JP6678614B2

JP6678614B2 - 送信装置、多重量子通信システム及び多重量子通信方法

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Description

本発明の実施形態は送信装置、多重量子通信システム及び多重量子通信方法に関する。

光ファイバーにより接続された送信装置と、受信装置と、の間で連続的に送信された単一光子を利用して、安全に暗号鍵を共有する量子鍵配送技術（ＱＫＤ：ＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が知られている。量子鍵配送技術により共有された暗号鍵は、量子力学の原理に基づいて、盗聴されていないことが保証されている。共有された暗号鍵は、例えばワンタイムパッド等の暗号通信に利用される。ワンタイムパッドは、送受信されるデータのサイズと同サイズの暗号鍵を使い、使い終わった暗号鍵は破棄してゆく暗号通信方式である。ワンタイムパッドにより送受信された暗号データは、如何なる知識を有する盗聴者によっても解読できないことが情報理論によって保証されている。

ＴｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＶ．Ｓｃａｒａｎｉ，ｅｔａｌ．，Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．８１（３），１３０１−１３５０（２００９）Ｆｉｅｌｄｔｒｉａｌｏｆａｑｕａｎｔｕｍｓｅｃｕｒｅｄ１０Ｇｂ／ｓＤＷＤＭｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｖｅｒａｓｉｎｇｌｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｆｉｂｅｒＩＣｈｏｉ，ｅｔａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２２，２３１２１−２３１２８（２０１４）

しかしながら従来の技術では、量子通信システムが量子通信路を共有する場合に、暗号鍵情報の配信速度を安定させることが難しかった。本発明が解決しようとする課題は、量子通信路が共有される場合であっても、暗号鍵情報の配信速度を安定させることができる送信装置、多重量子通信システム及び多重量子通信方法を提供することである。

実施形態の送信装置は、第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの送信装置である。送信装置は、生成部と変調部と制御部と変更部とを備える。生成部は光子を生成する。変調部は、前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する。制御部は、前記生成部と前記変調部とを制御する。変更部は、前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する。前記制御信号は、前記動作タイミングの変更回数に応じて決定される変更量を含む。前記制御部は、前記制御信号を受け付けた場合、前記変更量だけ動作タイミングを変更する。

第１実施形態の多重量子通信システムの装置構成の例を示す図。量子信号の一部が紛れ込む問題を説明するための図。デコイ方式を説明するための図。バンドパスフィルタが使用される場合の問題を説明するための図。第１実施形態の量子鍵配送処理の例を示す図。第１実施形態の送信装置及び受信装置の機能構成の例を示す図。第１実施形態の変更部の処理の例を示すフローチャート。第１実施形態の制御部の処理の例を示すフローチャート。第２実施形態の多重量子通信システムの装置構成の例を示す図。第２実施形態の変更部の処理の例を示すフローチャート。第２実施形態の制御部の処理の例を示すフローチャート。第１及び第２実施形態の送信装置及び受信装置の主要部のハードウェア構成の例を示す図。

以下に添付図面を参照して、送信装置、多重量子通信システム及び多重量子通信方法の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
はじめに第１実施形態について説明する。

［装置構成の例］
図１は第１実施形態の多重量子通信システム２００の装置構成の例を示す図である。第１実施形態の多重量子通信システム２００は、量子通信路１、古典通信路２ａ、古典通信路２ｂ、送信装置１０ａ、送信装置１０ｂ、受信装置２０ａ、受信装置２０ｂ、多重化装置３０ａ及び多重化装置３０ｂを備える。

古典通信路２ａ、送信装置１０ａ及び受信装置２０ａは、量子通信システム１００ａにより使用される。古典通信路２ｂ、送信装置１０ｂ及び受信装置２０ｂは、量子通信システム１００ｂにより使用される。量子通信路１、多重化装置３０ａ及び多重化装置３０ｂは、量子通信システム１００ａ及び１００ｂにより共有される。

以下、古典通信路２ａ及び２ｂを区別しない場合、単に古典通信路２という。送信装置１０ａ及び１０ｂを区別しない場合、単に送信装置１０という。受信装置２０ａ及び２０ｂを区別しない場合、単に受信装置２０という。多重化装置３０ａ及び３０ｂを区別しない場合、単に多重化装置３０という。量子通信システム１００ａ及び１００ｂを区別しない場合、単に量子通信システム１００という。

量子通信路１は、単一光子を送受信する光ファイバーである。送信装置１０は、暗号鍵の元となる乱数を生成する。そして送信装置１０は、乱数を単一光子に符号化し、当該単一光子を、量子通信路１を介して受信装置２０に送信する。

受信装置２０は、量子通信路１を介して送られた単一光子を、検出及び復号する。そして送信装置１０及び受信装置２０は、更に、シフティング処理、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を実行することにより、暗号鍵（共通鍵）を生成する。

なお、現在の技術水準では、完全な単一光子源の実環境での運用は困難である。そのため、通常、擬似的な単一光子（疑似単一光子）が、レーザー装置の光パルス出力を減衰させることによって生成されている。

