JP6934528B2 - 量子暗号キー分配安定化装置 - Google Patents

Description

本発明の実施例は、量子暗号キー分配安定化装置及び方法に関する。

以下に記述する内容は、単に本発明に係る実施例に関連する背景情報のみを提供するに留まり、従来の技術を構成するものではない。

現在使われているほとんどの暗号体系は、大体、数学的複雑さに基づいており、可逆的であるため、いつかは、問題が解けるようになる。このような問題点を補完するための方案の一つが量子暗号（quantum cryptography）、より正確には、量子暗号キー分配（quantum key distribution）である。

既存にあったほとんどの暗号体系が大体は数学的複雑さに基づくことに比べ、量子暗号は、自然現象に基づいており、暗号に使用する使い捨て暗号キーを生成する理想的な方法のうちの一つである。途中盗聴者（Eve）が乱入した場合、その存在が明らかになり、信号が歪曲されて盗聴者も正確な情報を得ることができない保安性を有する。

このような特性を有する量子暗号を伝送部（Alice）と受信部（Bob）が共有できるようにするシステムが量子暗号キー分配システム（quantum key distribution systemと、 QKDS）である。

図１は、従来の量子暗号キー分配システムの概念図である。

量子暗号キー分配システムは、量子暗号キー分配伝送部１１０、量子暗号キー分配受信部１２０、量子チャンネル（quantum channel）１３２及び公開チャンネル（public or open channel）１３４を含む。

量子暗号キー分配システムの伝送部１１０は、単一光子（single photon）の位相（phase）または偏光（polarization）を制御する方式で単一光子に暗号化キー情報を載せて量子チャンネル１３２を介して伝送する。量子暗号キー分配システムの受信部１２０は、位相変調器（phase modulator）と干渉計（interferometer）または偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）などを利用して暗号化キー情報を抽出する。

量子暗号キー分配システムは、従来の光通信及び光学技術を利用して具現する。特に、位相変調方式の量子暗号キー分配システムは、通常、受信部に位置する位相変調装置と干渉計を介して伝送された信号を検出する。

量子暗号キー分配システムに含まれる干渉計の干渉性能は、温度や振動などの環境の変化に非常に敏感な特性を示し、このような環境の変化による有効光経路の長さ（effective optical path length）の変化は、量子暗号キー分配システムの全体性能に大きな影響を与える。

したがって、量子暗号キー分配システムの量子ビット誤り率、すなわち、ＱＢＥＲ（quantum bit error rate）を改善するために、干渉計のような光学系の温度変化等により発生する誤差を迅速かつ効率的に補償することができる方案が必要である。

また、偏光変調方式の量子暗号キー分配システムは、通常、受信部に位置した偏光ビームスプリッタを介して信号を検出する。しかし、伝送信号の偏光は、伝送媒体である光フ
ァイバ内での時間に応じて変化し続ける。したがって偏光ビームスプリッタを入力信号の偏光に整列する機能が必要である。このような整列の正確さは、量子暗号キー分配システムの量子ビット誤り率に影響を与える。したがって、光ファイバによって変化した信号光の偏光軸（polarization axis）と偏光ビームスプリッタの軸との間の誤差を迅速かつ効率的に補償できる方案が必要である。

本発明の実施例は、量子暗号キー分配システムの性能を向上させるために、干渉計の有効光経路の長さの変化及び偏光軸変化等により発生する誤差を迅速かつ効率的に補償することができる量子暗号キー分配安定化装置及び方法を提供することに主な目的がある。

本発明の一実施例は、受信機で検出された光子検出の複数の関連値のうち、暗号化キーの生成に使用されず、捨てられる複数の検出のカウント値を利用して、負帰還信号を生成する負帰還信号生成部と、前記負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する補正値算出部、及び、前記補正値を送信機または受信機に伝送し、前記送信機および／または受信機が位相または偏光に影響を与える変換因子を制御して位相または偏光を補正するようにする制御部と、を含むことを特徴とする量子暗号キー分配安定化装置を提供する。

本発明の一実施例は、受信機で検出された光子検出の複数の関連値のうち、暗号化キーの生成に使用されず、捨てられる複数の検出のカウント値を利用して負帰還信号を生成する負帰還信号生成ステップと、前記負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する補正値算出ステップ、及び、前記補正値を送信機または受信機に伝送し、前記送信機および／または受信機が位相または偏光に影響を与える変換因子を制御して位相または偏光を補正するように制御するステップと、を含むことを特徴とする量子暗号キー分配安定化方法を提供する。

本発明の一実施例によると、量子暗号キー分配システムに含まれる光学系の有効光経路の長さの変化等により発生する誤差を効率的に補償することができる効果がある。

本発明の一実施例の他側面によると、量子暗号キー分配システムで発生する誤差の最初の制御方向を知ることができ、最適な点から外れた程度を知ることができ、誤差を迅速に制御することができる効果がある。

本発明の一実施例のまた別の側面によると、従来の量子暗号キー分配システムをそのまま利用することができ、適用が簡単で、コストが低減するという効果がある。

従来の量子暗号キー分配システムの概念図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の概念図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用されたマイケルソン（Michelson）位相変調量子暗号キー分配送受信機の例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用されたマッハ・ツェンダー（Mach−Zehnder）位相変調量子暗号キー分配送受信機の例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するための一例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するための他の例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するためのもう一つの例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が受信機の信号処理部に含まれる場合を示す一例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が生成する温度変化による負帰還エラー信号と、量子ビット誤り率（QBER）の値を示したグラフである。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用された偏光変調ベースの量子暗号キー分配システムの動作を説明するための一例示図である。 本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用された偏光変調ベースの量子暗号キー分配システムの動作を説明するための他の例示図である。

以下、本発明の実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素については、たとえ他の図面上に表示されても、可能な限り同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の実施例を説明するにあたって、関連する公知の構成または機能についての具体的な説明が本発明の実施例の要旨を曖昧にし得ると判断する場合には、その詳細な説明を省く。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施例に係る量子暗号通信システムの安定化装置及び方法を説明すると次の通りである。

図２は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の概念図である。

量子暗号キー分配安定化装置２００は、量子暗号キー分配のための送信機１１０及び受信機１２０とつながれてデータ通信を行う。以下、別途言及がなければ、送信機及び受信機のそれぞれは、量子暗号キー分配のための送信機及び受信機を意味する。

図２は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が受信機に位置する場合を示す。

送信機１１０は、送信光学系（optical system）２１０と送信信号処理部２２０を含む。送信光学系２１０は、単一光子（single photon）を生成し、生成された単一光子の情報を載せるために変調（modulation）を行う。

送信信号処理部２２０は、受信機１２０と公開チャンネル２６０を介してつながれ、データ通信を実行し、受信信号処理部２４０につながれた量子暗号キー分配安定化装置２００の駆動のための情報を提供する。送信信号処理部２２０は、量子暗号キー分配のための情報を生成し、生成された情報を保存する。量子暗号キー分配のための情報は、ビット情報及び基底情報を含む。送信信号処理部２２０は、量子暗号キー分配のための情報を送信光学系２１０に伝送し、量子暗号キー分配安定化装置２００及び受信機１２０と量子暗号キー分配のための情報を共有する。

