JP5498234B2 - Quantum cryptography communication system - Google Patents

Quantum cryptography communication system Download PDF

Info

Publication number
JP5498234B2
JP5498234B2 JP2010097054A JP2010097054A JP5498234B2 JP 5498234 B2 JP5498234 B2 JP 5498234B2 JP 2010097054 A JP2010097054 A JP 2010097054A JP 2010097054 A JP2010097054 A JP 2010097054A JP 5498234 B2 JP5498234 B2 JP 5498234B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photon
optical pulse
pulse train
receiver
photons
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010097054A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011228942A (en
Inventor
利守 本庄
恭 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2010097054A priority Critical patent/JP5498234B2/en
Publication of JP2011228942A publication Critical patent/JP2011228942A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5498234B2 publication Critical patent/JP5498234B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、送信機から受信機へ量子暗号鍵を配送する量子暗号通信システムに関する。   The present invention relates to a quantum cryptography communication system for delivering a quantum cryptography key from a transmitter to a receiver.

従来、暗号技術としては数式の数学的な計算困難性(例えば、解読のための計算に膨大な時間がかかる)を基礎にした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子1個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。   Conventionally, as a cryptographic technique, an encryption method based on mathematical calculation difficulty of a mathematical formula (for example, a long time is required for calculation for decryption) has been used, but recently, a single photon level is used. Research on quantum cryptography that uses light to guarantee physical security is ongoing.

量子暗号は、量子力学の理論を用いた暗号技術であって、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。   Quantum cryptography is a cryptographic technique that uses the theory of quantum mechanics, and is known as the ultimate cryptographic technique in which the content becomes meaningless even if eavesdropping, and the eavesdropping is understood.

量子通信の分野では、互いに離れた地点に存在する2者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。量子鍵配送には、各種方式が存在するが、本明細書では従来技術として、「差動位相シフト量子鍵配送方式」(非特許文献1参照)について説明する。   In the field of quantum communication, there is known a system that supplies a secret key for performing cryptographic communication between two parties present at points distant from each other, and this system is also called a quantum key distribution system. There are various methods for quantum key distribution. In this specification, a “differential phase shift quantum key distribution method” (see Non-Patent Document 1) will be described as a conventional technique.

図1(a)は、従来技術の「差動位相シフト量子鍵配送システム」の基本構成を示す。送信機は、0またはπで任意にランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均1光子未満(例えば、0.1光子/パルス)で伝送路に送出する。平均光子数1個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。   FIG. 1A shows a basic configuration of a “differential phase shift quantum key distribution system” of the prior art. The transmitter transmits a coherent optical pulse train having a constant interval arbitrarily phase-modulated with 0 or π to the transmission line at an average of less than 1 photon per pulse (for example, 0.1 photon / pulse). The state where the average number of photons is less than one is realized by greatly attenuating normal laser light.

このような光パルス列を光子検出すると、パルスによって光子が検出されたりされなかったり、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかは、測定するまで不確定である。   When such an optical pulse train is detected as a photon, the detection result indicates that no photon is detected by the pulse. The pulse at which a photon is detected is uncertain until it is measured.

図1(a)に示すように、送信機から送出されたパルス列は、伝送路を介して受信機に到達する。まず、受信機では、光分岐手段を使用して、送信機から受信した光パルス列をエネルギー的に等分になるように2つに分岐し、分岐した各光パルス列を長経路および短経路に送出する。長経路では、光パルス列に一定の遅延時間Tを加える。その後、長経路および短経路を通った光パルス列は、2×2合波カップラにおいて再び合波する。2×2合波カップラは、長経路および短経路にそれぞれ接続されている第1及び第2の入力端子を備え、長経路および短経路を通った光パルス列を受け入れる。また、2×2合波カップラは、第1及び第2の出力端子も備え、それぞれの出力端子には、第1及び第2の光子検出器が接続されている。   As shown in FIG. 1A, the pulse train sent from the transmitter reaches the receiver via the transmission path. First, in the receiver, using the optical branching means, the optical pulse train received from the transmitter is split into two so as to be equally divided in energy, and each branched optical pulse train is sent to the long path and the short path. To do. In the long path, a certain delay time T is added to the optical pulse train. Thereafter, the optical pulse trains that have passed through the long path and the short path are combined again in the 2 × 2 multiplexing coupler. The 2 × 2 multiplexing coupler includes first and second input terminals connected to the long path and the short path, respectively, and receives an optical pulse train that has passed through the long path and the short path. The 2 × 2 multiplexing coupler also includes first and second output terminals, and the first and second photon detectors are connected to the respective output terminals.

上記の長経路で一方の光パルスに与えられる一定の遅延時間Tは、送信機から伝送路を介して受信機に入力される光パルス列の一定間隔Tに等しいものと仮定すると、2×2合波カップラでは、前後のパルスが重なり合って合波される。パルスが重なり合う様子は、図1(b)に図示している。   Assuming that the constant delay time T given to one optical pulse in the long path is equal to the constant interval T of the optical pulse train input from the transmitter to the receiver via the transmission line, 2 × 2 In the wave coupler, the preceding and following pulses are overlapped and combined. The manner in which the pulses overlap is illustrated in FIG.

受信機に入力された光パルス列は、上述したように、0またはπで位相変調されている。したがって、受信機内の光分岐手段から2×2合波カップラにいたる分岐・合波経路の伝播位相が適切であれば、重なり合うパルスの位相差は0またはπとなる。   The optical pulse train input to the receiver is phase-modulated by 0 or π as described above. Therefore, if the propagation phase of the branching / combining path from the optical branching means in the receiver to the 2 × 2 multiplexing coupler is appropriate, the phase difference between the overlapping pulses is 0 or π.

2×2合波カップラでの合波の結果、両パルスは干渉し、位相差が0ならば第2の光子検出器が光子を検出し、位相差πならば第1の光子検出器が光子を検出することになる。   As a result of multiplexing by the 2 × 2 multiplexing coupler, both pulses interfere. If the phase difference is 0, the second photon detector detects the photon, and if the phase difference is π, the first photon detector detects the photon. Will be detected.

上記の構成を用いて、送信機と受信機は、以下の手順により秘密鍵を得る。   Using the above configuration, the transmitter and the receiver obtain a secret key by the following procedure.

まず、受信機は、上記の構成により送信機から送出され、伝送路を経たパルスから光子を検出する。この際、受信機は、検出した時刻と光子検出器を記録する。所定の数の光子が受信された後、受信機は送信機に対して光子が検出された時刻(以下「光子検出時刻」とも言う。)を通知する。ただし、この通知経路は上記伝送路に限るものではない。   First, the receiver detects a photon from a pulse transmitted from the transmitter having the above-described configuration and passing through the transmission path. At this time, the receiver records the detected time and the photon detector. After a predetermined number of photons are received, the receiver notifies the transmitter of the time when the photons are detected (hereinafter also referred to as “photon detection time”). However, this notification path is not limited to the transmission path.

送信機は、受信機から通知された光子検出時刻と、送信機自身が有する位相変調データとから、受信機が第1及び第2の光子検出器のいずれで光子を検出したかを知ることができる。   The transmitter can know from the photon detection time notified from the receiver and the phase modulation data of the transmitter itself whether the receiver has detected the photon by the first or second photon detector. it can.

