JP5871142B2 - 暗号鍵共有システムにおける通信装置および暗号鍵生成方法 - Google Patents

暗号鍵共有システムにおける通信装置および暗号鍵生成方法 Download PDF

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Description

本発明は、量子鍵配送技術等の一旦共有した乱数情報を元に暗号鍵を生成するシステムに係り、特にその通信装置および暗号鍵生成方法に関する。
急激な成長を続け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おり、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。現在一般的に用いられている暗号方式は、DES(Data Encryption Standard)やTriple DESといった秘密鍵暗号と、RSA(Rivest Shamir Adleman)や楕円曲線暗号の様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、量子鍵配送システム(ＱＫＤ)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。
ＱＫＤで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者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者は伝送路における盗聴者を検出することができる。
光子の位相を利用した量子鍵配送の場合、送信側の通信機と受信側の通信機(以下、それぞれ「Ａｌｉｃｅ」と「Ｂｏｂ」と称する。)で光学干渉計を組織し、各々の光子にＡｌｉｃｅ及びＢｏｂ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または１の出力を得、その後、出力データを測定したときの条件の一部分をＡｌｉｃｅとＢｏｂで照合することによって最終的にＡｌｉｃｅ−Ｂｏｂ間で同一ビット列を共有することができる。以下、図１を参照して、一般的な量子暗号鍵生成の流れを簡単に説明する。
図１において、Ａｌｉｃｅ側で生成された乱数は量子鍵配送(単一光子伝送)によってＢｏｂへ伝送されるが、伝送路において大部分の情報量が失われる。この段階でＡｌｉｃｅとＢｏｂで共有されている乱数列を生鍵(Raw Key)と呼ぶ（生鍵共有Ｓ１）。続いて、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間で基底照合により基底の合致しないビットを破棄し（シーケンスＳ１．５）、これにより半減した共有乱数列をシフト鍵(Sifted Key)と呼ぶ（シフト鍵共有Ｓ２）。
この後、量子鍵配付段階で混入した誤りを訂正する誤り訂正(Error Correction)過程と、誤り訂正後に訂正しきれずに残存する誤りを見つけ出す残留誤り検知過程と、盗聴者に漏れていると想定され得る情報量を篩い落とす秘匿増強(Privacy Amplification)を経て（シーケンスＳ２．５）、残りが実際に暗号鍵として使用される最終鍵となる（最終鍵共有Ｓ３）。この様に生成された最終鍵は、暗号通信の暗号鍵としての用途のみでなく、送受信者が行った通信が改竄されていないことを確認する為のメッセージ認証にも使用される。
ここで、秘匿増強処理に入力する鍵情報に誤りが含まれていると、秘匿増強処理で誤りが増幅される。非特許文献１に開示されている様に、一般的なｍ×ｎサイズのToeplitz行列を用いて秘匿増強処理を行う場合には誤り率はｍ／２倍、特許文献１に開示されている様な秘匿増強方法を用いた場合には誤り率は（ｎ−ｍ）ｍ／２ｎ倍となる。非特許文献２に開示されている様に、漏洩情報量を推測する際の統計揺らぎの影響を考慮に入れると、秘匿増強処理を行う際の行列サイズｎビットは１００ｋｂｉｔ以上と大きくすることが望ましい為、上記のいずれの秘匿増強方法を用いた場合にも、秘匿増強処理後の誤り率は処理前の数万倍になる。そこで、誤り訂正および残留誤り検知処理によって、秘匿増強処理に入力する時点での鍵情報の誤り率を十分小さくする必要がある。
＜誤り訂正および残留誤り検知処理＞
誤り訂正処理としては、たとえば非特許文献３に示されたような方法がある。この方法では、ＡｌｉｃｅとＢｏｂにおいて鍵情報を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関してハミング符号等を適用して誤り訂正を行う。加えて、１つのブロック内に偶数個の誤りを含む場合を想定し、秘密ビット列をランダムに並び替えて再度パリティ照合並びに誤り訂正を行う。
図２はパリティ計算回数Ｖ＝４の場合の残留誤り検知処理の一例を示す。残留誤り検知処理では、鍵情報の約半数のビットをランダムに選びだし、ＡｌｉｃｅとＢｏｂ間でそのパリティを照合する。パリティが一致しなければ上記誤り訂正処理を再実行する。図２の様にパリティチェックを４回繰り返せば、共有鍵の誤り率は１/２４以下となる。但し、パリティチェックを行うことによって、暗号鍵の情報が漏洩することになる為、パリティチェックを行った回数分（Ｖ）のビットを破棄する必要がある。図２の例では、２４ビットの鍵情報に対してＶ＝４回のパリティチェックを繰り返している為、４ビットの鍵を破棄して２０ビットの鍵情報が残ることになる。従って、低い誤り率を確保する為にパリティチェック回数を多くすると、破棄されるビットが多くなり、最終鍵の生成速度を劣化させることになる。
＜最終鍵＞
図１に戻って、上述したＱＫＤにより共有された暗号鍵は、様々な用途に使用される。最も代表的な用途は共通暗号通信の暗号化及び復号である（暗号通信Ｓ４）。その中でもワンタイムパッド（One-Time-Pad）で暗号鍵を１回限りで使い捨てる使用法もあれば、ＡＥＳ(Advanced Encryption Standard)の暗号鍵を定期的に更新する使用法もある。
さらに、ＱＫＤで暗号鍵を共有する過程においてＡｌｉｃｅとＢｏｂが行う通信（Ｓ１．５、Ｓ２．５）は、その内容が改竄されてしまうと暗号鍵の安全性が確保できなくなる為、メッセージ認証を行う必要があるが、このメッセージ認証にも暗号鍵が使われる（メッセージ認証Ｓ５）。
