である。それゆえ、検出器出力は、図５ｃの上部パネルの上部トレースで示されるようなピークを示す。

図６ａは、光電流対入射光強度のプロットを示す。このデータセットは、光子計数率対入射光強度（図４ａおよびｂ）で得られる。この測定では、電流モニタは、ＤＣ光電流を測定するためにＤＣパス（図３）に置かれる。プロットは３つのレジーム、単一光子アバランシェレジーム、ゲートアバランシェ飽和、および最後に、高光強度線形モード光電流に細分化されることができる。

単一光子レジームでは、μη＜１であり、ここで、ηが単一光子検出効率である一方、μは検出ゲートに入る光子の平均数である。このレジームでは、各検出ゲートでのアバランシェ確率は、入射光強度に伴って線形に増加する。これらのアバランシェは、ＤＣバイアスパスを介して流入する電流を生み出す。この電流の平均は、全ての異なるクエンチング抵抗に関する入射光強度に線形従属であるとして測定される。単一光子計数ＡＰＤはまた、このレジームにおいて従来の電力計としての役割を果たす。

ゲートアバランシェの飽和後、光電流は入射光強度に対してほぼ線形になる。このレジームでは、各検出ゲート内に巨視的なアバランシェがあり、さらに入射光強度を増加することは、アバランシェ確率を増加させないだろう。

最終的に、高い光強度では、光強度は非常に高いので、その光電流はゲートアバランシェの光と同程度になる。その結果、線形光強度依存は、光電流に関して再び観察される。

クエンチング抵抗の減少によって、ブラインド攻撃は、大部分が緩和されうるが、ＤＣパスにおいてＡＰＤを通過するバイアス電流をモニタすることによって、ブラインド攻撃を防ぐことも可能である。図２および図３は、この電流をモニタすることを可能にするバイアス電流の電流読み出しを示す。

図４ｂおよび図６をつなげると、検出器が単一光子アバランシェモードから線形モードへ移動する場合、光電流が５００ｎＡを超えることが明らかになる。したがって、ＡＰＤを通過する電流をモニタすることによって、検出器が単一光子アバランシェモードから離れたかどうかを伝達することが可能である。光電流が単一光子アバランシェレジームを超えるときはいつでも、検出器はブラインド攻撃にさらされると判定することができる。

臨界電流は、検出器に対して電流異常(current anomaly)と定義されうる。図６ｂでは、光電流と計数率とは、６８０ｋΩのクエンチング抵抗を備えたアバランシェフォトダイオードに関して一緒にプロットされる。最初に、最大計数率は、単一光子計数レジームに関して６０キロ計数毎秒として決定されうる。その最大の光子計数率の５０％での光電流を臨界電流として定義し、ここでは２００ｎＡである。光電流がこの値を上回ってモニタされる場合はいつでも、検出器はブラインド攻撃下にあるとして扱われるだろう。

臨界電流が定義される最大計数率の５０％の割合は、単なる１例である。１０％以下のように、より小さい値が用いられうる。小さい値の使用は、単一光子検出器がその最大計数率付近でほとんど動作しない量子鍵配信によく適する。

この割合も、期待される光子到着率に従って設定されうる。量子鍵配信システムでは、アリスの光源強度、量子チャネル送信損失、およびボブの受信損失は、通常既知値である。したがって、光子検出率は、適正な精度を備え、それゆえ光電流で推定されうる。モニタされた光電流が期待値を著しく超える場合、検出器はブラインド攻撃下とみなされる。

臨界電流は検出器依存である。例えば、同じアバランシェフォトダイオードについては、より低い抵抗のクエンチング抵抗が用いられるとき、臨界電流はより大きくなる。

電流の計数率に対する比も、ブラインド攻撃を明らかにするために用いることができる。単一光子計数レジームでは、光電流は計数率に線形従属である。光子電流率が得られると、１計数当たりの平均光電流を作り出すことは容易である。例えば、図６ｂでは、各光子計数は、ほぼ６ｐＡの電流に相当する。この比が、単一光子計数レジームにあるべきであるよりも１０倍を超える場合はいつでも、電流異常が定義されてもよい。

