JP5751649B2 - 量子暗号装置の単一光子検出器を制御しようとする攻撃を、効率をランダムに変えることによって検出するための装置及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は２０１０年１０月８日に出願された米国仮出願第６１／３９１，１２７号の便益を主張し、その全ての内容はここに参照に取り入れられる。

本出願は主に量子暗号の分野に関し、詳細には量子暗号装置の単一光子検出器の制御を試みる又はキュービットを分析するために量子暗号装置の受信機で用いられる測定基底を読み取ろうとする攻撃の検出を可能にする装置及び方法に関する。これらの攻撃は共に、量子チャネルを介して受信機に強い光（ｉｎｔｅｎｓｅ ｌｉｇｈｔ）を送信することで行われる。

量子暗号（ＱＣ）の論理上の安全性は、理想的な実装に関しては正式に証明されている。ＱＣについての詳細な論争は、参照として本件に取り入れられる上記米国仮出願の背景技術に記載されており、本発明を十分に理解する上で有益となる。ＱＣシステムの実際の実装は、安全性証明に記載されるモデルにできる限り近似するようになされるが、モデルと実装との間で相違が生じることは常である。

昨今では、これらの相違をＱＣシステムの安全性を破るために利用しようという試みが研究者達によって行われてきた。様々な方策が、主に単一光子検出器を対象として提案及び試験された。１つ目の攻撃の種類は、ボブの２つの検出器間における一時的なミスマッチを利用して行われる。ＱＣシステムでは、通常２つの単一光子検出器（ＳＰＤ）が備えられることを注目されたい。ＢＢ８４プロトコルでは、各検出器にビット値が割り当てられる。このため、どちらの検出器が発したかを盗聴者が知っている場合、送信者と受信者の間で交換されたビット値も知ることが可能である。この攻撃に関する実装については、Ｙ．Ｚｈａｏ、Ｃ．Ｆ． Ｆｕｎｇ、Ｂ．Ｑｉ、Ｃ．Ｃｈｅｎ及びＨ．ＬｏによるＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ 第７８巻（２００８）において説明されており、その文献の技術的内容は本発明に参照に取り入れられる（成功の主張に関しては本件の参照としては取り入れない）。２つの検出器の間でわずかな一時的ミスマッチがあれば、それを悪用して検出器１がアクティブで検出器２がアクティブでないタイミング、またはその逆のタイミングで光を送信することも可能となる。つまり、盗聴者はある特定の時刻に光子が到着するように送信することで、検出器１又は検出器２の一方のみで検出されるように設定可能となることを意味する。

ＱＣシステムのＳＰＤに対して行われる最新の攻撃の類は、検出器の完全な制御を可能としてしまう。最初の実験は、Ｖ．Ｍａｋａｒｏｖによるシリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をベースとしたＳＰＤに行われた。第１の手法に関してはＮｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ 第１１巻（２００９）で説明されており、その技術的内容は（成功の主張を除き）参考することにより本発明に取り入れられる。この攻撃の主な理論は、強い連続波（ＣＷ）を送ることによってシリコンＡＰＤをベースとしたＳＰＤをブラインド状態にすることである。実際、単一光子検出器に対する光量が多すぎると飽和状態となり、０に達するまで検出数は徐々に減少していく。検出数が０に達しても、さらに光の強度が増加すると、検出器はブラインド状態となる。この現象は、明るい光（ｂｒｉｇｈｔ ｌｉｇｈｔ）が有する多大な数の光子を受けて検出の数が膨大になることに起因する。なだれの数があまりに多くなるため、ＡＰＤの電位差が破壊電圧に近い数値まで低下するのだ。多くのなだれが生じるとＡＰＤに常に多大な電流が流れるという事実があるため、この低下が生じるのは容易に理解できる。受動消滅回路では抵抗器はＡＰＤと直列に設置されるため、ＡＰＤに流れる電流は抵抗器にも流れる。直列に配列された全ての部品に加わる電圧の合計は固定されているため、この電流によって抵抗器にかかる電圧が増加するとＡＰＤの電位差が低下する。低下しても数値が十分に高ければＡＰＤはガイガーモードのままだが、光子吸収によって生じるなだれが電気回路の分別器で検出できないほど小さければ、明るい光によってＡＰＤはブラインドになる可能性がある。明るい光が消されると、ほんの数マイクロ秒後にはＡＰＤは再びアクティブになる。そして、再び強い光を発すれば検出が発動されてＳＰＤをまたブラインドにすることが可能である。明るい光パルスの列を制御することで、盗聴者はＳＰＤを一定期間だけブラインドにし、関心のある時刻に検出が行われるように強いることもできる。つまり、盗聴者は単一光子検出モジュールに対する相当な制御を得ることが可能となる。Ｖ．Ｍａｋａｒｏｖは、さらに最近の研究で、ＳｉＡＰＤをベースとするＳＰＤの制御を試みる別の方法を示しており（その詳細はＱｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ２０１０でのプレゼンテーションで開示されている（http://www.sarafelloni.com/QIW/QCW2010/infodownload/qcw2010-presentations））、その技術内容は参照により本件に取り入れられる（成功の主張は参考として取り入れられない）。この新たな方法も、ＣＷ光によってＳＰＤをブラインドにする工程からなるが、この場合はＣＷ光の強さが前回の実験よりもさらに強く、ＡＰＤはガイガーモードでは全く動作しなくなり、常にリニアモード（ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅ）で維持される。このようにすることで、盗聴者が明るい光パルスを送ると、リニアモードでの検出結果はＡＰＤの出力では電気パルスとなる。この方法によると、光パルスの強度が十分に強ければ、電気パルスの振幅もＳＰＤの分別器で検出可能となる程度に高くなることが示される。盗聴者は、まず検出器をブラインドにし、リニアモードで検出される明るい光パルスを送ることでＳＰＤのある程度の制御を獲得する。この方法によって、盗聴者はＱＣ受信機に盗聴者が検出させたいものを検出するように仕向けることができる。盗聴者が単一光子検出器の受信機の制御を得ることができたら、最後の秘密鍵を解くのに十分な情報が入手可能となる。

量子チャネルを介してＱＣシステムに明るい光を送ることで、ＱＣシステムにトロイの木馬攻撃と呼ばれる別の種類の攻撃を仕掛けることができる。トロイの木馬攻撃の主な理論は、ＱＣシステムの状態に関する何らかの情報を抽出するために、ＱＣシステムから返される光を分析することである。この場合、ＱＣシステムに送信される光はプローブ信号として用いられる。この種類の攻撃の２つの例は、Ａ．Ｖａｋｈｉｔｏｖ、Ｖ．ＭａｋａｒｏｖとＤ．Ｒ．ＨｊｅｌｍｅによるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ ｏｐｔｉｃｓ 第４８巻、２０２３−２０３８（２００１）と、Ｎ．Ｇｉｓｉｎ、Ｓ．Ｆａｓｅｌ、Ｂ．Ｋｒａｕｓ、Ｈ．ＺｂｉｎｄｅｎとＧ．ＲｉｂｏｒｄｙによるＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ 第７３巻、０２２３２０（２００６）に示されており、これらの技術内容は（成功の主張を除き）参照することで本件に取り入れられる。どちらの例でも、著者はＢＢ８４の実装に対して、参照することで本件に取り入れられるＰａｕｌ Ｔｏｗｎｓｅｎｄらによる「１０ｋｍ長さの光ファイバー干渉計における単一光子干渉」、Ｅｌｅｄｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２９、６３４−６３９（１９９３）で提案される位相符号化を用いて攻撃を行っている。この実装の場合、単一光子の位相によって量子状態が定義される。ＱＣ送信機では、位相変調器を用いてこの位相をある光子から別の光子に変えることができる。さらに、送信機から送信された量子状態を分析するための測定基底を選択するために、ＱＣの受信機においても同様の位相変調器が用いられる。これらの攻撃の創作者は、量子チャネルを介してＱＣシステムに明るい光を送り、ＱＣ装置から返される光の一部を分析することで、位相変調器によって適用された位相値を測定することが可能になると主張している。この実験は、主にＱＣの送信機に対して行われているが、理論上はＱＣの受信機に対しても行うことができる。ビット値を符号化するのに用いられた位相値を入手することで、また受信機に対する攻撃の場合は用いられたＱＣプロトコル（例えば、その技術内容が参照することにより本件に取り入れられるＶ Ｓｃａｒａｎｉ、Ａ Ａｃｈｉｎ、Ｇ ＲｉｂｏｒｄｙとＮ ＧｉｓｉｎのＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ 第９２号、０５７９０１（２００４）にて開示されるＳＡＲＧ）を入手することで、盗聴者は最後の秘密鍵を知るために必要な全ての情報を得ることができる。受信機にトロイの木馬攻撃が仕掛けられると、非常に感度の良い光検出器である単一光子検出器によって、攻撃は容易に検出されることが期待される。しかし、検出ノイズによる影響を減らすために、単一光子検出器は持続的にアクティブな状態にはないか、あるいはある特定の受け入れ期間（ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）においてのみしか検出が行われない。検出器がアクティブ状態にはない時、又は受け入れ期間外にトロイの木馬攻撃が行われた場合、受信機で記録されるような検出は攻撃によって誘発されない。このように、ＱＣシステムはトロイの木馬攻撃を検出することはできない。例えば、位相符号化の実装の場合、トロイの木馬攻撃は、変調器の量子状態が変調状態であればいつでも実行できる。実用上の理由により、変調器の量子状態が変調状態に設定される時間は、ＳＰＤがアクティブな状態又は検出が受け入れられる状態にある時間よりも比較的長い。

