JP6693643B2 - 元鍵復元装置および方法 - Google Patents

Description

本出願は、「元鍵復元装置および方法」と題する、２０１６年２月２９日に中国特許庁に出願された中国特許出願第２０１６１０１１５７６８．２号に基づく優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明の実施形態は、量子通信分野に関し、特には、元鍵復元装置および方法に関する。

ネットワーク技術の急速な発展に伴い、ネットワークを通じて大量の機密情報が伝送される必要があり、機密情報が失われないよう、または攻撃されないように保護する必要がある。暗号化は、情報セキュリティを保証するための重要な手段の１つである。既存の古典的な暗号化システムは、計算複雑性に基づいて確立されており、解読されることがある。古典的な暗号システムでは、無条件安全性を実現するためにワンタイム鍵のみが使用され得るが、大量の乱数鍵をどのように生成するかが常に問題となっている。量子鍵配布（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、略してＱＫＤ）技術がこの問題を解決する。

具体的には、ＱＫＤにおいては量子状態が情報単位として使用され、情報を伝送し保護するためにいくつかの量子力学の原理が使用される。通常、量子状態を情報担体として使用し、かつ量子力学の原理を使用することによって、２つの通信当事者が、量子チャネル伝送を通じて２つのセキュアな通信当事者間に共有の鍵を確立する。ＱＫＤのセキュリティは、量子力学の「ハイゼンベルグの不確定性関係」および「単一量子複製不可能定理」、または、もつれた粒子のコヒーレンスおよび非局在性などの量子の特性を使用することによって保証される。

図１ａは、量子通信が適用されるシステムの概略構造図の例を示す。図１ａに示すように、当該システムは、送信装置１０１と受信装置１０２とを備える。送信装置は、マスタ制御ユニット１０３と量子送信機１０４と同期クロック送信機１０５とネゴシエーション情報送受信機１０６とサービス情報送信機１０７とを有する。受信装置は、マスタ制御ユニット１０８と量子受信機１０９と同期クロック受信機１１０とネゴシエーション情報送受信機１１１とサービス情報受信機１１２とを有する。送信装置は、量子送信機を使用することによって、元鍵を保持する量子光信号を受信装置の量子受信機に送信し、これにより、受信装置は、量子光信号から元の量子鍵を復元する。送信装置は、同期クロック送信機を使用することによって、同期クロック信号を受信装置の同期クロック受信機に送信し、これにより、受信装置は、送信装置とのクロック同期を実装する。送信装置のネゴシエーション情報送受信機と受信装置のネゴシエーション情報送受信機との間でネゴシエーション情報が送受信され、これにより、送信装置および受信装置は、ネゴシエーション情報に基づいて元の量子鍵から最終的な量子鍵を決定する。送信装置は、サービス情報送信機を使用することによって、受信装置のサービス情報受信機にサービス情報を送信する。

量子鍵配布プロセスは具体的に、送信装置が量子光信号に元鍵を追加して、受信装置に量子光信号を送信することと、量子光信号を受信した後、受信装置が量子光信号から元鍵を復元することと、さらに、送信装置と受信装置との間でのネゴシエーションを通じて、最終的に使用される鍵が元鍵から決定されることとを備える。

従来技術においては、送信装置が局部発振器光信号を生成し、同じ光ファイバを通じて局部発振器光信号および量子光信号を伝送する。この場合、受信装置が元鍵を正確に復元する必要がある場合、局部発振器光信号および量子光信号が２：２結合器の入力端に到着する時間が厳密に保証される必要がある。具体的には、受信装置は、局部発振器光信号および量子光信号が通過する経路に対して厳密な等長制御を行う必要がある。この技術的解決手段をエンジニアリングで使用するは非常に困難である。

要約すると、受信された量子光信号からより簡単かつ正確に元鍵を復元するための元鍵復元装置および方法が至急必要である。

本発明の実施形態は、受信された量子光信号からより簡単かつ正確に元鍵を復元するための元鍵復元装置および方法を提供する。

本発明の実施形態は元鍵復元装置を提供する。当該装置は、コヒーレント結合ユニットと、コヒーレント結合ユニットに接続された参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットと、参照光平衡検出ユニットに接続された搬送波復元ユニットと、量子光平衡検出ユニットに接続された鍵復元ユニットとを備え、搬送波復元ユニットは鍵復元ユニットに接続され、コヒーレント結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行うよう構成され、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含み、参照光平衡検出ユニットは、少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、搬送波復元ユニットに少なくとも１つの第１の電気信号を伝送するよう構成され、量子光平衡検出ユニットは、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、鍵復元ユニットに少なくとも１つの第２の電気信号を伝送するよう構成され、搬送波復元ユニットは、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を少なくとも１つの第１の電気信号から決定し、鍵復元ユニットに位相周波数情報を送信するよう構成され、 鍵復元ユニットは、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元するよう構成される。

伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行う。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。この解決手段は、送信装置および受信装置の２本の光ファイバ間の長さの差に対する厳密な等長制御を必要とせず、それにより、技術的困難性を低減することが分かる。

任意選択で、参照光平衡検出ユニットに含まれるトランスインピーダンス増幅器の増幅係数は、量子光平衡検出ユニットに含まれるトランスインピーダンス増幅器の増幅係数より小さい。

任意選択で、参照光平衡検出ユニットの帯域幅は、量子光平衡検出ユニットの帯域幅より高く、参照光平衡検出ユニットの利得は、量子光平衡検出ユニットの利得より低い。

さらに、本発明のこの実施形態において、第１のコヒーレントに結合された光信号と第２のコヒーレントに結合された光信号とは、別々に増幅されてよい。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から、元鍵が復元される。ゆえに、第１のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、参照光信号から位相周波数情報をより正確に復元することができ、第２のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、量子光信号から元鍵もより正確に復元することができる。

任意選択で、当該装置は、搬送波復元ユニットおよびコヒーレント結合ユニットに接続された局部発振器ユニットをさらに備え、局部発振器ユニットは、搬送波復元ユニットによって送信された位相周波数情報を受信し、受信された位相周波数情報に基づいて局部発振器光信号を生成し、コヒーレント結合ユニットに局部発振器光信号を送信するよう構成される。

このように、伝送光信号に対してコヒーレント結合を行うために使用される局部発振器光信号は、より正確に変調され得る。具体的には、局部発振器光信号は、受信された位相周波数情報に基づいてより正確に生成され、次に、鍵復元ユニットは、コヒーレントに結合された量子光信号に基づいてより正確に元鍵を復元できる。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号よび量子光信号を含み、コヒーレント結合ユニットは、第１の光分割ユニットと、第１の光分割ユニットに接続された第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットとを有し、第１の結合ユニットは、参照光平衡検出ユニットに接続され、第２の結合ユニットは、量子光平衡検出ユニットに接続され、局部発振器ユニットは、具体的に、局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第１の局部発振器光副信号をそれぞれ第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットに送信するよう構成され、第１の光分割ユニットは、伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、伝送光信号に対して光分割処理を行い、２つの光学的に分割された光信号をそれぞれ第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットに入力するよう構成され、第１の結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行うよう構成され、第２の結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちのもう一方を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの他方に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、コヒーレント結合ユニットは、第３の結合ユニットと、第３の結合ユニットに接続された第２の光分割ユニットおよび第３の光分割ユニットとを有し、第２の光分割ユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続され、第３の光分割ユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続され、第３の結合ユニットは、局部発振器光信号を使用して、伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割し、２つの第１のコヒーレント光信号をそれぞれ第２の光分割ユニットおよび第３の光分割ユニットに入力するよう構成され、第２の光分割ユニットは、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行うよう構成され、第１の比率と第２の比率との和は１であり、第３の光分割ユニットは、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行うよう構成され、各々が各第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

上述の２つの方式においては、たとえ伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送され、伝送光信号が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含んでいたとしても、第１のコヒーレントに結合された光信号および第２のコヒーレントに結合された光信号は別々に増幅され得ることが分かる。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から、元鍵が復元される。

任意選択で、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、コヒーレント結合ユニットは、偏光光分割ユニットと、偏光光分割ユニットに接続されたコヒーレント結合サブユニットとを含み、コヒーレント結合サブユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続され、偏光光分割ユニットは、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行うよう構成され、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応し、コヒーレント結合サブユニットは、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいてＮ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行うよう構成される。

任意選択で、Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、Ｎ個の初期光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、参照光信号を含む初期光信号、または、量子光信号を含む初期光信号のうちの少なくとも何れか２つを有する。

任意選択で、コヒーレント結合サブユニットは具体的に、参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、参照光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行うよう構成されるか、量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行うか、または、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、２つのコヒーレントに結合された光信号であって、その各々が参照光信号および量子光信号を含む２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行うよう構成される。

任意選択で、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、局部発振器ユニットは具体的に、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、コヒーレント結合サブユニットに２つの第２の局部発振器光副信号を送信するよう構成され、コヒーレント結合サブユニットは具体的に、２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対して光分割処理を行い、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、受信された２つの第２の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行い、受信された２つの第２の局部発振器光副信号のうちのもう一方を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号のうちのもう一方に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

任意選択で、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、当該装置は具体的に、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割し、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行うよう構成され、ここで、第６の比率と第７の比率との和は１であり、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

任意選択で、搬送波復元ユニットは、参照光平衡検出ユニットに接続された第１のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）ユニットと、第１のＡＤＣユニットに接続された第１の処理ユニットとを有し、第１のＡＤＣユニットは、少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、第１の処理ユニットに参照信号サンプリング系列を送信するよう構成され、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１のＡＤＣユニットの第１の事前設定された振幅範囲内にあり、第１の処理ユニットは、受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、局部発振器光信号と参照光信号の間の位相周波数情報を決定し、鍵復元ユニットに位相周波数情報を送信するよう構成される。

任意選択で、鍵復元ユニットは、量子光平衡検出ユニットに接続された第２のＡＤＣユニットと、第２のＡＤＣユニットに接続された第２の処理ユニットとを有し、第２のＡＤＣユニットは、少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、第２の処理ユニットに量子信号サンプリング系列を送信するよう構成され、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２のＡＤＣユニットの第２の事前設定された振幅範囲内にあり、第２の処理ユニットは、受信された量子信号サンプリング系列および受信された位相周波数情報に基づいて、元鍵を復元するよう構成される。

任意選択で、当該装置は、コヒーレント結合ユニットに接続された偏光制御ユニットをさらに備え、ここで、偏光制御ユニットは、伝送光信号を受信し、受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整し、コヒーレント結合ユニットに固定偏光状態の伝送光信号を送信するよう構成される。

任意選択で、局部発振器光信号は、伝送光信号における参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、伝送光信号における量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である。

上述の解決手段によると、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送されるとき、伝送光信号は、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットを使用することによって別々に処理され得て、さらに、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットのパラメータは、別々に設定され得ることが分かる。例えば、参照光信号を含む光信号に対応する増幅係数は、より小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。量子光信号を含む光信号に対応する増幅係数は、より大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵が復元される。

本発明の一実施形態は、元鍵復元方法を提供する。当該方法は、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階であって、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含む、段階と、少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う段階と、少なくとも１つの第１の電気信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する段階とを備える。

任意選択で、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して行われる光／電気変換および増幅中に使用される増幅係数は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して行われる光／電気変換および増幅中に使用される増幅係数より小さい。

任意選択で、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の帯域幅は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の帯域幅より高く、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の利得は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の利得より低い。

本発明のこの実施形態において、第１のコヒーレントに結合された光信号と第２のコヒーレントに結合された光信号とは別々に増幅されてよい。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵が復元される。ゆえに、第１のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、参照光信号から位相周波数情報をより正確に復元することができ、第２のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、量子光信号から元鍵もより正確に復元することができる。

任意選択で、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階の前に、当該方法は、位相周波数情報に基づいて局部発振器光信号を生成する段階をさらに備える。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、伝送光信号に対して光分割処理を行う段階と、局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、２つの第１の局部発振器光副信号を使用して、２つの光学的に分割された光信号に対してそれぞれコヒーレント結合を行う段階であって、一方の第１の局部発振器光副信号は、一方の光学的に分割された光信号に対応する、段階とを有する。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、局部発振器光信号を使用して、伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割する段階と、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行う段階であって、第１の比率と第２の比率との和は１である、段階と、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行う段階とを有し、各々が各第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

任意選択で、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行う段階であって、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応する、段階と、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいてＮ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う段階とを有する。

任意選択で、Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、Ｎ個の初期光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、参照光信号を含む初期光信号、または、量子光信号を含む初期光信号のうちの少なくとも何れか２つを有する。

任意選択で、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいてＮ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う段階は、参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、参照光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、または、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、２つのコヒーレントに結合された光信号であって、その各々が参照光信号および量子光信号を含む２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階を含む。

任意選択で、２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階は、２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対して光分割処理を行う段階と、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、２つの第２の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行い、２つの第２の局部発振器光副信号のうちのもう一方を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号のうちのもう一方に対してコヒーレント結合を行う段階を含む。

任意選択で、２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階は、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割する段階と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行う段階であって、第６の比率と第７の比率との和は１である、段階とを含み、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

