JP6059959B2 - 光秘匿通信システムおよび光秘匿伝送装置並びに光秘匿通信システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、伝達する情報を盗聴者に知られることなく受信者に送ることのできる光秘匿通信技術に関する。

近年、インターネットを活用したビジネスが急速に発展し、個人情報や機密情報伝達にも光通信ネットワークが活用されるようになっている。そのような中、光通信ネットワークの高速大容量化とともに、情報の安全性を確保することが重要になってきている。

光秘匿通信に用いられる量子暗号としては、単一光子を用いた秘密鍵の配送プロトコル（ＢＢ−８４）と、光の量子雑音を利用した量子ストリーム暗号（Ｙ−００）とが知られている。

ＢＢ−８４は、ストリーム暗号伝送で使用される共通鍵を単一光子や微弱なコヒーレント光で伝送することにより、無条件安全に鍵を配送することができるといわれている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、ＢＢ−８４では、絶元の通信文と同じ長さの使い捨ての共通鍵を受信者に配送する必要がある。そのため、暗号通信の速度は、鍵配送の速度（例えば、数１００ｋｂｐｓ）に制限されてしまう。

これに対しＹ−００は、現状の光ネットワーク上で実用化ができ、無限の計算能力でも解読できない安全な共通鍵量子暗号として期待されている（例えば、非特許文献２、３及び４参照）。

量子ストリーム暗号では、共通鍵をもとに生成した擬似乱数を用いて、光信号の位相あるいは強度を多値変調し、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）の中に情報を埋め込むことにより、盗聴者が光信号を正確に受信できないようにしている。

この方式では、完全秘匿性は得られないものの、変調レベルの多値度を大きくして被変調光信号の強度もしくは位相変化の間隔を狭めることにより光検出の際に付与される量子雑音がその間隔より大きくなるように設定することで、高い安全性を実現できる。

従来の量子ストリーム暗号通信の原理について、ここでは光強度変調方式を採用した場合（例えば、特許文献１参照）を例にとり説明する。

送信部では、共通鍵を初期値として生成した擬似乱数列を利用して、“０”もしくは“１”の１ビットの信号データの信号レベルを付加的な情報（基底情報と呼ぶ）を用いて多値化し、その多値レベルで暗号化したデータを光信号の強度情報として送信する。

その際、ｍビットの擬似乱数列で“０”もしくは“１”の１ビットデータの信号レベルを定義する場合、２^ｍ通りの組み合わせの条件をもつ“０”もしくは“１”を表現できる。

ここで、１組のｍビットの“０”と“１”との組み合わせを基底と呼び、この基底を定める情報を基底情報と呼ぶ。即ち、ｍビットの基底情報を用いれば２^ｍ通りの基底を基にした暗号化が実行される。そして、“０”と“１”は一対で定まらないといけないので、２^ｍ通りの基底に対して２倍の多値レベル、即ち２^ｍ＋１値の暗号化レベルの数（即ち、多値度）が必要となる。

この暗号化データの生成の様子を図１に示す。図１に示すように、各基底で定義される１組の“０”と“１”の信号レベル間隔Ｗは一定のまま、基底情報の大きさだけそれらの信号レベルをアップシフト（加算）することで信号データを暗号化している。

ここで、全ての暗号化のレベルを最小受信間隔ｗ_０に配置するために、信号レベル間隔Ｗはｗ_０を基底数２^ｍ倍した値に設定する。図１の場合、２^ｍ＋１通りの暗号化レベルの間隔ｗ_０を１、Ｗを２^ｍに設定している。この暗号化レベルを２進数で表現すると、“０”もしくは“１”の１ビットの信号データの下位にｍビットの基底情報を加えた計ｍ＋１ビットの情報で定義される。

ここで、暗号化レベルに対し、信号データ“０”と“１”の割り振り方に偏りがでてしまうと盗聴者の受信を容易にしてしまうため、“０”と“１”を交互に割り振るようにする。そのために、ｍ＋１ビットの暗号化レベルの最上位１ビットの情報を定義する際に、信号データと基底情報の最下位１ビットとのＸＯＲ演算を利用して、基底情報が奇数の場合に限り信号データを反転させて割り当てるようにしている。

図１の右側に示す信号レベルは信号データが“１”で基底情報が“００…１１”の場合の暗号化レベルに対応している。この場合、信号データ“１”と基底情報の最下位１ビット“１”とのＸＯＲ演算の結果“０”を暗号化データの最上位１ビットに割り当てる。ここで、基底情報が奇数であることより信号データが反転されている。

そして、暗号化データの下位ｍビットに基底情報“００…１１”を割り当てることで信号レベルを基底情報の大きさだけアップシフトさせる。その結果、暗号化データを“０００…１１”（２進数）あるいは３（１０進数）として定義する。

一方、受信部では、上述した送信部と同一の擬似乱数列を用いて、受信した２^ｍ＋１値の多値信号を元の２値の信号レベルに変換し、“０”もしくは“１”のデータを復元する。図１で定義した暗号化データ“０００…１１”（２進数）を復号化する方法について、図２を用いて説明する。

図２では、光検出器により暗号化データを受信した際に発生する量子雑音が信号レベルの閾値判定に及ぼす影響について、盗聴者と正規受信者の場合について示している。受信信号は、信号レベル“０００…１１”の周りに信号レベル間隔以上の広がりをもつ量子雑音を有している。

共通鍵の情報をもたない盗聴者がこの暗号化データを誤りなく受信するためには２^ｍ＋１値の閾値判定を正確に行なう必要があるが、受信レベル間隔を超える量子雑音を与えてあるので、盗聴者は正しく受信することができない。即ち、盗聴者に対しては基底数を増やすことにより、暗号化データの多値度を上げ、盗聴者の受信誤り率を一層増大させることができる。

一方、共通鍵を有する正規受信者は、暗号化の際に信号データに与えた信号レベルのアップシフト量を基底情報“００…１１”から得ることができる。そこで、今度は逆に、受信信号レベル“０００…１１”を基底情報の大きさ“００…１１”だけダウンシフト（引算）することで、真の信号レベル“０００…００”に変換することができる。

なお、同じ基底情報“００…１１”で信号データ“０”を暗号化したデータを受信した場合（“１００…１１”）には、基底情報で変換した後の信号レベルはＷ＝２^ｍ（１０進数）だけレベルが離れた“１００…００”となる。従って、この変換後の信号レベルに対し、Ｗ／２＝２^ｍ−１（１０進数）あるいは“０１０…００”（２進数）の判定レベルで２値判定することで、暗号化データの最上位１ビットの情報を得ることができる。

図２の場合、判定結果は“０”となる。ここで、暗号化に利用した基底情報“００…１１”が奇数であることより、信号データを反転して暗号化している。その反転の有無の判定には、再び基底情報の最下位１ビット“１”との排他的論理和（ＸＯＲ）演算を利用する。即ち、２値の判定結果“０”と基底情報の最下位１ビット“１”とのＸＯＲ演算の結果“１”が復元データとして得られる。

このように基底情報を利用することで、２^ｍ＋１値ある暗号化データを“０００…００”もしくは“１００…００”の２値のデータに変換し、その間に十分なレベル差をもって判定レベルを設定できる。

以上のように、従来の強度変調を用いた量子ストリーム暗号は、多ビットの基底情報で定義した多値レベルの強度情報を１ビットの信号データに加算して送信信号を暗号化する。一方、受信した暗号化データから同一の強度情報を引算することで、信号データを復号化する。

特開２００６−３０３９２７号公報

C. H. Bennett and G. Brassard, "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing", Proc. IEEE Int. Conf. Computers, Systems and Signal Processing, pp.175-179, 1984. G. A. Barbosa, E. Corndorf, P. Kumar, H. P. Yuen, "Secure communication using mesoscopic coherent state", Phys. Rev. Lett., vol. 90, 227901, 2003. O. Hirota, K. Kato, M. Sohma, T. Usuda, K. Harasawa, "Quantum stream cipher based on optical communication", SPIE Proc. on Quantum Communications and Quantum Imaging, vol-5551, 2004. 広田修、"光通信ネットワークと量子暗号，" 電子情報通信学会論文誌B, vol. J87-B, pp. 478-486, 2004.

