JP5957924B2

JP5957924B2 - 量子鍵配付装置および量子鍵配付方法

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Publication number: JP5957924B2
Application number: JP2012024028A
Authority: JP
Inventors: 健一郎吉野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: JP2013160989A

Description

本発明は、量子鍵配付装置に関し、特に、安全性の向上のためにデコイ法を実装した量子鍵配付装置に関する。

通信の分野では、近年、盗聴行為に対する安全性を確保した暗号化通信を実現する方法として、ＱＫＤ（Quantum Key Distribution：量子鍵配付）方法が盛んに研究され、実用化に向けて開発が進んでいる。

非特許文献１には、ＱＫＤ方法において、量子暗号鍵を伝送させるための光パルスを生成する光源として、単一光子を出射する単一光子光源を使用する旨の記載があるが、単一光子光源は、現段階では、開発途上であり、実用レベルには到達していない。そのため、単一光子光源の代用として、通常のレーザー光源を、その出力光の光強度を極度に弱めることで、擬似的な単一光子光源として利用する方式が主流となっている。

しかしながら、擬似的な単一光子光源では、理想的な単一光子光源とは異なり、１光パルス中に一定の確率で２つ以上の光子が発生してしまうため、ＰＮＳ攻撃(Photon Number Splitting attack：光子数分割攻撃)と呼ばれる盗聴行為を確実に回避できるとは限らず、安全性が低下することが指摘されている（非特許文献２参照）。

ＰＮＳ攻撃を回避する方法としては、デコイ法が提案されている（非特許文献３および特許文献１参照）。なお、デコイとは囮の意味である。デコイ法では、送信される光パルスの光強度を変化させることで、ＰＮＳ攻撃の有無を検知することができる。デコイ法の実装は、近年、実用的なＱＫＤシステムの実現のためには、必須であると考えられている。

デコイ法では、一般的に、光強度がそれぞれ異なる３種類の光パルスが用いられている。以下、各種類の１光パルスに含まれる光子の平均値である平均光子数をｓ、ｄ、ｚとする。

平均光子数がｓの光パルスは信号(signal)光として用いられ、信号光が示す情報が量子暗号鍵に利用される。５０ｋｍ伝送の典型的なＱＫＤシステムでは、平均光子数ｓ＝０．５程度である。また、平均光子数がｄおよびｚの光パルスは、信号光に対する盗聴を検知するための囮(decoy)用の囮パルスとして利用される。５０ｋｍ伝送の典型的なＱＫＤシステムでは、平均光子数ｄ＝０．２程度、ｚ＝０である。以降、平均光子数ｓ、ｄおよびｚのそれぞれの光パルスを、光パルスＳ、光パルスＤおよび光パルスＺと称し、これらの光パルスをデコイ状態の光パルスと総称する。

デコイ法では、送信される光パルスの大部分が光パルスＳであり、送信パルスの残りが光パルスＤおよびＺとなる。典型的なＱＫＤシステム法では、送信パルスのうち、９０％程度が光パルスＳ、６％程度が光パルスＤ、４％程度が光パルスＺとなる（非特許文献４参照）。

デコイ状態の光パルスは、電気信号である変調器駆動信号に応じて動作する変調器が光源からの光パルスを変調することで生成される。このとき、変調器駆動信号を３値信号にすれば、変調器は、直接、光源からの光パルスをデコイ状態の光パルスに変調することができるが、変調器駆動信号の生成などを行う高速電子回路では、３値信号を使用することは容易ではない。このため、デコイ状態の光パルスは、高速電子回路で容易に使用できる２値信号を用いて生成される。

２値信号を用いてデコイ状態の光パルスを生成する場合、変調器駆動信号として２系統の２値信号が用意され、光源からの光パルスが２系統の２値信号に応じて強度変調され、４つの状態の光パルスが生成される。そして、それらの光パルスのうち３つの状態の光パルスがデコイ状態の光パルスとなる。このように２系統の２値信号が使用されるため、デコイ法を用いたＱＫＤシステムでは、２台の位相変調器または１台の二電極型変調器を用いることが一般的である。

以下、デコイ状態の光パルスを生成する具体的な変調方法について説明する。なお、２台の位相変調器を用いたＱＫＤシステムより、１台の二電極型変調器を用いたＱＫＤシステムの方がサイズやコストなどの面で有利であるため、以下では、二電極型変調器を用いてデコイ状態の光パルスを生成する変調方法について説明する。