要約すると、量子暗号は安全に秘密鍵を交換する有効な方法である。この技術の論理上の安全性証明は、完璧なモデルを考慮して立証されている。しかし、ＱＣの実際の実装は考慮された理想的なモデルとは微妙に異なるため、少なくとも理論上では、サイドチャネル攻撃を受ける可能性も考えられる。このサイドチャネル攻撃の最近の２つの例は、量子チャネルに強い光を送り込むことを基にしたものである。１つ目の例では、結果として単一光子検出器の完全な制御を獲得するとされ、２つ目の例では、結果的にビット値の符号化で用いられた量子状態又は量子分析のために選択された測定基底に関する情報を獲得するとされている。

従って、このようなセキュリティの抜け穴を無くすために必要とされるのは、これらの類の攻撃を検出するシステム及び方法である。

単一光子検出器を有するＱＣ装置に、量子チャネルを介して明るい光を送り込むことによって行われる攻撃を検出するための装置及び方法を提供する。本発明は、量子暗号装置の単一光子検出器を制御しようと試みる攻撃と、送信者が選択した量子状態又は量子状態の分析のために受信者が選択した測定基底のいずれかの入手を試みるトロイの木馬攻撃として知られる攻撃の、周知の少なくとも２種類の攻撃からＱＣシステムを保護する。本発明は、これら単一光子検出器の設定パラメータをランダムに変更することと、単一光子検出器の各設定パラメータの測定された検出確率値を期待される検出確率値と比較することを組み合わせて行うことに依拠する。単一光子検出器の変更された設定パラメータは、例えば検出器の効率及び／又はアクティベーションタイミング（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｔｉｍｉｎｇ）であってもよい。

本発明の主な目的は、ＱＣシステムにおける単一光子検出器に対して行われる攻撃を検出することである。これらの攻撃は、盗聴者による装置のＳＰＤの完全な制御を可能とすることを意図されている。

実施例の１つにおいて、本発明によるシステム及び方法は、ＳＰＤの効率値をランダムに変え、データ取得後に異なる検出確率値を確認することによって、上記のような攻撃を検出する。

本発明の副次的な目的は、少なくとも１つの単一光子検出器を有するＱＣ装置に対して行われるトロイの木馬タイプの攻撃を検出することである。この種類の攻撃は、送信者が選択した量子状態又は受信者が選択した測定基底に関する情報を盗聴者に与えることを意図している。

また別の実施例では、本発明のシステム及び方法はＳＰＤのアクティベーションタイミングの期間をランダムに変更し、データ入手後に異なる検出確率を確認することで上記の攻撃を検出する。

本発明のその他の目的及び利点は、添付の図面と共に、本発明の実施例が実例としてのみ開示される以下の記載を参照することにより明らかとなる。

本発明の一実施例における量子暗号装置の回路図を示す。 本発明の一実施例における単一光子検出装置の回路図を示す。 従来技術におけるＡＰＤをベースとした単一光子検出器の回路図を示す。 本発明の一実施例におけるＡＰＤをベースとした単一光子検出器の回路図を示す。 本発明の一実施例におけるＡＰＤをベースとした単一光子検出器と波長変換処理の組み合わせを基にした単一光子検出器の回路図を示す。 本発明の一実施例における超電導体をベースとした単一光子検出器を示す。 本発明が量子暗号システムに組み込まれた際の検出収集及び処理の高レベル流れ図を示す。 予期される着信キュービットにつき効率と関連するアクティブ化ゲート振幅を表す、伝送線４１０と１２６を通過して伝播される信号を示す。 ＱＣ装置のＳＰＤに行われた攻撃に対して防護対策が行われた場合における、アラームに繋がる例示的な信号処理のグラフを示す（この場合、アラームサブシステム４００は、いくつかのアクティブ化ゲートを抑制するために動作する）。 少なくとも１つの単一光子検出器を有するＱＣ装置に行われるトロイの木馬攻撃に対して防護対策が行われた場合における、アラームにつながる信号処理の例を示す（この場合、アラームサブシステム４００は、アクティブ化ゲートの幅がゲート毎で異なるように動作する）。

好適な実施例の詳細な説明

好適な実施例の詳細な説明は、以下に記載される。しかし、本発明は様々な形態で実施可能であることを理解されたい。従って、本件で開示される具体的詳細は限定的なものではなく、むしろ請求項の基盤として、また実質的にあらゆる適切なシステム、構造、方法における本発明の利用を当業者に教えるための代表的な基盤として解釈されたい。

上記で説明したように、強い光でブラインドにすることで、シリコンＡＰＤをベースとした単一光子検出器（ＳＰＤ）の制御が可能となることが、ある研究者達によって実証された。その他の単一光子検出技術における攻撃実験も、近いうちに実証されるであろう。このようなＳＰＤの完全な制御が可能となることは、現在のＱＣシステムの安全性の低下を意味する。

単一光子の検出による電気パルスと攻撃による電気パルスとの違いを区別するのは不可能であると言われている。このため、全ての電気パルスは潜在的な検出であると仮定する必要がある。多数の検出が記録されると、検出は秘密鍵の抽出のために処理される。この処理では、検出の確率が測定され、期待される検出確率と比較される。得られた２つの確率値が同じではない場合（その差異は所定のしきい値よりも小さくなければならない）、データは秘密鍵の抽出には使用されずに破棄される。検出確率に課されたこの条件は、ＱＣの安全性保障のために非常に重要である。不運にも、盗聴者がＳＰＤの制御を得た場合、期待される検出確率を知ることができ、測定される検出確率が期待される確率と等しくなるように攻撃を行うことができる。このため、攻撃を検出するために、受信者は盗聴者が続行するのに必要となる方法に不確定性を導入する。もし、受信者が少なくとも２つのＳＰＤ効率値をランダムに切り替え、効率値によってデータをソートすれば、各効率値には関連する１つの検出確率値が与えられる。盗聴者は攻撃を行う前に効率値を知ることができないため（効率値は、例えば受信装置に光パルスが入ったらすぐに選択される）、どの検出確率を模倣すべきか判らない。このため、異なる検出効率値を確認することで攻撃を検出することが可能となる。測定された異なる検出確率の全てが、対応する期待された検出確率値と一致した場合、盗聴者によって単一光子検出器が制御されていないことの確証となる。

単一光子検出技術を用いることで、ある物理的パラメータを調整することにより検出器の効率を調整することができる。自走モードで動作するＡＰＤをベースとした単一光子検出器の効率を変えるには、ＡＰＤに加えられるバイアス電圧を調整すればよい。４２０Ｖのバイアス電圧が付加されたＡＰＤを例に考えると、バイアス電圧を４４０Ｖから４３０Ｖに変えると、検出器の約８００ｎｍの効率は７０％から３５％に変化する。ゲートモードで動作するＡＰＤをベースとしたＳＰＤの効率は、バイアス電圧又は電気ゲートの振幅のいずれかを調整することで変えることができる。ＡＰＤをベースとしたＳＰＤが波長変換過程と組み合わされる場合には、検出器の効率はＡＰＤをベースとしたＳＰＤの効率又は非線形過程の効率のいずれかを変えることによって変更できる。非線形過程の効率は、ポンプレーザー出力（エスコート光子源（ｅｓｃｏｒｔ ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅ））、又は例えばメディアの温度を変えることなどによるメディアの位相整合状態を変えることで調整できる。超電導体をベースとした検出器の効率は、超電導体装置の温度又はそれを通過する電流を変えることによって調整できる。

