JP6049153B2 - 受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置に関し、より詳細には、空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モードの測定を行う測定装置に関する。

空間的には分離されていて、時間的にはほぼ同一の複数の光モードの測定をおこなう必要があるタスクの例として、量子暗号方式による受信装置があげられる。この受信装置では、送信装置から入力された光を変調して得られる時間的にはほぼ同一で空間的に分離された複数の光モードを、複数の観測装置でそれぞれ測定することにより、送信装置から入力された情報を取得する。このようなタスクにおいては、各々の観測装置の測定特性の同一性は、高いレベルで要求されている。

量子暗号方式は、量子通信を使って、第三者と相関の無いビット列を、送受信者の間に、ランダムに供給するプロトコルの総称である。量子暗号方式においては、数々の種類のプロトコルが提案され、実装実験もなされている。そのうちの多くのプロトコルにおいては、装置に不完全がない場合には、無条件に安全である事が示されている。すなわち、物理法則的に許される全ての操作を実行可能な第三者に対して、無相関となることが保障されている。次のような能力を持った盗聴者を想定した場合、すなわち、
１）送受信されている光に対しては、任意の操作ができる、
２）送受信者の装置構成を知っている、
３）送受信者の内部状態（乱数を使って生成した状態、観測結果等）を知りえない 場合を想定すると、量子暗号の安全性は、送受信者の測定が理想化されたデバイスと考えてよいと仮定した場合に証明されたものである。

しかしながら、現実的に、これらのプロトコルを実装しようとした場合、理想的なモデルとのずれから、数々の欠陥の可能性が指摘されている。受信装置における複数の観測装置（光子検出器）の特性にばらつきがあると、このばらつきを利用することにより、盗聴者が検出器の挙動をある程度制御できてしまうという問題が指摘されている。

このような欠陥に対処する方法として、例えば、非特許文献１においては、２つの方法が提示されている。第１の方法は、どのようなばらつきがあるかを正しく認識し、そのばらつきによって生じる情報漏洩を排除するのに十分な秘匿性を得るために、余分に秘匿性の増強を行うことである。第２の方法は、新たな乱数を使用して位相を変調し、検出器を対称化することにより、実効的に測定特性を均一にすることである。

Chi-Hang Fred Fung, Kiyoshi Tamaki, Bing Qi, Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma, "Security proof of quantum key distribution with detection efficiency mismatch" Quantum Information and Computation, vol. 9, pp. 0131-0165 (2009)

しかしながら、非特許文献１における第１の方法は、ばらつきを正しく認識することを要求しているため、認識できていないばらつきが存在する場合には、十分な秘匿性を得ることができない。また、第２の方法は、新たにランダムなビットというリソースを利用する必要があり、余分なデータ処理を必要とする。さらに、２つの方法は、使用する状況、入力光の特徴に強く依存した方法であり、上記の欠陥に対処する方法として、一般的な解決方法にはなりえていない。

図１に、従来の受信装置の構成を示す。受信装置１０は、送信装置からの光（参照光および位相変調光）を５０：５０で２つのアームに分岐するビームスプリッタＢＳ２と、２つのアームのうちの長い方のアームに挿入されたミラーＭ１，Ｍ２とにより、時間差τの
光路差を有する干渉計を構成する。また、受信装置１０は、長い方のアームの光の位相を変調する位相変調器１１と、２つのアームからの光を５０：５０で合波するビームスプリッタＢＳ１と、ビームスプリッタＢＳ１からの光を観測する測定装置１２とを備えている。測定装置１２は、２つの光モードを受け入れる入力ポートＰ１と入力ポートＰ２と、それぞれの入力ポートに入力された光モードを観測する観測装置（光子検出器）１３，１４とを備えている。