非特許文献４に開示されている認証方法は情報理論的な安全性を確保出来る方法であり、使用例を図３に示す。図３において、暗号鍵を使用した行列演算等でメッセージを順次短くしていきハッシュ値を計算する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂが計算したハッシュ値が異なれば、通信内容が改竄されている可能性があると判断し、該当ハッシュ値を計算する際に対象とした通信内容に対応する暗号鍵は破棄する。
特開２００７−０８６１７０号公報
A. Tanaka, W. Maeda, S. Takahashi, A. Tajima, and A. Tomita, "Ensuring Quality of Shared Key through Quantum Key Distribution for Practical Application," IEEE J. of Sel. Top. Quant. Elec., vol. 15, no. 6, pp. 1622-1629 (2009). J. Hasegawa, M. Hayashi, T. Hiroshima, A. Tanaka, and A. Tomita, "Experimental Decoy State Quantum Key Distribution with Unconditional Security Incorporating Finite Statistics," eprint arXiv: 0705.3081 (2007). "Secret-key Reconciliation by Public Discussion" G. Brassard and L. Salvail, in Advances in Cryptology - EUROCRYPT’93 Proceedings, Lecture Notes in Computer Science, Vol.765, p410-423 M. N. Wegman and J. L. Carter, "New Hash Functions and Their Use in Authentication and Set Equality," J. Comput. System Sci. 22, 265 (1981).
上述したように、共有した暗号鍵の用途は様々であり、用途によって要求される誤り率が異なる場合がある。すなわち、One-Time-Padに使用する場合には、最終暗号鍵の誤り率≒暗号通信の誤り率となる為、暗号通信システムに誤り訂正符号が実装されている場合、最終暗号鍵の誤り率は比較的高くても許容される。例えば、BCH(3860, 3824)符号とBCH(2040, 1930)符号を連接した誤り訂正符号では、３.３×１０−３の誤り率を１.０×１０−１２以下に訂正出来る為、最終暗号鍵の誤り率も最大３.３×１０−３程度までは許容される。一方、認証用途に暗号鍵を使用する場合には、暗号鍵に１ビットでも誤りが存在するとハッシュ値が大きく異なり、ハッシュ値計算時の対象メッセージに対応する暗号鍵が破棄されてしまい暗号鍵生成速度が劣化する為、十分に低い誤り率が要求される。
図３を使用して具体例を挙げる。s=１２８ビット、N=３２とすると、一度のハッシュ値計算で対象とするメッセージビットａは５１２Ｇビット、ハッシュ値計算に必要となる暗号鍵は１６ｋビットとなる。１０００回に１回の認証エラーを許容する場合、暗号鍵の誤り率は６.１×１０−８以下である必要がある。上記何れの場合も、秘匿増強処理によって暗号鍵の誤りは増大する為、秘匿増強入力時の暗号鍵の誤り率はさらに低い値であることが求められる。しかしながら、両ケースに要求される誤り率の比は一定であり、後者の例の方が１.８×１０−５程度低い誤り率が求められ、誤り訂正処理及び残留誤り検知処理において、より少ない暗号鍵しか得ることが出来ない。
従って、メッセージ認証用途を踏まえて誤り訂正処理及び残留誤り検知処理を行っていれば、One-Time-Padにも最終暗号鍵を使用することが出来るが、これらの最終暗号鍵はOne-Time-Pad用途には過剰スペックであり、無駄に暗号鍵生成速度を低く設定していることになる。
そこで、本発明は、異なる誤り率が要求される暗号鍵を効率的に生成することができる、暗号鍵共有システムにおける通信装置および暗号鍵生成方法を提供することを目的とする。
本発明による通信装置は、伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置であって、前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有する暗号鍵共有手段と、前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成する誤り率制御手段と、誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する蓄積手段と、を有することを特徴とする。
本発明による暗号鍵生成方法は、伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置における暗号鍵生成方法であって、暗号鍵共有手段が前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、誤り率制御手段が前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、蓄積手段が誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、ことを特徴とする。
本発明による暗号鍵共有システムは、第１通信装置と第２通信装置とが伝送路を通して通信を行うことで暗号鍵を共有するシステムであって、前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が、前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、ことを特徴とする。
本発明によれば、異なる誤り率が要求される暗号鍵を効率的に生成することができる。