まず図１を参照として、本発明が用いられるシステムが開示される。量子暗号装置１００は、量子チャネル１３０と別のチャネル１４０で接続された送信ステーション１１０と受信ステーション１２０とからなる。送信ステーション１１０から受信ステーション１２０に量子粒子を伝送するために用いられる量子チャネル１３０は、例えば専用の光ファイバーや波長分割多重光通信システムのチャネルなどであってもよい。送信ステーション１１０と受信ステーション間の通信に用いられる別のチャネル１４０としては、例えばインターネットや明るい光パルスを伝送する第２光ファイバー、あるいは論理上では空間における２点を繋ぐデータ通信手段であれば何でも用いることができる。このように、量子暗号装置１００は、量子チャネル１３０にアクセスできる盗聴者が、非ゼロの確率でビット配列にエラーを引き起こすことなく、送信ステーション１１０から送信される量子粒子に符号化されたビット配列に関する完全な知識を得ることができないように設計されている。つまり、送信ステーション１１０と受信ステーシュン１２０は、量子チャネル１３０で量子粒子を伝送した後に、送信ステーション１１０から送信されたビット配列と受信ステーション１２０によって記録されたビット配列から盗聴者１５０が知らない秘密を作成するために、別の量子チャネル１４０を介して通信を行い連携する。

送信ステーション１１０は、処理ユニット１１２とキュービット（量子ビット、つまり本件では光子である量子粒子によって伝送されるビット値）作成サブシステム１１１とから構成される。送信ステーション１１０は、別のチャネル１４０に接続されることで受信ステーション１２０と通信可能となる。処理ユニット１１２は、例えばメモリ、入力／出力ポート及び中央処理装置を備え、所望の出力を生成するように作動し入力を管理するコンピューター、又は装置のその他の部品と通信可能なデータ伝送及び通信機構であってもよい。キュービット作成サブシステム１１１はキュービット配列を生成するために用いられる。キュービットは、２レベルのシステムを用いて表される。Ｐａｕｌ Ｔｏｗｎｓｅｎｄらによる「１０ｋｍの光ファイバー干渉計における単一光子干渉」、Ｓｕｐｒａ．で提案される位相符号化を用いたＢＢ８４の実装では、キュービット作成サブシステム１１１は光パルスの配列を送信するパルスレーザー源と、時間的に離れた光パルスのペアを生成する不均衡マッハ・ツェンダー干渉計と、前記干渉計の２つのアームの一方に備えられ、前記ペアのうち一方の光パルスの位相をもう一方と比較して調整する位相変調器と、パルス１つ当たりの平均光子数を適切なレベルに設定するためにビームを減衰する可変光減衰器とから構成される。キュービット作成サブシステム１１１を構成する装置は、プロトコル、コード体系や実装の種類に応じて上記した装置と異なるものであってもよい。処理ユニット１１２は、２つのサブシステム間でデータ転送を可能にする伝送線１１３によってキュービット作成サブシステム１１１に接続される。伝送線１１３は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどを備えたものでもよい。量子ビットが作成されると、キュービット作成サブシステム１１１は量子チャネル１３０に送信する。

受信ステーション１２０は、処理ユニット１２３、基底設定（ｂａｓｅ ｓｅｔｔｉｎｇ）サブシステム１２１及び単一光子検出ユニット１２２から構成される。処理装置１２３は、例えばメモリ、入力／出力ポート及び中央処理装置を備え、所望の出力を生成するように作動し入力を管理するコンピューター、又は装置のその他の部品と通信可能なデータ伝送及び通信機構であってもよい。受信ステーション１２０は、送信ステーション１１０との通信を可能にするその他のチャネル１４０に接続される。基底設定サブシステム１２１は、キュービットの分析に用いられる測定基底を選択する。また、１つの入力ポートと１つ又はいくつかの出力ポートを有する。基底設定サブシステム１２１の入力ポートは量子チャネル１３０に接続される。サブシステム１２１によって設定された基準のキュービット分析の結果に応じて、単一光子は出力ポートのいずれかを通って基底設定サブシステム１２１から送信される。光接続１２４は、１つ又はいくつかの光ファイバーから構成されてもよい。この光ファイバーの数は、単一光子検出ユニット１２２における単一光子検出器の数に応じる。図１には、２つの単一光子検出器が単一光子検出ユニット１２２に備えられた例が開示される。Ｐａｕｌ Ｔｏｗｎｓｅｎｄらによる「１０ｋｍの光ファイバー干渉計における単一光子干渉」、Ｓｕｐｒａ．で提案される位相符号化を用いたＢＢ８４の実装では、基底設定サブシステム１２１は、路長の差異が送信ステーション１１０における一方の不均衡干渉計に対応する干渉計と、キュービット分析の基底を選択するために２つのアームの一方に備えられる位相変調器とから構成される。基底設定サブシステム１２１を構成する装置は、プロトコル、コード体系及び実装の種類に応じて上記した装置と異なるものであってもよい。処理ユニット１２３は、基底設定サブシステム１２１が選択すべき基底値を送信するための伝送線１２５によって基底設定サブシステム１２１に接続される。伝送線１２５は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルから構成されてもよい。単一光子検出ユニット１２２は伝送線１２６及び１２７を介して処理ユニット１２３に接続される。伝送線１２６は、単一光子検出ユニット１２２に１つ又はいくつかの設定パラメータ値を送信するために、処理ユニット１２３によって用いられる。伝送線１２７は、単一光子検出ユニット１２２の結果を記録するために用いられる。伝送線１２６及び１２７は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどから構成されてもよい。これらのワイヤー又はケーブルの数は、単一光子検出ユニット１２２における単一光子検出器の数によって決まる。上記のように、図１には２つの単一光子検出器が単一検出ユニット１２２に備えられた実施例が開示される。

次に図２を参照として、１つ又はいくつかの単一光子検出器２００からなる単一光子検出ユニット１２２の実施例が開示される。図２は、２つの単一光子検出器２００を備えた実施例である。用いられる単一光子検出技術に応じて、単一光子検出器２００は様々な装置を構成することもできる。様々な装置の可能性は、以下に説明される。ＡＰＤ、波長変換過程及び超電導体をベースとした単一光子検出技術は、それぞれ２００−１、２００−２、２００−３と称する。単一光子検出器に２００という表記が付く場合、その記述は３種類の単一光子検出技術に有効であることを意味する。各単一光子検出器２００は、伝送線１２６及び１２７を介して処理ユニット１２３に接続される。

図３を参照として、ＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１が単一光子検出器２００として用いられた従来技術の単一光子検出器２００と処理ユニット１２３の可能な一実施例が開示される。単一光子検出器２００に対応する処理ユニット１２３の部品は、処理ユニット１２３の１つ又はいくつかの構成部品からなる電子駆動回路３００である。電子駆動回路３００は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイに備えられてもよい。電子駆動回路３００は、伝送線３６０を介して残りの処理ユニットからの入力を受信し、伝送線３７０を介して出力を送信する。電子駆動回路３００に送信される入力の１つは、単一光子検出器２００の効率とアクティブ化されるべき時刻である。伝送線３７０を介して送られる出力は、単一光子検出器２００によって登録された検出のタイミングである。伝送線３６０及び３７０は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどから構成されてもよい。単一光子検出器２００−１は、ガイガーモード（詳細については、参照することにより取り入れられるＳ．Ｃｏｖａ， Ｍ Ｇｈｉｏｎｉ， Ａ．Ｌａｃａｉｔａ，Ｃ．Ｓａｍｏｒｉｏｙｏｂｉ Ｆ．Ｚａｐｐａによる応用光学第３５巻（１９９６）を参照）で使用され単一光子を検出するためのＡＰＤ３２０と、ＡＰＤ３２０をガイガーモードに設定し、光子が検出されるとなだれを消滅させる偏光及び消滅回路（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）３１０と、電子駆動回路３００に適応される電気信号を生成するためにＡＰＤ３２０の出力信号を分別及び整形するための分別及び整形回路（ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｈａｐｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）３３０とから構成される。ＡＰＤは、例えばシリコンやＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ半導体物質から形成されてもよい。ＡＰＤ３２０は、使用される半導体物質の種類に応じて自走モード又はゲートモードのいずれかで動作する。偏光及び消滅回路３１０は、ＡＰＤが２つの動作モードのいずれかで動作するように、回路板にいくつかの電子部品が取り付けられて構成されることも可能である。分別及び整形回路３３０は、例えば電子パルスの分別器や論理電気信号の変換器から構成されてもよい。ＡＰＤ３２０は、光接続１２４を介して基底設定サブシステム１２１に接続される。また、ＡＰＤ３２０は伝送線３４０を介して偏光及び消滅回路３１０に接続される。単一光子検出器２００−１が自走モードで動作している場合、伝送線３４０はＡＰＤ３２０に適切なバイアス電圧値を加えるために用いられる。単一光子検出器２００−１がゲートモードで動作している場合、伝送線３４０はＡＰＤ３２０及びアクティベーションゲートに適切なバイアス電圧値を適切なタイミングで適切な振幅及び幅で加えるために用いられる。伝送線３４０は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルで構成されたものでもよい。ＡＰＤ３２０は、伝送線３５０を介して分別及び整形回路３３０に接続される。伝送線３５０は、ＡＰＤ３２０からの出力電子信号を分別及び整形回路３３０に伝送するために用いられる。伝送線３５０は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどで構成されたものでもよい。偏光及び消滅回路３１０は伝送線１２６を介して電子駆動回路３００に接続される。単一光子検出器２００−１が自走モードで動作している場合、伝送線１２６は伝送線３６０を介して送信された効率値に応じた設定パラメータ値（例えばバイアス電圧値）を伝送するために電子駆動回路３００によって用いられる。単一光子検出器２００−１がゲートモードで動作している場合、伝送線３６０を介して送信された効率値及び／又はアクティベーションタイミングに応じて設定パラメータ値（例えばバイアス電圧値やアクティベーションゲート）を送信するために用いられる。処理ユニット１２３から電子駆動回路３００に送信された数値（例えば効率値及び／又はアクティベーションタイミング）から、電子駆動回路３００から偏光及び消滅回路３１０に送信された数値（例えばバイアス電圧）への変換は、例えば電子駆動回路３００のメモリに記憶された変換テーブルを用いて行われてもよい。分別及び整形回路３３０は伝送線１２７を介して電子駆動回路３００に接続される。この伝送線１２７は、分別及び整形回路３３０の結果を電子駆動回路３００に送信するために用いられる。伝送線１２６及び１２７は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどで構成されてもよい。

