JP6554818B2 - 量子鍵配送システムおよび冗長化方法 - Google Patents

Description

本発明は量子鍵配送に関し、特に鍵配送の継続性向上のために伝送路の冗長化を行った量子鍵配送に関する。

近年、盗聴行為に対する絶対安全性を持つ暗号化通信を実現する方法として量子鍵配送（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、ＱＫＤ）が盛んに研究され、実用化開発が進んでいる（特許文献１、非特許文献１）。

量子鍵配送が使用される場面では、高度な秘匿性とともに、有事の際にも通信が断絶しない継続性が求められる。そのため量子鍵配送に用いられる伝送路は、２つ以上の経路を利用した冗長化を行い、一方の伝送路が断絶したとしても他方の伝送路により秘匿通信を継続できるようにすることが重要である。

伝送路を冗長化した量子鍵配送システムとして、図７に示す量子鍵配送システム４が知られている。この量子鍵配送システム４では、送信機４１は、レーザ光源４１１と干渉計４１２とデータ変調器４１３と強度調整器４１４とを有し、その出力端に１入力２出力の光スイッチ４１５を有する。さらに、伝送路は、現用伝送路４３と冗長系としての予備伝送路４４とを有する。さらに、受信機４２は、光スプリッタ４２１と干渉計４２２Ａと干渉計４２２Ｂと光子検出器４２３とを有し、その入力端に２入力１出力の光スイッチ４２４を有する。

この量子鍵配送システム４では、通常の配送時には、現用伝送路４３を用いるように送信機４１側の光スイッチ４１５と受信機４２側の光スイッチ４２４とを設定しておく。もしも現用伝送路４３に断線などが発生して配送が継続できなくなった場合には、送信機４１と受信機４２の各々の光スイッチ４１５、４２４を切り替えて、予備伝送路４４を用いて配送を行う。以上により、量子鍵配送の継続が可能となる。

特許第５１２６４７９号公報

ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサ−ド（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著 ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ， Ｉｎｄｉａ， ｐ． １７５ （１９８４））．

量子鍵配送システムにおいては、高度な秘匿性とともに、通信が断絶しない継続性が求められる。図７に示す量子鍵配送システム４により、伝送路の冗長化を行うことで、通信の継続性を改善することができる。しかしながら、受信機４２に設置された光スイッチ４２４による光学損失は２０％程度と大きく、この損失により暗号鍵生成速度が低下していた。一方で、特許文献１に開示された光受信装置では、量子鍵配送の秘匿性を改善することが可能である。しかしながら、特許文献１には、この暗号鍵生成速度の低下に対する対策については開示されていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、暗号鍵生成速度を低下させることなく通信の継続性を高めた量子鍵配送システムを提供することにある。

本発明による量子鍵配送システムは、第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、前記光信号を光スプリッタで受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路と、切替制御部と、を有し、前記送信機は、前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替える送信比率切替部と、前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える伝送路切替部と、を有し、前記切替制御部は、前記第１の伝送路の通信障害を検知して、前記送信比率切替部と前記伝送路切替部とを連動させて切り替えさせる。

本発明による冗長化方法は、第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、前記光信号を受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路とを有する量子鍵配送システムの冗長化方法において、前記第１の伝送路の通信障害を検知し、前記検知に基づいて、前記光信号の前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から第２の伝送路に切り替える。

本発明によれば、暗号鍵生成速度を低下させることなく通信の継続性を高めた量子鍵配送システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの第１の伝送路を経路とする時の送受信信号の構成例を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの第２の伝送路を経路とする時の送受信信号の構成例を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの送信機の送信信号の形成を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの受信機の受信信号の検出を説明する図である。 本発明の第３の実施形態の量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態の量子鍵配送システムの送信機の送信信号の形成を説明する図である。 本発明の第３の実施形態の量子鍵配送システムの受信機の受信信号の検出を説明する図である。 本発明の第３の実施形態の量子鍵配送システムの受信機の受信信号の検出を説明する図である。 関連する量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 光スプリッタの動作を説明する図である。 光スプリッタの動作を説明する図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の量子鍵配送システム１は、第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機１１と、前記光信号を光スプリッタ１８で受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機１２と、前記送信機１１と前記受信機１２との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路１３と第２の伝送路１４と、切替制御部１５と、を有し、前記送信機１１は、前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替える送信比率切替部１６と、前記光信号の経路を前記第１の伝送路１３から前記第２の伝送路１４に切り替える伝送路切替部１７と、を有し、前記切替制御部１５は、前記第１の伝送路１３の通信障害を検知して、前記送信比率切替部１６と前記伝送路切替部１７とを連動させて切り替えさせる。

本実施形態によれば、暗号鍵生成速度を低下させないで通信の継続性を高めた量子鍵配送システムを提供することができる。
（第２の実施形態）
（構成の説明）
図２Ａは、本発明の第２の実施形態の量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の量子鍵配送システム２は、送信機２１と、受信機２２と、送信機２１と受信機２２との通信を行う第１の伝送路２３と第２の伝送路２４と、切替制御器２５とを有する。第１の伝送路２３と第２の伝送路２４とは、光ファイバによる伝送路である。第１の伝送路２３を現用伝送路とし、第２の伝送路２４を冗長系としての予備伝送路とすることができる。