任意選択で、少なくとも１つの第１の電気信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する段階は、少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する段階とを有する。

任意選択で、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する段階は、少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、受信された量子信号サンプリング系列および受信された位相周波数情報に基づいて元鍵を復元する段階とを有する。

任意選択で、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階の前に、当該方法は、伝送光信号を受信し、受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整する段階をさらに備える。

任意選択で、局部発振器光信号は、伝送光信号における参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、伝送光信号における量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である。

本発明の実施形態において、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、ここで、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含む。少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅が行われ、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅が行われる。局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報は、少なくとも１つの第１の電気信号から決定され、元鍵は、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から復元される。 伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行う。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。この解決手段は、送信装置および受信装置の２本の光ファイバ間の長さの差に対する厳密な等長制御を必要とせず、それにより、技術的困難性を低減することが分かる。

本発明の実施形態における技術的解決手段をより明確に説明するべく、実施形態を説明するために必要な添付の図面を以下で簡潔に説明する。

従来技術による、量子通信が適用されるシステムの概略構造図である。

本発明の一実施形態に適用可能なシステムの概略構造図である。

本発明の一実施形態に適用可能な別のシステムの概略構造図である。

本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態による別の元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるさらに別の元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態による伝送光信号の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるまた別の元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるさらにまた別の元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態による別の伝送光信号の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるさらに別の伝送光信号の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるまた別の伝送光信号の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるまたさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるまたさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。 本発明の一実施形態によるまたさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態によるまたさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。 本発明の一実施形態によるまたさらなる元鍵復元装置の概略構造図である。

本発明の一実施形態による元鍵復元方法の概略フローチャートである。

本発明の目的、技術的解決手段、および利点をより明確かつより分かり易いものにするべく、以下ではさらに、添付の図面および実施形態に関連して本発明を詳細に説明する。本明細書において説明される特定の実施形態は本発明を説明するために使用されるに過ぎず、本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

本発明の一実施形態において、元鍵復元装置は受信装置に含まれ、受信装置側において、より簡単かつ正確な方法を使用することによって、受信された量子光信号から元鍵を復元するよう構成される。元鍵復元装置は、限定されないが、基地局、ステーションコントローラ、アクセスポイント（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ、略してＡＰ）、または無線環境で動作できる任意の他のタイプのインタフェース装置を含む。

図２ａは、本発明の一実施形態に適用可能なシステムの概略構造図の例を示し、図２ｂは、本発明の一実施形態に適用可能な別のシステムの概略構造図の例を示す。

図２ａに示すように、本発明のこの実施形態に適用可能なシステムアーキテクチャにおいて、ノードＡは送信装置１１０１のみを備え、ノードＢは受信装置１１０２のみを備え、受信装置１１０２は、元鍵復元装置１１０３を有する。本システムアーキテクチャは、単方向システムアーキテクチャと称される。ノードＡの送信装置１１０１は、量子光信号に元鍵を追加し、受信装置１１０２に量子光信号を送信する。受信装置１１０２に含まれる元鍵復元装置１１０３は、量子光信号から元鍵を復元する。これにより、送信装置１１０１および受信装置１１０２は、ネゴシエーションを通じて元鍵から最終的な量子鍵を決定する。さらに、ノードＡの送信装置１１０１は、入力されたサービス情報を受信し、暗号化された信号を取得するよう、最終的な量子鍵を使用してサービス情報に対して暗号化プロセスを行い、受信装置１１０２に暗号化された信号を送信する。暗号化された信号を受信した後、受信装置１１０２は、サービス情報を復号して出力するよう、同じ最終的な量子鍵を使用して復号プロセスを行い、古典的なチャネルを通じて送信装置１１０１に情報を送信する。

具体的な実装例において、サービスは通常双方向であり、例えば、音声通話およびビデオ通話などのサービスである。双方向のサービスでは、各ノードは暗号化処理および復号処理を必要とし、それに対応して、各ノードはＱＫＤシステムを必要とする。図２ｂに示すように、本発明の一実施形態に適用可能なシステムアーキテクチャにおいて、ノードＡは、送信装置１２０１と受信装置１２０３とを備え、受信装置１２０３は元鍵復元装置１２０５を有する。ノードＢは、受信装置１２０２と送信装置１２０４とを備え、受信装置１２０２もまた、元鍵復元装置１２０６を有する。送信装置１２０１と受信装置１２０２とはペアであり、送信装置１２０４と受信装置１２０３とはペアである。このシステムアーキテクチャは、双方向システムアーキテクチャと称される。このシステムアーキテクチャにおいて、複数の情報伝送方式が実装されてよい。送信装置１２０１と受信装置１２０２とのペアが、説明のための例として使用される。例えば、ノードＡの送信装置１２０１は、量子光信号に元鍵を追加し、受信装置１２０２に量子光信号を送信する。受信装置１２０２の元鍵復元装置１２０６は、量子光信号から元鍵を復元する。これにより、送信装置１２０１および受信装置１２０２は、ネゴシエーションを通じて元鍵から最終的な量子鍵を決定する。

ノードＡの送信装置１２０１は、最終的な量子鍵を使用して、受信されたサービス情報に対して暗号化を行い、次に、ノードＢの受信装置１２０２に暗号化されたサービス情報を送信する。受信装置１２０２は、同じ最終的な量子鍵を使用することによって復号を行い、サービス情報を出力する。受信装置１２０２は、古典的なチャネルを通じて送信装置１２０１に情報を送信する。あるいは、受信装置１２０２は、送信装置１２０４および受信装置１２０３を使用することによって、送信装置１２０１に情報をフィードバックする。

本発明の実施形態は、ＱＫＤ技術に適用可能である。ＱＫＤ技術は、離散変数量子鍵配布（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、略してＤＶ−ＱＫＤ）と、連続変数量子鍵配布（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｂｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、略してＣＶ−ＱＫＤ）とを含む。ＣＶ−ＱＫＤは低温で動作する単一光子検出器を必要としないので、ＣＶ−ＱＫＤは、エンジニアリングにおいてより広く使用されている。ゆえに、本発明の実施形態では、ＣＶ−ＱＫＤ技術が適用されるのが好ましい。

本発明の実施形態において言及されるコヒーレント結合、光／電気変換、および増幅は全て、コヒーレント通信の専門用語である。本発明の実施形態において、コヒーレント通信の動作原理は具体的に次の通りである。送信装置が、伝送のために、外部変調方式で信号を光搬送波に乗せて変調する。送信装置からの伝送光信号が受信装置に伝送されたとき、受信装置は、受信された伝送光信号および局部発振器光信号に対してコヒーレント結合を行う。次に、平衡検出器が検出を行うか、あるいは、平衡受信機が検出のために使用される。コヒーレント通信は、局部発振器光信号の周波数と伝送光信号の周波数とが等しいかまたは等しくないかに基づいて、ヘテロダイン検出とホモダイン検出とに分類され得る。

上述のシステムアーキテクチャに基づいて、受信装置が量子光信号から元鍵をどのように復元するかという重要な問題について、次の可能な解決手段が提供される。

送信装置は、受信装置に伝送光信号を送信し、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。受信装置が伝送光信号を受信した後、受信装置は、局部発振器光信号を使用して、コヒーレント通信技術を通じて伝送光信号に対してコヒーレント結合および検出を行い、次に、コヒーレントに結合され、検出された光信号を、光／電気変換技術を通じて電気信号へと変換し、電気信号を増幅し、増幅された電気信号をアナログ／デジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、略してＡＤＣ）に入力して、電気信号における参照光信号に対応する部分から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、位相周波数情報に基づいて、電気信号における量子光信号に対応する部分から元鍵を復元する。

この解決手段において、伝送光信号の量子光信号から元鍵を復元するために、増幅された電気信号における量子光信号に対応する部分に対して高ビット幅のサンプリング量子化を行うために高精度のＡＤＣが使用される必要があることが発見された。具体的には、増幅された電気信号における量子光信号に対応する部分からＡＤＣが確実に元鍵を復元できるようにするために、増幅された電気信号における量子光信号に対応する部分の電気信号振幅が、ＡＤＣの事前設定された振幅範囲と確実に一致することが必要である。加えて、伝送光信号における参照光信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定するために、増幅された電気信号における参照光信号に対応する部分の電気信号振幅が、ＡＤＣの事前設定された振幅範囲と確実に一致することが必要である。

上述の解決手段において、電気信号へと変換されるべき光信号はＭ倍増幅され、Ｍはゼロより大きい数であることが分かる。この場合、変換された電気信号における量子光信号と参照光信号とに対応する部分は、両方ともＭ倍増幅される。ある場合では、増幅された電気信号における量子光信号の振幅が、ＡＤＣの事前設定された振幅範囲と確実に一致するよう、Ｍは比較的大きな数に設定される。この場合、光信号に含まれる参照光信号の光強度は、元々、量子光信号の光強度よりはるかに高い。ゆえに、増幅された電気信号における参照光信号に対応する部分は飽和状態にあり、参照光信号における位相周波数情報は失われることがある。その結果、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を参照光信号から決定することができない。別の場合では、増幅された電気信号における参照光信号の振幅が、ＡＤＣの事前設定された振幅範囲と確実に一致するよう、Ｍは比較的小さい数に設定される。この場合、光信号に含まれる参照光信号の光強度は、元々、量子光信号の光強度よりはるかに高い。ゆえに、増幅された電気信号における量子光信号は、極めて弱い信号である。その結果、元鍵を量子光信号から復元することができない。

上述の問題に対して、本発明の実施形態は、元鍵復元装置および方法を提供する。 伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行う。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。具体的には、第１のコヒーレントに結合された光信号と第２のコヒーレントに結合された光信号とは別々に増幅されてよい。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から、元鍵が復元される。本発明の実施形態において提供される方法は、上述の解決手段に存在する問題を解決できることが分かる。以下では、本発明の実施形態についてのより詳細な説明を提供する。

図３ａは、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。

上述のシステムアーキテクチャおよび関連する説明に基づいて、図３ａに示すように、本発明のこの実施形態において提供される元鍵復元装置は、コヒーレント結合ユニット３１０１と、コヒーレント結合ユニット３１０１に接続された参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３と、参照光平衡検出ユニット３１０２に接続された搬送波復元ユニット３１０４と、量子光平衡検出ユニット３１０３に接続された鍵復元ユニット３１０５とを備え、搬送波復元ユニット３１０４は鍵復元ユニット３１０５に接続される。

コヒーレント結合ユニット３１０１は、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行うよう構成され、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含む。伝送光信号は具体的に、送信装置によって受信装置に伝送される光信号である。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、搬送波復元ユニット３１０４に少なくとも１つの第１の電気信号を伝送するよう構成される。任意選択で、参照光平衡検出ユニット３１０２は、参照光平衡検出器を有してよく、または、参照光平衡検出受信機を有してよい。

量子光平衡検出ユニット３１０３は、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、鍵復元ユニット３１０５に少なくとも１つの第２の電気信号を伝送するよう構成される。任意選択で、量子光平衡検出ユニット３１０３は、量子光平衡検出器を有してよく、または、量子光平衡検出受信機を有してよい。

搬送波復元ユニット３１０４は、少なくとも１つの第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、鍵復元ユニット３１０５に位相周波数情報を送信するよう構成される。任意選択で、位相周波数情報は、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相差および周波数差などの情報を含んでよい。

鍵復元ユニット３１０５は、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元するよう構成される。

具体的には、本発明のこの実施形態において、受信された位相周波数情報に基づいて第２の電気信号から元鍵を復元するために鍵復元ユニット３１０５によって使用される動作原理は、次の通りである。検出を通じて、例えば参照光信号と局部発振器光信号との間の位相差といった位相周波数情報が取得され、次に、参照光信号と局部発振器光信号との間の位相周波数情報が局部発振器ユニットに送信され、これにより、局部発振器ユニットは、参照光信号と局部発振器光信号との間の位相周波数情報に基づいて、量子光信号と局部発振器光信号との間の推定位相周波数情報を推定する。次に、量子光信号と局部発振器光信号との間の推定位相周波数情報は、量子光信号に対してコヒーレント結合を行うために使用される局部発振器光信号に対して変調位相補償を行うために使用され、変調された局部発振器光信号と量子光信号とは、コヒーレント結合を行うために使用される。鍵復元ユニットはさらに、搬送波復元ユニットによってフィードバックされた位相周波数情報に準拠して補償を行い、コヒーレントに結合された量子光信号から元鍵を復元する。

本発明のこの実施形態において、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行う。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。

任意選択で、参照光平衡検出ユニットに含まれるトランスインピーダンス増幅器の増幅係数は、量子光平衡検出ユニットに含まれるトランスインピーダンス増幅器の増幅係数より小さい。

任意選択で、参照光平衡検出ユニットの帯域幅は、量子光平衡検出ユニットの帯域幅より高く、参照光平衡検出ユニットの利得は、量子光平衡検出ユニットの利得より低い。

本発明のこの実施形態において、第１のコヒーレントに結合された光信号と第２のコヒーレントに結合された光信号とは、別々に増幅されてよい。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から、元鍵が復元される。ゆえに、第１のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、参照光信号から位相周波数情報をより正確に復元することができ、第２のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、量子光信号から元鍵もより正確に復元することができる。

