JP6060737B2 - Quantum key distribution receiver - Google Patents
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Description
この発明は、量子もつれ光子対を用いた量子鍵配送システムで用いられる、暗号鍵を作成するための光子を受信する量子鍵配送用受信器に関する。 The present invention relates to a quantum key distribution receiver for receiving a photon for generating an encryption key, which is used in a quantum key distribution system using a entangled photon pair.
情報漏洩の無い安全な暗号通信を実現するためには、情報の暗号化及び復号化に利用する鍵を、盗聴者などの第三者に知られることなく、送信者と受信者のみが共有することが必須である。 In order to realize secure encrypted communication without information leakage, the key used for encryption and decryption of information is shared only by the sender and receiver without being known to a third party such as an eavesdropper. It is essential.
量子鍵配送システムは、物理法則に則って究極の無条件安全性が保障された暗号鍵配送システムとして注目され、将来の高セキュリティ情報通信システムへの応用を目指した研究開発が近年活発化している(例えば、特許文献1又は2参照)。
The quantum key distribution system is attracting attention as an encryption key distribution system that guarantees the ultimate unconditional security in accordance with the laws of physics, and research and development aimed at application to future high-security information communication systems has become active. (For example, refer to
ここで、光子の偏光状態を利用した量子鍵配送システムについて簡単に説明する。 Here, a quantum key distribution system using the polarization state of photons will be briefly described.
光子の偏光状態を利用した量子鍵配送システムにおいては、送信者は、光子の偏光状態として、例えば、縦(V)偏光、横(H)偏光、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光のいずれかをランダムに選んで送信する。縦偏光又は横偏光を選んで送信した場合をH/V送信基底と称し、右斜め45度偏光又は左斜め45度偏光を選んで送信した場合をDiagonal送信基底と称する。 In the quantum key distribution system using the polarization state of photons, the sender can select, for example, longitudinal (V) polarized light, lateral (H) polarized light, right oblique 45 degree polarized light, and left oblique 45 degree polarized light as the photon polarization state. Select one at random and send it. A case in which longitudinally polarized light or laterally polarized light is selected and transmitted is referred to as an H / V transmission base, and a case in which right oblique 45 degree polarized light or left oblique 45 degree polarized light is selected and transmitted is referred to as a diagonal transmission base.
受信者は、送信された光子が縦偏光又は横偏光であるかを測定するH/V受信基底か、
右斜め45度偏光又は左斜め45度偏光であるかを測定するDiagonal受信基底をランダムに選んで、到来した光子の偏光測定を行う。この測定系は、偏光ビームスプリッタと波長板を用いた光学系で実現できる。
The receiver can be an H / V receiver base that measures whether the transmitted photons are longitudinally or laterally polarized,
A diagonal reception base for measuring whether the polarization is 45 ° right oblique polarization or 45 ° oblique left polarization is selected at random, and the polarization of the incoming photon is measured. This measurement system can be realized by an optical system using a polarizing beam splitter and a wave plate.
ここで、H/V基底とDiagonal基底とは非直交である。このため、縦偏光又は横偏光の光をH/V受信基底で測定すれば、縦偏光又は横偏光のいずれであるか、確定的な測定結果が得られる。しかし、Diagonal受信基底で測定すれば、縦偏光又は横偏光のいずれであったかは、それぞれ確率50%でしか知ることができず、確定的な結果は得られない。 Here, the H / V base and the diagonal base are non-orthogonal. For this reason, if longitudinally polarized light or laterally polarized light is measured on the H / V reception base, a deterministic measurement result can be obtained as to whether it is longitudinally polarized light or laterally polarized light. However, if it is measured on the diagonal reception base, it can be known only with a probability of 50% whether it is longitudinally polarized light or transversely polarized light, and a definite result cannot be obtained.
例えば、送信者がH/V送信基底で光子を送り、受信者がH/V受信基底を選んで測定すれば、受信者は送信者が送信した光子の偏光状態を確定的に知ることができる。このとき、例えば、縦偏光状態をビット「1」、横偏光状態をビット「0」とすれば、送受信者はランダムなビット列を共有できる。 For example, if the sender sends a photon on the H / V transmission basis and the receiver selects and measures the H / V reception basis, the receiver can know the polarization state of the photon transmitted by the sender in a definite manner. . At this time, for example, if the vertical polarization state is bit “1” and the horizontal polarization state is bit “0”, the sender and the receiver can share a random bit string.
一方、送信者がH/V送信基底で光子を送り、受信者がDiagonal受信基底を選んで測定すれば、受信者は送信者が送信した光子の偏光状態を確率的にしか知ることができない。このとき、送受信者はランダムなビット列を共有できない。 On the other hand, if the sender sends a photon on the H / V transmission base and the receiver selects and measures the diagonal reception base, the receiver can know only the polarization state of the photon transmitted by the sender only probabilistically. At this time, the sender and receiver cannot share a random bit string.