図４は、ＱＫＤシステムに備わった二電極型変調器の構成の一例を示す図である。図４に示す二電極型変調器１０は、変調素子として機能する電極１および２を有する。電極１および２のそれぞれには、２系統の変調器駆動信号のそれぞれが入力される。

二電極型変調器１０は、入力された光パルス２０を２つに分岐し、その分岐された２つの光パルスのそれぞれを、電極１および２のそれぞれを用いて、２系統の変調器駆動信号に応じた位相変調を行う。そして、二電極型変調器１０は、それらの位相変調された光パルスを合成して、光強度が異なる４つの変調状態の光パルスを生成する。以下、各電極１および２による位相変調にて変化する光パルスの位相の大きさである位相変化量を、それぞれψ１、ψ２と表記する。

図５は、位相変化量ψ１およびψ２と、ＱＫＤシステムにて生成される光パルスの光強度（Power）および変調状態（State）との関係を示す図である。

図５に示すように、ＱＫＤシステムは、ψ１およびψ２の両方を０°にして、光源からの光パルスを素通りさせたものを光パルスＳとして用い、ψ１を０°、ψ２を１８０°にして、光源からの光パルスを消光状態にしたものを光パルスＺとする。また、ＱＫＤシステムは、ψ１をθ、ψ２を１８０°にしたときに生成される光パルスを光パルスＤとして用いる。

なお、ψ１をθ°、ψ２を０°にしたときにも光パルスは生成されるが、この光パルスの光強度は、光パルスＤを生成する際の位相変化量θに依存するため、任意の値に調整することができない。このため、この光パルスは通常使用されない。また、図５に示した二電極型変調器の構成から分かるように、２台の位相変調器を並列に接続した場合でも、上記の変調方法と同様な方法でデコイ状態の光パルスを生成することができる。

特開２０１１−０６１２９２号公報

ベネット（Bennett）、ブラッサード（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175, １984） N. Lutkenhaus, Physical Review A, Vol. 6１, 052304 (2000). W. Y. Hwang, Physical Review Letters, Vol. 9１, 057901 (2003). M. Hayashi, Physical Review A, Vol. 76, 012329 (2007)

前述のように典型的なＱＫＤシステムでは、送信される光パルスのうち光パルスＳが約９０％を占めるため、上記の変調方法では、位相変化量ψ１およびψ２は、約９０％、両方とも０にする必要がある。このため、２値信号である変調器駆動信号のマーク率（信号の値「０」および「１」のうち「１」が占める割合）が５０％から大きく外れてしまう。

通常の電子回路は、マーク率が５０％であることを想定して設計されており、マーク率が５０％から大きく外れると、電子回路の出力波形が歪んだり、出力波形の最大振幅が減少したりするなどの問題が生じる。

したがって、上記の変調方法では、変調器駆動信号のマーク率が５０％から大きく外れてしまうため、変調器駆動信号が歪むなどの問題が生じる。このため、光パルスを正確に変調することが難しく、盗聴行為に対する安全性が確保できない場合がある。特に、出力波の周波数がＧＨｚを超える高速な電子回路では、マーク率を約５０％にすることは重要である。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、デコイ法の安全性を向上させることが可能な量子鍵配付装置および量子鍵配付方法を提供することを目的とする。

本発明による量子鍵配付装置は、２系統の２値信号を出力する駆動回路と、入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルスのそれぞれに対して、前記２系統の２値信号に応じた強度変調を行って、４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して出力する変調器と、を有し、前記駆動回路は、前記２系統の２値信号として、前記４つの変調状態の出力光パルスの中の、光強度が等しい２つの変調状態の出力光パルスが同じ割合で生成される信号であって、各系統で同時に値が変更される信号を出力する。

本発明による量子鍵配付方法は、２系統の２値信号を出力する第１ステップと、入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルスのそれぞれに対して、前記２系統の２値信号に応じた強度変調を行って、４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して出力する第２ステップと、を有し、前記第１ステップでは、前記２系統の２値信号として、前記４つの変調状態の出力光パルスの中の、光強度が等しい２つの変調状態の出力光パルスが同じ割合で生成される信号であって、各系統で同時に値が変更される信号を出力する。

本発明によれば、デコイ法の安全性を向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態の量子鍵配付装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態の量子鍵配付装置における位相変化量、光強度および変調状態の対応関係を示す図である。パラメータθの変化に対する、光パルスＳおよびＤの光強度と各光強度の比Ｄ／Ｓの変化を示す図である。関連技術の二電極型変調器の構成を示す図である。関連技術における位相変化量、光強度および変調状態の対応関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態の量子鍵配付装置の構成を示す図である。図１において、量子鍵配付装置は、駆動回路１０１と、二電極型変調器１０２と、光減衰器（ＡＴＴ：Attenuator）１０３とを有する。