図１は一般的な量子暗号鍵配付における暗号鍵生成手順を示すフローチャートである。 図２は残留誤り検知処理の一例である。 図３はメッセージ認証に用いるハッシュ値計算の一例を示す模式図である。 図４は本発明の第１実施形態による暗号鍵共有システムにおける通信装置の機能的構成を示すブロック図である。 図５は本発明の第２実施形態による暗号鍵共有システムにおける通信装置の機能的構成を示すブロック図である。 図６は第２実施形態における暗号鍵管理部が残留誤り検知処理のパリティチェック回数を指定する際に参照する管理表の一例を示す図である。 図７は本発明の第３実施形態による暗号鍵共有システムにおける通信装置の機能的構成を示すブロック図である。
本発明の実施形態によれば、誤り訂正回路および／または残留誤り検知回路を制御することで異なる誤り率の暗号鍵をそれぞれ生成して蓄積することができ、誤り率が異なる暗号鍵を用途ごとに使用することができる。以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
１．第１実施形態
本発明の第１実施形態による暗号鍵共有システムでは、暗号鍵の用途をOne-Time-Pad暗号通信とメッセージ認証とし、符号化率の異なる複数の誤り訂正回路を使用することで最終暗号鍵の誤り率の制御を行う。
１．１）構成
図４に示すように、送信側通信装置１１（以下、Ａｌｉｃｅ１１という。）と受信側通信装置１２（以下、Ｂｏｂ１２という。）とは伝送路を介して接続され、次に述べるように、Ａｌｉｃｅ１１からＢｏｂ１２への光子伝送と、Ａｌｉｃｅ１１とＢｏｂ１２との間の暗号鍵生成過程における通信と、が行われる。伝送路は光ファイバからなり、光子伝送を行う微弱光チャネルと暗号鍵生成過程の通信を行う通常光チャネルとを含むものとする。
Ａｌｉｃｅ１１は、Ｂｏｂ１２へ光子信号を送信する光子送信部１１０１と、乱数生成部１１０２と、Ｂｏｂ１２との間で通信を行い基底照合を行う基底照合部１１０３とを有し、既に述べたように、基底照合部１１０３によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部１１０４はＢｏｂ１２との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替える。暗号鍵管理部１１１５は、制御信号に従って、誤り率が異なる暗号鍵を生成するための２つの経路のいずれか一方へ並び替え後のシフト鍵を振り分ける。ここでは、誤り訂正部１１０５から始まる経路の処理によって誤り率が相対的に高い暗号鍵が得られ、誤り訂正部１１０６から始まる経路の処理によって誤り率が相対的に低い暗号鍵が得られる。誤り訂正部１１０５及び１１０６は異なる符号化率によりシフト鍵中に存在する誤りを訂正し、残留誤り検知部１１０７及び１１０８は誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部１１０９及び１１１０は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、こうして生成された誤り率が相対的に高い最終暗号鍵と誤り率が相対的に低い最終暗号鍵とが最終鍵蓄積部１１１１と最終鍵蓄積部１１１２とにそれぞれ蓄積される。ハッシュ計算部１１１３は、上述した全ての通信を行う際に、最終鍵蓄積部１１１２に蓄積された誤り率が相対的に低い暗号鍵を用いて通信内容からハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。暗号通信部１１１４は、最終鍵蓄積部１１１１に蓄積された誤り率が相対的に高い暗号鍵を用いて暗号通信用の暗号化及び復号を行う。
Ｂｏｂ１２は、Ａｌｉｃｅ１１から送信された光子信号を受信する光子受信部１２０１と、Ｂｏｂ１２との間で通信を行い基底照合を行う基底照合部１２０２とを有し、既に述べたように、基底照合部１２０２によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部１２０３はＡｌｉｃｅ１１との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替える。暗号鍵管理部１２１４は並び替え後のシフト鍵を２つの経路に振り分ける。ここでは、誤り率が相対的に高い暗号鍵が誤り訂正部１２０５から始まる経路の処理により得られ、誤り率が相対的に低い暗号鍵が誤り訂正部１２０４から始まる経路の処理により得られる。誤り訂正部１２０４及び１２０５は、シフト鍵中に存在する誤りを訂正し、残留誤り検知部１２０６及び１２０７は誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部１２０８及び１２０９は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、こうして生成された誤り率が相対的に高い最終暗号鍵と誤り率が相対的に低い最終暗号鍵とが最終鍵蓄積部１２１２と最終鍵蓄積部１２１１とにそれぞれ蓄積される。ハッシュ計算部１２１０は、上述した全ての通信を行う際に、最終鍵蓄積部１２１１に蓄積された誤り率が相対的に低い暗号鍵を用いて通信内容からハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。暗号通信部１２１３は、最終鍵蓄積部１２１２に蓄積された誤り率が相対的に高い暗号鍵を用いて暗号通信用の暗号化及び復号を行う。
なお、Ａｌｉｃｅ１１における乱数生成部１１０２、基底照合部１１０３、乱数列並替部１１０４、誤り訂正部１１０５及び１１０６、残留誤り検知部１１０７及び１１０８、秘匿増強部１１０９及び１１１０、および暗号鍵管理部１１１５は、Ａｌｉｃｅ１１のＣＰＵ(Central Processing Unit)等のプログラム制御プロセッサ上で図示しないメモリに格納されたプログラムを実行することで同等の機能を実現することもできる。
同様に、Ｂｏｂ１２における基底照合部１２０２、乱数列並替部１２０３、誤り訂正部１２０４及び１２０５、残留誤り検知部１２０６及び１２０７、秘匿増強部１２０８及び１２０９、および暗号鍵管理部１２１４は、Ｂｏｂ１２のＣＰＵ(Central Processing Unit)等のプログラム制御プロセッサ上で図示しないメモリに格納されたプログラムを実行することで同等の機能を実現することもできる。
１．２）動作
Ａｌｉｃｅ１１では、乱数生成部１１０２の出力乱数に基づいて光子送信部１１０１が光子信号をＢｏｂ１２に送信する。Ｂｏｂ１２では、光子送信部１１０１から送信された光子信号を光子受信部１２０１によって受信する。続いて、Ａｌｉｃｅ１１およびＢｏｂ１２において次に述べる処理がそれぞれ実行される。