図７は図２の配置に似ており、不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。ここに、検出器が攻撃にさらされているかどうかを決定するために光電流をモニタする電流モニタが、調整回路５５にフィードバックされる。調整回路５５は、弁別器６からの出力を調整する。調整回路５５は、電流モニタ９からの入力を受信する。モニタされた電流が予め定められた臨界値未満（例えば、その最大計数率の５０％に対応する光電流）であるとき、調整回路は、直接貫通接続するように設定することができ、すなわち、調整回路５５は弁別器出力に何もしない。しかしながら、電流がこの臨界値を超える場合、検出器は、ブラインド攻撃下であると扱われる。この場合、調整回路５５は、検出器出力を無効にすることができる。代わりに、調整回路は、測定された光子と関係がない予め定められたパルスストリームを出力するために設定されうる。検出器が盗聴者の存在をこのように明らかにする量子通信に用いられるとき、そのような予め定められたパルスストリームは、多くの誤差を生ずるだろう。

図８は、受動的にクエンチされる回路を備えた実施形態に従う光子検出システムの概略図である。

不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。バイアス回路６１は、単一ＤＣ入力６３、クエンチング抵抗６５，および、ＤＣ入力とクエンチング抵抗との間に直列に提供される読み出し回路６７を含む。この受動的なクエンチング回路では、アバランシェは、クエンチング抵抗６５によって受動的にクエンチされる。アバランシェが起こる場合、クエンチング抵抗６５に流入するアバランシェ電流は、ＡＰＤを通ってバイアス低減を引き起こす。したがって、アバランシェは自己クエンチ（self-quenched）される。読み出し回路（６７）およびクエンチング抵抗の順序は、変更されてもよい。

これは、読み出し回路６７が光電流が大きすぎるかどうかをモニタするために用いられる上記の実施形態と同じ動作である。

図９はアクティブクエンチング回路を示す。不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。この配置は、パッシブクエンチング回路に似ている。しかしながら、アバランシェが弁別器６によって識別されるとき、ＡＰＤ１をリセットするためにＡＰＤ降伏電圧未満にＤＣバイアス６３を戻すフィードバックループがある。

この状況では、電流モニタは、ＤＣバイアスパスに再び挿入される。

図１０は追加的な実施形態に従う光子検出システムを示す。不要な反復を避けるため、同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。

この実施形態では、バイアス回路７１は、再びＤＣ入力７３およびＡＣ入力７５を含む。ＡＣ入力は、ＡＰＤ１にゲート信号を供給する。電流読み出し回路７９は、ＤＣ入力およびクエンチング抵抗８１と直列に提供される。その後、ＤＣ入力とＡＣ入力とは、バイアスＴ８３で結合される。

ＤＣ信号は、ＡＰＤの降伏バイアスのレベルをほんの少し下回るレベルに設定される。入力７５によって供給されるゲートバイアスが、ＡＰＤを切り替えて降伏バイアスより大きくしたり、降伏バイアスよりも小さくする。ＡＰＤは、降伏バイアスより高いバイアスがかけられるとき、単一光子検出ができる。ＡＰＤそれ自身は、前に記述されるような同じ方法で構成される。センシング抵抗５上の電圧降下はその後、自己差分回路８５を最初に通過する。自己差分回路は、参照することによってここに組込まれる先の特許公開番号ＷＯ２００８／１０４７９９にさらに詳細に記述される。自己差分回路は、信号を信号分配器８７で分割する。信号は２つの等しい部分に分けられる。一部は出力チャネル８９に沿って送られ、他方は出力チャネル９１に沿って送られる。出力チャネル９１は、このチャネルに沿って通過する信号を、出力チャネル８９に沿って通過する信号に対して整数の周期だけ遅らせる遅延ループを有する。出力チャネル８９および出力チャネル９１に沿った信号の１つは、その後反転され、信号は、信号コンバイナ９３で結合される。反転は、信号コンバイナ９３または信号分配器８７のどちらか一方で起こってもよい。単一光子は、単一ゲート期間ごとに検出されないだろう。従って、一期間で反転信号をタイムシフトし、信号を結合することによって、アバランシェピークにまさに関係のある出力が見られる。この出力はその後、弁別器６を通過し、検出器出力７に入れられる。