量子通信システム１００では、量子状態を保ったまま光子を伝送させる必要がある。そのため、従来のインターネット通信で用いられる増幅器は利用できない。通常、実環境で量子通信システム１００を運用する場合、増幅器を介さない専用の光ファイバーが用いられる。

古典通信路２は、量子鍵情報を生成するための制御情報を送受信する。制御情報は、例えば送信装置１０及び受信装置２０との間で同期を取るための同期信号等である。古典通信路２は、光ファイバー等の有線であっても、無線であってもよく、また有線及び無線を組み合わせて実現してもよい。

なお、第１実施形態では、説明の便宜上、光子を送信する側の装置を送信装置１０と呼ぶが、送信装置１０が光子を受信する機能を有していてもよい。同様に、受信装置２０が光子を送信する機能を有していてもよい。

多重化装置３０は、量子通信システム１００ａの光子、及び、量子通信システム１００ｂの光子を光波長多重化させる装置（光波長多重化モジュール）である。多重化装置３０を使用することにより、量子通信路１を１本の光ファイバーにより実現することができる。

なお、送信装置１０と多重化装置３０ａとの間の光ファイバーの数は２本である。そのため、送信装置１０と多重化装置３０ａとの光ファイバーの数は、多重化しない場合と同じである。同様に、受信装置１０と多重化装置３０ｂとの間の光ファイバーの数は２本である。そのため、送信装置１０と多重化装置３０ｂとの光ファイバーの数は、多重化しない場合と同じである。

図１のように、量子通信路１を多重化する方法は、送信装置１０（受信装置２０）と多重化装置３０ａ（多重化装置３０ｂ）との間の距離が、多重化装置３０ａと多重化装置３０ｂとの間の距離よりも短い場合に有用である。また、図１のように、量子通信路１を多重化する方法は、送信装置１０（受信装置２０）と多重化装置３０ａ（多重化装置３０ｂ）との間の光ファイバーの数に制限はないが、多重化装置３０ａと多重化装置３０ｂとの間の光ファイバーの数に制限がある場合に有用である。

なお、多重化可能な量子通信システム１００の数は、多重化装置３０で利用可能な帯域幅による制限がかかる。多重化可能な量子通信システム１００の数は、各量子通信システムの量子信号に割り当てる波長幅が狭いほど、多くすることができる。

次に、多重化装置３０ｂから、それぞれの受信装置２０に量子信号が入力される際に、他方の量子信号が紛れ込む問題について説明する。

図２は量子信号１０２の一部が紛れ込む問題を説明するための図である。図２の例は、多重化装置３０ｂでの分波時に、量子通信システム１００ｂの量子信号１０２の一部が、量子通信システム１００ａの受信装置２０ａに紛れ込んだ場合を示す。

送信装置１０ａ及び１０ｂは、それぞれ独立に生成された光子を使用して、量子信号１０１及び１０２を生成している。そのため、受信装置２０ａにとっては、量子信号１０２を示す光子は雑音でしかない。

量子通信システム１００ａでは、受信装置２０ａは光子の受信有無を検出する機能しか持たない。そのため受信装置２０ａは、受け取った光子の送信元を区別することができない。そもそも、量子信号１０１（１０２）の区別（分波）のために、多重化装置３０ｂが設置されている。

図２に示すような現象が起きると、受信装置２０ａで受信された光子の誤り率が上昇するため、セキュアキーレートが減少する。

セキュアキーレートは、量子通信システム１００の基本的な性能指標である。セキュアキーレートは、単位時間あたりに生成及び共有できる暗号鍵の長さ（ビット長）によって規定される。セキュアキーレートは、鍵配信速度とも呼ばれる。セキュアキーレートは、光子生成速度、量子通信路１の減衰率、量子通信路１の誤り率、受信装置２０の光子検出率、及び、受信装置２０の光子検出誤り率等に依存する。

図２に示すような現象が起こる要因は、多重化装置３０ｂの分波能力、量子信号１０１及び１０２の波長の近さ、及び、量子信号１０１及び１０２の強度差にある。

多重化装置３０ｂの分波能力が低いと、図２に示すように、量子信号１０２を示す一部の光子が、量子信号１０１に紛れ込んでしまう。

また、前述したとおり、多重量子通信システム２００の多重化数を増やすためには、光波長多重化の帯域数を効率よく割り当てる必要がある。そのため、各量子通信システム（１００ａ，１００ｂ，…）へ割り当てられる波長は、なるべく密にした方が、効率がよい。一方、割り当てられる波長を密にするほど、図２に示すような現象が起こる可能性が高まる。

また、量子信号１０２の強度が、量子信号１０１の強度より強く、かつ、量子信号１０２の一部（誤って分波された信号）が、量子信号１０１と同程度の強度の場合、量子信号１０１の誤り率は増々上昇する。

また、量子通信システム１００の安全性を高めるために、デコイ方式と呼ばれる方式が使用されることがある。デコイ方式では、複数の異なる強度の量子信号１０１（１０２）が使用される。

図３はデコイ方式を説明するための図である。図３は、擬似単一光子信号２０１と、デコイ信号２０２ａ及び２０２ｂとを示す。デコイ信号２０２ａは、擬似単一光子信号２０１よりも強度が強い。デコイ信号２０２ｂは、擬似単一光子信号２０１よりも強度が弱い。デコイ信号２０２ａ（２０２ｂ）の強度は、量子通信システム１００に応じて異なるが、図３のように、両方を組み合わせる場合もある。