基底照合部１１０３及び１２０２は、送受信時に選択した基底を照らし合わせて選択基底が一致した鍵ビットのみを取り出し、それぞれシフト鍵を得る。次に、乱数列並替部１１０４及び１２０３は、別途共有した乱数を元にそれぞれのシフト鍵を並び替える。並び替えられたシフト鍵は、暗号鍵管理部１１１５及び１２１４によって、符号化率が高く設定された誤り訂正部１１０５および１２０５の第１経路へ、あるいは符号化率が低く設定された誤り訂正部１１０６および１２０４の第２経路へ、それぞれ分けられる。
第１経路は、One-Time-Pad暗号通信に使用する暗号鍵を生成する経路であり、符号化率が相対的に高い誤り訂正部１１０５及び１２０５においてシフト鍵中の誤りを訂正する。すなわち、Ａｌｉｃｅ１１の誤り訂正部１１０５とＢｏｂ１２の誤り訂正部１２０５において、それぞれのシフト鍵を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを互いに照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関して符号化率が高い符号を適用して誤り訂正を行う。こうして誤り訂正されたシフト鍵は、残留誤り検知部１１０７及び１２０７において誤り訂正後に残留する誤りを検出し、パリティが一致しなければ（残留誤りが検知されれば）、誤り訂正部１１０５および１２０５においてそれぞれ誤り訂正が再実行される。こうして、誤り訂正されたシフト鍵を入力して、秘匿増強部１１０９及び１２０９は光子伝送時に漏洩した可能性のある鍵情報を削減して最終鍵を最終鍵蓄積部１１１１及び１２１２へそれぞれ格納する。こうして得られた最終鍵が暗号通信部１１１４及び１２１３において暗号鍵として使用される。
第２経路は、メッセージ認証用のハッシュ値計算に使用する暗号鍵を生成する経路であり、符号化率が相対的に低い誤り訂正部１１０６及び１２０４においてシフト鍵中の誤りを訂正する。すなわち、Ａｌｉｃｅ１１の誤り訂正部１１０６とＢｏｂ１２の誤り訂正部１２０４において、それぞれのシフト鍵を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを互いに照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関して符号化率が低い符号を適用して誤り訂正を行う。こうして誤り訂正されたシフト鍵は、残留誤り検知部１１０８及び１２０６において誤り訂正後に残留する誤りを検出し、パリティが一致しなければ（残留誤りが検知されれば）、誤り訂正部１１０６および１２０４においてそれぞれ誤り訂正が再実行される。こうして、誤り訂正されたシフト鍵を入力して、秘匿増強部１１１０及び１２０８は光子伝送時に漏洩した可能性のある鍵情報を削減して最終鍵を最終鍵蓄積部１１１２及び１２１１へそれぞれ格納する。こうして得られた最終鍵を用いてハッシュ計算部１１１３及び１２１０がハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。
たとえば、光子送信部１１０１と光子受信部１２０１間で光子伝送を行った際の誤り率が３％とした場合、誤り訂正部１１０５及び１２０５は３％の誤りをぎりぎり訂正できる符号化率０.８のＬＤＰＣ（Low-Density Parity-check Code）符号を使用し、誤り訂正部１１０６及び１２０４は誤り訂正後の誤り率を十分に低くする為に符号化率０.７５のＬＤＰＣ符号を使用する。この場合、誤り訂正部１１０５及び１２０５では、暗号鍵生成速度を高くすることが出来るが、誤訂正や訂正し切らなかった誤りの為に比較的高い誤り率の暗号鍵が生成される。一方、誤り訂正部１１０６及び１２０４では、十分な余裕をみた誤り訂正を行っている為、誤り訂正後の誤り率が十分に低く出来る反面、符号化率を低く抑えている為に暗号鍵生成速度は低くなる。
１．３）効果
上述したように、本実施形態によれば、暗号鍵に求められる誤り率に応じて誤り訂正処理のパラメータを設定することによって複数の符号化率の誤り訂正部を設けたので、無駄に廃棄される鍵ビット量を削減することができ、用途に応じた暗号鍵を効率良く生成することができる。
なお、最終暗号鍵の用途としては、One-Time-Pad暗号通信用途には比較的高い誤り率を許容して暗号鍵生成速度を向上させ、メッセージ認証用途には暗号鍵生成速度を犠牲にして十分低い誤り率を確保したが、本願発明はこれに限られない。ＡＥＳ暗号通信の暗号鍵を定期的に更新する用途で暗号鍵を使用する場合には、暗号鍵の更新頻度に応じて誤り訂正処理のパラメータを変更しても良い。
また、暗号鍵の誤り率を制御する方法も誤り訂正処理の符号化率変更に限られず、後述するように、残留誤り検知処理で行うパリティチェックの回数を変更しても良い。さらに、Ａｌｉｃｅ１１およびＢｏｂ１２との間で誤りを含む暗号鍵を安全に共有する手段として量子暗号鍵配付方法を利用したが、他の秘密鍵共有手段を用いても良い。
２．第２実施形態
本発明の第２実施形態では、生成した暗号鍵の用途をOne-Time-Pad暗号通信とメッセージ認証とし、１つの残留誤り検知回路のパラメータを変更することによって、最終暗号鍵の誤り率を制御する方法を説明する。
２．１）構成
図５に示すように、送信側通信装置２１（以下、Ａｌｉｃｅ２１という。）と受信側通信装置２２（以下、Ｂｏｂ２２という。）とは伝送路を介して接続され、次に述べるように、Ａｌｉｃｅ２１からＢｏｂ２２への光子伝送と、Ａｌｉｃｅ２１とＢｏｂ２２との間の暗号鍵生成過程における通信とが行われる。
Ａｌｉｃｅ２１は、Ｂｏｂ２２へ光子信号を送信する光子送信部２１０１と、乱数生成部２１０２と、Ｂｏｂ２２との間で通信を行うことで基底照合を行う基底照合部２１０３とを有し、既に述べたように、基底照合部２１０３によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部２１０４はＢｏｂ２２との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替え、誤り訂正部２１０５は並び替え後のシフト鍵中に存在する誤りを訂正する。