図１１は、さらに追加的な実施形態に従う光子システムを示す。同じ参照数字は、同等の特徴を示すために用いられる。バイアス回路１０１は同様に、ＤＣ入力１０３およびＡＣ入力１０５を有する。この場合、ＡＣ入力は、バイアスＴ１０７に送られる正弦波を含む。ＤＣ入力は同様に、電流モニタ回路１０９を含み、ＤＣ信号はクエンチング抵抗１１１に入れられる。ＤＣ信号は、バイアスＴ１０７でＡＣ信号と結合され、信号はＡＰＤ１に入れられる。図１０に関して記述されるのと同じ方法で、ＤＣ入力は、ＡＰＤに降伏電圧を少し下回るバイアスをかける。ゲート信号は、要求に応じて、降伏電圧より上および下にＡＰＤを上げる。すでに述べたように、センシング抵抗５を通る電圧降下が測定され、信号は帯域阻止フィルタ１１３に入れられる。帯域阻止フィルタ１１３はその後、アバランシェ信号が残ることをまさに許可すべきゲート信号の周波数を差し引くために使用される。信号は弁別器６に転送され、検出器出力７に出される。

図１２は、実施形態に従う量子通信システムの概略図である。量子通信システムは、アリスと呼ばれる送信機２０１および受信機、ボブ２０３を含む。アリス２０１は、光ファイバー２０５に沿ってボブ２０３に符号化されたパルスを送る。これは１つの送信機および１つの受信機を備える単純なシステムであるが、同一の法則は、量子エンタングルメントシステム、および、複数の受信機またはルータを備えるシステムに適用されうる。

最も単純な形式の送信機は、エンコーダ２０９に光子パルスを出力する光源２０７を含む。エンコーダは、２つ以上の基底のうちの１つにおいてパルスを符号化できる。パルスを送るために用いられる基底は、コントローラ２１１によって制御される。デコーダ２１３は、制御２１５下で測定基底を選択することによりパルスをデコードする。一旦測定基底が選択されれば、デコーダは検出器Ｄ１ ２１７かまたは検出器Ｄ２ ２１９に、弱いパルスを導くだろう。測定基底は、アリスの送信基底と一致させるために、デコーダによって正確に選択されている場合、結果は１００％の理論的精度で決定できる。不正確な基底が用いられる場合、どちらか一方の検出器は、５０％精度で計数を記録できる。

ブラインド攻撃に対する防御として、検出器Ｄ１あるいはＤ２のどちらかは、図２から図１１のうちのいずれかに関して記述されたタイプの検出器である。この検出器はそれゆえ、電流モニタ回路を有する。一実施形態では、電流モニタ回路は、光電流が予め定められた閾値を上回るかどうかを決定し、光電流が高い場合に検出されたすべてものを無視する制御を示すことができる。代替となる実施形態では、そのような高い光電流が決定されるとき、予め定められたパルスシーケンスは、コントローラに送られうる。これは、攻撃の存在を示す大きな量子ビット誤り率をもたらす。

追加的な実施形態の中では、光電流が増加する場合、受信機２０３は、検出器に影響を与える光強度をモニタするために、光強度モニタをさらに提供してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (14)