送信機２１は、レーザ光源２１１と、マッハツェンダー型の第１の干渉計２１２と、データ変調器２１３と、強度調整器２１４と、伝送路切替器２１５と、送信データ生成器２１６と、送信比率切替器２１７とを備えている。第１の干渉計２１２は、入力端２１２１と出力端２１２２とを有する。レーザ光源２１１から発せられた光信号は、入力端２１２１に入力し、出力端２１２２から出力される。出力端２１２２から出力された光信号は、データ変調器２１３で暗号鍵情報として変調され、強度調整器２１４で量子鍵配送用に強度調整される。

データ変調器２１３の変調に際しては、まず、送信データ生成器２１６が、信号Ａ（第１の信号）として扱われる暗号鍵データである信号Ａ０、信号Ａ１と、信号Ｂ（第２の信号）として扱われる暗号鍵データである信号Ｂ０、信号Ｂ１とを生成する。次に、送信比率切替器２１７が、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をａ’：ｂ’とする。データ変調器２１３は、以上の暗号鍵データと送信比率とを有する暗号鍵情報に基づいて光信号を変調する。

さらに、暗号鍵情報を有する光信号は、伝送路切替器２１５により、現用伝送路である第１の伝送路２３を通って、受信機２２に送られる。現用伝送路である第１の伝送路２３が断線などの障害を生じて通信に支障を来たした場合、伝送路切替器２１５は、光信号の経路を、第１の伝送路２３から予備伝送路である第２の伝送路２４に切り替える。この切り替えに連動して、送信比率切替器２１７は、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をａ’：ｂ’からｂ’：ａ’に切り替える。

伝送路切替器２１５は、ミラーやシャッターなどで光路を切り替えることができる。すなわち、伝送路切替器２１５は光スイッチであるため、光スイッチでの損失を考慮して強度調整器２１４による強度調整をする。すなわち、強度調整器２１４は、暗号鍵情報を有する光信号が送信機２１から出た時点、すなわち、光信号が伝送路に入力した時点での強度を、量子鍵配送の理論で規定される値に調整する。伝送路の切り替えによって強度が変わってしまう場合には、強度調整器２１４はそれぞれの伝送路に適した強度に調整する。

受信機２２は、光スプリッタ２２１と、マッハツェンダー型の第２の干渉計２２２と、マッハツェンダー型の第３の干渉計２２３と、光子検出器２２４とを備えている。光スプリッタ２２１は、第１の入力端２２１１と第２の入力端２２１２と第１の出力端２２１３と第２の出力端２２１４とを有する。第２の干渉計２２２は、入力端２２２１と第１の出力端２２２２と第２の出力端２２２３とを有する。第３の干渉計２２３は、入力端２２３１と第１の出力端２２３２と第２の出力端２２３３とを有する。第２の干渉計２２２と第３の干渉計２２３は、相互に干渉の位相が９０度異なった干渉計とすることを通常とする。

第１の伝送路２３は光スプリッタ２２１の第１の入力端２２１１に入力し、第２の伝送路２４は光スプリッタ２２１の第２の入力端２２１２に入力する。光スプリッタ２２１の第１の出力端２２１３は第２の干渉計２２２の入力端２２２１に入力し、光スプリッタ２２１の第２の出力端２２１４は第３の干渉計２２３の入力端２２３１に入力する。

光子検出器２２４は、第２の干渉計２２２の第１の出力端２２２２と第２の出力端２２２３とからの光信号と、第３の干渉計２２３の第１の出力端２２３２と第２の出力端２２３３とからの光信号とを、各々、電気信号Ａ０、Ａ１と、電気信号Ｂ０、Ｂ１とに変換する。

受信機２２は、第１の伝送路２３から第２の伝送路２４に経路が切り替わる際にも、同じ光スプリッタ２１１で光信号を受信すればよく、光スイッチを使わずに済むため光学損失を生じない。一方、光信号が光スプリッタ２２１の第１の入力端２２１１から入力した場合と第２の入力端２２１２から入力した場合とで、光スプリッタの２つの出力端からの光信号の強度が反転する。

図８Ａと図８Ｂは、これを説明するための、光スプリッタの動作を説明する図である。光スプリッタは、反射光と透過光との分岐比がａ：ｂであるとする。図８Ａに示すように、入力パルス光が光スプリッタの入力端Ａから入力した場合、出力端Ａから出力する出力パルス光Ａの強度と出力端Ｂから出力する出力パルス光Ｂの強度との比は、ａ：ｂとなる。これに対して、図８Ｂに示すように、入力パルス光が光スプリッタの入力端Ｂから入力した場合、出力端Ａから出力する出力パルス光Ａの強度と出力端Ｂから出力する出力パルス光Ｂの強度との比は、ｂ：ａとなる。

