JP6211963B2 - 受信機、送信機、通信システムおよび通信方法 - Google Patents

受信機、送信機、通信システムおよび通信方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、受信機、送信機、通信システムおよび通信方法に関する。
量子鍵配送システムは、送信機、受信機と、それを接続する光ファイバリンクとを含んで構成される。送信機は、光ファイバリンクを介して、光子を受信機に送信する。その後、送信機と受信機が相互に制御情報を交換することによって、送信機と受信機との間で秘密裏に暗号鍵を生成するためのビット列を共有する。この技術は一般に量子鍵配送(ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ)と呼ばれる技術により実現される。
このような量子鍵配送システムのうち、複数の送信機と、光学機器により複数に分岐された光ファイバリンクと、１つの受信機とで構成され、受信機が、複数の送信機から光学機器を介して光子を受信するシステムを、ＱＡＮ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ：量子アクセスネットワーク）と呼んでいる。このＱＡＮと同様のネットワーク構成を有し、光データ通信を行うものにＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）がある。ＰＯＮの光データ通信において、受信機から送信機へ向かう下り方向のデータ（以下、下りデータという）と、送信機から受信機へ向かう上り方向のデータ（以下、上りデータという）とがある。この下りデータおよび上りデータは、それぞれ、同一の光ファイバリンクにおいてＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：光波長多重化）技術により多重化された下り方向光データ通信チャネルおよび上り方向光データ通信チャネルを介して送信される。
下りデータは、受信機から下り方向光データ通信チャネルを介して、複数の送信機にブロードキャストされる。この際、下りデータには、宛先の送信機のＩＤであるＬＬＩＤ（Ｌｏｇｉｃａｌ Ｌｉｎｋ ＩＤ）が含まれているので、下りデータを受信した送信機は、このＬＬＩＤから自身宛てのデータであるか否かを判断している。一方、上りデータは、受信機から割り当てられたタイムスロット（例えば、送信開始時刻および送信可能期間）に従って、各送信機がデータを送信することにより、光ファイバリンク上で衝突を起こさずに、時分割で受信機に送信される。また、ＰＯＮでは、受信機からタイムスロットを各送信機に割り当てられる場合、固定的に割り当てるＦＢＡ（Ｆｉｘｅｄ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）ではなく、各送信機が送信する上りデータのトラフィックに応じて、タイムスロットを動的に割り当てるＤＢＡ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）を導入している。これによって、上り方向の効率的な光データ通信が実現されている。
一方、ＱＡＮにおいても、受信機から割り当てられたタイムスロットに従って、各送信機が光子を送信しているが、ＰＯＮのようなタイムスロットの動的な割り当ては実現されておらず、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用の効率化が実現できていないという問題があった。ＱＡＮにおいては、共有した暗号鍵が使用されるタイミングおよび使用量は、各送信機と受信機とで実行されるアプリケーションによって異なる。したがって、複数の送信機に対して固定的なタイムスロットを割り当て、そのタイムスロットにしたがって光子を送信する方法では、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用を効率的にすることができない。
ＧＢ２４０５２９４Ａ
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用の効率を向上させる受信機、送信機、通信システムおよび通信方法を提供することを目的とする。
実施形態の受信機は、複数の送信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で受信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、量子鍵配送により各送信機との間で光子通信チャネルを介してそれぞれ同一の暗号鍵を生成して共有する受信機であって、第１データ通信制御手段と、算出手段と、を備える。第１データ通信制御手段は、データ通信チャネルを介して、送信機から、送信機側の暗号鍵に関する情報を含む第１情報を受信する。算出手段は、少なくとも第１情報に基づいて光子タイムスロットを算出する。第１データ通信制御手段は、算出手段によって算出された光子タイムスロットを送信機に送信する。
通信システムの構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。 送信機および受信機のブロック構成を示す図である。 通信システムにおける光データ通信のデータの流れを説明する図である。 ＰＯＮのＤＢＡによるタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。 通信システムにおける光子送信の流れを説明する図である。 量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作の例を示すシーケンス図である。 鍵圧縮処理を説明する図である。 ＱＡＮのＤＢＡによるタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。 第２の実施形態におけるＰＯＮのタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。 第２の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。 第３の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。 第４の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。 第５の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。 第５の実施形態の変形例におけるトラフィックフローを示す図である。 送信機および受信機のハードウェアの構成の例を示す図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る受信機、送信機、通信システムおよび通信方法を詳細に説明する。また、以下の図面において、同一の部分には同一の符号が付してある。ただし、図面は模式的なものであるため、具体的な構成は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
（第１の実施形態）
図１は、通信システムの構成例を示す図である。まず、図１を参照しながら、１台の送信機と、１台の受信機とで構成された通信システム１００を例にして、送信機、受信機および光ファイバリンクの機能を中心に説明する。
図１に示すように、通信システム１００は、送信機１と、受信機２と、光ファイバリンク３（光通信路）と、を含んで構成されている。
通信システム１００の光ファイバリンク３には、ＷＤＭ技術により、光子の送信を行うための光子通信チャネルと、光データ通信を行うための光データ通信チャネルとが形成されている。このうち、光データ通信チャネルは、さらに、受信機２から送信機１への下り方向にデータ送信するための下り方向光データ通信チャネルと、送信機１から受信機２への上り方向にデータ送信するための上り方向光データ通信チャネルとに分割されて形成されている。すなわち、通信システム１００は、暗号鍵を生成する量子鍵配送システムとしても機能し、かつ、通常の光データ通信を行う光データ通信ネットワークシステムとしても機能する。なお、これ以外にも、例えば、送信機１と受信機２との間でのタイミングの同期を行う上で必要なクロック信号を交換するためのクロックチャネル等、上述の光子通信チャネルおよび光データ通信チャネル以外のチャネルが別途形成されていても構わない。
送信機１は、例えば、乱数によって発生させた、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成されるビット列（以下、光子ビット列という）を、光ファイバリンク３の光子通信チャネルを介して、受信機２へ送信する。送信機１は、送信した光子ビット列を基に、後述するシフティング、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）等を実行して、暗号鍵を生成する。ここでは、送信機１が受信機２へ光子ビット列を送信する処理、および、シフティングを、特に「量子鍵配送」というものとする。また、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）を、「鍵蒸留処理」というものとする。また、送信機１は、光ファイバリンク３の上り方向光データ通信チャネルを介して、受信機２へ上りデータを送信し、光ファイバリンク３の下り方向光データ通信チャネルを介して、受信機２から下りデータを受信する。光データ通信における上りデータおよび下りデータとしては、上述の量子鍵配送または鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。
受信機２は、暗号鍵を生成する基となる単一光子から構成される光子ビット列を、光ファイバリンク３の光子通信チャネルを介して、送信機１から受信する。受信機２は、受信した光子ビット列を基に、後述するシフティング、誤り訂正処理および鍵圧縮処理（秘匿性増強処理）等を実行して、送信機１が生成した暗号鍵と同一の暗号鍵を生成する。すなわち、送信機１および受信機２は、同一の暗号鍵を生成して共有することになる。また、受信機２は、光ファイバリンク３の下り方向光データ通信チャネルを介して、送信機１へ下りデータを送信し、光ファイバリンク３の上り方向光データ通信チャネルを介して、送信機１から上りデータを受信する。
光ファイバリンク３は、上述のように、ＷＤＭ技術により形成された、光子の送信を行うための光子通信チャネル、下りデータを送信するための下り方向光データ通信チャネル、および、上りデータを送信するための上り方向光データ通信チャネルとして機能する。
このような送信機１と受信機２とを含む通信システム１００によって、送信機１が送信した単一光子を光ファイバリンク３上で盗聴者が観測すると、光子の物理的変化が発生し、光子を受信した受信機２は、盗聴者に光子を観測されたことを知ることができる。なお、送信機１および受信機２の暗号鍵の生成動作の詳細については、後述する。また、送信機１および受信機２を総称する場合、「通信装置」というものとする。
図２は、第１の実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。図２を参照しながら、本実施形態に係る通信システム１００ａについて説明する。