送信信号処理部２２０が受信機１２０で送受信する情報は、盗聴され得ることから、送信信号処理部２２０は、公開チャンネル２６０を介して暗号キー情報を交換しない。量子暗号キー分配安定化装置２００は、送信信号処理部２２０から受信したデータに基づき、送信光学系２１０に含まれた構成要素を一時的に制御し、量子ビット誤り率（QBER）を迅
速かつ効率的に改善するようにする。

受信機１２０は、受信光学系２３０、受信信号処理部２４０及び量子暗号キー分配安定化装置２００を含む。受信機１２０は、送信機１１０から伝送された単一光子を受信して暗号化キーを抽出する。量子暗号キー分配安定化装置２００は、受信信号処理部２４０から受信したデータに基づいて受信光学系２３０に含まれた構成要素を一時的に制御する。

本発明の一実施例に係る送信機１１０及び受信機１２０は、ＢＢ８４（Bennet Brassard ８４）プロトコルに従う。ＢＢ８４プロトコルは、二つの基底（basis）情報とビット（bit）情報を組み合わせることで具現する。このとき、ビット情報は、互いに直交する二つの状態を利用して表現する。これにより、送信光学系２１０は、ビット情報と基底情報を制御するために二つの変調器を含む。例えば、送信光学系２１０の第１の変調器（図示せず）はビット情報を変調し、第２の変調器（図示せず）は、基底情報を変調する。またはその逆にも設定することができる。

送信光学系２１０で変調された単一光子は、変調されたビット情報と基底情報を含む。送信光学系２１０で変調された単一光子は、量子チャンネル２５０を介して受信機１２０に伝送される。

受信機１２０は、送信機１１０から伝送された単一光子を受信し、暗号化キーを抽出する。量子暗号キー分配安定化装置２００は、受信信号処理部２４０から受信したデータに基づき、受信光学系２３０に含まれる構成要素を一時的に制御することができる。

図２の量子暗号キー分配安定化装置２００は、受信機１２０に位置しているが、送信機１１０に配置してもよく、それとは別の独立した装置としても具現が可能である。

図３は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用されたマイケルソン（Michelson）位相変調量子暗号キー分配送受信機の例示図である。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置３００は、送信機３１０及び受信機３５０と直接または間接的につながれてデータ通信を行う。

送信機３１０は、送信光学系３２０と送信信号処理部３３０を含む。送信光学系３２０は単一光子を生成し、生成された単一光子に情報を載せるために位相変調（phase modulation）を行う。

送信光学系３２０は、光源３２２、送信干渉計３２４、及び送信位相変調部３２６を含む。本発明の一実施例に係る送信光学系３２０は、送信干渉計３２４と送信位相変調部３２６が分離した構造を有するが、送信干渉計３２４と送信位相変調部３２６が統合された構造を有してもよい。

放出する光が単一モード（single mode）であり、狭い線幅（narrow linewidth）及び安定した偏光（polarization）特性を有するレーザー（laser）が光源３２２として適している。

光源３２２は、ＤＦＢ（distributed feedback）、ＶＣＳＥＬ（vertical−surface emitting laser）、ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）レーザーなどのような半導体レーザー（semiconductor laser）や固体レーザー、ガスレーザーなどのレーザーを含む。

光源３２２は、単一光子を発生させるために、前述したレーザーに、さらに光減衰器（optical attenuator、図示せず）または光変調器（optical modulator、図示せず）などを追加することで形成することができる。また、光減衰器は、光源３２２と分離されて送信機３１０の光経路上のどこにでも位置して量子チャンネル３４２に伝送する光信号を減衰することができる。

送信干渉計３２４は、光源３２２から受信した光子を少なくとも二つの光経路（optical path）に分割する。ここで、少なくとも二つの光経路は、異なる有効光経路長さ（effective optical path length）を有するように設計する。したがって、送信干渉計３２４を経た光子は時間的に分離される。

本発明の一実施例に係る少なくとも二つの光経路は２つの異なる光経路である長経路ｔ_ｎ及び短経路ｔ_ｎ−１を含む。光源３２２から生成された光パルスがガウス分布（Gaussian distribution）に従うと仮定すると、送信干渉計３２４を通過した光パルスは、式（１）のように表すことができる。

ここで、Ｅ_０は光パルスの振幅（amplitude）、σはパルス幅、ωは各周波数（angular
frequency）、ｔは時間を表し、ｔ_ｎ及びｔ_ｎ−１は、それぞれ長経路及び短経路を通過しながら発生する時間遅延を示す。

送信位相変調部３２６は、送信位相変調部３２６を経由する光パルスの位相をφ_Ａほど変調させる。このとき、送信位相変調部３２６は、長経路及び短経路を通過する二つの光パルスの位相を同時に変調させることもでき、二つの光パルスのうちの選択された一つの光パルスを変調させることができる。

二つの光パルスのうちの選択された一つの光パルスを変調させる場合に、短経路又は長経路を通過する一つの光パルスの位相のみをφ_Ａほど変調させる。

二つの光パルスの位相を同時に変調させる場合に、送信位相変調部３２６を通過した直後の光パルスＥ_２は式（２）のように表すことができる。

ここで、φ_Ａは送信位相変調部３２６で変調された位相の大きさであり、本発明の一実施例に係る送信位相変調部３２６は、時間的に分離された二つの光パルスの位相をそれぞれ−φ_Ａ／２及びφ_Ａ／２ずつ変調させて時間的に分離された二つの光パルスの全体位相差がφ_Ａとなるように変調した。

本発明の一実施例に係る送信機３１０及び受信機３５０は、ＢＢ８４プロトコルに従うことができる。したがって、送信位相変調部３２６は、ビット情報と基底情報を制御するために二つの変調器を含むことができる。送信位相変調部３２６の第１の変調器（図示せず）はビット情報を変調し、第２の変調器（図示せず）は基底情報を変調する。

送信位相変調部３２６で変調された光パルスは、変調されたビット情報と基底情報を含むことができる。その後、送信位相変調部３２６で変調された光パルスは、量子チャンネル３４２を介して受信機３５０に伝送する。

本発明の一実施例に係る受信機３５０は、受信位相変調部３６２、受信干渉計３６４及び検出部３６６を含む。本発明の一実施例に係る受信光学系３６０は、受信位相変調部３６２と受信干渉計３６４が分離された構造を有するが、受信位相変調部３６２と受信干渉計３６４が統合された構造を有してもよい。

受信位相変調部３６２は、量子チャンネル３４２を経て受信された光パルスの位相を変調させる。受信位相変調部３６２で追加された位相はφ_Ｂである。受信位相変調部３６２を通過した直後の光パルスＥ_３は、式（３）のように表すことができる。

ここで、φ_Ｂは、受信位相変調部３６２で変調された位相の大きさであり、本発明の一実施例に係る受信位相変調部３６２は、時間的に分離された二つの光パルスの位相をそれぞれ−φ_Ｂ／２及びφ_Ｂ／２ずつ変調させ、時間的に分離された二つの光パルスの全体位相差がφ_Ｂになるように変調した。

ただし、二つの光パルスのうちの選択された一つの光パルスを変調させる場合に、短経路又は長経路を通過する一つの光パルスの位相のみφ_Ｂほど変調させることができる。

受信位相変調部３６２で変調された光パルスは、受信干渉計３６４に入射する。受信干渉計３６４を経由した光パルスは、検出部３６６に入射する。受信干渉計３６４から出力された光パルスが入力部に向かわず、検出部３６６側に向くようにするために、受信干渉計３６４は、光循環器（optical circulator、図示せず）を含むことができる。検出部３６６に含まれた第１の単一光子検出器３６９と第２の単一光子検出器３６７に入射する光パルス、Ｅ_Ｄ１とＥ_Ｄ２はそれぞれ式（４）と式（５）で表すことができる。

