JP5540743B2

JP5540743B2 - 信号処理システム、量子暗号システム、信号処理方法、及び量子暗号方法

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Publication number: JP5540743B2
Application number: JP2010024455A
Authority: JP
Inventors: 聡寛田中; 章雄田島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011166292A

Description

本発明は、信号処理システム、量子暗号システム、信号処理方法、及び量子暗号方法に関する。特に本発明は、通信機同士が情報共有を行う信号処理システム、量子暗号システム、信号処理方法、及び量子暗号方法に関する。

インターネットは、便利である反面、その安全性に大きな不安を抱えている。そこで、通信の秘密保持のために暗号技術の必要性が高まっている。一般的に用いられている暗号方式は、ＤＥＳ（ＤａｔａＥｎｃｒｙｐｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄ）やＴｒｉｐｌｅＤＥＳといった秘密鍵暗号と、ＲＳＡ（ＲｉｖｅｓｔＳｈａｍｉｒＡｄｌｅｍａｎ）や楕円曲線暗号のような公開鍵暗号に分類される。しかしこれらは「計算の複雑性」を元にその安全性を保証する暗号通信方法であり、膨大な計算量や暗号解読アルゴリズムの出現によって解読されてしまう危険性を常に孕んでいる。こういった背景の下、量子暗号鍵配付（ＱＫＤ（ＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ））システムは、「絶対に盗聴されない」暗号鍵配付技術として注目されている。

量子暗号鍵配付システムは、一般に通信媒体として光子を使用し、その偏光、位相等の量子状態に情報を載せて伝送を行う。伝送路の盗聴者は、伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見るが、Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇの不確定性原理により、１度観測されてしまった光子を完全に観測前の量子状態に戻すことは不可能となり、このことによって正規の受信装置が検出する受信データの統計値に変化が生じる。この変化を検出することにより受信装置は伝送路における盗聴者を検出することができる。

量子暗号鍵配付システムでは、送信装置と受信装置で光学干渉計を組織し、各々の光子に送信装置及び受信装置でそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって０又は１の出力を得る。その後、出力データを測定したときの条件の一部分を送信装置と受信装置で照合することによって最終的に送信装置−受信装置間で同一ビット列を共有することができる。

図５は、一般的な量子暗号技術の処理フローである。光子を媒体とした通信の後、様々な信号処理が必要となる。以降、光子通信の後の様々な信号処理を鍵蒸留処理と総称する。この例は、最も一般的な量子暗号プロトコルであるＢＢ８４プロトコルを想定している（例えば、非特許文献１参照。）。

図６は、ＢＢ８４プロトコルの動作を示す説明図である。この方法では、４通りの量子状態を利用する。送信装置１０１が乱数源を２つ持ち、片側（乱数１）で０又は１の暗号鍵データを表し、もう一方（乱数２）で乱数１の情報をコーディングする方法を決定する。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、位相０が暗号鍵”０”、位相πが暗号鍵”１”の組を表すコーディングセット（一般に基底と称する。該基底を以後「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”を表すコーディングセット（以後「Ｙ基底」と称する）との２組の基底を乱数２で選択する。つまり送信装置６１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受信装置６３へと送信する。一方受信装置６３では基底に対応する乱数源（乱数３）を持ち、送信装置６１より送られてきた光子に対してデコードを行う。乱数３の値が”０”である場合光子に対して位相０（Ｘ基底）の変調を、”１”である時には位相π／２（Ｙ基底）の変調を施す。ここで光学干渉計出力として得られた乱数を乱数４とする。送信装置と受信装置の両者が施した変調の基底が同一である場合（乱数２＝乱数３）、乱数１の値を受信装置６３は正しく検出することができ（乱数１＝乱数４）、異なる場合（乱数２≠乱数３）には乱数１の値に依らず受信装置６３は乱数４として０又は１の値をランダムに得る。乱数１、乱数２、及び乱数３は共に１ビット毎に変化する乱数であるため、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となるが、後段の基底照合（ＢａｓｉｓＲｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎ）によって基底が不一致となるビットを削除するため、送信装置６１と受信装置６３は乱数１に対応する０又は１ビット列を共有することができる。ここで、基底不一致ビットを削除する前段階の鍵を「生鍵」と呼ぶ。