図２に示す通信システム１００ａは、図１に示す通信システム１００において送信機１を３台（送信機１ａ〜１ｃ）とし、３台の送信機を、光ファイバリンクにより光学機器４を介して受信機２に接続させた構成となっている。通信システム１００ａにおける送信機１ａ〜１ｃは、通信システム１００における送信機１と同様の機能を有し、通信システム１００ａにおける受信機２は、通信システム１００における受信機２と同様の機能を有する。なお、送信機１ａ〜１ｃを、区別なく呼称する場合、または、総称する場合、単に「送信機１」というものとする。
送信機１ａと光学機器４とは、光ファイバリンク３ａ（光通信路）により接続され、送信機１ｂと光学機器４とは、光ファイバリンク３ｂ（光通信路）により接続され、送信機１ｃと光学機器４とは、光ファイバリンク３ｃ（光通信路）により接続されている。また、受信機２と光学機器４とは、光ファイバリンク３ｄ（光通信路）により接続されている。これらの光ファイバリンク３ａ〜３ｄには、それぞれ図１に示す光ファイバリンク３と同様に、ＷＤＭ技術により、光子の送信を行うための光子通信チャネル、下りデータを送信するための下り方向光データ通信チャネル、および、上りデータを送信するための上り方向光データ通信チャネルが、形成されている。また、通信システム１００ａには、送信機１ａと受信機２とのリンク、送信機１ｂと受信機２とのリンク、および送信機１ｃと受信機２とのリンクの３種類のリンクが構成されている。これらのリンクごとに、後述の図７に示す動作によって、同一の暗号鍵が生成され共有される。
なお、図２に示す通信システム１００ａでは、送信機１が３台の構成となっているが、これに限定されるものではなく、２台または４台以上であってもよい。
また、図２に示す通信システム１００ａにおける送信機１および受信機２は、ＱＡＮの機能およびＰＯＮの機能の双方を担うものとしているが、これに限定されるものではなく、各機能が別の装置で実現されるものとしてもよい。ただし、以下の説明では、送信機１および受信機２が、双方の機能を担うものとして説明する。
また、図２に示す通信システム１００ａでは、受信機２と各送信機１との間にすべてのリンクにおいて、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネルおよび上り方向光データ通信チャネルが形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、少なくとも２つ以上のリンクにおいて、上述の３つのチャネルが形成されているものとすればよい。
また、図２に示す通信システム１００ａでは、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネル、および上り方向光データ通信チャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、３つのチャネルそれぞれが別々の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよく、または、一部のチャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよい。ただし、例えば、３つのチャネルがすべて同一の光ファイバリンク上で形成されるものとすると、光ファイバの敷設コストを削減することができるというメリットがある。
図３は、送信機および受信機のブロック構成を示す図である。図３を参照しながら、送信機１および受信機２の機能ブロック構成について説明する。図３においては、説明の簡略化のため、送信機１を１台のみ記載して説明する。
図３に示すように、送信機１は、波長多重処理部１０と、量子鍵共有部１１（第２量子鍵共有手段）と、鍵蒸留部１２（第２鍵蒸留手段）と、鍵管理・提供部１３と、ストレージ１４と、光データ通信部１５と、同期制御部１６と、光子通信制御部１７（第２光子通信制御手段）と、光データ通信制御部１８（第２データ通信制御手段）と、を備えている。
波長多重処理部１０は、後述する受信機２の波長多重処理部２０と共に、ＷＤＭ技術により、光ファイバリンク３に、光子の送信を行うための光子通信チャネル３０と、下りデータを受信するための下り方向光データ通信チャネル３１と、上りデータを送信するための上り方向光データ通信チャネル３２（データ通信チャネル）とを形成する機能部である。
量子鍵共有部１１は、量子鍵配送を実行する機能部である。具体的には、量子鍵共有部１１は、例えば、乱数によって発生させたビット列に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子ビット列を、光子通信チャネル３０を介して、受信機２に送信する。この際、量子鍵共有部１１は、光子通信制御部１７から割り当てられたタイムスロット（光子タイムスロット）に従って、光子ビット列を受信機２に送信する。次に、量子鍵共有部１１は、受信機２（後述の量子鍵共有部２１）が、受信した光子ビット列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、下り方向光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部１１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部２１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。なお、ここで説明したシフティングの処理は一例であり、これ以外の方法であってもよい。
鍵蒸留部１２は、鍵蒸留処理を実行する機能部である。具体的には、鍵蒸留部１２は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、後述する鍵蒸留部２２と制御データ（ＥＣ（Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：誤り訂正）情報）を交換することにより、共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部１２が生成した訂正後ビット列は、後述する鍵蒸留部２２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。次に、鍵蒸留部１２は、下り方向光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部２２から制御データ（ＰＡ（Ｐｒｉｖａｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：秘匿性増強）情報）を受信し、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行う。鍵蒸留部１２による訂正後ビット列に対する鍵圧縮処理後のビット列を鍵ビット列というものとし、これが受信機２と共有する暗号鍵となる。なお、ここで説明した鍵蒸留処理は一例であり、これ以外の方法であってもよい。
鍵管理・提供部１３は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵（鍵ビット列）を、ストレージ１４に保存して管理し、かつ、必要に応じて、ストレージ１４から暗号鍵を取得してアプリケーション（図示せず）に提供する機能部である。なお、鍵管理・提供部１３は、暗号鍵（鍵ビット列）だけではなく、量子鍵共有部１１により生成された光子ビット列および共有ビット列、ならびに、鍵蒸留部１２により生成された訂正後ビット列のうち少なくともいずれかを保存するようにしてもよい。ストレージ１４は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵を保存する記憶装置である。
光データ通信部１５は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、受信機２（後述する光データ通信部２５）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。光データ通信で通信されるデータは、上述のように、量子鍵配送および鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。この際、光データ通信部１５は、光データ通信制御部１８から割り当てられたタイムスロット（データタイムスロット）に従って、上り方向光データ通信チャネル３２を介して上りデータを受信機２に送信する。光データ通信部１５は、受信機２に送信する予定の上りデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
同期制御部１６は、受信機２との量子鍵配送を実行する際に、送信機１と受信機２との間で動作の同期をとる機能部である。同期する方法は、例えば、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を用いて行う方法としてもよく、光ファイバリンク３上に同期のための専用のチャネルを設けてこれを利用する方法としてもよく、あるいは、光ファイバリンク３を利用しないで、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等を利用する方法としてもよい。
光子通信制御部１７は、受信機２（算出部２９）により算出された光子タイムスロットに従って、量子鍵共有部１１に、光子通信チャネル３０を介して光子ビット列を受信機２に送信させる機能部である。
光データ通信制御部１８は、光データ通信部１５による光データ通信を制御する機能部である。光データ通信制御部１８は、受信機２（算出部２９）により算出されたデータタイムスロットに従って、光データ通信部１５に、上り方向光データ通信チャネル３２を介して上りデータを受信機２に送信させる。
なお、上述の波長多重処理部１０、量子鍵共有部１１、鍵蒸留部１２、鍵管理・提供部１３、同期制御部１６、光子通信制御部１７および光データ通信制御部１８は、それぞれ後述するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）８０上で実行されるプログラムによって実現されてもよく、または、ハードウェア回路によって実現されてもよい。また、量子鍵共有部１１の一部は、光子の送受信を実現するための光回路装置によって実現されてもよい。
図３に示すように、受信機２は、波長多重処理部２０と、量子鍵共有部２１（第１量子鍵共有手段）と、鍵蒸留部２２（第１鍵蒸留手段）と、鍵管理・提供部２３と、ストレージ２４と、光データ通信部２５と、同期制御部２６と、光子通信制御部２７（第１光子通信制御手段）と、光データ通信制御部２８（第１データ通信制御手段）と、算出部２９（算出手段）と、を備えている。
波長多重処理部２０は、送信機１の波長多重処理部１０と共に、ＷＤＭ技術により、光ファイバリンク３に、光子の送信を行うための光子通信チャネル３０と、下りデータを送信するための下り方向光データ通信チャネル３１と、上りデータを送信するための上り方向光データ通信チャネル３２とを形成する機能部である。
