JP5992132B1

JP5992132B1 - 量子暗号装置および信号光の偏波補償方法

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Publication number: JP5992132B1
Application number: JP2016522819A
Authority: JP
Inventors: 健志浅井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: WO2017064749A1; JPWO2017064749A1

Abstract

送信側干渉計（１３）を有する送信機（１０）と、受信側干渉計（２２）を有する受信機（２０）との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置において、受信側干渉計（２２）の温度が、受信側干渉計（２２）の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整するように構成するとともに、受信側干渉計（２２）の導波路に圧力を付与することで、偏波無依存温度を調整するように構成する。

Description

本発明は、受信機の受信側干渉計の導波路に圧力を付与する圧力付与機構を備えた量子暗号装置、および量子暗号装置に適用される信号光の偏波補償方法に関するものである。

量子暗号を行うと、通信を行う送受信機間で秘密鍵を共有することができる。しかしながら、伝送路中で信号光にノイズが加わり、偏光状態がランダムに変化すると、光学系の干渉明瞭度が劣化し、結果として、装置性能が低下する。なお、装置性能とは、例えば、秘密鍵の生成速度または通信距離などの性能である。

そこで、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することで装置性能の低下を抑えることを実現するための手法が提案されている。具体的には、このような干渉明瞭度の劣化を防ぐためには、信号光の偏波補償を行うこととなる。

従来の偏波補償方式の１つとしては、非対称Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を受信側干渉計として使用し、受信側干渉計において、導波路の複屈折率を制御することで、導波路長差をビート長の整数倍となるように適切に調整する方式がある（例えば、非特許文献１参照）。なお、ビート長とは、入射した光の偏光状態が再び同一の偏光状態に戻るまでの距離である。複屈折率の制御は、例えば、ヒーター等で受信側干渉計の導波路の温度を調整することで実現される。

Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ．ｅｔａｌ．「Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｖｅｒ１５０ｋｍＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＵｓｉｎｇＳｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｏｐｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓｆｏｒＱｕａｎｔｕｍＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．９Ａ／Ｂ，２００４，ｐｐ．Ｌ１２１７−Ｌ１２１９

本発明者は従来技術の課題について検討した結果、次のような課題に着目した。量子暗号装置の通信速度を大きくするためには、量子暗号装置の駆動周波数を大きくする必要がある。しかしながら、量子暗号装置の駆動周波数を大きくするのに従って、受信側干渉計の導波路長差を大きくする必要がある。

したがって、受信側干渉計において、複屈折率を制御するために温度を調整するように構成する場合、導波路長差をビート長の整数倍にするのに必要な温度が、受信側干渉計で設定可能な許容温度範囲内に存在しない可能性がある。その結果、受信側干渉計において、導波路長差をビート長の整数倍にすることができず、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することができない。

このように、量子暗号装置において、通信速度の高速化と、光学系の干渉明瞭度の劣化の抑制とを両立することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、通信速度を高速化しつつ、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することのできる量子暗号装置および信号光の偏波補償方法を得ることを目的とする。

本発明における量子暗号装置は、送信側干渉計を有する送信機と、受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置であって、受信側干渉計の温度が、受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整可能な温度調整部と、受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、偏波無依存温度を調整する圧力付与機構と、を備え、圧力付与機構は、偏波無依存温度が受信側干渉計の許容温度範囲内に収まるように受信側干渉計の導波路に圧力を付与するものである。

また、本発明における信号光の偏波補償方法は、送信側干渉計を有する送信機と、受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置に適用される信号光の偏波補償方法であって、受信側干渉計の温度が、受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整するステップと、受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、偏波無依存温度を調整するステップと、を備え、偏波無依存温度を調整するステップでは、偏波無依存温度が受信側干渉計の許容温度範囲内に収まるように受信側干渉計の導波路に圧力を付与するものである。

本発明によれば、送信側干渉計を有する送信機と、受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置において、受信側干渉計の温度が、受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整するように構成するとともに、受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、偏波無依存温度を調整するように構成する。これにより、通信速度を高速化しつつ、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することのできる量子暗号装置および信号光の偏波補償方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における量子暗号装置を示す構成図である。本発明の実施の形態１における受信側干渉計を示す構成図である。