このように、基底照合処理では、送信装置と受信装置が施した基底変調の一致又は不一致を照合する。この実施方法の一例は、受信装置において検出できたビットに対し、そのビット番号と基底情報を送信装置に送信し、送信装置において一致又は不一致を照合する。基底不一致ビットを削除した後の鍵を「シフト鍵」と呼ぶ。その際、フレーム同期も確立する必要があるため、乱数４の一部を公開して送信装置と受信装置間のビット番号を一致させる。

次に、シフト鍵をブロック単位に区切り、乱数情報を元に並べ替えるランダムパーミュテーションを行う。これは、乱数列中に存在する誤りを拡散させることによって誤り訂正効率を向上させる（誤りの偏りは誤り訂正符号の訂正能力を低下させるため）と同時に、以降の処理のビット番号情報を盗聴者に事前に推測させない（盗聴者のビット選択盗聴を防ぐ）ために行う。図７は、ランダムパーミュテーション処理の動作を示す説明図である。このランダムパーミュテーション処理にも乱数列を共有する必要がある。具体例として１Ｍｂｉｔを１ブロックとして並べ替えをする場合には２０Ｍｂｉｔの乱数が必要となり、受信装置において光子パルスを検出した後に送信装置と受信装置間でこの乱数（図５の乱数５）を共有する必要がある。

次に、誤り訂正処理において、シフト鍵に存在する誤りを訂正する。量子暗号では、誤り訂正に際して、その効率を最も重視するため、Ｓｈａｎｎｏｎ限界に近いような符号が求められる。このような効率のよい誤り訂正符号として、ＣＡＳＣＡＤＥ法が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。ＣＡＳＣＡＤＥ法では、送信装置と受信装置がシフト鍵を特定のブロック単位に分割し、ブロックのパリティをチェック、パリティが異なる場合には２分探索を繰り返す。なお、量子暗号技術では、一般の光通信と比較して誤り率が非常に高く、誤り率数％の情報から誤りを訂正する必要がある。

誤り訂正を終えた鍵に対し、最終的に秘匿性増強処理によって盗聴者への漏洩情報を削ぎ落とす。しかしながら、共有鍵中に誤りが含まれると秘匿性増強処理によって誤りが拡大されるため、残留誤り検知処理を経てから秘匿性増強処理を行う。この残留誤り検知処理の一例として、別途共有した乱数を元にパリティを計算するビットをランダムに決定し、パリティチェックを行う方法がある。このために受信装置において光子パルスを検出した後に送信装置と受信装置間で乱数（図５の乱数６）を共有する必要がある。

秘匿性増強処理では、共有鍵に特定のサイズの行列を掛け、暗号鍵のビット数を削減すると共に盗聴者への漏洩情報を削ぎ落とす（例えば、特許文献１、及び非特許文献３参照。）。図８は、秘匿性増強処理の計算処理を示す説明図である。図８（ａ）は、非特許文献３の計算方法を示している。また、図８（ｂ）は、特許文献１の計算方法を示している。なお、安全性確保の観点から、一度の計算で取り扱う鍵長を十分長くする必要がある。これは、盗聴者に漏洩した情報量（秘匿性増強において破棄する情報量に相当）を見積もる際の統計誤差の影響を小さくするためである。十分なシフト鍵１００ｋｂｉｔを１ブロックとして以降の処理を行うことで、統計誤差の影響を十分小さくできることも知られている（例えば、非特許文献４参照。）。本秘匿性増強処理において行列を指定する乱数も受信装置において光子パルスを検出した後に送信装置と受信装置間で乱数（図５の乱数７）を共有する必要がある。

特開２００４−３１７６１５号公報国際公開第２００７／０３４６８５号パンフレット特開２００７−０２００１３号公報特開２００３−３４８１０９号公報特開２００４−１１２２７８号公報

