JP6732026B2 - 量子鍵配送システムにエントロピー源を追加するための装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、量子暗号の分野に関し、より詳細には、エントロピーの外部源を追加する可能性を提供することによって、量子鍵配布システムのセキュリティを強化する方法に関する。
量子暗号または量子鍵配送（ＱＫＤ）の主な目的は、限定された仮定のセットでプライバシーを証明できる一連のビットを送信機と受信機間で共有できることです。
量子暗号の一般原則は、ＢｅｎｎｅｔｔとＢｒａｓｓａｒｄによって、「量子暗号：公開鍵配送とコイントス」（コンピュータ、システム、および信号処理に関する国際会議会報、インド、バンガロール、１９８４年、ｐｐ１７５〜１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ ＹＯＲＫ、１９８４））に示されている。ＱＫＤ（量子鍵配送）は、単一光子または弱い（例えば、平均で０．１光子）光信号（パルス）のいずれかによって運ばれる量子状態を使用することによって、送信機（アリス）と受信機（ボブ）との間に鍵を確立することを含む。これらの量子状態は「キュビット」または「量子信号」と呼ばれ、「量子チャネル」を介して伝送される。生成された「キュビット」のこれらの状態およびそれらの分析に使用される基底はランダムに選択される。安全性が計算上の非現実性に依存する古典的な暗号法とは異なり、量子暗号の安全性は、量子力学の測定がその測定対象状態を変更するという量子力学原理に基づいている。その結果、交換されたキュビットを傍受または測定しようと試みる盗聴者（「イブ」）は、交換されたキュビットのこのリストの中に、盗聴者の存在を探知させ明らかにさせるエラーをもたらす。
具体的なＱＫＤシステムは、ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）の米国特許第５，３０７，４１０号（この特許は参照により本明細書に援用される）、およびＣ.H.ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）による "任意の２つの非直交状態を用いる量子暗号"、Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｒｅｖ．６８ ３１２１（１９９２）に示されている。量子暗号の基礎と方法、そして歴史的発展についての調査は、N. Gisin、G.Ribordy、W.Tittel、H.Zbinden、「Quantum Cryptography」、Ｍｏｄｅｒｎ.Ｐｈｙｓｉｃｓ.７４,１４５（２００２）の記事に記載されている。したがって、ＱＫＤは、２者が秘密鍵を安全に交換することを可能にし、情報理論の観点から安全性の原理が証明できる技術としてよく知られている。ＱＫＤ実装では、送信機と受信機は、キュビットが交換されるチャネルである量子チャネル（QC）と、送信機と受信機間のあらゆる古典的通信に使用されるサービスチャネル（SC）によってリンクされる。これらの古典的な通信の一部は、QCを通して交換されるキュビットのシーケンスの後処理で構成される。 この後処理ステップは、一般に鍵蒸留と称され秘密鍵を生成する。
先行技術に記載されたＱＫＤシステムの説明は、図１aを介して説明することができる。図１aはベネット（Bennett）の米国特許第５,３０７,４１０号およびタウンゼント（Townsend）の米国特許第５,９５３,４２１号に開示されたものに基づくＱＫＤシステムを有する従来技術の通信システムの概略図であり、参照により本明細書に援用される。この図において、示されている装置１００は、ＱＫＤ送信機またはＱＫＤ受信機とすることができる。ＱＫＤ装置１００は、乱数発生器（ＲＮＧ）１１０、クロック１２０、処理ユニット１３０、電子ドライバ１４０、光学プラットフォーム１５０、および電子読出しシステム１６０の少なくとも６つの機能ブロックに分解することができる。ＲＮＧ１１０は、ＱＫＤ装置におけるエントロピーの源である。エントロピーは、ここではその出力信号のランダムな要素として理解されなければならない。エントロピーは、ランダムビット値を必要とするすべての操作に対してランダムビットを生成してＱＫＤシステムに提供するために使用される。ＲＮＧ１１０は、任意の種類の乱数発生器、例えば、商業的な量子乱数発生器QUANTIS[http://www.idquantique.com/random-number-generation/quantis-random-number-generator/]で構成されるので、ＱＫＤ装置の周波数とは異なる周波数でビットを生成して提供することができる。
ＱＫＤ装置は、その動作周波数（例えば、キュビットの生成/検出の周波数）を定義するために明確に定義された基準となるクロックを必要とする同期システムである。クロック１２０は、装置１００の基準クロックとして使用される。クロック１２０は、周期的なデジタル信号を生成する任意の種類のシステム、例えば発振回路で実施することができる。処理ユニット１３０は、再構成可能またはプログラム可能である必要があるデジタルデータに対するすべての動作および処理を実行する。特に、これには、装置１００内の全ての構成要素の同期化のための異なる光学または電気構成要素を駆動するデジタル信号間の遅延の定義および生成、鍵の蒸留、送信機と受信機との間の古典的な通信、装置１００内の任意の信号の監視（例えば、いくつかの構成要素の温度の監視）、が含まれる。