暗号鍵管理部２１１２は、後段の残留誤り検知部２１０６へ誤り訂正後のシフト鍵を出力すると共に、制御信号に従って、残留誤り検知部２１０６において行うパリティチェック回数を管理表２１１２ａを参照して設定する。管理表２１１２ａは図示しないメモリに格納されている。残留誤り検知部２１０６は、設定されたパリティチェック回数だけ誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部２１０７は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、パリティチェック回数が少ない（誤り率が相対的に高い）最終暗号鍵とパリティチェック回数が多い（誤り率が相対的に低い）最終暗号鍵とを最終鍵蓄積部２１０８と最終鍵蓄積部２１０９とにそれぞれ蓄積する。ハッシュ計算部２１１０は、上述した全ての通信を行う際に、最終鍵蓄積部２１０８に蓄積された誤り率が相対的に低い暗号鍵を用いて通信内容からハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。暗号通信部２１１１は、最終鍵蓄積部２１０８に蓄積された誤り率が相対的に高い暗号鍵を用いて暗号通信用の暗号化及び復号を行う。
Ｂｏｂ２２は、Ａｌｉｃｅ２１から送信された光子信号を受信する光子受信部２２０１と、Ｂｏｂ２２との間で通信を行うことで基底照合を行う基底照合部２２０２とを有し、既に述べたように、基底照合部２２０２によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部２２０３はＡｌｉｃｅ２１との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替え、誤り訂正部２２０４は並び替え後のシフト鍵中に存在する誤りを訂正する。
暗号鍵管理部２２１１は、後段の残留誤り検知部２２０５へ誤り訂正後のシフト鍵を出力すると共に、制御信号に従って、残留誤り検知部２２０５において行うパリティチェック回数を管理表２２１１ａを参照して設定する。管理表２２１１ａは図示しないメモリに格納されている。残留誤り検知部２２０５は、設定されたパリティチェック回数だけ誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部２２０６は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、パリティチェック回数が少ない（誤り率が相対的に高い）最終暗号鍵とパリティチェック回数が多い（誤り率が相対的に低い）最終暗号鍵とを最終鍵蓄積部２２０９と最終鍵蓄積部２２０８とにそれぞれ蓄積する。ハッシュ計算部２２０７は、上述した全ての通信を行う際に、最終鍵蓄積部２２０８に蓄積された誤り率が相対的に低い暗号鍵を用いて通信内容からハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。暗号通信部２２１０は、最終鍵蓄積部２２０９に蓄積された誤り率が相対的に高い暗号鍵を用いて暗号通信用の暗号化及び復号を行う。
図６に示すように、Ａｌｉｃｅ２１の管理表２１１２ａとＢｏｂ２２の管理表２２１１ａには、用途が決められた鍵ＩＤごとにパリティ検査回数が設定されている。ここでは、暗号通信用の鍵に対してはパリティ検査を３２回繰り返しているが、認証用の鍵には１０２４回繰り返して誤り率をより低くしている。なお、パリティ検査回数は、暗号鍵の用途に応じて決めればよく、これらの回数の限定されるものではない。
２．２）動作
Ａｌｉｃｅ２１では、乱数生成部２１０２の出力乱数に基づいて光子送信部２１０１が光子信号をＢｏｂ２２に送信する。Ｂｏｂ２２では、光子送信部２１０１から送信された光子信号を光子受信部２２０１によって受信する。続いて、基底照合部２１０３及び２２０２で、送受信時に選択した基底を照らし合わせて、選択基底が一致した鍵ビットのみを取り出してシフト鍵を得る。次に、乱数列並替部２１０４及び２２０３は、別途共有した乱数を元にそれぞれのシフト鍵を並び替える。
誤り訂正部２１０５及び２２０４は、並び替えられたシフト鍵中の誤りを訂正する。すなわち、Ａｌｉｃｅ２１の誤り訂正部２１０５とＢｏｂ２２の誤り訂正部２２０４とは、それぞれのシフト鍵を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを互いに照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関して誤り訂正を行う。こうして誤り訂正されたシフト鍵は、残留誤り検知部２１０６及び２２０５において、暗号鍵管理部２１１２及び２２１１により設定されたパリティ検査回数だけ誤り訂正後に残留する誤りを検出し、パリティが一致しなければ（残留誤りが検知されれば）、誤り訂正部２１０５及び２２０４において、それぞれ誤り訂正が再実行される。
こうして、誤り訂正されたシフト鍵を入力して、秘匿増強部２１０７及び２２０６は光子伝送時に漏洩した可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、少ないパリティ検査回数で得られた最終鍵を最終鍵蓄積部２１０８及び２２０９へ、多いパリティ検査回数で得られた最終鍵を最終鍵蓄積部２１０９及び２２０８へそれぞれ格納する。こうして最終鍵蓄積部２１０８及び２２０９に格納された相対的に誤り率の高い最終鍵は暗号通信部２１１１及び２２１０において暗号鍵として使用され、最終鍵蓄積部２１０９及び２２０８に格納された相対的に誤り率の低い最終鍵を用いてハッシュ計算部２１１０及び２２０７がハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。
本実施形態では、暗号鍵をＩＤで管理し、暗号鍵管理部２１１２及び２２１１が図６に示す様な管理表２１１２ａ及び２２１１ａに基づいて残留誤り検知処理でのパリティチェック回数を変化させ、１つの回路によって誤り率の異なる暗号鍵を生成することができる。パリティチェック回数を少なくして誤り率を高く設定した暗号鍵は最終鍵蓄積部２１０８及び２２０９に保存されて暗号通信部２１１１及び２２１０でOne-Time-Pad暗号通信用途に使用される。またパリティチェック回数を多くして誤り率を低く設定した暗号鍵はメッセージ認証用途として最終鍵蓄積部２１０９及び２２０８に保存され、ハッシュ計算部２１１０及び２２０７においてハッシュ値を計算する際に使用される。
２．３）効果