以下、本発明による量子暗号装置、および量子暗号装置に適用される信号光の偏波補償方法を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施の形態１では、送信側干渉計を有する送信機と受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された２連光パルスを用いた通信を行う量子暗号装置に対して本願発明を適用した場合を例示する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における量子暗号装置を示す構成図である。図１において、量子暗号装置は、送信機１０、受信機２０および伝送路３０を備える。送信機１０および受信機２０は、伝送路３０を介して接続されている。伝送路３０としては、例えば、光ファイバを用いることができる。

ここで、送信機１０および受信機２０の各構成要素の詳細について説明する前に、本発明者が着目した従来技術の課題について説明する。

まず、量子暗号装置の駆動周期τ₁と、量子暗号装置に用いられる干渉計の遅延量τ₂の関係について説明する。送信機の光源から出力される信号光の駆動周期τ₁は、量子暗号装置の駆動周波数νを用いて、以下の式（１）で表される。

また、干渉計の遅延量τ₂は、干渉計におけるロングアーム（Ｌｏｎｇａｒｍ）に相当する導波路とショートアーム（Ｓｈｏｒｔａｒｍ）に相当する導波路との差である導波路長差ΔＬと、真空中の光速度ｃと、干渉計の導波路の屈折率ｎとを用いて、以下の式（２）で表される。

ここで、量子暗号装置の送受信機間で通信を行うためには、隣接するビット間で信号光が重なってはいけない。すなわち、図１で例示するように、信号光ａと、信号光ｂとが重なってはいけない。したがって、駆動周期τ₁と遅延量τ₂との間で、以下の式（３）の関係を満たさなければならない。

量子暗号装置の通信速度を高速化するために駆動周波数νを高くする場合、駆動周期τ₁が小さくなるので、式（３）を満たすように遅延量τ₂も小さくする必要がある。また、遅延量τ₂を小さくするには、式（２）から分かるように導波路長差ΔＬを小さくする必要がある。

ここで、受信側干渉計で信号光が干渉する際の、ＴＥ偏波の位相φ_TEおよびＴＭ偏波の位相φ_TMが以下の式（４）を満たすとき、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波の干渉度合いが同じになる。換言すると、導波路長差ΔＬがビート長の整数倍のとき、式（４）を満たす。

干渉計の導波路の温度Ｔを考慮したＴＥ偏波の屈折率ｎ_TE（Ｔ）およびＴＭ偏波の屈折率ｎ_TM（Ｔ）と、導波路長差ΔＬと、各偏波の波長λとを用いると、式（４）は、以下の式（５）のように変形することができる。また、式（５）は、以下の式（６）のように変形することができる。

複屈折率Ｂは、以下の式（７）のように定義され、式（７）に式（６）を代入すると、複屈折率Ｂは、以下の式（８）のように表される。

ここで、複屈折率Ｂを、定数Ｂ₀およびαを用いて、温度Ｔの一次の項まで展開すると、以下の式（９）のように表される。

また、式（９）に式（８）を代入すると、温度Ｔは、以下の式（１０）のように表される。式（１０）において、ｍは整数であるので、式（４）を満たすときの温度Ｔは、以下の式（１１）で示す温度幅ΔＴ_piの間隔で離散的となる。

このように、式（４）を満たすときの温度Ｔ、すなわち、受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度は、温度幅ΔＴ_piの等間隔でとびとびの値をとる。換言すると、偏波無依存温度がとりうる値は、温度幅ΔＴ_piの間隔で離散的となる。また、式（１１）から分かるように、温度幅ΔＴ_piは、導波路長差ΔＬに対して反比例する。すなわち、温度幅ΔＴ_piと、導波路長差ΔＬとの関係は、以下の式（１２）のように表される。

ここで、干渉計を極端に高温に設定する場合、または極端に低温に設定する場合、干渉計に使用されている部材等が破損してしまう。そのため、通常、干渉計で設定可能な許容温度範囲には、上限値および下限値が存在し、下限値から上限値までの温度範囲が許容温度範囲となる。