この処理ユニット１３０は、ＲＮＧ１１０及びクロック１２０に接続されている。ＲＮＧ１１０は、ランダムビット列を処理ユニット１３０に送る。クロック１２０は、周期的なデジタル信号を処理ユニット１３０に送る。ＲＮＧ１１０およびクロック１２０によって送信されるデジタル信号は、ＲＮＧ１１０と処理ユニット１３０、及びクロック１２０と処理ユニット１３０を接続する銅線を伝搬する電子デジタル信号として実装することができる。処理ユニット１３０は、ＦＰＧＡまたはマイクロプロセッサで実装することができる。電子ドライバ１４０は、処理ユニット１３０によって生成された論理信号を、光プラットフォームの光学部品または電気部品を駆動することができるアナログ信号に変換する電子インターフェースである。電子ドライバ１４０は、処理ユニット１３０に接続され、この接続を介してデジタル信号を受信する。このデジタルデータは２つのタイプに分けることができる。第１のタイプ（D１）のデータは、ＲＮＧ１１０からのランダムビットを除いた受信する全てのデータに対する処理ユニットの応答である決定論的データである。第２のタイプ（D２）のデータは、ＲＮＧ１１０からのランダムビットに対する処理ユニットの応答であるランダムデータである。処理ユニット１３０によって送られるデジタル信号は、処理ユニット１３０と電子ドライバ１４０を接続する銅線を伝播する電子デジタル信号として実装することができる。
電子ドライバ１４０は、デジタル信号をアナログ信号に変換することができる任意の種類の電気部品、例えば、Ｄ/Ａコンバータ、パルス発生器、デジタル信号で設定された遅延発生器で実装することができる。光学プラットフォーム１５０は、すべての光学部品および関連する電気部品を備えたプラットフォームである。このプラットフォームは、両方の光信号の生成または検出に使用される。すなわち、キュビット及び古典的な通信によるものである。光学プラットフォーム１５０は、光学プラットフォーム１５０の構成要素を駆動するために使用されるアナログ信号を送信する電子ドライバ１４０に接続される。電子ドライバ１４０によって送られるアナログ信号は、電子ドライバ１４０と光学１５０プラットフォームを接続する銅線を伝播する電子アナログ信号として実装することができる。
光学プラットフォーム１５０は、量子チャネル１７０およびサービスチャネル１８０にも接続される。両方のチャネルは、光ファイバで作ることができる。光学プラットフォーム１５０は、能動光学部品（レーザ、アバランシェフォトダイオードまたは位相変調器など）、受動光学部品（ビームスプリッタ、ミラーまたは光ファイバなど）、および光学部品の適切な動作に必要な電子部品（レーザまたはフォトダイオード用のサーモクーラーおよびサーミスタなど）で構成される。読み出しシステム１６０は、光学プラットフォームによって生成されたアナログ信号を、処理ユニットによって処理され得るデジタル信号に変換する電子インターフェースである。読出システム１６０は、光学プラットフォーム１５０および処理ユニット１３０に接続される。読出システム１６０は、光学プラットフォーム１５０を構成する部品によって生成されたアナログ信号を受信する。これらのアナログ信号は、光学プラットフォーム１５０と読出システム１６０を接続する銅線を伝播する電子アナログ信号として実装することができる。アナログ信号は、デジタル信号に変換され、処理ユニット１３０に送られる。これらのデジタル信号は、読出システム１６０と処理ユニット１３０を接続する銅線を伝搬する電子デジタル信号として実装することができる。読出システム１６０は、アナログ信号を、例えば、アナログ/デジタル変換器、ディジタルパルス発生器に従う弁別装置などのデジタル信号に変換することができる任意の種類の電気部品で構成され得る。
米国特許第５，３０７，４１０号 米国特許第５，９５３，４２１号
（ＱＫＤ装置のＲＮＧに関連するセキュリティ問題）
ＱＫＤシステムの重要な構成要素の１つは、エントロピー源、すなわちＲＮＧ１１０である。実際、ＱＫＤプロトコルのセキュリティは、実装に際し使用されるエントロピー源が情報理論の観点から高品質のランダム性を示すとの仮定の基で証明される（すなわち、デジタルエントロピー源については、シャノンエントロピー値は１の値をとる）。したがって、典型的にＱＫＤに使用されるエントロピー源は、真乱数発生器（Ｔ−ＲＮＧ）である。物理学に基づく高品質な乱数生成のソリューションがある。例えば、１つの光子が光学ビームスプリッタによって反射されるか、または光ビームスプリッタを透過するかのいずれかの状態をとるという量子現象を利用して、高品質のランダムビットシーケンスを生成することができる。しかし、ＱＫＤシステムの内部ＲＮＧに障害が発生すると、ＱＫＤシステムのセキュリティレベル全体が大きく影響を受け、ＲＮＧ出力が一定である極端なケースではゼロにまで低下する可能性がある。ＲＮＧ内のエントロピーの減少には少なくとも２つの理由がある。
・内部エントロピーが装置の劣化や部品の障害により減少する
・ハッキングされた可能性がある
（先行技術におけるランダムビットの管理の説明）
図１ｂは、従来技術において実行されるようなＱＫＤ装置のランダムビットの管理方法を示している。同図では、この方法は、送信機と受信機の両方のＱＫＤ装置におけるランダムビットの管理を記述する。２つの第１ステップは、任意の順序で、並行してまたは順次に実行するようにしてよい。これらの２つの第１ステップのうちの１つはステップ３１０であり、そこで処理ユニット１３０はＲＮＧ１１０によって生成されたランダムビット列を取得する。これら２つのステップのうちの第２のステップは、ステップ３１１であり、処理ユニットは、クロック１２０によって送信された信号からクロック周波数を回復する。第２のステップ３２０において、処理ユニット１３０によって取得されたランダムビット列は、この処理ユニットの第１のメモリに格納される。第３のステップ３３０では、この第１のメモリが読み出され、ランダムビットの２つのデータ列を生成する。ステップ３１０，３２０および３３０の組み合わせにより、たとえＲＮＧ１１０および処理ユニット１３０が同期していなくても、ＱＫＤ装置が適切に動作することが可能となる。実際に、ランダムビット列の取得は、処理ユニット１３０内のバッファ（またはメモリ）の使用を介して実行されるので、このバッファは、ＲＮＧ１１０の速度で書き込まれ、処理ユニット１３０の動作速度で読み込まれる。第４のステップ３４０では、ランダムビットの１つのデータ列が電子ドライバ１４０に送られる。ランダムビットの列は、電子ドライバ１４０によって、どのキュビット値が生成されるかをランダムに選択するためか、または、キュビット値解析に使用される基底をランダムに選択するために使用される。並行して、第５のステップ３５０において、電子ドライバ１４０に送られたランダムビット列のコピーが、処理ユニット１３０の第２のメモリに格納される。これらの記憶されたランダムビットは、後で鍵蒸留のためにＱＫＤ装置で使用される。