ここで、ｔ_ｌ、ｔ_ｓ、φ_Ｃはそれぞれ受信部長経路、受信部短経路、及び受信干渉計３６４で追加された結合位相である。式（４）と式（５）の項のうち、二項は、時間的に重ならないので干渉とは無関係であり、最初の項と第四番目の項のみが干渉に寄与する。したがってＥ_Ｄ１とＥ_Ｄ２はそれぞれ式（６）と式（７）で表すことができる。

単一光子検出器は、光パルスの強度を検出するため、電界の二乗に比例する信号を検出する。したがって、第１の単一光子検出器３６９及び第２の単一光子検出器３６７で検出する信号は、それぞれ、式（８）と式（９）で表すことができる。ここで、２φ_Ｃ=πである。

ここで、Ａは式（１０）の通りである。

図４は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用されたマッハ・ツェンダー（Mach−Zehnder）位相変調量子暗号キー分配送受信機の例示図である。

図４に示した送信機４１０及び受信機４５０のそれぞれは、図３に示した送信機３１０及び受信機３５０のそれぞれと同じ機能を行う。ただし、図４の送信光学系４２０は、送信干渉計４２４と送信位相変調部４２６が統合された構造を有し、受信光学系４６０は、受信干渉計４６２と受信位相変調部４６３が統合された構造を有する。図４の送信光学系４２０及び受信光学系４６０のそれぞれは、図３に示した送信光学系３２０でのように干渉計と変調部が分離された構造を有してもよい。送信位相変調部４２６及び受信位相変調部４６３のそれぞれは、光パルスの変調のためにマッハ・ツェンダー干渉計を含む。

送信干渉計４２４は、送信光スプリッタＯＳ_Ｔ、伝送光遅延器ＤＬ_Ｔ、送信位相変調部４２６、及び伝送光結合器ＯＣ_Ｔを含み、受信干渉計４６２は、受信光スプリッタＯＳ_Ｒ、受信光遅延器ＤＬ_Ｒ、受信位相変調部４６３、及び受信光結合器ＯＣ_Ｒを含む。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置４００は、受信光学系４６０及び受信信号処理部４７０とつながれてデータ通信を行う。本実施例では、量子暗号キー分配安定化装置４００が受信機４５０に含まれているが、送信機４１０に含まれてもよい。また、量子暗号キー分配安定化装置４００は、受信信号処理部４７０または送信機４１０の送信信号処理部４３０に含まれてもよい。

受信機４５０は、送信機４１０から伝送をうけた光パルスを受信して単一光子を検出する。量子暗号キー分配安定化装置４００は検出した結果を受信する。受信機４５０が、量子チャンネル４４２を介して送信機４１０からの光パルスを受信し、単一光子を検出するまでの過程は、前述した過程と同一である。

受信機４５０の受信干渉計４６２に入力する時間的に分離された二つの光パルスのうちの一つは、送信機４１０の送信位相変調部４２６によってφ_Ａほど位相変調され、残りの一つは、受信位相変調部４６３を経由する過程でφ_Ｂほど位相変調する。

受信干渉計４６２は、異なる光経路を有する非対称干渉計である。受信干渉計４６２は、受信干渉計４６２に入力する時間的に分離された二つの光パルスに基づいて一対の干渉結果を出力する。時間的に分離された二つの光パルスが、長さが異なる光経路を通過しながら、その光経路の長さの差ほどに該当する伝送遅延を引き起こすことになる。つまり、受信干渉計４６２に入力された時間的に分離された二つの光パルスは、時間的に分離された４つの光パルスに分割される。時間的に分離された４つの光パルスのうち、時間的に隣接する（adjacent）か、あるいは重なった（overlapped）二つの光パルスは、補強干渉（constructive interference）または相殺干渉（destructive interference）を起こし、その大きさが大きくなったり小さくなる。このように時間的に分離された光パルスによる干渉が検出部４６４からの検出率に左右する。検出部４６４は、補強干渉が最大に起きた場合に、最大検出率を示し、相殺干渉が最大に起きた場合に、最小検出率を示す。

しかし、受信干渉計４６２に含まれる光経路での有効光経路の長さが予め設定した値と違ってきた場合、つまり、受信干渉計４６２の温度が予め設定した温度よりも高いか低く、送信干渉計４２４に含まれた光経路の有効光経路の長さと違ってきた場合、または、振動やその他の環境の変化によって物理的な長さが変わって有効光経路が変わってきた場合に、受信干渉計４６２から出力された４つの光パルスのうち、時間的に重なった二つのパルスの相対的な位相変化が干渉に変化を起こす。つまり、受信干渉計４６２の二つの出力に補強干渉や相殺干渉が完全に起きないようになり、二つの出力は、最大検出率または最小検出率から離れた値を示す。

図５は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するための一例示図である。

図５は、量子暗号キー分配安定化装置５００の動作をさらに具体的に説明するために、送信機の図示は省き、図１０を一緒に参照して量子暗号キー分配安定化方法についても説明する。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置５００は、検出部５６６及び受信信号処理部５６０とつながれてデータ通信を行う。量子暗号キー分配安定化装置５００は、公開チャンネル５４４を介して送信信号処理部（図示せず）及び受信信号処理部５６０とつながれて量子暗号キー分配を安定化させるための様々な情報を送受信する。ここで、量子暗号キー分配を安定化させるための情報は、送信機または受信機に含まれる少なくとも一つの有効光経路長さ変換対象５８０の有効光経路長さを変更させる情報を含む。ここで、有効光経路長さ変換対象５８０は、位相変調部が含まれるか、または分離された形態の干渉計になる。

送信機及び受信機の間に形成された単一光子のいくつかの伝送経路の中で、重なった二つの経路の光経路差が最初に設定した値からずれている場合を見てみましょう。この場合に、受信機に含まれる有効光経路長さを変更することにより、送信機からの出力と受信機からの出力との間の位相などの設定値に影響を受ける検出率を最初に設定した状態での値になるように安定化することができる。受信機に含まれる有効光経路の長さを変更させて位相を補正することにより、送信機及び受信機の基底情報が一致する場合に検出部５６６での検出結果が最大検出率及び最小検出率を示すことができる。

量子暗号キー分配安定化装置５００は、負帰還信号生成部５７２、補正値算出部５７４、および光経路制御部５７６を含む。

負帰還信号生成部５７２は、検出部５６６で検出された複数の単一光子検出のカウント値に基づいて負帰還信号を生成する（Ｓ１０１０）。負帰還信号は、送信機の基底情報、
ビット情報、および受信機の基底情報に基づいた複数の検出のカウント値を含む。

負帰還信号生成部５７２は、生成された負帰還信号を補正値算出部５７４に伝送する。

補正値算出部５７４は、負帰還信号生成部５７２が生成した負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する（Ｓ１０２０）。ここで、補償するべき誤差は、送信機に含まれる有効光経路長さ変換対象（図示せず）または受信機に含まれる有効光経路長さ変換対象５８０の有効光経路長さの偏差になる。