送信装置から入力ポートＰ３に、参照光が入力され、さらに時間差τの後、位相変調光が入力される。送信装置からの２つの連続する参照光と位相変調光とは、５０：５０のビームスプリッタＢＳ２で分岐される。最初に、参照光が入射し、ビームスプリッタＢＳ２により分岐され、干渉計の長いアームと短いアームを通る。分岐した参照光のうち干渉計の長い方のアームを通った光は、時間差τの遅延を受け、位相変調器１１で２値｛０，−δ｝のどちらかに、確率１／２でランダムに位相変調される。

参照光に続いて位相変調光が入射すると、位相変調光も、ビームスプリッタＢＳ１によって分岐され、干渉計の長いアームと短いアームを通る。干渉計の２つのアームからの光は、５０：５０のビームスプリッタＢＳ１で合波される。従って、時間差τで入力された２連続パルスは、ビームスプリッタＢＳ１で合波された後、
（第１スロット）短いアームを通る参照光、
（第２スロット）長いアームを通る参照光および短いアームを通る位相変調光、
（第３スロット）長いアームを通る位相変調光、の３つの時間スロットにおいて測定装置１２に入射される。

第１スロットと第２スロットとの間隔、および第２スロットと第３スロットとの間隔は、それぞれ時間差τである。ここで、第１スロットと第３スロットにおいて、測定装置１２に入射された参照光と位相変調光のそれぞれの観測結果は破棄し、参照光と位相変調光が干渉する第２スロットでの観測結果を、受信信号として利用する。

参照光と位相変調光の位相差によって、入力ポートＰ１を通過して光子検出器１３で観測される光モードと、入力ポートＰ２を通過して光子検出器１４で観測される光モードとが異なる。従って、それぞれの光子検出器１３，１４の出力から、送信された情報が０，１のどちらであるかを知ることができる。

この例において、「空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モード」とは、第２スロットにおいて、入力ポートＰ１と入力ポートＰ２をそれぞれ時間的にほぼ同時に通過する２つの光モードである。入力ポートＰ１と入力ポートＰ２とを時間的にほぼ同時に通過する２つの光モードを、まとめて１つの「シグナル」と呼ぶことにする。このように、従来の方法では、測定装置１２に入力されたシグナルに含まれる複数の光モー
ドを、空間的に離れた位置に配置された別々の光子検出器により、時間的にほぼ同時に観測していた。この方法では光子検出器１３と光子検出器１４の特性の差（ばらつき）、特に量子効率の差によって盗聴される恐れがある。

本発明の目的は、空間的に分離した複数の光モードを、同一の測定装置で観測できるように変換することにより、測定特性が均質化された観測を実現することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モードの測定を行う測定装置において、入力された複数の光モードを、空間的に同一で時間的に分離した複数の光モードに変換する変換装置と、
該変換装置から出力された各々の光モードを観測する観測装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モードを、空間的に同一で時間的に分離した複数の光モードに変換する。これにより、同一の観測装置により複数の光モードを観測できるので、光モード毎の測定特性の測定特性を均質化を図ることができる。

従来の受信装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１にかかる受信装置の構成を示す図である。 本発明の実施例２にかかる受信装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３にかかる測定装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。「空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モード」を、線型光学素子を利用すること等により、空間的に同一で時間的に分離した複数の光モードに変換する。これにより、同一の観測装置（光子検出器）により複数の光モードを観測できるので、光モード毎の測定特性の不均一が生じない。

図２に、本発明の実施例１にかかる受信装置の構成を示す。受信装置２０は、送信装置からの光（参照光および位相変調光）を５０：５０で２つのアームに分岐するビームスプリッタＢＳ２と、２つのアームのうちの長い方のアームに挿入されたミラーＭ１，Ｍ２とにより、時間差τの光路差を有する干渉計を構成する。また、受信装置２０は、長い方のアームの光の位相を変調する位相変調器２１と、２つのアームからの光を５０：５０で合波するビームスプリッタＢＳ１と、ビームスプリッタＢＳ１からの光を観測する測定装置２２とを備えている。