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得られる。さらに、本実施形態では、暗号鍵をＩＤで管理し同一の回路を使用してパリティチェック回数を変更することにより最終暗号鍵の誤り率を制御しているので、実装回路を削減できる利点がある。さらに暗号鍵管理部２１１２及び２２１１が管理表２１１２ａ及び２２１１ａに基づいて複数の誤り率の最終鍵を生成することができるので、広い用途の暗号鍵を容易に生成することができる利点もある。
なお、本実施形態と第１実施形態とを組み合わせることもできる。すなわち、図５における誤り訂正部２１０５及び２２０４以降を第１実施形態と同様に２経路に分け、それぞれに対して本実施形態を適用することもできる。
３．第３実施形態
本発明の第３実施形態では、生成した暗号鍵の用途を要求される暗号鍵の誤り率が異なる複数の暗号通信に使用する。なお、誤り率制御方法は、第２実施形態と同様である。
３．１）構成
図７に示すように、送信側通信装置３１（以下、Ａｌｉｃｅ３１という。）と受信側通信装置３２（以下、Ｂｏｂ３２という。）とは伝送路を介して接続され、次に述べるように、Ａｌｉｃｅ３１からＢｏｂ３２への光子伝送と、Ａｌｉｃｅ３１とＢｏｂ３２との間の暗号鍵生成過程における通信とが行われる。
Ａｌｉｃｅ３１は、Ｂｏｂ３２へ光子信号を送信する光子送信部３１０１と、乱数生成部３１０２と、Ｂｏｂ３２との間で通信を行い基底照合を行う基底照合部３１０３とを有し、既に述べたように、基底照合部３１０３によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部３１０４はＢｏｂ３２との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替え、誤り訂正部３１０５は並び替え後のシフト鍵中に存在する誤りを訂正する。
暗号鍵管理部３１１２は、後段の残留誤り検知部３１０６へ誤り訂正後のシフト鍵を出力すると共に、制御信号に従って、残留誤り検知部３１０６において行うパリティチェック回数を管理表３１１２ａを参照して設定する。管理表３１１２ａは図示しないメモリに格納されている。残留誤り検知部３１０６は、設定されたパリティチェック回数だけ誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部３１０７は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、パリティチェック回数が少ない（誤り率が相対的に高い）最終暗号鍵とパリティチェック回数が多い（誤り率が相対的に低い）最終暗号鍵とを最終鍵蓄積部３１０８と最終鍵蓄積部３１０９とにそれぞれ蓄積する。最終鍵蓄積部３１０８に格納された最終鍵は、暗号通信部３１１１によりOne-Time-Pad暗号通信用途に使用され、最終鍵蓄積部３１０９に格納された最終鍵は、暗号通信部３１１１によりAES暗号通信の鍵更新用に使用される。
Ｂｏｂ３２は、Ａｌｉｃｅ３１から送信された光子信号を受信する光子受信部３２０１と、Ｂｏｂ３２との間で通信を行い基底照合を行う基底照合部３２０２とを有し、既に述べたように、基底照合部３２０２によりシフト鍵が得られる。乱数列並替部３２０３はＡｌｉｃｅ３１との間で通信を行いシフト鍵の乱数列をランダムに並び替え、誤り訂正部３２０４は並び替え後のシフト鍵中に存在する誤りを訂正する。
暗号鍵管理部３２１１は、後段の残留誤り検知部３２０５へ誤り訂正後のシフト鍵を出力すると共に、制御信号に従って、残留誤り検知部３２０５において行うパリティチェック回数を管理表３２１１ａを参照して設定する。管理表３２１１ａは図示しないメモリに格納されている。残留誤り検知部３２０５は、設定されたパリティチェック回数だけ誤り訂正後の鍵に残留する誤りを検出する。秘匿増強部３２０６は盗聴者に漏洩している可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、パリティチェック回数が少ない（誤り率が相対的に高い）最終暗号鍵とパリティチェック回数が多い（誤り率が相対的に低い）最終暗号鍵とを最終鍵蓄積部３２０９と最終鍵蓄積部３２０８とにそれぞれ蓄積する。ハッシュ計算部３２０７は、上述した全ての通信を行う際に、最終鍵蓄積部３２０８に蓄積された誤り率が相対的に低い暗号鍵を用いて通信内容からハッシュ値を計算し、メッセージ認証を行う。暗号通信部３２１０は、最終鍵蓄積部３２０９に蓄積された誤り率が相対的に高い暗号鍵を用いて暗号通信用の暗号化及び復号を行う。
Ａｌｉｃｅ３１の管理表３１１２ａとＢｏｂ３２の管理表３２１１ａには、第２実施形態と同様に、図６に示す用途が決められた鍵ＩＤごとにパリティ検査回数が設定されている。
３．２）動作
Ａｌｉｃｅ３１では、乱数生成部３１０２の出力乱数に基づいて光子送信部３１０１が光子信号をＢｏｂ３２に送信する。Ｂｏｂ３２では、光子送信部３１０１から送信された光子信号を光子受信部３２０１によって受信する。続いて、基底照合部３１０３及び３２０２で、送受信時に選択した基底を照らし合わせて、選択基底が一致した鍵ビットのみを取り出してシフト鍵を得る。次に、乱数列並替部３１０４及び３２０３は、別途共有した乱数を元にそれぞれのシフト鍵を並び替える。
誤り訂正部３１０５及び３２０４は、並び替えられたシフト鍵中の誤りを訂正する。すなわち、Ａｌｉｃｅ３１の誤り訂正部３１０５とＢｏｂ３２の誤り訂正部３２０４とは、それぞれのシフト鍵を複数のブロックに分割し、各ブロックのパリティを互いに照合することによって誤りを含むブロックを特定し、当該ブロックに関して誤り訂正を行う。こうして誤り訂正されたシフト鍵は、残留誤り検知部３１０６及び３２０５において、暗号鍵管理部３１１２及び３２１１により設定されたパリティ検査回数だけ誤り訂正後に残留する誤りを検出し、パリティが一致しなければ（残留誤りが検知されれば）、誤り訂正部３１０５及び３２０４において、それぞれ誤り訂正が再実行される。
こうして、誤り訂正されたシフト鍵を入力して、秘匿増強部３１０７及び３２０６は光子伝送時に漏洩した可能性のある鍵情報を削減し、制御信号に従って、少ないパリティ検査回数で得られた最終鍵を最終鍵蓄積部３１０８及び３２０９へ、多いパリティ検査回数で得られた最終鍵を最終鍵蓄積部３１０９及び３２０７へそれぞれ格納する。こうして最終鍵蓄積部３１０８及び３２０９に格納された相対的に誤り率の高い最終鍵は暗号通信部３１１１及び３２１０においてOne-Time-Pad暗号通信用途に使用され、最終鍵蓄積部３１０９及び３２０８に格納された相対的に誤り率の低い最終鍵は暗号通信部３１１０及び３２０７においてＡＥＳ暗号通信の鍵を更新するのに使用される。