1. 量子通信システムに関する受信機であって、前記受信機は、少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを受信し、前記受信機は、前記光パルスを符号化するために用いられる可能な基底から選択された基底で測定を行なうデコーダと、該デコーダの出力を受信する光子検出システムとを具備し、
   前記光子検出システムは、
   アバランシェフォトダイオードと、
   前記アバランシェフォトダイオードに光子検出のための降伏電圧よりも高いバイアスがかかるように、前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるバイアス回路と、
   光子吸収により前記アバランシェフォトダイオードに生じるアバランシェイベントを過渡電流として測定する第１測定回路と、
   前記アバランシェフォトダイオードに流入するバイアス電流を測定する第２測定回路と、を具備し、前記第２測定回路は、１マイクロ秒以上の積分時間で前記バイアス電流を測定し、前記測定されたバイアス電流が閾値を超える場合に前記受信機がブラインド攻撃にさらされていることをコントローラに示す受信機。
2. 量子通信システムに関する受信機であって、前記受信機は、少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを受信し、前記受信機は、前記光パルスを符号化するために用いられる可能な基底から選択された基底で測定を行なうデコーダと、該デコーダの出力を受信する光子検出システムとを具備し、
   前記光子検出システムは、
   アバランシェフォトダイオードと、
   前記アバランシェフォトダイオードに光子検出のための降伏電圧よりも高いバイアスがかかるように、前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるバイアス回路と、
   光子吸収により前記アバランシェフォトダイオードに生じるアバランシェイベントを過渡電流として測定する第１測定回路と、
   前記アバランシェフォトダイオードに流入するバイアス電流を測定する第２測定回路と、を具備し、前記第２測定回路は、前記測定されたバイアス電流が閾値を超える場合に前記受信機がブラインド攻撃にさらされていることをコントローラに示す受信機。
3. 前記バイアス回路は、前記アバランシェフォトダイオードにＤＣバイアスを供給するＤＣバイアス電源を具備し、
   前記第２測定回路は、前記ＤＣバイアス電源に直列に提供される請求項１または請求項２に記載の受信機。
4. 前記バイアス回路は、前記ＤＣバイアスに直列に供給されるクエンチング抵抗を具備し、
   前記クエンチング抵抗は、２０ｋΩ以上の抵抗を有する請求項３に記載の受信機。
5. 前記第２測定回路は、前記ＡＰＤによって検出されたものを無視すべきであることを示すために予め定められた誤信号を出すことにより、電流異常をさらに示す請求項１または請求項２に記載の受信機。
6. 前記予め定められた誤信号は、固定の電気パルスストリームである請求項５に記載の受信機。
7. 前記第２測定回路は、検出器出力を無効にすることにより、電流異常をさらに示す請求項１または請求項２に記載の受信機。
8. 前記第２測定回路は、前記バイアス電流が、単一光子レジームにおける前記アバランシェフォトダイオードの最大光電流の１０％に対応する値を超えるかどうかを示す請求項１または請求項２に記載の受信機。
9. 前記バイアス回路は、交流電圧バイアス電源および直流電圧バイアス電源を具備する請求項１または請求項２に記載の受信機。
10. 前記交流電圧バイアス電源は、パルス、方形波または正弦波の形式でＡＣ電圧を出力する請求項９に記載の受信機。
11. 前記交流電圧バイアス電源は、周期的である請求項９に記載の受信機。
12. 前記第１測定回路は、前記アバランシェフォトダイオードの容量性応答を補償するためのユニットをさらに具備する請求項１または請求項２に記載の受信機。
13. 少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを送る送信部と、請求項１または請求項２に記載の受信機とを具備する量子通信システム。
14. 量子通信システムに関する受信機において光子を検出する方法であって、前記受信機は、少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを受信し、前記受信機は、前記光パルスを符号化するために用いられる可能な基底から選択された基底で測定を行なうデコーダと、該デコーダの出力を受信する光子検出システムとを具備し、
    前記光子検出システムは、アバランシェフォトダイオードを含み、
    前記方法は、
    光子検出のための降伏電圧よりも高い前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけ、
    光子吸収により前記アバランシェフォトダイオードに生じるアバランシェイベントを過渡電流として測定し、
    前記アバランシェフォトダイオードに流入するバイアス電流を測定し、前記測定されたバイアス電流が閾値を超える場合に前記受信機がブラインド攻撃にさらされていることをコントローラに示すことを具備する方法。

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