有効光経路長さを変更できる要素である有効光経路長さ変換対象は、光ファイバまたは平板型光導波路や複数のミラーとビームスプリッタ（beam splitter）を含む自由空間光学系などで構成された干渉計と干渉計の有効光経路長さを変化させる温度制御機（temperature controller）、圧電素子（piezoelectric device）、機械装置（mechanical device）などになる。

光経路制御部５７６は、補正値算出部５７４で生成した補正値に基づき、送信機及び受信機のうちの少なくとも一つに含まれる少なくとも一つの有効光経路長さ変換対象を制御する（Ｓ１０３０）。有効光経路長さ変換対象は、量子暗号キー分配安定化装置５００によって直接制御される。

図６は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するための他の例示図である。

図６に示した本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置６００は、図５に示した量子暗号キー分配安定化装置５００と同じ機能を行う。ただし、検出部６６６の２つの異なる単一光子検出器６６９、６６７のそれぞれとつながってデータ通信を行うということだけ異なる。

第１の単一光子検出器６６９及び第２の単一光子検出器６６７は、ゲイテッドガイガーモードで動作して干渉によって補強されたり、相殺されたり、補強や相殺もされない単一光子を検出する。量子暗号キー分配安定化装置６００は、第１の単一光子検出器６６９及び第２の単一光子検出器６６７のそれぞれからの検出された信号に関連する情報を送信信号処理部（図示せず）及び受信信号処理部６６０が、信号処理の過程で提供する情報と一緒に解釈することにより、量子暗号キー分配システムを安定化する。

受信信号処理部６６０もまた、第１の単一光子検出器６６９及び第２の単一光子検出器６６７のそれぞれからの検出信号を受信し、検出信号を保存して暗号化キーの抽出のために検出と関連した一部の情報を送信機に伝送する。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置６００は、検出部６６６及び受信信号処理部６６０とつながれてデータ通信を行う。量子暗号キー分配安定化装置６００が検出部６６６及び受信信号処理部６６０とやりとりする情報は、検出部６６６で検出された複数の検出値と、送信干渉計及び受信干渉計との間の位相差を安定化するための情報を含む。

量子暗号キー分配安定化装置６００は、検出部６６６に含まれた第１の単一光子検出器６６９及び第２の単一光子検出器６６７の検出のカウント値に関連する情報を受信し、量子暗号キー分配のための負帰還信号を生成する。量子暗号キー分配安定化装置６００は、生成された負帰還信号に基づいて補正値を算出し、算出された補正値で有効光経路長さ変換対象を制御することにより、送信機と受信機との間の位相差を最小化することで、量子
暗号キー分配送受信システムを安定化させる。

送信機及び受信機との間の光経路差が最初に設定した値からずれている場合を見てみましょう。この場合に、送信機または受信機に含まれる有効光経路長さ変換対象６８０の有効光経路長さを変更させることで、送信機からの出力と受信機からの出力との間の位相差を最初に設定した位相差と同じ状況に変更させることができる。送信機または受信機に含まれる有効光経路長さ変換対象６８０の有効光経路の長さを変更させ、送信機または受信機の中での位相を補正することで、検出部５６６で測定される検出率が最大検出率及び最小検出率を示すことができる。

送信機及び受信機のうちのいずれかに含まれる光経路を経由する光パルスの位相を補正する方法を利用する場合、変更された有効光経路長さを最初に設定した有効光経路長さと同じになるよう補正する必要はない。検出部５６６での検出率を安定化させる核心的な要素は、送信機及び受信機の絶対的な有効光経路長さではなく、送信機及び受信機に含まれるパスを含んで送信機から受信機に至るまで全体光経路の可能な場合のうち、分割された単一光子パルスが重なって干渉を起こす二つの光経路によって発生する相対的な位相差であるからである。

ＢＢ８４プロトコルに準拠する送信機及び受信機の位相変調量及び位相変調量の変化による受信機での検出を整理すると、表１のように表すことができる。

表１の説明の便宜のために、図３と図６を一緒に参照して説明する。検出部３６６、６
６６に使用する単一光子検出器が二個であり、送信機３１０と受信機３５０がＢＢ８４プロトコルに準拠した場合、単一光子検出は、表１に示すように、８つの場合の数を有する。

１番目の列（column）及び２番目の列は、それぞれ送信機３１０に含まれる送信位相変調部３２６によるビット情報変調量及び基底情報変調量を示す。３番目の列は、受信機３５０に含まれる受信位相変調部３６２による基底情報変調量を示す。ここで、変調量は、各変調部に含まれる干渉計３２４、３６４で時間的に分離された二つの光パルスのうち、長経路を経て相対的に遅く出力する光パルスと短経路を経て比較的早く出力する光パルスとの間の位相差である。

４番目の列及び５列目の列は、それぞれ、第１の単一光子検出器３６９、６６９及び第２の単一光子検出器３６７、６６７での単一光子検出率を示す。６番目の列は、第１の単一光子検出器３６９、６６９と第２の単一光子検出器３６７、６６７で検出された検出のカウント値をビット情報と基底情報を利用して示した値であり、最後の列である７番目の列は検出のカウント値（number of detected counts）の増減を示す。ここで、検出のカウント値は、送信機３１０の位相に比べて受信機３５０の位相が相対的に大きくなったとき、増加することと定義した。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置３００、６００は、受信機３５０で検出された複数の単一光子検出関連値のうち、受信機３５０の基底情報が送信機の基底情報と一致せず捨てられる複数の検出のカウント値に基づいて送信機３１０及び受信機３５０との間の量子暗号キー分配を安定化させる。送信機３１０の基底情報と受信機３５０の基底情報が一致する複数の値は、暗号化キーの抽出に使用され、表１には示さない。

各検出器からの検出のカウント値をＤｘ_ｍｎで表現し、ｘは検出器の番号、ｍおよびｎはそれぞれ送信機３１０のビット情報と基底情報を示す。つまり、ｘが１、ｍが０、ｎが１であれば、送信機３１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１のとき、第１の単一光子検出器で検出された検出のカウント値を示す。受信機３５０の基底情報の表示は省くが、送信機３１０の基底情報と一致しないため、ｎの値を確認して推測することができる。例えば、Ｄ１_０１に表示した検出のカウント値の場合に、送信機３１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１であるため、受信機３５０の基底情報は０である。

表１でビット情報が０である場合をみてみると、第１の単一光子検出器３６９、６６９での検出のカウント値に該当するＤ１_００とＤ１_０１が温度変化に対して互いに反対方向に動くことがわかる。つまり、Ｄ１_００は検出のカウント値が減少する方向に、Ｄ１_０１は検出のカウント値が増加する方向に動く。

また、第２の単一光子検出器３６７、６６７での検出のカウント値に該当するＤ２_００とＤ２_０１が互いに反対の方向に動く。つまり、Ｄ２_０１は検出のカウント値が減少する方向に、Ｄ２_００は検出のカウント値が増加する方向に動く。

第１の単一光子検出器３６９、６６９での検出のカウント値と第２の単一光子検出器３６７、６６７での検出のカウント値は、異なる方向に動くことを確認することができる。したがって、第１の単一光子検出器３６９、６６９での検出のカウント値と第２の単一光子検出器３６７、６６７での検出のカウント値の差を計算すると、送信干渉計３２４と、受信干渉計３６４の変化による影響が一貫して表現される。第１の単一光子検出器３６９、６６９での検出のカウント値と第２の単一光子検出器３６７、６６７での検出のカウント値との間の関係を数学式で表現すると、式（１１）のように表すことができる。