チャールズ・エイチ・ベニト（ＣｈａｒｌｅｓＨＢｅｎｎｅｔｔ）、外１名、「クワンタム・クリプタグラフィ：パブリック・キー・ディストゥリビューション・アンド・コイン・トーシング（ＱＵＡＮＴＵＭＣＲＹＰＴＯＧＲＡＰＨＹ：ＰＵＢＬＩＣＫＥＹＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮＡＮＤＣＯＩＮＴＯＳＳＩＮＧ）」、（インド）、インターナショナル・カンファレンス・オン・コンピューターズ・スィステムズ・アンド・シグナル・プラセシング（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ＆ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、１９８４年、ｐ．１７５ギレス・ブラサード（ＧｉｌｌｅｓＢｒａｓｓａｒｄ）、外１名、「シークレット・キー・リコンシリエイション・バイ・パブリック・ディスカッション（Ｓｅｃｒｅｔ−ＫｅｙＲｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎｂｙＰｕｂｌｉｃＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）」、（米国）、アドゥバンシズ・イン・クリプタラジ・ユロウークリプト９３（ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣｒｙｐｔｏｌｏｇｙ−Ｅｕｒｏｃｒｙｐｔ’９３）、１９９３年、ｐ．４１１−４２３ヒューゴウ・クラヴチィク（ＨｕｇｏＫｒａｗｃｓｙｋ）、「エル・エフ・エス・アール・ベイスト・ハッシング・アンド・オーセンティケイシャン（ＬＥＳＲ−ｂａｓｅｄＨａｓｈｉｎｇａｎｄＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）」、（米国）、アドゥバンシズ・イン・クリプタラジ・ユロウークリプト９４（ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣｒｙｐｔｏｌｏｇｙ−Ｅｕｒｏｃｒｙｐｔ’９４）、１９９４年、ｐ．１２９−１３９ジュン・ハセガワ（ＪｕｎＨａｓｅｇａｗａ）、外４名、「イクスペリメンタル・デコイ・ステイト・クワンタム・キー・ディストゥリビューション・ウィズ・アンカンディシュンル・スィキュアリティー・インコーパレイティング・ファイナイト・スタティスティックス（ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＤｅｃｏｙＳｔａｔｅＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈＵｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌＳｅｃｕｒｉｔｙＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇＦｉｎｉｔｅＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ）」、（米国）、クワント・フィジクス／０７０５．３０８１（ｑｕａｎｔ−ｐｈｙｓｉｃｓ／０７０５．３０８１）、２００７年５月２２日アラン・ミンク（ＡｌａｎＭｉｎｋ）、「カスタム・ハードゥウェア・トゥー・エリミネイト・ボトルネックス・イン・キュー・ケイ・ディー・スループット・パフォーマンス（ＣｕｓｔｏｍＨａｒｄｗａｒｅｔｏＥｌｉｍｉｎａｔｅＢｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓｉｎＱＫＤＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」、（米国）、エス・ピー・アイ・イー（ＳＰＩＥ）、２００７年、Ｖｏｌ．６７８０、ｐ．６７８０１４．１−６７８０１４．６田中聡寛、外２名、「量子暗号技術を実装する際の課題−信号処理に要求される性能−」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、平成２１年９月２２日、第１０９巻、第２１２号、ｐ．５３−６０