そのため、量子信号１０１と量子信号１０２の強度が異なり、かつ、デコイ信号２０２ａとデコイ信号２０２ｂの強度が異なる場合、上述の紛れ込みが発生すると、セキュアレートへの影響はより大きくなりやすい。この理由は、紛れ込んだ信号（強度の強い信号の一部）の強度が、強度の弱い信号の強度と同程度になった場合、量子信号１０１（１０２）の誤り率が上昇するだけでなく、デコイ信号２０２ａ（２０２ｂ）の検出数の低下、及び、デコイ信号の誤り率の上昇も発生するためである。

次に、上述の紛れ込んだ信号に対応するため、バンドパスフィルタを使用する場合の問題について説明する。

図４はバンドパスフィルタ４０が使用される場合の問題を説明するための図である。バンドパスフィルタ４０は、特定の波長の光しか通さないフィルタである。より効果を高めるために、バンドパスフィルタ４０を多段に設置してもよい。ただし、バンドパスフィルタ４０を設置すると、当該バンドパスフィルタ４０の設置に伴う問題が生じる。例えば、バンドパスフィルタ４０を設置するほど、設置コストがかかる。また例えば、バンドパスフィルタ４０を通過することにより、光が減衰するため、量子通信システム１００のセキュアキーレートが減少する。また例えば、送信装置２０ａが、バンドパスフィルタ４０と厳密に一致した波長の量子信号１０１を生成する必要があるため、量子通信システム１００ａの制御コストが増える。

次に、第１実施形態の量子鍵配送処理の例について説明する。

［量子鍵配送処理］
図５は第１実施形態の量子鍵配送処理の例を示す図である。量子鍵配送処理は、光子の送受信にはじまる４つの処理ステップによって構成される。第一の処理ステップは光子送受信処理である。第二の処理ステップはシフティング処理である。第三の処理ステップは誤り訂正処理である。第四の処理ステップは秘匿性増強処理である。

＜光子送受信処理＞
送信装置１０は、量子通信路１を介して、光子を受信装置２０に送信する（光子送信処理）。受信装置２０は、送信装置１０から送信された光子を受信する（光子受信処理）。送信装置１０は、光子を送信する際の基底情報（送信基底）と、ビット情報（送信ビット）と、を関連付けた送信光子情報を記憶する。送信ビット及び送信基底は、光子一つ一つに対してランダムに選択される。同様に、受信装置２０は、光子を受信する際の基底情報（受信基底）と、ビット情報（受信ビット）と、を関連付けた受信光子情報を記憶する。受信基底は、光子一つ一つに対してランダムに選択される。

＜シフティング処理＞
送信装置１０のシフティング処理では、送信光子情報が使用される。受信装置２０のシフティング処理では、受信光子情報が使用される。まず、送信装置１０と受信装置２０との間で光子選別情報が交換される。光子選別情報は、送信装置１０により送信された送信光子と、受信装置２０により受信された受信光子と、を対応付けるための情報である。

次に、送信装置１０は、送信光子情報のうち、送信装置１０が光子を送信したときの送信基底と、受信装置２０が光子を受信したときの受信基底とが一致する送信光子情報を選ぶ。また、受信装置２０は、受信光子情報のうち、送信装置１０が光子を送信したときの送信基底と、受信装置２０が光子を受信したときの受信基底とが一致する受信光子情報を選ぶ。

次に、送信装置１０は、選ばれた送信光子情報に含まれる送信ビットからなるビット列により、シフト鍵情報を生成する。また、受信装置２０は、選ばれた受信光子情報に含まれる受信ビットからなるビット列により、シフト鍵情報を生成する。

なお、シフティング処理を実施するためには、送信装置１０及び受信装置２０の間で光子の識別が一致している必要がある。そのため、通常、送信装置１０と受信装置２０は、同期して動作する。

送信装置１０から受信装置２０が受信した光子には、光子送受信処理の際に光ファイバー上のノイズ、受信装置２０の光子検出器特性に起因するノイズ、及び、盗聴者による盗聴の痕跡等が含まれる。そのため、送信装置１０のシフト鍵情報と、受信装置２０のシフト鍵情報とは一部異なっている（誤りが含まれる）ことがある。

そのため、送信装置１０及び受信装置２０は、シフト鍵情報に含まれる一部のデータを交換することで、シフト鍵情報の推定誤り率を計算する。推定誤り率は、送信装置１０及び受信装置２０の一方又は両方で実行する。この推定誤り率が閾値以下である場合、送信装置１０及び受信装置２０は、次の誤り訂正処理を実行する。

＜誤り訂正処理＞
誤り訂正処理では、シフティング処理後のシフト鍵情報シフト鍵情報が使用される。誤り訂正処理の目的は、シフト鍵情報に含まれている誤りを訂正し、送信装置１０と受信装置２０との間で一致するビット列を生成することである。誤り訂正処理により生成されたビット列を、誤り訂正鍵情報を呼ぶ。誤り訂正処理では、送信装置１０と受信装置２０との間で、誤り訂正用制御情報を交換する。この誤り訂正処理の結果、シフト鍵情報の誤り率が計算可能になる。