切替制御器２５は、第１の伝送路２３の通信障害を検知すると、伝送路切替器２１５と送信比率切替器２１７とが、相互に連動した切り替えを行うよう指示をする。すなわち、切替制御器２５は、送信比率切替器２１７により送信比率が切り替えられた光信号が、伝送路切替器２１５により切り替えられた通信経路で送信されるよう、伝送路切替器２１５と送信比率切替器２１７とに指示をする。

切替制御器２５は、光子検出器２２４から電気信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１を定常的に受けるようにすることができる。これにより、電気信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１の強度がゼロ、もしくは、予め設定された閾値よりも小さくなったことなどを確認することによって、第１の伝送路２３の通信障害を検知することができる。

送信比率切替器２１７は、切替制御器２５からの前記指示を受けて、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をａ’：ｂ’からｂ’：ａ’に切り替える。この送信比率ａ’：ｂ’は、光スプリッタ２２１の反射光と透過光との分岐比ａ：ｂに対応している。量子鍵配送システムとして鍵生成の効率が最も良いのは、送信比率ａ’：ｂ’と分岐比ａ：ｂとが等しい場合である。但し、両者は必ずしも等しくなくても良い。また、通常、ａ’＞ｂ’であればａ＞ｂとし、ａ’＜ｂ’であればａ＜ｂとする。また、ａ’＝ｂ’もしくはａ＝ｂであれば、送信比率切替器２１７は切り替えを行わなくても良い。

伝送路切替器２１５は、切替制御器２５からの前記指示を受けて、送信比率切替器２１７が送信比率を切り替えた光信号の通信経路を、第１の伝送路２３から第２の伝送路２４に切り替える。
（動作の説明）
図２Ｂと図２Ｃは、本実施形態の量子鍵配送システム２の動作を説明するための図である。図２Ｂは、現用伝送路である第１の伝送路２３で通信する場合を示す。図２Ｃは、予備伝送路である第２の伝送路２４で通信する場合を示す。

図２Ｂ、図２Ｃともに、送信機２１のレーザ光源２１１から発せられた光信号は、第１の干渉計２１２の入力端２１２１に入力し、出力端２１２２から出力される。その後、光信号は、データ変調器２１３で暗号鍵情報を有する光信号に変調される。

データ変調器２１３の変調に際しては、まず、送信データ生成器２１６が、信号Ａとして扱われる暗号鍵データである信号Ａ０、信号Ａ１と、信号Ｂとして扱われる暗号鍵データである信号Ｂ０、信号Ｂ１とを生成する。

次に、送信比率切替器２１７は、第１の伝送路２３で通信する場合は、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をａ’：ｂ’とし、送信比率ａ’とした信号Ａ０と信号Ａ１、送信比率ｂ’とした信号Ｂ０と信号Ｂ１とを不規則に配列する。この送信比率を反映した信号を、信号Ａ０（ａ’）、信号Ａ１（ａ’）、信号Ｂ０（ｂ’）、信号Ｂ１（ｂ’）と表す。一方、第２の伝送路２４で通信する場合は、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をｂ’：ａ’とし、送信比率ｂ’とした信号Ａ０と信号Ａ１、送信比率ａ’とした信号Ｂ０と信号Ｂ１とを不規則に配列する。この送信比率を反映した信号を、信号Ａ０（ｂ’）、信号Ａ１（ｂ’）、信号Ｂ０（ａ’）、信号Ｂ１（ａ’）と表す。

光信号は、データ変調器２１３で上記の暗号鍵情報に基づいて変調され、さらに、強度調整器２１４で量子鍵配送用に強度調整される。

さらに、暗号鍵情報を有する光信号は、図２Ｂでは、伝送路切替器２１５を介して第１の伝送路２３を通り、受信機２２の光スプリッタ２２１の第１の入力端２２１１に入力する。一方、図２Ｃでは、伝送路切替器２１５を介して第２の伝送路２４を通り、受信機２２の光スプリッタ２２１の第２の入力端２２１２に入力する。

図２Ｂにおいて、光スプリッタ２２１の第１の入力端２２１１に入力した光信号は、光スプリッタ２２１の分岐比（ａ：ｂ）に従って、強度ａの光信号と強度ｂの光信号とに分岐する。強度ａの光信号は第２の干渉計２２２の入力端２２２１に、強度ｂの光信号は第３の干渉計２２３の入力端２２３１に、それぞれ入力する。強度ａの光信号は、第２の干渉計２２２を経由して第１の出力端２２２２と第２の出力端２２２３から出力し、光子検出器２２４から、強度ａを反映した信号Ａ０（ａ）、信号Ａ１（ａ）として出力される。一方、強度ｂの光信号は、第３の干渉計２２３を経由して第１の出力端２２３２と第２の出力端２２３３から出力し、光子検出器２２４から、強度ｂを反映した信号Ｂ０（ｂ）、信号Ｂ１（ｂ）として出力される。