この仕組みを使って、送受信者は必要なビット数の測定結果を得た後で、互いに選んだ基底を教えあい、基底が一致した場合のビット値のみを使用することで、送受信者は、同じランダムなビット列を共有できる。このビット列を暗号鍵として利用するのが量子鍵配送システムである。 Using this mechanism, the sender / receiver gets the measurement result of the required number of bits, and then teaches the bases selected from each other, and uses only the bit value when the bases match, so that the sender / receiver is the same Random bit strings can be shared. The quantum key distribution system uses this bit string as an encryption key.
ここで、暗号鍵の盗聴を許さないためには、ビットごとに1個以下の光子を用いる必要がある。このため、光子を用いた量子鍵配送システムを実現するためには、単一光子レベルの光子を検出できる単一光子検出器が必要となる。この単一光子検出器としては、半導体アバランシェフォトダイオードや超伝導体を利用した検出器などが報告されている。 Here, in order not to allow wiretapping of the encryption key, it is necessary to use one or less photons for each bit. For this reason, in order to realize a quantum key distribution system using photons, a single photon detector capable of detecting single photon level photons is required. As this single photon detector, a semiconductor avalanche photodiode, a detector using a superconductor, and the like have been reported.
このような単一光子検出器を利用した量子鍵配送用受信器として、アクティブモジュレーションと呼ばれるものと、パッシブモジュレーションと呼ばれるものが知られている。 As a quantum key distribution receiver using such a single photon detector, there are known what is called active modulation and what is called passive modulation.
図5を参照して、アクティブモジュレーション方式の受信器と、パッシブモジュレーション方式の受信器について説明する。図5(A)は、アクティブモジュレーション方式の受信器の模式図である。また、図5(B)は、パッシブモジュレーション方式の受信器の模式図である。 With reference to FIG. 5, an active modulation type receiver and a passive modulation type receiver will be described. FIG. 5A is a schematic diagram of an active modulation type receiver. FIG. 5B is a schematic diagram of a passive modulation type receiver.
アクティブモジュレーション方式の受信器14では、偏光変調器50と乱数発生器52を用いて受信基底をランダムに選択する。偏光変調器50として、光学軸可変な1/2波長板が利用される。偏光変調器50は、乱数発生器52で発生した乱数に応じて、2つの光学軸を縦偏光方向と横偏光方向に合致させた状態と、22.5度回転させた状態との切換を行う。
The active
偏光変調器50の後段に偏光ビームスプリッタ30が配置され、その2つの出力端に第1の単一光子検出器41及び第2の単一光子検出器42が配置される。
The
このアクティブモジュレーション方式の受信器14では、偏光変調器50の光学軸が、縦偏光方向と横偏光方向に合致した状態は、H/V受信基底が選択されたことに対応し、22.5度回転した状態は、Diagonal受信基底が選択されたことに対応する。
In the active
また、パッシブモジュレーション方式の受信器16では、偏光変調器と乱数発生器の代わりにハーフミラー20を用いる。到来する光子は基本的に1個なので、ハーフミラー20の第1の入出力端20aに入力された光子は、第2の入出力端20b及び第3の入出力端20cのどちらかにしか出力されない。
The passive
ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された光子は、第1の偏光ビームスプリッタ31に送られる。この第1の偏光ビームスプリッタ31に光子が到達する場合は、H/V受信基底が選択されたことに対応する。第1の偏光ビームスプリッタ31は、縦偏光の光を第1の単一光子検出器41に送り、横偏光の光を第2の単一光子検出器42に送る。
Photons output from the third input /
一方、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された光子は、偏光変換器22を経て第2の偏光ビームスプリッタ32に送られる。偏光変換器22では、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光の光が縦偏光又は横偏光に変換される。この第2の偏光ビームスプリッタ32に光子が到達する場合は、Diagonal受信基底が選択されたことに対応する。第2の偏光ビームスプリッタ32は、縦偏光の光子を第3の単一光子検出器43に送り、横偏光の光子を第4の単一光子検出器44に送る。
On the other hand, photons output from the second input /
アクティブモジュレーション方式の受信器の場合、必要とされる単一光子検出器は2台であり、パッシブモジュレーション方式の受信器の半分で済むが、乱数発生器が必要である。乱数発生器の乱数情報が第三者に知られると盗聴が可能になるので、この絶対の秘匿性が必要である。また、同じ乱数を繰り返し使用すると、盗聴者が受信基底を推定することが可能となり、盗聴の可能性が生じる。より複雑な乱数発生器を用いれば、システムの高コスト化、大型化をもたらす。 In the case of an active modulation type receiver, two single photon detectors are required, which is half of the passive modulation type receiver, but a random number generator is required. Since the eavesdropping becomes possible if the random number information of the random number generator is known to a third party, this absolute secrecy is necessary. Moreover, if the same random number is used repeatedly, it becomes possible for an eavesdropper to estimate the reception base, and the possibility of eavesdropping arises. Using a more complex random number generator will increase the cost and size of the system.
一方、パッシブモジュレーション方式の受信器の場合、乱数発生器をもたないため、より簡便な装置構成が可能であり、秘匿性も保たれる。しかし、4台の単一光子検出器を必要とするため、システムの高コスト化、大型化をもたらす。 On the other hand, in the case of a passive modulation type receiver, since it does not have a random number generator, a simpler device configuration is possible and confidentiality is maintained. However, since four single photon detectors are required, the cost and size of the system are increased.