そこで、第1の光子検出器で光子検出した場合をビット「0」、第2の光子検出で光子検出した場合をビット「1」と予め取り決めておけば、送信機と受信機は、双方で同じビット列を得ることができる。   Therefore, if the photon detection by the first photon detector is determined as bit “0” and the photon detection by the second photon detection is determined as bit “1” in advance, both the transmitter and the receiver can The same bit string can be obtained.

上記手順においては、受信機から送信機へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機の外部には出ることはなく、盗聴されることはない。   In the above procedure, since only the photon detection time is notified from the receiver to the transmitter, the bit information does not go outside the receiver and is not wiretapped.

この「差動位相シフト量子鍵配送方式」に対する代表的な盗聴法として「なりすまし法」と呼ばれる方法が知られている。図2(a)は、なりすまし盗聴の説明図である。図中、光子検出器を便宜上「DET」と標記している。盗聴機(盗聴者)は、伝送路の途中で、送信機によって送出された伝送信号を本来の受信機と同様の機器構成で受信し、その受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機に光送信機を用いて送信する。盗聴機(盗聴者)が送信機からの伝送信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。   As a typical wiretapping method for the “differential phase shift quantum key distribution method”, a method called “spoofing method” is known. FIG. 2A is an explanatory diagram of impersonation wiretapping. In the figure, the photon detector is labeled “DET” for convenience. An eavesdropper (the eavesdropper) receives a transmission signal sent by the transmitter in the same way as the original receiver in the middle of the transmission path, and sends a dummy signal to the original receiver based on the reception result. Transmit using an optical transmitter. If the eavesdropper (the eavesdropper) can correctly receive the transmission signal from the transmitter, the dummy signal is the same as the original transmission signal, and information can be obtained without the receiver being aware of the eavesdropping action.

しかしながら、上述の「差動位相シフト量子鍵配送方式」においては、送信機からの送信信号はパルスあたり平均1光子未満(例えば0.1光子/パルス)の光パルス列であるため、このような送信信号を受信しても、平均10パルスに1回しか光子は検出されない。   However, in the above-mentioned “differential phase shift quantum key distribution method”, the transmission signal from the transmitter is an optical pulse train having an average of less than 1 photon (for example, 0.1 photon / pulse) per pulse. Even if a signal is received, photons are detected only once per 10 pulses on average.

したがって、盗聴機(盗聴者)は、光子を検出することができた時刻に対応する2つのパルスの位相差は分かるが、それ以外の場合の位相差は検出できない。盗聴機(盗聴者)がこのような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差が検出できなかった時刻に対応するパルスについては、当て推量で選んだ位相を割り振って再送するか(なりすまし盗聴1)、何も信号を出さないか(なりすまし盗聴2)のいずれかの方法を採るしかない。   Therefore, the eavesdropper (the eavesdropper) knows the phase difference between the two pulses corresponding to the time when the photon can be detected, but cannot detect the phase difference in other cases. When an eavesdropper (wiretap) tries to send a dummy signal based on such a detection result, for the pulse corresponding to the time when the phase difference could not be detected, the phase selected by the guess is allocated and retransmitted (impersonation). Eavesdropping 1) or no signal (spoofing 2) can only be taken.

前者の場合(なりすまし盗聴1)、当て推量で選んだ位相差を受信機が検出した際、送信機が送った信号と異なる可能性が高い。後者の場合(なりすまし盗聴2)、やはり信号の不一致が生じる。その理由は、この場合の盗聴機(盗聴者)が送るのは光子を検出した時刻に対応する2パルスを含むパルス列であるが、孤立した連続する2つのパルス以外は空のパルスだからである。つまり、孤立した連続する2つのパルスを受信機が受信すると、2×2合波カップラら出力される段階では3つの時刻で光子が検出され得る。   In the former case (spoofing spoofing 1), when the receiver detects the phase difference selected by guesswork, there is a high possibility that it differs from the signal sent by the transmitter. In the latter case (spoofing spoofing 2), signal mismatch still occurs. The reason is that an eavesdropper (the eavesdropper) in this case sends a pulse train including two pulses corresponding to the time when a photon is detected, but it is an empty pulse except for two consecutive isolated pulses. That is, when the receiver receives two consecutive isolated pulses, a photon can be detected at three times when it is output from the 2 × 2 multiplexing coupler.

この3つの時刻で光子が検出される様子は、図2(b)に図示している。図2(b)では、光分岐手段によって分岐された光パルス列のうち、遅延されない光パルス列(下に記載されている光パルス列)と遅延された光パルス列(上に記載の光パルス列)を時系列的に図示している。   The manner in which photons are detected at these three times is illustrated in FIG. In FIG. 2B, among the optical pulse trains branched by the optical branching means, a non-delayed optical pulse train (the optical pulse train described below) and a delayed optical pulse train (the optical pulse train described above) are time-series. It is shown schematically.

図2において、両光パルス列が重なる時刻は3つ示されているが、そのうちの真ん中の時刻(「第2の時刻」と呼ぶ。)t2で光子が検出された場合には、その検出結果は2つのパルスの位相差に従っており、送信機が意図した通りの光子検出器で光子が検出される。   In FIG. 2, three times when the optical pulse trains overlap each other are shown. When a photon is detected at the middle time (referred to as “second time”) t 2, the detection result is According to the phase difference of the two pulses, a photon is detected by a photon detector as intended by the transmitter.

ところが、2つの光パルス列が重ねる時刻のうち第2の時刻t2の前後である第1の時刻t1又は第3の時刻t3で光子が検出された場合には、干渉する相手がいないため、第1及び第2の光子検出器のいずれで光子が検出されるかは全く無作為に起こる。   However, when a photon is detected at the first time t1 or the third time t3, which is before or after the second time t2 of the time when the two optical pulse trains overlap, there is no other party to interfere with, so the first Whether the photon is detected by the second photon detector or the second photon detector occurs at random.

したがって、受信機が第1の時刻t1又は第3の時刻t3での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信機が意図したものとは異なるものになる。   Therefore, when the receiver obtains the secret key bit from the photon detection result at the first time t1 or the third time t3, the bit is different from the one intended by the transmitter.

このように、なりすまし盗聴が行われると、送信機と受信機との間でビットの不一致が生じる。これをビット誤りと言う。そこで、送信機および受信機は、通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットを用いて照合検査する。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが発生する。   In this way, when spoofing is performed, a bit mismatch occurs between the transmitter and the receiver. This is called a bit error. Therefore, the transmitter and the receiver obtain a secret key in accordance with a normal procedure, and then perform a verification check using some test bits. If the system is operating normally, the bit information of both will match, but if there is spoofing, there will be bits that do not match.

より具体的には、盗聴機が1個の光子を含むダミー信号を送信した場合、受信機が第1または第3の時刻で光子検出する確率は1/2であり、そしてこの光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその1/2であることから、1/4の割合でビット誤りとなる。ビット誤りがある場合、システムは正常に動作していないと判断され、その秘密鍵は廃棄される。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。   More specifically, if an eavesdropper transmits a dummy signal containing one photon, the probability that the receiver will detect a photon at the first or third time is ½, and it can be derived from this photon detection. Since the probability that the generated bits do not match is further ½ of that, a bit error occurs at a rate of ¼. If there is a bit error, it is determined that the system is not operating normally and the private key is discarded. In other words, if the test bits match, it can be determined that there was no wiretapping, and the secret key is guaranteed to be secure.