図３ｂは、本発明の一実施形態による別の元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図３ｂに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１と、コヒーレント結合ユニット３１０１に接続された参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３と、参照光平衡検出ユニット３１０２に接続された搬送波復元ユニット３１０４と、量子光平衡検出ユニット３１０３に接続された鍵復元ユニット３１０５とに加えて、元鍵復元装置はさらに、搬送波復元ユニット３１０４およびコヒーレント結合ユニット３１０１に接続された局部発振器ユニット３２０１を備える。ここで、局部発振器ユニットは、搬送波復元ユニットによって送信された位相周波数情報を受信し、受信された位相周波数情報に基づいて局部発振器光信号を生成し、コヒーレント結合ユニットに局部発振器光信号を送信するよう構成される。

任意選択で、局部発振器光信号は、伝送光信号における参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、伝送光信号における量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である。

図３ｃは、本発明の一実施形態によるさらに別の元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図３ｃに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１と、コヒーレント結合ユニット３１０１に接続された参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３と、参照光平衡検出ユニット３１０２に接続された搬送波復元ユニット３１０４と、量子光平衡検出ユニット３１０３に接続された鍵復元ユニット３１０５とに加えて、元鍵復元装置はさらに、コヒーレント結合ユニット３１０１に接続された偏光制御ユニット３３０１を備える。ここで、偏光制御ユニット３３０１は、伝送光信号を受信し、受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整し、コヒーレント結合ユニットに固定偏光状態の伝送光信号を送信するよう構成される。

具体的には、送信装置が、光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号は、まず、偏光制御ユニット３３０１に入り、偏光制御ユニット３３０１に入った伝送光信号の偏光状態はリアルタイムで変化する。この場合、伝送光信号の偏光状態は、偏光制御ユニット３３０１を使用することによってリアルタイムでトラッキングされ調整され得る。これにより、コヒーレント結合ユニット３１０１に出力された伝送光信号は、決定された偏光状態にあり、さらに、コヒーレント結合ユニット３１０１に出力された伝送光信号の偏光状態が局部発振器光信号の偏光状態と完全に同じであることが保証される。任意選択で、偏光制御ユニット３３０１は、動的な偏光制御器であってよい。

図３ｃは、本発明の一実施形態によるさらに別の元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図３ｃに示すように、図３ａに基づいて、可能な搬送波復元ユニットの内部構造の概略図と、可能な鍵復元ユニットの内部構造の概略図とが追加される。

図３ｃに示すように、搬送波復元ユニット３１０４は、参照光平衡検出ユニット３１０２に接続された第１のＡＤＣユニット３３０２と、第１のＡＤＣユニット３３０２に接続された第１の処理ユニット３３０３とを有する。

第１のＡＤＣユニット３３０２は、少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、第１の処理ユニット３３０３に参照信号サンプリング系列を送信するよう構成され、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１のＡＤＣユニット３３０２の第１の事前設定された振幅範囲内にある。

第１の処理ユニット３３０３は、受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、局部発振器光信号と参照光信号の間の位相周波数情報を決定し、鍵復元ユニット３１０５に位相周波数情報を送信するよう構成される。

図３ｃに示すように、鍵復元ユニット３１０５は、量子光平衡検出ユニット３１０３に接続された第２のＡＤＣユニット３３０４と、第２のＡＤＣユニット３３０４に接続された第２の処理ユニット３３０５とを有する。任意選択で、第１の処理ユニット３３０３は、第２の処理ユニット３３０５に接続される。

第２のＡＤＣユニット３３０４は、少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、第２の処理ユニット３３０５に量子信号サンプリング系列を送信するよう構成され、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲内にある。

第２の処理ユニット３３０５は、受信された量子信号サンプリング系列および受信された位相周波数情報に基づいて、元鍵を復元するよう構成される。

具体的な実装例において、第１のＡＤＣユニット３３０２は、１または複数のＡＤＣを含んでよく、第２のＡＤＣユニット３３０４は、１または複数のＡＤＣを含んでよい。第１のＡＤＣユニット３３０２の第１の事前設定された振幅範囲は、第１のＡＤＣユニット３３０２に含まれるＡＤＣがサンプリング量子化を行うことができる振幅範囲であり、第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲は、第２のＡＤＣユニット３３０４に含まれるＡＤＣがサンプリング量子化を行うことができる振幅範囲である。

本発明のこの実施形態において、送信装置によって送信された光信号は、１つの偏光状態に基づいて送信されてよく、または、複数の偏光状態を使用することによって送信されてよい。種々のケースについて、本発明のこの実施形態において元鍵復元装置が別々に説明される。

ケース１：伝送光信号は、１つの偏光状態に基づいて伝送される。

伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。図４ａは、本発明の一実施形態による伝送光信号の概略構造図の例を示す。図４ａに示すように、横軸は時間軸４１０１であり、縦軸は光強度４１０２である。任意選択で、量子光信号４１０３と参照光信号４１０４とは、時間と共に交互に送信される。任意選択で、複数の参照光信号４１０４が続けて送信された後に１つの量子光信号４１０３が送信されてよく、または、複数の量子光信号４１０３が続けて送信された後に１つの参照光信号４１０４が送信されてよい。本発明のこの実施形態において、時分割多重の参照光信号および量子光信号の具体的な形は限定されない。

伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送されるとき、コヒーレント結合ユニットは、複数の形態を有してよい。以下では、実施形態ａ１および実施形態ａ２という２つの任意選択的な実施形態を列挙する。

［実施形態ａ１］
任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号よび量子光信号を含み、コヒーレント結合ユニットは、第１の光分割ユニットと、第１の光分割ユニットに接続された第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットとを有し、第１の結合ユニットは、参照光平衡検出ユニットに接続され、第２の結合ユニットは、量子光平衡検出ユニットに接続される。

局部発振器ユニットは具体的に、局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第１の局部発振器光副信号をそれぞれ第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットに送信するよう構成される。

第１の光分割ユニットは、伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、伝送光信号に対して光分割処理を行い、２つの光学的に分割された光信号をそれぞれ第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットに入力するよう構成される。

第１の結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

第２の結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちのもう一方を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの他方に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

実施形態ａ１の元鍵復元装置の具体的な構造および動作原理をより明確に説明するべく、図４ｂは、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図４ｂに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、第１の光分割ユニット４２０６と、第１の光分割ユニット４２０６に接続された第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８とを有し、第１の結合ユニット４２０７は参照光平衡検出ユニット３１０２に接続され、第２の結合ユニット４２０８は量子光平衡検出ユニット３１０３に接続される。

具体的には、第１の光分割ユニット４２０６の入力端が偏光制御ユニット３３０１に接続され、第１の光分割ユニット４２０６の２つの出力端がそれぞれ第１の結合ユニット４２０７と第２の結合ユニット４２０８とに接続され、第１の結合ユニット４２０７の２つの入力端がそれぞれ第１の光分割ユニット４２０６と局部発振器ユニット３２０１の局部発振器光分割ユニット４２０５とに接続され、第２の結合ユニット４２０８の２つの入力端がそれぞれ第１の光分割ユニット４２０６と局部発振器ユニット３２０１の局部発振器光分割ユニット４２０５とに接続される。第１の結合ユニット４２０７の２つの出力端は、参照光平衡検出ユニット３１０２に別々に接続され、第２の結合ユニット４２０８の２つの出力端は、量子光平衡検出ユニット３１０３に別々に接続される。任意選択で、第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８はそれぞれ２：２結合器であってよく、第１の光分割ユニット４２０６は、光分割器であってよい。

図４ｂに示すように、局部発振器ユニット３２０１は、局部発振器レーザ４２０１と、局部発振器レーザ４２０１に接続されたパルス整形変調器４２０２と、パルス整形変調器４２０２に接続された位相変調器４２０４と、位相変調器４２０４およびパルス整形変調器４２０２の両方に接続された信号生成器４２０３とを有する。信号生成器４２０３は、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３に接続される。局部発振器ユニット３２０１はさらに、局部発振器光分割ユニット４２０５を有し、局部発振器光分割ユニット４２０５の一端は位相変調器４２０４に接続され、局部発振器光分割ユニット４２０５の他端はそれぞれ第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８に接続される。局部発振器光分割ユニット４２０５は、光分割器であってよい。

図４ｂに示す元鍵復元装置の概略構造図に基づいて、以下では元鍵復元装置のワークフローを詳細に説明する。

図４ｂに示すように、送信装置が、光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号はまず偏光制御ユニット３３０１に入る。偏光制御ユニット３３０１は、伝送光信号の偏光状態をリアルタイムでトラッキングし調整し、これにより、第１の光分割ユニット４２０６に出力された伝送光信号は、決定された偏光状態にあり、さらに、第１の光分割ユニット４２０６に出力された伝送光信号の偏光状態が局部発振器光信号の偏光状態と完全に同じであることが保証される。偏光制御ユニット３３０１は、第１の光分割ユニット４２０６の入力端に、偏光状態の固定された伝送光信号を入力する。

局部発振器レーザ４２０１は、パルス整形変調器４２０２に連続的な局部発振器光パルスを出力する。パルス整形変調器４２０２は、受信された連続的な局部発振器光パルスを変調し、位相変調器４２０４にパルス光を出力する。受信されたパルス光にさらなる位相変調を行った後、位相変調器４２０４は、局部発振器光分割ユニットに位相周波数情報を運ぶ局部発振器光信号を出力する。コヒーレント結合ユニットは、第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８を有し、第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８は別々にコヒーレント結合操作を行う必要がある。ゆえに、第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８は共に、局部発振器光信号を必要とする。このことに基づいて、局部発振器光分割ユニットは、受信された局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第１の局部発振器光副信号をそれぞれ第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８に送信する。

具体的には、局部発振器ユニット３２０１が１つの局部発振器光信号のみを出力すればよいとき、局部発振器ユニットは、局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４を使用することによってコヒーレント結合ユニット３１０１に１つの局部発振器光信号を直接出力してよい。局部発振器ユニット３２０１が複数の局部発振器光副信号を出力する必要がある場合、局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４は、局部発振器光分割ユニット４２０５に接続される必要があり、局部発振器光分割ユニット４２０５は、コヒーレント結合ユニット３１０１に接続される。この場合、局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４は、局部発振器光分割ユニット４２０５に局部発振器光信号を出力し、局部発振器光分割ユニット４２０５は、局部発振器光信号を複数の局部発振器光副信号へと分割し、コヒーレント結合ユニット３１０１に複数の分割された局部発振器光副信号を出力する。具体的には、局部発振器ユニット３２０１の局部発振器光分割ユニット４２０５は、コヒーレント結合ユニット３１０１の結合器に局部発振器光副信号を伝送する。

例えば、第１の光分割ユニット４２０６は、偏光制御ユニット３３０１によって入力された受信された伝送光信号を、伝送光信号において１０％を占める伝送光信号、および伝送光信号において９０％を占める伝送光信号へと分割し、局部発振器光分割ユニットはまた、位相変調器４２０４によって入力された受信された局部発振器光信号を、２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、ここで、一方の第１の局部発振器光副信号は、局部発振器光信号において１０％を占め、他方の第１の局部発振器光副信号は、局部発振器光信号において９０％を占める。任意選択で、局部発振器光分割ユニットの光分割比率は、代替的に、第１の光分割ユニット４２０６の光分割比率と異なっていてよい。本発明のこの実施形態において具体的な制限は課されない。

信号生成器４２０３は、パルス整形変調器４２０２に入力されるべき電気パルス信号と、位相変調器４２０４に入力されるべき位相変調信号とを生成するよう構成される。これにより、パルス整形変調器４２０２は、受信された電気パルス信号に基づいて、受信された連続的な局部発振器光パルスを変調し、位相変調器４２０４は、受信された位相変調信号に基づいて、受信されたパルス光に対して位相変調を行う。

任意選択で、偏光制御ユニット３３０１によって受信された伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含む。第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８が、伝送光信号に適合させるよう、２つの第１の局部発振器光副信号をそれぞれ使用するとき、２つの第１の局部発振器光副信号における各第１の局部発振器光副信号について、各第１の局部発振器光副信号は、伝送光信号における参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、伝送光信号における量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含む。言い換えれば、局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４によって出力された局部発振器光信号は、時分割多重の第１の局部発振器光信号および第２の局部発振器光信号を含む。

第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である。事前設定された固定位相値は、例えば０およびπ／２であってよい。第１の局部発振器光信号の位相が事前設定された固定位相値のうちの１つであることは具体的に、第１の局部発振器光信号の位相が全て、０またはπ／２であることを意味する。第２の局部発振器光信号の位相が事前設定された固定位相値のうちの無作為な値であることは具体的に、第２の局部発振器光信号の位相が、現時点では０であり、次の瞬間にはπ／２であるかまたは次の瞬間には再び０であることを意味する。