量子鍵共有部２１は、量子鍵配送を実行する機能部である。具体的には、量子鍵共有部２１は、光子通信チャネル３０を介して、送信機１から光子ビット列を受信し、ランダムに発生させた基底情報に基づいて、光子ビット列を読み取る。次に、量子鍵共有部２１は、送信機１（量子鍵共有部１１）が光子ビット列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、上り方向光データ通信チャネル３２を介して受信する。そして、量子鍵共有部２１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部１１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。なお、ここで説明したシフティングの処理は一例であり、これ以外の方法であってもよい。
鍵蒸留部２２は、鍵蒸留処理を実行する機能部である。具体的には、鍵蒸留部２２は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、鍵蒸留部１２と制御データ（ＥＣ情報）を交換することにより、共有ビット列のビット誤りを訂正して、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部２２が生成した訂正後ビット列は、鍵蒸留部１２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。次に、鍵蒸留部２２は、下り方向光データ通信チャネル３１を介して、制御データ（ＰＡ情報）を生成して鍵蒸留部１２に送信し、このＰＡ情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行う。鍵蒸留部２２による訂正後ビット列に対する鍵圧縮処理後のビット列を鍵ビット列というものとし、これが送信機１と共有する暗号鍵となる。なお、ここで説明した鍵蒸留処理は一例であり、これ以外の方法であってもよい。
鍵管理・提供部２３は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵（鍵ビット列）を、ストレージ２４に保存して管理し、かつ、必要に応じて、ストレージ２４から暗号鍵を取得してアプリケーション（図示せず）に提供する機能部である。なお、鍵管理・提供部２３は、暗号鍵（鍵ビット列）だけではなく、量子鍵共有部２１により生成された光子ビット列および共有ビット列、ならびに、鍵蒸留部２２により生成された訂正後ビット列のうち少なくともいずれかを保存するようにしてもよい。ストレージ２４は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵を保存する記憶装置である。
光データ通信部２５は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、送信機１（光データ通信部１５）との間で光データ通信を行うインタフェース装置である。光データ通信で通信されるデータは、上述のように、量子鍵配送および鍵蒸留処理で必要な制御データであってもよく、これ以外の一般的なデータであってもよい。光データ通信部２５は、送信機１に送信する予定の下りデータをバッファリングする図示しないバッファを備えている。
同期制御部２６は、送信機１との量子鍵配送を実行する際に、受信機２と送信機１との間で動作の同期をとる機能部である。同期する方法は、例えば、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を用いて行う方法としてもよく、光ファイバリンク３上に同期のための専用のチャネルを設けてこれを利用する方法としてもよく、あるいは、光ファイバリンク３を利用しないで、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等を利用する方法としてもよい。
光子通信制御部２７は、算出部２９により算出された光子タイムスロットに従って量子鍵共有部１１から送信された光子ビット列を、光子通信チャネル３０を介して、量子鍵共有部２１に受信させる機能部である。
光データ通信制御部２８は、光データ通信部２５による光データ通信を制御する機能部である。光データ通信制御部２８は、算出部２９により算出されたデータタイムスロットに従って光データ通信部１５から送信された上りデータを、上り方向光データ通信チャネル３２を介して、光データ通信部２５に受信させる。
算出部２９は、複数の送信機１が、光子通信チャネル３０を介して、時分割に光子ビット列を受信機２へ送信するための光子タイムスロットを算出する機能部である。また、算出部２９は、複数の送信機１が、上り方向光データ通信チャネル３２を介して、時分割に上りデータを受信機２へ送信するためのデータタイムスロットを算出する。算出部２９による光子タイムスロットおよびデータタイムスロットの算出動作については、後述する。
なお、上述の波長多重処理部２０、量子鍵共有部２１、鍵蒸留部２２、鍵管理・提供部２３、同期制御部２６、光子通信制御部２７、光データ通信制御部２８および算出部２９は、それぞれ後述するＣＰＵ８０上で実行されるプログラムによって実現されてもよく、または、ハードウェア回路によって実現されてもよい。また、量子鍵共有部２１の一部は、光子の送受信を実現するための光回路装置によって実現されてもよい。
また、図３に示す送信機１および受信機２のブロック構成は、機能を概念的に例示したものであって、このような構成に限定されるものではない。
図４は、通信システムにおける光データ通信のデータの流れを説明する図である。図５は、ＰＯＮのＤＢＡによるタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。図４および５を参照しながら、通信システム１００ａがＰＯＮとして機能する場合のＤＢＡによる動的なデータタイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。なお、図４は、図２に示す通信システム１００ａのうち、ＰＯＮを構成する部分を抜粋して示したものである。また、図５では、１台の送信機１と、受信機２との間の動作の手順を示すが、実際には、図２に示す通信システム１００ａのように、複数の送信機１と、受信機２との間で同様の手順が実行される。
＜ステップＳ１１＞
送信機１の光データ通信部１５は、受信機２へ送信する上りデータを取得すると、自身のバッファに蓄積する。
＜ステップＳ１２＞
受信機２の光データ通信制御部２８は、各送信機１に対して、順次、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部２８は、定期的に、各送信機１に対して、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ１３＞
送信機１の光データ通信制御部１８は、受信機２から送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを受信すると、現在、光データ通信部１５のバッファに蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報を含むＲＥＰＯＲＴフレームを、受信機２に対して送信する。なお、ＲＥＰＯＲＴフレームは、上り方向光データ通信チャネル３２、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、受信機２に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ１４＞
光データ通信制御部２８は、送信機１から蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報（第２情報）を含むＲＥＰＯＲＴフレームを受信する。受信機２の算出部２９は、ＲＥＰＯＲＴフレームに含まれる蓄積されている上りデータのデータ量、および、現在の各送信機１に割り当てられているデータタイムスロットの情報に基づいて、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に割り当てるデータタイムスロットを算出する。
＜ステップＳ１５＞
光データ通信制御部２８は、算出部２９により算出されたデータタイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に対して、送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ１６＞
データタイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを受信した送信機１の光データ通信制御部１８は、そのデータタイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、光データ通信部１５に対して、上り方向光データ通信チャネル３２を介して上りデータを受信機２（光データ通信制御部２８）に送信させる。
以上のような、通信システム１００ａにおけるＰＯＮとしてのＤＢＡによるデータタイムスロットの算出および割り当て動作を繰り返すことによって、動的にデータタイムスロットを割り当て、上り方向光データ通信チャネル３２を介した上りデータの効率的な送信動作が実現される。
なお、データタイムスロットは、上述のように、送信開始時刻および送信可能期間から構成されてもよく、または、送信可能期間と送信不可能期間とを含むような、以後上りデータの送信の開始および終了を繰り返し実行できる十分な情報であってもよい。
図６は、通信システムにおける光子送信の流れを説明する図である。図７は、量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作の例を示すシーケンス図である。図８は、鍵圧縮処理を説明する図である。図６〜８を参照しながら、通信システム１００ａにおいてＱＡＮとしての量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作について説明する。なお、図６は、図２に示す通信システム１００ａのうち、ＱＡＮを構成する部分を抜粋して示したものである。また、図７では、１台の送信機１と、受信機２との間の動作の手順を示すが、実際には、図２に示す通信システム１００ａのように、複数の送信機１と、受信機２との間で同様の手順が実行される。
＜ステップＳ２１＞
量子鍵共有部１１は、例えば、乱数によって発生させたビット列に対して、ランダムに発生させた基底情報に基づく状態とした単一光子から構成される光子ビット列を、光子通信チャネル３０を介して、受信機２の量子鍵共有部２１に送信する。この際、量子鍵共有部１１は、光子通信制御部１７から割り当てられた光子タイムスロットに従って、光子ビット列を受信機２に送信する。この光子タイムスロットの算出および割り当て動作については、後述する。量子鍵共有部２１は、光子通信チャネル３０を介して、量子鍵共有部１１から光子ビット列を受信し、ランダムに発生させた基底情報に基づいて、光子ビット列を読み取る。
＜ステップＳ２２＞