これまでに報告されている量子ストリーム暗号では、１ビットの信号データと多ビットの基底情報とを組み合わせて定義した多値レベル信号により光信号を強度あるいは位相変調し、これによりデータを暗号化している。

しかしながら、複数ビットの信号データの暗号化方式ならびに直交振幅変調（QAM: Quadrature Amplitude Modulation）方式を用いた多ビットデータの暗号化に関する具体的な提案は今まで一切報告されていない。

本発明の目的の１つは、１つの基底に割り当てる情報量を“０”もしくは“１”の２値から２^ｎ値に増大させた暗号化方式を新たに提案し、従来よりも伝送速度を向上できるようにすることにある。また、ＱＡＭ方式を用いた暗号化技術を新たに提案し、従来よりも暗号解読が困難で、かつ、伝送速度を向上できるようにすることも、本発明の目的の１つである。

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための最良の形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。

（１）本発明の光秘匿通信システムの一態様は、共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成部と、前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数であり、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化部と、前記多値符号化部から出力される２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調部と、光雑音を生成する雑音源と、前記光変調部の出力と前記雑音源の出力とを合波して光伝送路へ出力する光合波器と、を備えた送信部と、前記光伝送路から受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出部と、前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理部と、を備えた受信部と、を有する。

（２）ここで、前記多値符号化部は、前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットに前記信号データを割り当てるとともに、下位ｍビットに前記基底情報を割り当てる、ようにしてもよい。

（３）また、前記のｎ及びｍはそれぞれ２の倍数であって、前記多値符号化部は、前記ｎビットの信号データのうち上位及び下位ｎ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データとして割り振り、前記ｍビットの基底情報のうち上位及び下位ｍ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データ成分の暗号化に適用し、前記光変調部は、暗号化した同位相及び直交位相データ成分で前記光キャリア信号を直交振幅変調する、ようにしてもよい。

（４）さらに、前記暗号化した同位相及び直交位相データ成分は、それぞれ（ｍ＋ｎ）／２ビットの情報を有し、前記多値符号化部は、各暗号化データの上位ｎ／２ビットに信号データを割り当てるとともに、下位ｍ／２ビットに前記基底情報を割り当てる、ようにしてもよい。

（５）また、前記（１）又は（２）の場合に、前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットビットに割り当てるデータは、前記暗号化データの下位ｍビットに割り当てる前記基底情報もしくは前記共通鍵を基に生成した他の乱数列を利用した所定の演算によりデータ変換した信号データである、こととしてもよい。

（６）さらに、前記（３）又は（４）の場合に、前記（ｍ＋ｎ）／２ビットの暗号化データの上位ｎ／２ビットに割り当てるデータは、前記暗号化データの下位ｍ／２ビットに割り当てる前記基底情報もしくは前記共通鍵を基に生成した他の乱数列を利用した所定の演算によりデータ変換した信号データである、こととしてもよい。

（７）また、前記（１）〜（６）のいずれか１つにおいて、前記光変調部は、ＣＷ光源と、光強度変調器あるいは光位相変調器あるいは直交振幅変調器とを備えるようにしてもよい。

（８）さらに、前記（１）〜（７）のいずれか１つにおいて、前記光検出部は、直接検波系あるいは局発光源とのヘテロダイン検波系あるいはホモダイン検波系を備えるようにしてもよい。

（９）また、前記（１）〜（８）のいずれか１つにおいて、前記光雑音は、量子雑音又は古典雑音である、こととしてもよい。

（１０）さらに、前記送信部は、前記共通鍵の情報を前記信号データ中に周期的に挿入する共通鍵加算部を備え、前記受信部は、前記復号化処理部で復元された信号データから前記共通鍵の情報を抽出する共通鍵抽出部を備え、抽出した情報に基づいて前記信号データの復元に用いる共通鍵を周期的に更新する、ようにしてもよい。

（１１）また、本発明の光秘匿伝送装置の一態様は、共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成部と、前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数であり、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化部と、前記多値符号化部から出力される２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調部と、光雑音を生成する雑音源と、前記光変調部の出力と前記雑音源の出力とを合波して光伝送路へ出力する光合波器と、を備える。

（１２）さらに、本発明の光秘匿伝送装置の一態様は、前記（１１）の光秘匿伝送装置から前記光伝送路を介して受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出部と、前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理部と、を備える。

（１３）ここで、前記多値符号化部は、前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットに前記信号データを割り当てるとともに、下位ｍビットに前記基底情報を割り当てる、ようにしてもよい。

（１４）また、前記のｎ及びｍはそれぞれ２の倍数であって、前記多値符号化部は、前記ｎビットの信号データのうち上位及び下位ｎ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データとして割り振り、前記ｍビットの基底情報のうち上位及び下位ｍ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データ成分の暗号化に適用し、前記光変調部は、暗号化した同位相及び直交位相データ成分で前記光キャリア信号を直交振幅変調する、ようにしてもよい。

（１５）さらに、本発明の光秘匿通信システムの制御方法の一態様は、光信号を光伝送路へ出力する送信部と、前記光伝送路から前記光信号を受信する受信部と、を備える光秘匿通信システムの制御方法であって、前記送信部が、共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成処理と、前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｎ≦ｍ）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化処理と、前記多値符号化処理で得られた２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調処理と、光雑音を生成する処理と、前記光変調処理により得られた暗号化多値光信号と前記光雑音とを合波して光伝送路へ出力する処理と、を含む処理を実行するように前記送信部を制御する。

（１６）ここで、上記光秘匿通信システムの制御方法は、前記受信部が、前記光伝送路から受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出処理と、前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理と、を含む処理を実行するように前記受信部を制御してもよい。

本発明の一態様によれば、１つの基底情報により暗号化する信号データを従来の“０”もしくは“１”の２値から２^ｎ値に増大させることで、従来よりも暗号の伝送速度や容量を向上することができる。

また、本発明の一態様によれば、光の位相及び振幅をともに独立に多値変調すること、即ち変調フォーマットとして２次元の暗号化方式、例えば直交振幅変調（ＱＡＭ）方式を採用することで、多値変調により暗号化したデータの解読の難易度を上げることができる。別言すると、２次元の暗号化データを解読するためには、光の振幅のみならず位相の情報も正確に受信する必要があるため、１次元の光強度あるいは光位相情報のみを使用していた従来の方式と比べて暗号の安全性を飛躍的に改善できる。

これら本発明の一態様である新技術により、従来よりも暗号解読が困難で、かつ、伝送速度を向上させた光秘匿通信を実現できる。

従来の強度変調方式を用いた量子ストリーム暗号においてｍビットの基底情報を用いて暗号化したデータの一例を示す図である。 図１で定義した暗号化データを復号化する様子を示す図（信号データ“１”、基底情報“００…１１”）である。 第１実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第１実施形態における多値符号化部にて生成される暗号データの一例（信号データと基底情報との加算演算を用いて信号データに変化を与えた場合）を示す図である。 第１実施形態における多値符号化部にて生成される暗号データの一例（信号データと基底情報との引算演算を用いて信号データに変化を与えた場合）を示す図である。 第１実施形態における多値符号化部にて生成される暗号データの一例（信号データと基底情報の下位ｎビットとのＸＯＲ演算を用いて信号データに変化を与えた場合）を示す図である。 図４に示す暗号化データを復号化する様子を示す図である。 第２実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第３実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第４実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第５実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第５実施形態における多値符号化部の構成例を示すブロック図である。 第５実施形態においてｎビットの信号データとｍビットの基底情報とから（ｎ＋ｍ）／２ビットの暗号化データＥ_Ｉ及びＥ_Ｑを生成する様子を模式的に例示する図である。 第５実施形態における復号化処理部の構成例を示すブロック図である。 第５実施形態における多値符号化部にて暗号化Ｉ及びＱデータ成分（ｎ＝４ビット、ｍ＝４ビット）を出力する様子を示す図である。 図１４で定義された暗号化ＱＡＭデータを復号化する様子（盗聴者の場合）を示す図である。 図１４で定義された暗号化ＱＡＭデータを復号化する様子（正規受信者の場合）を示す図である。 第６実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第７実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。 第８実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。

〔１〕第１実施形態
図３は、第１実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示す。図３に例示する光秘匿通信システムは、光信号を送信する送信部１００と、送信部１００から送信された光信号を伝送する光伝送路１０と、光伝送路１０を伝送されてきた光信号を受信する受信部２００と、を備える。

送信部１００は、例示的に、乱数生成部２と、多値符号化部５と、光変調部７と、雑音源８と、光合波器９と、を備える。

乱数生成部２は、共通鍵１の情報を基に乱数列を生成する。乱数生成部２は、入力された共通鍵１を初期値として所定の演算式に基づき乱数列を生成する。当該演算式を複雑にすることで暗号強度を向上できる。