図２Ｃにおいて、光スプリッタ２２１の第２の入力端２２１２に入力した光信号は、光スプリッタ２２１の分岐比（ａ：ｂ）に従って、強度ａの光信号と強度ｂの光信号とに分岐する。強度ｂの光信号は第２の干渉計２２２の入力端２２２１に、強度ａの光信号は第３の干渉計２２３の入力端２２３１に、それぞれ入力する。強度ｂの光信号は、第２の干渉計２２２を経由して第１の出力端２２２２と第２の出力端２２２３から出力し、光子検出器２２４から、強度ｂを反映した信号Ａ０（ｂ）、信号Ａ１（ｂ）として出力される。一方、強度ａの光信号は、第３の干渉計２２３を経由して第１の出力端２２３２と第２の出力端２２３３から出力し、光子検出器２２４から、信号ａを反映した信号Ｂ０（ａ）、信号Ｂ１（ａ）として出力される。

図３Ａは、図２Ｂに示す第１の伝送路２３を経路とする時の、送受信信号１００の構成例を模式的に示す図である。送信機２１からの送信信号（Ａ０、Ａ１とＢ０、Ｂ１の送信比率ａ’：ｂ’＝１：２の例）は、信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１が送信比率ａ’：ｂ’に基づいて不規則に配列されている。送信信号は、受信機２２の光スプリッタ２２１（反射光と透過光との分岐比ａ：ｂ＝１：２の例）の第１の入力端２２１１に入力し、第２の干渉計２２２には信号強度ａの受信信号として、第３の干渉計２２３には信号強度ｂの受信信号として、各々入力する。

図３Ｂは、図２Ｃに示す第２の伝送路２４を経路とする時の、送受信信号１０１の構成例を模式的に示す図である。送信機２１からの送信信号（Ａ０、Ａ１とＢ０、Ｂ１の送信比率ｂ’：ａ’＝２：１の例）は、信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１が送信比率ｂ’：ａ’に基づいて不規則に配列されている。送信信号は、受信機２２の光スプリッタ２２１（反射光と透過光との分岐比ａ：ｂ＝１：２の例）の第１の入力端２２１１に入力し、第２の干渉計２２２には信号強度ｂの受信信号として、第３の干渉計２２３には信号強度ａの受信信号として、各々入力する。

次に、図２Ｂにおいて送信信号Ａ０（ａ’）、Ａ１（ａ’）、Ｂ０（ｂ’）、Ｂ１（ｂ’）が、第２の干渉計２２２と第３の干渉計２２３から、Ａ０（ａ）、Ａ１（ａ）、Ｂ０（ｂ）、Ｂ１（ｂ）として、図２Ｃにおいて送信信号Ａ０（ｂ’）、Ａ１（ｂ’）、Ｂ０（ａ’）、Ｂ１（ａ’）が、第２の干渉計２２２と第３の干渉計２２３から、Ａ０（ｂ）、Ａ１（ｂ）、Ｂ０（ａ）、Ｂ１（ａ）として、出力する機構を説明する。

図４Ａは、量子鍵配送システム２の送信機２１の送信信号の形成を説明する図である。レーザ光源２１１から出力された光パルスは、第１の干渉計２１２を通る際に、一方の経路では大きな遅延を受けるため、出力端２１２２では遅延分だけ時間的に離れた２連パルスとなる。データ変調器２１３は、この２連パルスに対して位相変調を施し、信号Ａ０を送信する際には２連パルスの位相差を０°、信号Ａ１を送信する際には１８０°、信号Ｂ０を送信する際には９０°、信号Ｂ１を送信する際には２７０°とする。

図４Ｂは、量子鍵配送システム２の受信機２２の受信信号の検出を説明する図である。受信機２２に入力された２連光パルスからなる信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１は、光スプリッタ２２１で分岐された後、第２の干渉計２２２および第３の干渉計２２３に入力される。なお、図４Ｂでは信号Ａ０の場合の出力パルス波形を示し、信号Ａ１、Ｂ０、Ｂ１については示していない。

第２の干渉計２２２において２連パルスは再び遅延を受け、中央部分が重なった３連パルスとなる。光子検出器２２４は、この３連パルスの中央パルスのみを検出するよう設定されている。ここで、第２の干渉計２２２の長短両経路の位相差を０°に設定しておく。３連パルスの中央パルスは、信号Ａ０では、位相差０°（送信機での変調による０°＋干渉計による０°）で干渉するため、出力端２２２２の出力で検出され、出力端２２２３の出力では検出されない。一方、信号Ａ１では、位相差１８０°（送信機での変調による１８０°＋干渉計による０°）で干渉するため、出力端２２２３の出力で検出され、出力端２２２２の出力では検出されない。

一方、第３の干渉計２２３は位相差を−９０°に設定しておく。３連パルスの中央パルスは、信号Ｂ０では、位相差０°（送信機での変調による９０°＋干渉計による−９０°）で干渉するため、出力端２２３２の出力で検出され、出力端２２３３の出力では検出されない。一方、信号Ｂ１では、位相差１８０°（送信機での変調による２７０°＋干渉計による−９０°）で干渉するため、出力端２２３３の出力で検出され、出力端２２３２の出力では検出されない。