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、乱数発生器を必要とせず、また、単一光子検出器が2台で動作する、量子鍵配送用受信器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems. An object of the present invention is to provide a quantum key distribution receiver that does not require a random number generator and operates with two single photon detectors.
上述した目的を達成するために、この発明の量子鍵配送用受信器は、第1〜3の入出力端を備えるハーフミラーと、偏光変換器と、それぞれ第1〜3の入出力端を備え、第1の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第2の入出力端から出力し、規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第3の入出力端から出力し、第2の入出力端に入力された規定偏波光と、第3の入出力端に入力された直交偏波光を第1の入出力端から出力する第1〜4の偏光ビームスプリッタと、第1及び第2の単一光子検出器とを備えて構成される。 In order to achieve the above-described object, a quantum key distribution receiver according to the present invention includes a half mirror having first to third input / output ends, a polarization converter, and first to third input / output ends. The first polarized light, which is linearly polarized light having a predetermined polarization direction, input to the first input / output terminal is output from the second input / output terminal, and the orthogonally polarized light having the polarization direction orthogonal to the predetermined polarized light is output to the first input / output terminal. 1 to 1 which output from the first input / output terminal the specified polarized light input to the second input / output terminal and the orthogonally polarized light input to the third input / output terminal. 4 polarization beam splitters, and first and second single photon detectors.
入力される光子は、ハーフミラーから第1の単一光子検出器に至る第1及び第2の経路と、ハーフミラーから第2の単一光子検出器に至る第3及び第4の経路のいずれか1つの経路を経て、第1〜2の単一光子検出器のいずれか一方で検出される。当該量子鍵配送用受信器に到来する光子の周期Tに対して、第1の経路と第2の経路を通る光子の間には、T/n(nは2以上の整数)の遅延時間差が与えられる。また、第3の経路と第4の経路を通る光子の間には、T/nの遅延時間差が与えられる。
The input photons are either the first and second paths from the half mirror to the first single photon detector, or the third and fourth paths from the half mirror to the second single photon detector. either through one of the paths, Ru is detected in one of the 1-2 single photon detector. There is a delay time difference of T / n (n is an integer of 2 or more) between photons passing through the first path and the second path with respect to the period T of photons arriving at the quantum key distribution receiver. Given. Further, a delay time difference of T / n is given between photons passing through the third path and the fourth path.
この発明の量子鍵配送用受信器によれば、乱数発生器を必要とせず、また、単一光子検出器が2台で動作する。このため、システムの小型化や低コスト化が可能になる。 According to the quantum key distribution receiver of the present invention, no random number generator is required, and two single photon detectors operate. For this reason, it is possible to reduce the size and cost of the system.
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.
なお、ここでは、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を縦(V)偏光とし、規定偏波光であるV偏光に直交する偏光方向の直交偏波光を横(H)偏光として説明する。 In this example, the prescribed polarization light that is linearly polarized light in the prescribed polarization direction is referred to as longitudinal (V) polarization, and the orthogonal polarization light in the polarization direction orthogonal to the V polarization that is the prescribed polarization light is described as transverse (H) polarization. To do.
(第1の受信器の構成)
図1を参照して、この発明に係る量子鍵配送用受信器の第1の実施形態(以下、第1の受信器とも称する。)について説明する。図1は、第1の受信器の概略構成図である。
(Configuration of first receiver)
With reference to FIG. 1, a first embodiment (hereinafter also referred to as a first receiver) of a quantum key distribution receiver according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first receiver.
第1の受信器10は、ハーフミラー20、偏光変換器22、第1〜4の偏光ビームスプリッタ31〜34、光遅延回路24、第1の単一光子検出器41及び第2の単一光子検出器42を備えて構成される。
The
ハーフミラー20は第1〜3の入出力端20a〜20cを備えている。ハーフミラー20の第1の入力端20aに入力された光は、第2の入出力端20b及び第3の入出力端20cのいずれか一方から出力される。
The