＜秘匿性増強処理＞
秘匿性増強処理では、誤り訂正処理後の誤り訂正鍵情報が使用される。秘匿性増強処理の目的は、量子暗号の理論に基づき、光子送受信処理、シフティング処理及び誤り訂正処理において理論上漏洩している可能性が考えられる情報量を打ち消すことである。秘匿性増強処理により、完全に盗聴の可能性がなく、かつ、送信装置１０と受信装置２０との間で一致したビット列を、暗号鍵情報として生成することができる。

具体的には、秘匿性増強処理では、漏えいした可能性のある情報量だけ誤り訂正鍵情報が圧縮される。圧縮度合は、秘匿性増強処理までの処理で得られた統計データを元に量子暗号理論によって決定される。なお秘匿性増強処理には、送信装置１０と受信装置２０との間で、秘匿性増強用制御情報を交換する処理が含まれていてもよい。

次に、第１実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の機能構成の例について説明する。

［機能構成の例］
図６は第１実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の機能構成の例を示す図である。第１実施形態の送信装置１０ａは、生成部１１ａ、変調部１２ａ及び制御部１３ａを備える。第１実施形態の送信装置１０ｂは、生成部１１ｂ、変調部１２ｂ、制御部１３ｂ及び変更部１４を備える。第１実施形態の受信装置２０ａは、変調部２１ａ、検出部２２ａ及び制御部２３ａを備える。第１実施形態の受信装置２０ｂは、変調部２１ｂ、検出部２２ｂ及び制御部２３ｂを備える。

以下、送信装置１０ｂ及び受信装置２０ｂの場合を例にして、機能構成について説明する。はじめに、送信装置１０ｂの機能構成の例について説明する。

生成部１１ｂは、単一光子を生成する。単一光子の発生源は、通常のレーザー光源を減衰させたものを用いてもよい。送信装置１０が、通常のレーザー光源を用いる場合、送信基底と送信ビットとをエンコードする際に、厳密には単一の送信光子ではなく、複数の送信光子が送出されてしまう場合がある。このような場合を排除し、量子鍵配送の安全性を保証するため、上述のデコイ法が使用されてもよい。

デコイ法では、出力レーザーの強度を、常に一定とするのではなく、ある一定の確率で、通常のビットを送信する際とは異なるレーザー出力強度にして送信する。この場合、光子生成部は半導体レーザーの他に減衰器、その駆動回路等によって構成されてもよい。生成部１１ｂは、上述のレーザー光源をパルス駆動させることで、光子を生成してもよい。パルスの駆動速度（駆動周波数）は高速であり、例えば１ＧＨｚである。なおパルスの駆動速度は１ＧＨｚに限らず、より高速であっても低速であってもよい。

変調部１２ｂは、ランダムに選択された送信ビットと、ランダムに選択された送信基底とに基づいて光子を変調する。変調方法は任意でよい。変調部１２ｂは、例えば光の位相または光の偏光を用いてもよい。変調部１２ｂは、例えば光の位相を用いる場合、ビット値０に対応する変調量には０を割り当て、ビット値１に対応する変調量にはπを割り当て、基底値０に対応する変調量には０を割り当て、基底値１に対応する変調量にはπ／２を割り当てる。最終的に、変調部１２ｂによる変調量は、ビット値の変調量と基底値の変調量とを足した量になる。

変調部１２ｂは、光子一つ一つに対して、送信ビット及び送信基底を選択する。変調部１２ｂは、送信基底を選ぶ際、基本的には二種類の基底を５０：５０の確率でランダムに選択するが、より効率的に暗号鍵の配信を行うため、この割合に傾斜をつけ、異なる選択比率で送信基底を選択してもよい。

制御部１３ｂは、上述の生成部１１ｂ及び変調部１２ｂの動作を制御する。また、制御部１３ｂは、上述のシフティング処理、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を実行する。

変更部１４は、量子通信システム１００ａの量子信号１０１の誤り率、及び、量子通信システム１００ｂの量子信号１０２の誤り率を受け付ける。そして変更部１４は、量子通信システム１００ａの量子信号１０１の誤り率及び量子通信システム１００ｂの量子信号１０２の誤り率が所定閾値以上の場合、生成部１１ｂの動作タイミングと、変調部１２ｂの動作タイミングとを変更する制御信号を制御部１３ｂに入力する。

なお、変更部１４は、生成部１１ａの動作タイミングと、変調部１２ａの動作タイミングとを変更する制御信号を制御部１３ａに入力してもよい。

次に、受信装置２０ｂの機能構成の例について説明する。

変調部２１ｂは、送信装置１０ｂと同様に、ランダムに選択された受信基底を使用して、受信された光子を変調する。変調方法は任意でよい。変調方法は、例えば光の位相または光の偏光が用いられてもよいが、送信装置１０ｂの変調方法と合せる必要がある。変調部２１ｂは、例えば光の位相を用いる場合、基底値０に対応する変調量には０を割り当て、基底値１に対応する変調量にはπ／２を割り当てる。