また、信号Ａ０、Ａ１が第３の干渉計２２３に入力した場合や、信号Ｂ０、Ｂ１が第２の干渉計２２２に入力した場合は、各々の干渉計の各々の出力端の出力を検出する可能性があるため、量子鍵配送ではこれらのデータを使用せずに廃棄するようにする。

以上のようにして、図２Ｂのように、送信信号Ａ０（ａ’）、Ａ１（ａ’）、Ｂ０（ｂ’）、Ｂ１（ｂ’）は、信号Ａ０（ａ）、Ａ１（ａ）、Ｂ０（ｂ）、Ｂ１（ｂ）として、図２Ｃのように送信信号Ａ０（ｂ’）、Ａ１（ｂ’）、Ｂ０（ａ’）、Ｂ１（ａ’）は、信号Ａ０（ｂ）、Ａ１（ｂ）、Ｂ０（ａ）、Ｂ１（ａ）として、各々に対応した干渉計の出力端から検出される。

なお、上記の説明では、各々の信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１に、０°、１８０°、９０°、２７０°の位相変調を施した例を示したが、これには限定されない。例えば、信号Ａ０に対応する変調を行った場合には、受信機の信号Ａ０が出力されるべき出力端にのみ信号Ａ０が出力し、信号Ａ１が出力されるべき出力端には信号Ａ０は出力しない変調方法であれば他の変調方法であっても良い。信号Ａ１、Ｂ０、Ｂ１についても同様である。

量子鍵配送システム２では、第１の伝送路２３から第２の伝送路２４に経路を切り替える場合、これに連動して送信比率切替器２１７が、信号Ａと信号Ｂの送信比率をａ’：ｂ’からｂ’：ａ’に切り替える。これは、経路が第１の伝送路２３から第２の伝送路２４に切り替わることに伴って、受信側の光スプリッタ２２１の入力端が切り替わり、分岐比ａ：ｂがｂ：ａに逆転することに対応するためである。

送受信機双方で連動して比率を切り替える理由は、比率ａ’、ａで送受信するパルスと比率ｂ’、ｂで送受信するパルスでは、その後の計算処理の過程での役割が異なるためである。ａ’＜ｂ’、ａ＜ｂとすると、比率の大きいｂ、ｂ’の信号から最終的な暗号鍵を生成する。比率の小さいａ’、ａの信号からは誤り率を求め、誤り率の値に従ってｂ、ｂ’の信号に秘匿増強と呼ばれる計算処理を施す。秘匿増強を経たｂ、ｂ’の信号が最終的に暗号鍵となる。このため、送受信機双方で連動して比率を切り替えることにより、比率の大きい信号から効率的にたくさんの鍵を取得できるようにする。

なお、本実施形態ではａとｂ、ａ’とｂ’が非対称（ａ≠ｂ、ａ’≠ｂ’）の場合を前提としているが、ａとｂ、もしくはａ’とｂ’が対称（ａ＝ｂ、もしくはａ’＝ｂ’）の場合もあり得る。この場合は、送信比率切替器２１７は切り替えを行わなくても良い。

以上のように、量子鍵配送システム２では、第１の伝送路２３から第２の伝送路２４に経路が切り替わる際にも、受信機２２では光スイッチを使うことなく経路変更に対応することができる。その結果、光スイッチによる光学損失を生じることがないため、暗号鍵生成速度が低下することがない。

すなわち、本実施形態によれば、暗号鍵生成速度を低下させないで通信の継続性を高めた量子鍵配送システムを提供することができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の量子鍵配送システム３の構成を示すブロック図である。第２の実施形態の量子鍵配送システム２では、受信機２２は、光パルスの干渉測定を行うために２つの干渉計を備えている。これに対して本実施形態の量子鍵配送システム３では、受信機３２は、受信機２２の第３の干渉計２２３の代わりに、光パルスの到着時刻を測定するための遅延光学系３２３を備えている。送信機３１のデータ変調器３１３は、これに対応するための変調を後述のように行う。

量子鍵配送システム３を構成するその他の要素、すなわち、送信機３１のレーザ光源３１１、強度調整器３１４、伝送路切替器３１５、送信データ生成器３１６、送信比率切替器３１７、第１の伝送路３３、第２の伝送路３４、受信機３２の光スプリッタ３２１、第２の干渉計３２２、光子検出器３２４、切替制御器３５は、これらに対応する第２の実施形態の量子鍵配送システム２を構成する要素と同じである。

量子鍵配送システム３においても、通信経路が第１の伝送路３３から第２の伝送路３４に切り替えられる際に、これに連動して、送信比率切替器３１７は、信号Ａと信号Ｂとの送信比率をａ’：ｂ’からｂ’：ａ’に切り替える。これは、経路が第１の伝送路３３から第２の伝送路３４に切り替わることに伴って、受信側の光スプリッタ３２１の入力端が切り替わり、分岐比ａ：ｂがｂ：ａに逆転することに対応するためである。送受信機双方で連動して比率を切り替える理由、および、比率の条件は、第２の実施形態と同様である。