具体的に、第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、これにより、２：２結合器の入力端において偏光制御ユニット３３０１によって入力された光信号と、第１の局部発振器光信号との間で、例えば０またはπ／２といった固定差が維持される。第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値であり、これにより、２：２結合器の入力端において偏光制御ユニット３３０１によって入力された光信号と、第２の局部発振器光信号との間の位相差が、０およびπ／２のうちの無作為な数であり、０とπ／２とは、異なる測定基底に対応する。

さらに、理想的なケースでは、局部発振器ユニット３２０１によって出力される局部発振器光信号とコヒーレント結合ユニットによって受信される伝送光信号とは、同じ周波数および位相を有する。しかしながら、実際の動作システムでは、局部発振器ユニット３２０１と、伝送光信号を生成する送信装置とは、２つの位置に位置付けられ、局部発振器ユニット３２０１の出力周波数と送信装置の出力周波数とは別々に制御される。局部発振器ユニット３２０１の周波数と送信装置の周波数とが同一であることは保証され得ず、さらに、局部発振器ユニット３２０１の位相と送信装置の位相とが同一であることも保証され得ない。加えて、外部環境の温度変化が光ファイバの長さの変化を引き起こすことがあり、その結果、必然的にシステムの乱れが生じ、新しい位相差が生成される。コヒーレント結合ユニットの入力端において受信される局部発振器光信号と、偏光制御ユニット３３０１によって入力される伝送光信号との間の位相関係を保証するよう、局部発振器ユニット３２０１の信号生成器４２０３は、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３によって出力される、同期クロックパラメータと位相補償パラメータなどの位相周波数情報とを受信する必要があり、次に、信号生成器４２０３は、パルス整形変調器４２０２に入力される電気パルス信号と位相変調器４２０４に入力される位相変調信号とをリアルタイムで調整し、これにより、コヒーレント結合ユニットに入力される局部発振器光信号の位相周波数情報をリアルタイムで調整する。

第１の光分割ユニット４２０６は、伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、伝送光信号に対して光分割処理を行い、２つの光学的に分割された光信号をそれぞれ第１の結合ユニット４２０７および第２の結合ユニット４２０８に入力する。

任意選択で、量子光信号は極めて弱い光信号であり、伝送リンク全体における挿入損失値が量子光信号の伝送距離に深刻な影響を及ぼす。ゆえに、参照光信号に対して光／電気変換および増幅が行われた後、通常のサンプリングが保証され得ること、および正確な位相周波数情報が復元され得ることを前提として、量子光平衡検出ユニット３１０３に入力される光の強度比率はできる限り大幅に改善され得ることが好ましい。例えば、第１の光分割ユニット４２０６は、受信された伝送光信号を、伝送光信号において２０％を占める伝送光信号、および伝送光信号において８０％を占める伝送光信号へと分割し、２０％を占める伝送光信号を第１の結合ユニット４２０７に送信し、８０％を占める伝送光信号を第２の結合ユニット４２０８に送信する。

第１の結合ユニット４２０７は、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行う。

第２の結合ユニット４２０８は、他方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの他方に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

この場合、伝送光信号は１つの偏光状態に基づいて伝送され、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含むことが分かる。ゆえに、第１の結合ユニット４２０７によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、第２の結合ユニット４２０８によって出力されるコヒーレントに結合された光信号もまた、参照光信号および量子光信号を含む。この場合、第１の結合ユニット４２０７によって出力されるコヒーレントに結合された光信号が第１のコヒーレントに結合された光信号として使用される場合、第２の結合ユニット４２０８によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、第２のコヒーレントに結合された光信号として使用される。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、受信された第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。送信装置によって送信された光信号における参照光信号の光強度は、量子光信号の光強度よりはるかに高いので、通常、参照光平衡検出ユニット３１０２のトランスインピーダンス増幅器の増幅係数は、変換された電気信号に対して参照光平衡検出ユニット３１０２がトランスインピーダンス増幅を行った後、出力された第１の電気信号の振幅が第１のＡＤＣユニット３３０２の第１の事前設定された振幅範囲内にあることを保証するよう、比較的小さい値である。ゆえに、第１のＡＤＣユニット３３０２は、第１の電気信号に対してサンプリング量子化を正確に行う。この場合、対応する第１の電気信号における、参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１のＡＤＣユニット３３０２の第１の事前設定された振幅範囲内にある。しかしながら、対応する第１の電気信号における、量子光信号に対応する、電気信号振幅は非常に小さい、すなわち、第１のＡＤＣユニット３３０２は、サンプリング量子化を通じて第１の電気信号から元鍵を抽出することができない。

量子光平衡検出ユニット３１０３は、受信された第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。送信装置によって送信される光信号における参照光信号の光強度は、量子光信号の光強度よりはるかに高いので、通常、量子光平衡検出ユニット３１０３のトランスインピーダンス増幅器の増幅係数は、変換された電気信号に対して量子光平衡検出ユニット３１０３がトランスインピーダンス増幅を行った後、出力された第２の電気信号の振幅が第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲内にあることを保証するよう、比較的大きい値である。ゆえに、第２のＡＤＣユニット３３０４は、第２の電気信号に対してサンプリング量子化を正確に行う。この場合、対応する第２の電気信号における、量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲内にある。しかしながら、対応する第２の電気信号における、参照光信号に対応する、電気信号振幅は非常に大きく、トランスインピーダンス増幅器（Ｔｒａｎｓ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、略してＴＩＡ）の最大出力値によって制限され、既に飽和状態にある。すなわち、第２のＡＤＣユニット３３０４は、サンプリング量子化を通じて第２の電気信号から位相周波数情報を抽出することができない。

第１のＡＤＣユニット３３０２は、参照光平衡検出ユニット３１０２によって出力された第１の電気信号を受信し、受信された第１の電気信号に対してサンプリング量子化を行い、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３に参照信号サンプリング系列を出力する。搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３は、参照信号サンプリング系列から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する。任意選択で、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３は、参照信号サンプリング系列から、参照光信号のクロックサイクル情報等を決定する。

第２のＡＤＣユニット３３０４は、受信された第２の電気信号に対してサンプリング量子化を行い、鍵復元ユニット３１０５の第２の処理ユニット３３０５に量子信号サンプリング系列を出力する。鍵復元ユニット３１０５の第２の処理ユニット３３０５は、受信された位相周波数情報に基づいて量子信号サンプリング系列から元鍵を復元する。具体的な実装例において、鍵復元ユニット３１０５は、搬送波復元ユニット３１０４によって入力された位相周波数情報に基づいて、受信された量子信号サンプリング系列の計算および補償を行い、これにより、量子信号サンプリング系列から元鍵を復元する。任意選択で、本発明のこの実施形態において、参照光信号および量子光信号は、同じ結合器において互いに干渉し合わない。ゆえに、第１の結合器および第２の結合器によってそれぞれ出力された結合された光信号間には固定位相差が存在する。元鍵の復元中、固定位相差が考慮される必要がある。

［実施形態ａ２］
伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、コヒーレント結合ユニットは、第３の結合ユニットと、第３の結合ユニットに接続された第２の光分割ユニットおよび第３の光分割ユニットとを有し、第２の光分割ユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続され、第３の光分割ユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続される。

第３の結合ユニットは、局部発振器光信号を使用して、伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割し、２つの第１のコヒーレント光信号をそれぞれ第２の光分割ユニットおよび第３の光分割ユニットに入力するよう構成される。

第２の光分割ユニットは、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行うよう構成され、ここで、第１の比率と第２の比率との和は１である。

第３の光分割ユニットは、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行うよう構成される。

各々が各第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

実施形態ａ２の元鍵復元装置の具体的な構造および動作原理をより明確に説明するべく、図４ｃは、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図４ｃに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、第３の結合ユニット４３０１と、第３の結合ユニット４３０１に接続された第２の光分割ユニット４３０２および第３の光分割ユニット４３０３とを有し、第２の光分割ユニット４３０２は、参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３に接続され、第３の光分割ユニット４３０３は、参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３に接続される。

具体的には、第３の結合ユニット４３０１の２つの入力端がそれぞれ、偏光制御ユニット３３０１と局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４とに接続され、第３の結合ユニット４３０１の２つの出力端がそれぞれ、第２の光分割ユニット４３０２と第３の光分割ユニット４３０３とに接続される。第２の光分割ユニット４３０２の２つの出力端がそれぞれ、参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３に接続され、第３の光分割ユニット４３０３の２つの出力端がそれぞれ、参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３に接続される。任意選択で、第３の結合ユニット４３０１は２：２結合器であってよく、第２の光分割ユニット４３０２は光分割器であってよく、第３の光分割ユニット４３０３は光分割器であってよい。任意選択で、第２の光分割ユニット４３０２の光分割比率と第３の光分割ユニット４３０３の光分割比率とは同じである。

図４ｃに示すように、局部発振器ユニット３２０１は、局部発振器レーザ４２０１と、局部発振器レーザ４２０１に接続されたパルス整形変調器４２０２と、パルス整形変調器４２０２に接続された位相変調器４２０４と、位相変調器４２０４およびパルス整形変調器４２０２の両方に接続された信号生成器４２０３とを有する。信号生成器４２０３は、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３に接続される。

図４ｃに示す元鍵復元装置の概略構造図に基づいて、以下では元鍵復元装置のワークフローを詳細に説明する。

図４ｃに示すように、送信装置が光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号はまず偏光制御ユニット３３０１に入り、偏光制御ユニット３３０１は、第３の結合ユニット４３０１の入力端に、偏光状態の固定された伝送光信号を入力する。

図４ｂと比較して、図４ｃの局部発振器ユニット３２０１は、局部発振器光分割ユニット４２０５を有さない。図４ｂにおいて説明したように、局部発振器ユニット３２０１が１つの局部発振器光信号のみを出力すればよいとき、局部発振器ユニット３２０１において局部発振器光分割ユニット４２０５は必要ない。局部発振器ユニット３２０１の位相変調器４２０４は、コヒーレント結合ユニット３１０１の第３の結合ユニット４３０１に直接接続され得る。局部発振器ユニット３２０１の構成要素は、図４ｂで説明されており、ここで再び詳細は説明されない。

第３の結合ユニット４３０１は、２つの第１のコヒーレント光信号を取得するよう、受信された局部発振器光信号に基づいて、偏光制御ユニット３３０１によって入力された伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、２つの第１のコヒーレント光信号をそれぞれ第２の光分割ユニット４３０２および第３の光分割ユニット４３０３に入力する。任意選択で、第２の光分割ユニット４３０２の光分割比率と第３の光分割ユニット４３０３の光分割比率とは同じである。

例えば、第１の比率は１０％であり、第２の比率は９０％である。第２の光分割ユニット４３０２は、一方の受信された第１のコヒーレント光信号を、１０％を占める第１のコヒーレント光信号および９０％を占める第１のコヒーレント光信号へと分割する。第３の光分割ユニット４３０３は、受信された他方の第１のコヒーレント光信号を、１０％を占める第１のコヒーレント光信号および９０％を占める第１のコヒーレント光信号へと分割する。第２の光分割ユニット４３０２は、１０％を占める第１のコヒーレント光信号を参照光平衡検出ユニット３１０２に入力し、第３の光分割ユニット４３０３は、１０％を占める第１のコヒーレント光信号を参照光平衡検出ユニット３１０２に入力する。第２の光分割ユニット４３０２は、９０％を占める第１のコヒーレント光信号を量子光平衡検出ユニット３１０３に入力し、第３の光分割ユニット４３０３は、９０％を占める第１のコヒーレント光信号を量子光平衡検出ユニット３１０３に入力する。言い換えれば、各々が１０％を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、一方のコヒーレントに結合された光信号であり、各々が９０％を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、他方のコヒーレントに結合された光信号である。第１のコヒーレントに結合された光信号は、各々が１０％を占める２つの第１のコヒーレント光信号であってよく、第２のコヒーレントに結合された光信号は、各々が９０％を占める２つの第１のコヒーレント光信号であってよい。

本発明のこの実施形態において、第１の比率および第２の比率の具体的な値は限定されない。 任意選択で、量子光信号は極めて弱い光信号であり、伝送リンク全体における挿入損失値が量子光信号の伝送距離に深刻な影響を及ぼす。ゆえに、参照光信号に対して光／電気変換および増幅が行われた後、通常のサンプリングが保証され得ること、および正確な位相周波数情報が復元され得ることを前提として、量子光平衡検出ユニット３１０３に入力される光の強度比率はできる限り大幅に改善され得ることが好ましい。

さらに、伝送光信号は参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも量子光信号を含む。言い換えれば、参照光平衡検出ユニット３１０２に入る一方のコヒーレントに結合された光信号は、第１のコヒーレントに結合された光信号であり、量子光平衡検出ユニット３１０３に入る一方のコヒーレントに結合された光信号は、第２のコヒーレントに結合された光信号である。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、第２の光分割ユニット４３０２および第３の光分割ユニット４３０３によって出力された第１のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。量子光平衡検出ユニット３１０３は、第２の光分割ユニット４３０２および第３の光分割ユニット４３０３によって出力された第２のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。搬送波復元ユニット３１０４および鍵復元ユニット３１０５の具体的な処理手順については、上述の説明を参照されたい。