まとめると、電子駆動回路３００は単一光子検出器２００のための効率値及び／又はアクティベーションタイミングを処理ユニット１２３の他のサブシステムから受信する。電子駆動回路３００はこれら数値を処理し、伝送線１２６を介して適切な設定パラメータ値（例えばバイアス電圧値やアクティベーションタイミング）を偏光及び消滅回路３１０に送信する。偏光及び消滅回路３１０は、受信した数値をＡＰＤ３２０に適用する。ＡＰＤ３２０は光子を検出すると、分別及び整形回路３３０に電気出力信号を送信する。この回路は、電気信号をノイズから分別し、電子駆動回路３００で認識されるように整形する。分別及び整形回路３３０からの出力信号は伝送線１２７を介して電子駆動回路３００に伝送される。電子駆動回路３００はこの信号を前処理し、さらなる処理のために残りの処理ユニット１２３に検出時刻を送信する。

次に図４を参照として、単一光子検出器２００としてＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１が用いられ、単一光子検出器２００−１と電子駆動回路３００の間にアラームサブシステム４００が配置されてなる、本発明の単一光子検出器２００及び処理ユニット１２３の一実施例が開示される。アラームサブシステム４００は、図４で示されるように処理ユニット１２３の内部に挿入されるか、外側に設置されてもよい。アラームサブシステム４００が処理ユニット１２３に挿入される場合、アラームサブシステム４００は処理ユニット１２３の１つ又はいくつかの部品によって構成される。アラームサブシステム４００は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイに含まれてもよい。アラームサブシステム４００が処理ユニット１２３に挿入されない場合、アラームサブシステム４００は、例えばメモリ、入力／出力ポート及び中央処理を備え、所望の出力を生成するように動作し入力を管理するコンピューター、又は装置のその他の部品と通信可能とするデータ伝送及び通信機構であってもよい。アラームサブシステム４００は、偏光及び消滅回路３１０に送信されるパラメータ（例えばバイアス電圧やアクティベーションゲート）をランダムに変更するために用いられる。一方で、図３では、電子駆動回路３００は処理ユニット１２３によって送信された設定パラメータ（効率値及び／又はアクティベーションタイミング）を、偏光及び消滅回路３１０に適した設定パラメータ値に変換するために用いられるが、図４では電子駆動回路３００は処理ユニット１２３によって送信された設定パラメータを変換しない。電子駆動回路３００は、これらのパラメータを変更することなくアラームサブシステム４００に送信する。アラームサブシステム４００は、偏光及び消滅回路３１０の設定のために選択されたこれらパラメータを、伝送線４１０を介して電子駆動回路３００から受信する。伝送線４１０は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどから構成されてもよい。アラームサブシステム４００は、バイアス電圧やアクティベーションゲート（振幅、発生タイミング又はゲートの幅）のパラメータを、電子駆動回路３００から受信したパラメータ値又はメモリの１つに記憶されているリストのその他のパラメータ値に応じて偏光及び消滅回路に送信する。アラームサブシステム４００は検出効率、アクティベーションタイミング又はその両方を同時に修正することが可能である。アラームサブシステム４００は、その乱数発生器の入力に基づいて、電子駆動回路３００から送信されたパラメータ値を変更するか否かをランダムに選択する（例えば、この用途のためにＰＣに備えられた疑似乱数発生器が用いられてもよい）。アラームサブシステム４００が電子駆動回路３００から受信したパラメータ値に応じた設定パラメータ値を送信する確率は、ユーザーによって期待されるパフォーマンスに応じて０から１で調整することができる。アラームサブシステム４００は、期待される各受信キュービットに対して個別に、又は受信キュービットのグループ毎に検出効率に作用することも可能である。アラームサブシステム４００が電子駆動回路３００から受信したパラメータ値に対応した設定パラメータ値を送信しない場合、１つ又はいくつかのパラメータ値のリストから他のパラメータ値を選択する。リストに１つ以上の数値が含まれる場合、構成部品（例えば、ＰＣの疑似乱数発生器）に含まれる乱数発生器の入力に基づいて、それらの異なるパラメータ値の中からランダムに選択する。パラメータが選択されると、アラームサブシステム４００によって偏光及び消滅回路３１０に対応する設定パラメータ値に変換される。選択確率は、リストの全てのパラメータに対して同じ又は異なるものであってもよい。この変換は、アラームサブシステム４００のメモリに記憶された変換テーブルを用いて行われてもよい。そして、アラームサブシステム４００は、設定パラメータ（例えばバイアス電圧やアクティベーションゲート）を、伝送線１２６を介して偏光及び消滅回路に送信する。