量子鍵共有部１１は、量子鍵共有部２１が、受信した光子ビット列を読み取るためにランダムに発生させた基底情報を、下り方向光データ通信チャネル３１を介して受信する。そして、量子鍵共有部１１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部２１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部１１は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部１２に渡す。なお、ここで説明したシフティングは一例である。
＜ステップＳ２３＞
量子鍵共有部２１は、量子鍵共有部１１が光子ビット列を送信するためにランダムに発生させた基底情報を、上り方向光データ通信チャネル３２を介して受信する。そして、量子鍵共有部２１は、自ら発生した基底情報と量子鍵共有部１１から受信した基底情報とを比較して、一致する部分に対応するビットを光子ビット列から抽出して、共有ビット列とするシフティングを実行する。量子鍵共有部２１は、生成した共有ビット列を、鍵蒸留部２２に渡す。なお、ここで説明したシフティングは一例である。
＜ステップＳ２４＞
鍵蒸留部１２は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、鍵蒸留部２２と交換したＥＣ情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部１２が生成した訂正後ビット列は、後述する鍵蒸留部２２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
＜ステップＳ２５＞
鍵蒸留部２２は、下り方向光データ通信チャネル３１および上り方向光データ通信チャネル３２を介して、鍵蒸留部１２と交換したＥＣ情報に基づいて、共有ビット列のビット誤りを訂正し、訂正後のビット列である訂正後ビット列を生成する誤り訂正処理を実行する。この鍵蒸留部２２が生成した訂正後ビット列は、鍵蒸留部１２が、共有ビット列を訂正して生成した訂正後ビット列と一致する。
＜ステップＳ２６＞
鍵蒸留部１２は、下り方向光データ通信チャネル３１を介して、鍵蒸留部２２から受信したＰＡ情報（乱数および暗号鍵の長さ等）に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。具体的には、鍵蒸留部１２は、図８に示すように、生成した訂正後ビット列の長さｎと、ＰＡ情報に含まれる乱数と、暗号鍵の長さｓとからｎ×ｓの行列であるハッシュ関数を生成する。そして、鍵蒸留部１２は、訂正後ビット列にハッシュ関数を乗じることによって、長さｓの暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。鍵蒸留部１２は、生成した暗号鍵を、鍵管理・提供部１３に渡す。なお、鍵圧縮処理の方法は、上述のようなハッシュ関数を用いたものに限定するものではなく、その他の方法によって実現するものとしてもよい。
＜ステップＳ２７＞
鍵蒸留部２２は、下り方向光データ通信チャネル３１を介して、ＰＡ情報を生成して鍵蒸留部１２に送信し、このＰＡ情報に基づいて、訂正後ビット列に対して、訂正した誤りの数から、量子鍵配送および誤り訂正処理の際に盗聴者により盗聴された可能性のあるビットを打ち消すための鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。具体的には、鍵蒸留部２２は、鍵蒸留部１２と同様の方法で、鍵圧縮処理を行い、暗号鍵（鍵ビット列）を生成する。鍵蒸留部２２は、生成した暗号鍵を、鍵管理・提供部２３に渡す。
＜ステップＳ２８＞
鍵管理・提供部１３は、鍵蒸留部１２によって生成された暗号鍵を、ストレージ１４に保存して管理する。ストレージ１４に保存された暗号鍵は、鍵管理・提供部１３により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
＜ステップＳ２９＞
鍵管理・提供部２３は、鍵蒸留部２２によって生成された暗号鍵を、ストレージ２４に保存して管理する。ストレージ２４に保存された暗号鍵は、鍵管理・提供部２３により必要に応じて取得され、外部のアプリケーションに提供される。
以上のような動作によって、送信機１および受信機２において、同一の暗号鍵が生成される。上述の動作を繰り返すことによって、異なる暗号鍵が次々と生成される。
なお、基底情報、ＥＣ情報およびＰＡ情報は、下り方向光データ通信チャネル３１または上り方向光データ通信チャネル３２を介して、送信機１と受信機２との間で送受信されているものとしているが、これに限定されるものではない。例えば、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送受信されるものとしてもよい。
図９は、ＱＡＮのＤＢＡによるタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。図６および９を参照しながら、通信システム１００ａがＱＡＮとして機能する場合のＤＢＡによる動的な光子タイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。
まず、図６を参照しながら、送信機１ａ〜１ｃおよび受信機２が共有している暗号鍵の量、および、実行されているアプリケーションの数の例を示す。
送信機１ａ〜１ｃは、それぞれストレージ１４ａ〜１４ｃを備えているものとする。受信機２は、ストレージ２４を備えている。
図６に示すように、通信システム１００ａには、送信機１ａと受信機２とのリンク（以下、リンクＡという）、送信機１ｂと受信機２とのリンク（以下、リンクＢという）、および送信機１ｃと受信機２とのリンク（以下、リンクＣという）の３種類のリンクがある。これらのリンクごとに、図７に示す量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作によって、それぞれの送信機１と受信機２との間で同一の暗号鍵（ただし、それぞれ異なる）が生成され共有される。
送信機１ａは、送信機１ａと通信可能で、３種類のアプリケーションであるアプリケーション５００〜５０２を実行している外部装置に接続している。なお、この外部装置は、１台でなくてもよい。例えば、アプリケーション５００〜５０２それぞれを実行する３台の外部装置であってもよく、アプリケーション５００、５０１を実行する外部装置およびアプリケーション５０２を実行する外部装置の２台の外部装置であってもよい。また、アプリケーション５００〜５０２は、少なくともいずれかが外部装置ではなく送信機１ａ自体が実行するアプリケーションであってもよい。
送信機１ｃは、送信機１ｃと通信可能で、アプリケーション５０３ｃを実行している外部装置に接続している。なお、アプリケーション５０３ｃは、外部装置ではなく送信機１ｃ自体が実行するアプリケーションであってもよい。
受信機２は、受信機２と通信可能で、４種類のアプリケーションであるアプリケーション５００ａ〜５０３ａを実行している外部装置に接続している。なお、この外部装置は、１台でなくてもよい。例えば、アプリケーション５００ａ、５０１ａを実行する外部装置およびアプリケーション５０２ａ、５０３ａを実行する外部装置の２台の外部装置であってもよい。また、アプリケーション５００ａ〜５０３ａは、少なくともいずれかが外部装置ではなく受信機２自体が実行するアプリケーションであってもよい。
アプリケーション５００〜５０２、５０３ｃは、それぞれアプリケーション５００ａ〜５０３ａに対応し、各アプリケーション間でデータ通信を行う。送信機１ａおよび受信機２は、アプリケーション５００〜５０２とアプリケーション５００ａ〜５０２ａとがそれぞれ暗号通信するためのリンクＡ用の暗号鍵を生成し、ストレージ１４ａ、２４それぞれに、生成した暗号鍵の束である暗号鍵６００ａが保存されている。送信機１ｃおよび受信機２は、アプリケーション５０３ｃと、アプリケーション５０３ａとが暗号通信するためのリンクＣ用の暗号鍵を生成し、ストレージ１４ｃ、２４それぞれに、生成した暗号鍵の束である暗号鍵６００ｃが保存されている。送信機１ｂおよび受信機２は、それぞれに接続する外部機器においてアプリケーションを実行されておらず、また、送信機１ｂおよび受信機２自体においてもアプリケーションが実行されていない。しかし、送信機１ｂおよび受信機２は、リンクＢ用に暗号鍵を生成し、ストレージ１４ｂ、２４それぞれに、生成した暗号鍵の束である暗号鍵６００ｂが保存されている。
上述のように、ＱＡＮとしての通信システム１００ａにおいては、共有した暗号鍵が使用されるタイミングおよび使用量は、各送信機１と受信機２とで実行されるアプリケーションの種類および数等によって異なる。このような通信システム１００ａにおける複数の送信機１に対して、固定的なタイムスロットを割り当て、そのタイムスロットにしたがって光子を送信する方法では、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用を効率的にすることができない。例えば、現在蓄積されている暗号鍵が残り少なくなっている送信機、および暗号鍵を利用する暗号通信アプリケーションがより多く運用されている送信機に対して、より長い光子タイムスロットを動的に割り当てることによって、より多くの暗号鍵を共有できるようにすることが効率的な動作となる。
例えば、図６に示す通信システム１００ａにおいて、リンクＡでは、蓄積されている暗号鍵６００ａの量に対して、実行されているアプリケーションの数が多い。また、リンクＢでは、一定量の暗号鍵６００ｂが蓄積されているが、実行されているアプリケーションがない。また、リンクＣでは、蓄積されている暗号鍵６００ｃの量と、実行されているアプリケーションの数とが均衡している。この状態の３つのリンクにおいては、リンクＡにおいて多くの暗号鍵が生成され共有されるべきである。したがって、通信システム１００ａにおいては、送信機１ｂおよび送信機１ｃに長い光子タイムスロットを割り当て、送信機１ａに短い光子タイムスロットを割り当てるのでは、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用を効率的にすることができない。この場合、送信機１ａに長い光子タイムスロットを、そして、送信機１ｂおよび送信機１ｃに短い光子タイムスロットを動的に割り当てることが、暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用を効率的にすることができる。以下、図６および９を参照しながら、各送信機が必要とする暗号鍵の量に基づいて、ＤＢＡによる動的な光子タイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。
＜ステップＳ３１＞
送信機１の鍵管理・提供部１３は、現在、自身が必要な暗号鍵の量を取得する。必要な暗号鍵の量の取得方法としては、例えば、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の残量、に基づいて必要な暗号鍵の量を算出する方法が挙げられる。
＜ステップＳ３２＞
受信機２の光データ通信制御部２８は、各送信機１に対して、順次、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部２８は、定期的に、各送信機１に対して、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ３３＞