３．３）効果
本実施形態においても第２実施形態と同様の効果を得られる。なお、本実施形態では、暗号通信の方法としてOne-Time-PadとＡＥＳを例示したが、暗号通信の方法はこれに限られない。要求される暗号鍵の誤り率が異なる用途であれば何でも良い。
４．付記
上述した実施形態の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置であって、
前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有する暗号鍵共有手段と、
前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成する誤り率制御手段と、
誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する蓄積手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
（付記２）
前記誤り率制御手段は、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正する誤り訂正手段と、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった誤りを検出する残留誤り検知手段と、を有し、
前記誤り訂正手段に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検知手段に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記１に記載の通信装置。
（付記３）
前記誤り率制御手段は、前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする付記２に記載の通信装置。
（付記４）
前記誤り率制御手段は、符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記２または３に記載の通信装置。
（付記５）
伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置における暗号鍵生成方法であって、
暗号鍵共有手段が前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
誤り率制御手段が前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、
蓄積手段が誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
ことを特徴とする暗号鍵生成方法。
（付記６）
前記誤り率制御手段が、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正し、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった残留誤りを検出し、前記誤り訂正に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検出に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御する、
ことを特徴とする付記５に記載の暗号鍵生成方法。
（付記７）
前記誤り率制御手段は、前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする付記６に記載の暗号鍵生成方法。
（付記８）
前記誤り率制御手段は、符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記６または７に記載の暗号鍵生成方法。
（付記９）
第１通信装置と第２通信装置とが伝送路を通して通信を行うことで暗号鍵を共有するシステムであって、
前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が、前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
ことを特徴とする暗号鍵共有システム。
（付記１０）
前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正し、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった残留誤りを検出し、前記誤り訂正に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検出に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記９に記載の暗号鍵共有システム。
（付記１１）
前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする付記１０に記載の暗号鍵共有システム。
（付記１２）
前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記１０または１１に記載の暗号鍵共有システム。
（付記１３）
伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置におけるプログラム制御プロセッサを機能させるプログラムであって、
暗号鍵共有手段が前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
誤り率制御手段が前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、
蓄積手段が誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
ように前記プログラム制御プロセッサを機能させることを特徴とするプログラム。
（付記１４）
前記誤り率制御手段が、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正し、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった残留誤りを検出し、前記誤り訂正に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検出に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御する、