このように、差動位相シフト量子鍵配送方式においては、なりすまし盗聴を受けたとしても、送信信号が1パルスあたり1光子未満であることにより、盗聴者(盗聴機)は正確なダミー信号を送信できず、不正確なダミー信号により送受信機間でビット誤りが生じ、盗聴の有無を判別することができた。   In this way, in the differential phase shift quantum key distribution method, even if spoofing is performed, an eavesdropper (eavesdropper) transmits an accurate dummy signal because the transmission signal is less than one photon per pulse. However, a bit error occurred between the transmitter and the receiver due to an inaccurate dummy signal, and the presence or absence of eavesdropping could be determined.

K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, ‘‘Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light,’’ Physical Review A, 2003, vol. 68, paper number 022317K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, ‘‘ Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light, ’’ Physical Review A, 2003, vol. 68, paper number 022317 T. Tsurumaru, ‘‘Sequential attack with intensity modulation on differential-phase-shift quantum key distribution protocol,’’ Physical Review A, 2007, vol. 75, paper number 062319T. Tsurumaru, ‘‘ Sequential attack with intensity modulation on differential-phase-shift quantum key distribution protocol, ’’ Physical Review A, 2007, vol. 75, paper number 062319

上述の説明では、送受信機の性能が理想的であることを前提として、得られた秘密鍵が安全であることを説明した。しかしながら、実際には送受信機の性能の不完全さのために、システム元来のビット誤り率が発生する。   In the above description, it has been described that the obtained secret key is secure on the assumption that the performance of the transceiver is ideal. However, the bit error rate inherent in the system is actually generated due to imperfect performance of the transceiver.

この場合、そのビット誤りに紛れて、鍵の一部が盗聴される可能性がある。例えば、システム元来のビット誤り率がeであったと仮定する。これに対して盗聴者(盗聴機)は、伝送信号の一部に対してだけ、上述のなりすまし盗聴2(位相差が検出できなかったパルスについては何も信号を出さない)を行なうとする。盗聴する割合をxとすると、それにより発生するビット誤り率は、x×1/4=x/4である。   In this case, a part of the key may be eavesdropped due to the bit error. For example, assume that the original bit error rate of the system was e. On the other hand, it is assumed that an eavesdropper (eavesdropping machine) performs the above-described spoofing eavesdropping 2 (no signal is output for a pulse whose phase difference cannot be detected) only for a part of the transmission signal. When the wiretapping rate is x, the bit error rate generated thereby is x × 1/4 = x / 4.

ここで、x/4<e、すなわち、システム元来のビット誤り率の方が盗聴により発生するビット誤り率より高い場合には、送信機および受信機では、このシステム元来のビット誤りと盗聴によるビット誤りとの区別がつかず、盗聴に気づくことが困難である。すなわち、割合xに該当する分の鍵情報は、送信機および受信機が気付くことなく盗聴者によって盗まれる可能性がある。   Here, when x / 4 <e, that is, when the original bit error rate of the system is higher than the bit error rate caused by eavesdropping, the transmitter and the receiver have the system original bit error and eavesdropping. It is difficult to distinguish from a bit error due to eavesdropping and it is difficult to notice wiretapping. That is, the key information corresponding to the ratio x may be stolen by an eavesdropper without the transmitter and the receiver noticing.

上記の説明では、盗聴により発生するビット誤り率を1/4としたために、盗聴成功条件がx/4<eすなわちx<4eであった。もし、盗聴によるビット誤り率が1/4より小さい1/mであれば(m>4)、盗聴成功条件はx<meとなる。つまり、盗聴者が、盗聴によって生じるビット誤り率を小さくできれば、システム元来のビット誤りを利用する盗聴量を大きくすることができる。そうするための盗聴法として、「連続クリック攻撃」という方法が知られている(非特許文献2)。この盗聴法は、「差動位相シフト量子鍵配送方式」に対して、もっとも強力な盗聴方法とされている。以下、「連続クリック攻撃」について説明する。   In the above description, since the bit error rate caused by eavesdropping is ¼, the eavesdropping success condition is x / 4 <e, that is, x <4e. If the bit error rate due to eavesdropping is 1 / m smaller than 1/4 (m> 4), the eavesdropping success condition is x <me. That is, if the eavesdropper can reduce the bit error rate caused by eavesdropping, the amount of eavesdropping using the original bit error can be increased. As an eavesdropping method for doing so, a method called “continuous click attack” is known (Non-Patent Document 2). This wiretapping method is considered to be the most powerful wiretapping method compared to the “differential phase shift quantum key distribution method”. Hereinafter, the “continuous click attack” will be described.

上述の「なりすまし攻撃」において、盗聴によるビット誤りが起こるのは、受信機が、第1の時刻または第3の時刻で光子検出する場合であった。これは、言い方を変えると、光子を検出し得る時刻のうちの両端の時刻である。もし、盗聴者の送るダミー信号において、光子が存在し得る連続パルス数が大きければ、当該両端の時刻で光子を検出する確率は相対的に小さくなる。上述の「なりすまし攻撃」では、盗聴者が送るダミー信号のうち光子が存在し得るのは2連続パルスであったため、受信機が光子を検出し得るのは3つの時刻であり、片端の時刻で光子検出する確率は1/4、両端では1/2であったが、例えば、光子が存在し得るのが4連続パルスであれば、受信機は5つの時刻で光子を検出する可能性があり、そのうち片端の時刻で光子検出する確率は1/8、両端では1/4となる。両端の時刻で光子検出する確率が小さくなれば、ビット誤りを起こす確率も小さくなる。そして、その結果、盗聴量も増えることになる。   In the above-mentioned “spoofing attack”, bit errors due to eavesdropping occur when the receiver detects photons at the first time or the third time. In other words, this is the time at both ends of the time when photons can be detected. If a dummy signal sent by an eavesdropper has a large number of continuous pulses in which photons can exist, the probability of detecting photons at the time at both ends becomes relatively small. In the above-mentioned “spoofing attack”, the photon can be present in the dummy signal sent by the eavesdropper in two consecutive pulses, so the receiver can detect the photon at three times, and at one end of the time. The probability of detecting a photon was 1/4 and 1/2 at both ends. For example, if a photon can exist in 4 consecutive pulses, the receiver may detect the photon at 5 times. The probability of detecting photons at one end of the time is 1/8, and both ends are 1/4. If the probability of photon detection at the time at both ends decreases, the probability of causing a bit error also decreases. As a result, the amount of eavesdropping also increases.

「連続クリック」攻撃は、上述の原理を利用した盗聴法である。図3(a)は、差動位相シフト量子鍵配送システムに対する連続クリック攻撃の説明図である。なりすまし攻撃と同様に、盗聴者は伝送路の途中で、送信機によって送出された伝送信号を受信し、その受信結果に基づいてダミー信号光子を本来の受信機に光送信機を用いて送信する。ただし、なりすまし攻撃のように光子を検出する度にダミー光子を送信するのではなく、連続して光子検出したときのみダミー光子を送信する。送信機から送られる光パルス列は、例えば0.1光子/パルスなので、2回連続して光子検出する確率は(0.1)2、3回連続して光子検出する確率は(0.1)3、であり、1回検出確率よりは小さいが、ゼロではない。 The “continuous click” attack is an eavesdropping method using the above-described principle. FIG. 3A is an explanatory diagram of a continuous click attack on the differential phase shift quantum key distribution system. Similar to the spoofing attack, the eavesdropper receives a transmission signal sent by the transmitter in the middle of the transmission path, and transmits a dummy signal photon to the original receiver using the optical transmitter based on the reception result. . However, a dummy photon is not transmitted every time a photon is detected as in a spoofing attack, but a dummy photon is transmitted only when photons are detected continuously. Since the optical pulse train sent from the transmitter is, for example, 0.1 photon / pulse, the probability of detecting photons twice consecutively is (0.1) 2 , and the probability of detecting photons three times consecutively is (0.1). 3 , which is smaller than the one-time detection probability, but not zero.