送信機１の光データ通信制御部１８は、受信機２から送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを受信すると、鍵管理・提供部１３により取得された必要な暗号鍵の量を示す情報（第１情報）を含むＲＥＰＯＲＴフレームを、受信機２に対して送信する。なお、ＲＥＰＯＲＴフレームには、現在のストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の量、または暗号鍵を必要とするアプリケーションの数等の統計情報を含むものとしてもよい。また、ＲＥＰＯＲＴフレームは、上り方向光データ通信チャネル３２、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、受信機２に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ３４＞
光データ通信制御部２８は、送信機１から必要な暗号鍵の量を示す情報を含むＲＥＰＯＲＴフレームを受信する。受信機２の算出部２９は、ＲＥＰＯＲＴフレームに含まれる必要な暗号鍵の量、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１との間で現在共有されている暗号鍵の量、および現在の各送信機１に割り当てられている光子タイムスロットの情報に基づいて、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に割り当てる光子タイムスロットを算出する。
＜ステップＳ３５＞
光データ通信制御部２８は、算出部２９により算出された光子タイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に対して、送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ３６＞
光子タイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを受信した送信機１の光子通信制御部１７は、その光子タイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、量子鍵共有部１１に対して、光子通信チャネル３０を介して光子ビット列を受信機２（量子鍵共有部２１）に送信させる。
なお、光子タイムスロットは、上述のように、送信開始時刻および送信可能期間から構成されてもよく、または、送信可能期間と送信不可能期間とを含むような、以後光子ビット列の送信の開始および終了を繰り返し実行できる十分な情報であってもよい。
以上のように、通信システム１００ａにおけるＱＡＮとしてのＤＢＡによる光子タイムスロットの算出および割り当て動作を繰り返すことによって、動的に光子通信チャネル３０の光子タイムスロットを割り当て、ＱＡＮ上での効率的な暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用が実現できる。具体的には、暗号鍵が必要な送信機１と受信機２との間で、より多くの暗号鍵を共有できるようになる。
（第２の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１の実施形態に係る通信システム１００ａと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機１および受信機２のブロック構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態では、通信システム１００ａがＰＯＮとして機能する場合におけるＤＢＡによるデータタイムスロットの算出および割り当て動作、および、ＱＡＮとして機能する場合におけるＤＢＡによる光子タイムスロットの算出および割り当て動作の２つの動作が実行されるので、この観点からシステムリソースの面で非効率となる場合がある可能性がある。
また、図２に示す通信システム１００ａにおいて、上り方向光データ通信チャネルのデータタイムスロットと、光子通信チャネルの光子タイムスロットとは、以下の理由から正の相関が生じる可能性がある。例えば、上りデータを多く送信する送信機１は、多くの暗号鍵を必要とする。したがって、上り方向光データ通信チャネルにデータタイムスロットを長く割り当てられた送信機１は、光子通信チャネルの光子タイムスロットを多く割り当てるべきである。また、上述の量子鍵配送および鍵蒸留処理においては、制御データを送信する場合、上り方向光データ通信チャネルが利用される。この場合、光子通信チャネルに光子タイムスロットが長く割り当てられた送信機１は、多くの制御データの通信が必要となり、上り方向光データ通信チャネルに長いデータタイムスロットを必要とする。
以上の観点から、本実施形態に係る通信システムでは、光子通信チャネルにおける光子タイムスロットと、上り方向光データ通信チャネルにおけるデータタイムスロットとを一致させる動作について説明する。
図１０は、第２の実施形態におけるＰＯＮのタイムスロットの割り当てを示すシーケンス図である。図１１は、第２の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。図１０および１１を参照しながら、本実施形態に係る通信システムがＰＯＮとして機能する場合のＤＢＡによる動的なデータタイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。また、図１０では、１台の送信機１と、受信機２との間の動作の手順を示すが、実際には、図２に示す通信システム１００ａのように、複数の送信機１と、受信機２との間で同様の手順が実行される。
＜ステップＳ４１＞
送信機１の光データ通信部１５は、受信機２へ送信する上りデータを取得すると、自身のバッファに蓄積する。送信機１の鍵管理・提供部１３は、現在、自身が必要な暗号鍵の量を取得する。必要な暗号鍵の量の取得方法としては、例えば、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の残量、に基づいて必要な暗号鍵の量を算出する方法が挙げられる。
＜ステップＳ４２＞
受信機２の光データ通信制御部２８は、各送信機１に対して、順次、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。例えば、光データ通信制御部２８は、定期的に、各送信機１に対して、送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ４３＞
送信機１の光データ通信制御部１８は、受信機２から送信許可を指示するＧＡＴＥフレームを受信すると、現在、光データ通信部１５のバッファに蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報、および、鍵管理・提供部１３により取得された必要な暗号鍵の量を示す情報を含むＲＥＰＯＲＴフレームを、受信機２に対して送信する。なお、ＲＥＰＯＲＴフレームには、現在のストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の量、または暗号鍵を必要とするアプリケーションの数等の統計情報を含むものとしてもよい。また、ＲＥＰＯＲＴフレームには、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の残量の情報を含むものとしてもよい。なお、ＲＥＰＯＲＴフレームは、上り方向光データ通信チャネル３２、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、受信機２に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ４４＞
光データ通信制御部２８は、送信機１から蓄積されている上りデータのデータ量を示す情報、および、必要な暗号鍵の量を示す情報を含むＲＥＰＯＲＴフレームを受信する。受信機２の算出部２９は、ＲＥＰＯＲＴフレームに含まれる蓄積されている上りデータのデータ量、および必要な暗号鍵の量、ならびに、現在の各送信機１に割り当てられているデータタイムスロットの情報、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１との間で現在共有されている暗号鍵の量、および現在の各送信機１に割り当てられている光子タイムスロットの情報に基づいて、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に割り当てるデータタイムスロットを算出する。なお、ＲＥＰＯＲＴフレームに、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、または、現在ストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の残量の情報を含む場合、これらの情報をデータタイムスロットの算出に用いてもよい。さらに、算出部２９は、算出したデータタイムスロットと同一の光子タイムスロットを求める。
＜ステップＳ４５＞
光データ通信制御部２８は、算出部２９により算出されたデータタイムスロットおよび光子タイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを、ＲＥＰＯＲＴフレームを送信した送信機１に対して、送信する。なお、ＧＡＴＥフレームは、下り方向光データ通信チャネル３１、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）上の別のチャネル、または、光ファイバリンク３（３ａ〜３ｄ）とは異なる通信回線を介して、送信機１に送信されるものとすればよい。
＜ステップＳ４６＞
データタイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを受信した送信機１の光データ通信制御部１８は、ＧＡＴＥフレームに含まれるデータタイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、光データ通信部１５に対して、上り方向光データ通信チャネル３２を介して上りデータを受信機２（光データ通信制御部２８）に送信させる。
＜ステップＳ４７＞
データタイムスロットの情報を含むＧＡＴＥフレームを受信した送信機１の光子通信制御部１７は、ＧＡＴＥフレームに含まれる光子タイムスロットが示す送信開始時刻および送信可能期間に従って、量子鍵共有部１１に対して、光子通信チャネル３０を介して光子ビット列を受信機２（量子鍵共有部２１）に送信させる。これによって、図１１に示すように、各送信機１に割り当てられたデータタイムスロットおよび光子タイムスロットは、タイミング（送信開始時刻）と長さ（送信開始期間）とが一致する。すなわち、図２に示す送信機１ａに割り当てられたデータタイムスロットＡ１ｄと光子タイムスロットＡ１ｑとが一致し、送信機１ｂに割り当てられたデータタイムスロットＡ２ｄと光子タイムスロットＡ２ｑとが一致し、送信機１ｃに割り当てられたデータタイムスロットＡ３ｄと光子タイムスロットＡ３ｑとが一致する。