多値符号化部５は、乱数生成部２で生成された乱数列を、ｍビットに区切って定義した基底情報３と、ｎビット（ただし、ｎ及びｍはそれぞれ２以上の整数であって、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データ４と、を組み合わせてｍ＋ｎビット（即ち、２^ｍ＋ｎ値）の暗号化データを生成する。その詳細については後述する。

光変調部７は、多値符号化部５から出力される２^ｍ＋ｎ値の暗号化データ６を光変調して光キャリア信号に搬送させる。光変調部７は、例示的に、ＣＷ光源と光強度（振幅）変調器あるいは光位相変調器とを組み合わせて構成することができる。多値符号化部５から出力される暗号化データ６で当該変調器を駆動することにより、ＣＷ光源から出力される光キャリア信号に暗号化データを搬送させることができる。

雑音源８は、光変調部７からの暗号化多値光信号に対して付与する光雑音を生成する。光雑音は、量子雑音であってもよいし熱雑音や白色雑音等の古典雑音であってもよい。光雑音の一例としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器やラマン光増幅器から出力される自然放出光、あるいは不規則（ランダム）なパターン光信号等が挙げられる。なお、受信部２００において光検出部１１により光信号を受信する際に生じる量子雑音と、雑音源８から出力される光雑音とを併用することで、暗号の解読をより困難なものにすることもできる。

光合波器９は、光変調部７の出力と雑音源８の出力とを合波して光伝送路１０に入射する。

一方、図３に示す受信部２００は、例示的に、乱数生成部２と、光検出部１１と、復号化処理部１３と、を備える。

光検出部１１は、光伝送路１０を通じて受信した暗号化多値光信号を電気信号に変換する。当該変換により得られた電気信号は、受信した暗号化データ１２を表す。光検出部１１は、例示的に、シングルエンド型光検出器を用いた直接検波系、あるいは局発光源、９０°ハイブリッドモジュール及びバランス型光検出器を組み合わせたコヒーレント検波系（ヘテロダイン又はホモダイン検波系）により構成することができる。

受信部２００の乱数生成部２は、送信部１００における共通鍵１と同じ共通鍵１を用いて、送信部１００における乱数生成部２と同じ乱数列を生成する。

復号化処理部１３は、当該乱数生成部２で生成された乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報３を基に、受信した暗号化データ１２から元の信号データを復元し、誤りのない復号化データ１４を得る。

次に、送信部１００の多値符号化部５において、任意のｎビットの信号データをｍビット（ただし、ｍ≧ｎ）の基底情報を用いて暗号化する様子を図４に示す。

この場合、１つの基底に２^ｎ通りの暗号化レベルをＷの間隔で割り当て、それぞれの信号レベルに“００…００”、“００…０１”、“００…１０”、・・・、“１１…１０”、“１１…１１”の信号データを割り振ることになる。

そしてそれら信号レベルを基底情報の大きさだけアップシフトさせることで多値化する。例えば、ｍ桁の基底情報を下ｍ桁に組み入れることにより、ｎ＋ｍビット（２^ｎ＋ｍ値）の暗号化レベルを定義する。これら２^ｎ＋ｍ通りの暗号化レベルが等間隔ｗ_０となるように配置するために、Ｗはｗ_０を基底数２^ｍ倍した値２^ｍ・ｗ_０に設定する。

図４においては、ｗ_０＝１、Ｗ＝２^ｍ（１０進数）と設定し、２進数による基底情報と信号データとの加算を利用してデータを変化させた上で暗号化する例を示している。この場合、ｎ＋ｍビットの暗号化レベルの上位ｎビットが変化を与えた信号データに対応し、下位ｍビットが基底情報に対応している。

ここで、暗号化データの上位ｎビットへそのまま信号データを割り当ててしまうと、暗号化レベルに対し信号データの偏りが生じてしまい、盗聴者の解読を容易にしてしまうおそれがある。

その対策として、ｍビットの基底情報を利用した所定のルールに則って信号データに変化を与えた後に暗号化する方法が考えられる。このとき使用するルールの一例としては、（１）基底情報との加算、（２）基底情報との引算、あるいは（３）基底情報とのＸＯＲ演算等が挙げられる。当該ルールを複雑にすることで盗聴者の暗号の解読を困難なものにすることができる。

図４において、例えば、ｍビットの基底情報“０００…０１”によりｎビットの信号データ“００…００”、“００…０１”、・・・、“１１…１０”、“１１…１１”を暗号化する場合で、基底情報と信号データとの間に加算を用いて元データに変化を与えた場合における暗号化レベルは次表１のように定義される。

例えば、信号データが“００…００”である場合、信号データ“００…００”と基底情報“０００…０１”との加算結果の下位ｎビットは“００…０１”となる。この演算結果“００…０１”を暗号化データの上位ｎビットに割り当てる。そして、その信号レベルを基底情報だけアップシフトさせるために、暗号化データの下位ｍビットに基底情報“０００…０１”を割り当てた“００…０１０００…０１”（２進数）を暗号化レベルとして定義する。

一方、多値符号化部５において、基底情報と信号データとの間に引算を用いて元データに変化を与えた場合における暗号化データの生成の様子を図５に示す。

ｍビットの基底情報“０００…０１”によりｎビットの信号データ“００…００”、“００…０１”、・・・、“１１…１０”、“１１…１１”を暗号化する場合は、その暗号化レベルは次表２のように定義される。

ここで、基底情報の２進数の引算は２の補数の加算で表現される。例えば、信号データが“００…００”である場合、信号データ“００…００”と基底情報“０００…０１”との引算結果、即ち、信号データ“００…００”と基底情報の２の補数“１１１…１１”との加算結果の下位ｎビット“１１…１１”を暗号化データの上位ｎビットに割り当てる。そして、その信号レベルを基底情報だけアップシフトさせるために、暗号化データの下位ｍビットに基底情報“０００…０１”を割り当てた“１１…１１０００…０１”（２進数）を暗号化レベルとして定義する。

また、多値符号化部５において、基底情報と信号データとの間にＸＯＲ演算を用いて元データに変化を与えた場合における暗号化データの生成の様子を図６に示す。

ｍビットの基底情報“０００…０１”によりｎビットの信号データ“００…００”、“００…０１”、・・・、“１１…１０”、“１１…１１”を暗号化する場合は、その暗号化レベルは次表３のように定義される。

例えば、信号データが“００…００”である場合、信号データ“００…００”と基底情報の下位ｎビット“００…０１”とのＸＯＲ演算は“００…０１”となる。この演算結果“００…０１”を暗号化データの上位ｎビットに割り当てる。そして、その信号レベルを基底情報だけアップシフトさせるために、暗号化データの下位ｍビットに基底情報“０００…０１”を割り当てた“００…０１０００…０１”（２進数）を暗号化レベルとして定義する。

次に、受信部２００の復号化処理部１４において、図４で定義した暗号化データを復号化する方法の一例を図７に示す。ここでは、信号データ“００…００”を基底情報“０００…０１”で暗号化したデータ“００…０１０００…０１”の復号化の様子を示している。また、図４は、光検出部１１により暗号化データを受信した際に発生する量子雑音が信号レベルの閾値判定に及ぼす影響について、盗聴者と正規受信者の場合について示している。

受信信号は信号レベル“０００…０１”の周りに信号レベル間隔以上の広がりをもつ量子雑音を有している。共通鍵の情報をもたない盗聴者がこの暗号化データを誤りなく受信するためには２^ｎ＋ｍ値の閾値判定を正確に行なう必要があるが、受信レベル間隔を超える量子雑音を与えてあるので、盗聴者は正しく受信することができない。

一方、正規受信者は、受信した暗号化データの信号レベル“００…０１０００…０１”を、送信部１００と共有している基底情報“０００…０１”の大きさだけダウンシフトさせ、真の信号レベル“００…０１０００…００”に変換できるため、十分なレベル差を用いて２^ｎ値の閾値判定を行なうことができる。

その際、２^ｎ値のデータの信号レベル間隔はＷ＝２^ｍであることより、Ｗ／２＝２^ｍ−１、３Ｗ／２＝２^ｍ＋２^ｍ−１、・・・、（２^ｎ＋１−３）Ｗ／２＝２^ｍ＋ｎ−３・２^ｍ−１の判定レベルで２^ｎ値判定を行なう。

この判定結果“００…０１”は、基底情報との加算演算により変化を与えた信号データに対応している。そこで、その判定結果“００…０１”に対し、基底情報“０００…０１”の分を引算することで、元データを復元する。言い換えると、基底情報“０００…０１”の２の補数“１１１…１１”を判定結果“００…０１”に加算し、その演算結果“１０００…００”の下位ｎビット、即ち“００…００”を復元データとして得る。