盗聴者は、連続光子検出した場合、当該連続パルスの位相差を知ることができる。そこで、図3(a)に示すように、得られた位相差を付与した連続パルスを本来の受信機へ送信する。さらにその際、連続パルスの包絡線が真ん中のパルスをピークとするガウス波形となるようにして送信する。すなわち、連続パルスの両端のパルスにおける光子の存在確率が小さくなるようにして送信する。   An eavesdropper can know the phase difference of the continuous pulses when detecting continuous photons. Therefore, as shown in FIG. 3A, the obtained continuous pulse to which the phase difference is added is transmitted to the original receiver. Further, at this time, transmission is performed so that the envelope of the continuous pulse becomes a Gaussian waveform having the middle pulse as a peak. That is, transmission is performed such that the photon existence probability in the pulses at both ends of the continuous pulse is reduced.

さらに、盗聴者は、上記連続パルスを、極低損失伝送路を介して、本来の受信機へ送信する。これは、受信機が、受信する光子数の減少から盗聴を検知するのを防ぐためである。上述のように、連続クリック攻撃においては、盗聴者は、連続して光子を検出した場合にのみダミー信号を送信し、単独検出の時には何も送らない。したがって、元と同じ伝送路を介してダミー信号を送信したのでは、受信機が受け取る全光子数が減ることになり、これより盗聴が発覚する。そこで、盗聴者は、極低損失伝送路を用いる。   Further, the eavesdropper transmits the continuous pulse to the original receiver via an extremely low loss transmission path. This is to prevent the receiver from detecting eavesdropping from a decrease in the number of photons received. As described above, in the continuous click attack, the eavesdropper transmits a dummy signal only when photons are continuously detected, and does not send anything during single detection. Therefore, if a dummy signal is transmitted through the same transmission path as the original, the total number of photons received by the receiver is reduced, and wiretapping is detected. Therefore, an eavesdropper uses an extremely low loss transmission path.

元の伝送路には伝送損失があり、送信機から送出された光子の何割かは、伝送中に消滅して受信機には届かない。消滅する割合は伝送距離が長いほど大きい。例えば、伝播損失0.3dB/kmであるファイバー伝送路の場合、100km伝送路では99.9%の光子が消滅する。   There is a transmission loss in the original transmission path, and some of the photons transmitted from the transmitter disappear during transmission and do not reach the receiver. The rate of disappearance increases as the transmission distance increases. For example, in the case of a fiber transmission line having a propagation loss of 0.3 dB / km, 99.9% of photons disappear in the 100 km transmission line.

盗聴者が極低損失伝送を用いると、ダミー光子は、消滅することなく本来の受信機に到達する。単独検出のため盗聴者でブロックされる光子の割合が、元の伝送路で消滅する光子の割合(上の例で言えば、99.9%)と同じであれば、受信機に到達する光子数は、盗聴がある場合と無い場合で変わりはない。したがって、受信機は、受信光子数からは盗聴行為に気が付かない。   If an eavesdropper uses very low loss transmission, the dummy photons reach the original receiver without disappearing. If the percentage of photons that are blocked by an eavesdropper because of single detection is the same as the percentage of photons that disappear in the original transmission path (99.9% in the above example), photons that reach the receiver The number remains the same with and without eavesdropping. Therefore, the receiver is unaware of the wiretapping action from the number of received photons.

盗聴者から送られたダミー信号は、極低損失伝送路を介して、正規の受信機に到達する。受信機は、受信信号を光分岐手段から2×2合波カップラにいたる分岐・合波回路に通した後、光子検出する。ここで、ダミー信号において光子が存在し得る連続パルス数をNとすると、分岐・合波回路から出力される段階では(N+1)個の時刻で光子が検出され得る。これらの時刻で光子が検出される様子は、図3(b)に図示している(図の例ではN=6)。   A dummy signal sent from an eavesdropper reaches a legitimate receiver via an extremely low loss transmission path. The receiver passes the received signal through the branching / multiplexing circuit from the optical branching means to the 2 × 2 multiplexing coupler, and then detects the photons. Here, if the number of continuous pulses in which a photon can exist in the dummy signal is N, the photon can be detected at (N + 1) times at the stage of output from the branching / combining circuit. The manner in which photons are detected at these times is illustrated in FIG. 3B (N = 6 in the example in the figure).

図3(b)に示されているように、(N+1)個の時刻のうち、1番目の時刻または(N+1)番目の時刻で光子が検出される場合、干渉する相手がいないため、第1及び第2の光子検出器のいずれで光子が検出されるかは、全く無作為に起こる。したがって、受信機が1番目の時刻または(N+1)番目の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信機が意図したものとは異なるものになる。   As shown in FIG. 3B, when a photon is detected at the first time or the (N + 1) th time among (N + 1) times, there is no interfering partner, so the first Whether the photon is detected by the second photon detector or the second photon detector occurs at random. Therefore, when the receiver obtains the secret key bit from the photon detection result at the first time or the (N + 1) th time, the bit is different from the one intended by the transmitter.

上記盗聴により、送受信機でビットが不一致となる確率、ビット誤り率は、1番目の時刻または(N+1)番目の時刻で光子が検出される確率によって決まる。この確率は、盗聴者が送るダミー信号の連続光子パルス数Nが3以上であることと、その包絡線が中心パルスをピークとするガウス波形状であることにより、前述のなりすまし盗聴における確率よりも小さい。したがって、連続クリック攻撃によって生じるビット誤り率は、なりすまし盗聴によって生じるビット誤り率よりも小さい。その結果、前者による盗聴量が後者によるものより大きくなる。   The probability of bit mismatch at the transceiver due to the wiretapping and the bit error rate are determined by the probability that a photon is detected at the first time or the (N + 1) th time. This probability is higher than the probability in the above-mentioned impersonation wiretapping because the number of continuous photon pulses N of the dummy signal sent by the wiretap is 3 or more and the envelope is a Gaussian wave shape having a peak at the center pulse. small. Therefore, the bit error rate caused by continuous click attack is smaller than the bit error rate caused by spoofing. As a result, the amount of wiretapping by the former is larger than that by the latter.