以上のように、受信機２は、送信機１からの上りデータのデータ量および現在のデータタイムスロットの情報等のＰＯＮに関する情報（以下、ＰＯＮ情報という）、および、必要な暗号鍵の量、暗号化を要求しているデータの蓄積量、暗号鍵を利用して動作するアプリケーションから要求される暗号鍵の量、現在ストレージ１４に蓄積されている暗号鍵の残量、現在共有されている暗号鍵の量、および現在の光子タイムスロットの情報等のＱＡＮに関する情報（以下、ＱＡＮ情報という）に基づいて、データタイムスロットを算出するものとしている。受信機２は、算出したデータタイムスロットと同一の光子タイムスロットをもとめる。そして、送信機１は、受信機２によって算出されたデータタイムスロットに従って、上りデータを送信し、光子タイムスロットに従って、光子ビット列を送信するものとしている。このように、本実施形態に係る通信システムは、ＤＢＡによるタイムスロット（上述の場合、データタイムスロット）の算出動作を１回行うことで、データタイムスロットおよび光子タイムスロットをもとめているので、処置の負荷を低減し、システムリソースを効率的に使用することができ、送信機１および受信機２共に、タイムスロット制御が単純化される。
また、上り方向光データ通信チャネルのデータタイムスロットと、光子通信チャネルの光子タイムスロットとは、上述の理由から正の相関があるとした上で、双方を一致させているので、上り方向光データ通信チャネルを介した上りデータの効率的な送信動作、および、ＱＡＮ上での効率的な暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用が実現できる。
また、受信機２は、上述のようにＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報に基づいて、それぞれデータタイムスロットおよびそれに一致する光子タイムスロットを求めているので、上りデータのより効率的な動作、および、より効率的な暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用が実現される。
なお、図１０に示す動作例では、受信機２は、ＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報に基づいて、データタイムスロットを算出するものとしているが、これに限定されるものではない。例えば、受信機２は、ＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報に基づいて、光子タイムスロットを算出し、これに一致するデータタイムスロットをもとめるものとしてもよい。また、受信機２は、ＰＯＮ情報に基づいて、データタイムスロットを算出し、これに一致する光子タイムスロットをもとめるものとしてもよく、または、ＱＡＮ情報に基づいて、光子タイムスロットを算出し、これに一致するデータタイムスロットをもとめるものとしてもよい。ただし、上述のように、ＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報の双方の情報に基づいて、データタイムスロットまたは光子タイムスロットを算出する動作とすると、上りデータのより効率的な動作、および、より効率的な暗号鍵の共有動作および暗号鍵の利用が実現される。
また、本実施形態に係る通信システムと同一の構成を示す図２の通信システム１００ａのように、受信機２と各送信機１との間のすべてのリンクにおいて、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネルおよび上り方向光データ通信チャネルが形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、少なくとも２つ以上のリンクにおいて、上述の３つのチャネルが形成されているものとすればよい。
また、本実施形態に係る通信システムと同一の構成を示す図２の通信システム１００ａでは、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネル、および上り方向光データ通信チャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、３つのチャネルそれぞれが別々の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよく、または、一部のチャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよい。ただし、例えば、３つのチャネルがすべて同一の光ファイバリンク上で形成されるものとすると、光ファイバの敷設コストを削減することができるというメリットがある。
（第３の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１の実施形態に係る通信システム１００ａと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機１および受信機２のブロック構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態において、受信機２は、ＰＯＮ情報に基づいて、上り方向光データ通信チャネル３２のデータタイムスロットを算出し、ＱＡＮ情報に基づいて、光子通信チャネル３０の光子タイムスロットを算出するものとしている。本実施形態に係る通信システムでは、受信機２は、ＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報の双方に基づいて、それぞれデータタイムスロットおよび光子タイムスロットを算出するものである。したがって、本実施形態に係る通信システムにおける、データタイムスロットの算出および割り当て動作は、第２の実施形態の図１０に示す動作シーケンスのうち、ステップＳ４１〜Ｓ４６の動作と同様である。また、光子タイムスロットの算出および割り当て動作は、図１０に示す動作シーケンスのうち、ステップＳ４１〜Ｓ４５およびＳ４７の動作に準じ、ステップＳ４４では、算出部２９は、データタイムスロットではなく光子タイムスロットを算出するものとすればよい。
図１２は、第３の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。まず、例えば、送信機１ａにおいて、ＱＡＮ情報から、光子の送信によって蓄積される暗号鍵の量が少なく、ＰＯＮ情報から、蓄積されている上りデータのデータ量が少ないという場合を想定する。この場合、算出部２９は、蓄積されている上りデータのデータ量が少ないため、上り方向光データ通信チャネル３２に割り当てる送信機１ａのデータタイムスロットＡ１ｄを短くする（図１２参照）。また、算出部２９は、暗号鍵の量が少なく、今後不足する可能性があるため、光子通信チャネル３０に割り当てる送信機１ａの光子タイムスロットＡ１ｑを長くする（図１２参照）。
また、例えば、送信機１ｂにおいて、ＱＡＮ情報から、蓄積されている暗号鍵の量は十分であり、ＰＯＮ情報から、暗号化する必要のない上りデータの蓄積量が多いという場合を想定する。この場合、算出部２９は、暗号化する必要のない上りデータの蓄積量が多いため、蓄積されている暗号鍵の量に関わらず、上り方向光データ通信チャネル３２に割り当てる送信機１ｂのデータタイムスロットＡ２ｄを長くする（図１２参照）。また、算出部２９は、蓄積されている暗号鍵の量は十分であり、かつ、暗号化する必要のある上りデータの蓄積量が少ないため、光子通信チャネル３０に割り当てる送信機１ｂの光子タイムスロットＡ２ｑを短くする（図１２参照）。図１２の例では、さらに、上述の例示した理由等により、送信機１ｃのデータタイムスロットＡ３ｄよりも光子タイムスロットＡ３ｑを長くしている。
以上のように、本実施形態に係る通信システムでは、受信機２は、ＰＯＮ情報およびＱＡＮ情報の双方に基づいて、それぞれデータタイムスロットおよび光子タイムスロットを算出するものとしているので、それぞれのタイムスロットを個別に最適化することができる。
なお、本実施形態に係る通信システムと同一の構成を示す図２の通信システム１００ａのように、受信機２と各送信機１との間のすべてのリンクにおいて、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネルおよび上り方向光データ通信チャネルが形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、少なくとも２つ以上のリンクにおいて、上述の３つのチャネルが形成されているものとすればよい。
また、本実施形態に係る通信システムと同一の構成を示す図２の通信システム１００ａでは、光子通信チャネル、下り方向光データ通信チャネル、および上り方向光データ通信チャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態においては、３つのチャネルそれぞれが別々の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよく、または、一部のチャネルが同一の光ファイバリンク上に形成されるものとしてもよい。ただし、例えば、３つのチャネルがすべて同一の光ファイバリンク上で形成されるものとすると、光ファイバの敷設コストを削減することができるというメリットがある。
（第４の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１の実施形態に係る通信システム１００ａと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機１および受信機２のブロック構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態に係る通信システムにおいては、少なくとも、光子通信チャネル３０と上り方向光データ通信チャネル３２とが同一光ファイバリンク上で形成されているものとする。このとき、これらのチャネルは、ＷＤＭ技術により異なる波長を用いて波長多重しているものの、上り方向光データ通信チャネル３２を伝送されるデータの光強度は、光子通信チャネルを伝送される光子の光強度に比べて極端に大きい。そのため、上り方向光データ通信チャネル３２上のデータの伝送が、光子通信チャネル３０上にエラーとなって現れる場合がある。本実施形態においては、光子通信チャネル３０上の光子の伝送に対する、上り方向光データ通信チャネル３２上のデータの伝送の影響を抑制する通信システムについて、説明する。
図１３は、第４の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。図１３を参照しながら、本実施形態に係る通信システムのタイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。
本実施形態においては、データタイムスロットおよび光子タイムスロット（特に送信開始期間）の算出および割り当ては、図５、９または１０のいずれの方法であってもよい。ただし、受信機２の算出部２９は、データタイムスロットおよび光子タイムスロットのうち送信開始時刻については、図１３に示すように、同一の送信機１において、上り方向光データ通信チャネル３２を利用するタイミングと、光子通信チャネル３０を利用するタイミングとが重複しないように算出する。具体的な例として、図１３においては、送信機１ａの光子タイムスロットＡ１ｑおよびデータタイムスロットＡ１ｄ、は重複しない期間に設定されている。また、送信機１ｂの光子タイムスロットＡ２ｑおよびデータタイムスロットＡ２ｄ、ならびに、送信機１ｃの光子タイムスロットＡ３ｑおよびデータタイムスロットＡ３ｄについても、それぞれ重複しない期間に設定されている。