また、この許容温度範囲内の下限値から上限値までの温度幅ΔＴ_sと、温度幅ΔＴ_piとの関係ついて、ΔＴ_pi＞ΔＴ_sの場合、偏波無依存温度は、離散的な値であるので、干渉計の許容温度範囲内に存在しないことがある。

以上の考察をまとめると、従来技術においては、量子暗号装置の通信速度を高速化するために導波路長差ΔＬを小さくした場合、式（１２）から分かるように、温度幅ΔＴ_piが大きくなる。また、温度幅ΔＴ_piが大きくなるにしたがって、偏波無依存温度が干渉計の許容温度範囲内に存在しない場合が生じうる。この場合、干渉計の温度を、導波路長差ΔＬをビート長の整数倍にするのに必要な偏波無依存温度に設定することができず、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することができない。

このように、従来技術では、量子暗号装置において、通信速度の高速化と、光学系の干渉明瞭度の劣化の抑制とを両立することが困難であるという問題がある。

これに対して、本発明では、受信機の受信側干渉計の導波路に圧力を付与する圧力付与機構を備えて構成することで、通信速度を高速化しつつ、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することができる。

次に、送信機１０および受信機２０の各構成要素の詳細について説明する。
＜送信機１０の説明＞
送信機１０は、光源１１、光減衰器１２、送信側干渉計１３および送信側位相変調器１４を有する。

送信機１０では、まず光源１１から光パルスが発せられる。この光パルスは、光減衰器１２を通過することで、１パルスあたりの光の強度を単一光子レベルにまで減光する。信号光の光強度は、送信機１０から出力される際に単一光子レベルになっていればよいので、光減衰器１２は、送信側干渉計１３の後段、または送信側位相変調器１４の後段に配置してもよい。

光パルスは、次に、送信側干渉計１３の入力ポートＩｎ１へと入射し、送信側干渉計１３の内部で２つの光パルスに分割される。それぞれの光パルスの一方は、第１の導波路に相当するロングアームを伝播し、他方は、第１の導波路よりも導波路長の短い第２の導波路に相当するショートアームを伝播した後、さらに２つずつに分割され、送信側干渉計１３の出力ポートＯｕｔ１およびＯｕｔ２から、時間的に離れた２連光パルスが出力される。

ここで、送信側干渉計１３内部の温度は、ヒーター等を用いることによって、一定に保っておく必要がある。これは、上述した２連光パルス間の遅延量を一定に保っておくことに相当し、遅延量が一定でない場合、光学系の干渉明瞭度が減少する。

また、送信側干渉計１３の出力ポートＯｕｔ２から出力された２連光パルスは、以降使用されない。続いて、出力ポートＯｕｔ１から出力された２連光パルスは、送信側位相変調器１４へと入射する。

送信側位相変調器１４では、２連光パルスの間に相対的な位相差を付加する。与える位相変調量φ_Aは、例えば、（−π／２，０，π／２，π）の４つの変調量のいずれか１つをランダムに選択したものとする。送信側位相変調器１４には、その内部に偏光子を含むものを使用してもよいが、送信側位相変調器１４の出力の後に別途、偏光子を配置してもよい。最後に、送信側位相変調器１４から出力された２連光パルスは、伝送路３０へと入射する。

＜受信機２０の説明＞
受信機２０は、受信側位相変調器２１、受信側干渉計２２、第１の光子検出器２３および第２の光子検出器２４を有する。

受信機２０では、まず伝送路３０から出力された２連光パルスが受信側位相変調器２１へと入力される。受信側位相変調器２１では、送信側位相変調器１４の動作と同様に、２連光パルスの間に相対的な位相差を付加する。

与える位相変調量φ_Bは、例えば、（−π／２，０，π／２，π）のいずれかをランダムに選択したものとする。受信側位相変調器２１で与える位相変調量φ_Bは、本来ならば、（０，π／２）からランダムに選択したものとすればよい。