上述の内容は、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送されたときに元鍵復元装置によって使用されるいくつかの可能な構造の概略図を説明している。本発明のこの実施形態において、送信装置は、代替的に、複数の偏光状態を使用することによって伝送光信号を伝送してよい。詳細な説明が以下で提供される。

ケース２：伝送光信号は、Ｎ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎは１よりも大きい整数である。

任意選択で、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送されるとき、各偏光状態の上述の伝送された光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、参照光信号を含む初期光信号、または、量子光信号を含む初期光信号のうちの任意の１つであってよい。

例えば、送信装置は、２つの偏光状態に基づいて伝送光信号を送信し、各偏光状態において、時分割多重の参照光信号および量子光信号が含まれる。別の例では、送信装置は、２つの偏光状態に基づいて伝送光信号を送信し、一方の偏光状態に基づいて参照光信号を伝送し、他方の偏光状態に基づいて量子光信号を伝送する。別の例では、送信装置は２つの偏光状態に基づいて伝送光信号を送信し、一方の偏光状態に基づいて時分割多重の参照光信号および量子光信号を伝送し、他方の偏光状態に基づいて量子光信号を伝送する。任意選択で、送信装置は、代替的に、３つの偏光状態または４つの偏光状態等に基づいて伝送光信号を送信してよい。

図５ａは、本発明の一実施形態による伝送光信号の概略構造図の例を示す。図５ａに示すように、横軸は時間軸５１０１であり、縦軸は、偏光状態Ｘの光強度５１０２および偏光状態Ｙの光強度５１０５を含む。任意選択で、偏光状態Ｘに基づいて量子光信号５１０３が送信され、偏光状態Ｙに基づいて参照光信号５１０４が送信される。参照光信号と量子光信号とは時間的に互いに重なり合う。ゆえに、図５ａに示す参照光信号および量子光信号は偏光多重信号に属する。

さらに、参照光信号と量子光信号との間の分離を増大させ、参照光信号の量子光信号に対する干渉を低減するよう、参照光信号と量子光信号との間に特定の相対遅延が設定されてよい。図５ｂは、本発明の一実施形態によるさらに別の伝送光信号の概略構造図の例を示す。図５ｂに示すように、横軸は時間軸５２０１であり、縦軸は、偏光状態Ｘの光強度５２０２および偏光状態Ｙの光強度５２０５を含む。任意選択で、偏光状態Ｘに基づいて量子光信号５２０３が送信され、偏光状態Ｙに基づいて参照光信号５２０４が送信される。参照光信号と量子光信号とは、時間的に交互に配列される。言い換えれば、図５ｂにおいて、偏光状態Ｙの参照光信号および偏光状態Ｘの量子光信号は、偏光多重信号に属すのみならず、時分割多重信号にも属する。

図５ｃは、本発明の一実施形態によるまた別の伝送光信号の概略構造図の例を示す。図５ｃに示すように、横軸は時間軸５３０１であり、縦軸は、偏光状態Ｘの光強度５３０２および偏光状態Ｙの光強度５３０５を含む。任意選択で、偏光状態Ｘに基づいて量子光信号５３０３が送信され、偏光状態Ｙに基づいて時分割多重の参照光信号５３０４および量子光信号５３０３が送信される。図５ｃにおいて、偏光状態Ｘの量子光信号と、偏光状態Ｙの参照光信号および量子光信号とは共に、時間的に交互に配列されることが分かる。

本発明のこの実施形態において、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送されるとき、偏光状態に基づいて伝送された光信号は、時間的に重なり合ってよく、または、時間的に重なり合わなくてよい。このことは、本発明のこの実施形態において限定されない。

任意選択で、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、コヒーレント結合ユニットは、偏光光分割ユニットと、偏光光分割ユニットに接続されたコヒーレント結合サブユニットとを有し、コヒーレント結合サブユニットは、参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットに接続され、偏光光分割ユニットは、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行うよう構成され、ここで、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応し、コヒーレント結合サブユニットは、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいて、Ｎ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行うよう構成される。

図５ｄは、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。図５ｄに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、偏光光分割ユニット５４０１と、偏光光分割ユニット５４０１に接続されたコヒーレント結合サブユニット５４０２とを有し、コヒーレント結合サブユニット５４０２は、参照光平衡検出ユニット３１０２および量子光平衡検出ユニット３１０３に接続される。

任意選択で、偏光光分割ユニット５４０１は、偏光光分割器であってよい。任意選択で、Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、Ｎ個の初期光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、参照光信号を含む初期光信号、または量子光信号を含む初期光信号のうちの少なくとも何れか２つを有する。

任意選択で、Ｎ個の初期光信号の各々について、コヒーレント結合サブユニット５４０２は具体的に、参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、参照光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行うか、量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が含むとき、量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行うか、または、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が含むとき、２つのコヒーレントに結合された光信号であって、その各々が参照光信号および量子光信号を含む２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行うよう構成される。

時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、複数の具体的な実装例が存在する。以下では、次の実施形態ｂ１、実施形態ｂ２、および実施形態ｂ３を使用することによって、実装例を詳細に説明する。

［実施形態ｂ１］
伝送光信号はＮ個の偏光状態に基づいて送信され、各偏光状態において量子光信号または参照光信号のみが含まれる。この場合、偏光光分割ユニット５４０１は、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行うよう構成され、ここで、各初期光信号は、量子光信号または参照光信号のみを含む。

図５ｅは、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。２つの偏光状態に基づいて送信装置が受信装置に伝送光信号を送信する。伝送光信号の具体的な構造が、図５ｂに示されている。偏光状態Ｘに基づいて量子光信号が送信され、偏光状態Ｙに基づいて参照光信号が送信される。この場合、図５ｅに示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、偏光光分割ユニット５４０１と、偏光光分割ユニット５４０１に接続されたコヒーレント結合サブユニット５４０２とを有し、コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第４の結合ユニット５５０２と第５の結合ユニット５５０３とを含み、第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３はそれぞれ２：２結合器であってよい。第４の結合ユニット５５０２の２つの入力端はそれぞれ偏光光分割ユニット５４０１および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第４の結合ユニット５５０２の２つの出力端は、参照光平衡検出ユニット３１０２に別々に接続される。第５の結合ユニット５５０３の２つの入力端はそれぞれ偏光光分割ユニット５４０１および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第５の結合ユニット５５０３の２つの出力端は、量子光平衡検出ユニット３１０３に別々に接続される。

図５ｅに示すように、局部発振器ユニット３２０１の内部構造は、図４ｂに示す局部発振器ユニット３２０１の内部構造と同じである。詳細な内容については、上述の内容を参照されたい。局部発振器ユニット３２０１において、局部発振器光分割ユニット４２０５の一端は位相変調器４２０４に接続され、局部発振器光分割ユニット４２０５の他端はそれぞれ、第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３に接続される。

図５ｅに示す元鍵復元装置の概略構造図に基づいて、以下では、元鍵復元装置のワークフローを詳細に説明する。

図５ｅに示すように、送信装置は、光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号はまず偏光制御ユニット３３０１に入り、偏光制御ユニット３３０１は、偏光状態の固定された伝送光信号を偏光光分割ユニット５４０１に入力する。

伝送光信号は、Ｎ個の偏光状態に基づいて伝送され、偏光光分割ユニット５４０１は、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行い、ここで、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応する。

例えば、伝送光信号について、量子光信号が偏光状態Ｘに基づいて伝送され、参照光信号が偏光状態Ｙに基づいて伝送される場合、偏光光分割ユニット５４０１は、偏光状態Ｘに基づいて伝送された量子光信号を１つの出力ポートを通じて出力し、偏光状態Ｙに基づいて伝送された参照光信号の偏光状態を９０度回転させる、すなわち偏光状態Ｘまで回転させ、次に、別の出力ポートから出力する。

偏光光分割ユニット５４０１は、参照光信号を含む１つの初期光信号を第４の結合ユニット５５０２に入力し、量子光信号を含む１つの初期光信号を第５の結合ユニット５５０３に入力する。第４の結合ユニット５５０２の他方の入力端および第５の結合ユニット５５０３の他方の入力端はさらに、局部発振器ユニット３２０１によって入力された局部発振器光信号を受信する。

コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３を含み、第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３は別々にコヒーレント結合操作を行う必要がある。ゆえに、第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３は共に、局部発振器光信号を必要とする。このことに基づいて、局部発振器光分割ユニット４２０５は、受信された局部発振器光信号を２つの第３の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第３の局部発振器光副信号をそれぞれ第４の結合ユニット５５０２および第５の結合ユニット５５０３に送信する。

第４の結合ユニット５５０２は、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第３の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

第５の結合ユニット５５０３は、他方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第３の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行うよう構成される。

この場合、伝送光信号は２つの偏光状態に基づいて伝送され、各偏光状態に基づいて参照光信号または量子光信号のみが伝送され、第４の結合ユニット５５０２は、偏光状態Ｙに基づいて伝送された参照光信号を受信し、第５の結合ユニット５５０３は、偏光状態Ｘに基づいて伝送された量子光信号を受信することが分かる。ゆえに、第４の結合ユニット５５０２によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は参照光信号のみを含み、第５の結合ユニット５５０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、量子光信号のみを含む。この場合、第４の結合ユニット５５０２によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、第１のコヒーレントに結合された光信号として使用され、第５の結合ユニット５５０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は第２のコヒーレントに結合された光信号として使用される。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、第４の結合ユニット５５０２によって出力された第１のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。量子光平衡検出ユニット３１０３は、第５の結合ユニット５５０３によって出力された第２のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。搬送波復元ユニット３１０４および鍵復元ユニット３１０５の具体的な処理手順については、上述の説明を参照されたい。

［実施形態ｂ２］
伝送光信号はＮ個の偏光状態に基づいて送信され、偏光状態において、時分割多重の量子光信号および参照光信号が含まれる。この場合、偏光光分割ユニットは、伝送光信号を偏光光分割処理を通じてＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行うよう構成され、ここで、１つの初期光信号は、時分割多重の量子光信号および参照光信号を含む。

任意選択で、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、当該装置は具体的に、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割し、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行うよう構成され、ここで、第６の比率と第７の比率との和は１であり、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

実施形態ｂ２をより明確に説明するべく、以下では、図５ｆ−１および図５ｆ−２に関連して説明を提供する。図５ｆ−１および図５ｆ−２は、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。２つの偏光状態に基づいて送信装置が受信装置に伝送光信号を送信する。伝送光信号の具体的な構造が、図５ｃに示されている。量子光信号は、偏光状態Ｘに基づいて送信され、時分割多重の参照光信号および量子光信号は、偏光状態Ｙに基づいて送信される。この場合、図５ｆ−１および図５ｆ−２に示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、偏光光分割ユニット５４０１と、偏光光分割ユニット５４０１に接続されたコヒーレント結合サブユニット５４０２とを有し、コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第６の結合ユニット５６０３と第７の結合ユニット５６０２とを含み、第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２はそれぞれ２：２結合器であってよい。第６の結合ユニット５６０３の２つの入力端がそれぞれ偏光光分割ユニット５４０１および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第６の結合ユニット５６０３の２つの出力端が量子光平衡検出ユニット３１０３に別々に接続される。

具体的には、本発明のこの実施形態において、参照光平衡検出ユニット３１０２は、１または複数の参照光平衡検出器を有してよく、量子光平衡検出ユニット３１０３は、１または複数の量子光平衡検出器を有してよい。参照光平衡検出ユニット３１０２の各参照光平衡検出器は、一方の第１のコヒーレントに結合された光信号を対応して検出する。具体的には、参照光平衡検出ユニット３１０２の各参照光平衡検出器は、一方の第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。量子光平衡検出ユニット３１０３の各量子光平衡検出器は、一方の第２のコヒーレントに結合された光信号を対応して検出する。具体的には、量子光平衡検出ユニット３１０３の各量子光平衡検出器は、一方の第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。

図５ｆ−１および図５ｆ−２に示すように、量子光平衡検出ユニット３１０３は、第１の量子光平衡検出器５６０９と第２の量子光平衡検出器５６０８とを有する。次に、第６の結合ユニット５６０３の２つの出力端がそれぞれ、第１の量子光平衡検出器５６０９の２つの入力端に接続される。第７の結合ユニット５６０２の２つの入力端がそれぞれ、偏光光分割ユニット５４０１および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第７の結合ユニット５６０２の２つの出力端がそれぞれ、第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６に接続される。第４の光分割ユニット５６０５の２つの出力端がそれぞれ、参照光平衡検出ユニット３１０２および第２の量子光平衡検出器５６０８に接続され、第５の光分割ユニット５６０６の２つの出力端がそれぞれ、参照光平衡検出ユニット３１０２および第２の量子光平衡検出器５６０８に接続される。

さらに、参照光平衡検出ユニット３１０２に含まれる参照光平衡検出器の数は、第１のＡＤＣユニット３３０２に含まれるＡＤＣの数と同じである。言い換えれば、１つの参照光平衡検出器が第１のＡＤＣユニット３３０２の１つのＡＤＣに接続される。同様に、量子光平衡検出ユニット３１０３に含まれる量子光平衡検出器の数は、第２のＡＤＣユニット３３０４に含まれるＡＤＣの数と同じである。言い換えれば、１つの量子光平衡検出器が第２のＡＤＣユニット３３０４の１つのＡＤＣに接続される。