第1〜4の偏光ビームスプリッタ31〜34は、それぞれ、第1〜3の入出力端を備えている。第1の入出力端31a〜34aに入力されたV偏光の光は、第2の入出力端31b〜34bから出力される。また、第1の入出力端31a〜34aに入力されたH偏光の光は、第3の入出力端31c〜34cから出力される。この入出力特性は可逆的である。すなわち、第2の入出力端31b〜34bに入力されたV偏光の光は第1の入出力端31a〜34aから出力され、第3の入出力端31c〜34cに入力されたH偏光の光は第1の入出力端31a〜34aから出力される。
Each of the first to fourth
ハーフミラー20の第2の入出力端20bは、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34aと接続されている。また、ハーフミラー20の第3の入出力端20cは、偏光変換器22及び光遅延回路24を経て、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31aに接続されている。
The second input /
第1の偏光ビームスプリッタ31の第2の入出力端31bと第2の偏光ビームスプリッタ32の第2の入出力端32b、第1の偏光ビームスプリッタ31の第3の入出力端31cと第3の偏光ビームスプリッタ33の第3の入出力端33c、第2の偏光ビームスプリッタ32の第3の入出力端32cと第4の偏光ビームスプリッタ34の第3の入出力端34c、及び、第3の偏光ビームスプリッタ33の第2の入出力端33bと第4の偏光ビームスプリッタ34の第2の入出力端34bが、それぞれ接続されている。また、第2の偏光ビームスプリッタ32の第1の入出力端32aが第1の単一光子検出器41に接続され、第3の偏光ビームスプリッタ33の第1の入出力端33aが第2の単一光子検出器42に接続されている。
The second input /
偏光変換器22として、2つの光学軸がH偏光及びV偏光から22.5度回転した、1/2波長板を用いることができる。1/2波長板は、右斜め45度偏光をV偏光に、左斜め45度偏光をH偏光に変換する。
As the
なお、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光のかわりに、右回り円偏光及び左回り円偏光を用いる場合は、偏光変換器22として、1/4波長板を用いることができる。この場合、1/4波長板の光学軸は、右回り円偏光を縦偏光に、左回り円偏光を横偏光に変換するように設定される。
In addition, when using right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light instead of right oblique 45 degree polarized light and left oblique 45 degree polarized light, a quarter wavelength plate can be used as the
第1の単一光子検出器41には、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された光と、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された光の両者が入力される。また、第2の単一光子検出器42にも、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された光と、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された光の両者が入力される。このハーフミラー20の第2の入出力端20bと第3の入出力端20cのそれぞれから出力された光の間に所定の時間差を与えるために、光遅延回路24が用いられる。なお、光経路の長さの違いにより、所定の時間差が与えられる場合は、光遅延回路24を備えない構成にしても良い。
Both the light output from the second input /
(第1の受信器の動作)
図1及び図2を参照して、第1の受信器の動作を説明する。図2は、第1の受信器の動作を説明するための図であり、横軸に時間を取って示している。
(Operation of the first receiver)
The operation of the first receiver will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the first receiver, with the horizontal axis taking time.
ここでは、周期Tで、V偏光、H偏光、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光のいずれかの光子が受信器に到来する例を説明する。ここで、周期T/2の時間スロットを設定し、光子は偶数番目の時間スロットで受信器に到来するものとする(図2(A))。 Here, an example will be described in which one of photons of V polarization, H polarization, right oblique 45 degree polarization, and left oblique 45 degree polarization arrives at the receiver in the period T. Here, it is assumed that a time slot of period T / 2 is set, and photons arrive at the receiver in even-numbered time slots (FIG. 2A).
ハーフミラー20の第1の入出力端20aに入力された光子は、確率的に第2及び第3の入出力端20b及び20cのいずれか一方から出力される。ここで、第2の入出力端20bから光子が出力された場合は、受信基底としてH/V基底が選択されたことに対応する。一方、第3の入出力端20cから光子が出力された場合は、受信基底としてdiagonal基底が選択されたことに対応する。
Photons input to the first input /
ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力されたV偏光は、第3の経路(III)として、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34a及び第2の入出力端34b、第3の偏光ビームスプリッタ33の第2の入出力端33b及び第1の入出力端33aを経て、第2の単一光子検出器42に入力される。一方、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力されたH偏光は、第1の経路(I)として、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34a及び第3の入出力端34c、第2の偏光ビームスプリッタ32の第3の入出力端32c及び第1の入出力端32aを経て、第1の単一光子検出器41に入力される。
The V-polarized light output from the second input /
また、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光は、第4の偏光ビームスプリッタ34において確率的に偏光分離されて、第1及び第2の単一光子検出器41及び42のいずれかに入力される。第1の単一光子検出器41で光子を検出した場合は、V偏光の光子が第1の受信器10に到来したものとして観測され、第2の単一光子検出器42で光子が検出された場合は、H偏光の光子が第1の受信器10に到来したものとして観測される。
The right oblique 45 degree polarized light and the left oblique 45 degree polarized light output from the second input /
ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された右斜め45度偏光は、第2の経路(II)として、偏光変換器22でV偏光に変換された後、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31a及び第2の入出力端32b、第2の偏光ビームスプリッタ32の第2の入出力端32b及び第1の入出力端32aを経て、第1の単一光子検出器41に入力される。一方、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された左斜め45度偏光は、第4の経路(IV)として、偏光変換器22でH偏光に変換された後、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31a及び第3の入出力端31c、第3の偏光ビームスプリッタ33の第3の入出力端33c及び第1の入出力端33aを経て、第2の単一光子検出器42に入力される。