変調部２１ｂは、受信基底を選ぶ際、基本的には二種類の基底を５０：５０の確率でランダムに選択するが、より効率的に暗号鍵の配信を行うため、この割合に傾斜をつけ、異なる選択比率で受信基底を選択してもよい。しかし、この選択比率は、送信側の送信基底の選択比率と同じにする必要がある。

検出部２２ｂは変調部２１ｂから出力された光子を検出する。そして検出部２２ｂは、受信基底を、光の位相または偏光に対応させることにより、単一光子から、受信ビットをデコードする。

光子の受信（検出）はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる光子検出素子を用いて行ってもよい。ＡＰＤは例えば、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウムまたは窒化ガリウムで生成されたＡＰＤでもよい。

ＡＰＤは、ガイガーモードと呼ばれる動作モードで駆動する。ガイガーモードでは、ＡＰＤの逆電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）以上にして動作させ、アバランシェ効果により、受信光子の入射に対して大きいパルスを発生させることによって、単一光子の検出を行う。検出部２２ｂは、ブレークダウン電圧を超える電圧と、ブレークダウン電圧未満の電圧と、からなる方形波又は正弦波状の電圧を供給することによって、単一光子の検出動作を連続的に行う。その駆動速度は高速であり、例えば駆動速度は１ＧＨｚである。なお駆動速度は、１ＧＨｚより高速であっても低速であってもよい。

制御部２３ｂは、上述の変調部２１ｂ及び検出部２２ｂの動作を制御する。また、制御部２３ｂは、上述のシフティング処理、誤り訂正処理及び秘匿性増強処理を実行する。

なおシフティング処理を実施するために、制御部１３ｂ及び２３ｂは時刻を同期しており、当該時刻に基づいて光子を識別する。例えば、制御部１３ｂ及び２３ｂは、それぞれに発振器を備える。発振器は互いに同期している。発振器同期のための同期信号は、古典通信路２ｂを介して伝送されている。制御部１３ｂ及び２３ｂは、発振器で数えられたカウントに基づいて光子に番号を振り、当該光子を当該番号により識別する。

次に、送信装置１０ｂと受信装置２０ｂの間の通信路について説明する。

量子通信路１は、上述の多重化装置３０ａ及び３０ｂを備える。多重化装置３０ａは、複数の異なる波長の光の合波を行う。多重化装置３０ｂは波長に応じた分波を行う。多重化装置３０ａ及び３０ｂは、例えばＣＷＤＭ（ＣｏａｒｓｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）及びＤＷＤＭ（ＤｅｎｓｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等を使用して、量子信号１０１及び１０２の多重化を実現する。

量子通信路１は、量子信号１０１（１０２）を示す単一光子を伝送する。古典通信路２ｂは、制御情報を伝送する。制御情報は、例えば上述の光子選別情報（図５参照）、及び、上述の同期信号である。なお古典通信路２ａの説明は、古典通信路２ｂと同様であるので省略する。

量子通信路１及び古典通信路２ｂには、一般に、標準的なシングルモード光ファイバーがよく用いられるが、マルチモード光ファイバーが用いられてもよい。マルチモード光ファイバーが用いられる場合、それぞれの伝送路がマルチモードのコア１つに対応する。なお単一光子と光子識別情報とは光の強度が違いすぎるため、両通信路には別の光ファイバ（または別のコア）が割り当てられる。また、上述の同期信号は、光子識別情報と同一の通信路で伝送されても、別の通信路で伝送されてもよい。

次にフローチャートを参照して、第１実施形態の生成部１１ｂ及び変調部１２ｂの動作タイミングの変更方法の例について説明する。

図７は第１実施形態の変更部１４の処理の例を示すフローチャートである。はじめに、変更部１４が、量子通信システム１００ａの誤り率、及び、量子通信システム１００ｂの誤り率を受信する（ステップＳ１）。次に、変更部１４が、ステップＳ１の処理により受信された誤り率が所定閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。

所定閾値以上でない場合（ステップＳ２、Ｎｏ）、処理は終了する。所定閾値以上である場合（ステップＳ２、Ｙｅｓ）、変更部１４は、変更量を含む制御信号を、制御部１３ｂに入力する（ステップＳ３）。

所定閾値は任意でよい。所定閾値は、例えば量子通信システム１００ｂを多重化しない場合の量子信号１０２の誤り率を２倍した値である。また所定閾値は、多重量子通信システム２００の動作中に得られた誤り率に応じて動的に変更してもよい。

変更部１４は、例えば量子通信システム１００ａ及び１００ｂそれぞれの過去の誤り率を記録しておき、当該過去の誤り率に基づいて、所定閾値を変更してもよい。過去の誤り率の数は、例えば１００である。より具体的には、所定閾値は、例えば量子通信システム１００ａの誤り率、及び、量子通信システム１００ｂの誤り率の平均値の２倍である。

また、変更量は任意でよい。変更量は、固定値でもよいし、動的に決定されてもよい。

変更量は、例えば量子信号１０２の生成速度が１ＧＨｚ（つまり各量子信号１０２の間隔が１ｎｓ）の場合、その動作速度より小さい値（５０ｐｓ、１００ｐｓ及び１５０ｐｓ等）でもよい。また例えば、変更量は、量子信号１０２の生成速度が１ＧＨｚの場合、１ＧＨｚの１／２０（５０ｐｓ）、１／１０（１００ｐｓ）及び１／５（２００ｐｓ）等の動作速度に対する割合でもよい。