図５ｆ−１および図５ｆ−２に示すように、第１の量子光平衡検出器５６０９は、第２のＡＤＣユニット３３０４のＡＤＣ Ｉ ５６１１に接続され、第２の量子光平衡検出器５６０８は、第２のＡＤＣユニット３３０４のＡＤＣ ＩＩ ５６１２に接続される。参照光平衡検出ユニット３１０２は、第１のＡＤＣユニット３３０２のＡＤＣ ＩＩＩ ５６１３に接続される。ＡＤＣ Ｉ ５６１１およびＡＤＣ ＩＩ ５６１２は、鍵復元ユニット３１０５の第２の処理ユニット３３０５に接続され、第２の処理ユニット３３０５または第１の処理ユニット３３０３は１または複数の処理モジュールを含んでよく、１つのＡＤＣは１つの処理モジュールに対応する。例えば、ＡＤＣ Ｉ ５６１１は、第２の処理ユニット３３０５の処理モジュールＩ ５６１４に対応し、ＡＤＣ ＩＩ ５６１２は、第２の処理ユニット３３０５の処理モジュールＩＩ ５６１５に対応する。ＡＤＣ ＩＩＩ ５６１３は、搬送波復元ユニット３１０４の第１の処理ユニット３３０３に接続される。局部発振器光分割ユニット４２０５の一端が位相変調器４２０４に接続され、局部発振器光分割ユニット４２０５の他端がそれぞれ、第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２に接続される。

図５ｆ−１および図５ｆ−２に示す元鍵復元装置の概略構造図に基づいて、以下では、元鍵復元装置のワークフローを詳細に説明する。

図５ｆ−１および図５ｆ−２に示すように、送信装置は光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号はまず、偏光制御ユニット３３０１に入り、偏光制御ユニット３３０１は、偏光状態の固定された伝送光信号を偏光光分割ユニット５４０１に入力する。伝送光信号は、Ｎ個の偏光状態に基づいて伝送され、偏光光分割ユニット５４０１は、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力し、ここで、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応する。

偏光光分割ユニット５４０１は、量子光信号を含む１つの初期光信号を第６の結合ユニット５６０３に入力し、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む１つの初期光信号を第７の結合ユニット５６０２に入力する。第６の結合ユニット５６０３の他方の入力端および第７の結合ユニット５６０２の他方の入力端はさらに、局部発振器ユニット３２０１によって入力された局部発振器光信号を受信する。

図５ｆ−１および図５ｆ−２に示すように、局部発振器ユニット３２０１の内部構造は、図４ｂに示す局部発振器ユニット３２０１と同じである。詳細な内容については、上述の内容を参照されたい。コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２を含み、第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２は別々にコヒーレント結合操作を行う必要がある。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２は共に、局部発振器光信号を必要とする。このことに基づいて、局部発振器光分割ユニット４２０５は、受信された局部発振器光信号を２つの第４の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第４の局部発振器光副信号をそれぞれ第６の結合ユニット５６０３および第７の結合ユニット５６０２に入力する。

第６の結合ユニット５６０３は、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第４の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

第７の結合ユニット５６０２は、他方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された２つの第４の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。第７の結合ユニット５６０２は、２つの第２のコヒーレント光信号をそれぞれ第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６に送信する。

第４の光分割ユニット５６０５は、第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める第２のコヒーレント光信号と、第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第２のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行い、ここで、第６の比率と第７の比率との和は１である。

第５の光分割ユニット５６０６は、第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める第２のコヒーレント光信号と、第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第２のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行う。

各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

例えば、第６の比率は１０％であり、第７の比率は９０％である。第４の光分割ユニット５６０５は、受信された一方の第２のコヒーレント光信号を、１０％を占める第２のコヒーレント光信号および９０％を占める第２のコヒーレント光信号へと分割する。第５の光分割ユニット５６０６は、受信された他方の第２のコヒーレント光信号を、１０％を占める第２のコヒーレント光信号および９０％を占める第２のコヒーレント光信号へと分割する。第４の光分割ユニット５６０５は、１０％を占める第２のコヒーレント光信号を参照光平衡検出ユニット３１０２に入力し、第５の光分割ユニット５６０６は、１０％を占める第２のコヒーレント光信号を参照光平衡検出ユニット３１０２に入力する。第４の光分割ユニット５６０５は、９０％を占める第２のコヒーレント光信号を量子光平衡検出ユニット３１０３に入力し、第５の光分割ユニット５６０６は、９０％を占める第２のコヒーレント光信号を量子光平衡検出ユニット３１０３に入力する。言い換えれば、各々が１０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、一方のコヒーレントに結合された光信号であり、各々が９０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、他方のコヒーレントに結合された光信号である。第１のコヒーレントに結合された光信号は、各々が１０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号であってよく、第２のコヒーレントに結合された光信号は、各々が９０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号であってよい。

さらに、各々が１０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、一方のコヒーレントに結合された光信号であり、参照光平衡検出ユニット３１０２に入り、各々が９０％を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、一方のコヒーレントに結合された光信号であり、量子光平衡検出ユニット３１０３の第２の量子光平衡検出器５６０８に入る。

本発明のこの実施形態において、第６の比率および第７の比率の具体的な値は限定されない。 任意選択で、量子光信号は極めて弱い光信号であり、伝送リンク全体における挿入損失値が量子光信号の伝送距離に深刻な影響を及ぼす。ゆえに、参照光信号に対して光／電気変換および増幅が行われた後、通常のサンプリングが保証され得ること、および正確な位相周波数情報が復元され得ることを前提として、量子光平衡検出ユニット３１０３に入力される光の強度比率はできる限り大幅に改善され得ることが好ましい。

この場合、伝送光信号は２つの偏光状態に基づいて伝送され、第６の結合ユニット５６０３に入る光信号は量子光信号のみを含むことが分かる。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、量子光信号のみを含む。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、第２のコヒーレントに結合された光信号である。第７の結合ユニット５６０２に入る光信号は、時分割多重の量子光信号および参照光信号を含む。ゆえに、第７の結合ユニット５６０２によって出力される２つの第２のコヒーレント光信号の各々は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。次に、第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６による光分割処理を通じて、取得された２つのコヒーレントに結合された光信号の各々は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。この場合、第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６による光分割処理を通じて取得された２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方は、第１のコヒーレントに結合された光信号として使用され、他方は、第２のコヒーレントに結合された光信号として使用される。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６によって出力された第１のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。

量子光平衡検出ユニット３１０３は、第１の量子光平衡検出器５６０９と第２の量子光平衡検出器５６０８とを有する。

第１の量子光平衡検出器５６０９は、第６の結合ユニット５６０３によって出力された第２のコヒーレントに結合された光信号を受信し、出力された第２の電気信号の振幅が第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲内にあることを保証するよう、受信された第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。

第２の量子光平衡検出器５６０８は、第４の光分割ユニット５６０５および第５の光分割ユニット５６０６によって出力された第２のコヒーレントに結合された光信号を受信し、出力された第２の電気信号の振幅が第２のＡＤＣユニット３３０４の第２の事前設定された振幅範囲内にあることを保証するよう、受信された第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う。

第１のＡＤＣユニットのＡＤＣ ＩＩＩ ５６１３は、参照光平衡検出ユニットによって出力された第１の電気信号を受信し、受信された第１の電気信号に対してサンプリング量子化を行い、搬送波復元ユニットの第１の処理ユニット３３０３に参照信号サンプリング系列を出力する。これにより、第１の処理ユニット３３０３は、参照信号サンプリング系列から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する。

第２のＡＤＣユニット３３０４は、ＡＤＣ Ｉ ５６１１およびＡＤＣ ＩＩ ５６１２を含み、ＡＤＣ Ｉ ５６１１は第１の量子光平衡検出器５６０９に接続され、ＡＤＣ ＩＩ ５６１２は第２の量子光平衡検出器５６０８に接続される。

ＡＤＣ Ｉ ５６１１は、第１の量子光平衡検出器５６０９によって出力された第２の電気信号を受信し、受信された第２の電気信号に対してサンプリング量子化を行い、処理モジュールＩ ５６１４に量子信号サンプリング系列を出力する。

ＡＤＣ ＩＩ ５６１２は、第２の量子光平衡検出器５６０８によって出力された第２の電気信号を受信し、受信された第２の電気信号に対してサンプリング量子化を行い、処理モジュールＩＩ ５６１５に量子信号サンプリング系列を出力する。処理モジュールＩ ５６１４および処理モジュールＩＩ ５６１５は、受信された位相周波数情報に基づいて、量子信号サンプリング系列から元鍵を復元する。

［実施形態ｂ３］
任意選択で、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、局部発振器ユニットは具体的に、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、コヒーレント結合サブユニットに２つの第２の局部発振器光副信号を送信するよう構成され、コヒーレント結合サブユニットは具体的に、２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対して光分割処理を行い、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、受信された２つの第２の局部発振器光副信号を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号の各々に対してそれぞれコヒーレント結合を行うよう構成され、ここで、一方の局部発振器光信号は一方の光学的に分割された初期光信号に対応する。

実施形態ｂ３をより明確に説明するべく、以下では、図５ｇ−１および図５ｇ−２に関連して説明を提供する。図５ｇ−１および図５ｇ−２は、本発明の一実施形態による元鍵復元装置の概略構造図の例を示す。２つの偏光状態に基づいて送信装置が受信装置に伝送光信号を送信する。伝送光信号の具体的な構造が、図５ｃに示されている。量子光信号は、偏光状態Ｘに基づいて送信され、時分割多重の参照光信号および量子光信号は、偏光状態Ｙに基づいて送信される。図５ｇ−１および図５ｇ−２に示すように、コヒーレント結合ユニット３１０１は、偏光光分割ユニット５４０１と、偏光光分割ユニット５４０１に接続されたコヒーレント結合サブユニット５４０２とを有し、コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第６の結合ユニット５６０３と第６の光分割ユニット５７０２と第８の結合ユニット５７０３と第９の結合ユニット５７０４とを含み、第６の結合ユニット５６０３、第８の結合ユニット５７０３、および第９の結合ユニット５７０４はそれぞれ２：２結合器であってよい。第６の結合ユニット５６０３の２つの入力端がそれぞれ偏光光分割ユニット５４０１および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第６の結合ユニット５６０３の２つの出力端が量子光平衡検出ユニット３１０３に別々に接続される。

図５ｇ−１および図５ｇ−２に示すように、量子光平衡検出ユニット３１０３は、第１の量子光平衡検出器５６０９および第２の量子光平衡検出器５６０８を有する。さらに、第６の結合ユニット５６０３の２つの出力端はそれぞれ、第１の量子光平衡検出器５６０９の２つの入力端に接続される。第６の光分割ユニット５７０２の入力端が偏光光分割ユニット５４０１に接続され、第６の光分割ユニット５７０２の２つの出力端がそれぞれ、第８の結合ユニット５７０３および第９の結合ユニット５７０４に接続される。

第８の結合ユニット５７０３の２つの入力端はそれぞれ、第６の光分割ユニット５７０２および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第８の結合ユニット５７０３の２つの出力端は、参照光平衡検出ユニット３１０２に別々に接続される。第９の結合ユニット５７０４の２つの入力端はそれぞれ、第６の光分割ユニット５７０２および局部発振器ユニット３２０１に接続され、第９の結合ユニット５７０４の２つの出力端は、量子光平衡検出ユニット３１０３の第２の量子光平衡検出器５６０８に別々に接続される。

図５ｇ−１および図５ｇ−２に示すように、局部発振器ユニット３２０１の内部構造は、図４ｂに示す局部発振器ユニット３２０１の内部構造と同じである。詳細な内容については、上述の内容を参照されたい。局部発振器光分割ユニット４２０５の一端は、位相変調器４２０４に接続され、局部発振器光分割ユニット４２０５の他端はそれぞれ、第６の結合ユニット５６０３、第８の結合ユニット５７０３、および第９の結合ユニット５７０４に接続される。局部発振器光分割ユニット４２０５は、光分割器であってよい。

図５ｇ−１および図５ｇ−２に示す元鍵復元装置の概略構造図に基づいて、以下では、元鍵復元装置のワークフローを詳細に説明する。

図５ｇ−１および図５ｇ−２に示すように、送信装置は光ファイバを通じて元鍵復元装置に伝送光信号を伝送し、伝送光信号はまず、偏光制御ユニット３３０１に入り、偏光制御ユニット３３０１は、偏光状態の固定された伝送光信号を偏光光分割ユニット５４０１に入力する。伝送光信号は、Ｎ個の偏光状態に基づいて伝送され、偏光光分割ユニット５４０１は、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力する。