〔２〕第２実施形態
図８は、第２実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示す。図８に例示する光秘匿通信システムは、図３に例示した構成に比して、送信部１００に、第２の乱数生成部１５（乱数生成部ＩＩ）と演算子１７とが追加的に備えられるとともに、受信部２００に、第２の乱数生成部１５と逆演算子１９とが追加的に備えられる点が異なる。

ここで、送信部１００の乱数生成部１５は、共通鍵１を基に乱数生成部２とは異なるｎビットの他の乱数列１６を生成する。

演算子１７は、第２の乱数生成部１５で生成されたｎビットの乱数列１６を用いて、ｎ暗号化レベルの上位ｎビットに対応する信号データに変化を与える演算を行なう。

第１実施形態では基底情報３を用いた演算（基底情報３との加算、引算、又はＸＯＲ演算等）により信号データのパターンに変化を与えていた。これに対し、本第２実施形態では、信号データのパターンに変化を与える演算に、乱数生成部１５で生成されるｎビットの他の乱数列１６と演算子１７とを用いる。

なお、その他、送信部１００で暗号化多値光信号を生成する過程やデータを送信する過程は、第１実施形態と同様である。

一方、受信部２００において、第２の乱数生成部１５は、送信部１００の第２の乱数生成部１５で生成される乱数列と同じｎビットの乱数列（他の乱数列１６）を生成する。

逆演算子１９は、復号化処理部１３の出力に対し、当該第２の乱数生成部１５で生成された乱数列を用いて、送信部１００の演算子１７による演算とは逆の演算を行なうことにより、復号化データ１４を得る。

例えば、受信部２００では、光検出部１１を用いて受信した暗号化データ１２を復号化処理部１３へ入力し、第１実施形態と同様に基底情報３の大きさだけ暗号化データの信号レベルをダウンシフトさせ元の信号レベルに変換する。

そして、当該変換後のデータに対し、送信部１００における演算子１７と逆の演算を、逆演算子１９と他の乱数列１６とを用いて施すことで、元の信号データを復元する。

このように第２の実施形態では、信号データの暗号化に２種類の異なる乱数を使用するので、第１実施形態に比して暗号強度をさらに向上することができる。

〔３〕第３実施形態
図９は、第３実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示す。図９に示す光秘匿通信システムは、図３に例示した構成に比して、送信部１００に、共通鍵生成部２０及び共通鍵加算部２１が追加的に備えられるとともに、受信部２００に、共通鍵抽出部２６が追加的に備えられる点が異なる。なお、共通鍵生成部２０は、図３及び図８において図示が省略されていると考えてもよい。

送信部１００において、共通鍵生成部２０は、暗号化通信の共通鍵１を生成する。共通鍵生成部２０で生成された共通鍵１は、乱数生成部２と共通鍵加算部２１とに入力される。乱数生成部２での共通鍵１を用いた乱数列の生成は、第１実施形態と同様である。

共通鍵加算部２１は、信号データ４と共通鍵１とを一定の時間間隔で交互に出力することで、信号データ４に共通鍵１を加算（付与）して、多値符号化部５に入力する。

共通鍵１を付した信号データを乱数生成部２から出力される基底情報３を基に多値符号化部５において暗号化データ２３を生成し、光変調部７を介して電気／光変換することで暗号化多値光信号を生成する過程は、図３に例示した第１実施形態と同様である。

生成された暗号化多値光信号は、光合波器９にて雑音源８から出力される光雑音と合波されて光伝送路１０へ送信される。

一方、受信部２００において、共通鍵抽出部２６は、復号化処理部１３から入力される、共通鍵１を含む復号化データ２５から共通鍵１を抽出する。抽出した共通鍵１は、受信部２００の乱数生成部２に入力され、基底情報３の更新に用いられる。

このような受信部２００では、光検出部１１を用いて受信した暗号化データ２４を復号化処理部１３へ入力し、図３に例示した第１実施形態と同様に暗号化データを復号化する。

復号化処理部１３から出力された共通鍵１を含む復号化データ２５は、共通鍵抽出部２６に入力され、共通鍵抽出部２６にて信号データと共通鍵１とが分離される。そして、抽出された共通鍵１を基に乱数生成部２において新たな乱数列が生成され、これにより基底情報３のパターンが更新される。

このように、第３実施形態では、送信部１００に配置した共通鍵生成部２０を用いて共通鍵１を更新し、また、その共通鍵１を信号データと合わせて配信することで、送信部１００及び受信部２００における基底情報３を同期させながら定期的に更新する機構を有する。したがって、伝送速度は低下するものの、共通鍵を定期的に変化させ暗号の安全性を増大することができるので、第１実施形態に比して暗号強度をさらに向上できる。

〔４〕第４実施形態
図１０は、第４実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示す。図１０に示す光秘匿通信システムは、図８に例示した第２実施形態の構成と図９に例示した第３実施形態の構成とを組み合わせた構成に相当する。

即ち、複数の乱数列と共通鍵の更新技術とを併用する。具体的には、送信部１００において、共通鍵加算部２１が、信号データ４と共通鍵１とを一定の時間間隔で交互に出力することで、信号データ４に共通鍵１を加算（付与）する。これにより、共通鍵１を付与した信号データ２２が生成される。当該信号データ２２は、演算子１７に入力される。

演算子１７は、第２実施形態と同様に、信号データのパターンに変化を与える演算に、乱数生成部１５で生成されるｎビットの他の乱数列１６を用いる。これにより、パターン変換した共通鍵１を付与した信号データ２７が生成され、当該信号データ２７は多値符号化部５に入力される。

信号データ２７と乱数生成部２から出力される基底情報３とを基に多値符号化部５において暗号化データ２３を生成し、光変調部７を介して電気／光変換することで暗号化多値光信号を生成する過程は、第１実施形態と同様である。

生成された暗号化多値光信号は、光合波器９にて雑音源８から出力される光雑音と合波されて光伝送路１０へ送信される。

一方、受信部２００では、光検出部１１を用いて受信した共通鍵１を含む暗号化データ２４を復号化処理部１３へ入力し、第１実施形態と同様にして暗号化データを復号化する。

復号化処理部１３の出力は逆演算子１９に入力され、逆演算子１９では、受信部２００の第２の乱数生成部１５で生成された乱数列を用いて、送信部１００の演算子１７による演算とは逆の演算を行なうことにより、共通鍵１を含む復号化データ２５を得る。当該復号化データ２５は、共通鍵抽出部２６に入力される。

共通鍵抽出部２６は、共通鍵１を含む復号化データ２５から共通鍵１を抽出する。抽出した共通鍵１は、受信部２００の乱数生成部２と乱数生成部１５とにそれぞれ入力され、基底情報３及び他の乱数列１６の更新に用いられる。

以上のように、第４実施形態によれば、複数の乱数列と共通鍵の更新技術とを併用するので、第２及び第３実施形態に比して、さらに暗号強度を向上することができる。

〔５〕第５実施形態
図１１は、第５実施形態に係る光秘匿通信システムの構成例を示す。図１１に例示する構成は、ＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例である。

図１１に示す光秘匿通信システムは、例示的に、光信号を送信する送信部３００と、送信部３００から送信された光信号を伝送する光伝送路１１０と、光伝送路１１０を伝送されてきた光信号を受信する受信部４００と、を備える。

送信部３００は、例示的に、乱数生成部１０２と、多値符号化部１０５と、光変調部１０７と、雑音源１０８と、光合波器１０９と、を備える。

乱数生成部１０２は、共通鍵１０１の情報を基に乱数列を生成する。

多値符号化部１０５は、乱数生成部１０２で生成された乱数列をｍビット（ただし、ｍは２の倍数）に区切って定義した基底情報１０３と、ｎビット（ただし、ｎは２の倍数であり、かつ、ｎ≦ｍの関係を満たす）に区切った信号データ１０４と、を組み合わせて２次元の暗号化データを生成する。２次元の暗号化データは、２^{（ｍ＋ｎ）／２}値の同位相（Ｉ）データ成分１０６−１及び直交位相（Ｑ）データ成分１０６−２を含む。

光変調部１０７は、多値符号化部１０５で生成された、２^{（ｍ＋ｎ）／２}値の同位相（Ｉ）データ成分１０６−１及び直交位相（Ｑ）データ成分１０６−２を基に多値度が２^{（ｍ＋ｎ）}値の光ＱＡＭデータ信号を生成する。