また例えば、変更量は、単位時間当たりに変更された回数に応じて変更してもよい。変更部１４は、例えば動作タイミングを５０ｐｓ変更した後にステップＳ１の処理により受信された誤り率が所定閾値以上の場合、変更量を１００ｐｓにしてもよい。

また、動作タイミングは、早めてもよいし、遅らせてもよい。動作タイミングを変更する方向は、例えば多重量子通信システム１の設計時に決定してもよい。また例えば、動作タイミングを変更する方向は、一定の回数早めても改善しない場合、一定の回数遅らせるというように、両方の方向を組み合わせてもよい。

変更量は正の数でも負の数でもよい。例えば変更量がプラス値の場合、動作タイミングを変更量だけ遅らせることを示し、変更量がマイナス値の場合、動作タイミングを変更量だけ早めることを示してもよい。

図８は第１実施形態の制御部１３ｂの処理の例を示すフローチャートである。はじめに、制御部１３ｂが、変更部１４から、変更量を含む制御信号を受信する（ステップＳ１１）。次に、制御部１３ｂは、ステップＳ１１の処理により受信された変更量に基づいて、生成部１１ｂ及び変調部１２ｂの動作タイミングを変更する（ステップＳ１２）。

次に、制御部１３ｂが、ステップＳ１２の処理により動作タイミングが変更された後に算出された誤り率を、変更部１４に送信する（ステップＳ１３）。なお、第１実施形態では制御信号を受信しない制御部１３ａも、定期的に、量子通信システム１００ａの誤り率を変更部１４に送信している。

上述の図７及び図８のフローの処理を繰り返すことにより、量子通信システム１００ａ及び１００ｂの誤り率が所定閾値以上になった場合、量子通信システム１００ａ及び１００ｂの誤り率を低減させることができる。これにより量子通信システム１００ａ及び１００ｂのセキュア―キーレート（暗号鍵情報の配信速度）を安定させることができる。

なお生成部１１ａ及び変調部１２ａの動作タイミングを変更する場合（制御部１３ａが制御信号を受信する場合）も、上述の図７及び図８の説明と同様である。

以上、説明したように、第１実施形態の送信装置１０ｂでは、生成部１１ｂが、光子を生成する。変調部１２ｂが、光子を変調することにより生成された量子信号１０２を、受信装置２０ｂに送信する。制御部１３ｂが、生成部１１ｂと変調部１２ｂとを制御する。そして変更部１４が、量子通信システム１００ａの量子信号１０１の誤り率及び量子通信システム１００ｂの量子信号１０２の誤り率が所定閾値以上の場合、生成部１１ｂの動作タイミングと、変調部１２ｂの動作タイミングとを変更する制御信号を制御部１３ｂに入力する。

これにより第１実施形態の多重量子通信システム２００によれば、量子通信路１が共有される場合であっても、暗号鍵情報の配信速度を安定させることができる。

具体的には、送信装置１０及び受信装置２０は互いに同期している。送信装置１０は、一定の間隔で光子パルスを生成する。受信装置２０は、光子パルスが到着したタイミングでのみ光子を検出する。この場合でも、送信装置１０ａと送信装置１０ｂの光子パルスが同じタイミングで多重化装置３０ｂに到達した際に、図２のような問題は発生する。

そこで、第１実施形態の多重量子通信システム２００では、変更部１４が、受信装置２０ａで算出された量子信号１０１の誤り率及び受信装置２０ｂで算出された量子信号１０２の誤り率を受信する。変更部１４は、誤り率が所定閾値以上であれば、送信装置１０ｂに、上述の制御信号により、光子パルスの生成タイミングをずらすように指示する。片方の光子パルスの生成タイミングをずらした後は、量子通信システム１００ａ及び１００ｂの光子パルスが同じタイミングで、多重化装置３０ｂに届くことを防ぐことができる。なお、すべての光パルスの生成タイミングをずらすため、デコイ方式を採用している場合は、デコイ信号も擬似単一光子信号と一律にタイミングがずれる。

第１実施形態の多重量子通信システム２００によれば、セキュアキーレートの低下の防止と、多重量子通信システム２００の設置コスト及び制御コストの削減とを両立させることができる。

なお上述の実施形態の説明では、変更部１４が、量子信号１０１（１０２）の誤り率に基づいて変更量を決定する場合について説明したが、その他の情報に基づいて変更量を決定してもよい。その他の情報は、例えば光子の検出数、デコイ法を用いた際のデコイ信号の検出数、デコイ信号の誤り率、及び、セキュアキーレート等である。また、変更部１４は、複数の情報に基づいて変更量を決定してもよい。また、量子信号１０２の誤り率、デコイ信号の検出数、デコイ信号の誤り率、及び、セキュアキーレートの計算は、送信装置１０で行われても、受信装置２０で行われてもよい。その際、計算に必要な情報は送信装置１０と受信装置２０との間で適宜共有される。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の説明については省略し、第１実施形態と異なる箇所について説明する。