具体的に、偏光光分割ユニット５４０１は、量子光信号を含む１つの初期光信号を第６の結合ユニット５６０３に入力し、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む１つの初期光信号を第６の光分割ユニット５７０２に入力する。第６の光分割ユニット５７０２は、２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む受信された初期光信号に対して光分割処理を行い、２つの光学的に分割された初期光信号をそれぞれ第８の結合ユニット５７０３および第９の結合ユニットに出力する。第６の結合ユニット５６０３の他方の入力端と、第８の結合ユニット５７０３の他方の入力端と、第９の結合ユニットの他方の入力端とはさらに、局部発振器ユニット３２０１によって入力された局部発振器光信号を受信し、次に、第６の結合ユニット５６０３、第８の結合ユニット５７０３、または第９の結合ユニットのうちの任意の１つが、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、受信された一方の局部発振器光信号を使用して、受信された光学的に分割された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

この場合、局部発振器ユニット３２０１は、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、２つの第２の局部発振器光副信号をそれぞれ、第８の結合ユニット５７０３および第９の結合ユニットに送信する。

コヒーレント結合サブユニット５４０２は、第６の結合ユニット５６０３と第８の結合ユニット５７０３と第９の結合ユニット５７０４とを含み、第６の結合ユニット５６０３、第８の結合ユニット５７０３、および第９の結合ユニット５７０４はそれぞれ、コヒーレント結合操作を行う必要がある。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３、第８の結合ユニット５７０３、および第９の結合ユニット５７０４は全て、局部発振器光信号を必要とする。このことに基づいて、局部発振器光分割ユニット４２０５は、受信された局部発振器光信号を３つの信号へと分割する。

第６の結合ユニット５６０３は、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、１つの局部発振器光信号を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

第８の結合ユニット５７０３は、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、１つの局部発振器光信号を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

第９の結合ユニットは、一方のコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、１つの局部発振器光信号を使用して、受信された初期光信号に対してコヒーレント結合を行う。

この場合、伝送光信号は２つの偏光状態に基づいて伝送され、第６の結合ユニット５６０３に入る光信号は量子光信号のみを含むことが分かる。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、量子光信号のみを含む。ゆえに、第６の結合ユニット５６０３によって出力されるコヒーレントに結合された光信号は、第２のコヒーレントに結合された光信号である。第６の光分割ユニット５７０２に入る光信号は、時分割多重の量子光信号および参照光信号を含む。ゆえに、第６の光分割ユニット５７０２によって第８の結合ユニット５７０３および第９の結合ユニットに出力される光学的に分割された初期光信号はそれぞれ、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。次に、第８の結合ユニット５７０３および第９の結合ユニットによるコヒーレント結合処理を通じて、取得された２つのコヒーレントに結合された光信号の各々は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む。この場合、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方は、第１のコヒーレントに結合された光信号として使用され、他方は第２のコヒーレントに結合された光信号として使用される。

参照光平衡検出ユニット３１０２は、第８の結合ユニット５７０３によって出力された第１のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。量子光平衡検出ユニット３１０３は、第９の結合ユニット５７０４によって出力された第２のコヒーレントに結合された光信号を受信する。具体的な処理手順は上述されている。搬送波復元ユニット３１０４および鍵復元ユニット３１０５の具体的な処理手順については、上述の説明を参照されたい。

上述の内容から、本発明のこの実施形態において、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行うことが分かる。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。この解決手段は、送信装置および受信装置の２本の光ファイバ間の長さの差に対する厳密な等長制御を必要とせず、それにより、技術的困難性を低減することが分かる。

図６ａは、本発明の一実施形態による元鍵復元方法の概略フローチャートの例を示す。

同じ考えに基づいて、図６ａに示すように、本発明のこの実施形態において提供される元鍵復元方法は、以下の段階を備える。

段階６０１：少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階であって、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも量子光信号を含む、段階。

段階６０２：少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う段階。

段階６０３：少なくとも１つの第１の電気信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する段階。

任意選択で、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して行われる光／電気変換および増幅中に使用される増幅係数は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して行われる光／電気変換および増幅中に使用される増幅係数より小さい。

任意選択で、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の帯域幅は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の帯域幅より高く、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の利得は、少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行う平衡検出受信機の利得より低い。

本発明のこの実施形態において、第１のコヒーレントに結合された光信号と第２のコヒーレントに結合された光信号とは、別々に増幅されてよい。この場合、第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより小さな値に調整され、これにより、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が決定される。第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数はより大きい値に調整され、これにより、少なくとも１つの第２の電気信号から、元鍵が復元される。ゆえに、第１のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、参照光信号から位相周波数情報をより正確に復元することができ、第２のコヒーレントに結合された光信号に基づいて、量子光信号から元鍵もより正確に復元することができる。

任意選択で、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階の前に、当該方法は、位相周波数情報に基づいて局部発振器光信号を生成する段階をさらに備える。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、伝送光信号に対して光分割処理を行う段階と、局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、２つの第１の局部発振器光副信号を使用して、２つの光学的に分割された光信号に対してそれぞれコヒーレント結合を行う段階であって、一方の第１の局部発振器光副信号は、一方の光学的に分割された光信号に対応する、段階とを有する。

任意選択で、伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、局部発振器光信号を使用して、伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割する段階と、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行う段階であって、第１の比率と第２の比率との和は１である、段階と、第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行う段階とを有し、各々が各第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める２つの第１のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

任意選択で、伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階は、偏光光分割処理を通じて伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行う段階であって、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応する、段階と、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいてＮ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う段階とを有する。

任意選択で、Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、Ｎ個の初期光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、参照光信号を含む初期光信号、または、量子光信号を含む初期光信号のうちの少なくとも何れか２つを有する。

任意選択で、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、受信された局部発振器光信号に基づいてＮ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う段階は、参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、参照光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、または、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号をＮ個の初期光信号が有するとき、２つのコヒーレントに結合された光信号であって、その各々が参照光信号および量子光信号を含む２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階を含む。

任意選択で、２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階は、２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対して光分割処理を行う段階と、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、２つの第２の局部発振器光副信号を使用して、２つの光学的に分割された初期光信号の各々に対してそれぞれコヒーレント結合を行う段階であって、一方の局部発振器光信号は、一方の光学的に分割された初期光信号に対応する、段階とを含む。

任意選択で、２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階は、局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割する段階と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行う段階であって、第６の比率と第７の比率との和は１である、段階とを含み、各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号は、２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される。

任意選択で、少なくとも１つの第１の電気信号から局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する段階は、少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報を決定する段階とを有する。

任意選択で、受信された位相周波数情報に基づいて、少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する段階は、少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、受信された量子信号サンプリング系列および受信された位相周波数情報に基づいて元鍵を復元する段階とを有する。

任意選択で、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階の前に、当該方法は、伝送光信号を受信し、受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整する段階をさらに備える。

任意選択で、局部発振器光信号は、伝送光信号における参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、伝送光信号における量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、第２の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である。

上述の内容から、本発明のこの実施形態において、伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号を使用することによって伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合が行われ、次に、第１の電気信号および第２の電気信号を取得するよう、参照光信号を含む第１のコヒーレントに結合された光信号と量子光信号を含む第２のコヒーレントに結合された光信号とに対して別々に光／電気変換および増幅を行うことが分かる。次に、第１の電気信号から、局部発振器光信号と参照光信号との間の位相周波数情報が取得され、位相周波数情報に基づいて、第２の電気信号から元鍵が復元される。この解決手段は、送信装置および受信装置の２本の光ファイバ間の長さの差に対する厳密な等長制御を必要とせず、それにより、技術的困難性を低減することが分かる。

当業者であれば、本発明の実施形態が、方法またはコンピュータプログラム製品として提供されてよいことを理解すべきである。ゆえに、本発明は、ハードウェアのみの実施形態、ソフトウェアのみ実施形態、または、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによる実施形態の形式を使用してよい。加えて、本発明は、コンピュータが利用可能なプログラムコードを有する、（限定されないが、ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、および光メモリ等を含む）１または複数のコンピュータが利用可能な記憶媒体において実装されるコンピュータプログラム製品の形式を使用してよい。

本発明は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャートおよび／またはブロック図に関連して説明されている。コンピュータプログラム命令は、フローチャートおよび／またはブロック図の各プロセスおよび／または各ブロック、ならびにフローチャートおよび／またはブロック図のプロセスおよび／またはブロックの組み合わせを実装するために使用されてよいことを理解されたい。これらのコンピュータプログラム命令は、マシンを生成するよう、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、組み込みプロセッサ、または任意の他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供されてよく、これにより、コンピュータまたは別のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサによって実行される命令は、フローチャートの１または複数のプロセスにおける、および／またはブロック図の１または複数のブロックにおける特定された機能を実装するための装置を生成する。

特定の方式で作動するようコンピュータまたは別のプログラム可能なデータ処理装置に命令できるこれらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読メモリに記憶されてよい。これにより、コンピュータ可読メモリに記憶された命令は、命令装置を含むアーティファクトを生成する。命令装置は、フローチャートの１または複数のプロセスおよび／またはブロック図の１または複数のブロックにおける特定の機能を実装する。

これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは別のプログラム可能なデータ処理装置にロードされてよい。これにより、一連の操作および段階がコンピュータまたは別のプログラム可能な装置において行われ、それにより、コンピュータ実装処理を生成する。ゆえに、コンピュータまたは別のプログラム可能な装置において実行される命令は、フローチャートの１または複数のプロセスおよび／またはブロック図の１または複数のブロックにおける特定の機能を実装するための段階を提供する。

本発明のいくつかの好適な実施形態が説明されてきたが、一たび基本的な発明概念を習得すれば、当業者であれば、これらの実施形態に変更および修正を施すことができる。ゆえに、以下の特許請求の範囲は、好適な実施形態ならびに本発明の範囲内に含まれる全ての変更および修正を包含するものと解釈されることが意図されている。

当業者であれば、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な修正および変形を施すことができるのは明らかである。本発明は、これらの修正および変形が以下の特許請求の範囲およびそれらの均等技術によって定義される範囲内に含まれるならば、当該修正および変形を包含することが意図されている。

Claims (26)