量子暗号では、光子を媒体とした生鍵の共有に引き続き、生鍵に対して送受信装置が様々な信号処理を施すことによって最終鍵を得る。しかしながら、上記のように信号処理に際する符号長を十分大きくする必要があり、計算処理に莫大な時間がかかっていた。一般的には、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）でのソフトウェア処理によって計算処理を行っていたため、計算処理に様々なオーバヘッドを要し、高速化は困難であった。近年、ハードウェア処理を取り入れることで量子暗号の高速化を図る研究開発が推進されている（例えば、非特許文献５、及び非特許文献６参照。）。大規模専用論理回路を搭載した基板を使用し、誤り訂正や秘匿性増強等の、計算量の大きい処理をハードウェアで行っている。更に信号処理の高速化のみではなく、通信の高速化もこのような基板には求められる。以下に、基底照合処理を例に挙げて必要な通信速度の目安を導く。基底照合処理では、光子を検出したビット番号と基底情報を受信装置より送信装置に送信する。ここで、送信装置よりビットを送り出す周波数を１０ＧＨｚ、送信装置より送り出したビットの１／１００の確率で受信装置が受信できるものとし、１Ｇｂｉｔを１フレームとして、ビット番号をカウントすると仮定する。すなわち、１００ＭＨｚの周波数で受信装置において光子が検出され、１つの検出ビットのビット番号を表すために３０ビットが必要となるために、受信装置から送信装置に３Ｇｂｐｓのデータを送信し続ける必要がある。受信装置から送信装置に送信するデータ量は、受信装置内のビット番号ずれまで考慮に入れると更に大きくなる（例えば、特許文献３参照。）。一般的なＣＰＵを介した通信ではこのような高速データ通信を続けることは困難であるため、上記の基板には高速な通信インタフェースも必要となる。更に、送信装置では自身が光子にエンコードした乱数情報を受信装置より検出情報が送られてきて基底照合を終えるまで、受信装置では検出情報及び該当ビットに施した基底変調情報を送信装置から基底照合結果が送られてくるまで、それぞれ保持しておく必要があるため、高速通信インタフェースには速度のみならず可能な限り低遅延であることも要求される。このため、基板上の高速通信インタフェースには、ＴＣＰ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ）等の再送制御を行う機能や誤り訂正機能を実装することは不向きである。反面、高速通信インタフェースに再送制御機能や誤り訂正機能を設けない場合、通信路で生じる誤りを訂正する方法はなくなり、これらの誤りは最終鍵の誤りに起因する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態は、通信機同士が情報共有を行う信号処理システムであって、第１の通信機と、少なくとも２つの通信手段によって第１の通信機と接続された第２の通信機と、第１の通信機から第２の通信機に光子信号を送信する光伝送路とを備え、通信手段は、少なくともフレーミング機能を備えた第１の通信手段と、再送制御機能と誤り訂正機能とのうち、少なくとも一方を備えた第２の通信手段とから成り、第１の通信機と第２の通信機とのうち、少なくとも一方の通信機は、誤り訂正処理よりも前に発生する通信に第１の通信手段を用い、誤り訂正処理よりも後に発生する通信に第２の通信手段を用いるように、他方の通信機との通信を、第１の通信手段と第２の通信手段とに振り分ける通信手段判別器を有し、第１の通信機及び第２の通信機は、光伝送路を介して第１の情報を共有し、第１の通信手段及び第２の通信手段を介して第２の情報を共有し、第２の情報を元に第１の情報に対して信号処理を行う。

本発明の第２の形態は、量子暗号システムであって、第１の形態に記載の信号処理システムを利用して、暗号化のための量子鍵を配布する。

本発明の第３の形態は、少なくとも２つの通信経路と、光子信号を送信する光伝送路とで接続された、第１の通信機と第２の通信機とが情報共有を行う信号処理方法であって、第１の通信機及び第２の通信機は、通信経路を使用して少なくともフレーミング機能を備えた第１の通信と、再送制御機能と誤り訂正機能とのうち、少なくとも一方を備えた第２の通信とを行い、第１の通信機と第２の通信機とのうち、少なくとも一方の通信機は、誤り訂正処理よりも前に発生する通信に第１の通信手段を用い、誤り訂正処理よりも後に発生する通信に第２の通信手段を用いるように、他方の通信機との通信を、第１の通信経路と第２の通信経路とに振り分け、第１の通信機及び第２の通信機は、光伝送路を介して第１の情報を共有し、第１の通信手段及び第２の通信手段を介して第２の情報を共有し、第２の情報を元に第１の情報に対して信号処理を行う。

本発明の第４の形態は、量子暗号方法であって、第３の形態に記載の信号処理方法を利用して、暗号化のための量子鍵を配布する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

以上の説明から明らかなように、この発明によれば、量子暗号鍵配付に必要となる鍵蒸留処理のためのデータ通信の大部分を高速信号処理部同士が直接簡易通信によって行うため、ＣＰＵやネットワークの負荷状況によって遅延が発生したりせず、高速に必要情報を通信することができ、量子暗号鍵配付を高速化することができる。