The 45 ° right-polarized light output from the third input /
また、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力されたV偏光及びH偏光は、偏光変換器22で右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光に変換される。その後、第1の偏光ビームスプリッタ31において確率的に偏光分離されて、第1及び第2の単一光子検出器のいずれかに入力される。第1の単一光子検出器41で光子を検出した場合は、右斜め45度偏光の光子が第1の受信器10に到来したものとして観測され、第2の単一光子検出器42で光子が検出された場合は、左斜め45度偏光の光子が第1の受信器10に到来したものとして観測される。
Further, the V-polarized light and H-polarized light output from the third input /
ここで、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31aから、第1及び第2の単一光子検出器41及び42に入力されるまでの光路長と、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34aから、第1及び第2の単一光子検出器41及び42に入力されるまでの光路長は、全て等しく設定されているものとする。また、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから第4の偏光ビームスプリッタ34の第1入出力端34aまでの経路を通る光子と、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから第1の偏光ビームスプリッタ31の第1入出力端31aまでの経路を通る光子との間に、所定の遅延時間差としてT/2の遅延時間差が与えられる。
Here, the optical path length from the first input /
この結果、第1の単一光子検出器41で検出される光子について、第1の経路(I)を通る光子と第2の経路(II)を通る光子との間に、T/2の遅延時間差が与えられる。同様に、第2の単一光子検出器42で検出される光子について、第3の経路(III)を通る光子と第4の経路(IV)を通る光子との間に、T/2の遅延時間差が与えられる。
As a result, for photons detected by the first
従って、例えば、偶数番目の時間スロットにおける、第1の単一光子検出器41で検出された光子は、第1の経路(I)を通る光子であり、この光子の検出は、H/V受信基底を選択し、H偏光の光子を観測したことに対応する(図2(B))。このとき、偶数番目の時間スロットにおいて、第2の単一光子検出器42で検出された光子は、第3の経路(III)を通る光子であり、この光子の検出は、H/V受信基底を選択し、V偏光の光子を観測したことに対応する(図2(D))。
Thus, for example, the photons detected by the first
また、奇数番目の時間スロットにおいて、第1の単一光子検出器41で検出された光子は、第2の経路(II)を通る光子であり、この光子の検出は、Diagonal受信基底を選択し、右斜め45度偏光の光子を観測したことに対応する(図2(C))。同様に、奇数番目の時間スロットにおいて、第2の単一光子検出器42で検出された光子は、第4の経路(IV)を通る光子であり、この光子の検出は、Diagonal受信基底を選択し、左斜め45度偏光の光子を観測したことに対応する(図2(E))。
Also, in the odd-numbered time slot, the photon detected by the first
(第2の受信器の構成)
図3を参照して、この発明に係る量子鍵配送用受信器の第2の実施形態(以下、第2の受信器とも称する。)について説明する。図3は、第2の受信器の概略構成図である。
(Configuration of second receiver)
With reference to FIG. 3, a second embodiment of the quantum key distribution receiver according to the present invention (hereinafter also referred to as a second receiver) will be described. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the second receiver.
第2の受信器12は、ハーフミラー20、偏光変換器22、第1〜4の偏光ビームスプリッタ31〜34、第1の単一光子検出器41及び第2の単一光子検出器42を備えて構成される。
The
第2の受信器12は第1の受信器10と各構成要素間の接続関係が異なっており、各構成要素については、第1の受信器10と同様に構成できる。従って、各構成要素についての重複する説明を省略する。
The
ハーフミラー20の第2の入出力端20bは、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34aと接続されている。また、ハーフミラー20の第3の入出力端20cは、偏光変換器22を経て、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31aに接続されている。
The second input /
第1の偏光ビームスプリッタ31の第2の入出力端31bと第3の偏光ビームスプリッタ33の第2の入出力端33b、第1の偏光ビームスプリッタ31の第3の入出力端31cと第3の偏光ビームスプリッタ33の第3の入出力端33c、第2の偏光ビームスプリッタ32の第3の入出力端32cと第4の偏光ビームスプリッタ34の第3の入出力端34c、及び、第2の偏光ビームスプリッタ32の第2の入出力端32bと第4の偏光ビームスプリッタ34の第2の入出力端34bが、それぞれ接続されている。また、第2の偏光ビームスプリッタ32の第1の入出力端32aが第1の単一光子検出器41に接続され、第3の偏光ビームスプリッタ33の第1の入出力端33aが第2の単一光子検出器42に接続されている。
The second input /
第1の単一光子検出器41には、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された光のうち、H偏光とV偏光の両者が入力される。ここで、第2の偏光ビームスプリッタ32の第2の入出力端32bと第4の偏光ビームスプリッタ34の第2の入出力端34bを結ぶ光路と、第2の偏光ビームスプリッタ32の第3の入出力端32cと第4の偏光ビームスプリッタ34の第3の入出力端34cを結ぶ光路との間には、所定の光遅延時間差に対応する光路長差がある。
Of the light output from the second input /
また、第2の単一光子検出器42には、ハーフミラー20の第3の入出力端から出力された光のうち、右斜め45度偏光と左斜め45度偏光の両者が入力される。ここで、第1の偏光ビームスプリッタ31の第2の入出力端31bと第3の偏光ビームスプリッタ33の第2の入出力端33bを結ぶ光路と、第1の偏光ビームスプリッタ31の第3の入出力端31cと第3の偏光ビームスプリッタ33の第3の入出力端33cを結ぶ光路との間には、所定の光遅延時間差に対応する光路長差がある。
The second
(第2の受信器の動作)
図3及び図4を参照して、第2の受信器の動作を説明する。図4は、第2の受信器の動作を説明するための図であり、横軸に時間を取って示している。
(Operation of the second receiver)
The operation of the second receiver will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the second receiver, with the horizontal axis taking time.