ここで、Ｘは、ビット情報が０である値に対する第１の負帰還信号である。ビット情報が１である値に対しても同様に適用する。ただし、ビット情報が１である第２の負帰還信号は、ビット情報が０である値に対する第１の負帰還信号と方向が違う。したがって、第２の負帰還信号Ｙは、次の式（１２）のように表すことができる。

第１の単一光子検出器３６９、６６９での検出のカウント値と第２の単一光子検出器３６７、６６７での検出のカウント値は、量子チャンネル３４２での光損失、検出器での検出効率などの違いによってその値が異なる場合がある。したがって、これを補償するために、第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を正規化（normalization）することができる。正規化した第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を示すとそれぞれの式（１３）と式（１４）の通りである。

負帰還信号は、第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を加えて求めることができ、これは式（１５）のように表すことができる。

ここで、Ｚは負帰還信号を示し、ＸおよびＹは第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を示す。

前述した負帰還信号は、送信機３１０及び受信機３５０との間の位相差などが反映されて表れる複数の検出のカウント値を数値化することにより計算され、この計算は、量子暗
号キー分配安定化装置３００、６００の負帰還信号生成部６７２によって行う。

負帰還信号生成部６７２は、第１の単一光子検出器３６９、６６９及び第２の単一光子検出器３６７、６６７からの検出結果で発生した複数の検出のカウント値を用いて、第１の負帰還信号及び第２の負帰還信号を生成し、この二つの値を加えて負帰還信号を生成する。

補正値算出部６７４は、負帰還信号生成部６７２から受信した負帰還信号に基づき、量子暗号キー分配を安定させるために、実質的に制御するべき補正値を算出する。ここで、補償するべき誤差は、送信機３１０または受信機３５０に含まれる有効光経路長さの変化量になる。

有効光経路長さを変更することができる要素である有効光経路長さ変換対象６８０は、光ファイバまたは平板型光導波路や複数のミラーとビームスプリッタを含む自由空間光学系などで構成された干渉計と干渉計の有効光経路長さを変化させることができる温度制御機、圧電素子、機械装置などになる。

光経路制御部６７６は、補正値算出部６７４から生成された補正値に基づいて受信機３５０に含まれる少なくとも一つの有効光経路長さ変換対象６８０を制御する（Ｓ１０３０）。光経路制御部６７６が送信機（図示せず）に含まれる場合には、送信機に含まれる有効光経路長さ変換対象を制御する。有効光経路長さ変換対象６８０は、量子暗号キー分配安定化装置６００によって制御される。

図７は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置の動作を説明するためのもう一つの例示図である。

図７の量子暗号キー分配安定化装置７００は、図６に示した量子暗号キー分配安定化装置６００と同じ機能を行う。ただし、有効光経路長さ変換対象７８０が受信機に含まれず、送信機に含まれる点が異なる。

したがって、量子暗号キー分配安定化装置７００は、量子暗号キー分配を安定化するための情報を送信機の送信信号処理部７３０に伝送し、送信信号処理部７３０によって有効光経路長さ変換対象７８０を制御するようにする。

図８は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が受信機の信号処理部に含まれる場合を示す一例示図である。

図８の量子暗号キー分配安定化装置８００は、図６に示した量子暗号キー分配安定化装置６００と同じ機能を行う。ただし、量子暗号キー分配安定化装置８００が受信機の受信信号処理部８６０の外部に存在せず、受信機の受信信号処理部８６０に含まれる点が、図６に示した量子暗号キー分配安定化装置６００とは異なる。

量子暗号キー分配安定化装置８００は、受信機に含まれる有効光経路長さ変換対象（図示せず）を制御することもでき、図７に示した実施例のように、送信機に配置されて送信機に含まれる有効光経路長さ変換対象８８０を制御することもできる。

図９は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が生成する温度変化による負帰還エラー信号と、量子ビット誤り率（QBER）の値を示したグラフである。

量子暗号キー分配安定化装置が生成する負帰還信号と量子ビット誤り率の値が干渉計の
温度に応じて敏感に変化することを確認することができる。温度が最初の設定値から外れると、負帰還信号であるＺ値が０から外れる。負帰還信号であるＺ値が０から外れるに応じて量子ビット誤り率が増加する。

この実施例では、送信機と受信機に含まれる干渉計の温度を安定化するために使用されている温度制御機の設定値を変更する方式で適用することができる。この場合、光経路制御部が温度制御部になり、有効光経路長さ変換対象が送信機または受信機に含まれる干渉計になる。

干渉計の温度変化や振動などによる長さの変化は、量子ビット誤り率を変化させる干渉計の温度を制御して安定化させることができ、圧電素子や機械装置を利用して光経路を構成する光学素子の物理的な長さを変化させて安定化を達成することもできる。

図１０は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化方法は、図５に示した本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置とともに説明した通りであるので、説明を省く。

図１１は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用された偏光変調ベースの量子暗号キー分配システムの動作を説明するための一例示図である。

図１１に示した本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１１００は、図６に示した量子暗号キー分配安定化装置６００と同じ機能を行う。ただし、送信機１１１０及び受信機１１５０は位相変調を行うことなく、偏光変調を行うので、安定のために受信した情報と制御する対象が異なる。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１１００は、受信信号処理部１１７０とつながれてデータ通信を行う。量子暗号キー分配安定化装置１１００が、受信信号処理部１１７０とやり取りする情報は、検出部１１６８で検出された複数の検出のカウント値と送信機１１１０及び受信機１１５０の偏光を安定化するための情報を含む。ここで、量子暗号キー分配安定化装置１１００は、送信機１１１０または受信機１１５０に配置することができ、それとは別の独立した装置としても具現が可能である。

量子暗号キー分配安定化装置１１００は、検出部１１６８から生成された検出関連値と受信信号処理部１１７０を介して受信した受信機１１５０で生成された基底情報と一致しない場合に該当する送信機１１１０で生成されたビット情報及び基底情報を用いて量子暗号キー分配のための負帰還信号を生成する。量子暗号キー分配安定化装置１１００は、生成された負帰還信号に基づいて補正値を算出し、偏光制御機を利用して受信機１１５０の偏光状態などを安定化させる。

本発明の一実施例に係る送信機１１１０は、送信光学系１１２０及び送信信号処理部１１３０を含む。

送信光学系１１２０は、光源１１２２、偏光ビット情報変調部１１２４、及び偏光基底情報変調部１１２６を含む。偏光ビット情報変調部１１２４と、偏光基底情報変調部１１２６は、一つに統合されて具現することができる。

光源１１２２は、図２に示した光源２２２と同じ目的のために同じ機能を行う。

偏光ビット情報変調部１１２４は、光源１１２２からの光パルスを受信し、ビット情報変調を行う。偏光ビット情報変調部１１２４は、光パルスが有する偏光の方向、すなわち、角度を制御することにより、ビット情報を変調する。ここで、変調角度は受信機１１５０に含まれる偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter；PBS）の透過軸（transmission axis）に対する値である。