ここで、測定装置２２の入力ポートＰ１と入力ポートＰ２とを時間的にほぼ同時に通過する２つの光モードを、まとめて１つの「シグナル」と呼ぶことにする。つまり、１つのシグナルは、「空間的には分離されていて時間的にほぼ同一の複数の光モード」からなる
信号とする。測定装置２２は、１つの「シグナル」を構成する２つの光モードのそれぞれが入力される入力ポートＰ１と入力ポートＰ２とを備え、「空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モード」を、空間的に同一で時間的に分離した複数の光モードに変換する変換装置と、変換装置から出力された各々の光モードを観測するための観測装置である光子検出器Ａ（２３）および光子検出器Ｂ（２４）とを備えている。

実施例１の変換装置は、線型光学素子からなり、入力された２つの光モードのうちのいずれか一方が通る光路の光路長を変換するミラーＭ３，Ｍ４と、２つの光モードが通る光路の光を合波するビームスプリッタＢＳ３とを含む。入力ポートＰ１を通過した光モードが光子検出器で観測される時刻を基準として、時間Ｔの遅延の後、同じ光子検出器において、入力ポートＰ２を通過した光モードを観測できるようにする。すなわち、複数の光モードの各々が通る光路のうち、いずれか一方の光モードが通る光路の光路長を変換して、他方の光モードが観測装置に到達してから、所定の時間差（Ｔ）の後、一方の光モードが
同一の観測装置に到達するように構成する。

入力ポートＰ１を通過した光が光子検出器Ａに到達するまでに要する時間Ｔ（１，Ａ）と、入力ポートＰ２を通過した光が２つのミラーＭ３，Ｍ４により反射されて光子検出器Ａに到達するまでに要する時間Ｔ（２，Ａ）とすると、Ｔ（２，Ａ）−Ｔ（１，Ａ）＝Ｔとなるように、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ３、ミラーＭ３，Ｍ４の間隔を設定する。

なお、「入力ポートＰ１を通過した光モード」と「入力ポートＰ２を通過した光モードとを「ビームスプリッタＢＳ１を通過した光モード」と読み替えてもよい。また、「光子検出器Ａに到達するまでに要する時間」と「光子検出器Ｂに到達するまでに要する時間」とを、「ビームスプリッタＢＳ３に到達するまでに要する時間」と読み替えてもよい。

結果として、光子検出器Ａ、Ｂともに、入力ポートＰ１を通過した光が入射された後、時間差Ｔで入力ポートＰ２を通過した光が入射されるので、入力された複数の光モードが同一の光子検出器に所定の時間差で入力される。つまり、光子検出器Ａ、Ｂのそれぞれには、入力ポートＰ１を通過する光モードと入力ポートＰ２を通過する光モード（空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モード）とが、空間的に同一で時間的に分離された光に変換され、入力される。

時間差Ｔは、干渉計の時間差τと異なるように設定し、それぞれの光子検出器で検出したタイミングによってどの入力ポートから光が入力されたかを識別できるようにする。ただし、測定装置２２に常に光が入る可能性があると、検出したタイミングだけでは２つの光のどちらの光が入力されたかを決定することができない。そこで、何らかの方法で、測定装置２２に光が入ってくる時間が限られていることを保証する必要がある。このことを保証する方法はどのような方法であっても良い。例えば、入力ポートＰ３の透過率を時間的に変化させて、異なるシグナルがある一定の時間間隔よりも短い間隔で入力されること
を妨げてもよいし、入力ポートＰ１，Ｐ２の透過率を時間的に変化させても良い。

光子検出器の特性が時間変化する場合、例えば、光子検出器に対して駆動電圧が周期的に印加されている場合には、別途満たすべき条件がある。この時間変化の周期をｔ_０とした場合、時間差Ｔはｔ_０の整数倍である必要がある。このことは、測定特性の均質化を高度に要求される場合には非常に重要である。光路差を正確に設定する手段は、単純に精度の良い設計をするなどして、実際に時間特性を均質化するだけでなく、光子検出器の時間的な特性を与える要因、例えば駆動電圧の周期を不均一にするなど、実効的に時間特性を
均質化する手段を実施することもできる。