この方法は、ビット列のランダム性が、電子ドライバ１４０によるビット列の使用よりかなり前段階の工程で生成されることを示している。ＲＮＧ１１０から電子ドライバ１４０へのランダムビットの経路の中途には、故障させる、またはハッキングされ、ＱＫＤ装置によって使用されるエントロピーを著しく減少させるいくつかの要素が存在する。ＱＫＤユーザーの懸念の１つは、内部ＲＮＧ１１０が故障した場合、ＱＫＤ装置からランダムビットが送信されないため、ＱＫＤユーザーはそれに気づくことができないということである。内部エントロピー源およびＱＫＤ装置（ＲＮＧ）内の内部エントロピー源の管理の信頼性または信頼水準を高めることが可能であるか否かを考慮するべきであることは、いずれのＱＫＤユーザーおよび/またはプロバイダーにとっても明らかである。
（エントロピー源とその管理の潜在的な故障やハックを軽減する方法）
エントロピーの故障を克服する可能性のあるアプローチは複数ある。大抵の場合に使用されるアプローチは、少なくとも２つの独立したＲＮＧの出力の混合によるものである。このアプローチの一例が、米国特許第７０２８０５９号に示されている。混合することによって、我々は、少なくとも２つの入力を有し、その値が全ての入力に依存する１つの出力をもたらす任意の操作を考慮する。２つのデジタル入力の混合の一例は、ＡＮＤ、ＯＲまたはＸＯRなどの論理演算です。この混合による出力は、少なくとも２つの第１ＲＮＧに基づく第２ＲＮＧの結果としてとらえることができる。これは、第２ＲＮＧの結果のランダム性の質を高めることができ、これにより、第１のエントロピー源の１つが故障しても、第２ＲＮＧのエントロピーへの影響は限定的であることが保証される。このエントロピーは、上記の混合が適切な方法（例えば、２つのシーケンス間のＸＯＲ論理演算、または他の適合された暗号プロセスを実行することによって２つのＲＮＧシーケンスを混合すること）で実行される場合には、全く影響を受けない可能性がある。したがって、第２ＲＮＧの故障の確率は、全ての第１ＲＮＧの故障の確率の積である。したがって、第１ＲＮＧ（またはエントロピー源）の数および故障の確率を適切に選択することで、第２ＲＮＧの故障の確率を、任意の値に低減し得る。ＱＫＤ装置におけるエントロピー源の故障の可能性を低減するために、２つ以上の第１ＲＮＧ、またはエントロピー源からなる第２ＲＮＧとしてＲＮＧ１００を実装することができる。
このアプローチは、盗聴者がＱＫＤの１つまたは複数の第１ＲＮＧをハッキングする場合のＱＫＤ装置のセキュリティを保証することができる。それにもかかわらず、ＱＫＤ装置の悪意のある供給者に対するセキュリティ、または全ての第１エントロピー源の故障またはハックに対するセキュリティを保証するものではない。従来技術のバリエーションとして考えられていたのは、ＱＫＤユーザーが外部エントロピー源をＱＫＤ装置に接続するようにし、この外部エントロピー源を第１エントロピー源として使用するようにすることである。この場合、盗聴者とＱＫＤ供給者は第１ＲＮＧの１つにアクセスできないため、第２ＲＮＧのエントロピーを減らすことはできない。
しかし、ＲＮＧ１１０を少なくとも１つの外部エントロピー源（または外部ＲＮＧ）に基づく第２ＲＮＧで置き換えると、この第２ＲＮＧのランダムビットの流れは依然として処理ユニット１３０に送られる。この場合、処理ユニット１３０がハッキングされ、または故障した場合、処理ユニット１３０はもはやランダムではないビット列を電子ドライバ１４０に送ることがあり得る。例えば、処理ユニット１３０は、ＲＮＧ１１０によって送られた値が何であれ、常に電子ドライバ１４０にビット値０を送るように再構成され得る。したがって、ＵＳ７０２８０５９で提案されたソリューションは、ＱＫＤ装置によって使用されるランダムビットの流れが真にランダムであることをＱＫＤユーザーに保証するのに充分でない。
別の選択肢は、外部エントロピー源に関連付けをすることである。この種のソリューションは、例えば文献ＵＳ２０１５／００５８８４１に開示されておりハイパーバイザ（処理ユニットとみなされ得る）を用いてエントロピーの外部源と同様に機能させるようになっている。このタイプのソリューションでも同様に、ＱＫＤ装置によって使用されるランダムビットの流れが真にランダムであることをＱＫＤユーザーに保証することは不可能である。
これを回避するために、可能なアプローチの１つは、第２ＲＮＧの出力を電子ドライバ１４０に直接送ることである。この場合、ランダムビットは、処理ユニット１３０を通過しない。したがって、ランダムビットは、ＱＫＤ内の再構成可能またはプログラム化可能な構成要素によって変更されることはない。それにもかかわらず、この場合の１つの潜在的な問題は、電子ドライバ１４０によるランダムビットの使用の適切な時間と第２ＲＮＧの出力の同期である。このタスクは通常は処理ユニットによって実行される。この問題を回避する１つの方法は、クロック信号を少なくとも２つの第１ＲＮＧ（内部ＲＮＧおよび少なくとも１つの外部ＲＮＧ）と共有することである。これは、ＱＫＤの供給者が、クロックにアクセスする手段をユーザーに提供する必要があることを意味する。これは考慮されていなかった非常に複雑なソリューションである。