光変調部１０７は、例示的に、ＣＷ光源と直交振幅変調器とを組み合わせて構成することができる。多値符号化部１０５から出力される暗号化Ｉデータ成分１０６−１及びＱデータ成分１０６−２を用いて直交振幅変調器を駆動し、当該直交振幅変調器にてＣＷ光源から出力される光搬送波をＱＡＭデータ変調することで暗号化光ＱＡＭデータ信号を生成することができる。

雑音源１０８は、光変調部１０７からの暗号化光ＱＡＭデータ信号に対して付与する光雑音を生成する。光雑音は、量子雑音であってもよいし熱雑音や白色雑音等の古典雑音であってもよい。光雑音の一例としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器やラマン光増幅器からの出力される自然放出光、あるいは不規則（ランダム）なパターン光信号等が挙げられる。なお、受信部４００において光受信部１１２による受信の際に生じる量子雑音と、雑音源１０８から出力される光雑音とを併用することで、暗号の解読をより困難なものにすることもできる。

光合波器１０９は、光変調部１０７からの暗号化光ＱＡＭデータ信号と、雑音源１０８からの光雑音とを合波して光伝送路１１０に入射する。

一方、受信部４００は、例示的に、乱数生成部１０２と、局（ローカル）発光源１１１と、光受信部１１２と、復号化処理部１１４と、を備える。

乱数生成部１０２は、送信部３００における共通鍵１０１と同じ共通鍵１０１を用いて、送信部３００における乱数生成部１０２で生成される乱数列と同じ乱数列を生成する。乱数生成部１０２は、入力された共通鍵１０１を初期値として所定の演算式に基づき乱数列を生成する。演算式を複雑にすることで暗号強度を向上できる。

局発光源１１１は、光受信部１１２にて光伝送路１１０から受信した暗号化光ＱＡＭデータ信号をヘテロダインあるいはホモダイン検出するのに用いられる光を生成する。

光受信部１１２は、局発光源１１１からの光を用いて、光伝送路１１０から受信した暗号化光ＱＡＭデータ信号をヘテロダインあるいはホモダイン検出する。これにより、受信した暗号化光ＱＡＭデータ信号から、暗号化Ｉデータ成分１１３−１及びＱデータ成分１１３−２を得ることができる。

光受信部１１２では、例示的に、９０°光ハイブリッド及び２台のバランス型光検出器を組み合わせたホモダイン検波系を用いることができる。あるいは、光受信部１１２は、１台の光検出器を用いてヘテロダイン検波し、受信した中間周波（ＩＦ）信号を、直交振幅復調用電気回路を用いてベースバンド信号に変換する構成でもよい。

上記光受信時において、いずれの受信方式を用いる場合においても、光伝送路１１０を伝搬した光信号の位相に局発光源１１１の位相を同期する光位相同期（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）回路を用いるとよい。ただし、信号データの多値度が低い場合は、ＰＬＬ回路を用いずにソフトウェアによる位相補正を利用してもよい。

復号化処理部１１４は、送信部３００における共通鍵１０１と同じ共通鍵１０１及び乱数生成部１０２で生成される基底情報１０３を基に、暗号化Ｉデータ成分１１３−１及びＱデータ成分１１３−２から元の信号データを復元する。これにより、誤りのない復号化データ１１５を得ることができる。

次に、図１２に、送信部３００における多値符号化部１０５の構成例を示す。ここでは２進数による基底情報と信号データとの加算を利用してデータを変化させた上で暗号化する例を示している。

信号データをそのままのレベルで暗号化した場合、暗号化レベルに対し信号データの偏りが生じてしまい、盗聴者の解読を容易にしてしまう。その対策として、基底情報を利用した所定のルールに則って信号データに変化を与えた後に暗号化する方法が考えられる。

このとき使用するルールは任意でよく、例示的に、基底情報との加算、基底情報との引算、あるいは基底情報とのＸＯＲ演算等が挙げられる。この演算を複雑にすることで盗聴者の暗号の解読を困難なものにすることができる。

図１２において、暗号化Ｉ及びＱデータ成分を生成するには、まず共通鍵１０１を初期値として乱数生成部１０２より出力されるｍビットに区切った基底情報１０３をシリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換器１１６Ａを用いて上位と下位ｍ／２ビットずつに分離する。

これら２組のｍ／２ビットの基底情報をそれぞれＢ_Ｉ及びＢ_Ｑと表す。また、ｎビットに区切った信号データ１０４をＳ／Ｐ変換器１１６Ｂを用いて上位及び下位ｎ／２ビットずつに分離し、それぞれを元信号ＩデータＳ_Ｉ及び元信号ＱデータＳ_Ｑと表す。

そして、これらｍ／２ビットの基底情報Ｂ_Ｉ及びＢ_Ｑを基に暗号化したＩ及びＱデータの信号レベルＥ_Ｉ及びＥ_Ｑを２進数により次式のように定義する。

Ｅ_Ｉの上位ｎ／２ビット＝Ｓ_Ｉ（ｎ／２ビット）とＢ_Ｉ（ｍ／２ビット）の加算結果の下位ｎ／２ビット
Ｅ_Ｉの下位ｍ／２ビット＝Ｂ_Ｉ（ｍ／２ビット）
Ｅ_Ｑの上位ｎ／２ビット＝Ｓ_Ｑ（ｎ／２ビット）とＢ_Ｑ（ｍ／２ビット）の加算結果の下位ｎ／２ビット
Ｅ_Ｑの下位ｍ／２ビット＝Ｂ_Ｑ（ｍ／２ビット）

上記の各式による演算は、図１２に例示するように、Ｉ及びＱデータにそれぞれ対応した、２組の加算演算子１１７及び２組のパラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換器１１８によって実現できる。なお、上記の加算は、引算やＸＯＲ演算等に代えてもよい。

図１３に、ｎビットの信号データ１０４とｍビットの基底情報１０３とから（ｎ＋ｍ）／２ビットの暗号化データＥ_Ｉ及びＥ_Ｑを生成する様子を模式的に例示する。図１３の横軸は時間であり、信号データ、基底情報、暗号化データを１シンボル周期毎に区切って表現している。

光強度を用いた１次元暗号では、暗号化データの信号レベルは正レベルの領域で割り振ればよい。これに対し、暗号化にＱＡＭ方式を用いる場合は、正及び負の光振幅にデータを等間隔で割り当てる必要がある。

そこで、次式（１）及び（２）で与えられるエンコード演算子１１９の演算を介してＥ_Ｉ及びＥ_ＱをＱＡＭ変調用の１０進数データＤ_Ｉ及びＤ_Ｑに変換し、それぞれを暗号化Ｉデータ成分１０６−１及び暗号化Ｑデータ成分１０６−２として多値符号化部１０５から出力する。

Ｄ_Ｉ=２×Ｅ_{Ｉ,１０進数}−（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１） …（１）
Ｄ_Ｑ=２×Ｅ_{Ｑ,１０進数}−（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１） …（２）

上記の式（１）及び（２）において、右辺第一項で２を乗算しているが、これは変換後のデータを全て整数（奇数）で表現するためである。式（１）の変換により、０〜２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１のレベル範囲にあるＥ_{Ｉ, １０進数}は、−（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）〜＋（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）の範囲でデータ間隔が２であるデータＤ_Ｉに変換される。

同様に、式（２）の変換により、０〜２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１のレベル範囲にあるＥ_{Ｑ, １０進数}は、−（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）〜＋（２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）の範囲でデータ間隔が２であるデータＤ_Ｑに変換される。

次に、図１４に、受信部４００における復号化処理部１１４の構成例を示す。受信した暗号化Ｉデータ成分１１３−１及びＱデータ成分１１３−２は、それぞれＤ_Ｒ,Ｉ及びＤ_Ｒ,Ｑ（１０進数）と表す。

まず、Ｄ_Ｒ,Ｉ及びＤ_Ｒ,Ｑは、それぞれ対応するデコード演算子１２０に入力され、前記の式（１）及び（２）のエンコード演算子にそれぞれ対応する逆の演算（デコード演算）を施される。当該デコード演算により、Ｄ_Ｒ,Ｉ及びＤ_Ｒ,Ｑは、（ｍ＋ｎ）／２ビットの２進数暗号化データＥ_Ｒ,Ｉ及びＥ_Ｒ,Ｑに変換される。デコード演算子１２０は次式（３）及び（４）で与えられる。