また、この発明によれば、高速信号処理部同士が直接簡易通信することによって共有鍵に誤りが発生しても、誤り訂正処理においてこれを訂正することができ、誤り訂正後に発生する通信は高品質な通信路を介して行うことで通信誤りに起因する暗号鍵中の誤りが発生しないため、量子暗号鍵配付によって暗号鍵を共有する際、誤りのない暗号鍵共有を行うことができる。

本願発明の第１の実施例を表すブロック図である。高速信号処理部１１４の内部構成を示すブロック図である。本願発明の第２の実施例を表すブロック図である。高速信号処理部３１４の内部構成を示すブロック図である。一般的な量子暗号技術の処理フローである。ＢＢ８４プロトコルの動作を示す説明図である。ランダムパーミュテーション処理の動作を示す説明図である。秘匿性増強処理の計算処理を示す説明図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本願発明の第１の実施例を表すブロック図である。本実施例では、誤り訂正処理以前に発生する通信に高速通信路を用い、誤り訂正処理以降に発生する通信にＣＰＵを利用した品質の確保された通信路を用いる。

送信装置１１は、光子源１１１と、光子源１１１から出力された光子パルスにデータ及び基底変調を加えるエンコーダ１１２と、エンコーダ１１２に変調信号である乱数を供給する乱数源１１３と、鍵蒸留処理に必要な信号処理を行う高速信号処理部１１４と、高速信号処理部１１４から直接対向の装置に接続される高速通信ブロック１１５と、送信装置１１全体の制御を行うＣＰＵ１１６と、ＣＰＵ１１６に設けられた通信ブロック１１７と、鍵蒸留処理中に発生する送信装置１１と受信装置１３間の通信を内容に応じて高速通信ブロック１１５と通信ブロック１１７に振り分ける判別器１１８からなる。受信装置１３は、送信装置１１より送られてきた光子パルスに基底変調を加えるデコーダ１３１と、デコーダ１３１に変調信号である乱数を供給する乱数源１３２と、デコード結果の光子パルスを検出する光子検出部１３３と、鍵蒸留処理に必要な信号処理を行う高速信号処理部１３４と、高速信号処理部１３４から直接対向の装置に接続される高速通信ブロック１３５と、受信装置１３全体の制御を行うＣＰＵ１３６と、ＣＰＵ１３６に設けられた通信ブロック１３７と、送信装置１１と受信装置間で発生する通信を高速通信ブロック１３５と通信ブロック１３７に振り分ける判別器１３８からなる。送信装置１１と受信装置１３は、光子しパルスを送信する光ファイバ１２１と、高速通信ブロック１１５と１３５を接続する高速通信路１２２と、通信ブロック１１７と１３７を接続する低速通信路１２３で接続されている。

図２は、高速信号処理部１１４の内部構成を示すブロック図である。高速信号処理部１１４は、乱数源１１３より乱数情報を受信する受信部２１と、乱数情報を保存する保存領域２２と、ＦＰＧＡによる論理演算部２３と、ＣＰＵ１１６との間でデータを受け渡すＣＰＵインタフェース２５からなる。高速信号処理部１３４の内部ブロックも同様である。

送信装置１１では、光子源１１１により光子パルスを発生し、エンコーダ１１２によってこの光子パルスにデータ及び基底変調を施し、受信装置１３へと送出し、光子パルスに施した変調情報を高速信号処理部１１４に保存する。受信装置１３では、送信装置１１より受信した光子パルスにデコーダ１３１によって基底変調を施し、デコード後の光子パルスを光子検出器１３３によって検出する。受信装置１３では、検出できたパルスのビット番号及び該当ビットに施した基底変調情報を高速通信ブロック１３５より高速通信路１２２を介して送信装置１１へと送信し、該当ビットの検出情報と併せて高速信号処理部１３４に保存する。次に送信装置１１は、受信装置１３より送られてきたビット番号と基底情報を参照し、該当ビットに自信が施した基底変調と受信装置１３が施した基底変調が一致していればシフト鍵として該当ビットのデータを保持、不一致であれば該当ビットを破棄し、破棄したビットの番号を高速通信ブロック１１５より高速通信路１２２を介して受信装置１３へと通知する。続くランダムパーミュテーション処理に必要となる乱数や誤り訂正処理において通信するパリティ情報も高速通信路１２２を介して行う。この高速通信ブロックでは、通信データの同期を取るためのフレーミングのみ施してあり、再送等の通信プロトコルは利用していない。残留誤り検知処理及び秘匿性増強処理において必要となる乱数情報は、通信ブロック１１７及び１３７により低速通信路１２３を介して行う。この通信ブロック１１７及び１３７では、通信プロトコルとしてＴＣＰを利用しており、誤りのない通信を行う。