偏光基底情報変調部１１２６は、光源１１２２から光パルスを受信して基底情報変調を行う。偏光基底情報変調部１１２６もまた、光パルスが有する偏光の角度を制御することにより、基底情報を変調する。偏光基底情報変調部１１２６は、偏光基底情報変調部１１２６に入力された光パルスのうち、偏光ビット情報変調部１１２４によって変調されていない部分を変調することができる。

偏光ビット情報変調部１１２４と、偏光基底情報変調部１１２６を経た光パルスは、量子チャンネル１１４２を介して受信機１１５０に伝送される。

送信信号処理部１１３０は、受信機１１５０及び量子暗号キー分配安定化装置１１００と公開チャンネル１１４４を介してつながれてデータ通信を行う。送信信号処理部１１３０は、量子暗号キー分配のための情報を生成し、生成された情報を保存する。量子暗号キー分配のための情報は、ビット情報及び基底情報を含む。送信信号処理部１１３０は、量子暗号キー分配のための情報を送信光学系１１２０に伝送し、量子暗号キー分配安定化装置１１００及び受信機１１５０と量子暗号キー分配のための情報を共有する。

受信機１１５０は、受信光学系１１６０及び受信信号処理部１１７０を含む。

受信光学系１１６０は、偏光軸追跡部１１６２、偏光基底情報変調部１１６４、偏光ビームスプリッタ１１６６、及び検出部１１６８を含む。検出部１１６８は、少なくとも２つの単一光子検出器を含む。

偏光軸追跡部１１６２は、量子チャンネル１１４２を介して送信機１１１０から伝送される光パルスの偏光状態を追跡する。受信機１１５０の偏光ビームスプリッタ１１６６の偏光軸と一致していない光パルスは、偏光軸と一致する成分と偏光軸と直交する成分に分かれて偏光ビームスプリッタ１１６６を通過する。また、量子チャンネル１１４２を経由する過程で発生する様々な外部要因によって光パルスの偏光状態が変化し得る。このように光パルスの偏光状態が変更されて偏光ビームスプリッタ１１６６の偏光軸と完全に一致しないと、検出部１１６８で検出される検出率が最大である１００％、最小０％、及び５０:５０などの値から外れる。

偏光基底情報変調部１１６４は、偏光軸追跡部１１６２を通過した光パルスに対して偏光変調を行う。偏光基底情報変調部１１６４が受信光学系１１６０を通過する光パルスに偏光変調を行うに応じて、検出部１１６８からの検出値が変わるようになる。

偏光ビームスプリッタ１１６６は、偏光ビームスプリッタ１１６６に入射する光パルスを偏光に応じて２つの異なる光経路に分割する。２つの異なる光経路に分割された光パルスのうちの一つは、第１の単一光子検出器（図示せず）に入射し、残りの一つは、第２の単一光子検出器（図示せず）に入射する。第１の単一光子検出器および第２の単一光子検出器に入射した光パルスによる複数の検出のカウント値は、図６および表１を参照して説明した内容と同様である。

ＢＢ８４プロトコルに準拠する送信機１１１０及び受信機１１５０の偏光変調量及び偏光変調量の変化に応じた受信機１１５０での検出は、表２に示すように、８つの場合に整
理することができる。

１番目の列と２番目の列は、それぞれ送信機１１１０に含まれる偏光ビット情報変調部１１２４と偏光基底情報変調部１１２６のそれぞれによるビット情報変調量及び基底情報変調量を示す。３番目の列は、受信機１１５０に含まれる偏光基底情報変調部１１６４による基底情報変調量を示す。ここで、変調量は、該当光パルスの偏光が戻った角度である。

４番目の列及び５番目の列は、それぞれ検出部１１６８に含まれた第１の単一光子検出器および第２の単一光子検出器での単一光子検出率を示す。６番目の列は、第１の単一光子検出器と第２の単一光子検出器で検出された検出のカウント値をビット情報と基底情報を利用して示した値であり、最後の列である７番目の列は、検出のカウント値の増減を示す。ここで、検出のカウント値は、送信機１１１０の基準軸（垂直方向）に対する＋方向に偏光が回った単一光子が受信すると、増加することと定義した。つまり、−方向に偏光が回った単一光子を受信すると、検出のカウント値は減少する。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１１００は、受信機１１５０で検出された複数の単一光子検出のカウント値のうち、受信機１１５０の基底情報が送信機１１１０の基底情報と一致せず捨てられる複数の検出値に基づき、送信機１１１０及び受信機１１５０との間の量子暗号キー分配を安定化させる。送信機１１１０の基底情報と受信機１１５０の基底情報が一致する複数の値は、暗号化キーの抽出に使用するものであり、表２に記載しなかった。

各検出器からの検出のカウント値をＤｙ_ｋｌで表現し、ｙは検出器の番号は、ｋとｌはそれぞれ送信機１１１０のビット情報と基底情報を示す。つまり、ｙが１、ｋが０、ｌが１の場合、送信機１１１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１のとき、第１の単一光子検出器で検出された検出のカウント値を示す。受信機１１５０の基底情報の表示は省くが、送信機１１１０の基底情報と一致していないので、ｌの値を確認して推測することができる。例えば、Ｄ１_０１に表示した検出のカウント値の場合、送信機１１１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１であるため、受信機１１５０の基底情報は０になる。

量子暗号キー分配安定化装置１１００が、量子暗号キー分配を安定化するために生成する負帰還信号は、式（１１）から式（１５）までの内容を検出部１１６８に含まれた第１の単一光子検出器および第２単一光子検出器に対してそのまま適用して求めることができる。

図１１に示した本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１１００で生成された第１の負帰還信号、第２の負帰還信号、及びこの二つの値を合計した負帰還信号は、それぞれ式（１３）、式（１４）、及び式（１５）で表現することができる。

図１２は、本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置が適用された偏光変調ベースの量子暗号キー分配システムの動作を説明するための他の例示図である。

図１２に示した本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１２００は、図１１に示した量子暗号キー分配安定化装置１１００と同じ機能を行う。ただし、受信機１２５０の第１の検出部１２６４及び第２の検出部１２６７にそれぞれ２つずつ、異なる四つの単一光子検出器が含まれることが違う。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１２００は、受信信号処理部１２７０とつながれてデータ通信を行う。量子暗号キー分配安定化装置１２００が、受信信号処理部１２７０とやり取りする情報は、第１の検出部１２６４及び第２の検出部１２６７で検出された複数の検出のカウント値と送信機１２１０及び受信機１２５０との間の偏光を安定化するための情報を含むことができる。送信機１２１０は、図１１に示した送信機１１１０と同一である。

受信機１２５０は、受信光学系１２６０及び受信信号処理部１２７０を含む。受信光学系１２６０は、偏光軸追跡部１２６１、ビームスプリッタ１２６２、第１の偏光ビームスプリッタ１２６３、第１の検出部１２６４、偏光調節器１２６５、第２の偏光ビームスプリッタ１２６６、及び第２の検出部１２６７を含む。第１の検出部１２６４及び第２の検出部１２６７のそれぞれは、少なくとも二つの単一光子検出器を含むことができる。