以上の原理により、連続クリック攻撃が差動位相シフト量子鍵配送システムに対する最も強力な盗聴法とされている。   Based on the above principle, the continuous click attack is regarded as the most powerful wiretapping method for the differential phase shift quantum key distribution system.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、連続クリック攻撃を発見できる量子暗号通信システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a quantum cryptography communication system capable of finding a continuous click attack.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、送信機から受信機へ量子暗号鍵を配送する量子暗号通信システムにおいて、前記送信機は、一定の時間間隔Tの連続パルスからなる光パルス列を送出する光源と、前記光パルス列を0またはπで位相変調する位相変調器と、位相変調された前記光パルス列を、パルス当りの平均光子数を1光子未満に減衰して送出する減衰器とを備えることを特徴とする。さらに、前記受信機が、前記送信機から送出された前記光パルス列を受信して第1の光パルス列と第2の光パルス列に分岐する光分岐手段と、前記第1の光パルス列を前記第2の光パルス列に対して前記一定の時間間隔Tと等しい時間だけ遅延させる遅延手段と、前記遅延手段で遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を合波して合波後の光パルスを生成する2×2光カップラと、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列の相対位相差が0である場合に光子を検出する第1の光子検出器と、前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列の相対位相差がπである場合に光子を検出する第2の光子検出器と、前記第1または第2の光子検出器で光子が検出された光子検出時刻および検出した光子検出器を記録する記録手段と、前記記録手段により記録された前記光子検出時刻を照合して、n・Tだけ離れた2つの時刻(nは予め定めた自然数)でともに光子を検出した回数を計数する計数手段と、前記計数手段により計数した前記回数が所定の値と異なっていた場合に盗聴ありと判断する盗聴検知手段とを備えることを特徴とする。   In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a quantum cryptography communication system that distributes a quantum cryptography key from a transmitter to a receiver, wherein the transmitter has a continuous pulse of a constant time interval T. A light source for transmitting an optical pulse train comprising: a phase modulator for phase-modulating the optical pulse train with 0 or π; and transmitting the phase-modulated optical pulse train with an average number of photons per pulse attenuated to less than one photon And an attenuator. Further, the receiver receives the optical pulse train transmitted from the transmitter and splits it into a first optical pulse train and a second optical pulse train, and the first optical pulse train as the second optical pulse train. A delay means for delaying the optical pulse train by a time equal to the fixed time interval T, and the first optical pulse train and the second optical pulse train delayed by the delay means are multiplexed and combined. A 2 × 2 optical coupler that generates a later optical pulse, and a first photon that detects a photon when the relative phase difference between the delayed first optical pulse train and the second optical pulse train is zero A detector, a second photon detector for detecting a photon when the relative phase difference between the delayed first optical pulse train and the second optical pulse train is π, and the first or second The photon detection time when the photon was detected by The photon detector that records the detected photon detector and the photon detection time recorded by the recording unit are collated, and photons are detected at two times (n is a predetermined natural number) separated by n · T. It is characterized by comprising counting means for counting the number of times detected, and wiretapping detection means for determining that there is wiretapping when the number of times counted by the counting means is different from a predetermined value.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記予め定めた自然数nが、前記量子暗号通信システムに対する連続クリック攻撃において盗聴者から送られると想定される連続パルス数をNとしたときに、n>N+1を満たす一定値であることを特徴とする。   The second aspect of the present invention is the first aspect, wherein the predetermined natural number n is assumed to be a continuous pulse number N assumed to be sent from an eavesdropper in a continuous click attack on the quantum cryptography communication system. In this case, the constant value satisfies n> N + 1.

また、本発明の第3の態様は、前記予め定めた自然数nが、前記量子暗号通信システムに対する連続クリック攻撃において盗聴者から送られると想定される連続パルス数をN、nminをnmin>N+1を満たす自然数、nmaxを盗聴者がN回連続で光子検出した後に、次のN回連続の光子検出が始まるまでに要するパルス数の平均値としたときに、nmin maxを満たし、前記計数手段により計数する前記回数は、nmin maxであるnについての積算値であることを特徴とする。 Further, according to a third aspect of the present invention, the predetermined natural number n is N, where n min is a continuous pulse number assumed to be sent from an eavesdropper in a continuous click attack on the quantum cryptography communication system, and n min is n min > N min < n < n max when the natural number n max satisfying N + 1 is defined as an average value of the number of pulses required until the next N consecutive photon detections start after the eavesdropper detects N photons consecutively And the number of times counted by the counting means is an integrated value for n where n min < n < n max .

本発明によれば、量子暗号通信システムの受信機において、n・Tだけ離れた2つの時刻(nは予め定めた自然数)でともに光子を検出した回数を計数することにより、連続クリック攻撃を発見することができる。   According to the present invention, in a receiver of a quantum cryptography communication system, a continuous click attack is detected by counting the number of times photons are detected at two times (n is a predetermined natural number) separated by n · T. can do.

(a)は、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す図であり、(b)は、受信機の2×2合波カップラにおいてパルスが重なり合う様子を示す図である。(A) is a figure which shows the basic composition of the conventional differential phase shift quantum key distribution system, (b) is a figure which shows a mode that a pulse overlaps in the 2 * 2 multiplexing coupler of a receiver. (a)は、従来のなりすまし盗聴の説明図であり、(b)は、孤立した連続する2つのパルスを受信した受信機の2×2合波カップラにおいてパルスが重なり合う様子を示す図である。(A) is explanatory drawing of the conventional spoofing wiretapping, (b) is a figure which shows a mode that a pulse overlaps in the 2 * 2 multiplexing coupler of the receiver which received two isolated continuous pulses. (a)は、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムに対する連続クリック攻撃の説明図であり、(b)は、受信機の2×2合波カップラにおいてパルスが重なり合う様子を示す図である。(A) is explanatory drawing of the continuous click attack with respect to the conventional differential phase shift quantum key distribution system, (b) is a figure which shows a mode that a pulse overlaps in the 2 * 2 multiplexing coupler of a receiver. 本発明の第1の実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a quantum cryptography communication system according to a first embodiment of the present invention. 連続クリック攻撃において盗聴者が送出するダミー信号を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dummy signal which an eavesdropper sends out in a continuous click attack. 第1の実施形態に係る量子暗号通信システムによる盗聴検知を説明するための図である。It is a figure for demonstrating wiretapping detection by the quantum cryptography communication system which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る量子暗号通信システムによる盗聴検知を説明するための図である。It is a figure for demonstrating wiretapping detection by the quantum cryptography communication system which concerns on 2nd Embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図4は、本発明の第1の実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。図4において、送信機410は、光源411と、位相変調器412と、減衰器413とを備える。光源411は、一定間隔Tの光パルス列を発生する。位相変調器412は、各パルスを0もしくはπでランダムに位相変調を施す。そして、減衰器413を用いて1パルス当たり平均光子数を1未満に減衰して、伝送路に送出する。減衰器413は、例えば、NDフィルタ等、レーザ光などの光源411から入射される光を大きく減衰させるための手段であればいずれのものを用いてもよい。この送信機410の構成は、従来技術の差動位相シフト量子鍵配送システムと同様である。
(First embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram of the quantum cryptography communication system according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 4, the transmitter 410 includes a light source 411, a phase modulator 412, and an attenuator 413. The light source 411 generates an optical pulse train having a constant interval T. The phase modulator 412 randomly modulates each pulse with 0 or π. Then, the average number of photons per pulse is attenuated to less than 1 using an attenuator 413 and sent to the transmission line. As the attenuator 413, any means may be used as long as it is a means for largely attenuating light incident from the light source 411 such as an ND filter. The configuration of the transmitter 410 is the same as that of the conventional differential phase shift quantum key distribution system.

光検出装置としての受信機420は、光分岐手段421と、2×2光カップラ422と、第1及び第2の光子検出器423、424と、メモリー425(「記録手段」に対応)と、CPU426で構成されている。受信機420へ入力された光は、光分岐手段421により2分岐され、一方に長経路(「遅延手段」に対応)により遅延時間Tが与えられた後、2×2光カップラ422により再び合波される。遅延時間Tは入力されたパルス列のパルス間隔に等しいものとする。2×2光カップラ422の第1及び第2の出力端子にはそれぞれ、第1及び第2の光子検出器423、424が接続されている。   A receiver 420 as a light detection device includes an optical branching unit 421, a 2 × 2 optical coupler 422, first and second photon detectors 423 and 424, a memory 425 (corresponding to “recording unit”), The CPU 426 is configured. The light input to the receiver 420 is branched into two by the optical branching means 421, and given a delay time T by one of the long paths (corresponding to “delaying means”), the light is combined again by the 2 × 2 optical coupler 422. Waved. The delay time T is assumed to be equal to the pulse interval of the input pulse train. First and second photon detectors 423 and 424 are connected to first and second output terminals of the 2 × 2 optical coupler 422, respectively.