本実施例により以下の効果が得られる。第１の効果は、量子暗号鍵配付の高速化が実現できることである。その理由は、量子暗号鍵配付に必要となる鍵蒸留処理には大量のデータ通信を伴うが、このデータ通信の大部分を高速信号処理部同士が直接簡易通信によって行うため、ＣＰＵやネットワークの負荷状況によって遅延が発生したりせず、高速に必要情報を通信できるためである。

第２の効果は、量子暗号鍵配付によって暗号鍵を共有する際、誤りのない暗号鍵共有が行えることである。その理由は、誤り訂正以前に発生する通信は高速信号処理部同士が直接簡易通信によって行うために共有鍵に誤りが発生するが誤り訂正処理においてこれを訂正することができ、誤り訂正後に発生する通信はＣＰＵを介した高品質な通信路を介して行うことで通信誤りに起因する暗号鍵中の誤りが発生しないためである。

本実施例では、ＣＰＵを介した通信プロトコルとしてＴＣＰを利用したが、本願発明の範囲はこれに限定されない。誤りなく通信を行える手段であればプロトコルを問わない。また、論理演算部にＦＰＧＡを使用したが専用ＩＣでもよい。検出ビットの基底情報を受信装置より送信装置に送付する構成を示したがこの構成に限定されず、送信装置より送信した光子パルスが受信装置に届いた後に送信装置より全ビットの基底情報を受信装置に送信しても良い。光子パルスの検出効率が高い場合には、送信装置が基底情報を開示したほうが通信量は少なくなる。更にＣＰＵやネットワークの負荷状況によってはランダムパーミュテーションや誤り訂正処理に発生する通信もＣＰＵ経由としても良く、その場合には誤り訂正過程で訂正を行うシフト鍵中の誤りが若干減少する。

図３は、本願発明の第２の実施例を表すブロック図である。本実施例では、鍵蒸留処理に伴う送信装置と受信装置間の通信の全てを信号処理部が直接行い、通信内容に応じて通信プロトコルを変更する。

送信装置３１は、光子源３１１と、光子源３１１から出力された光子パルスにデータ及び基底変調を加えるエンコーダ３１２と、エンコーダ３１２に変調信号である乱数を供給する乱数源３１３と、鍵蒸留処理に必要な信号処理を行う高速信号処理部３１４と、高速信号処理部３１４から直接対向の装置に接続される高速通信ブロック３１５と、送信装置３１全体の制御を行うＣＰＵ３１６からなる。受信装置３３は、送信装置３１より送られてきた光子パルスに基底変調を加えるデコーダ３３１と、デコーダ３３１に変調信号である乱数を供給する乱数源３３２と、デコード結果の光子パルスを検出する光子検出部３３３と、鍵蒸留処理に必要な信号処理を行う高速信号処理部３３４と、高速信号処理部３３４から直接対向の装置に接続される高速通信ブロック３３５と、受信装置３３全体の制御を行うＣＰＵ３３６からなる。送信装置３１と受信装置３３は、光子パルスを伝送する光ファイバ３２１と、高速通信ブロック３１５と３３５を接続する高速通信路３２２と、ＣＰＵ３１６と３３６を接続する低速通信路３２３で接続されている。

図４は、高速信号処理部３１４の内部構成を示すブロック図である。高速信号処理部３１４は、乱数源３１３より乱数情報を受信する受信部４１と、乱数情報を保存する保存領域４２と、ＦＰＧＡによる論理演算部４３と、ＣＰＵ３１６との間でデータを受け渡すＣＰＵインタフェース４４と、対向装置との通信データを振り分ける判別器４５と、通信の誤りを検知して再送制御を行う再送制御部４６と、フレーミングを行う通信制御部４７からなる。高速信号処理部３３４の内部ブロックも同様である。