ここでは、周期Tで、V偏光、H偏光、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光のいずれかの光子が受信器に到来する例を説明する。ここで、周期T/2の時間スロットを設定し、光子は偶数番目の時間スロットで受信器に到来するものとする(図4(A))。 Here, an example will be described in which one of photons of V polarization, H polarization, right oblique 45 degree polarization, and left oblique 45 degree polarization arrives at the receiver in the period T. Here, it is assumed that a time slot having a period T / 2 is set, and photons arrive at the receiver in even-numbered time slots (FIG. 4A).
ハーフミラー20の第1の入出力端20aに入力された光子は、確率的に第2及び第3の入出力端20b及び20cのいずれか一方から出力される。ここで、第2の入出力端20bから光子が出力された場合は、受信基底としてH/V基底を選択したことに対応する。一方、第3の入出力端20cから光子が出力された場合は、受信基底としてdiagonal基底を選択したことに対応する。
Photons input to the first input /
ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力されたV偏光は、第2の経路(II)として、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34a及び第2の入出力端34b、第2の偏光ビームスプリッタ32の第2の入出力端32b及び第1の入出力端32aを経て、第1の単一光子検出器41に入力される。一方、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力されたH偏光は、第1の経路(I)として、第4の偏光ビームスプリッタ34の第1の入出力端34a及び第3の入出力端34c、第2の偏光ビームスプリッタ32の第3の入出力端32c及び第1の入出力端32aを経て、第1の単一光子検出器41に入力される。
The V-polarized light output from the second input /
また、ハーフミラー20の第2の入出力端20bから出力された右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光は、第4の偏光ビームスプリッタ34において確率的に偏光分離されて、第1及び第2の経路(I及びII)のいずれかを経て第1単一光子検出器41に入力される。
The right oblique 45 degree polarized light and the left oblique 45 degree polarized light output from the second input /
ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された右斜め45度偏光は、第4の経路(IV)として、偏光変換器22でV偏光に変換された後、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31a及び第2の入出力端32b、第3の偏光ビームスプリッタ33の第2の入出力端33b及び第1の入出力端32aを経て、第2の単一光子検出器42に入力される。一方、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力された左斜め45度偏光は、第3の経路(III)として、偏光変換器22でH偏光に変換された後、第1の偏光ビームスプリッタ31の第1の入出力端31a及び第3の入出力端31c、第3の偏光ビームスプリッタ33の第3の入出力端33c及び第1の入出力端33aを経て、第2の単一光子検出器42に入力される。
The 45 ° right oblique polarization output from the third input /
また、ハーフミラー20の第3の入出力端20cから出力されたV偏光及びH偏光は、偏光変換器22で右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光に変換される。その後、第1の偏光ビームスプリッタ31において確率的に偏光分離されて、第3及び第4の経路(III及びIV)のいずれかを経て第2の単一光子検出器42に入力される。
Further, the V-polarized light and H-polarized light output from the third input /
ここで、第1の経路(I)を通る光子と、第2の経路(II)を通る光子との間に所定の遅延時間差としてT/2の遅延時間を与え、第3の経路(III)を通る光子と、第4の経路(IV)を通る光子との間にも所定の遅延時間差としてT/2の遅延時間を与える。 Here, a delay time of T / 2 is given as a predetermined delay time difference between the photons passing through the first path (I) and the photons passing through the second path (II), and the third path (III) A delay time of T / 2 is also given as a predetermined delay time difference between the photon passing through and the photon passing through the fourth path (IV).
この結果、第1の単一光子検出器41で検出される光子について、第1の経路(I)を通る光子と第2の経路(II)を通る光子との間に、T/2の遅延時間差が与えられる。同様に、第2の単一光子検出器42で検出される光子について、第3の経路(III)を通る光子と第4の経路(IV)を通る光子との間に、T/2の遅延時間差が与えられる。
As a result, for photons detected by the first
従って、偶数番目の時間スロットにおける、第1の単一光子検出器41での光子の検出は、H/V受信基底を選択し、H偏光の光子を観測したことに対応する(図4(B))。同様に、偶数番目の時間スロットにおける、第2の単一光子検出器42での光子の検出は、Diagonal受信基底を選択し、左斜め45度偏光の光子を観測したことに対応する(図4(D))。
Therefore, detection of photons by the first
また、奇数番目の時間スロットにおける、第1の単一光子検出器41での光子の検出は、H/V受信基底を選択し、V偏光の光子を観測したことに対応する(図4(C))。同様に、奇数番目の時間スロットにおける、第2の単一光子検出器42での光子の検出は、Diagonal受信基底を選択し、右斜め45度偏光の光子を観測したことに対応する(図4(E))。
In addition, detection of photons by the first
上述した、第1及び第2の受信器によれば、単一光子検出器が2台で動作し、乱数発生器を必要としない小型化や低コスト化が図れる受信器で、量子鍵の安全な共有が可能となる。 According to the first and second receivers described above, the single key photon detector operates with two units, which does not require a random number generator and can be reduced in size and cost. Sharing is possible.
