JP7003007B2 - Quantum cryptography communication equipment, quantum cryptography communication system, quantum cryptography communication method and program - Google Patents

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本発明の実施形態は量子暗号通信装置、量子暗号通信システム、量子暗号通信方法及びプログラムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a quantum cryptographic communication device, a quantum cryptographic communication system, a quantum cryptographic communication method and a program.

LDPC(Low Density Parity Check)符号は、情報伝送レートの理論上の限界値であるシャノン限界に非常に近い誤り訂正能力を持つ誤り訂正符号として注目を集めている。そのため、通信及びストレージシステム等の分野では、LDPC復号器をハードウェアとして実装すること等の検討が盛んに行われている。 The LDPC (Low Density Parity Check) code is attracting attention as an error correction code having an error correction capability very close to the Shannon limit, which is the theoretical limit value of the information transmission rate. Therefore, in the fields of communication and storage systems, studies such as implementing an LDPC decoder as hardware are being actively conducted.

“High speed and adaptable error correction for megabit/s rate quantum key distribution”,A.R.Dixon et al,Scientific Reports 4,2014“High speed and adaptive error correction for megabit / straight quantum key distribution”, A.I. R. Dixon et al, Scientific Reports 4, 2014 “Continuous operation of high bit rate quantum key distribution”,A.R.Dixon et al,APPLIED PHYSICS LETERS 96,161102(2010)"Continuous operation of high bit rate quantum key distribution", A.I. R. Dixon et al, APPLIED PHYSICS LETERS 96, 161102 (2010) “Stability of high bit rate quantum key distribution on installed fiber”,A.R.Dixon et al,OPTICS EXPRESS 16339 Vol.20,No.15(2012)“Stability of high bit rate quantum key distribution on instant fiber”, A.I. R. Dixon et al, OPTICS EXPRESS 16339 Vol. 20, No. 15 (2012) “Efficient decoy-state quantum key distribution with quantified security”,M. Lucamarini et al,Optics Express Vol.21,Issue 21,2013“Efficient decoy-state quantum key distribution with quantified security”, M.D. Lucamarini et al, Optics Express Vol. 21, Issue 21, 2013

しかしながら従来の技術では、誤り訂正処理の設定情報をより適切に設定することが難しかった。本発明が解決しようとする課題は、誤り訂正処理の設定情報をより適切に設定することができる量子暗号通信装置、量子暗号通信システム、量子暗号通信方法及びプログラムを提供することである。 However, with the conventional technique, it is difficult to set the setting information of the error correction process more appropriately. An object to be solved by the present invention is to provide a quantum cryptographic communication device, a quantum cryptographic communication system, a quantum cryptographic communication method and a program capable of more appropriately setting the setting information of error correction processing.

実施形態の量子暗号通信装置は、推定部とマージン計算部と設定部とを備える。推定部は、シフト鍵データの推定誤り率を推定する。マージン計算部は、前記推定誤り率、及び、前記シフト鍵データの誤り率の真値と前記推定誤り率との差を示す推定誤差aが発生する確率の分布を示す推定誤差分布に基づいて、前記推定誤り率をより大きく推定する割合を示すマージンを計算する。設定部は、前記推定誤り率と前記マージンとに基づいて、前記シフト鍵データの誤り訂正処理の設定情報を設定する。 The quantum cryptography communication device of the embodiment includes an estimation unit, a margin calculation unit, and a setting unit. The estimation unit estimates the estimation error rate of the shift key data. The margin calculation unit is based on the estimated error rate and the estimated error distribution showing the distribution of the probability that the estimated error a indicating the difference between the true value of the error rate of the shift key data and the estimated error rate occurs . A margin is calculated that indicates the rate at which the estimated error rate is estimated to be larger . The setting unit sets the setting information of the error correction processing of the shift key data based on the estimated error rate and the margin.

実施形態の量子暗号通信システムの装置構成の例を示す図。The figure which shows the example of the apparatus configuration of the quantum cryptography communication system of embodiment. 実施形態の量子暗号通信システムの機能構成の例を示す図。The figure which shows the example of the functional structure of the quantum cryptography communication system of embodiment. 実施形態の誤り訂正処理部の機能構成の例を示す図。The figure which shows the example of the functional structure of the error correction processing part of an embodiment. 実施形態の解析部の機能構成の例を示す図。The figure which shows the example of the functional structure of the analysis part of embodiment. 実施形態の推定誤り率領域の例を示す図。The figure which shows the example of the estimation error rate region of an embodiment. 実施形態の推定誤り率領域-3の推定誤差分布の例を示す図。The figure which shows the example of the estimation error distribution of the estimation error rate region-3 of an embodiment. 図6の推定誤差分布の確率の値を示す図。The figure which shows the value of the probability of the estimation error distribution of FIG. 実施形態の推定誤差分布の計算方法の例を示すフローチャート。The flowchart which shows the example of the calculation method of the estimation error distribution of an embodiment. 実施形態のマージンの計算方法の例を示すフローチャート。The flowchart which shows the example of the calculation method of the margin of an embodiment. 実施形態の推定誤り率領域-3における誤り率の分布の例を示す図。The figure which shows the example of the distribution of the error rate in the estimation error rate region-3 of an embodiment. 実施形態の推定誤り率領域-3における圧縮率データテーブルの例を示す図。The figure which shows the example of the compression rate data table in the estimation error rate area-3 of an embodiment. 実施形態のマージンの候補値毎の圧縮率の期待値の例を示す図。The figure which shows the example of the expected value of the compression rate for every candidate value of the margin of an embodiment. 実施形態の推定誤差分布の例を示す図。The figure which shows the example of the estimation error distribution of an embodiment. 実施形態のefficiency特性の例を示す図。The figure which shows the example of the efficiency property of an embodiment. 実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1の場合)を示す図。The figure which shows the example (when σ = 1) of the expected value of the compression rate of an embodiment. 実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1.25の場合)を示す図。The figure which shows the example (in the case of σ = 1.25) of the expected value of the compression rate of an embodiment. 実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1.5の場合)を示す図。The figure which shows the example (when σ = 1.5) of the expected value of the compression rate of an embodiment. 実施形態のマージンの最適値の例(σ=1の場合)を示す図。The figure which shows the example of the optimum value of the margin of an embodiment (in the case of σ = 1). 実施形態のマージンの最適値の例(σ=1.25の場合)を示す図。The figure which shows the example of the optimum value of the margin of an embodiment (in the case of σ = 1.25). 実施形態のマージンの最適値の例(σ=1.5の場合)を示す図。The figure which shows the example of the optimum value of the margin of an embodiment (in the case of σ = 1.5). 実施形態の送信装置及び受信装置の主要部のハードウェア構成の例を示す図。The figure which shows the example of the hardware composition of the main part of the transmitting device and the receiving device of an embodiment.