送信装置３１では、光子源３１１により光子パルスを発生し、エンコーダ３１２によってこの光子パルスにデータ及び基底変調を施し、高速通信ブロック３３５より受信装置３３へと送出し、光子パルスに施した変調情報を高速信号処理部３１４内の保存領域４２に保存する。受信装置３３では、送信装置３１より受信した光子パルスにデコーダ３３１によって基底変調を施し、デコード後の光子パルスを光子検出器３３３によって検出する。受信装置３３では、検出できたパルスのビット番号及び該当ビットに施した基底変調情報を送信装置３１へと送信し、該当ビットの検出情報と併せて高速信号処理部３３４内の保存領域４２に保存する。その際、高速信号処理部３３４では、再送制御部４６を駆動せずに論理演算部４３→判別器４５→通信制御部４７という流れで高速通信ブロック３３５に受け渡される。次に送信装置３１は、受信装置３３より送られてきたビット番号と基底情報を参照し、該当ビットに自信が施した基底変調と受信装置３３が施した基底変調が一致していればシフト鍵として該当ビットのデータを保持、不一致であれば該当ビットを破棄し、破棄したビットの番号を高速通信ブロック３１５より高速通信路３２２を介して受信装置３３へと通知する。ここでも高速信号処理部３１４では、再送制御部４６を駆動せずに論理演算部４３→判別器４５→通信制御部４７という流れで高速通信ブロック３１５を経由して受信装置３３に通信を行う。続くランダムパーミュテーション処理に必要となる乱数や誤り訂正処理において通信するパリティ情報も、再送制御部４６を駆動せずに論理演算部４３→判別器４５→通信制御部４７という流れで通信を行う。一方、残留誤り検知処理及び秘匿性増強処理において必要となる乱数情報は、再送制御部４６を駆動し、論理演算部４３→判別器４５→再送制御部４６→判別器４５→通信制御部４７という流れで通信を行う。この再送制御部４６では、通信フレームのＣＲＣ値を演算して送信フレームに付加し、受信側では受信フレームのＣＲＣ値を計算してフレーム内のデータが正しいことを確認する。受信フレームが誤っていた場合、送信側に該当フレームの再送を要求する。通信制御部４７では、対向装置との通信のためのフレーミングを行っており、ペイロードの大半を誤り訂正以前に発生する通信用に固定的に確保し、残りの帯域で残留誤り検知処理及び秘匿性増強に必要な通信を高品質に行う。

本実施例により実施例１と同様の効果が得られる。また、鍵蒸留処理に必要となる通信を、ＣＰＵを介さずに高速信号処理部に閉じて行うため、ＣＰＵやネットワークの負荷状況によって鍵蒸留処理の遅延が変化することなく、最終鍵生成速度が変化せずに安定した暗号鍵配送を行うことができる。

本実施例において、対向装置の高速信号処理部間で誤りのない通信を行うために再送制御部を設けたが、高性能な誤り訂正機能を実装することによって、誤りのない通信路を実現しても良い。

本発明は、量子暗号鍵配付技術のように、一旦送受信機間で共有した情報を、引き続き送受信機間において通信を行いながら新たな情報を生成していくシステムに利用可能である。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１１送信装置
１３受信装置
２１受信部
２２保存領域
２３論理演算部
２４ＣＰＵインタフェース
１１１光子源
１１２エンコーダ
１１３乱数源
１１４高速信号処理部
１１５高速通信ブロック
１１６ＣＰＵ
１１７通信ブロック
１１８判別器
１２１光ファイバ
１２２高速通信路
１２３低速通信路
１３１デコーダ
１３２乱数源
１３３光子検出部
１３４高速信号処理部
１３５高速通信ブロック
１３６ＣＰＵ
１３７通信ブロック
１３８判別器
３１送信装置
３３受信装置
４１受信部
４２保存領域
４３論理演算部
４４ＣＰＵインタフェース
４５判別器
４６再送制御部
４７通信制御部
３１１光子源
３１２エンコーダ
３１３乱数源
３１４高速信号処理部
３１５高速通信ブロック
３１６ＣＰＵ
３２１光ファイバ
３２２高速通信路
３３１デコーダ
３３２乱数源
３３３光子検出部
３３４高速信号処理部
３３５高速通信ブロック
３３６ＣＰＵ