（技術的な問題）
ＱＫＤユーザーは、内部ＱＫＤシステムＲＮＧによって生成されたビット値、またはキュビットの生成または分析に使用されるビット値にアクセスすることはできない。実際、ＱＫＤユーザーは、ＱＫＤ装置に埋め込まれたＲＮＧの適切な動作に関して、プロバイダーとそのサプライヤチェーン全体を信頼しなければならない。ＱＫＤ装置がテスト中の場合、顧客は埋め込まれたＲＮＧの出力のランダム性を容易に確認することができる。顧客はさらに、とり得る各ビット値に対してＱＫＤ装置が適切に動作することを確認することができる。しかしながら、ＱＫＤ装置が使用中であるために閉じられている際は、顧客は、ＲＮＧが依然として高品質のエントロピーを提供しているか否かを確認することができない。
この混合の結果を処理ユニットに送ることで、顧客に彼または彼女自身の外部エントロピー源を内部ＲＮＧと混合する機会を与えることができるが、しかし、この場合、再構成可能で再プログラム化可能な処理ユニットがハックされ得るため、プロバイダーは、キュビット生成または分析に用いられたビット値のランダム性を保証できない。したがって、第２ＲＮＧの出力を電子ドライバに直接送ることができるが、この場合、ランダム出力は、ＱＫＤ装置の動作に同期させる必要がある。
これは、外部ＲＮＧに送信される同期信号によって軽減される可能性がある。本発明の目的は、処理ユニットがハッキングされており、クロック信号をＱＫＤユーザーに供給しない場合であってもキュビットの生成及び分析に使用されるビットのエントロピーが少なくともユーザーＲＮＧのエントロピーと同程度であるように、ＱＫＤ装置において外部ＲＮＧの出力を導入することができるＱＫＤ装置を提供することである。
（非特許文献）
・C. H. Bennett and G. Brassard. "Quantumcryptography: Public key distribution and coin tossing".
In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems andSignal Processing, volume １７５, page ８. New York, １９８４.
・C. H. Bennett, １９９２,"Quantum Cryptography Using Any Two Non-Orthogonal States", Phys.Rev. Lett. ６８ ３１２１ ;
・N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, ２００２, "Quantum Cryptography", Reviews of Modern Physics. ７４, １４５.
・P. D., Townsend, １９９８,"Quantum cryptography on optical fiber networks", SPIE Conference on Photonic Quantum Computing II, SPIE vol. ３３８５, (Orlando, FL). (Apr. １９９８), １２ pgs;
・P. D., Townsend, １９９７,"Simultaneous quantum cryptographic key distribution and conventional datatransmission over installed fiber using transmission over installed fiber usingwavelength-division multiplexing", Electronics Letters, ３３(３), ２ pgs
本発明では、ＱＫＤの顧客が彼または彼女自身のＱＫＤ装置内にある再構成可能でプログラム化可能な処理ユニットから下流レベルで彼または彼女自身のエントロピーを導入することを可能にすることが提案されている。これは、埋め込まれたＲＮＧの出力を少なくとも１つの外部ＲＮＧと混合することを受け持つＱＫＤアプリケーションに適合したＲＮＧミキサを追加することによって達成される。このＲＮＧミキサは、プログラム化可能なロジック部の後ろに配置されているため、生成されるビット値への改変や侵入を防ぐ。埋め込まれたＲＮＧと外部のＲＮＧのエントロピーの作用であるＲＮＧミキサから生じるエントロピーは、混合の機能が正しく選択された場合、外部ＲＮＧのエントロピーよりも同等以上とすることができる。ＲＮＧミキサのＱＫＤアプリケーションへの適合は２つのステップで構成される。第１のステップでは、鍵蒸留のために、キュビットの生成または分析のために使用されるランダムビット値を処理ユニットに送る。第２のステップでは、このＲＮＧミキサの出力をＱＫＤ装置の同期動作に適合させる。第１のステップは、電子ドライバに送られたランダムビットをコピーし、このコピーを処理ユニットに送ることによって実行される。第２のステップは、ＱＫＤ装置のクロックをＲＮＧミキサに送り、コピーされたランダムビット列に対して処理ユニットによって行われたクロック回復動作によって処理ユニットを同期させることによって達成される。
本発明の第１の態様は、少なくとも１つの量子鍵を別の量子鍵配送装置と交換するための量子鍵配送装置であって、ランダムビット信号を生成するための乱数生成器と、デジタル信号をアナログ信号に変換するための電子ドライバと、量子チャネルを介して前記量子鍵を交換するための、前記電子ドライバからの信号を受信する光プラットフォームと、ＱＫＤ装置の動作を同期させるためのクロックと、を備え、前記量子鍵配送装置に接続された外部乱数生成器によって生成された外部ランダムビットを受信するのに適合する外部乱数生成器入力と、前記乱数発生器および前記外部乱数発生器入力からの出力を受け取り、前記出力の組合せに基づいてランダムビット信号を生成するＲＮＧミキサであって、処理ユニットの下流に配置されたＲＮＧミキサと、を有することを特徴とする量子鍵配送装置である。したがって、量子鍵配送装置のランダム性及びエントロピーを改善することができる。