図６Ａは、量子鍵配送システム３の送信機３１の送信信号の形成を説明する図である。レーザ光源３１１から出力された光パルスは、第１の干渉計３１２を通る際に、一方の経路では大きな遅延を受けるため、出力端３１２２では遅延分だけ時間的に離れた２連パルスとなる。データ変調器３１３は、この２連パルスに対して位相変調を施し、信号Ａ０を送信する際には２連パルスの位相差を０°、信号Ａ１を送信する際には１８０°、信号Ｂ０を送信する際には後行パルスの強度を０、信号Ｂ１を送信する際には先行パルスの強度を０とする。

図６Ｂは、量子鍵配送システム３の受信機３２の受信信号（Ａ０、Ａ１）の検出を説明する図である。なお、図６Ｂでは信号Ａ０の場合の出力パルス波形を示し、信号Ａ１については示していない。

受信機３２に入力された２連光パルスの信号Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１は、光スプリッタ３２１で分岐された後、第２の干渉計３２２および遅延光学系３２３に入力される。第２の干渉計３２２において２連パルスは再び遅延を受け、中央部分が重なった３連パルスとなる。光子検出器３２４は、３連パルスの中央パルスのみを検出するよう設定されている。ここで、第２の干渉計３２２の長短両経路の位相差を０°に設定しておく。３連パルスの中央パルスは、信号Ａ０では、位相差０°（送信機での変調による０°＋干渉計による０°）で干渉するため、出力端３２２２の出力で検出され、出力端３２２３の出力では検出されない。一方、信号Ａ１では、位相差１８０°（送信機での変調による１８０°＋干渉計による０°）で干渉するため、出力端３２２３の出力で検出され、出力端３２２２の出力では検出されない。

図６Ｃは、量子鍵配送システム３の受信機３２の受信信号（Ｂ０、Ｂ１）の検出を説明する図である。なお、図６Ｃでは信号Ｂ０の場合の出力パルス波形を示し、信号Ｂ１については示していない。

光子検出器３２４は、第２の干渉計３２２の出力の中央パルスに相当するタイミングで光子検出を行うよう設定されている。そのため、遅延光学系３２３に信号Ｂ０が入力した場合、信号Ｂ０は出力端３２３２の出力で検出され、出力端３２３３の出力では検出されない。一方、信号Ｂ１が入力した場合、信号Ｂ１は出力端３２３３の出力で検出され、出力端３２３２の出力では検出されない。

なお、信号Ａ０、Ａ１が遅延光学系３２３に入力した場合や、信号Ｂ０、Ｂ１が第２の干渉計３２２に入力した場合は、各出力端の出力が検出される可能性があるため、量子鍵配送ではこれらのデータを使用せずに廃棄するようにする。

以上のようにして、送信信号Ａ０（ａ’）、Ａ１（ａ’）、Ｂ０（ｂ’）、Ｂ１（ｂ’）は、信号Ａ０（ａ）、Ａ１（ａ）、Ｂ０（ｂ）、Ｂ１（ｂ）として、送信信号Ａ０（ｂ’）、Ａ１（ｂ’）、Ｂ０（ａ’）、Ｂ１（ａ’）は、信号Ａ０（ｂ）、Ａ１（ｂ）、Ｂ０（ａ）、Ｂ１（ａ）として、各々に対応した干渉計もしくは遅延光学系の出力端から検出される。

以上のように、量子鍵配送システム３では、第１の伝送路３３から第２の伝送路３４に経路が切り替わる際にも、受信機３２では光スイッチを使うことなく経路変更に対応することができる。その結果、光スイッチによる光学損失を生じることがないため、暗号鍵生成速度が低下することがない。

すなわち、本実施形態によれば、暗号鍵生成速度を低下させないで通信の継続性を高めた量子鍵配送システムを提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