Ｅ_Ｒ,Ｉ＝｛（Ｄ_Ｒ,Ｉ＋２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）／２｝_{１０→２進数} …（３）
Ｅ_Ｒ,Ｑ＝｛（Ｄ_Ｒ,Ｑ＋２^{（ｍ＋ｎ）／２}−１）／２｝_{１０→２進数} …（４）
なお、｛｝_{１０→２進数}は１０から２進数への変換子を表す。

次に、この２進数に変換した受信暗号化ＩデータＥ_Ｒ,Ｉに対し、送信部３００における基底情報１０３と同じ基底情報１０３をシリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換器１１６ＣにてＳ／Ｐ変換した結果の上位ｍ／２ビットの情報であるＢ_Ｉを用いて信号データＳ_Ｒ,Ｉを復号化する。

まず、Ｅ_Ｒ,ＩからＢ_Ｉを引算演算子１２１にて引算し、その演算結果に対し２^ｎ／２値判定部１２２にて２^ｎ／２値の閾値レベルの判別を行ない、暗号化データの上位ｎ／２ビットに割り当てたデータ情報を抽出する。

即ち、２^ｎ／２値のデータの信号レベル間隔はＷ=２^ｍ／２であるので、Ｗ／２＝２^m/2-1、３Ｗ／２＝２^ｍ／２＋２^{ｍ／２−１}、・・・、（２^{ｎ／２＋１}−３）Ｗ／２＝２^{(ｍ＋ｎ)／２}−３・２^{ｍ／２−１}の閾値判定レベルで２^ｎ／２値判定を行なう。

この上位ｎ／２ビット情報は、送信部３００において暗号化する際に信号データＳ_Ｉに基底情報Ｂ_Ｉを加算した値として定義した情報であるため、この抽出したｎ／２ビット情報から引算演算子１２１を用いて再び基底情報Ｂ_Ｉを引算することで信号データＳ_Ｒ,Ｉが復元できる。

以上と同様にして、２進数に変換した暗号化ＱデータＥ_Ｒ,Ｑに対し、基底情報１０３をＳ／Ｐ変換器１１６ＣにてＳ／Ｐ変換した結果の下位ｍ／２ビットの情報Ｂ_Ｑを用いて信号データＳ_Ｒ,Ｑを復元する。

そして、信号データＳ_Ｒ,Ｉ及びＳ_Ｒ,Ｑをパラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換器１１８を用いて合成すれば、ｎビットの復号化データ１１５を得ることができる。

図１５に、信号データの暗号化の様子について具体例を示す。ここでは、最も簡単な例として、４ビット（ｎ＝４）の信号データを４ビット（ｍ＝４）の基底情報で暗号化する場合について考える。

この場合、暗号化Ｉ及びＱデータはいずれも２^ｍ／２＝４通りの基底をもち、各基底に“００”，“０１”，“１０”，“１１”の４値の信号データをＷ＝２^ｍ／２＝４のレベル間隔で割り当てる。そして、それらの信号レベルを基底情報の大きさだけアップシフトすることで暗号化する。

暗号化Ｉ及びＱデータの信号レベルは２^{(ｍ＋ｎ)／２}＝１６値となり、計２^ｎ＋ｍ＝２５６値の暗号化ＱＡＭデータが生成される。図１５の右側に示すコンステレーションは、信号データがＳ_Ｉ＝“０１”及びＳ_Ｑ＝“１１”で基底情報がＢ_Ｉ＝“０１”及びＢ_Ｑ＝“１０”の場合における暗号化ＱＡＭ信号レベルを示している。

まず、暗号化ＩデータＥ_Ｉの信号レベルについて述べる。Ｓ_Ｉ＝“０１”とＢ_Ｉ＝“０１”との加算結果は“１０”であり、その下位２ビット“１０”を暗号化Ｉデータの上位２ビットに割り当てる。

そして、暗号化Ｉデータの下位２ビットに基底情報Ｂ_Ｉ＝“０１”を割り当てることで信号レベルを基底情報の大きさだけアップシフトさせたＥ_Ｉ＝“１００１”あるいはＥ_{Ｉ ,１０進数}＝９が暗号化Ｉデータとして割り当てられる。

この値を前記の式（１）に代入することにより、その演算結果Ｄ_Ｉ＝２×９−（２^２＋２−１）＝３の信号レベルが暗号化Ｉデータ成分１０６−１として出力される。

同様にして、暗号化Ｑデータは、Ｅ_Ｑ＝“０１１０”あるいはＥ_Ｑ,_１０進数＝６と割り当てられる。この値を前記の式（２）に代入することにより、その演算結果Ｄ_Ｑ＝２×６−（２^２＋２−１）＝−３の信号レベルが暗号化Ｑデータ成分１０６−２として出力される。

以上のようにして（Ｄ_Ｉ，Ｄ_Ｑ）＝（３，−３）の暗号化ＱＡＭ信号が生成される。

次に、図１６及び図１７に、図１５で上述のごとく定義した暗号化ＱＡＭデータを復号化する様子を示す。ここでは、光検出器により暗号化データを受信した際に発生する量子雑音が信号レベルの閾値判定に及ぼす影響について、盗聴者の受信（図１６）と正規受信者の受信（図１７）の場合について示している。

図１６において、共通鍵の情報をもたない盗聴者がこの暗号化データを誤りなく受信するためにはそれぞれ１６値あるＩ及びＱデータの閾値判定を正確に行なう必要がある。しかし、（３，−３）の周りに信号レベル間隔を超える量子雑音が２次元に分布しているため、盗聴者は正しく受信することができない。

これに対し、正規受信者は送信者（送信部３００）と共有している基底情報を基に受信した暗号化データの信号レベルを元のレベルに変換することができるため、４値の閾値判定によりデータを復元できる。その様子を図１７に示す。まず、受信した暗号化Ｉデータ成分１３−１の復号化の方法について述べる。

受信した暗号化Ｉデータの信号レベルＤ_Ｒ,Ｉ＝３を前記の式（３）に代入し、４ビットの２進数暗号化データＥ_Ｒ,Ｉ＝｛（３＋１５）／２＝９｝_{１０→２進数}＝“１００１”にデコードする。

次に、デコード結果を、基底情報Ｂ_Ｉ＝“０１”の大きさだけダウンシフトさせて、信号レベル“１０００”に変換する。ここで４値の元信号Ｉデータの信号レベル間隔はＷ＝２^ｍ／２＝４であることより、Ｗ／２＝２（“００１０”）、３Ｗ／２＝６（“０１１０”）、５Ｗ／２＝１０（“１０１０”）の判定レベルで４値判定を行なう。

この判定結果“１０”は、基底情報“０１”との所定の演算（加算、引算、又はＸＯＲ演算）により変化を与えた信号データに対応している。例えば、判定結果“１０”が基底情報“０１”との加算演算により変化を与えた信号データに対応している場合、その判定結果“１０”に対し、基底情報“０１”を引算することで、元の信号データ“０１”を復元する。

同様に、受信した暗号化Ｑデータの信号レベルＤ_Ｒ,Ｉ＝−３を前記の式（４）へ代入し、４ビットの２進数暗号化データＥ_Ｒ,Ｑ＝｛（−３＋１５）／２＝６｝_{１０→２進数}＝“０１１０”にデコードする。
次に、デコード結果を、基底情報Ｂ_Ｑ＝“１０”の大きさだけダウンシフトさせ、信号の信号レベル“０１００”に変換する。そして、４値判定結果“０１”と基底情報“１０”との引算により、元の信号データ“１１”を復元する。

言い換えると、基底情報“１０”の２の補数“１０”を判定結果“０１”に加算し、その演算結果“１１”の下位２ビット、即ち“１１”を復元データとして得る。

以上のようにして、正規受信者は基底情報を用いることで十分なレベル差をもって元データを復元できる。

図１５、図１６及び図１７の例では基底情報のビット数ｍ＝４ビットであるが、このビット数を増やすことにより同一振幅内に区別しなければならないレベルが多くなる。結果的に、信号レベル間隔が狭まり、盗聴者の閾値判定が一層困難なものになる。

また、暗号化ＩあるいはＱデータを２進数で定義する際に、その下位ｍ／２ビットの情報として基底情報Ｂ_ＩあるいはＢ_Ｑをそのまま使用しているが、例えば基底情報Ｂ_ＩあるいはＢ_Ｑと送信データＳ_ＩあるいはＳ_Ｑの加算や引算等の演算結果を使用すれば、暗号の解読がより困難なものになる。その際、この演算に合わせて図１１に示す復号化処理部１１４における復号化の際に用いる演算式を再定義すればよい。