図８を参照として、伝送線４１０と１２６を伝播する信号が表示されたアラームサブシステム４００の動作が開示される。図８で示される実施例では、設定パラメータとしては効率のみが考慮され、パラメータ値としてはアクティベーションゲートの振幅のみが考慮される。各伝送線に２つの数値のうち一方しか伝送されない場合でも、各伝送線には効率及びゲートの関連する振幅の２つの数値が表される。アラームサブシステム４００は、検出器のアクティベーションタイミングに常に同じ効率値≡を電子駆動回路３００から受信する。単一光子検出器２００−１に適用される効率値を選択するための内部処理が行われた後、アラームサブシステム４００は伝送線１２６を介して修正されたアクティベーションゲート振幅を送信する。この実施例では、アラームサブシステムは異なる２つの効率値≡と≡′のどちらかを５０％の選択確率でランダムに選択する。図８で示されるように、アラームサブシステム４００によって送信されたアクティベーションゲートの振幅は、ランダムに選択される異なる２つの効率値に応じて２つの数値が考えられる。単一光子検出器２００−１は、図３で示されるのと同様に作動する。すなわち、単一光子検出器２００−１は伝送線１２７を介してアラームサブシステムになんらかの結果（単一光子検出器２００−１の検出時期）を送信する。これらの結果は、結果毎にアラームサブシステム４００から偏光及び消滅回路３１０に送信されるバイアス電圧、ゲート振幅、ゲートタイミング（発生タイミング及び幅）といった設定パラメータに対応する効率値及び／又はゲートアクティベーションパラメータと共に、伝送線４２０を介してアラームサブシステム４００から電子駆動回路３００へ送信される。伝送線４２０は、例えば電子信号を伝送するワイヤーやケーブルなどで形成されてもよい。次に、２００−１の結果と偏光及び消滅回路３１０に送信される対応する設定パラメータ値のデータは、電子駆動回路３００から処理ユニット１２３に送信され、盗聴者１５０による単一光子検出ユニット１２２に対する攻撃の可能性を検出するために、処理ユニット１２３によって処理される。単一光子検出器２００−１に対する攻撃を検出するための処理は、主に３つのステップから構成される。第１のステップでは、伝送線１２７を介して処理ユニット１２３が受信した数値は、アラームサブシステム４００によって送信された設定パラメータ値に応じてグループ化される。第２のステップでは、期待される設定パラメータ値毎の検出確率がデータから計算される。これは測定検出確率と呼ばれる。第３のステップでは、計算された検出効率値が期待される数値と比較される。この数値に不一致が見られると、アラームを誘発し盗聴者１５０によって攻撃が試みられたことを示す。測定検出確率値は統計的変数であるため、測定された数値が期待される数値の所定の間隔内である場合、測定値は期待される数値と一致すると認識される。盗聴者が装置のＳＰＤの完全な制御を得るために、ＱＣシステムの単一光子検出器に対して行われる攻撃を検出するために、アラームサブシステム４００は、単一光子検出器の効率値をランダムに変更する。これは、アクティベーションゲートのバイアス電圧及び／又は振幅を変えることで可能となる。受信者によって選択された測定基底に関する情報を盗聴者に入手可能にするために、ＱＣ装置の受信器に対して行われるトロイの木馬攻撃を検出するには、アラームサブシステム４００は単一光子検出器のアクティベーションタイミングをランダムに変更する。これは、アクティベーションゲートのタイミング（発生タイミング及び／又は幅）を変更することで、又は検出の受け入れ期間のタイミング（発生タイミング及び／又は幅）を変更することで可能となる。以下の記載では、「アクティベーションタイミング」とは検出器のアクティベーションタイミングを意味する。また、「アクティベーションゲートタイミング」とは、検出器に適用されるアクティベーションゲートのタイミングを意味する。また、「受け入れタイミング（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ｔｉｍｉｎｇ）」とは、検出の受け入れ期間のタイミングを意味する。上記３つの全てのタイミングは、発生時刻と幅によって定義される。タイミングを調整することは、考慮されるタイミングに関連する信号の発生時刻及び／又は幅を個々に調整することを意味する。自走モードで動作する検出器は、検出の受け入れが動作している期間のみアクティブであると考慮される。ゲートモードで動作する検出器は、アクティベーションゲートが適用され検出の受け入れが動作している期間のみアクティブであると考慮される。

図９を参照として、ＱＣ装置のＳＰＤに仕掛けられた攻撃に対する対処法における信号処理の第１の単純な実施例を示す。この単純な実施例では、ゲートモードで動作する単一光子検出器２００−１の効率値を、電子駆動回路３００から送信されるアクティベーションゲートを抑制することによって変える。この工程の間、ＡＰＤにかかるバイアス電圧は常に一定となる。これは、アラームサブシステム４００がη又は０のいずれかの効率値を選択することを意味する。図９では、電子駆動回路３００から送信された信号は電子駆動回路３００から送信されたアクティベーションゲートのタイミングに対応する。便宜上、この実施例では受け入れタイミングはアクティベーションタイミングに対応するとされる。従って、アクティベーションタイミングはアクティベーションゲートタイミングに相当する。アラームサブシステム４００は、このアクティベーションゲートを単一光子検出器２００−１に送信するか抑制するか選択する。この処理は、図９に示されるようなアラームサブシステム４００によって送信されるゲート信号につながる。アラームサブシステム４００は単一光子検出器２００−１から送信される検出信号を待機する。そして、アラームサブシステム４００は、効率情報と単一光子検出器２００−１から送信された検出信号を電子駆動回路３００に送信する。これら２つの信号は処理ユニット１２３によって処理される。処理ユニット１２３は次のようにアラーム信号を生成する。アラームサブシステム４００によってゲートが抑制された時に１つの検出があれば、アラーム信号はビット値１に設定される。実際、ＡＰＤはその時ガイガーモードで動作していないため、検出信号が生成される唯一の手段は、ＱＣの正常な実装では存在し得ない明るい光を送信することとなる。

図１０を参照として、トロイの木馬攻撃に対する対処法における信号処理の第２の単純な実施例を示す。この単純な実施例では、電子駆動回路３００から送信されるアクティベーションゲートの幅をランダムに変えることによって、ゲートモードで動作する単一光子検出器２００−１のアクティベーションゲートのタイミング値を変更する。受け入れタイミングはアクティベーションゲートタイミングに相当するため、この例でもアクティベーションタイミングは受け入れゲートタイミングに相当する。この工程の間、ＳＰＤの効率は常に一定となる。これは、アラームサブシステム４００がＴ₁とＴ₂の２つのゲート幅値のいずれかを選択することを意味する。アラームサブシステム４００は、選択した幅Ｔ₁又はＴ₂と共にアクティベーションゲートを単一光子検出器２００−１に送信する。アラームサブシステム４００から送信されるゲート信号の振幅は、どのゲートでも一定となる。この処理は、図１０に示されるようなアラームサブシステム４００によって送信されるゲート信号につながる。図１０で示されるように、幅Ｔ₂は位相変調器に送信されるゲートの幅よりも大きいとされる。位相変調器が動作していて、ＳＰＤがアクティベーションゲート幅Ｔ₂でアクティブ化している時に明るいパルスが送信されると、明るい光パルスはＳＰＤがアクティブな時に到着する。従って、明るい光パルスはＳＰＤで検出される。次に、アラームサブシステム４００は単一光子検出器２００−１から送信される検出信号を待機する。そして、アラームサブシステム４００はゲート信号幅の情報と単一光子検出器２００−１から送られた検出信号を電子駆動回路３００に送信する。それら２つの信号は処理ユニット１２３によって処理される。処理ユニット１２３は次のようにアラーム信号を生成する。有意なデータが取得できたら（例えば、検出１００万回）、処理ユニット１２３はアラームサブシステム４００で用いられる幅値に応じて検出を分類する。処理ユニット１２３は、異なる幅値の検出確率を計算する。検出確率は、検出数とアクティベーションゲート数の比率に相当する。アクティベーションゲート幅がＴ₂の時にトロイの木馬攻撃が行われると、その都度ＳＰＤによって検出される。このように、（幅Ｔ₁とＴ₂の）２つの検出確率値が所定のしきい値よりも大きい値で異なれば、処理ユニット１２３はアラーム信号を生成する。攻撃検出工程のさらなる詳細は、方法７００の説明にて明らかになる。

次に図５を参照として、波長変換処理２００−２を有するＡＰＤをベースとした単一光子検出器が単一光子検出器２００として用いられた場合の、本発明の単一光子検出器２００及び処理ユニット１２３の一実施例では、アラームサブシステム４００は単一光子検出器２００−２と電子駆動回路３００の間に配置される。波長変換処理２００−１を有するＡＰＤをベースとした単一光子検出器（詳細は、参照として本件に取り入れられるＡ．Ｐ.ＶａｎＤｅｖｅｎｄｅｒとＰ．Ｇ．ＫｗｉａｔによるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ 第５１巻、第１４３３〜１４４５頁、（２００４）を参照）は、エスコート光子（ｅｓｃｏｒｔ ｐｈｏｔｏｎ）を生成するためのポンプレーザー５１０と、基底設定サブシステム１２１から受信する光子を異なる波長の光子に変換するための非線形媒質５２０と、非線形媒質５２０で生成された光子を検出するためのＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１とから構成される。便宜上、以下の記載では、基底設定サブシステム１２１から受信する光子は近赤外光子と呼び、非線形媒質５２０で生成された光子は可視光子と呼ぶ。