付記
（付記１）
第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、
前記光信号を光スプリッタで受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、
前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路と、
切替制御部と、を有し、
前記送信機は、前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替える送信比率切替部と、前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える伝送路切替部と、を有し、
前記切替制御部は、前記第１の伝送路の通信障害を検知して、前記送信比率切替部と前記伝送路切替部とを連動させて切り替えさせる、量子鍵配送システム。
（付記２）
前記送信機は、マッハツェンダー型の第１の干渉計を有し、
前記受信機は、マッハツェンダー型の第２の干渉計と第３の干渉計とを有し、前記光スプリッタは第１と第２の入力端と第１と第２の出力端とを有し、
前記第１の伝送路は前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、前記第２の伝送路は前記光スプリッタの前記第２の入力端に入力し、
前記光スプリッタの前記第１の出力端は前記第２の干渉計の入力端に入力し、前記光スプリッタの前記第２の出力端は前記第３の干渉計の入力端に入力し、
前記第２の干渉計は前記信号Ａを出力し、前記第３の干渉計は前記信号Ｂを出力し、
前記送信比率切替部は、前記第１の干渉計からの前記光信号に載せる前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、
前記伝送路切替部は、前記送信比率切替部が前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える、付記１記載の量子鍵配送システム。
（付記３）
前記第２の干渉計は２つの出力端を有し、前記第１の信号は２つの信号を有し、前記第１の信号の２つの信号は、前記第２の干渉計の２つの出力端に各々出力し、
前記第３の干渉計は２つの出力端を有し、前記第２の信号は２つの信号を有し、前記第２の信号の２つの信号は、前記第３の干渉計の２つの出力端に各々出力する、付記２記載の量子鍵配送システム。
（付記４）
前記第２と第３の干渉計の後段に、前記第２と第３の干渉計の出力の光信号を電気信号に変換する光子検出器を有する、付記２または３記載の量子鍵配送システム。
（付記５）
前記第１の伝送路を現用伝送路とし、前記第２の伝送路を予備伝送路とする、付記１から４の内の１項記載の量子鍵配送システム。
（付記６）
前記切替制御部は、前記通信障害を、前記第１の伝送路を経由した光信号の強度の変化に基づいて検知する、付記１から５の内の１項記載の量子鍵配送システム。
（付記７）
前記切替制御部は、前記光信号の強度の変化を、前記電気信号によって検知する、付記６記載の量子鍵配送システム。
（付記８）
前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、前記第２の干渉計に入力する前記光信号の強度と前記第３の干渉計に入力する前記光信号の強度との比率と、
前記送信比率切替部の前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率とが等しい、付記２から７の内の１項記載の量子鍵配送システム。
（付記９）
前記第３の干渉計を遅延光学系に置き換えた、付記２から８の内の１項記載の量子鍵配送システム。
（付記１０）
前記遅延光学系は、前記第３の干渉計の入力端と２つの出力端とに対応する、入力端と２つの出力端とを有する、付記９記載の量子鍵配送システム。
（付記１１）
第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、前記光信号を受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路とを有する量子鍵配送システムの冗長化方法において、
前記第１の伝送路の通信障害を検知し、
前記検知に基づいて、前記光信号の前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、
前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から第２の伝送路に切り替える、冗長化方法。
（付記１２）
前記送信機は、マッハツェンダー型の第１の干渉計を有し、前記受信機は、光スプリッタと、マッハツェンダー型の第２の干渉計と第３の干渉計とを有し、前記光スプリッタは第１と第２の入力端と第１と第２の出力端とを有し、
前記第１の伝送路を前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、
前記第２の伝送路を前記光スプリッタの前記第２の入力端に入力し、
前記光スプリッタの前記第１の出力端を前記第２の干渉計に入力し、
前記光スプリッタの前記第２の出力端を前記第３の干渉計に入力し、
前記第２の干渉計から前記第１の信号を出力し、
前記第３の干渉計から前記第２の信号を出力し、
前記第１の干渉計からの前記光信号に載せる前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、
前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える、付記１１記載の冗長化方法。
（付記１３）
前記第２の干渉計は２つの出力端を有し、前記第１の信号は２つの信号を有し、前記第１の信号の２つの信号は、前記第２の干渉計の２つの出力端に各々出力し、
前記第３の干渉計は２つの出力端を有し、前記第２の信号は２つの信号を有し、前記第２の信号の２つの信号は、前記第３の干渉計の２つの出力端に各々出力する、付記１２記載の冗長化方法。
（付記１４）
前記第２と第３の干渉計の出力の光信号を電気信号に変換する、付記１２または１３記載の冗長化方法。
（付記１５）
前記第１の伝送路を現用伝送路とし、前記第２の伝送路を予備伝送路とする、付記１１から１４の内の１項記載の冗長化方法。
（付記１６）
前記通信障害を、前記第１の伝送路を経由した光信号の強度の変化に基づいて検知する、付記１１から１５の内の１項記載の冗長化方法。
（付記１７）
前記光信号の強度の変化を、前記電気信号によって検知する、付記１６記載の冗長化方法。
（付記１８）
前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、前記第２の干渉計に入力する前記光信号の強度と前記第３の干渉計に入力する前記光信号の強度との比率と、
前記第１の信号と前記第２の信号の前記送信比率とが等しい、付記１２から１７の内の１項記載の冗長化方法。
（付記１９）
前記第３の干渉計を遅延光学系に置き換えた、付記１２から１８の内の１項記載の冗長化方法。
（付記２０）
前記遅延光学系は、前記第３の干渉計の入力端と２つの出力端とに対応する、入力端と２つの出力端とを有する、付記１９記載の冗長化方法。