駆動回路１０１は、二電極型変調器１０２を駆動する２系統の変調器駆動信号を、二電極型変調器１０２に出力する。各変調器駆動信号は、２値信号である。

二電極型変調器１０２は、光源（不図示）から、複数の光パルス２０１を含む光パルス列が入力される。二電極型変調器１０２は、その入力された入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルス２０１のそれぞれに対して、駆動回路１０１からの２系統の変調器駆動信号に応じた強度変調を行い、その２系統の変調器駆動信号に応じた４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して出力する。

より具体的には、二電極型変調器１０２は、分岐部１１１と、変調部１１２および１１３と、結合部１１４とを有する。

分岐部１１１には、光源から光パルス列が入力される。分岐部１１１は、入力された入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルス２０１のそれぞれを２つに分岐して出力する。

変調部１１２および１１３は、入力光パルス列に対して並列に配置される。変調部１１２および１１３のそれぞれには、分岐部１１１から出力された２つの光パルスのそれぞれが入力され、さらに、駆動回路１０１から出力された２系統の変調器駆動信号のそれぞれが入力される。

変調部１１２および１１３のそれぞれは、自身に入力された光パルスを、自身に入力された変調器駆動信号に応じて位相変調して出力する。

より具体的には、変調部１１２および１１３は電極で構成され、変調器駆動信号が入力されと、その変調器駆動信号に応じて、光パルスを伝送する導波路（図示せず）の屈折率を変化させて、光パルスを位相変調する。

なお、各変調器駆動信号が２値信号であるため、各変調部１１２および１１３の位相変調にて変化する光パルスの位相の大きさである位相変化量φ１およびφ２は、それぞれ２値となる。

結合部１１４は、変調部１１２および１１３のそれぞれから出力された２つの光パルスを結合することで、位相変化量φ１およびφ２に応じた４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して、出力する。

光減衰器１０３は、結合部１１４から出力された出力光パルス列に含まれる各出力光パルスの光強度を調整する。より具体的には、光減衰器１０３は、光パルスを減衰させることで、その光パルスの光強度を調整する。なお、光減衰器１０３にて調整される光強度の調整量は、予め固定されていてもよいし、変更可能であってもよい。

以下、図１に示した量子鍵配付装置において、変調器駆動信号のマーク率を約５０％とする仕組みを説明する。なお、以下では、位相変化量φ１（φ２）の値がＸまたはＹの２値となる場合、φ１（φ２）＝｛Ｘ，Ｙ｝と表記する。また、以下では、主に本量子鍵配付装置を典型的なＱＫＤシステムに適用することを前提として説明する。

典型的なＱＫＤシステムにおいて、変調器駆動信号のマーク率を約５０％とするためには、結合部１１４から出力される出力光パルス列に含まれる出力光パルスのうち、約９０％を占める必要がある信号光パルスＳを生成する変調器駆動信号のマーク率が約５０％になる必要がある。

そこで本実施形態では、駆動回路１０１は、２系統の変調器駆動信号として、４つの変調状態の出力光パルスの中の２つの変調状態の出力光パルス（以下、光パルスＳ１およびＳ２と称する）の光強度を等しくする信号を出力することで、４つの変調状態を３つの変調状態に縮退させ、光パルスＳ１およびＳ２の両方を光パルスＳとして使用できるようにする。

さらに、駆動回路１０１は、光パルスＳ１を生成する２系統の変調器駆動信号と、光パルスＳ２を生成する２系統の変調器駆動信号とで、値が両系統とも異なるように、各変調器駆動信号の値を調整する。

例えば、２系統の変調器駆動信号の値が両方とも０の場合に、光パルスＳ１が生成され、２系統の変調器駆動信号の値が両方とも１の場合に、光パルスＳ２が生成されるように、駆動回路１０１は、各変調器駆動信号の値を調整する。

この場合、たとえ全ての出力パルスが信号光であったとしても、駆動回路１０１は、各変調器駆動信号として、光パルスＳ１およびＳ２を同じ割合で生成する信号を出力することで、各変調器駆動信号のマーク率を５０％とすることができる。

また、上記の方法を典型的なＱＫＤシステムに適用するためには、光パルスＳ１およびＳ２以外の２つの変調状態の光パルスから、光強度が任意の変調状態の光パルスＤと、光強度が０の変調状態の光パルスＺを生成することが必要となる。