好ましくは、前記ＲＮＧミキサは、ＲＮＧミキサの出力をＱＫＤ装置と同期させるサンプルホールド部と、前記ミキサの出力が、前記ミキサに入力された両方のＲＮＧからのランダムビット信号に依存するように、２つのランダムビット信号に論理関数を適用するための結合部と、を備える。したがって、ＲＮＧミキサは様々な信号を同期させ、組み合わせることができる。
好ましくは、前記論理関数は、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲまたはＡＥＳ暗号化関数である。したがって、ランダム性とも呼ばれるランダム特性はさらに優れている。
好ましくは、前記サンプルホールド部における処理は、前記結合部の処理前に実行される。したがって、ビット列は、結合されたときに既に同期化されている。
好ましくは、前記ＲＮＧは前記ＲＮＧミキサに直接接続される。したがって、工程を加速させることができる。
好ましくは、前記ＲＮＧは処理ユニットに接続され、前記処理ユニットは、前記ランダムビット信号を受信してメモリに格納し、前記ランダムビット信号を処理し、前記処理された信号を前記ＲＮＧミキサに送信する。したがって、ビット列がＲＮＧミキサに到達し、処理ユニットが既にその情報を知っているときに既に同期化されている。
好ましくは、前記ＲＮＧミキサは、結合されたランダムビット信号コピーを前記処理ユニットに送信するよう、情報チャネルを介して処理ユニットに接続される。したがって、シフティングおよび蒸留プロセスが容易に実行される。
好ましくは、前記クロックは、前記ＲＮＧミキサに接続され、前記情報チャネルは、前記処理ユニットに信号クロックを送信するようさらに適合される。したがって、処理ユニットとミキサは容易に同期される。
好ましくは、前記外部乱数生成器を含んで構成される。したがって、より使用が簡単である。
本発明の第２の態様は、上記第１の態様の量子鍵配送装置を管理する量子鍵配送装置の管理方法であって、前記ＲＮＧ内で第１のランダムビット信号を生成し、前記外部ＲＮＧ入力を介して第２のランダムビット信号を受信するステップと、クロック内でクロック信号を生成するステップと、前記第１のランダムビット信号と第２のランダムビット信号および前記クロック信号を前記ＲＮＧミキサに送るステップと、前記クロック信号によって同期化された混合ランダム信号を生成するよう前記第１のランダムビット信号と第２のランダムビット信号を混合するステップと、前記結合されたランダムビット信号を前記電子ドライバに送るステップと、結合された前記ランダムビット列のコピーを前記処理ユニットに送るステップと、前記情報チャネルを介した前記処理ユニットによる前記クロックを回復するステップと、を含むことを特徴とする量子鍵配送装置管理方法である。
好ましくは、前記ランダムビット信号の混合ステップは、外部ＲＮＧのランダムビットを前記ＱＫＤ装置の動作と適切に同期させるために、前記乱数の次のビット列をサンプルホールドするサンプルホールドステップと、外部ＲＮＧおよび内部ＲＮＧからのランダムビット列を、排他的ＯＲまたはＡＥＳ暗号化関数などの所定の結合関数で結合させるための結合ステップと、を含む。
好ましくは、前記クロック信号は、前記結合されたランダムビット列のコピーによって前記処理ユニットに送られる。したがって、シフティングおよび蒸留プロセスが容易に実行される。
好ましくは、前記第１のランダムビット信号は、前記処理ユニットを介して前記ＲＮＧミキサに送られる。したがって、ランダムビット信号は、予め同期されている。
本発明の好ましい実施形態を図面を参照して以下に説明するが、これは本発明の好ましい実施形態を限定するものではない。
従来技術における量子鍵配送装置（受信機または送信機）。 量子鍵配送システムにおけるランダムビットの管理に関連する従来技術の方法。 本発明に基づき内部ＲＮＧが処理ユニットに接続されている量子鍵配送システム。 本発明に基づき内部ＲＮＧがＲＮＧミキサに接続されている量子鍵配送システム。 本発明に係る装置を含み、内部ＲＮＧが処理ユニットに接続される量子鍵配送におけるランダムビット管理の方法。 本発明に係る装置を含み、内部ＲＮＧが処理ユニットに接続されない量子鍵配送におけるランダムビット管理の方法。
本発明の説明は、以下の図に基づいている。
図２ａは、当該機能ブロックに示す機能を有する本発明に係る装置を示している。本発明に係る装置は、ＱＫＤシステムのユーザーによって提供される外部エントロピー源（すなわち、ＲＮＧ）１２０の出力を内部ＲＮＧ１１０の出力と混合するように適合されたＱＫＤ装置２００からなる。この混合は、２つのランダム信号を混合し、ミキサ出力をＱＫＤ装置１００の他のすべての信号と同期させるように適合されたミキサ２１０内で、ランダムビットの流れに関してプログラム化可能な処理ユニット１３０の下流で実行される。これを得るために、本発明に係る装置は、従来技術のＱＫＤ装置の６つの機能ブロックに追加される２つの機能ブロック、即ち、ＲＮＧミキサ２１０、および外部ＲＮＧ２２０に接続されるように適合された外部ＲＮＧ入力を含む。外部ＲＮＧ入力は外部ＲＮＧ２２０とＲＮＧミキサ２１０との間のインターフェースである。
背景技術の段落で説明したように、従来のＱＫＤシステム装置は、内部のＲＮＧ１１０から出力されたランダムビット、クロック１２０によって生成されたクロック信号、および読出システム１６０の出力を利用して処理ユニット１３０を介して２つのビット列であるＤ１（決定論的）及びＤ２（ランダム）を生成する。Ｄ１及びＤ２は、ＱＣ１７０を介してキュビットを送信し、ＳＣ１８０を介して蒸留を実行する光学プラットフォーム１５０に、アナログ信号を制御し送信するために、電子ドライバ１４０によって利用される。