次に、受信側位相変調器２１から出力された２連光パルスは、受信側干渉計２２の入力ポートＩｎ１へと入射する。送信側干渉計１３の動作と同様に、２連光パルスのそれぞれが２つのパルスずつに分割され、一方が第１の導波路に相当するロングアーム２２１を伝播し、他方が第１の導波路よりも導波路長の短い第２の導波路に相当するショートアーム２２２を伝播した後、受信側干渉計２２の出力ポートＯｕｔ１およびＯｕｔ２に出力される。

このとき、送信側干渉計１３と同様に受信側干渉計２２の内部の温度も一定に保ち、かつ、送信側干渉計１３で生じた２連光パルス間の遅延量と同じ分の遅延量を生じさせる温度に設定する。このように構成することで、ロングアーム２２１を伝播したパルスのうちの前方のパルスと、ショートアーム２２２を伝播したパルスのうちの後方のパルスが干渉し、３連光パルスとなって出力される。

干渉した光パルス、すなわち、３連光パルスの真ん中のパルスが、受信側干渉計２２の出力ポートＯｕｔ１およびＯｕｔ２のどちらから出力されるかは、送信側位相変調器１４で付加される位相変調量φ_Aと、受信側位相変調器２１で付加される位相変調量φ_Bとで決まる。

さらに、ここで設定する受信側干渉計２２内部の温度を、後述するように、偏波無依存温度となるように適切な値に設定することで、干渉の状態が入射する光パルスの偏光状態に依存しないようにすることができる。

最後に、受信側干渉計２２から出力された３連光パルスのうちの真ん中のパルスが、第１の光子検出器２３または第２の光子検出器２４にて検出される。

次に、受信側干渉計２２の詳細について、図２を参照しながらさらに説明する。図２は、本発明の実施の形態１における受信側干渉計２２を示す構成図である。

図２において、受信側干渉計２２は、第１の導波路に相当するロングアーム２２１と、第１の導波路よりも導波路長の短い第２の導波路に相当するショートアーム２２２と、ロングアーム２２１に圧力を付与する第１の圧力付与機構２２３と、ショートアーム２２２に圧力を付与する第２の圧力付与機構２２４とを含んで構成される。

なお、第１の圧力付与機構２２３および第２の圧力付与機構２２４は、例えば、圧電素子を用いて構成することができる。

受信側干渉計２２では、受信側干渉計２２の温度を調整可能な温度調整部（図示せず）によって、ロングアーム２２１のおよびショートアーム２２２の複屈折率を制御することで、ロングアーム２２１とショートアーム２２２との導波路長差がビート長の整数倍となるように適切に調整する。すなわち、温度調整部によって、受信側干渉計２２の温度が、受信側干渉計２２の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整を行う。なお、ビート長とは、上述のとおり、入射した光の偏光状態が再び同一の偏光状態に戻るまでの距離である。

ここで、受信側干渉計２２において、導波路長差がビート長の整数倍となっていると、信号光におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波との干渉状態が一致する。すなわち、伝送路３０の偏波変動に起因した任意の偏波状態の信号光が、受信側干渉計２２へ入射しても、干渉明瞭度の劣化を抑制することができる。

ただし、上述のとおり、量子暗号装置の通信速度を高速化するために駆動周波数を高速化し続けると、これに伴って、受信側干渉計２２の導波路長差が小さくする必要があり、その結果、温度幅ΔＴ_piが大きくなってしまう。つまり、受信側干渉計２２の導波路長差が小さくすると、受信側干渉計２２の許容温度範囲内に、離散的な値をとる偏波無依存温度が存在しない可能性が大きくなる。また、受信側干渉計２２の許容温度範囲内に偏波無依存温度が存在しない場合には、受信側干渉計２２の温度を偏波無依存温度に設定することができないので、その結果、受信側干渉計２２の導波路長差がビート長の整数倍となるように調整することができない。

これに対して、本発明者は、このような課題を鋭意検討した結果、ロングアーム２２１およびショートアーム２２２の少なくとも一方の導波路を圧縮するための圧力を付与することで、受信側干渉計２２の導波路長差の大きさによらず、偏波無依存温度を変化させることができることを見出した。また、導波路に付与する圧力の値によって、偏波無依存温度をどの程度変化させるかを調整することができる。したがって、導波路に付与する圧力の値を制御すれば、受信側干渉計２２の導波路長差の大きさによらず、受信側干渉計２２の許容温度範囲内に偏波無依存温度が存在するようにすることができる。