再び図１を参照として、伝送線１２６は処理ユニット１２３が単一光子検出ユニット１２２に入力を送信するための伝送線として定義される。波長変換処理２００−２を有するＡＰＤをベースとした単一光子検出器の場合、ポンプレーザー５１０、非線形媒質５２０及びＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１の３つのユニットは、処理ユニット１２３からの入力を必要とする。このため、表記の一貫性を保つために、伝送線１２６は１２６−１、１２６−２、１２６−３の３つの伝送線に分けられる。ポンプレーザー５１０は、伝送線１２６−１を介してアラームサブシステム４００に接続される。伝送線１２６−１は、アラームサブシステム４００がポンプレーザー５１０の光出力を調整するために用いられる。伝送線１２６−１は、例えば電子信号を伝送するワイヤー又はケーブルから構成されてもよい。ポンプレーザー５１０は、光リンク５３０に接続される。光リンク５３０によって、ポンプレーザー５１０から放出されたエスコート光子が非線形媒質５２０に送られる。光リンク５３０は、例えば光ファイバーから構成されてもよい。非線形媒質５２０は、光リンク５３０と光接続１２４に接続される。ポンプレーザー５１０から放出されるエスコート光子と、基底設定サブシステム１２１から放出される近赤外光子は、光リンク５４０を介して送信される可視光子を生成するために混合される。光リンク５４０は、例えば光ファイバーから構成されてもよい。非線形媒質５２０は、伝送線１２６−２を介してアラームサブシステム４００に接続される。伝送線１２６−２は、アラームサブシステム４００が（例えば、非線形媒質５２０の温度を変えることによって）非線形媒質５２０の位相整合条件を調整するために用いられる。伝送線１２６−２は、例えば、電子信号を伝送するワイヤー又はケーブルで構成されてもよい。ＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１は光リンク５４０に接続され、非線形媒質５２０において生成された可視光子を検出するために用いられる。単一光子検出器２００−１は自走モード又はゲートモードのいずれでも作動可能である。単一光子検出器２００−１とアラームサブシステム４００の間には伝送線１２６−３及び１２７が備えられる。伝送線１２６−３は、ＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１が必要とする設定パラメータを、アラームサブシステム４００が送信するために用いられる。伝送線１２６−３は、図４における伝送線１２６と同一である。検出器２００−２の効率を変えるために、アラームサブシステム４００には、ポンプレーザー５１０の光パワーを変える、非線形媒質５２０の位相整合条件を変える又はＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１の効率を変えるという３つの選択肢がある。単一光子検出器２００−１がゲートモードで動作する場合、アラームサブシステム４００によってＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１の振幅又はアクティベーションゲートのタイミングを変えることができる。

図５で開示されるように、波長変換処理２００−２を有する単一光子検出器の設定のためのパラメータ（効率及び／又はアクティベーションタイミング）を、伝送線４１０を介して受信する。次に、アラームサブシステム４００は受信した効率及び／又はアクティベーションタイミングの値を、ポンプレーザー５１０のための１つの出力設定パラメータ値、非線形媒質５２０のための１つの位相整合条件設定パラメータ値、そしてＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１のための設定パラメータ値（例えば、バイアス電圧とアクティベーションゲート振幅及びタイミング）に変換する。これらの設定パラメータ値と効率及び／又はアクティベーションタイミング値の関係は、アラームサブシステム４００のメモリにおける変換テーブルに記憶することもできる。図５で開示されるように、アラームサブシステム４００は、電子駆動回路３００から受信したパラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）に対応する設定パラメータ値、又はメモリに記憶されたリストのその他のパラメータ値に対応する設定パラメータ値のどちらを単一光子検出器２００−２に送信するかランダムに選択する。アラームサブシステム４００のメモリには、ポンプレーザー５１０、非線形媒質５２０及びＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１の、単一光子検出器２００−２の異なるパラメータ値に対する設定を提供する変換テーブルが存在する。アラームサブシステム４００による、波長変換処理２００−２を有する単一光子検出器の設定に用いるパラメータ値の選択は、乱数発生器によって行われる。乱数発生器（ＰＣによって提供される疑似乱数発生器であってもよい）はアラームサブシステム４００に含まれてなる。ＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１は、伝送線１２７を介してアラームサブシステム４００に記録された事象、すなわち単一光子の検出時刻を送信する。これらの結果は、結果毎にアラームサブシステム４００から単一光子検出器２００−２に送信された設定パラメータ値（ポンプレーザー出力、位相整合条件及びバイアス電圧）に対応するパラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）と共に、伝送線４２０を介して電子駆動回路３００に送信される。このデータ（２００−１の結果及び対応するパラメータ値）は、電子駆動回路３００から処理ユニット１２３に送信され、盗聴者１５０による単一光子検出ユニット１２２に対する攻撃の可能性を検出するために、処理ユニット１２３によって処理される。攻撃検出工程についての詳細は、方法７００に関する説明で明らかとなる。

図６を参照として、単一光子検出器２００として超電導体をベースとした単一光子検出器２００−３（詳細は、Ａ．Ｊ．Ｐｅａｒｌｍａｎによる論文「量子通信のための超高速ＮｂＮ単一光子検出器」又はＤ．Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ、Ａ．Ｅ．Ｌｉｔａ、Ａ．Ｊ．ＭｉｌｌｅｒとＳ．Ｗ．ＮａｍによるＰｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ 第７１巻（２００５）に記載の論文を参照）を用いた場合の、本発明による単一光子検出器２００と処理ユニット１２３の一実施例において、単一光子検出器２００−３と電子駆動回路３００の間にアラームサブシステム４００が挿入されてなる。超電導体をベースとした単一光子検出器２００−３は、超電導センサー６２０を適切な動作状態（温度及び電流の設定）に設定するために用いられる偏波回路（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ）６１０と、基底設定サブシステム１２１から送られる光子を検出するための超電導センサー６２０と、超電導センサー６２０からの出力信号を分別し、アラームサブシステム４００で認識される電気信号に整形するための分別及び整形回路６３０とから構成される。偏波回路６１０は、いくつかの電気部品が基板に取り付けられて構成されてもよい。また、偏波回路６１０は、伝送線１２６を介してアラームサブシステム４００に接続されてなる。伝送線１２６は、アラームサブシステム４００が偏波回路６１０の設定パラメータ（例えば、超電導センサー６２０を伝播する電流値など）を変えるために用いられる。偏波回路６１０は伝送線６４０に接続される。伝送線６４０によって、偏波回路６１０は超導電センサー６２０を適切な動作状態に設定することが可能となる。伝送線６４０は、例えば電子信号を伝送するワイヤー又はケーブルで構成されてもよい。超電導センサー６２０は、伝送線６５０及び光接続１２４に接続される。超電導センサー６２０の結果は、伝送線６５０を通過して分別及び整形回路６３０に送信される。伝送線６５０は、例えば電子信号を伝送するワイヤー又はケーブルで構成されてもよい。分別及び整形回路６３０は、例えば、電気パルスの分別器及び論理電気信号の変換器から構成されてもよい。分別及び整形回路６３０は、伝送線６５０及び１２７に接続される。分別及び整形回路６３０の出力信号は、伝送線１２７を介してアラームサブシステム４００に送信される。

図６に開示されるように、アラームサブシステム４００は、超電導体をベースとした単一光子検出器２００−３の設定のためのパラメータ（効率及び／又はアクティベーションタイミング）を、伝送線４１０を介して受信する。そして、アラームサブシステム４００は受信した効率及び／又はアクティベーションタイミングの値を、電流及び温度の設定パラメータ値に変換する。これら設定パラメータ値と効率及び／又はアクティベーションタイミングの値との関係性は、アラームサブシステム４００のメモリの変換テーブルに記憶されてもよい。図６で示されるように、アラームサブシステム４００は、電子駆動回路３００から受信したパラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）に対応する設定パラメータ値（電流及び温度）、又は単一光子検出器２００−３のメモリに記憶されたリストのその他のパラメータ値に対応する設定パラメータ値（電流及び温度）のどちらを送信するかランダムに選択することができる。この選択は、構成部品の１つである乱数発生器によって行われる（例えば、ＰＣに備わる疑似乱数発生器であってもよい）。そして、アラームサブシステム４００は、単一光子検出器２００−３の結果を、単一光子検出器２００−３の設定に用いられる結果毎のパラメータ値と共に、伝送線４２０を介して電子駆動回路３００に送信する。このデータは、盗聴者１５０による単一光子検出ユニット１２２に対する攻撃の可能性を検出するために、処理ユニット１２３によって処理される。攻撃検出工程７００の詳細は、以下に記載される。