ここで開示された特定のシステムでは、適合は、ＱＫＤが動作している間に外部エントロピー源を追加され得るという事実に依存する。この追加は、プログラム化可能な電子機器がない水準で行われます。これは、ＱＫＤの顧客に、内部ＲＮＧによって生成されたランダムビットの管理に失敗リスクがないとの予防、保証を与えるために行われる。
したがって、以下１〜４が言える。
１．ランダムビット列管理の実装を、ＱＫＤシステムのプログラム化可能な処理装置の下流にて行うよう変更する必要がある。これは、この管理の失敗が分離した構成要素の障害またはハックによるものでしかないことを保証するために行われる。これらの構成要素は、一般にプログラム化可能な装置よりも信頼性が高く、安全である。
２．ＱＫＤユーザーがその出力が、生成されたキュビット値の選択またはキュビット解析に使用されるベースの選択に影響を与える外部ＲＮＧ２２０を接続可能とする必要がある。これは、ユーザーがその要件に対応した特定のエントロピー源を使用したい専用アプリケーションで必要となり得る。
３. ＲＮＧミキサ２１０は、処理ユニット１３０と電子ドライバ１４０（非プログラム化可能な構成要素で構成されている）との間に配置されている。このＲＮＧミキサ２１０の機能は、内部ＲＮＧ１１０からの出力ビットを外部ＲＮＧ２２０からの出力ビットと同期して組み合わせることである。
４. クロック装置１２０は、内部ＲＮＧ出力と外部ＲＮＧ出力との間の混合の結果生じるランダムビットの同期を保証するために、ＲＮＧミキサ２１０に接続される。
より正確には、ＲＮＧミキサ２１０は、ランダムビットの結合部２１２に関連するサンプルホールド部２１１に基づいている。
サンプルホールド部２１１は、ＲＮＧミキサ２１０の出力が電子ドライバ１４０によって使用され得るようにＲＮＧミキサ２１０の出力を同期させることを目的としている。これは、ＲＮＧミキサ２１０によって生成されたランダムビットが、処理ユニット１３０によって生成された全ての決定論的デジタル信号よりも適切な時に電子ドライバに到達すべきであることを意味する。さらに、これらのランダムビットの値は、少なくともキュビットを運ぶ光子の持続時間の間は一定のままであるべきである。例えば、ＱＫＤシステムが位相コーディングで実装される場合、キュビットは、光パルスに適用される十分に定義された位相値で定義される。これらの位相値は、少なくとも各光パルスの持続時間の間は一定のままでなければならない。それが、ＲＮＧミキサは、残りのＱＫＤ装置に対してＲＮＧミキサを適切に同期させるために、適切な時間にその出力をサンプリングし、所定の期間この値を一定に保つ機能を必要とする理由である。
一例として、この機能は、クロックによって定義された時間にデジタル入力信号をサンプリングし、同じクロックの期間によって定義される期間中にこのサンプリングされた値をホールドするサンプルホールドの構成要素で構成することができる。本発明では、ＲＮＧミキサのサンプルホールド部２１１は、ＲＮＧミキサ２１０の出力を、ＱＫＤ装置と同じ基準クロックに関して同期化された装置の他の信号に対して同期させるため、ＱＫＤ装置のクロックを使用する。サンプルホールド部２１１の同期は、クロック信号自身、または、このクロック信号の処理後に得られる信号（例えば、クロック１２０の周波数は、同期に使用される前に２で割ることができる）で行うことができる。ホールド時間は、例えば、ＲＣ回路の設計で定義された固定値にすることができる。結合部２１２は、結合器の出力が両方の入力に依存するように２つのランダムビット信号を混合する論理関数である。この関数は、AND、OR、またはXOR（排他的論理和）演算のような単純な論理演算でよい。これは、１つのビット列の暗号化、暗号鍵とする第２のビット列などの複雑な暗号化関数に基づくようにしてもよい。
ＲＮＧミキサ２１０の２つのサブ機能の順序に関して言えば、サンプルホールド部２１１とランダムビットの結合の順序を並べ替えることができる。内部ＲＮＧ１１０から来るランダムビットが処理ユニット１３０によって同期される点を考慮する必要がある。よって、非同期の可能性がある外部ＲＮＧからのランダム信号のみが同期される必要がある。したがって、サンプルホールド部２１１は、外部ＲＮＧ２２０用のＲＮＧミキサ２１０の入力地点に配置することができる。そして、外部ＲＮＧ２２０のサンプリングされ、ホールドされた信号は、内部ＲＮＧ１１０のランダムビット列と結合されることができる。２つの入力が同期されるので、結合部２１２の出力は、ＱＫＤ装置の動作のために適切に同期される。一方、結合部２１２を最初に置くことができる。この場合、結合部２１２の出力は、外部ＲＮＧ２２０と同様に非同期であってもよい。この出力がサンプルホールド部２１１を通過する場合、ＱＫＤ装置の動作に関して同期させることができる。したがって、サンプルホールド部２１１は、結合部２１２の前方または後方に置くことができる。ＲＮＧミキサ２１０の出力結果は、いずれの場合も同じである。
ＲＮＧミキサ２１０は、３つの入力、即ち第１に、処理ユニット１３０からのD２用のデジタル入力、第２に、クロック１２０から来るクロック信号用のデジタル入力、最後に、外部ＲＮＧ２２０によって提供されるランダムビット列のためのデジタル入力、を有している。クロック１２０は、外部ＲＮＧ２２０ＲＮＧの出力を処理ユニット１３０に結合（ミックス）した結果生じる同期されたランダムビットの周波数を規定する。この、ＲＮＧミキサ２１０によって受信されたデジタル信号は、ＲＮＧミキサ２１０からクロック１２０、処理ユニット１３０、または外部ＲＮＧ２２０に接続する銅線を伝播する電子デジタル信号として実装することができる。