Claims

通信機同士が情報共有を行う信号処理システムであって、
第１の通信機と、
少なくとも２つの通信手段によって前記第１の通信機と接続された第２の通信機と、
前記第１の通信機から前記第２の通信機に光子信号を送信する光伝送路と
を備え、
前記通信手段は、
少なくともフレーミング機能を備えた第１の通信手段と、
再送制御機能と誤り訂正機能とのうち、少なくとも一方を備えた第２の通信手段と
から成り、
前記第１の通信機と前記第２の通信機とのうち、少なくとも一方の通信機は、
誤り訂正処理よりも前に発生する通信に前記第１の通信手段を用い、誤り訂正処理よりも後に発生する通信に前記第２の通信手段を用いるように、他方の通信機との通信を、前記第１の通信手段と前記第２の通信手段とに振り分ける通信手段判別器
を有し、
前記第１の通信機及び前記第２の通信機は、前記光伝送路を介して第１の情報を共有し、前記第１の通信手段及び前記第２の通信手段を介して第２の情報を共有し、前記第２の情報を元に前記第１の情報に対して信号処理を行う
ことを特徴とする信号処理システム。
前記第１の通信手段と前記第２の通信手段が物理的に同一線路を介して通信を行い、前記通信手段判別器が、通信内容を参照して通信プロトコルを変換するプロトコル変換機能を有する
請求項１に記載の信号処理システム。
請求項１又は２に記載の信号処理システムを利用して、暗号化のための量子鍵を配布する量子暗号システム。
前記通信手段判別器が、共有鍵の誤り訂正処理を行う以前に発生する通信である、基底照合及びランダムパーミュテーションに使用される乱数や共有鍵の誤り訂正において使用するパリティ情報の通知に関しては前記第１の通信手段を選択し、誤り訂正処理の後に発生する通信に関しては前記第２の通信手段を選択する
請求項３に記載の量子暗号システム。
少なくとも２つの通信経路と、光子信号を送信する光伝送路とで接続された、第１の通信機と第２の通信機とが情報共有を行う信号処理方法であって、
前記第１の通信機及び前記第２の通信機は、
前記通信経路を使用して少なくともフレーミング機能を備えた第１の通信と、
再送制御機能と誤り訂正機能とのうち、少なくとも一方を備えた第２の通信と
を行い、
前記第１の通信機と前記第２の通信機とのうち、少なくとも一方の通信機は、誤り訂正処理よりも前に発生する通信に前記第１の通信手段を用い、誤り訂正処理よりも後に発生する通信に前記第２の通信手段を用いるように、他方の通信機との通信を、前記第１の通信経路と前記第２の通信経路とに振り分け、
前記第１の通信機及び前記第２の通信機は、前記光伝送路を介して第１の情報を共有し、前記第１の通信手段及び前記第２の通信手段を介して第２の情報を共有し、前記第２の情報を元に前記第１の情報に対して信号処理を行う
ことを特徴とする信号処理方法。
前記第１の通信と前記第２の通信が物理的に同一線路を介して通信を行い、前記第１の通信機と前記第２の通信機が通信経路を切り替える際、通信内容を参照して通信プロトコルを変換する
請求項５に記載の信号処理方法。
請求項５又は６に記載の信号処理方法を利用して、暗号化のための量子鍵を配布する量子暗号方法。
前記第１の通信機と前記第２の通信機が通信経路を切り替える際、共有鍵の誤り訂正処理を行う以前に発生する通信である、基底照合及びランダムパーミュテーションに使用される乱数や共有鍵の誤り訂正において使用するパリティ情報の通知に関しては前記第１の通信を選択し、誤り訂正処理の後に発生する通信に関しては前記第２の通信を選択する
請求項７に記載の量子暗号方法。