図２は、上記の方法を典型的なＱＫＤシステムに適用する際の、位相変化量φ１およびφ２と、出力光パルスの光強度（Power）および変調状態（State）との関係を示す図である。

図２に示すように駆動回路１０１は、各変調器駆動信号として、各位相変化量がφ１=[０°,１８０°−θ]、φ２=[θ，１８０°]となる信号を出力する。

この場合、[φ１,φ２]=[０°，θ]の時の出力パルスを光パルスＳ１とし、[φ１,φ２]=[１８０°−θ，１８０°]の時の出力パルスを光パルスＳ２とし、[φ１，φ２]=[１８０°−θ，θ]の時の出力パルスを光パルスＤとし、[φ１，φ２]=[０°，１８０°]の時の出力パルスを光パルスＺとすることができる。以下、その理由を説明する。

各位相変調量φ１およびφ２と、出力パルスの出力光強度Ｉ_outとの関係は、数１で表される。なお、Ｉ_inは、入力光パルス２０１の入力光強度である。

数１を用いて、光パルスＳ１、Ｓ２、ＤおよびＺの光強度を計算すると、図２に示したように、光パルスＳ１およびＳ２の光強度は、θに依らず等しくなり、光パルスＺの光強度が常に０になる。また、光パルスＳ１、Ｓ２およびＤの光強度は、パラメータθに応じて変化する。

図３は、パラメータθの変化に対する、光パルスＳおよびＤの光強度と、それらの光強度の比Ｄ／Ｓの変化を示す図である。図３に示されたように、パラメータθの変化に応じて、光強度の比Ｄ／Ｓは連続的に変化するので、パラメータθの値を適宜調整することで、光強度の比Ｄ／Ｓを任意に設定することができる。

また、光パルスＳおよびＤのそれぞれの光強度の絶対値は、光減衰器１０３によって調整されるため、二電極型変調器１０２は、光パルスＳおよびＤの光強度の比のみを調整できれば、量子鍵配付装置は、光パルスＤの光強度を任意にすることができる。

なお、パラメータθは、ＱＫＤシステムに応じて最適値が変動する。例えば、典型的なＱＫＤシステムでは、光パルスＳおよびＤのそれぞれの平均光子数ｓおよびｄは、ｓ＝０．５，ｄ＝０．２程度であるため、光パルスＳおよびＤの光強度の比は、０．４程度になる。この場合、図３にて示されたように、パラメータθを約３７°にすればよい。

また、数１で示されているように、各位相変化量φ１およびφ２は、互いに相対的な値でよいため、上述した値に全て同じパラメータ（定数）を加えたものでもよい。つまり、θおよびＡをパラメータとした場合、駆動回路１０１は、２系統の変調器駆動信号として、各位相変化量がφ１=[Ａ,１８０°−θ＋Ａ]、φ２=[θ＋Ａ，１８０°＋Ａ]となる信号を出力すればよい。

次に動作を説明する。

光源から出射された光パルス列に含まれる複数の光パルスは、二電極型変調器１０２の分岐部１１１に順次入力される。

分岐部１１１に入力された入力光パルスは、分岐部１１１にて２つに分岐され、一方が変調部１１２に出力され、他方が変調部１１３に出力される。そして、各光パルスは、変調部１１２および１１３にて変調器駆動信号に応じて位相変調され、その後、結合部１１４で結合される。結合された光パルスは、出力光パルスとして光減衰器１０３に出力される。出力光パルスは、光減衰器１０３にて光強度の絶対値が調整されて送信される。

このとき、駆動回路１０１は、各位相変化量がφ１=[０°,１８０°−θ]、φ２=[θ，１８０°]となる２系統の変調器駆動信号を、[φ１,φ２]＝[０°，θ]と[φ１,φ２]=[１８０°−θ，１８０°]とが同じ割合になるように変調部１１２および１１３に出力する。

典型的なＱＫＤシステムでは、出力光パルスのうち、光パルスＳが９０％程度、光パルスＤが６％程度、光パルスＺが４％程度であるため、本量子鍵配付装置を典型的なＱＫＤシステムに適用すると、２系統の変調器駆動信号のそれぞれのマーク率は、５１％（＝９０／２＋６）程度および４９％（９０／２＋４）程度となり、５０％に近くなる。