ＲＮＧミキサ２１０には２つの出力がある。第１の出力は、内部ＲＮＧ１１０および外部ＲＮＧ２２０の結合から生じるランダムビットを電子ドライバ１４０に送る。そして、任意の通常のＱＫＤシステムのように、光学プラットフォーム１５０および電子読出システム１６０を介してランダムビットは利用される。ＲＮＧミキサ２１０からの第２の出力は、処理ユニット１３０に送られる。このチャネルは情報チャネルとも呼ばれ、ＲＮＧミキサ２１０と処理ユニット１３０との間のフィードバックループである。情報チャネルにより、ＲＮＧミキサ２１０が外部ビット列（外部ＲＮＧ２２０から来る）と内部ビット列（内部ＲＮＧ１１０から来る）との結合により生じるランダムビット列のコピーを処理装置１３０に送ることが可能となる。ＲＮＧミキサ２１０から得られたこのランダムビットのコピーは、生鍵のシフティングおよび他の蒸留操作を実行するために使用される。さらに、ＲＮＧミキサ２１０と処理ユニット１３０との間の接続は、クロックを処理ユニット１３０に送るために使用される。クロック転送は、クロック１２０によって送信されるものと同様のクロック信号を送信することによって、またはＲＮＧミキサ２１０から処理ユニット１３０に送信されるランダムビット列のクロック回復機能を使用することによって行うことができる。このようにして、処理ユニット１３０とＲＮＧミキサ２１０とは互いにに同期される。ＲＮＧミキサ２１０は、処理ユニット１３０のクロック基準である。
図２ｂは、図２ａに基づく、内部ＲＮＧ１１０が処理ユニット１３０に接続されていない場合の本発明に係る装置の機能ブロック図を表す。内部ＲＮＧ１１０はＲＮＧミキサ２１０に直接接続するようにしてもよい。
図３は、内部ＲＮＧ１１０が処理ユニット１３０に接続されている本発明を構成するＱＫＤシステム装置で使用されるランダムビットの管理方法４００を一般的に示した図である。
第１のステップ３１０において、内部ＲＮＧ１１０によって生成されたランダムビットは、処理ユニット１３０によって取得される。第２のステップ３２０において、このランダムデータビット列は、内部ＲＮＧ出力の周波数F１で処理装置１３０の第１のメモリに格納される。第３のステップ３３０において、この第１のメモリは、周波数F１とは異なる周波数F２で読み出される。このようにメモリの書き込みと読み出しの周波数が異なることにより、内部ＲＮＧ１１０のスループットをＱＫＤ装置２００の動作周波数に適合させることが可能となる。第４のステップ４１０において、内部ＲＮＧ１１０によって生成されたランダムビットは、ＲＮＧミキサ２１０に送られる。これらの第４のステップと並行して、ステップ４２０およびステップ４３０の２つのステップが実行される。ステップ４２０において、ユーザーは外部ＲＮＧ２２０をＲＮＧミキサ２１０に接続するようにしてもよい。ステップ４３０において、ＲＮＧミキサ２１０は、クロック１２０によって送信されたクロック信号を取得する。このクロックは、サンプルホールド部２１１の同期のために使用される。ステップ４４０において、内部ＲＮＧ１１０および外部ＲＮＧ２２０から来るランダムビット列が混合され、以下の２つのサブステップを経て動作するＱＫＤ装置に対して同期される
・ステップ４４１：ＱＫＤ装置２００の動作と外部ＲＮＧのランダムビットを適切に同期させる（サンプリング時間および定数が一定に保たれる期間）ために、ビット列の乱数をサンプリングおよびホールドする。
・ステップ４４２：外部ＲＮＧ２２０および内部ＲＮＧ１１０からのランダムビット列を、排他的ＯＲまたはＡＥＳ機能などの所定の結合機能で結合させる。
ステップ４４０に続いて、２つの一連のステップが並列に実行される。一方であるステップ３４０において、ＲＮＧミキサ２１０から来るランダムビット列は、電子ドライバ１４０に送られる。他方であるステップ３５０において、ＲＮＧミキサ２１０から得られ、電子ドライバ１４０に送られるランダムビット列のコピーは、蒸留のために処理ユニット１３０に送られる。続いて、ステップ３１１において、クロックは、ランダムビット列の取得中に処理ユニット１３０によって回復される。
図３ｂは、図２ｂで説明した本発明を含むＱＫＤシステム装置で使用されるランダムビットの管理方法５００の具体的な説明である。この場合、内部ＲＮＧ１１０は処理ユニット１３０に接続されていない。内部ＲＮＧ１１０が処理ユニット１３０に接続されていない場合として、内部ＲＮＧ１１０がＲＮＧミキサ２１０に直接接続されているケースを選択し得る。以下の段落は、この特定のセットアップに関連する管理方法５００を説明することを目的とする。この場合、前述の管理方法４００からの主な変更点は、ステップ３１０,３２０,３３０および４１０がステップ５１０に置き換えられている点である。ステップ５１０で、内部ＲＮＧの出力がＲＮＧミキサ２１０に送られる。このステップと並行して、ステップ４２０および４３０が実行される。ステップ４２０において、ユーザーは、外部エントロピー源（ＲＮＧ）２２０を内部ＲＮＧミキサ２１０に接続する。ステップ４３０において、ＲＮＧミキサ２１０はクロック１２０からクロック信号を回復する。次に、管理方法４００と同様に、ステップ４４０で２つのＲＮＧ信号が結合され、動作するＱＫＤ装置に関して同期される。ステップ４４０は、前述と同様に同じサブステップ４４１および４４２から構成される。管理方法４００と管理方法５００におけるステップ４４０の唯一の違いは、内部ＲＮＧがＱＫＤ装置に比べて非同期である可能性があるため、その出力を外部ＲＮＧの１つとして同期させる必要があることである。したがって、サンプルホールド部４１１が結合部４１２の前に来る場合、サンプルホールド部４１１は、外部ＲＮＧ２２０および内部１１０から来るランダムビット列に適用されなければならない。結合部４１２が最初に来る場合、サンプルホールド部４１１は、結合部４１２の結果に対して１回しか実行されない。ステップ４４０の後に、２つの一連のステップが管理方法４００と同様に並列に実行される。一方であるステップ３４０において、ＲＮＧミキサ２１０から来るランダムビット列は、電子ドライバ１４０に送られる。他方である、ステップ３５０において、ＲＮＧミキサ２１０から得られ、エレクトロニクスドライバ１４０に送られるランダムビット列のコピーは、ステップ３５０において蒸留のために処理ユニット１３０に送られる。続いて、ステップ３１１において、クロックは、ランダムビット列の取得中に処理ユニット１３０によって回復される。