偏光軸追跡部１２６１は、量子チャンネル１２４２を介して送信機１２１０から伝送する光パルスの偏光状態を追跡する。受信機１２５０の第１の偏光ビームスプリッタ１２６３及び第２の偏光ビームスプリッタ１２６６の偏光軸と一致しない光パルスは、偏光軸と一致する成分と偏光軸と直交する成分に分かれてそれぞれの偏光ビームスプリッタ１２６３、１２６６を通過する。また、量子チャンネル１２４２を経由する過程で発生する様々な外部要因によって光パルスの偏光状態が変化する。このように光パルスの偏光状態が変更され、第１の偏光ビームスプリッタ１２６３及び第２の偏光ビームスプリッタ１２６６の偏光軸と完全に一致しないと、第１の検出部１２６４及び第２の検出部１２６７で検出される検出のカウント値、すなわち、検出率が最大である１００％、最小０％、及び５０:５０などの値から外れることになる。

ビームスプリッタ１２６２は、ビームスプリッタ１２６２に入射する光パルスが伝達される出力を選択する。つまり、ビームスプリッタ１２６２に入射した光パルスは、ビームスプリッタ１２６２を経た後、第１の偏光ビームスプリッタ１２６３及び偏光調節器１２６５のうちのいずれかに入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ１２６３及び第２の偏光ビームスプリッタ１２６６の役割は、図１１に示した偏光ビームスプリッタの役割と同じである。第１の偏光ビームスプリッタ１２６３は、第１の偏光ビームスプリッタ１２６３から入射する光パルスを偏光に応じて２つの異なる光経路に分割する。２つの異なる光経路に分割された光パルスのうちの一つは、第１の単一光子検出器（図示せず）に入射し、残りの一つは、第２の単一光子検出器（図示せず）に入射する。

偏光調節器１２６５は、ビームスプリッタ１２６２から出力されて偏光調節器１２６５に入射する光パルスの偏光状態を４５°回転するように固定する。

第２の偏光ビームスプリッタ１２６６は、偏光調節器１２６５から出力され、第２の偏光ビームスプリッタ１２６６に入射する光パルスを偏光に応じて２つの異なる光経路に分割する。２つの異なる光経路に分割された光パルスの一つは、第３の単一光子検出器（図示せず）に入射し、残りの一つは、第４の単一光子検出器（図示せず）に入射する。

ＢＢ８４プロトコルに準拠する送信機１２１０及び受信機１２５０の偏光変調量及び偏光変調量の変化に応じた受信機１２５０での検出は、表３に示すように、８つの場合に整理することができる。

１番目の列及び２番目の列は、それぞれ送信機１２１０に含まれる偏光ビット情報変調部１２２４と、偏光基底情報変調部１２２６のそれぞれによるビット情報変調量及び基底情報変調量を示す。３番目の列は、受信機１２５０に含まれるビームスプリッタ１２６２によって選択する値であり、１が選択されると、ビームスプリッタ１２６２に入射した光パルスを第１の偏光ビームスプリッタ１２６３に送り、２が選択されると、ビームスプリッタ１２６２に入射した光パルスを偏光調節器１２６５に送る。

４番目の列、５番目の列、６番目の列、及び７番目の列は、それぞれ、第１の単一光子検出器、第２の単一光子検出器、第３の単一光子検出器、及び第４の単一光子検出器での単一光子検出率を示す。

８番目の列は、第１の単一光子検出器、第２の単一光子検出器、第３の単一光子検出器、及び第４の単一光子検出器で検出された検出のカウント値をビット情報と基底情報を利用して示した値であり、最後の列である９番目の列は検出のカウント値の増減を示す。ここで、検出のカウント値は、受信機１２５０の第１の偏光ビームスプリッタ１２６３の基準軸（垂直方向）に対して＋方向に偏光が回った単一光子が受信すると、増加することと定義した。つまり、−方向に偏光が回った単一光子を受信すると、検出のカウント値は減少する。

本発明の一実施例に係る量子暗号キー分配安定化装置１２００は、受信機１２５０で検出された複数の単一光子検出関連値のうち、受信機１２５０の基底情報が送信機１２１０の基底情報と一致せず捨てられる複数の検出のカウント値に基づき、送信機１２１０及び
受信機１２５０との間の量子暗号キー分配を安定化させる。送信機１２１０の基底情報と受信機１２５０の基底情報が一致する複数の値は、暗号化キーの抽出に使用する。

各検出器からの検出のカウント値をＤｚ_ｕｖで表現し、ｚは検出器の番号、ｕ及びｖは、それぞれ送信機１２１０のビット情報と基底情報を示す。つまり、ｚが１、ｕが０、ｖが１の場合、送信機１２１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１のとき、第１の単一光子検出器で検出された検出のカウント値を示す。受信機１２５０の基底情報の表示は省略したが、送信機１２１０の基底情報と一致しないので、ｖの値を確認して推測することができる。例えば、Ｄ１_０１に表示した検出のカウント値の場合に、送信機１２１０のビット情報と基底情報がそれぞれ０及び１であるため、受信機１２５０の基底情報は０になる。

量子暗号キー分配安定化装置１２００が、量子暗号キー分配を安定化するために生成する負帰還信号は、以下の過程を介して求めることができる。

表３からビット情報が０である場合についてみてみると、第１の検出部１２６４に含まれた第１の単一光子検出器と第２の検出部１２６７に含まれた第３の単一光子検出器での検出のカウント値に該当するＤ１_０１とＤ３_００が互いに反対の方向に動くことを確認することができる。つまり、Ｄ３_００は検出のカウント値が増加する方向で、Ｄ１_０１は検出のカウント値が減少する方向に動く。

また、第１の検出部１２６４に含まれた第２の単一光子検出器と第２の検出部１２６７に含まれた第４の単一光子検出器での検出のカウント値に該当するＤ２_０１とＤ４_００が互いに反対の方向に動く。つまり、Ｄ２_０１は検出のカウント値が増加する方向に、Ｄ４_００は検出のカウント値が減少する方向に動く。

同様に、ビット情報が１である場合について同じ方向に動く複数の検出のカウント値同士を整理すると、下の式（１６）及び式（１７）のような関係を得ることができる。

ここで、Ｘは、ビット情報が０である値に対する第１の負帰還信号であり、Ｙは、ビット情報が１である値に対する第２の負帰還信号である。

第１の単一光子検出器、第２の単一光子検出器、第３の単一光子検出器、及び第４単一光子検出器での検出のカウント値は、量子チャンネル１２４２での光損失、検出器での検出効率などの違いによってその値が異なる場合がある。したがって、これを補償するために、第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を正規化することができる。正規化した第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を示すとそれぞれ式（１８）及び式（１９）の通りである。

負帰還信号は、第１の負帰還信号と第２の負帰還信号を加えて求めることができ、これは式（２０）のように表すことができる。

前述した負帰還信号は、送信機１２１０及び受信機１２５０の偏光値差などが反映されて表示する複数の検出のカウント値を数値化することにより計算され、この計算は、量子暗号キー分配安定化装置１２００の負帰還信号生成部によって行う。そのほか、残りの構成要素による量子暗号キー分配安定化装置１２００の動作は、図６を参照して、説明した量子暗号キー分配安定化装置６００の動作と同一である。

図１０は、それぞれの過程を順次行うことを記載しているが、必ずしもこれに限定するものではない。つまり、図１０に記載された過程を変更して実行したり、１つ以上の過程を並列的に行うことが適当可能であり、図１０は、時系列的な順序に限定するものではない。