［装置構成の例］
図９は第２実施形態の多重量子通信システム２００の装置構成の例を示す図である。第２実施形態の多重量子通信システム２００は、量子通信路１、古典通信路２、送信装置１０ａ、送信装置１０ｂ、受信装置２０ａ、受信装置２０ｂ、多重化装置３０ａ、多重化装置３０ｂ、多重化装置３０ｃ及び多重化装置３０ｄを備える。

すなわち第２実施形態では、多重化装置３０ｃ及び多重化装置３０ｄを更に備え、古典通信路２が共有されている。これにより多重量子通信システム２００に使用される光ファイバーの数を削減することができる。

多重化装置３０ｃ及び３０ｄは、例えばＣＷＤＭ及びＤＷＤＭ等を使用して、量子通信システム１００ａの制御情報を示す信号、及び、量子通信システム１００ｂの制御情報を示す信号を多重化する。

第２実施形態の多重量子通信システム２００の機能構成の説明は、第１実施形態の多重量子通信システム２００の機能構成と同じなので省略する。

次にフローチャートを参照して、第２実施形態の生成部１１ｂ及び変調部１２ｂの動作タイミングの変更方法の例について説明する。

図１０は第２実施形態の変更部１４の処理の例を示すフローチャートである。はじめに、変更部１４が、量子通信システム１００ａの誤り率、及び、量子通信システム１００ｂの誤り率を受信する（ステップＳ２１）。次に、変更部１４が、ステップＳ２１の処理により受信された誤り率が所定閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。

所定閾値以上でない場合（ステップＳ２２、Ｎｏ）、処理は終了する。所定閾値以上である場合（ステップＳ２２、Ｙｅｓ）、変更部１４は、変更量を含まない制御信号を、制御部１３ｂに入力する（ステップＳ２３）。すなわち第２実施形態では、変更量の決定は、変更部１４ではなく、制御部１３ｂで行われる。

図１１は第２実施形態の制御部１３ｂの処理の例を示すフローチャートである。はじめに、制御部１３ｂが、変更部１４から、変更量を含まない制御信号を受信する（ステップＳ３１）。次に、制御部１３ｂは、ステップＳ３１の処理により制御信号を受信すると、変更量を決定する（ステップＳ３２）。変更量の決定方法の説明は、第１実施形態と同じなので省略する。

次に、制御部１３ｂは、ステップＳ３２の処理により決定された変更量に基づいて、生成部１１ｂ及び変調部１２ｂの動作タイミングを変更する（ステップＳ３３）。

次に、制御部１３ｂが、ステップＳ３３の処理により動作タイミングが変更された後に算出された誤り率を、変更部１４に送信する（ステップＳ３４）。なお、第２実施形態では制御信号を受信しない制御部１３ａも、定期的に、量子通信システム１００ａの誤り率を変更部１４に送信している。

上述の図１０及び図１１のフローの処理を繰り返すことにより、量子通信システム１００ａ及び１００ｂの誤り率を低減させることができる。

なお生成部１１ａ及び変調部１２ａの動作タイミングを変更する場合（制御部１３ａが制御信号を受信する場合）も、上述の図１０及び図１１の説明と同様である。

以上、説明したように、第２実施形態の多重量子通信システム２００では、制御部１３ｂにより変更量が決定される点が、第１実施形態とは異なるが、第１実施形態と同様の効果が得られる。

最後に、第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の主要部のハードウェア構成の例について説明する。

［ハードウェア構成の例］
図１２は第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の主要部のハードウェア構成の例を示す図である。第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０は、制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、光学処理装置３０４及び通信ＩＦ３０５を備える。制御装置３０１、主記憶装置３０２、補助記憶装置３０３、光学処理装置３０４及び通信ＩＦ３０５は、バス３１０を介して接続されている。

制御装置３０１は補助記憶装置３０３から主記憶装置３０２に読み出されたプログラムを実行する。制御装置３０１は、例えばＣＰＵである。主記憶装置３０２はＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、及び、ＲＡＭ等のメモリである。補助記憶装置３０３はメモリカード、及び、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）等である。

光学処理装置３０４は、量子通信路１を介して、上述の単一光子を送信または受信する。通信ＩＦ３０５は、光ファイバー及びイーサネット（登録商標）等の古典通信路２を介して、制御情報等を送信または受信する。

第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ−Ｒ、及び、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

また第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０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。また第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０が実行するプログラムを、ダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。

また第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０で実行されるプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

第１及び第２実施形態の送信装置１０で実行されるプログラムは、上述の第１及び第２実施形態の送信装置１０の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。また、第１及び第２実施形態の受信装置２０で実行されるプログラムは、上述の第１及び第２実施形態の受信装置２０の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。

プログラムにより実現される機能は、制御装置３０１が補助記憶装置３０３等の記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、プログラムにより実現される機能が主記憶装置３０２にロードされる。すなわちプログラムにより実現される機能は、主記憶装置３０２上に生成される。

なお第１及び第２実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の機能の一部を、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよい。ＩＣは、例えば専用の処理を実行するプロセッサである。