以上のように、本実施形態では、同一の送信機１における光子タイムスロットの期間と、データタイムスロットの期間とが重複しないように設定される。これによって、少なくとも、各送信機１から光学機器４までの間では、送信器１が利用する光子通信チャネル３０の光子タイムスロットにおいては、上り方向光データ通信チャネル３２のデータ伝送に起因するノイズを発生させなくすることができる。よって、送信機１と受信機２との間で暗号鍵を共有する際のノイズが低減し、暗号鍵の共有動作の効率を向上させることができる。
（第５の実施形態）
本実施形態に係る通信システムの動作について、第１の実施形態に係る通信システム１００ａと相違する構成および動作を中心に説明する。なお、本実施形態に係る通信システムの構成、および、送信機１および受信機２のブロック構成は、第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る通信システムにおける量子鍵配送および鍵蒸留処理の動作は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態に係る通信システムにおいては、少なくとも、光子通信チャネル３０と上り方向光データ通信チャネル３２とが同一光ファイバリンク上で形成されているものとする。このとき、これらのチャネルは、ＷＤＭ技術により異なる波長を用いて波長多重しているものの、上り方向光データ通信チャネル３２を伝送されるデータの光強度は、光子通信チャネルを伝送される光子の光強度に比べて極端に大きい。第４の実施形態においては、同一の送信機１における光子タイムスロットの期間と、データタイムスロットの期間とが重複しないように設定し、少なくとも、各送信機１から光学機器４までの間では、送信器１が利用する光子通信チャネル３０の光子タイムスロットにおいては、上り方向光データ通信チャネル３２のデータ伝送に起因するノイズを発生させないようにした。本実施形態においては、各送信機１から受信機２までの間において、送信器１が利用する光子通信チャネル３０の光子タイムスロットにおいて、上り方向光データ通信チャネル３２のデータ伝送に起因するノイズを発生させないようにする通信システムについて説明する。
図１４は、第５の実施形態におけるトラフィックフローの例を示す図である。図１５は、第５の実施形態の変形例におけるトラフィックフローを示す図である。図１４および１５を参照しながら、本実施形態に係る通信システムのタイムスロットの算出および割り当て動作について説明する。
本実施形態においては、データタイムスロットおよび光子タイムスロット（特に送信開始期間）の算出および割り当ては、図５、９または１０のいずれの方法であってもよい。ただし、受信機２の算出部２９は、データタイムスロットおよび光子タイムスロットのうち送信開始時刻については、図１３に示すように、同一の送信機１において、上り方向光データ通信チャネル３２を利用するタイミングと、光子通信チャネル３０を利用するタイミングとが重複しないように算出する。ここで、例えば、送信機１ｂにおいて、特に光子通信チャネル３０のエラーが大きいものとする。例えば、受信機２の光子通信制御部２７が、光子通信チャネル３０のエラー率を測定し、エラー率の大きさが所定の閾値を超える送信機１をエラーが大きい送信機１であると判定するものとすればよい。この場合、算出部２９は、さらに、図１４に示すように、送信機１ｂで光子通信チャネル３０を利用するタイミングにおいては、全ての送信機１が上り方向光データ通信チャネル３２を利用しないように、データタイムスロットおよび光子タイムスロットを算出する。これによって、送信機１ｂから受信機２までの間において、送信機１ｂが利用する光子通信チャネル３０の光子タイムスロットにおいては、各送信機１が利用する上り方向光データ通信チャネル３２のデータ伝送に起因するノイズを発生させなくすることができる。よって、送信機１ｂと受信機２との間で暗号鍵を共有する際のノイズが低減し、暗号鍵の共有動作の効率を向上させることができる。
さらに、算出部２９が、各送信機１で光子通信チャネル３０を利用するタイミングにおいて、全ての送信機１が上り方向光データ通信チャネル３２を利用しないように、データタイムスロットおよび光子タイムスロットを算出する例が、図１５に示す例である。これによって、各送信機１から受信機２までの間において、各送信機１が利用する光子通信チャネル３０の光子タイムスロットにおいては、全ての送信機１が利用する上り方向光データ通信チャネル３２のデータ伝送に起因するノイズを発生させなくすることができる。よって、各送信機１と受信機２との間で暗号鍵を共有する際のノイズが低減し、暗号鍵の共有動作の効率が向上させることができる。
なお、上述の各実施形態において、各送信機１に割り当てた光子通信チャネル３０の光子タイムスロットを変更させるタイミングと、上り方向光データ通信チャネル３２のデータタイムスロットを変更させるタイミングとは、異なっていてもよい。例えば、図１１は、各送信機１に割り当てられたデータタイムスロットと光子タイムスロットとを一致させる例であるが、実際に算出部２９が算出して割り当てたタイムスロットに変更させるタイミングは、例えば、上り方向光データ通信チャネル３２では即座に変更させ、光子通信チャネル３０では所定の時間遅延の後に変更させてもよい。
また、上述の各実施形態において、各送信機１に割り当てた光子通信チャネル３０の光子タイムスロット、および上り方向光データ通信チャネル３２のデータタイムスロットを適用する時間は異なっていてもよい。例えば、上り方向光データ通信チャネル３２は蓄積された上りデータのデータ量に基づいて、頻繁に変更させるものの、光子通信チャネル３０については、頻繁に変化させることは光子送信レーザの安定動作の観点から望ましくない、等の理由で、割り当てられた光子タイムスロットに変更させる頻度を、割り当てられたデータタイムスロットに変更させる頻度のより少なくしてもよい。具体的には、データタイムスロットを変更させるためのＧＡＴＥフレームの送信を１０００回実行した後に、光子タイムスロットを変更させるためのＧＡＴＥフレームを１回実行するといった運用でもよい。
また、各送信機１は、光子ビット列の送信を、複数の光子からなる光子ブロック（例えば、光子２０００個）単位で実行する場合も想定されるし、光子１個単位で実行する場合も想定される。この場合、各送信機１に割り当てられる光子通信チャネル３０の光子タイムスロットは、上述の光子の数の単位によって割り当てられることになる。
図１６は、送信機および受信機のハードウェアの構成の例を示す図である。図１６を参照しながら上述の実施形態に係る通信装置のハードウェア構成について説明する。
上述の実施形態に係る通信装置は、ＣＰＵ８０等の制御装置と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８１と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８２と、光子の送受信および光データ通信を行う通信Ｉ／Ｆ８３と、暗号鍵を保存するストレージである外部記憶装置８４と、各部を接続するバス８５を備えている。なお、量子鍵配送の機能の一部を行うための光回路装置８６があり、これがバス８５に接続していてもよい。
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ８１等に予め組み込まれて提供される。
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録してコンピュータプログラムプロダクトとして提供されるように構成してもよい。
さらに、上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
上述の実施形態に係る通信装置で実行されるプログラムは、コンピュータを上述した通信装置の各部（波長多重処理部１０、量子鍵共有部１１、鍵蒸留部１２、鍵管理・提供部１３、同期制御部１６、光子通信制御部１７および光データ通信制御部１８、波長多重処理部２０、量子鍵共有部２１、鍵蒸留部２２、鍵管理・提供部２３、同期制御部２６、光子通信制御部２７、光データ通信制御部２８および算出部２９）として機能させ得る。このコンピュータは、ＣＰＵ８０がコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置上に読み出して実行することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、および変更を行うことができる。これらの実施形態およびその変形は、発明の範囲および要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、１ａ〜１ｃ 送信機
２ 受信機
３、３ａ〜３ｄ 光ファイバリンク
４ 光学機器
１０ 波長多重処理部
１１ 量子鍵共有部
１２ 鍵蒸留部
１３ 鍵管理・提供部
１４、１４ａ〜１４ｃ ストレージ
１５ 光データ通信部
１６ 同期制御部
１７ 光子通信制御部
１８ 光データ通信制御部
２０ 波長多重処理部
２１ 量子鍵共有部
２２ 鍵蒸留部
２３ 鍵管理・提供部
２４ ストレージ
２５ 光データ通信部
２６ 同期制御部
２７ 光子通信制御部
２８ 光データ通信制御部
２９ 算出部
３０ 光子通信チャネル
３１ 下り方向光データ通信チャネル
３２ 上り方向光データ通信チャネル
８０ ＣＰＵ
８１ ＲＯＭ
８２ ＲＡＭ
８３ 通信Ｉ／Ｆ
８４ 外部記憶装置
８５ バス
８６ 光回路装置
１００、１００ａ 通信システム
５００〜５０２、５００ａ〜５０３ａ、５０３ｃ アプリケーション
６００ａ〜６００ｃ 暗号鍵
Ａ１ｄ〜Ａ３ｄ データタイムスロット
Ａ１ｑ〜Ａ３ｑ 光子タイムスロット

Claims (15)

  1. 複数の送信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で受信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、量子鍵配送により前記各送信機との間で前記光子通信チャネルを介してそれぞれ同一の暗号鍵を生成して共有する受信機であって、
    前記データ通信チャネルを介して、前記送信機から、該送信機側の暗号鍵に関する情報を含む第１情報を受信する第１データ通信制御手段と、
    少なくとも前記第１情報に基づいて前記光子タイムスロットを算出する算出手段と、
    を備え、
    前記第１データ通信制御手段は、前記算出手段によって算出された前記光子タイムスロットを前記送信機に送信する受信機。
  2. 前記第１データ通信制御手段は、
    前記送信機から、前記データ通信チャネルを介して、データタイムスロットによる時分割多重でデータを受信し、
    前記送信機から、前記データ通信チャネルを介して、該送信機が送信するデータのデータ量の情報である第２情報を受信し、
    前記算出手段は、少なくとも前記第２情報に基づいて前記データタイムスロットを算出し、