また、上述した第1及び第2の受信器では、T/2の時間差を与えている。この場合、各単一光子検出器では、偶数番目と奇数番目のいずれの時間スロットでも光子が検出され得る。一方、与える時間差をT/nとしてnを2よりも大きい整数に設定すれば、光子が検出されないタイムスロットを設けることができる。従って、与える時間差としてT/n(nは2以上の整数)とするのが良い。 In the first and second receivers described above, a time difference of T / 2 is given. In this case, each single photon detector can detect photons in both the even and odd time slots. On the other hand, if the time difference to be given is T / n and n is set to an integer larger than 2, a time slot in which no photons are detected can be provided. Therefore, the time difference to be given is preferably T / n (n is an integer of 2 or more).
なお、光子の偏光状態については、縦偏光、横偏光、右斜め45度偏光、左斜め45度偏光のいずれとするか、右斜め45度偏光及び左斜め45度偏光の代わりに、右回り円偏光及び左回り円偏光を用いるかは、設定に応じて適宜選択すればよい。また、この受信器は、偏波保持光学系で構成されることが好ましいが、偏波コントローラを適宜設けるなどして、疑似的な偏波保持光学系としても良い。また、光学結合を空間光学系を利用するか、光ファイバなどの光導波路を利用するか、あるいは、これらを併用するかも、設定に応じて適宜選択すればよい。 As for the polarization state of the photon, any one of longitudinally polarized light, laterally polarized light, right oblique 45 degree polarized light, and left oblique 45 degree polarized light may be used instead of right oblique 45 degree polarized light and left oblique 45 degree polarized light. Whether to use polarized light and counterclockwise circularly polarized light may be appropriately selected according to the setting. The receiver is preferably composed of a polarization maintaining optical system, but may be a pseudo polarization maintaining optical system by appropriately providing a polarization controller. Whether optical coupling uses a spatial optical system, an optical waveguide such as an optical fiber, or the combination of these may be selected as appropriate according to the setting.
10、12、14、16 受信器
20 ハーフミラー
22 偏光変換器
24 光遅延回路
30、31、32、33、34 偏光ビームスプリッタ
41、42、43、44 単一光子検出器
50 偏光変調器
52 乱数発生器
10, 12, 14, 16 Receiver
20 half mirror
22 Polarization converter
24
Claims (3)
偏光変換器と、
第1〜4の偏光ビームスプリッタと、
第1及び第2の単一光子検出器と
を備える量子鍵配送用受信器であって、
入力される光子は、前記ハーフミラーから前記第1の単一光子検出器に至る、それぞれ2つの偏光ビームスプリッタを経由する第1及び第2の経路と、前記ハーフミラーから前記第2の単一光子検出器に至る、それぞれ2つの偏光ビームスプリッタを経由する第3及び第4の経路のいずれか1つの経路を経て、第1及び第2の単一光子検出器のいずれか一方で検出され、
当該量子鍵配送用受信器に到来する光子の周期Tに対して、
前記第1の経路と前記第2の経路を通る光子の間には、T/n(nは2以上の整数)の遅延時間差が与えられ、
前記第3の経路と前記第4の経路を通る光子の間には、T/nの遅延時間差が与えられる
ことを特徴とする量子鍵配送用受信器。
Half mirror,
A polarization converter;
First to fourth polarizing beam splitters;
Ru and first and second single-photon detector to a quantum key distribution for a receiver,
The input photons include first and second paths respectively passing through the two polarization beam splitters from the half mirror to the first single photon detector, and the second single from the half mirror. Detected by one of the first and second single photon detectors via one of the third and fourth paths, each passing through two polarization beam splitters, to the photon detector,
For the period T of photons arriving at the quantum key distribution receiver,
A delay time difference of T / n (n is an integer of 2 or more) is given between photons passing through the first path and the second path,
Wherein the third path and between the photons through the fourth path, Erareru delay time difference T / n is given
Quantum key distribution for the receiver which is characterized a call.
前記第1〜4の偏光ビームスプリッタは、それぞれ第1〜3の入出力端を備え、第1の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第2の入出力端から出力し、前記規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第3の入出力端から出力し、前記第2の入出力端に入力された前記規定偏波光と、前記第3の入出力端に入力された前記直交偏波光を第1の入出力端から出力し、
前記ハーフミラーの第2の入出力端は、前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端と接続され、
前記ハーフミラーの第3の入出力端は、前記偏光変換器を経て、前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端に接続され、
前記第1の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端と前記第2の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端、前記第1の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端と前記第3の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、前記第2の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端と前記第4の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、及び、前記第3の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端と前記第4の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端が、それぞれ接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端が前記第1の単一光子検出器に接続され、
前記第3の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端が前記第2の単一光子検出器に接続されていて、
前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第1又は第2の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第1及び第2の単一光子検出器に入力されるまでの光路長は、全て等しく、
前記ハーフミラーの第2の入出力端から前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端までの光路長と、前記ハーフミラーの第3の入出力端から前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端までの光路長との間に、T/nの遅延時間差に対応する光路長差がある
ことを特徴とする請求項1に記載の量子鍵配送用受信器。 The half mirror includes first to third input / output ends,
Each of the first to fourth polarizing beam splitters has first to third input / output ends, and receives the second predetermined polarized light, which is linearly polarized light having a predetermined polarization direction, input to the first input / output end. Output from the input / output terminal of the first, and the orthogonally polarized light in the polarization direction orthogonal to the specified polarized light is output from the third input / output terminal, and the specified polarized light input to the second input / output terminal, Outputting the orthogonally polarized light input to the third input / output terminal from the first input / output terminal;
A second input / output end of the half mirror is connected to a first input / output end of the fourth polarizing beam splitter;
The third input / output end of the half mirror is connected to the first input / output end of the first polarization beam splitter via the polarization converter,
The second input / output end of the first polarization beam splitter, the second input / output end of the second polarization beam splitter, the third input / output end of the first polarization beam splitter, and the third polarization A third input / output end of the beam splitter, a third input / output end of the second polarization beam splitter, a third input / output end of the fourth polarization beam splitter, and a third input / output end of the third polarization beam splitter. A second input / output terminal and a second input / output terminal of the fourth polarizing beam splitter are connected to each other;
A first input / output end of the second polarizing beam splitter is connected to the first single photon detector;
A first input / output end of the third polarizing beam splitter is connected to the second single photon detector;
The optical path length from the first input / output end of the first polarizing beam splitter to the input to the first or second single photon detector, and the first input of the fourth polarizing beam splitter. The optical path lengths from the output end to the first and second single photon detectors are all equal,
The optical path length from the second input / output end of the half mirror to the first input / output end of the fourth polarization beam splitter, and from the third input / output end of the half mirror to the first polarization beam splitter. 2. The quantum key distribution receiver according to claim 1, wherein there is an optical path length difference corresponding to a delay time difference of T / n between the optical path length to the first input / output terminal.