１、２、３、４ 量子鍵配送システム
１１、２１、３１、４１ 送信機
１２、２２、３２、４２ 受信機
１３、２３、３３ 第１の伝送路
１４、２４、３４ 第２の伝送路
１５ 切替制御部
１６ 送信比率切替部
１７ 伝送路切替部
１８ 光スプリッタ
１００、１０１ 送受信信号
２１１、３１１、４１１ レーザ光源
２１２、３１２ 第１の干渉計
２１３、３１３、４１３ データ変調器
２１４、３１４、４１４ 強度調整器
２１５、３１５ 伝送路切替器
２１６、３１６ 送信データ生成器
２１７、３１７ 送信比率切替器
２２１、３２１ 光スプリッタ
２２２、３２２ 第２の干渉計
２２３ 第３の干渉計
２２４、３２４、４２３ 光子検出器
２５、３５ 切替制御器
３２３ 遅延光学系
４１２、４２２Ａ、４２２Ｂ 干渉計
４１５、４２４ 光スイッチ
４３ 現用伝送路
４４ 予備伝送路

Claims (10)

1. 互いに送信比率が異なる第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、
   前記光信号を光スプリッタで受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、
   前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路と、
   切替制御部と、を有し、
   前記送信機は、前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を逆転して切り替える送信比率切替部と、前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える伝送路切替部と、を有し、
   前記切替制御部は、前記第１の伝送路の通信障害を検知して、前記送信比率切替部と前記伝送路切替部とを連動させて切り替えさせる、量子鍵配送システム。
2. 前記送信機は、マッハツェンダー型の第１の干渉計を有し、
   前記受信機は、マッハツェンダー型の第２の干渉計と第３の干渉計とを有し、前記光スプリッタは第１と第２の入力端と第１と第２の出力端とを有し、
   前記第１の伝送路は前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、前記第２の伝送路は前記光スプリッタの前記第２の入力端に入力し、
   前記光スプリッタの前記第１の出力端は前記第２の干渉計の入力端に入力し、前記光スプリッタの前記第２の出力端は前記第３の干渉計の入力端に入力し、
   前記第２の干渉計は前記第１の信号を出力し、前記第３の干渉計は前記第２の信号を出力し、
   前記送信比率切替部は、前記第１の干渉計からの前記光信号に載せる前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、
   前記伝送路切替部は、前記送信比率切替部が前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える、請求項１記載の量子鍵配送システム。
3. 前記第２の干渉計は２つの出力端を有し、前記第１の信号は２つの信号を有し、前記第１の信号の２つの信号は、前記第２の干渉計の２つの出力端に各々出力し、
   前記第３の干渉計は２つの出力端を有し、前記第２の信号は２つの信号を有し、前記第２の信号の２つの信号は、前記第３の干渉計の２つの出力端に各々出力する、請求項２記載の量子鍵配送システム。
4. 前記第２と第３の干渉計の後段に、前記第２と第３の干渉計の出力の光信号を電気信号に変換する光子検出器を有する、請求項２または３記載の量子鍵配送システム。
5. 前記第１の伝送路を現用伝送路とし、前記第２の伝送路を予備伝送路とする、請求項１から４の内の１項記載の量子鍵配送システム。
6. 前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、前記第２の干渉計に入力する前記光信号の強度と前記第３の干渉計に入力する前記光信号の強度との比率と、
   前記送信比率切替部の前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率とが等しい、請求項２から５の内の１項記載の量子鍵配送システム。
7. 前記第３の干渉計を遅延光学系に置き換えた、請求項２から６の内の１項記載の量子鍵配送システム。
8. 互いに送信比率が異なる第１の信号と第２の信号とを有する光信号を送信する送信機と、前記光信号を受信して前記第１の信号と前記第２の信号とを出力する受信機と、前記送信機と前記受信機との間で前記光信号の経路となる第１の伝送路と第２の伝送路とを有する量子鍵配送システムの冗長化方法において、
   前記第１の伝送路の通信障害を検知し、
   前記検知に基づいて、前記光信号の前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を逆転して切り替え、
   前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から第２の伝送路に切り替える、冗長化方法。
9. 前記送信機は、マッハツェンダー型の第１の干渉計を有し、前記受信機は、光スプリッタと、マッハツェンダー型の第２の干渉計と第３の干渉計とを有し、前記光スプリッタは第１と第２の入力端と第１と第２の出力端とを有し、
   前記第１の伝送路を前記光スプリッタの前記第１の入力端に入力し、
   前記第２の伝送路を前記光スプリッタの前記第２の入力端に入力し、
   前記光スプリッタの前記第１の出力端を前記第２の干渉計に入力し、
   前記光スプリッタの前記第２の出力端を前記第３の干渉計に入力し、
   前記第２の干渉計から前記第１の信号を出力し、
   前記第３の干渉計から前記第２の信号を出力し、
   前記第１の干渉計からの前記光信号に載せる前記第１の信号と前記第２の信号の送信比率を切り替え、
   前記送信比率を切り替えた前記光信号の経路を前記第１の伝送路から前記第２の伝送路に切り替える、請求項８記載の冗長化方法。
10. 前記第２の干渉計は２つの出力端を有し、前記第１の信号は２つの信号を有し、前記第１の信号の２つの信号は、前記第２の干渉計の２つの出力端に各々出力し、
    前記第３の干渉計は２つの出力端を有し、前記第２の信号は２つの信号を有し、前記第２の信号の２つの信号は、前記第３の干渉計の２つの出力端に各々出力する、請求項９記載の冗長化方法。