以上説明したように本実施形態によれば、４つの変調状態の出力光パルスの中の２つの変調状態の出力光パルス（光パルスＳ１およびＳ２）の光強度が等しくなるので、２つの変調状態の出力光パルスの両方を信号光として生成することが可能になる。したがって、信号光を生成する２系統の変調器駆動信号の値を２通り設けることが可能になるので、その２通りの値を織り交ぜることで、２系統の変調器駆動信号のマーク率を５０％に近づけることが可能になる。よって、２系統の変調器駆動信号の波形の歪みや最大振幅の減少などを軽減することが可能になり、デコイ法の安全性を向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、光パルスＳ１を生成する２系統の変調器駆動信号と、光パルスＳ２を生成する２系統の変調器駆動信号とでは、値が両系統とも異なるので、信号光を生成する２系統の変調器駆動信号のマーク率を５０％にすることが可能になる。したがって、出力光パルスのうち信号光が占める割合は、通常高いので、２系統の変調器駆動信号の全体のマーク率をより５０％に近づけることが可能になる。よって、デコイ法の安全性をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、光パルスＳ１およびＳ２が同じ割合で生成されるので、信号光を生成する２系統の変調器駆動信号のマーク率を５０％にすることが可能になり、２系統の変調器駆動信号の全体のマーク率をより５０％に近づけることが可能になる。よって、デコイ法の安全性をより向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、信号光とは異なる状態の出力光パルスのうち、一方の出力光パルスの光強度が０になり、他方の出力光パルスの光強度と信号光の光強度との比が任意になるため、典型的なＱＫＤシステムで使用される光パルスＤおよび光パルスＺを生成することが可能になり、本量子鍵配付装置を典型的なＱＫＤシステムに適用することが可能になる。したがって、出力光パルス列を受信する受信装置の構成などを変更する必要がないため、汎用性を高くしつつ、デコイ法の安全性を向上させることが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

例えば、二電極型変調器１０２の代わりに、２台の位相変調器を並列に接続させた構成を有するものが用いられてもよい。この場合、２台の位相変調器の前段に分岐部１１１が設けられ、２台の位相変調器の後段に結合部１１４が設けられる。

１０１駆動回路
１０２二電極型変調器
１０３光減衰器
１１１分岐部
１１２、１１３変調部
１１４結合部

Claims

２系統の２値信号を出力する駆動回路と、
入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルスのそれぞれに対して、前記２系統の２値信号に応じた強度変調を行って、４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して出力する変調器と、を有し、
前記駆動回路は、前記２系統の２値信号として、前記４つの変調状態の出力光パルスの中の、光強度が等しい２つの変調状態の出力光パルスが同じ割合で生成される信号であって、各系統で同時に値が変更される信号を出力する、量子鍵配付装置。
前記２つの変調状態の一方の出力光パルスを生成する前記２系統の２値信号と、前記２つの変調状態の他方の出力光パルスを生成する前記２系統の２値信号とでは、値が両系統とも異なる、請求項１に記載の量子鍵配付装置。
前記駆動回路は、前記２系統の２値信号として、前記２つの変調状態の出力光パルスである等強度光パルスとは異なる出力光パルスのうち、一方の出力光パルスの光強度が０になり、他方の出力光パルスの光強度と前記等強度光パルスの光強度との比が各２値信号の値に応じて変化する２系統の信号を出力する、請求項１または２に記載の量子鍵配付装置。
前記変調器は、
前記複数の入力光パルスのそれぞれを２つに分岐する分岐部と、
前記複数の入力光パルスのそれぞれについて、前記分岐部にて分岐された各光パルスを、各２値信号で位相変調して出力する２つの変調部と、
前記複数の光パルスのそれぞれについて、各変調部から出力された各光パルスを結合することで、前記出力光パルス列を生成して出力する結合部と、を有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の量子鍵配付装置。
前記駆動回路は、Ａおよびθをパラメータとし、各変調部の位相変調にて変化する光パルスの位相の大きさのそれぞれをφ１およびφ２とした場合、前記２系統の２値信号として、φ１をＡまたは１８０°−θ＋Ａとし、φ２をθ＋Ａまたは１８０°＋Ａとする信号を出力する、請求項４に記載の量子鍵配付装置。
２系統の２値信号を出力する第１ステップと、
入力光パルス列に含まれる複数の入力光パルスのそれぞれに対して、前記２系統の２値信号に応じた強度変調を行って、４つの変調状態の出力光パルスを含む出力光パルス列を生成して出力する第２ステップと、を有し、
前記第１ステップでは、前記２系統の２値信号として、前記４つの変調状態の出力光パルスの中の、光強度が等しい２つの変調状態の出力光パルスが同じ割合で生成される信号であって、各系統で同時に値が変更される信号を出力する、量子鍵配付方法。