前記第1〜4の偏光ビームスプリッタは、それぞれ第1〜3の入出力端を備え、第1の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第2の入出力端から出力し、前記規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第3の入出力端から出力し、前記第2の入出力端に入力された前記規定偏波光と、前記第3の入出力端に入力された前記直交偏波光を第1の入出力端から出力し、
前記ハーフミラーの第2の入出力端は、前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端と接続され、
前記ハーフミラーの第3の入出力端は、前記偏光変換器を経て、前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端に接続され、
前記第1の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端と前記第3の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端、前記第1の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端と前記第3の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、前記第2の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端と前記第4の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、及び、前記第2の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端と前記第4の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端が、それぞれ接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端が前記第1の単一光子検出器に接続され、
前記第3の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端が第2の前記単一光子検出器に接続されていて、
前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第1の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、前記第3の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端を経て前記第2の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第1の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第1の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端、前記第3の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端を経て前記第2の単一光子検出器に入力されるまでの光路長との間に、T/nの遅延時間差に対応する光路長差があり、
前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第4の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端、前記第2の偏光ビームスプリッタの第3の入出力端を経て第1の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第4の偏光ビームスプリッタの第1の入出力端から、前記第4の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端、前記第2の偏光ビームスプリッタの第2の入出力端を経て前記第1の単一光子検出器に入力されるまでの光路長との間に、T/nの遅延時間差に対応する光路長差がある
ことを特徴とする請求項1に記載の量子鍵配送用受信器。 The half mirror includes first to third input / output ends,
Each of the first to fourth polarizing beam splitters has first to third input / output ends, and receives the second predetermined polarized light, which is linearly polarized light having a predetermined polarization direction, input to the first input / output end. Output from the input / output terminal of the first, and the orthogonally polarized light in the polarization direction orthogonal to the specified polarized light is output from the third input / output terminal, and the specified polarized light input to the second input / output terminal, Outputting the orthogonally polarized light input to the third input / output terminal from the first input / output terminal;
A second input / output end of the half mirror is connected to a first input / output end of the fourth polarizing beam splitter;
The third input / output end of the half mirror is connected to the first input / output end of the first polarization beam splitter via the polarization converter,
The second input / output end of the first polarization beam splitter, the second input / output end of the third polarization beam splitter, the third input / output end of the first polarization beam splitter, and the third polarization. A third input / output end of the beam splitter, a third input / output end of the second polarization beam splitter, a third input / output end of the fourth polarization beam splitter, and a second input / output end of the second polarization beam splitter. A second input / output terminal and a second input / output terminal of the fourth polarizing beam splitter are connected to each other;
A first input / output end of the second polarizing beam splitter is connected to the first single photon detector;
A first input / output terminal of the third polarizing beam splitter is connected to the second single photon detector;
From the first input / output end of the first polarizing beam splitter, through the third input / output end of the first polarizing beam splitter and through the third input / output end of the third polarizing beam splitter, the second input / output end. From the first input / output end of the first polarization beam splitter to the second input / output end of the first polarization beam splitter, the third There is an optical path length difference corresponding to a delay time difference of T / n between the optical path length from the second input / output terminal of the polarizing beam splitter to the input to the second single photon detector.
From the first input / output end of the fourth polarizing beam splitter, through the third input / output end of the fourth polarizing beam splitter and the third input / output end of the second polarizing beam splitter, the first input / output end From the optical path length until it is input to the single photon detector and the first input / output end of the fourth polarization beam splitter, the second input / output end of the fourth polarization beam splitter, There is an optical path length difference corresponding to a delay time difference of T / n between the optical path length from the second input / output terminal of the polarization beam splitter to the input to the first single photon detector. The quantum key distribution receiver according to claim 1, wherein:
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