1. コヒーレント結合ユニットと、前記コヒーレント結合ユニットに接続された参照光平衡検出ユニットおよび量子光平衡検出ユニットと、前記参照光平衡検出ユニットに接続された搬送波復元ユニットと、前記量子光平衡検出ユニットに接続された鍵復元ユニットとを備える元鍵復元装置であって、前記搬送波復元ユニットは、前記鍵復元ユニットに接続され、
   前記コヒーレント結合ユニットは、少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行い、前記伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも前記参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも前記量子光信号を含み、前記参照光信号の光強度は、前記量子光信号の光強度よりも高く、
   前記参照光平衡検出ユニットは、少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、前記少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、前記搬送波復元ユニットに前記少なくとも１つの第１の電気信号を伝送し、
   前記量子光平衡検出ユニットは、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、前記少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、前記鍵復元ユニットに前記少なくとも１つの第２の電気信号を伝送し、前記第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数は前記第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数よりも小さく、
   前記搬送波復元ユニットは、前記少なくとも１つの第１の電気信号から、前記局部発振器光信号と前記参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、前記鍵復元ユニットに前記位相周波数情報を送信し、
   前記鍵復元ユニットは、前記受信された位相周波数情報に基づいて、前記少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する、
   装置。
2. 前記搬送波復元ユニットおよび前記コヒーレント結合ユニットに接続された局部発振器ユニット
   をさらに備え、
   前記局部発振器ユニットは、
   前記搬送波復元ユニットによって送信された前記位相周波数情報を受信し、
   前記受信された位相周波数情報に基づいて前記局部発振器光信号を生成し、前記コヒーレント結合ユニットに前記局部発振器光信号を送信する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、前記伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、前記コヒーレント結合ユニットは、第１の光分割ユニットと、前記第１の光分割ユニットに接続された第１の結合ユニットおよび第２の結合ユニットとを有し、前記第１の結合ユニットは前記参照光平衡検出ユニットに接続され、前記第２の結合ユニットは、前記量子光平衡検出ユニットに接続され、
   前記局部発振器ユニットは、
   前記局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、前記２つの第１の局部発振器光副信号をそれぞれ前記第１の結合ユニットおよび前記第２の結合ユニットに送信し、
   前記第１の光分割ユニットは、前記伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、前記伝送光信号に対して光分割処理を行い、前記２つの光学的に分割された光信号をそれぞれ前記第１の結合ユニットおよび前記第２の結合ユニットに入力し、
   前記第１の結合ユニットは、前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方を取得するよう、前記受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、前記受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行い、
   前記第２の結合ユニットは、前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちのもう一方を取得するよう、前記受信された２つの第１の局部発振器光副信号のうちの他方を使用して、前記受信された２つの光学的に分割された光信号のうちの他方に対してコヒーレント結合を行う、
   請求項２に記載の装置。
4. 
   前記伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、前記伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、前記コヒーレント結合ユニットは、第３の結合ユニットと、前記第３の結合ユニットに接続された第２の光分割ユニットおよび第３の光分割ユニットとを有し、前記第２の光分割ユニットは、前記参照光平衡検出ユニットおよび前記量子光平衡検出ユニットに接続され、前記第３の光分割ユニットは、前記参照光平衡検出ユニットおよび前記量子光平衡検出ユニットに接続され、
   前記第３の結合ユニットは、前記局部発振器光信号を使用して、前記伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割し、前記２つの第１のコヒーレント光信号をそれぞれ前記第２の光分割ユニットおよび前記第３の光分割ユニットに入力し、
   前記第２の光分割ユニットは、前記第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、前記第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行い、前記第１の比率と前記第２の比率との和は１であり、
   前記第３の光分割ユニットは、前記第１のコヒーレント光信号において前記第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、前記第１のコヒーレント光信号において前記第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行い、
   各々が各第１のコヒーレント光信号において前記第１の比率を占める前記２つの第１のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において前記第２の比率を占める前記２つの第１のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される、
   請求項１または２に記載の装置。
5. 前記伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、
   前記コヒーレント結合ユニットは、偏光光分割ユニットと、前記偏光光分割ユニットに接続されたコヒーレント結合サブユニットとを有し、前記コヒーレント結合サブユニットは、前記参照光平衡検出ユニットおよび前記量子光平衡検出ユニットに接続され、
   前記偏光光分割ユニットは、偏光光分割処理を通じて前記伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行い、１つの初期光信号は１つの偏光状態に対応し、
   前記コヒーレント結合サブユニットは、少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、前記受信された局部発振器光信号に基づいて前記Ｎ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う、
   請求項２に記載の装置。
6. 前記Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、
   前記Ｎ個の初期光信号は、
   時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、前記参照光信号を含む初期光信号、または前記量子光信号を含む初期光信号、のうちの少なくとも何れか２つを有する、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記コヒーレント結合サブユニットは、
   前記参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、前記参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、前記参照光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行うか、
   前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、前記量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行うか、または、
   時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、２つのコヒーレントに結合された光信号であって、その各々が前記参照光信号および前記量子光信号を含む２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う、
   請求項６に記載の装置。
8. 時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、
   前記局部発振器ユニットは、
   前記局部発振器光信号において前記第５の比率を占める前記局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、前記コヒーレント結合サブユニットに前記２つの第２の局部発振器光副信号を送信し、
   前記コヒーレント結合サブユニットは、
   ２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対して光分割処理を行い、
   前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、前記受信された２つの第２の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、前記２つの光学的に分割された初期光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行い、前記受信された２つの第２の局部発振器光副信号のうちのもう一方を使用して、前記２つの光学的に分割された初期光信号のうちのもう一方に対してコヒーレント結合を行う、
   請求項７に記載の装置。
9. 時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、前記コヒーレント結合サブユニットは、
   前記局部発振器光信号において前記第５の比率を占める前記局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割し、
   各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行い、前記第６の比率と前記第７の比率との和は１であり、
   各々が各第２のコヒーレント光信号において前記第６の比率を占める前記２つの第２のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において前記第７の比率を占める前記２つの第２のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される、
   請求項７に記載の装置。
10. 前記搬送波復元ユニットは、前記参照光平衡検出ユニットに接続された第１のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）ユニットと、前記第１のＡＤＣユニットに接続された第１の処理ユニットとを有し、
    前記第１のＡＤＣユニットは、前記少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、前記少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、前記第１の処理ユニットに前記参照信号サンプリング系列を送信し、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる前記参照光信号に対応する、電気信号振幅は、前記第１のＡＤＣユニットの第１の事前設定された振幅範囲内にあり、
    前記第１の処理ユニットは、前記受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、前記局部発振器光信号と前記参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、前記鍵復元ユニットに前記位相周波数情報を送信する、
    請求項１から９の何れか一項に記載の装置。
11. 前記鍵復元ユニットは、前記量子光平衡検出ユニットに接続された第２のＡＤＣユニットと、前記第２のＡＤＣユニットに接続された第２の処理ユニットとを有し、
    前記第２のＡＤＣユニットは、前記少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、前記少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行い、前記第２の処理ユニットに前記量子信号サンプリング系列を送信し、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる前記量子光信号に対応する、電気信号振幅は、前記第２のＡＤＣユニットの第２の事前設定された振幅範囲内にあり、
    前記第２の処理ユニットは、前記受信された量子信号サンプリング系列および前記受信された位相周波数情報に基づいて、前記元鍵を復元する、
    請求項１から１０の何れか一項に記載の装置。
12. 前記コヒーレント結合ユニットに接続された偏光制御ユニットをさらに備え、前記偏光制御ユニットは、
    前記伝送光信号を受信し、前記受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整し、
    前記コヒーレント結合ユニットに前記固定偏光状態の前記伝送光信号を送信する、
    請求項１から１１の何れか一項に記載の装置。
13. 前記局部発振器光信号は、前記伝送光信号における前記参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、前記伝送光信号における前記量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、前記第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、前記第２の局部発振器光信号の位相は、前記事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である、
    請求項１から１２の何れか一項に記載の装置。
14. 元鍵復元方法であって、
    少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う段階であって、前記伝送光信号は、参照光信号および量子光信号を含み、前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号は、少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号と少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号とを有し、各第１のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも前記参照光信号を含み、各第２のコヒーレントに結合された光信号は少なくとも前記量子光信号を含み、前記参照光信号の光強度は、前記量子光信号の光強度よりも高い、段階と、
    少なくとも１つの第１の電気信号を取得するよう、前記少なくとも１つの第１のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、少なくとも１つの第２の電気信号を取得するよう、前記少なくとも１つの第２のコヒーレントに結合された光信号に対して光／電気変換および増幅を行い、前記第１のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数は前記第２のコヒーレントに結合された光信号に対応する増幅係数よりも小さい、段階と、
    前記少なくとも１つの第１の電気信号から、前記局部発振器光信号と前記参照光信号との間の位相周波数情報を決定し、前記受信された位相周波数情報に基づいて、前記少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する段階と
    を備える
    方法。
15. 少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う前記段階の前に、
    前記位相周波数情報に基づいて、前記局部発振器光信号を生成する段階
    をさらに備える
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、前記伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、
    少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う前記段階は、
    前記伝送光信号を受信し、２つの光学的に分割された光信号を取得するよう、前記伝送光信号に対して光分割処理を行う段階と、
    前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号を２つの第１の局部発振器光副信号へと分割し、前記２つの第１の局部発振器光副信号を使用して、前記２つの光学的に分割された光信号に対してそれぞれコヒーレント結合を行う段階であって、一方の第１の局部発振器光副信号は、一方の光学的に分割された光信号に対応する、段階と
    を有する、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記伝送光信号が１つの偏光状態に基づいて伝送される場合、前記伝送光信号は、時分割多重の参照光信号および量子光信号を含み、
    少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う前記段階は、
    前記局部発振器光信号を使用して、前記伝送光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第１のコヒーレント光信号へと分割する段階と、
    前記第１のコヒーレント光信号において第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、前記第１のコヒーレント光信号において第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの一方に対して光分割処理を行う段階であって、前記第１の比率と前記第２の比率との和は１である、段階と、
    前記第１のコヒーレント光信号において前記第１の比率を占める第１のコヒーレント光信号と、前記第１のコヒーレント光信号において前記第２の比率を占める第１のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記受信された２つの第１のコヒーレント光信号のうちの他方に対して光分割処理を行う段階と
    を有し、
    各々が各第１のコヒーレント光信号において前記第１の比率を占める前記２つの第１のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第１のコヒーレント光信号において前記第２の比率を占める前記２つの第１のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される、
    請求項１４または１５に記載の方法。
18. 前記伝送光信号がＮ個の偏光状態に基づいて伝送され、Ｎが１よりも大きい整数である場合、
    少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う前記段階は、
    偏光光分割処理を通じて前記伝送光信号をＮ個の光信号へと分割し、同じ偏光状態のＮ個の初期光信号を出力するよう、少なくとも（Ｎ−１）個の光信号に対して偏光回転を行う段階であって、１つの初期光信号は、１つの偏光状態に対応する段階と、
    少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、前記受信された局部発振器光信号に基づいて、前記Ｎ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う段階と、
    を有する、
    請求項１５に記載の方法。
19. 前記Ｎ個の初期光信号は、各々が時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む少なくとも２つの初期光信号を有するか、または、
    前記Ｎ個の初期光信号は、
    時分割多重の参照光信号および量子光信号を含む初期光信号、前記参照光信号を含む初期光信号、または前記量子光信号を含む初期光信号、のうちの少なくとも何れか２つを有する、
    請求項１８に記載の方法。
20. 少なくともＮ個のコヒーレントに結合された光信号を出力するよう、前記受信された局部発振器光信号に基づいて、前記Ｎ個の初期光信号の各々に対して少なくともコヒーレント結合を行う前記段階は、
    前記参照光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、前記参照光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第３の比率を占める局部発振器光信号を使用して、前記参照光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、または
    前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、前記量子光信号を含むコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第４の比率を占める局部発振器光信号を使用して、前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行う段階、または、
    時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む少なくとも１つの初期光信号を前記Ｎ個の初期光信号が有するとき、２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う段階であって、前記２つのコヒーレントに結合された光信号の各々は、前記参照光信号および前記量子光信号を含む、段階
    を含む、
    請求項１９に記載の方法。
21. ２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う前記段階は、
    ２つの光学的に分割された初期光信号を取得するよう、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対して光分割処理を行う段階と、
    前記局部発振器光信号において前記第５の比率を占める前記局部発振器光信号を２つの第２の局部発振器光副信号へと分割し、前記少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの２つを取得するよう、前記２つの第２の局部発振器光副信号のうちの一方を使用して、前記２つの光学的に分割された初期光信号のうちの一方に対してコヒーレント結合を行い、前記２つの第２の局部発振器光副信号のうちのもう一方を使用して、前記２つの光学的に分割された初期光信号のうちのもう一方に対してコヒーレント結合を行う段階と
    を含む、
    請求項２０に記載の方法。
22. ２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、前記局部発振器光信号において第５の比率を占める局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合および光分割処理を行う前記段階は、
    前記局部発振器光信号において前記第５の比率を占める前記局部発振器光信号を使用して、時分割多重の前記参照光信号および前記量子光信号を含む前記初期光信号に対してコヒーレント結合を行い、コヒーレントに結合された光信号を２つの第２のコヒーレント光信号へと分割する段階と、
    各々が各第２のコヒーレント光信号において第６の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号と、各々が各第２のコヒーレント光信号において第７の比率を占める２つの第２のコヒーレント光信号とを取得するよう、前記２つの第２のコヒーレント光信号の各々に対して光分割処理を行う段階であって、前記第６の比率と前記第７の比率との和は１である段階と
    を含み、
    各々が各第２のコヒーレント光信号において前記第６の比率を占める前記２つの第２のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの一方として使用され、各々が各第２のコヒーレント光信号において前記第７の比率を占める前記２つの第２のコヒーレント光信号は、前記２つのコヒーレントに結合された光信号のうちの他方として使用される、
    請求項２０に記載の方法。
23. 前記少なくとも１つの第１の電気信号から、前記局部発振器光信号と前記参照光信号との間の位相周波数情報を決定する前記段階は、
    前記少なくとも１つの第１の電気信号を受信し、参照信号サンプリング系列を取得するよう、前記少なくとも１つの第１の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第１の電気信号における、各第１のコヒーレントに結合された光信号に含まれる前記参照光信号に対応する、電気信号振幅は、第１の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、
    前記受信された参照信号サンプリング系列に基づいて、前記局部発振器光信号と前記参照光信号との間の 前記位相周波数情報を決定する段階と
    を有する、
    請求項１４から２２の何れか一項に記載の方法。
24. 前記受信された位相周波数情報に基づいて、前記少なくとも１つの第２の電気信号から元鍵を復元する前記段階は、
    前記少なくとも１つの第２の電気信号を受信し、量子信号サンプリング系列を取得するよう、前記少なくとも１つの第２の電気信号の各々に対してサンプリング量子化を行う段階であって、対応する第２の電気信号における、各第２のコヒーレントに結合された光信号に含まれる前記量子光信号に対応する、電気信号振幅は、第２の事前設定された振幅範囲内にある、段階と、
    前記受信された量子信号サンプリング系列および前記受信された位相周波数情報に基づいて、前記元鍵を復元する段階と
    を有する、
    請求項１４から２３の何れか一項に記載の方法。
25. 少なくとも２つのコヒーレントに結合された光信号を取得するよう、局部発振器光信号に基づいて、受信された伝送光信号に対して光分割処理およびコヒーレント結合を行う前記段階の前に、
    前記伝送光信号を受信し、前記受信された伝送光信号の偏光状態を固定偏光状態に調整する段階
    をさらに備える
    請求項１４から２４の何れか一項に記載の方法。
26. 前記局部発振器光信号は、前記伝送光信号における前記参照光信号に適合させるために使用される第１の局部発振器光信号と、前記伝送光信号における前記量子光信号に適合させるために使用される第２の局部発振器光信号とを含み、
    前記第１の局部発振器光信号の位相は、事前設定された固定位相値のうちの１つであり、前記第２の局部発振器光信号の位相は、前記事前設定された固定位相値のうちの無作為な値である、
    請求項１４から２５の何れか一項に記載の方法。