ことを特徴とする付記１３に記載のプログラム。
（付記１５）
前記誤り率制御手段は、前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする付記１４に記載のプログラム。
（付記１６）
前記誤り率制御手段は、符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする付記１４または１５に記載のプログラム。
本発明は、量子暗号鍵配付技術に代表される共通暗号鍵配付技術を用いた高秘匿通信に利用可能である。量子暗号鍵配付方法は、単一方向型・往復型を問わない。
１１,２１,３１ Ａｌｉｃｅ（送信側通信装置）
１１０１,２１０１,３１０１ 光子送信器
１１０２,２１０２,３１０２ 乱数生成部
１１０３,２１０３,３１０３ 基底照合部
１１０４,２１０４,３１０４ 乱数列並替部
１１０５，１１０６，２１０５，３１０５ 誤り訂正部
１１１５,２１１２，３１１２ 暗号鍵管理部
１１０７,１１０８, ２１０６，３１０６ 残留誤り検知部
１１０９,１１１０, ２１０７, ３１０７ 秘匿増強部
１１１１，１１１２，２１０８，２１０９，３１０８，３１０９ 最終鍵蓄積部
１１１３，２１１０ ハッシュ計算部
１１１４、２１１１、３１１０，３１１１ 暗号通信部
１２,２２,３２ Ｂｏｂ（受信側通信装置）
１２０２,２２０２,３２０２ 基底照合部
１２０３,２２０３,３２０３ 乱数列並替部
１２０４，１２０５，２２０４５，３２０４ 誤り訂正部
１２１４，２２１１，３２１１ 暗号鍵管理部
１２０６,１２０７,２２０５，３２０５ 残留誤り検知部
１２０８,１２０９,２２０６, ３２０６ 秘匿増強部
１２１１，１２１２，２２０８，２２０９，３２０８，３２０９ 最終鍵蓄積部
１２１０，２２０７ ハッシュ計算部
１２１３、２２１０、３２０７，３２１０ 暗号通信部

Claims (10)

  1. 伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置であって、
    前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有する暗号鍵共有手段と、
    前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成する誤り率制御手段と、
    誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する蓄積手段と、
    を有することを特徴とする通信装置。
  2. 前記誤り率制御手段は、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正する誤り訂正手段と、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった誤りを検出する残留誤り検知手段と、を有し、
    前記誤り訂正手段に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検知手段に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
  3. 前記誤り率制御手段は、前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする請求項２に記載の通信装置。
  4. 前記誤り率制御手段は、符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の通信装置。
  5. 伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置における暗号鍵生成方法であって、
    暗号鍵共有手段が前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
    誤り率制御手段が前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、
    蓄積手段が誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
    ことを特徴とする暗号鍵生成方法。
  6. 前記誤り率制御手段が、前記第１暗号鍵に含まれる誤りを訂正し、前記誤り訂正によっても訂正しきれなかった残留誤りを検出し、前記誤り訂正に用いられる誤り訂正符号の符号化率および／または前記残留誤り検出に適用されるパリティ検査回数を変更することで前記誤り率を制御する、
    ことを特徴とする請求項５に記載の暗号鍵生成方法。
  7. 前記誤り率制御手段は、前記暗号鍵の用途に応じて複数のパリティ検査回数が予め定められた管理テーブルを有することを特徴とする請求項６に記載の暗号鍵生成方法。
  8. 前記誤り率制御手段は、符号化率が異なる複数の誤り訂正手段を設け、前記暗号鍵の用途に応じて前記複数の誤り訂正手段のいずれかを選択することで前記誤り率を制御することを特徴とする請求項６または７に記載の暗号鍵生成方法。
  9. 第１通信装置と第２通信装置とが伝送路を通して通信を行うことで暗号鍵を共有するシステムであって、
    前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
    前記第１通信装置と前記第２通信装置の各々が、前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
    ことを特徴とする暗号鍵共有システム。
  10. 伝送路を通して他の通信装置と通信を行う通信装置におけるプログラム制御プロセッサを機能させるプログラムであって、
    暗号鍵共有手段が前記他の通信装置との間で第１暗号鍵を共有し、
    誤り率制御手段が前記第１暗号鍵から暗号鍵の用途に応じた誤り率の第２暗号鍵を生成し、
    蓄積手段が誤り率が異なる複数の第２暗号鍵をそれぞれ蓄積する、
    ように前記プログラム制御プロセッサを機能させることを特徴とするプログラム。
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