１１０ ＲＮＧ（乱数発生器）
１２０ クロック
１３０ 処理ユニット
１５０ 光学プラットフォーム
１４０ 電子ドライバ
１６０ 読出システム
１７０ ＱＣ（量子チャネル）
１８０ ＳＣ（サービスチャネル）
２１０ ＲＮＧミキサ
２１１ サンプルホールド部
２１２ 結合部
２２０ 外部ＲＮＧ

Claims (13)

  1. 少なくとも１つの量子鍵を他の量子鍵配送装置と交換するための量子鍵配送装置（２００）であって、
    ランダムビット信号を生成するための乱数発生器（１１０）と、
    デジタル信号をアナログ信号に変換する電子ドライバ（１４０）と、
    量子チャネル（１７０）を介して前記量子鍵を交換するための、前記電子ドライバからの信号を受信する光プラットフォーム（１５０）と、
    ＱＫＤ装置の動作を同期させるためのクロック（１２０）と、を備え、
    前記量子鍵配送装置に接続された外部乱数発生器（２２０）によって生成された外部ランダムビットを受信するのに適合する外部乱数発生器入力と、
    前記乱数発生器および前記外部乱数発生器入力からの出力を受け取り、前記出力の組合せに基づいてランダムビット信号を生成するＲＮＧミキサ（２１０）であって、処理ユニット（１３０）の下流に配置されたＲＮＧミキサ（２１０）と、を有することを特徴とする量子鍵配送装置。
  2. 請求項１に記載の量子鍵配送装置において、
    前記ＲＮＧミキサは、
    ＲＮＧミキサ（２１０）の出力をＱＫＤ装置（２００）と同期させるサンプルホールド部（２１１）と、
    前記ミキサの出力が、前記ミキサに入力された両方のＲＮＧ（１１０，２２０）からのランダムビット信号に依存するように、２つのランダムビット信号に論理関数を適用するための結合部（２１２）と、を備えたことを特徴とする。
  3. 前記論理関数は、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲまたはＡＥＳ暗号化関数である、請求項２に記載の量子鍵配送装置。
  4. 前記サンプルホールド部における処理は、前記結合部の処理前に実行されることを特徴とする請求項２乃至請求項３に記載の量子鍵配送装置。
  5. 前記乱数発生器（１１０）は前記ＲＮＧミキサ（２１０）に直接接続されることを特徴とする請求項１に記載の量子鍵配送装置。
  6. 前記乱数発生器（１１０）は処理ユニット（１３０）に接続され、
    前記処理ユニットは、前記ランダムビット信号を受信してメモリに格納し、前記ランダムビット信号を処理し、前記処理された信号を前記ＲＮＧミキサ（２１０）に送信することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の量子鍵配送装置。
  7. 前記ＲＮＧミキサ（２１０）は、結合されたランダムビット信号コピーを前記処理ユニットに送信するよう、情報チャネルを介して処理ユニット（１３０）に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の量子鍵配送装置。
  8. 前記クロック（１２０）は、前記ＲＮＧミキサ（２１０）に接続され、前記情報チャネルは、前記処理ユニット（１３０）に信号クロックを送信するようさらに適合されることを特徴とする請求項７に記載の量子鍵配送装置。
  9. 前記外部乱数発生器を含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載の量子鍵配送装置。
  10. 内部ＲＮＧ（１１０）内で第１のランダムビット信号を生成し、外部ＲＮＧ（２２０）入力を介して第２のランダムビット信号を受信するステップと、
    クロック内でクロック信号を生成するステップと、
    前記第１のランダムビット信号と第２のランダムビット信号および前記クロック信号をＲＮＧミキサ（２１０）に送るステップと、
    前記クロック信号によって同期化された混合ランダム信号を生成するよう前記第１のランダムビット信号と第２のランダムビット信号を混合するステップと、
    結合されたランダムビット信号を電子ドライバに送るステップと、
    前記結合されたランダムビット信号のコピーを処理ユニットに送るステップと、
    情報チャネルを介した前記処理ユニットによる前記クロックを回復するステップと、を含むことを特徴とする量子鍵配送装置管理方法。
  11. 前記ランダムビット信号の混合ステップは、外部ＲＮＧ（２２０）のランダムビット信号をＱＫＤ装置の動作と適切に同期させるために、次のランダムビット信号をサンプルホールドするサンプルホールドステップと、外部ＲＮＧ（２２０）および内部ＲＮＧ（１１０）からのランダムビット信号を、排他的ＯＲまたはＡＥＳ暗号化関数などの所定の結合関数で結合させるための結合ステップと、を含むことを特徴とする請求項１０に記載の量子鍵配送装置管理方法。
  12. 前記クロック信号は、前記結合されたランダムビット信号のコピーによって前記処理ユニット（１３０）に送られることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の量子鍵配送装置管理方法。
  13. 前記第１のランダムビット信号は、前記処理ユニットを介して前記ＲＮＧミキサに送られることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２に記載の量子鍵配送装置管理方法。
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