    前記第１データ通信制御手段は、前記算出手段によって算出された前記データタイムスロットを前記送信機に送信する請求項１に記載の受信機。
  3. 前記算出手段は、少なくとも前記第１情報および前記第２情報に基づいて、同一の前記光子タイムスロットおよび前記データタイムスロットを算出する請求項２に記載の受信機。
  4. 前記第１情報は、前記送信機で生成された前記暗号鍵の蓄積量を含む請求項１に記載の受信機。
  5. 前記第１情報は、前記送信機が送信するデータのデータ量のうち、暗号化を行う必要があるデータ量の情報を含む請求項２に記載の受信機。
  6. 前記算出手段は、少なくとも前記第１情報および前記第２情報に基づいて、前記光子タイムスロットと、前記データタイムスロットとを別個に算出する請求項２に記載の受信機。
  7. 前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
    前記算出手段は、前記複数の送信機それぞれについて、前記光子タイムスロットが示す期間と、前記データタイムスロットが示す期間とが重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項２または６に記載の受信機。
  8. 前記複数の送信機に対応するそれぞれの前記光子通信チャネルのエラー率を測定し、該エラー率が所定の閾値を超えるか否かを判定する第１光子通信制御手段をさらに備え、
    前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
    前記算出手段は、前記第１光子通信制御手段により前記エラー率が前記所定の閾値を超えると判定された前記光子通信チャネルに対応する前記送信機の前記光子タイムスロットが示す期間と、前記複数の送信機すべての前記データタイムスロットが示す期間とが重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項２または６に記載の受信機。
  9. 前記複数の送信機に対応するそれぞれの前記光子通信チャネルのエラー率を測定し、該エラー率が所定の閾値を超えるか否かを判定する第１光子通信制御手段をさらに備え、
    前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルは、同一の光通信路において形成され、
    前記算出手段は、前記複数の送信機それぞれの前記光子タイムスロットが示す期間が、前記複数の送信機すべての前記データタイムスロットが示す期間と重複しないように、該光子タイムスロットおよび該データタイムスロットを算出する請求項２または６に記載の受信機。
  10. 受信機と、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で送信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、量子鍵配送により前記受信機との間で前記光子通信チャネルを介して同一の暗号鍵を生成して共有する送信機であって、
    前記データ通信チャネルを介して、前記受信機へ、前記送信機側の暗号鍵に関する情報を含む第１情報を送信する第２データ通信制御手段と、
    前記受信機により少なくとも前記第１情報に基づいて算出された前記光子タイムスロットを受信し、前記光子通信チャネルを介して該光子タイムスロットに従って前記光子列を前記受信機へ送信する第２光子通信制御手段と、
    を備えた送信機。
  11. 前記第２データ通信制御手段は、
    前記受信機へ、前記データ通信チャネルを介して、送信するデータのデータ量の情報である第２情報を送信し、
    前記受信機により少なくとも前記第２情報に基づいて算出された前記データタイムスロットを受信し、
    前記受信機へ、前記データ通信チャネルを介して、該受信機により算出された前記データタイムスロットによる時分割多重でデータを送信する請求項１０に記載の送信機。
  12. 前記第１情報は、前記送信機で生成された前記暗号鍵の蓄積量を含む請求項１０に記載の送信機。
  13. 前記第１情報は、前記受信機へ送信されるデータのデータ量のうち、暗号化を行う必要があるデータ量の情報を含む請求項１１に記載の送信機。
  14. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の受信機と、
    複数の請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の送信機と、
    を備え、
    前記受信機は、前記光子通信チャネルおよび前記データ通信チャネルによって前記複数の送信機それぞれと接続された通信システム。
  15. 受信機と、複数の送信機とが、光子列を光子タイムスロットによる時分割多重で送受信するための光子通信チャネル、およびデータ通信をするためのデータ通信チャネルで接続され、量子鍵配送により前記受信機と前記各送信機との間で前記光子通信チャネルを介して同一の暗号鍵を生成して共有する通信システムの通信方法であって、
    前記データ通信チャネルを介して、前記送信機から、該送信機側の暗号鍵に関する情報を含む第１情報を前記受信機へ送信させる第１送信ステップと、
    少なくとも前記第１情報に基づいて前記光子タイムスロットを算出する算出ステップと、
    前記受信機から、算出した前記光子タイムスロットを前記送信機へ送信させる第２送信ステップと、
    前記送信機に、前記光子通信チャネルを介して、算出した前記光子タイムスロットに従って前記光子列を前記受信機へ送信させる第３送信ステップと、
    を有する通信方法。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106161402B (zh) * 2015-04-22 2019-07-16 阿里巴巴集团控股有限公司 基于云环境的加密机密钥注入系统、方法及装置
EP3337063B1 (en) * 2016-12-13 2023-08-23 Id Quantique Sa Apparatus and method for quantum enhanced physical layer security
CN111108704A (zh) * 2017-09-19 2020-05-05 英国电讯有限公司 用于量子通信的模式耦合接收器和包括所述接收器的量子通信系统
JP2020167509A (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 コベルコ建機株式会社 情報処理システム、情報処理方法、およびプログラム
US11263157B2 (en) 2019-08-01 2022-03-01 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including a dynamic bandwidth allocation mechanism
US11809163B2 (en) 2019-08-01 2023-11-07 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including a message retransmission mechanism
US11156987B2 (en) * 2019-08-01 2021-10-26 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including a message retransmission mechanism
US11269316B2 (en) 2019-08-01 2022-03-08 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including smart compliant actuator module
US11689386B2 (en) 2019-08-01 2023-06-27 Vulcan Technologies International Inc. Intelligent controller and sensor network bus, system and method for controlling and operating an automated machine including a failover mechanism for multi-core architectures
US11258538B2 (en) 2019-08-01 2022-02-22 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including an error avoidance and correction mechanism
US11269795B2 (en) 2019-08-01 2022-03-08 Vulcan Technologies Shanghai Co., Ltd. Intelligent controller and sensor network bus, system and method including a link media expansion and conversion mechanism
CN113132090B (zh) * 2019-12-31 2023-05-09 科大国盾量子技术股份有限公司 一种共享量子密钥的系统和基于所述系统的保密通信方法
JP7414688B2 (ja) * 2020-10-26 2024-01-16 株式会社東芝 通信装置、通信方法、プログラムおよび通信システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004336578A (ja) * 2003-05-09 2004-11-25 Mitsubishi Electric Corp ポイント・マルチポイント光伝送システムおよび局側通信装置
GB2419264B (en) 2003-08-18 2006-12-27 Toshiba Res Europ Ltd A quantum communication system and a receiver for a quantum communication system
JP2007053591A (ja) * 2005-08-18 2007-03-01 Nec Corp 量子暗号鍵配布システムおよび方法
JP5424008B2 (ja) 2006-12-19 2014-02-26 日本電気株式会社 共有情報の管理方法およびシステム
ES2370187B1 (es) * 2009-09-28 2012-10-26 Telefonica, S.A. Sistema de integracion de canales con informacion cuantica en redes de comunicaciones
GB2492083B8 (en) * 2011-06-17 2016-02-10 Toshiba Res Europ Ltd A quantum communication network

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