次に図７を参照として、単一光子検出器の制御を得ようと試みる攻撃を検出するための方法７００は、以下のステップから構成される。以下の説明では、方法７００の仕組みを説明する上で、ＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１が考慮される。もちろん、方法７００はＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１の使用に限定されるものではない。方法７００は、本出願で示されるその他の単一光子検出技術やその均等物（例えば、波長変換処理２００−２を有するＡＰＤをベースとした単一光子検出器や超電導体をベースとした単一光子検出器２００−３）においても同様に働く。
− 第１のステップ７１０において、処理ユニット１２３は送信システム１２０全体のパラメータ値を決定する。例えば、いくつかのパラメータ値は工場におけるキャリブレーション時に決定されている。これらの数値は処理ユニット１２３のメモリに記憶される。量子暗号装置１００の使用状態によって、これらパラメータの数値は変わることもある。これらパラメータ値の中から、検出器の効率及び／又は、単一光子検出器２００−１がゲートモードで動作していれば単一光子検出器２００−１のアクティベーションタイミング（アクティベーション時刻及び／又は幅）を定義する。単一光子検出器２００−１を設定するためのパラメータは処理ユニット１２３によって電子駆動回路３００に送信される。
− 第２のステップ７２０において、電子駆動回路３００は処理ユニット１２３から受信したこれらのパラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）をアラームサブシステム４００に送信する。
− 第３のステップ７３０において、アラームサブシステム４００は、少なくとも１つのパラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）に対して、電子駆動回路３００から受信した数値とメモリに記憶された（少なくとも１つの）他の数値のどちらかをランダムに選択する。アラームサブシステムは、これらパラメータ値に対して、受信する各キュービットに対し個別に、又は受信するキュービットのグループ毎に作用してもよい。アラームサブシステム４００は、単一光子検出器（２００−１、２００−２又は２００−３）に送信する対応する設定パラメータ値を決定するために、これらパラメータを処理する。処理は、格納された変換テーブルを用いて行われる。
− 第４のステップ７４０において、アラームサブシステム４００は、選択されたパラメータ値に対応する設定パラメータ値を単一光子検出器（２００−１，２００−２又は２００−３）に送信する。受信機１２０が、自走モードで動作するＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１と連携する場合、アラームサブシステム４００から送信される信号はＡＰＤに印加されるバイアス電圧となる。受信機１２０が、ゲートモードで動作するＡＰＤをベースとした単一光子検出器２００−１と連携する場合、アラームサブシステム４００から送信される設定パラメータ値はＡＰＤ３２０に印加されるバイアス電圧と、アクティベーションゲートが適用された時刻と、アクティベーションゲートの振幅及び幅となる。
− 第５のステップ７５０において、単一光子検出器２００は、アラームサブシステム４００から送信された一連の設定パラメータ値によって定義される効率及び／又はアクティベーションタイミングを有する。単一光子検出器２００は、送信ステーション１１０から送信される期待される単一光子を待機する。
− 第６のステップ７６０において、単一光子検出器２００から電気信号を受信したら、アラームサブシステム４００は検出時刻と検出した時刻における設定パラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）を電子駆動回路３００に送信する。単一光子検出器２００によって期待される単一光子が検出されなかった場合、アラームサブシステム４００は期待される検出時刻における設定パラメータ値（効率及び／又はアクティベーションタイミング）を電子駆動回路３００に送信する。このように、単一光子検出器２００によって光子が検出されなかった場合でも、送信ステーション１１０から送信された各光子に対して設定パラメータ値が送信される。
− 第７のステップ７７０において、アラームサブシステム４００によって送信されたデータが電子駆動回路３００によって処理される。電子駆動回路３００は、処理ユニット１２３のバッファーに検出時刻及び単一光子検出器２００の対応する効率を記憶する。検出時における単一光子検出器２００の効率は、固有効率（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及び／又はアクティベーションゲートの状態に左右される。例えば、検出時に固有効率が１０％に設定されているがアクティベーションゲートがオフ状態であれば、検出器の効率は０％となる。この場合、もし検出されたら、何者かが単一光子検出器２００−１の制御を得たことを意味する。上記バッファーに加えて、電子駆動回路３００はいくつかのカウンタを管理する。カウンタは、それぞれ単一光子検出器の効率値に接続される。単一光子検出器が一定の効率値に設定された際に送信ステーション１１０から光子が到着すべきとき、電子駆動回路３００はこの効率に関連するカウンタを毎回インクリメントする。処理ユニット１２３のバッファーが満杯でなければ、システムはステップ７２０に戻る。バッファーが満杯であれば、システムはステップ７８０に進む。
− 第８のステップ７８０において、処理ユニット１２３はバッファーに記憶されたデータを効率値及び／又はアクティベーションタイミング値に応じてソートし、各効率値及び／又はアクティベーションタイミング値に対して測定された検出確率を算出する。測定された検出確率は、検出器が所定の効率及び／又はアクティベーションタイミングに設定された時の検出数と、検出器が所定の効率及び／又はアクティベーションタイミングに設定された時に光子が単一光子検出ユニット１２２に到着すべき回数の比率として定義される（この数字は、考慮される効率及び／又は考慮されるアクティベーションタイミングに関連するカウンタに等しい）。
− 第９のステップ７９０において、処理ユニット１２３は、異なる効率値及び／又はアクティベーションタイミング値の測定された検出確率値が、算出された数値と一致するかチェックする。測定された検出確率値と算出された数値が一致しない場合、処理ユニット１２３はアラームを誘発し秘密鍵の交換を中止する。一致した場合、量子暗号送信機１２０はステップ７１０に戻る。

一般的に、量子暗号装置１００の受信サブシステム１２０のみが、少なくとも１つの単一光子検出器１２２を備えることを留意されたい。量子暗号装置１００の送信機１１０は、通常では単一光子検出器を必要としない。しかし、送信機１１０もまた量子チャネルを介した明るい光の注入による能動的攻撃（例えば、送信者から送られたキュービット値を盗聴者に入手可能とするトロイの木馬攻撃）の影響を受ける。単一光子検出器１２２が送信ステーション１１０に備わってなる場合、量子暗号装置の送信機に対して行われる能動的攻撃を検出するために、本願に記載の装置及び方法が適用可能である。

さらに、このシステムは本願に記載されたものと同等の機能を有する全ての商品、サービス及び情報の使用、販売及び／又は流通を想定したものである。

説明及び図面は、限定するものではなく例示するものとして考慮されるべきであり、本願で説明される全ての改良案は本発明の範囲に包含されるものである。従って、本発明の範囲は、上記で説明された実施例ではなく、添付の請求項（本願添付の請求項、後に補正又は追加される請求項及びそれらに法的に相当するもの）によって判断されるべきである。全ての方法又は工程の請求項に記載されるステップは、明確に記載されている場合を除き、どの順番で行われてもよく、請求項で提示される特定の順番に限定されるものではない。さらに、装置の請求項で記載される構成要素及び／又は構成部品は、本発明と実質的に同等の結果を産出するような様々な置換で組み立て又は機能的に設定されることが可能である。総じて言えば、本発明は請求項に記載の特定の構成のみに限定すべきものではない。

本願に記載される便益、その他の利点及び解決法は、請求項の重大、必須又は不可欠な特性又は部品であると解釈されるべきではない。

本願で使用される「構成される」、「なる」又はそれらを活用した用語は、包括的な構成要素を列挙するために用いられ、構成要素が列挙された本発明のいかなる装置、工程、方法、部品又は構成は、記載された構成要素のみではなく、本願明細書に記載のその他の構成要素を含んで構成されてもよい。明示的に記載されている場合を除いて、「含む」、「含んでなる」又は「主に〜含む」といった用語の使用は、本発明の範囲をその後に列挙された構成要素に限定するためのものではない。本発明の実施に使用される上記の構成要素、材料又は構造のその他の組み合わせ及び／又は改良は、当業者によって本発明の原理から逸脱することなくその他の設計に変更又は適応されてもよい。

上記された特許又は記事は、特に記載されている場合を除いて、本願の開示と矛盾するものでない限り、参照することにより本件に取り入れられる。

本発明のその他の特徴及び実施モードは、添付の請求項に記載される。

また、本願は明細書、特許請求の範囲及び／又は図面に記載される全ての特徴の、新規、進歩的且つ産業上の利用が可能と判断される可能な全ての組み合わせを包含する。

著作権は本出願人又はその譲受人が所有し、１つ又は複数の請求項に規定される権利の第三者へのライセンスに関しては、本願では請求項に規定される発明の利用について黙示的なライセンスを許可していない。さらに、公衆又は第三者に対して、本願の付属書を含む明細書に基づいた二次的創作物及びいかなるコンピュータープログラムの作成に関する明示的又は黙示的なライセンスを認めていない。

本願で記載された発明の実施例において、様々な変更及び改良が可能である。本願では発明の特定の例示的な実施例が提示及び説明されたが、前述の開示において幅広い変更、改良及び置換もまた考慮される。上記説明には多くの具体的な詳細が挙げられるが、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、むしろ１つ又はその他の好適な実施例を例示するものとして考慮されたい。場合によっては、本発明のある特徴は、対応する他の特徴を用いることなく使用されてもよい。このように、前述の説明は幅広く解釈され、単なる例示として理解されるものであり、本発明の精神及び範囲は本願について最終的に発行される請求項によってのみ限定される。

Claims (60)