〔６〕第６実施形態
図１８は、第６実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示す。図１８に例示する構成は、図１１に例示した構成に比して、送信部３００に、第２の乱数生成部１２３（乱数生成部ＩＩ）と演算子１２５とが追加的に備えられるとともに、受信部４００に、第２の乱数生成部１２３と逆演算子１２７とが追加的に備えられる点が異なる。

ここで、送信部３００の乱数生成部１２３は、共通鍵１０１を基に乱数生成部１０２とは異なるｎビットの他の乱数列１２４を生成する。

演算子１２５は、第２の乱数生成部１２３で生成されたｎビットの他の乱数列１２４を用いて、ｎビットの信号データ１０４に変化を与える演算を行なう。

第５実施形態では基底情報１０３を用いた加算演算により信号データのパターンに変化を与えていた。これに対し、本第６実施形態では、信号データのパターンに変化を与える演算に、乱数生成部１２３で生成される他の乱数列１２４と演算子１２５とを用いる。

なお、その他、送信部３００で暗号化多値光信号を生成する過程やデータを送信する過程は、第５実施形態と同様である。

一方、受信部４００において、第２の乱数生成部１２３は、送信部３００の第２の乱数生成部１２３で生成される乱数列と同じｎビットの乱数列（他の乱数列１２４）を生成する。

逆演算子１２７は、復号化処理部１１４の出力に対し、当該第２の乱数生成部１２３で生成された他の乱数列１２４を用いて、送信部３００の演算子１２５による演算とは逆の演算を行なうことにより、復号化データ１１５を得る。

例えば、受信部４００では、光検出部１１２を用いて受信した暗号化Ｉデータ成分１１３−１及び暗号化Ｑデータ成分１１３−２を復号化処理部１１４へそれぞれ入力し、第１実施形態と同様に基底情報１０３の大きさだけ暗号化データの信号レベルをダウンシフトさせ元の信号レベルに変換する。

そして、当該変換後のデータに対し、送信部３００における演算子１２５と逆の演算を、逆演算子１２７と他の乱数列１２４とを用いて施すことで、元の信号データを復元する。

このように、第６実施形態では、信号データの暗号化に２種類の異なる乱数を使用するので、第５実施形態に比して暗号強度をさらに向上できる。

〔７〕第７実施形態
図１９は、第７実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示す。図１９に例示する構成は、図１１に例示した構成に比して、送信部３００に、共通鍵生成部１２８及び共通鍵加算部１２９が追加的に備えられるとともに、受信部４００に、共通鍵抽出部１３４が追加的に備えられる点が異なる。なお、共通鍵生成部１２８は、図１１及び図１８において図示が省略されていると考えてもよい。

送信部３００において、共通鍵生成部１２８は、暗号化通信の共通鍵１０１を生成する。共通鍵生成部１２８で生成された共通鍵１０１は、乱数生成部１０２と共通鍵加算部１２９とに入力される。乱数生成部１０２での共通鍵１０１を用いた乱数列の生成は、第５実施形態と同様である。

共通鍵加算部１２９は、信号データ１０４と共通鍵１０１とを一定の時間間隔で交互に出力することで、信号データ１０４に共通鍵１０１を加算（付与）して、多値符号化部１０５に入力する。

共通鍵１０１を付した信号データを乱数生成部１０２から出力される基底情報１０３を基に多値符号化部５において暗号化し、光変調部１０７を介して電気／光変換することで暗号化光ＱＡＭデータを生成する過程は、第５実施形態と同様である。

生成された暗号化光ＱＡＭデータは、光合波器１０９にて雑音源１０８から出力される光雑音と合波されて光伝送路１１０へ送信される。

一方、受信部４００において、共通鍵抽出部１３４は、復号化処理部１１４から入力される、共通鍵１０１を含む復号化データ１３３から共通鍵１０１を抽出する。抽出した共通鍵１０１は、受信部４００の乱数生成部１０２に入力され、基底情報１０３の更新に用いられる。

このような受信部２００では、光受信部１１２において局発光源１１１とのヘテロダインあるいはホモダイン検波により受信した信号１３２−１及び１３２−２を復号化処理部１１４へ入力し、第５と同様にして暗号化データを復号化する。なお、信号１３２−１は、受信した共通鍵１０１を含む暗号化Ｉデータ成分を表し、信号１３２−２は、受信した共通鍵１０１を含む暗号化Ｑデータ成分を表す。

復号化処理部１１４から出力された共通鍵１０１を含む復号化データ１３３は、共通鍵抽出部１３４に入力され、共通鍵抽出部１３４にて信号データと共通鍵１０１とが分離される。そして、抽出された共通鍵１０１を基に乱数生成部１０２において新たな乱数列が生成され、これにより基底情報１０３のパターンが更新される。

このように、第７実施形態では、送信部３００に配置した共通鍵生成部１２８を用いて共通鍵１０１を更新し、また、その共通鍵１０１を信号データとともに送信することで、送信部３００及び受信部４００における基底情報１０３を同期させながら定期的に更新する機構を有する。したがって、伝送速度は低下するものの、共通鍵を定期的に変化させ暗号の安全性を増大することができるので、第５実施形態に比して暗号強度をさらに向上できる。

〔８〕第８実施形態
図２０は、第８実施形態に係るＱＡＭ方式を用いた光秘匿通信システムの構成例を示す。図２０に例示する構成は、図１８に例示した第６実施形態の構成と図１９に例示した第７実施形態の構成とを組み合わせた構成に相当する。

即ち、複数の乱数列と共通鍵の更新技術とを併用する。具体的には、送信部３００において、共通鍵加算部１２９が、信号データ１０４と共通鍵１０１とを一定の時間間隔で交互に出力することで、信号データ１０４に共通鍵１０１を加算（付与）する。これにより、共通鍵１０１を付与した信号データ１３０が生成される。当該信号データ１３０は、演算子１２５に入力される。

演算子１２５は、第６実施形態と同様に、信号データ１３０のパターンに変化を与える演算に、乱数生成部１２３で生成されるｎビットの他の乱数列１２４を用いる。これにより、パターン変換後の共通鍵１０１を付与した信号データ１３５が生成され、当該信号データ１３５は多値符号化部１０５に入力される。

信号データ１３５と乱数生成部１０２から出力される基底情報３とを基に多値符号化部１０５において暗号化データが生成される。即ち、共通鍵１０１を付与した暗号化Ｉデータ成分１３１−１と共通鍵１０１を付与した暗号化Ｑデータ成分１３１−２とが生成される。光変調部１０７を介して電気／光変換することで暗号化多値光信号を生成する過程は、第５実施形態と同様である。

生成された暗号化多値光信号は、光合波器１０９にて雑音源１０８から出力される光雑音と合波されて光伝送路１１０へ送信される。

一方、受信部４００では、光検出部１１２を用いて受信した共通鍵１０１を含む暗号化Ｉデータ成分１３２−１及び暗号化Ｑデータ成分１３２−２を復号化処理部１１４へ入力し、第５実施形態と同様にして暗号化データを復号化する。

復号化処理部１１４の出力は逆演算子１２７に入力され、逆演算子１２７では、受信部４００の第２の乱数生成部１２３で生成された乱数列を用いて、送信部３００の演算子１２５による演算とは逆の演算を行なうことにより、共通鍵１０１を含む復号化データ１３３を得る。当該復号化データ１３３は、共通鍵抽出部１３４に入力される。

共通鍵抽出部１３４は、共通鍵１０１を含む復号化データ１３３から共通鍵１０１を抽出する。抽出した共通鍵１０１は、受信部４００の乱数生成部１０２と乱数生成部１２３とにそれぞれ入力され、基底情報１０３及び他の乱数列１２４の更新に用いられる。

以上のように、第８実施形態によれば、複数の乱数列と共通鍵の更新技術とを併用するので、第６及び第７実施形態に比して、さらに暗号強度を向上することができる。

以上詳細に説明したように、ｍビットの基底情報を用いてｎビット（ただし、ｍ≧ｎ）の信号データに変化を与え、その後、基底情報の大きさだけアップシフトさせて信号レベルを多値化する手法により、暗号化レベルに対し信号データの偏りを与えることなく暗号化することができる。これにより、これまで報告されている方式と比べ、その暗号の通信速度をｎ倍高速化することができる。