また複数のプロセッサを用いて各機能を実現する場合、各プロセッサは、各機能のうち１つを実現してもよいし、各機能のうち２以上を実現してもよい。

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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や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。

１０送信装置
１１生成部
１２変調部
１３制御部
１４変更部
２０受信装置
２１変調部
２２検出部
２３制御部
３０多重化装置
４０バンドパスフィルタ
１００量子通信システム
２００多重量子通信システム
３０１制御装置
３０２主記憶装置
３０３補助記憶装置
３０４光学処理装置
３０５通信ＩＦ

Claims

第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの送信装置であって、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記制御信号は、前記動作タイミングの変更回数に応じて決定される変更量を含み、
前記制御部は、前記制御信号を受け付けた場合、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
送信装置。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの送信装置であって、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記制御部は、前記制御信号を受け付けた場合、前記動作タイミングの変更回数に応じて変更量を決定し、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
送信装置。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの送信装置であって、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記所定閾値は、前記量子通信路を共有させずに動作させた場合の前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて決定される、
送信装置。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの送信装置であって、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記所定閾値は、過去に算出された前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率、及び、過去に算出された前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて、動的に決定される、
送信装置。
第１の量子通信システムと第２の量子通信システムとを備える多重量子通信システムであって、
前記第１の量子通信システムと前記第２の量子通信システムとは、量子通信路を共有し、
前記第２の量子通信システムの送信装置は、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記制御信号は、前記動作タイミングの変更回数に応じて決定される変更量を含み、
前記制御部は、前記制御信号を受け付けた場合、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
多重量子通信システム。
第１の量子通信システムと第２の量子通信システムとを備える多重量子通信システムであって、
前記第１の量子通信システムと前記第２の量子通信システムとは、量子通信路を共有し、
前記第２の量子通信システムの送信装置は、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記制御部は、前記制御信号を受け付けた場合、前記動作タイミングの変更回数に応じて変更量を決定し、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
多重量子通信システム。
第１の量子通信システムと第２の量子通信システムとを備える多重量子通信システムであって、
前記第１の量子通信システムと前記第２の量子通信システムとは、量子通信路を共有し、
前記第２の量子通信システムの送信装置は、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記所定閾値は、前記量子通信路を共有させずに動作させた場合の前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて決定される、
多重量子通信システム。
第１の量子通信システムと第２の量子通信システムとを備える多重量子通信システムであって、
前記第１の量子通信システムと前記第２の量子通信システムとは、量子通信路を共有し、
前記第２の量子通信システムの送信装置は、
光子を生成する生成部と、
前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信する変調部と、
前記生成部と前記変調部とを制御する制御部と、
前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力する変更部と、を備え、
前記所定閾値は、過去に算出された前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率、及び、過去に算出された前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて、動的に決定される、
を備える多重量子通信システム。
前記量子通信路は、
光の波長を多重化させる多重化装置と、光ファイバーとを備える、
請求項５乃至８のいずれか１項に記載の多重量子通信システム。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの多重量子通信方法であって、
第２の量子通信システムの生成部が、光子を生成するステップと、
第２の量子通信システムの変調部が、前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信するステップと、
第２の量子通信システムの制御部が、前記生成部と前記変調部とを制御するステップと、
第２の量子通信システムの変更部が、前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力するステップと、を含み、
前記制御信号は、前記動作タイミングの変更回数に応じて決定される変更量を含み、
前記制御するステップは、前記制御信号を受け付けた場合、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
多重量子通信方法。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの多重量子通信方法であって、
第２の量子通信システムの生成部が、光子を生成するステップと、
第２の量子通信システムの変調部が、前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信するステップと、
第２の量子通信システムの制御部が、前記生成部と前記変調部とを制御するステップと、
第２の量子通信システムの変更部が、前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力するステップと、を含み、
前記制御するステップは、前記制御信号を受け付けた場合、前記動作タイミングの変更回数に応じて変更量を決定し、前記変更量だけ動作タイミングを変更する、
多重量子通信方法。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの多重量子通信方法であって、
第２の量子通信システムの生成部が、光子を生成するステップと、
第２の量子通信システムの変調部が、前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信するステップと、
第２の量子通信システムの制御部が、前記生成部と前記変調部とを制御するステップと、
第２の量子通信システムの変更部が、前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力するステップと、を含み、
前記所定閾値は、前記量子通信路を共有させずに動作させた場合の前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて決定される、
多重量子通信方法。
第１の量子通信システムと量子通信路を共有する第２の量子通信システムの多重量子通信方法であって、
第２の量子通信システムの生成部が、光子を生成するステップと、
第２の量子通信システムの変調部が、前記光子を変調することにより生成された量子信号を、受信装置に送信するステップと、
第２の量子通信システムの制御部が、前記生成部と前記変調部とを制御するステップと、
第２の量子通信システムの変更部が、前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率及び前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率が所定閾値以上の場合、前記生成部の動作タイミングと、前記変調部の動作タイミングとを変更する制御信号を制御部に入力するステップと、を含み、
前記所定閾値は、過去に算出された前記第１の量子通信システムの量子信号の誤り率、及び、過去に算出された前記第２の量子通信システムの量子信号の誤り率に基づいて、動的に決定される、
多重量子通信方法。