以上の構成により、送信機410が、0またはπでランダムに位相変調した一定間隔(パルス間隔)Tの光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満(例えば、0.1光子/パルス)として送出する。光パルスのコヒーレンス時間はパルス間隔Tより充分長いものとする。受信機420は、光伝送路を経て送信機410より伝送されてきたパルス列を、光分岐手段421に入力する。分岐された光パルス列は、2×2光カップラ422で合波され、第1及び第2の光子検出器423、424にてそれぞれ検出される。   With the above configuration, the transmitter 410 transmits an optical pulse train having a constant interval (pulse interval) T that is randomly phase-modulated with 0 or π as an average of less than one photon per pulse (for example, 0.1 photon / pulse). To do. The coherence time of the optical pulse is sufficiently longer than the pulse interval T. The receiver 420 inputs the pulse train transmitted from the transmitter 410 via the optical transmission path to the optical branching unit 421. The branched optical pulse trains are combined by the 2 × 2 optical coupler 422 and detected by the first and second photon detectors 423 and 424, respectively.

このように受信機420を構成すると、2×2光カップラ422では、前後のパルスが重なり合い干渉を起こす。干渉の結果、パルス間の位相差が0なら第2の光子検出器424が、πなら第1の光子検出器423が、光子を検出する。但し、送信光はパルス当り平均1個光子未満なので、光子が検出されるのは稀である。   When the receiver 420 is configured in this manner, in the 2 × 2 optical coupler 422, the front and rear pulses overlap and cause interference. If the phase difference between the pulses is zero as a result of the interference, the second photon detector 424 detects the photon, and if it is π, the first photon detector 423 detects the photon. However, since the transmitted light averages less than one photon per pulse, photons are rarely detected.

上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機410と受信機420は共通のビットを得る。(1)送信機410と受信機420は必要な長さのパルス列を送受信する。この際、受信機420は光子を検出した時刻および検出した光子検出器をメモリー425に記録する。(2)受信機420のCPU426は、記録した光子検出時刻を調べ、特定時間だけ離れた2つの時刻でともに光子が検出された回数を計数する。そして、その回数が所定の値と同一であれば、次のプロセスに進む。所定の値と異なっていた場合には、CPU426は盗聴有りと判断して、ビット生成作業を中止する。(3)受信機420は、光子検出時刻を送信機に通知する。(4)送信機410は、自身の位相変調データと光子検出時刻から、受信機420においてどちらの光子検出器が光子を検出したかを知る。(5)送信機410と受信機420は、光子検出事象について、第1の光子検出器423によるものであればビット「0」を、第2の光子検出器424によるものであればビット「1」を付与する。この場合、光子を検出する光子検出器は確定しているので、送信機410と受信機420は同じビット値を得ることになる。これを秘密鍵ビットとする。   Using the above configuration and operating characteristics, the transmitter 410 and the receiver 420 obtain common bits according to the following procedure. (1) The transmitter 410 and the receiver 420 transmit and receive a pulse train having a necessary length. At this time, the receiver 420 records the time when the photon is detected and the detected photon detector in the memory 425. (2) The CPU 426 of the receiver 420 examines the recorded photon detection time, and counts the number of times that a photon has been detected at two times separated by a specific time. If the number of times is the same as the predetermined value, the process proceeds to the next process. If it is different from the predetermined value, the CPU 426 determines that there is an eavesdropping and stops the bit generation work. (3) The receiver 420 notifies the transmitter of the photon detection time. (4) The transmitter 410 knows which photon detector has detected the photon in the receiver 420 from its own phase modulation data and photon detection time. (5) For the photon detection event, the transmitter 410 and the receiver 420 have bit “0” if the first photon detector 423 is used, and bit “1” if the second photon detector 424 is used. Is given. In this case, since the photon detector for detecting the photon is fixed, the transmitter 410 and the receiver 420 obtain the same bit value. This is a secret key bit.

以上の構成・手順によるシステムでは、以下の原理により、連続クリック攻撃を発見する。   In the system having the above configuration and procedure, a continuous click attack is discovered based on the following principle.

連続クリック攻撃では、盗聴者は、伝送路の途中で伝送信号光を検出し、連続して検出結果が得られた場合にのみ、光子検出結果に基づき、正規の受信機が同じ検出結果となるようにダミー信号を送出する。連続検出されない場合には、何も送らない。   In the continuous click attack, the eavesdropper detects the transmission signal light in the middle of the transmission line, and only when the detection result is obtained continuously, the legitimate receiver has the same detection result based on the photon detection result. A dummy signal is transmitted as follows. If nothing is detected continuously, nothing is sent.

前述のように、本実施形態では、送信機410が送出しているのは、送信レベルがパルス当り平均1個光子未満、例えば0.1個光子/パルスであるパルス列である。そのため、盗聴者が連続して信号検出するのは稀である。したがって、盗聴者から送出されるダミー信号は、ほとんどが空パルスで、ごく稀に光子を含んだ数パルスが連続して送られることになる(図5参照)。   As described above, in the present embodiment, the transmitter 410 transmits a pulse train whose transmission level is an average of less than 1 photon per pulse, for example, 0.1 photon / pulse. For this reason, it is rare that an eavesdropper continuously detects signals. Therefore, most of the dummy signals transmitted from the eavesdropper are empty pulses, and very rarely, several pulses including photons are continuously transmitted (see FIG. 5).

これに対し受信機420は、連続クリック攻撃において盗聴者から送られると想定される連続パルス数をNとしたときに(図5の例では、N=6)、(N+1)Tより長い時間間隔の2つの時刻で、光子がともに検出された事象を計数する。例えば、N=6であれば、図6に示すように、8パルス分離れた2つの時刻で共に光子が検出された事象を数え上げる。ここで、連続パルス数Nに関しては、次のような値を想定する。Nの値は、伝送路の損失などを含む送信側から受信側への伝送効率に応じて変化する値である。送信側から送出される各光パルスには、所定の平均光子数(例えば0.1光子/パルス)を平均とするポアソン分布に従った数の光子が確率的に含まれている。したがって、盗聴者が連続してN回、光子を検出できる確率もこの平均光子数により決まる。連続クリック攻撃では、盗聴者は、N回連続して光子検出できたときに、1光子、極低損失伝送路を通じて、受信側に信号を送出する攻撃である。ただし、盗聴者は、盗聴が行なわれていない状況下で、受信側で受信すべき光子検出数に変化がないように盗聴行為を行なわなければならないという制約がある。光子検出数に変化があると、そこから盗聴が発覚するからである。そこで、盗聴者は、上記の制約が満たされる最大のNを採用すると想定する。   On the other hand, the receiver 420 has a time interval longer than (N + 1) T, where N is the number of continuous pulses assumed to be sent from an eavesdropper in a continuous click attack (N = 6 in the example of FIG. 5). The events in which photons are detected at both times are counted. For example, if N = 6, as shown in FIG. 6, the events in which photons are detected at two times separated by 8 pulses are counted. Here, regarding the number N of continuous pulses, the following values are assumed. The value of N is a value that changes according to the transmission efficiency from the transmission side to the reception side, including transmission path loss. Each optical pulse transmitted from the transmission side includes a number of photons according to a Poisson distribution with a predetermined average number of photons (for example, 0.1 photon / pulse) as an average. Therefore, the probability that an eavesdropper can detect photons N times in succession is also determined by the average number of photons. In the continuous click attack, an eavesdropper is an attack that sends a signal to the receiving side through a one-photon, ultra-low loss transmission path when photons can be detected N times consecutively. However, there is a restriction that an eavesdropper must perform an eavesdropping action so that there is no change in the number of photon detections to be received on the receiving side in a situation where eavesdropping is not performed. This is because when there is a change in the number of detected photons, wiretapping is detected from there. Therefore, it is assumed that the eavesdropper employs the maximum N that satisfies the above-described restrictions.