なお、実施例１では、変換装置が線型光学素子により構成されているため、時間差Ｔは異なるシグナルに対して一定（固定）であるが、必ずしも時間差Ｔは異なるシグナルに対して一定である必要はない。１つのシグナルに含まれる複数の光モードが、同一の観測装置に異なる時刻に到達するように変換すれば、その時間差に制限はなく、シグナルごとに異なる時間差で到達するよう変換されてもよい。

図３に、本発明の実施例２にかかる受信装置の構成を示す。実施例１の受信装置との相違は、測定装置３２である。測定装置３２は、１つの光子検出器Ａ（３３）のみを備えている。実施例１では、光子検出器Ａと光子検出器Ｂには同じ光が入射されるので、何れか一方だけでも情報を得ることは可能である。光子検出器を１つにすると、光子検出の性能（精度）は実施例１に比べて半減するものの、測定特性のばらつきをなくすという機能に対しては何ら影響を及ぼさない。そのため、測定性能の半減がタスクの実現に対して大きな影響を及ぼさない場合においては、測定装置の構成要素が減ることによる装置コストの
低減効果がある。

次に、４つの入力ポートから４つの光モードが入力される測定装置を考える。従来は、４つの入力ポートのそれぞれに４つの観測装置（光子検出器Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が備えられ、４つの光モードはそれぞれ異なる光子検出器によって観測されていた。このような測定装置が実装される例としては、受動的基底選択のＢＢ８４などの受信装置がある。受信装置における測定装置以外の構成は、発明の実施形態との関係においては重要ではないので省略する。

図４に、本発明の実施例３にかかる測定装置の構成を示す。測定装置４２は、４つの入力ポートＰ１〜Ｐ４と、入力光を５０：５０で分岐する４つのビームスプリッタＢＳ１〜ＢＳ４と、変換装置を構成するミラーＭ１〜Ｍ４と、４つの観測装置（光子検出器Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）４３〜４６とを備えている。

入力ポートＰ１、Ｐ２から入力された光は、ビームスプリッタＢＳ１で合波され、入力ポートＰ３、Ｐ４から入力された光は、ビームスプリッタＢＳ２で合波される。ビームスプリッタＢＳ１の一方の出力とビームスプリッタＢＳ２の一方の出力とが、ビームスプリッタＢＳ３で合波され、ビームスプリッタＢＳ１の他方の出力とビームスプリッタＢＳ２の他方の出力とが、ビームスプリッタＢＳ４で合波される。ビームスプリッタＢＳ３、ＤＳ４の２つの出力には、それぞれ、光子検出器Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで（４３〜４６）が接続さ
れている。

このとき、入力ポートｎ∈｛１，２，３，４｝に入力された光が、光子検出器α∈｛１，２，３，４｝に到達するまでの時間を、Ｔ（ｎ，α）とするとき、ｎ≠ｎ’ならば、Ｔ（ｎ，α）≠Ｔ（ｎ’，α）となるように設計する。また、入力光は、実施例１および実施例２と同様に、何らかの方法により、観測装置における観測のタイミングにおいて、どの入力ポートから入力されたのか識別できるように、測定装置に光が入ってくる時間が限られていることを保証する措置がとられている。例えば、異なるシグナルの時間差が所定の値
ｍａｘ_{ｎ，ｎ’，α}｜Ｔ（ｎ，α）−Ｔ（ｎ’，α）｜
以上であること、すなわち所定の値よりも短い間隔では、異なるシグナルが入力しないことが保証できる措置をとるものとする。なお、ここでの１つのシグナルは、測定装置の入力ポートＰ１〜Ｐ４に、時間的にほぼ同時に入力される光モードの集合からなる信号であ
る。

さらに、光子検出器の測定特性に時間変化があり、この時間変化の周期をｔ_０とした場合には、
Ｔ（ｎ，α）−Ｔ（ｎ’，α）
はｔ_０の整数倍である必要がある。光路差を正確に実装することの重要性と、その実現手段については、実施例１と同様である。