また、ＱＡＭ方式を量子ストリーム暗号通信に適用することにより、暗号化データの多値度を従来の方式の２乗に拡張し、それに伴い暗号の安全性を飛躍的に改善できる。

したがって、従来よりも暗号解読が困難で、かつ、伝送速度を向上した光秘匿通信の実現に大きく貢献することができる。

なお、本発明は、上述した各実施形態以外にも、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

上述した各実施形態において、複数の乱数生成部より生成される２つ以上の乱数列を組み合わせて基底情報３、１０３や他の乱数列１６、１２４を定義することにより、暗号解読をより困難なものにすることができる。

さらに、上述した各実施形態では、送信部１００又は３００から受信部２００又は４００への片方向の光通信に着目した光暗号化通信について説明したが、双方向の光通信に適用できることはいうまでもない。この場合、光伝送路を介して互いに光通信を行なう光伝送装置に、送信系として送信部１００又は３００を備え、受信系として受信部２００又は４００を備えればよい。

１ 共通鍵
２ 乱数生成部
３ 基底情報
４ 信号データ
５ 多値符号化部
６ 暗号化データ
７ 光変調部
８ 雑音源
９ 光合波器
１０ 光伝送路
１１ 光検出部
１２ 受信した暗号化データ
１３ 復号化処理部
１４ 復号化データ
１５ 第２の乱数生成部
１６ 他の乱数列
１７ 演算子
１８ パターン変換した信号データ
１９ 逆演算子
２０ 共通鍵生成部
２１ 共通鍵加算部
２２ 共通鍵を付与した信号データ
２３ 共通鍵を付与した暗号化データ
２４ 受信した共通鍵を含む暗号化データ
２５ 共通鍵を含む復号化データ
２６ 共通鍵抽出部
２７ パターン変換した共通鍵を付与した信号データ
１００ 送信部
１０１ 共通鍵
１０２ 乱数生成部
１０３ 基底情報
１０４ 信号データ
１０５ 多値符号化部
１０６−１ 暗号化Ｉデータ成分
１０６−２ 暗号化Ｑデータ成分
１０７ 光変調部
１０８ 雑音源
１０９ 光合波器
１１０ 光伝送路
１１１ 局発光源
１１２ 光受信部
１１３−１ 受信した暗号化Ｉデータ成分
１１３−２ 受信した暗号化Ｑデータ成分
１１４ 復号化処理部
１１５ 復号化データ
１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃ シリアル／パラレル（Ｓ／Ｐ）変換器
１１７ 加算演算子
１１８ パラレル／シリアル（Ｐ／Ｓ）変換器
１１９ エンコード演算子
１２０ デコード演算子
１２１ 引算演算子
１２２ ２^ｎ値判定部
１２３ 第２の乱数生成部
１２４ 他の乱数列
１２５ 演算子
１２６ パターン変換した信号データ
１２７ 逆演算子
１２８ 共通鍵生成部
１２９ 共通鍵加算部
１３０ 共通鍵を付与した信号データ
１３１−１ 共通鍵を付与した暗号化Ｉデータ成分
１３１−２ 共通鍵を付与した暗号化Ｑデータ成分
１３２−１ 受信した共通鍵を含む暗号化Ｉデータ成分
１３２−２ 受信した共通鍵を含む暗号化Ｑデータ成分
１３３ 共通鍵を含む復号化データ
１３４ 共通鍵抽出部
１３５ パターン変換後の共通鍵を付与した信号データ
２００ 受信部
３００ 送信部
４００ 受信部

Claims (16)

1. 共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成部と、
   前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数であって、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化部と、
   前記多値符号化部から出力される２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調部と、
   光雑音を生成する雑音源と、
   前記光変調部の出力と前記雑音源の出力とを合波して光伝送路へ出力する光合波器と、
   を備えた送信部と、
   前記光伝送路から受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出部と、
   前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理部と、
   を備えた受信部と、
   を有する、光秘匿通信システム。
2. 前記多値符号化部は、前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットに前記信号データを割り当てるとともに、下位ｍビットに前記基底情報を割り当てる、請求項１に記載の光秘匿通信システム。
3. 前記のｎ及びｍはそれぞれ２の倍数であって、
   前記多値符号化部は、前記ｎビットの信号データのうち上位及び下位ｎ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データとして割り振り、前記ｍビットの基底情報のうち上位及び下位ｍ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データ成分の暗号化に適用し、
   前記光変調部は、暗号化した同位相及び直交位相データ成分で前記光キャリア信号を直交振幅変調する、請求項１に記載の光秘匿通信システム。
4. 前記暗号化した同位相及び直交位相データ成分は、それぞれ（ｍ＋ｎ）／２ビットの情報を有し、
   前記多値符号化部は、各暗号化データの上位ｎ／２ビットに信号データを割り当てるとともに、下位ｍ／２ビットに前記基底情報を割り当てる、請求項３に記載の光秘匿通信システム。
5. 前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットビットに割り当てるデータは、前記暗号化データの下位ｍビットに割り当てる前記基底情報もしくは前記共通鍵を基に生成した他の乱数列を利用した所定の演算によりデータ変換した信号データである、請求項１又は２に記載の光秘匿通信システム。
6. 前記（ｍ＋ｎ）／２ビットの暗号化データの上位ｎ／２ビットに割り当てるデータは、前記暗号化データの下位ｍ／２ビットに割り当てる前記基底情報もしくは前記共通鍵を基に生成した他の乱数列を利用した所定の演算によりデータ変換した信号データである、請求項３又は４に記載の光秘匿通信システム。
7. 前記光変調部は、ＣＷ光源と、光強度変調器あるいは光位相変調器あるいは直交振幅変調器とを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
8. 前記光検出部は、直接検波系あるいは局発光源とのヘテロダイン検波系あるいはホモダイン検波系を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
9. 前記光雑音は、量子雑音又は古典雑音である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
10. 前記送信部は、前記共通鍵の情報を前記信号データ中に周期的に挿入する共通鍵加算部を備え、
    前記受信部は、前記復号化処理部で復元された信号データから前記共通鍵の情報を抽出する共通鍵抽出部を備え、
    抽出した情報に基づいて前記信号データの復元に用いる共通鍵を周期的に更新する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光秘匿通信システム。
11. 共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成部と、
    前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数であって、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化部と、
    前記多値符号化部から出力される２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調部と、
    光雑音を生成する雑音源と、
    前記光変調部の出力と前記雑音源の出力とを合波して光伝送路へ出力する光合波器と、
    を備えた光秘匿伝送装置。
12. 請求項１１に記載の光秘匿伝送装置から前記光伝送路を介して受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出部と、
    前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理部と、
    を備えた、光秘匿伝送装置。
13. 前記多値符号化部は、前記ｍ＋ｎビットの暗号化データの上位ｎビットに前記信号データを割り当てるとともに、下位ｍビットに前記基底情報を割り当てる、請求項１１又は１２に記載の光秘匿伝送装置。
14. 前記のｎ及びｍはそれぞれ２の倍数であって、
    前記多値符号化部は、前記ｎビットの信号データのうち上位及び下位ｎ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データとして割り振り、前記ｍビットの基底情報のうち上位及び下位ｍ／２ビットをそれぞれ同位相及び直交位相データ成分の暗号化に適用し、
    前記光変調部は、暗号化した同位相及び直交位相データ成分で前記光キャリア信号を直交振幅変調する、請求項１１又は１２に記載の光秘匿伝送装置。
15. 光信号を光伝送路へ出力する送信部と、前記光伝送路から前記光信号を受信する受信部と、を備える光秘匿通信システムの制御方法であって、
    前記送信部が、
    共通鍵を基に乱数列を生成する乱数生成処理と、
    前記乱数列をｍビットに区切って定義した基底情報とｎビット（ただし、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数であって、ｎ≦ｍの関係を満たす。）に区切った信号データとを組み合わせてｍ＋ｎビットの暗号化データを生成する多値符号化処理と、
    前記多値符号化処理で得られた２^ｍ＋ｎ値の暗号化データを光キャリア信号の光強度もしくは光位相、あるいは光振幅と光位相の両方の情報に搬送させる光変調処理と、
    光雑音を生成する処理と、
    前記光変調処理により得られた暗号化多値光信号と前記光雑音とを合波して光伝送路へ出力する処理と、
    を含む処理を実行するように前記送信部を制御する、光秘匿通信システムの制御方法。
16. 前記受信部が、
    前記光伝送路から受信した、前記光雑音が付与された暗号化多値光信号を電気信号に変換して、受信した暗号化データを得る光検出処理と、
    前記共通鍵及び前記基底情報と同じ共通鍵及び基底情報を基にして前記受信した暗号化データから元の信号データを復元する復号化処理と、
    を含む処理を実行するように前記受信部を制御する、請求項１５に記載の光秘匿通信システムの制御方法。