盗聴されていない正常動作時であれば、受信機420に到達する1パルス当たりの平均光子数をμ、第1及び第2の光子検出器423、424の検出効率をηとすると、離れた2パルスからともに光子検出する確率はおおよそ(ημ)2である。一方、連続クリック攻撃が行われていると、その確率は、理想的にはゼロ、第1及び第2の光子検出器423、424の暗計数確率(光子が無い時に誤ってカウントする確率)がdである場合には(ημ)dとなる。いずれにしても、2パルス光子検出確率は、正常時と連続クリック攻撃時では異なることになる。 In normal operation without eavesdropping, if the average number of photons per pulse reaching the receiver 420 is μ, and the detection efficiencies of the first and second photon detectors 423 and 424 are η, they are separated by 2 The probability of photon detection from both pulses is approximately (ημ) 2 . On the other hand, when a continuous click attack is performed, the probability is ideally zero, and the dark count probability (probability of erroneously counting when there is no photon) of the first and second photon detectors 423 and 424 is In the case of d, (ημ) d. In any case, the two-pulse photon detection probability is different between the normal time and the continuous click attack.

そこで、離れた2パルスでともに光子検出された回数をモニターすることにより、連続クリック攻撃を発見する。   Therefore, a continuous click attack is discovered by monitoring the number of times that photons are detected with two separate pulses.

なお、一定時間だけ離れた2つの時刻でともに光子が検出された回数を計数する計数処理、及びその回数が所定の範囲内でない場合に盗聴有りと判断する盗聴検知処理は、図4に示したように、CPU426を計数手段427及び盗聴検知手段428として機能させることで実現できる。   The counting process for counting the number of times photons are detected at two times separated by a certain time, and the eavesdropping detection process for determining that there is an eavesdropping when the number of times is not within the predetermined range are shown in FIG. As described above, this can be realized by causing the CPU 426 to function as the counting unit 427 and the eavesdropping detection unit 428.

(第2の実施形態)
第1の実施形態に係るシステムにより、原理的には連続クリック攻撃が検知できるが、伝送損失が大きい又は光子検出器の検出効率が悪い場合には、検知が困難となることがある。このような場合には、ημが小さな値となり、(ημ)2はさらに小さくなる。連続クリック攻撃を検知するためには、(ημ)2がゼロ又は(ημ)dと有意に違っていなければならないが、(ημ)2が非常に小さくほぼゼロであると、正常時と盗聴時との区別がつかず、盗聴が検知できない。本発明の第2の実施形態はこの課題を解決する。
(Second Embodiment)
The system according to the first embodiment can detect a continuous click attack in principle, but may be difficult to detect when the transmission loss is large or the detection efficiency of the photon detector is poor. In such a case, ημ becomes a small value, and (ημ) 2 becomes smaller. In order to detect a continuous click attack, (ημ) 2 must be zero or significantly different from (ημ) d, but if (ημ) 2 is very small and almost zero, normal and wiretapping Cannot be detected and wiretapping cannot be detected. The second embodiment of the present invention solves this problem.

第2の実施形態の装置構成は、CPU426内の処理を除いて第1の実施形態と同一である。第1の実施形態では、離れた2パルスでともに光子検出が起こる回数をメモリー425に記録した光子検出時刻からCPU426で計数した。この場合の2パルスの時間間隔は、図6に示したように、特定の時間間隔、例えば、連続パルス間隔をTとするとn1・Tという時間間隔(n1はn1>N+1を満たす自然数)であった。これに対し本実施形態では、パルス間隔が特定の一定値ではなく、ある時間幅内にある2パルス光子検出の回数をモニターする。すなわち、次式を満たすn2について、n2・Tという時間間隔の2パルスでの光子検出回数の積算値をモニターする(図7参照)。
min 2 max
ここで、nmin、n2、nmaxは自然数であり、nmin>N+1である。nmaxは、次のように定義する。前述のように、送信側から送出される各光パルスには、所定の平均光子数(例えば0.1光子/パルス)を平均とするポアソン分布に従った数の光子が確率的に含まれている。したがって、盗聴者がN回連続で光子検出した後に、次のN回連続の光子検出が始まるまでに要するパルス数mも確率的になる。そこで、このmの平均値をnmaxとする。
The apparatus configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the processing in the CPU 426. In the first embodiment, the CPU 426 counts the number of times that photon detection occurs with two separate pulses from the photon detection time recorded in the memory 425. As shown in FIG. 6, the time interval between the two pulses in this case is a specific time interval, for example, when the continuous pulse interval is T, a time interval of n 1 · T (n 1 is a natural number satisfying n 1 > N + 1) )Met. On the other hand, in the present embodiment, the number of detections of two-pulse photons within a certain time width rather than a specific constant value is monitored. That is, for n 2 satisfying the following equation, the integrated value of the number of photon detections in two pulses with a time interval of n 2 · T is monitored (see FIG. 7).
n min < n 2 < n max
Here, n min , n 2 , and n max are natural numbers, and n min > N + 1. n max is defined as follows. As described above, each optical pulse transmitted from the transmission side includes a number of photons according to a Poisson distribution that averages a predetermined average number of photons (for example, 0.1 photon / pulse). Yes. Therefore, after the eavesdropper detects photons N times consecutively, the number of pulses m required until the next N consecutive photon detections start is also probabilistic. Therefore, the average value of m is n max .

このようにすると、正常時には、光子検出確率は一様であるため、2パルス光子検出積算値は特定時間間隔の2パルス光子検出回数の(nmax−nmin+1)倍となる。一方、盗聴時の2パルス光子検出積算値は、nminはnmin>N+1を満たし、nmaxは連続クリック攻撃で想定されるダミー信号の隣接する光子パルス間隔数の平均値より小さい値としているため、第1の実施形態と同様にゼロ又は(ημ)dである。すなわち、正常時と盗聴時の差が大きくなる。そのため、伝送損失が大きい又は光子検出器の検出効率が悪い場合でも、盗聴を検知することができる。 In this way, since the photon detection probability is uniform in the normal state, the two-pulse photon detection integrated value is (n max −n min +1) times the number of two-pulse photon detections at a specific time interval. On the other hand, in the two-pulse photon detection integrated value at the time of eavesdropping, n min satisfies n min > N + 1, and n max is a value smaller than the average value of the adjacent photon pulse intervals of the dummy signal assumed in the continuous click attack. Therefore, it is zero or (ημ) d as in the first embodiment. That is, the difference between normal and wiretapping increases. Therefore, even when the transmission loss is large or the detection efficiency of the photon detector is poor, wiretapping can be detected.