続いて、導波路に圧力を付与することで偏波無依存温度が変化するメカニズムについて説明する。ここで、物体に圧力を付与することで複屈折率が変化する性質を光弾性という。本願発明では、この光弾性による効果を利用している。

つまり、導波路に圧力を付与することで、導波路の光弾性によって複屈折率が変化する。具体的には、式（９）における右辺のＢ₀が変化する。

また、複屈折率が変化すると、ビート長が変化するので、その結果、偏波無依存温度も変化する。具体的には、式（１０）における右辺のＢ₀が変化するので、それに伴い、左辺のＴも変化する。

そこで、このような知見を踏まえ、第１の圧力付与機構２２３および第２の圧力付与機構２２４を受信側干渉計２２に設け、ロングアーム２２１およびショートアーム２２２の少なくとも一方に圧力を付与するように構成している。

このように構成することで、ロングアーム２２１およびショートアーム２２２の少なくとも一方に圧力を付与することが可能となり、導波路に付与する圧力の値を制御することで、複屈折率を制御し、受信側干渉計２２の許容温度範囲内に偏波無依存温度が存在するようにすることができる。したがって、受信側干渉計２２の導波路長差がビート長の整数倍となるように調整する際に、第１の圧力付与機構２２３および第２の圧力付与機構２２４を制御することで、受信側干渉計２２の導波路長差によらず、受信側干渉計２２の温度を偏波無依存温度に設定することができる。

なお、ここでは、第１の圧力付与機構２２３および第２の圧力付与機構２２４を圧力付与機構として設ける場合を例示した。しかしながら、第１の圧力付与機構２２３および第２の圧力付与機構２２４のいずれかを圧力付与機構として設け、ロングアーム２２１およびショートアーム２２２のいずれかの導波路に圧力を付与するように構成してもよい。

以上、本実施の形態１によれば、送信側干渉計を有する送信機と受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置において、受信側干渉計の温度が、受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整可能な温度調整部と、受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、偏波無依存温度を調整する圧力付与機構と、を備えて構成する。

このような構成を実現することで、受信側干渉計の導波路長差によらず、偏波無依存温度が受信側干渉計の許容温度範囲内に収まるように、圧力付与機構で受信側干渉計の導波路に付加される圧力の値を制御することができる。また、このような構成を備えた量子暗号装置において、通信速度を高速化しつつ、光学系の干渉明瞭度の劣化を抑制することが可能となり、秘密鍵の共有速度を高めることができる。

Claims

送信側干渉計を有する送信機と、受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置であって、
前記受信側干渉計の温度が、前記受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整可能な温度調整部と、
前記受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、前記偏波無依存温度を調整する圧力付与機構と、
を備え、
前記圧力付与機構は、
前記偏波無依存温度が前記受信側干渉計の許容温度範囲内に収まるように前記受信側干渉計の導波路に圧力を付与する
量子暗号装置。
前記圧力付与機構は、
前記受信側干渉計の導波路を構成するロングアームおよびショートアームの少なくとも一方に圧力を付与する
請求項１に記載の量子暗号装置。
前記圧力付与機構は、圧電素子を用いて構成される
請求項１または２に記載の量子暗号装置。
送信側干渉計を有する送信機と、受信側干渉計を有する受信機との間で量子暗号処理された通信を行う量子暗号装置に適用される信号光の偏波補償方法であって、
前記受信側干渉計の温度が、前記受信側干渉計の導波路長差をビート長の整数倍とする偏波無依存温度となるように温度調整するステップと、
前記受信側干渉計の導波路に圧力を付与することで、前記偏波無依存温度を調整するステップと、
を備え、
前記偏波無依存温度を調整するステップでは、
前記偏波無依存温度が前記受信側干渉計の許容温度範囲内に収まるように前記受信側干渉計の導波路に圧力を付与する
信号光の偏波補償方法。