一方、図１０に示したフローチャートの各ステップは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体（computer-readable recording medium）にコンピュータが読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取ることができるデータが格納されるすべての種類の記録装置を含む。つまり、コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、磁気記録媒体（例えば、ロム、フロッピーディスク、ハードディスクなど）、光学的読み取り媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）及びキャリアウェーブ（例えば、インターネットを通じた伝送）のような記憶媒体を含む。また、コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、ネットワークでつながったコンピュータシステムに分散されて分散方式でコンピュータが読み取り可能なコードが保存され、実行することができる。

以上の説明は、本発明に係る一実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであり、本発明に係る一実施例が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能である。従って、本発明に係る実施例は、本実施例の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例により、本実施例の技術思想の範囲が限定するものではない。本発明に係る一実施例の保護範囲は次の請求の範囲によって解釈するべきであり、その同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明に係る一実施例の権利範囲に含まれ
るものと解釈するべきである。

１１０、３１０、４１０、１１１０、１２１０：送信機
１２０、３５０、４５０、１１５０、１２５０：受信機
１３２、２５０、３４２、４４２、１１４２、１２４２：量子チャンネル
１３４、２６０、３４４、４４４、５４４、６４４、７４４、８４４、１１４４、１２４４：公開チャンネル
２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、１１００、１２００：量子暗号キー分配安定化装置
３２２、４２２、１１２２、１２２２：光源
２２０、３３０、４３０、７３０、８３０、１１３０、１２３０：送信信号処理部
２４０、３７０、４７０、５６０、６６０、７６０、８６０、１１７０、１２７０：受信信号処理部
５７２、６７２、７７２：負帰還信号生成部
５７４、６７４、７７４：補正値算出部
５７６、６７６、７７６：光経路制御部
５８０、６８０、７８０、８８０：有効光経路長さ変換対象

CROSS−REFERENCE TO RELATED APPLICATION
本特許出願は、２０１７年３月７日に韓国に出願した特許出願番号第１０−２０１７−００２８７９５号および２０１７年８月１７日に韓国に出願した特許出願番号第１０−２０１７−０１０４１７３号に対する米国特許法１１９（ａ）条（３５Ｕ.Ｓ.Ｃ§１１９（ａ））に基づいて優先権を主張し、そのすべての内容は、参考文献として本特許出願に併合する。さらに、本特許出願は、米国以外の国に対しても、前記と同じ理由で優先権を主張し、そのすべての内容は、参考文献として本特許出願に併合する。

本発明の実施例は、量子暗号キー分配システムを安定化する技術分野に適用され、従来のシステムをそのまま利用しながらも、迅速かつ効率的に誤差を補正することができるようにすることで、システム構築コストを削減することができる有用な発明である。

Claims (11)

1. 受信機で検出された光子検出の複数の関連値のうち、前記受信機の基底（basis）情報が送信機の基底情報と一致しないために暗号化キーの生成に使用されずに捨てられる複数の検出のカウント値を利用して負帰還信号を生成する負帰還信号生成部と、
   前記負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する補正値算出部、及び、
   前記補正値を送信機または受信機に伝送し、前記送信機および／または前記受信機にとって安定化対象に影響を与える変換因子を制御するようにして前記安定化対象を補正する制御部と、
   を含み、
   前記負帰還信号生成部は、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ 、Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ 、Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ 及びＤ２ _１０ −Ｄ２ _１１ を利用して前記負帰還信号を生成し、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _１０ −Ｄ２ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であることを特徴とする量子暗号キー分配安定化装置。
2. 前記送信機および／または前記受信機のそれぞれは、
   前記送信機および／または前記受信機のそれぞれの位相に影響を与える電気光学的特性、磁気光学的特性、温度特性、および物理的長さを制御することを特徴とする請求項１に
   記載の量子暗号キー分配安定化装置。
3. 前記送信機および／または前記受信機のそれぞれは、
   前記送信機および／または前記受信機のそれぞれの偏光に影響を与える光軸を制御することを特徴とする請求項１に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
4. 受信機で検出された光子検出の複数の関連値のうち、前記受信機の基底（basis）情報が送信機の基底情報と一致しないために暗号化キーの生成に使用されずに捨てられる複数の検出のカウント値を利用して負帰還信号を生成する負帰還信号生成部と、
   前記負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する補正値算出部、及び、
   前記補正値を送信機または受信機に伝送し、前記送信機および／または前記受信機が位相に影響を与える変換因子を制御して位相を補正するようにする制御部と、
   を含み、
   前記負帰還信号生成部は、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ 、Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ 、Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ 及びＤ２ _１０ −Ｄ２ _１１ を利用して前記負帰還信号を生成し、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _１０ −Ｄ２ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であることを特徴とする量子暗号キー分配安定化装置。
5. 前記負帰還信号生成部は、
   計算された負帰還信号の符号が前記送信機及び前記受信機のうちのどれかでの位相の偏差がプラス（positive）の値を有するか、あるいはマイナス（negative）の値を有するかを示すことができるようにすることを特徴とする請求項４に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
6. 前記補正値算出部は、
   設定値と前記負帰還信号の差である誤差の現在値、過去値、及び予測値を予め設定した時間間隔ごとに連続的に計算して補正値を算出することを特徴とする請求項４に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
7. 前記補正値算出部は、
   前記誤差の現在値を保存するために比例定数を乗算し、前記誤差の過去値を保存するために前記予め設定した時間間隔に対する誤差を積分（integral）し、前記誤差の予測値を求めるために前記誤差の現在値の変化率を計算することを特徴とする請求項６に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
8. 受信機で検出された光子検出の複数の関連値のうち、前記受信機の基底（basis）情報が送信機の基底情報と一致しないために暗号化キーの生成に使用されずに捨てられる複数の検出のカウント値を利用して負帰還信号を生成する負帰還信号生成部と、
   前記負帰還信号を受信して補償するべき誤差に対する補正値を算出する補正値算出部、及び、
   前記補正値を送信機または受信機に伝送し、前記送信機および／または前記受信機が偏光に影響を与える変換因子を制御して偏光を補正するようにする制御部と、
   を含み、
   前記負帰還信号生成部は、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ 、Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ 、Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ 及びＤ２ _１０ −Ｄ２ _１１ を利用して前記負帰還信号を生成し、
   Ｄ１ _００ −Ｄ１ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _００ −Ｄ２ _０１ は、ビット情報が第１の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記受信機の第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ１ _１０ −Ｄ１ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第１の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であり、
   Ｄ２ _１０ −Ｄ２ _１１ は、ビット情報が第２の値である場合に、前記送信機の基底情報の２つの値に対して前記第２の光子検出器によって実行される検出のそれぞれのカウント値の差であることを特徴とする量子暗号キー分配安定化装置。
9. 前記負帰還信号生成部は、
   計算された負帰還信号の符号が前記送信機及び前記受信機のうちのどれかでの偏光の偏差がプラス（positive）の値を有するか、あるいはマイナス（negative）の値を有するかを示すことができるようにすることを特徴とする請求項８に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
10. 前記補正値算出部は、
    設定値と前記負帰還信号の差である誤差の現在値、過去値、及び予測値を予め設定した時間間隔ごとに連続的に計算して補正値を算出することを特徴とする請求項８に記載の量子暗号キー分配安定化装置。
11. 前記補正値算出部は、
    前記誤差の現在値を保存するために比例定数を乗算し、前記誤差の過去値を保存するために前記予め設定した時間間隔に対する誤差を積分（integral）し、前記誤差の予測値を求めるために前記誤差の現在値の変化率を計算することを特徴とする請求項１０に記載の量子暗号キー分配安定化装置。

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