Claims (3)

送信機から受信機へ量子暗号鍵を配送する量子暗号通信システムにおいて、
前記送信機は、
一定の時間間隔Tの連続パルスからなる光パルス列を送出する光源と、
前記光パルス列を0またはπで位相変調する位相変調器と、
位相変調された前記光パルス列を、パルス当りの平均光子数を1光子未満に減衰して送出する減衰器と
を備え、
前記受信機は、
前記送信機から送出された前記光パルス列を受信して第1の光パルス列と第2の光パルス列に分岐する光分岐手段と、
前記第1の光パルス列を前記第2の光パルス列に対して前記一定の時間間隔Tと等しい時間だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段で遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列を合波して合波後の光パルスを生成する2×2光カップラと、
前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列の相対位相差が0である場合に光子を検出する第1の光子検出器と、
前記遅延させられた前記第1の光パルス列と前記第2の光パルス列の相対位相差がπである場合に光子を検出する第2の光子検出器と、
前記第1または第2の光子検出器で光子が検出された光子検出時刻および検出した光子検出器を記録する記録手段と、
前記記録手段により記録された前記光子検出時刻を照合して、n・Tだけ離れた2つの時刻(nは予め定めた自然数)でともに光子を検出した回数を計数する計数手段と、
前記計数手段により計数した前記回数が所定の値と異なっていた場合に盗聴ありと判断する盗聴検知手段と
を備えることを特徴とする量子暗号通信システム。
In a quantum cryptography communication system that delivers a quantum cryptography key from a transmitter to a receiver,
The transmitter is
A light source for transmitting an optical pulse train composed of continuous pulses at a constant time interval T;
A phase modulator for phase modulating the optical pulse train with 0 or π;
An attenuator for transmitting the phase-modulated optical pulse train with an average number of photons per pulse attenuated to less than one photon;
The receiver
Optical branching means for receiving the optical pulse train sent from the transmitter and branching it into a first optical pulse train and a second optical pulse train;
Delay means for delaying the first optical pulse train by a time equal to the constant time interval T with respect to the second optical pulse train;
A 2 × 2 optical coupler that generates a combined optical pulse by combining the first optical pulse train and the second optical pulse train delayed by the delay unit;
A first photon detector that detects photons when the relative phase difference between the delayed first optical pulse train and the second optical pulse train is zero;
A second photon detector for detecting photons when the relative phase difference between the delayed first optical pulse train and the second optical pulse train is π;
Recording means for recording the photon detection time when the photon is detected by the first or second photon detector and the detected photon detector;
Counting means for collating the photon detection times recorded by the recording means and counting the number of times photons are detected at two times separated by n · T (n is a predetermined natural number);
A quantum cryptography communication system comprising: eavesdropping detection means for determining that there is an eavesdropping when the number of times counted by the counting means is different from a predetermined value.
前記予め定めた自然数nは、前記量子暗号通信システムに対する連続クリック攻撃において盗聴者から送られると想定される連続パルス数をNとしたときに、n>N+1を満たす一定値であることを特徴とする請求項1に記載の量子暗号通信システム。   The predetermined natural number n is a constant value satisfying n> N + 1, where N is the number of continuous pulses assumed to be sent from an eavesdropper in a continuous click attack on the quantum cryptography communication system. The quantum cryptography communication system according to claim 1. 前記予め定めた自然数nは、前記量子暗号通信システムに対する連続クリック攻撃において盗聴者から送られると想定される連続パルス数をN、nminをnmin>N+1を満たす自然数、nmaxを盗聴者がN回連続で光子検出した後に、次のN回連続の光子検出が始まるまでに要するパルス数の平均値としたときに、nmin maxを満たし、
前記計数手段により計数する前記回数は、nmin maxであるnについての積算値であることを特徴とする請求項1に記載の量子暗号通信システム。
The predetermined natural number n is the number of continuous pulses assumed to be transmitted from an eavesdropper in a continuous click attack on the quantum cryptography communication system, N min is a natural number satisfying n min > N + 1, and n max is an eavesdropper. When the average value of the number of pulses required until the next N consecutive photon detections start after N consecutive photon detections, n min < n < n max is satisfied,
2. The quantum cryptography communication system according to claim 1, wherein the number of times counted by the counting unit is an integrated value for n where n min < n < n max .
JP2010097054A 2010-04-20 2010-04-20 Quantum cryptography communication system Active JP5498234B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010097054A JP5498234B2 (en) 2010-04-20 2010-04-20 Quantum cryptography communication system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010097054A JP5498234B2 (en) 2010-04-20 2010-04-20 Quantum cryptography communication system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011228942A JP2011228942A (en) 2011-11-10
JP5498234B2 true JP5498234B2 (en) 2014-05-21

Family

ID=45043792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010097054A Active JP5498234B2 (en) 2010-04-20 2010-04-20 Quantum cryptography communication system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5498234B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114205074B (en) * 2020-09-17 2023-11-28 科大国盾量子技术股份有限公司 QKD equipment dead time attack resistance detection device

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4421975B2 (en) * 2004-08-20 2010-02-24 日本電信電話株式会社 Photodetector and quantum cryptography communication system
JP4724014B2 (en) * 2006-02-17 2011-07-13 日本電信電話株式会社 Quantum cryptographic key distribution device and key information wiretapping detection method
JP4358206B2 (en) * 2006-05-31 2009-11-04 日本電信電話株式会社 Quantum cryptographic communication device and quantum cryptographic communication method
JP4417360B2 (en) * 2006-09-26 2010-02-17 日本電信電話株式会社 Quantum communication system
JP2008294946A (en) * 2007-05-28 2008-12-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum cryptographic communication system and method
JP2008294934A (en) * 2007-05-28 2008-12-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Quantum cryptographic communication system and eavesdropping detection method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011228942A (en) 2011-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Inoue et al. Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light
JP4173422B2 (en) Quantum key distribution method and quantum key distribution system
JP4800674B2 (en) Communication method and communication system
US7934132B2 (en) Communication system and method for controlling the same
JP3829602B2 (en) Encryption key distribution device
Inoue et al. Robustness of differential-phase-shift quantum key distribution against photon-number-splitting attack
US20070076887A1 (en) Double phase encoding quantum key distribution
JP4358206B2 (en) Quantum cryptographic communication device and quantum cryptographic communication method
WO2007055683A2 (en) Differential phase shift keying quantum key distribution
Inoue Quantum key distribution technologies
US20180259737A1 (en) High-Speed Communication System and Method with Enhanced Security
JP2007221583A (en) Quantum cryptography key distribution unit, and method for detecting wiretapped key information
JP4746588B2 (en) Quantum cryptographic communication device and quantum cryptographic communication method
JP4608412B2 (en) Quantum secret key distribution system and quantum secret key distribution method
JP2008294934A (en) Quantum cryptographic communication system and eavesdropping detection method
JP5498234B2 (en) Quantum cryptography communication system
JP4421975B2 (en) Photodetector and quantum cryptography communication system
JP6257042B2 (en) Quantum key distribution system and quantum key distribution method
JP4417360B2 (en) Quantum communication system
JP4755231B2 (en) Quantum key distribution system
JP2008294946A (en) Quantum cryptographic communication system and method
JP2011077995A (en) Quantum encryption key distribution system
JP2005130194A (en) Quantum encryption communication system and sender side transmitter-receiver
JP4421977B2 (en) Quantum cryptographic communication device
JP2005130194A6 (en) Quantum cryptographic communication system and sender-side transceiver

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120927

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131210

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140304

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140307

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5498234

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150