（他の実施形態）
入力ポートの数が２と４の場合において、「空間的には分離されていて時間的にはほぼ同一の複数の光モード」を、空間的に同一で時間的に分離した複数の光モードに変換する方法を述べた。これにより、同一の観測装置（光子検出器）により複数の光モードを観測できるので、光モード毎の測定特性の均質化を図ることができる。入力ポートの数が実施例と異なる場合においても、同様の変換方法を適用できることは自明である。また、光モードの観測装置が光子検出器である必要はなく、ホモダイン測定器など光学的な観測装置であっても良い。

複数の光モード１，２，…，Ｎと、１以上の光学的な観測装置Ａ_１，Ａ_２，…，Ａ_Ｍと、線型光学素子とから構成される測定装置において、入力ポートに入力した光が観測装置αに到達する割合をｒ（ｎ，α）とし、到達するのにかかる時間をＴ（ｎ，α）とする。
ｎ≠ｎ’のとき、
ｒ（ｎ，α）＝ｒ（ｎ’，α）、かつ、Ｔ（ｎ，α）≠Ｔ（ｎ’，α）
となるように線型光学素子を配置する。

また、なんらかの方法によって、観測装置における観測のタイミングにおいて、どの入力ポートから入力されたのか識別できるように、測定装置に光が入ってくる時間が限られていることを保証する措置をとる。例えば、
ｍａｘ_{ｎ，ｎ’，α}｜Ｔ（ｎ，α）−Ｔ（ｎ’，α）｜
よりも短い間隔では、異なるシグナルが入力しないことが保証できる措置をとる。さらに、光子検出器の測定特性に時間変化があり、この時間変化の周期をｔ_０とした場合には、
Ｔ（ｎ，α）−Ｔ（ｎ’，α）
はｔ_０の整数倍である必要がある。

本実施形態によれば、上述した課題である、ばらつきの正確な記述を必要とせず、新たなリソースも必要とせず、測定特性が均質化された観測を実現することができる。さらに、上述した欠陥に対処する方法として、使用する状況、入力光の特徴に強く依存しない汎用的な解決方法を提供することができる。

１０，２０，３０ 受信装置
１１，２１ 位相変調器
１２，２２，３２，４２ 測定装置
１３，１４，２３，２４，３３，４３〜４６ 光子検出器
Ｍ１〜Ｍ４ ミラー
ＢＳ１〜ＢＳ４ ビームスプリッタ

Claims (1)

1. 干渉計と変換装置と１つの光検出器とからなる受信装置であって、
   前記干渉計は第１の光路と第２の光路と第１の合波部からなり、
   前記第２の光路は、前記第１の光路より短く、
   前記第１の光路と前記第２の光路とは、第１の時間の差の光路長差を有し、
   前記第１の合波部は、送信装置が送信した参照光を前記第１の光路に入力した結果得られた光と、前記参照光を送信してから前記第１の時間だけ後に前記送信装置が送信した位相変調光を前記第２の光路に入力した結果得られた光と、の干渉光を得て出力するものであり、
   前記変換装置は第３の光路と第４の光路と第２の合波部からなり、
   前記第３の光路は、前記第４の光路より短く、
   前記第３の光路と前記第４の光路とは、第２の時間の差の光路長差を有し、
   前記第２の合波部は、前記干渉光を前記第３の光路に入力した結果得られた光と、前記第３の光路に前記干渉光を入力するのと同時に前記干渉光を前記第４の光路に入力した結果得られた光と、の合波光を得て出力するものであり、
   前記光検出器は
   駆動電圧が時間変化するものであり、
   前記光検出器に入力した前記合波光を検出するものであり、
   さらに前記第２の時間は、前記第１の時間と異なり、
   前記第２の時間は前記時間変化の周期（ｔ０）の整数倍である
   ことを特徴とする受信装置
   

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