1. 受信ステーションと、送信ステーションと、少なくとも１つの量子チャネルと、少なくとも１つの単一光子検出器を備えたサブシステムとを有する量子暗号装置であって、
   上記サブシステムに上記量子チャネルを介して光を送信して行われる能動的攻撃を検出するために、上記サブシステムは上記少なくとも１つの単一光子検出器の少なくとも１つの設定パラメータにおけるランダムな変化の入力を処理し、設定パラメータの測定される検出確率値と期待される検出確率値を比較するように構成され、さらに上記サブシステムは上記攻撃によって誘発されるアラームサブシステムからなることを特徴とする量子暗号装置。
2. さらなる通信チャネルから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記単一光子検出器の上記設定パラメータは、送信される各キュービットに対して上記アラームサブシステムによって個別に設定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 上記単一光子検出器の上記設定パラメータは、送信されるキュービットのグループ毎に上記アラームサブシステムによって設定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 上記アラームサブシステムによって設定された上記量子暗号装置のサブシステムにおける上記単一光子検出器の上記設定パラメータは、検出効率であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 上記アラームサブシステムは、検出効率を少なくとも異なる２つの数値に設定するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 上記アラームサブシステムは、上記検出効率の数値の一方を０に設定することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 上記アラームサブシステムは、上記受信サブシステムの効率の各設定に対応する少なくとも１つのキュービット検出確率が所定の間隔に生じない場合、上記量子暗号システムの処理ユニットに送信されるアラーム信号を発生することを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 上記アラームサブシステムは、上記受信サブシステムの効率パラメータが０に設定されているときに少なくとも１つの検出が記録された場合、上記量子暗号システムの処理ユニットに送信されるアラーム信号を発生することを特徴とする請求項５に記載の装置。
10. 上記量子暗号システムの受信サブシステムは、ガイガーモードで動作する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードをベースとした単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 上記アバランシェフォトダイオードは自走モードで動作することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 上記アラームサブシステムは、自走モードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに印加されるバイアス電圧に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 上記アバランシェフォトダイオードはゲートモードで動作することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 上記アラームサブシステムは、ゲートモードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに印加されるバイアス電圧に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 上記アラームサブシステムは、ゲートモードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに適用されるアクティベーション信号の振幅に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 上記量子暗号システムの上記サブシステムは、受信キュービットのエネルギーアップコンバージョンをベースとした少なくとも１つの単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器のポンプパワー（ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ）に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の位相整合条件に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる単一光子検出器は、自走モードで動作することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
20. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる上記単一光子検出器のバイアス電圧に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる単一光子検出器は、ゲートモードで動作することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
22. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる上記単一光子検出器のバイアス電圧に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる上記単一光子検出器に適用されるアクティベーションの振幅に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
24. 上記量子暗号システムの上記受信サブシステムは、少なくとも１つの超電導単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
25. 上記アラームサブシステムは、超電導単一光子検出器の分極電流（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 上記アラームサブシステムは、超電導単一光子検出器の作動温度に作用する手段から構成されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
27. 上記アラームサブシステムによって設定される量子暗号装置のサブシステムの設定パラメータは、単一光子検出器のアクティベーションタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
28. 上記アラームサブシステムは、上記アクティベーションタイミングを少なくとも２つの異なる数値に設定可能であることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 上記アラームサブシステムは、上記受信サブシステムのアクティベーションタイミングの各設定に対応する少なくとも１つのキュービット検出確率が所定の間隔と一致しなかった場合、上記量子暗号システムの処理ユニットに送信されるアラーム信号を発生することを特徴とする請求項２７に記載の装置。
30. 上記量子暗号システムの上記サブシステムは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードをベースとした少なくとも１つの単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
31. 上記アバランシェフォトダイオードは自走モードで動作することを特徴とする請求項３０に記載の装置。
32. 上記アラームサブシステムは、自走モードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに適用される受け入れタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
33. 上記アバランシェフォトダイオードはゲートモードで動作することを特徴とする請求項３０に記載の装置。
34. 上記アラームサブシステムは、ゲートモードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに適用されるアクティベーションゲートのアクティベーションゲートタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
35. 上記アラームサブシステムは、ゲートモードで動作する上記アバランシェフォトダイオードに適用される受け入れタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
36. 上記量子暗号装置の上記サブシステムは、受信光子のエネルギーアップコンバージョンをベースとした少なくとも１つの単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
37. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の受け入れタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
38. 上記アラームサブシステムは、エネルギーアップコンバージョンをベースとした単一光子検出器の出力段階で用いられる単一光子検出器に適用されるアクティベーションゲートのアクティベーションゲートタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
39. 上記量子暗号システムの上記受信サブシステムは、少なくとも１つの超電導単一光子検出器から構成されることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
40. 上記アラームサブシステムは、超電導単一光子検出器の受け入れタイミングに作用する手段から構成されることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
41. 敵対者による量子暗号システムに対する能動的攻撃を検出するための方法であって、
    ‐上記量子暗号装置のサブシステムにおける単一光子検出器において、いくつかの受信キュービットに対する設定パラメータを変更するステップ、
    ‐複数の検出事象を収集するステップ、
    ‐特定の事象それぞれに適用される設定パラメータの数値に応じて検出事象を分類するステップ、
    ‐設定パラメータの数値に対する検出確率を計算するステップ、及び
    ‐少なくとも１つの上記確率が所定の間隔と一致しなかった場合、アラーム信号を発生するステップ
    から構成される方法。
42. 上記量子暗号装置のサブシステムにおける上記単一光子検出器の設定パラメータは、受信する各キュービットに対して個別に設定されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
43. 上記量子暗号装置のサブシステムにおける上記単一光子検出器の設定パレメータは、受信するキュービットのグループ毎に設定されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
44. 変更される上記設定パラメータは、上記量子暗号装置のサブシステムにおける少なくとも１つの単一光子検出器の検出効率であることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
45. 上記検出効率は、少なくとも２つの異なる数値に設定されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
46. 上記検出効率の上記数値の一方は０に相当することを特徴とする請求項４５に記載の装置。
47. 上記受信サブシステムの効率の各設定に対応する少なくとも１つのキュービット検出確率が所定の間隔と一致しなかった場合、アラームが誘発されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
48. 上記検出効率が０に設定されているときに上記量子暗号装置のサブシステムに少なくとも１つの検出が記録された場合、アラームが誘発されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
49. 変更される上記設定パラメータは、上記量子暗号装置のサブシステムにおける少なくとも１つの単一光子検出器のアクティベーションタイミングであることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
50. 上記アクティベーションタイミングは、少なくとも２つの異なる数値に設定されることを特徴とする請求項４９に記載の方法。
51. 敵対者によるアラームサブシステムを有するＱＣ装置の単一光子検出器に対する能動的攻撃を検出するための方法であって、
    ａ）アラームサブシステムから単一光子検出器に送信される設定パラメータ値をランダムに選択するステップ、
    ｂ）アラームサブシステムから送信された設定パラメータ値に応じて、伝送線を介して処理ユニットから受信した数値を分類するステップ、
    ｃ）それぞれの可能な設定パラメータ値の検出確率をデータから算出するステップ、及び
    ｄ）算出した検出効率値を期待される数値と比較し、これらの数値が一致しない場合、盗聴者による攻撃の可能性を示すアラームを誘発するステップ
    から構成される方法。
52. 上記アラームサブシステムは、上記量子暗号装置サブシステムにおける上記単一光子検出器のための上記設定パラメータを、受信する各キュービットに対して個別に選択することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
53. 上記アラームサブシステムは、上記量子暗号装置サブシステムにおける上記単一光子検出器のための上記設定パラメータを、受信するキュービットのグループ毎に選択することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
54. 上記アラームサブシステムは、上記量子暗号装置サブシステムにおける単一光子検出器のうち少なくとも１つの検出効率を変更することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
55. 上記検出効率は、少なくとも２つの異なる数値に設定されることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
56. 上記検出効率の数値のうち１つは０に等しいことを特徴とする請求項５５に記載の方法。
57. 上記受信サブシステムの効率の各設定に対応するキュービット検出効率の少なくとも１つが所定の間隔と一致しなかった場合、アラームが誘発されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
58. 上記検出効率が０に設定されている時に、上記量子暗号装置サブシステムで少なくとも１つの検出が記録された場合、アラームが誘発されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
59. 上記アラームサブシステムは、上記量子暗号装置サブシステムにおける単一光子検出器の少なくとも１つのアクティベーションタイミングを変更することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
60. 上記アクティベーションタイミングは少なくとも２つの異なる数値に設定されることを特徴とする請求項５９に記載の方法。

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