誤り訂正処理を実施する際、符号化率等の設定情報を適切に設定する必要がある。例えば、量子通信路の誤り率を推定し、推定値及び推定値に対する推定誤差のマージンから設定情報を設定する方法が考えられる。 When performing error correction processing, it is necessary to appropriately set setting information such as the coding rate. For example, a method of estimating the error rate of the quantum channel and setting the setting information from the estimated value and the margin of the estimation error with respect to the estimated value can be considered.

以下に添付図面を参照して、誤り訂正処理の設定情報を設定するためのマージンを最適に制御することができる量子暗号通信装置、量子暗号通信システム、量子暗号通信方法及びプログラムの実施形態を詳細に説明する。 Refer to the attached drawings below for details of the quantum cryptography communication device, the quantum cryptography communication system, the quantum cryptography communication method, and the embodiment of the program, which can optimally control the margin for setting the setting information of the error correction processing. To explain to.

[装置構成の例]
図1は実施形態の量子暗号通信システム100の装置構成の例を示す図である。実施形態の量子暗号通信システム100は、2つの量子暗号通信装置(送信装置10及び受信装置20)を備える。送信装置10は、量子ビットを示す光子を連続的に受信装置20に送信する。なお実施形態では、説明の便宜上、光子を送信する側の装置を送信装置10と呼ぶが、送信装置10が光子を受信する機能を有していてもよい。同様に、受信装置20が光子を送信する機能を有していてもよい。
[Example of device configuration]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a device configuration of the quantum cryptography communication system 100 of the embodiment. The quantum cryptographic communication system 100 of the embodiment includes two quantum cryptographic communication devices (transmitting device 10 and receiving device 20). The transmitting device 10 continuously transmits photons indicating qubits to the receiving device 20. In the embodiment, for convenience of explanation, the device on the side of transmitting photons is referred to as a transmitting device 10, but the transmitting device 10 may have a function of receiving photons. Similarly, the receiving device 20 may have a function of transmitting photons.

送信装置10及び受信装置20は、量子鍵データを使用して、暗号データを送受信する。量子鍵データの生成方法の詳細については、図2を参照して説明する。 The transmitting device 10 and the receiving device 20 use the quantum key data to transmit and receive encrypted data. The details of the method of generating the quantum key data will be described with reference to FIG.

[機能構成の例]
図2は実施形態の量子暗号通信システム100の機能構成の例を示す図である。実施形態の量子暗号通信システム100は、送信装置10及び受信装置20を備える。
[Example of functional configuration]
FIG. 2 is a diagram showing an example of the functional configuration of the quantum cryptography communication system 100 of the embodiment. The quantum cryptography communication system 100 of the embodiment includes a transmission device 10 and a reception device 20.

送信装置10及び受信装置20は、量子通信路1を介して接続されている。量子通信路1は、量子ビットを示す光子を送受信する光ファイバーである。量子通信路1は、1光子という非常に微弱な光を送受信するため、外乱の影響を受けやすい。 The transmitting device 10 and the receiving device 20 are connected to each other via the quantum communication path 1. The quantum channel 1 is an optical fiber that transmits and receives photons indicating qubits. Since the quantum channel 1 transmits and receives very weak light called one photon, it is easily affected by disturbance.

また、送信装置10及び受信装置20は、古典通信路2を介して接続されている。古典通信路2は、量子鍵データ105(205)を生成するための制御情報を送受信する。古典通信路2は、有線であっても無線であってもよく、また有線及び無線を組み合わせて実現してもよい。 Further, the transmitting device 10 and the receiving device 20 are connected via the classical communication path 2. The classical channel 2 transmits and receives control information for generating quantum key data 105 (205). The classical communication path 2 may be wired or wireless, or may be realized by combining wired and wireless.

送信装置10は、送信部11、シフティング処理部12、誤り訂正処理部13及び秘匿性増強処理部14を備える。 The transmission device 10 includes a transmission unit 11, a shifting processing unit 12, an error correction processing unit 13, and a confidentiality enhancement processing unit 14.

受信装置20は、受信部21、シフティング処理部22、誤り訂正処理部23及び秘匿性増強処理部24を備える。 The receiving device 20 includes a receiving unit 21, a shifting processing unit 22, an error correction processing unit 23, and a confidentiality enhancing processing unit 24.

送信部11は、単一光子を量子(暗号)通信路1経由で受信部21に送信する。そして、送信部11は、送信光子データ101をシフティング処理部12に入力する。受信部21は、送信装置10から単一光子を受信すると、受信光子データ201をシフティング処理部22に入力する。 The transmission unit 11 transmits a single photon to the reception unit 21 via the quantum (cryptographic) communication path 1. Then, the transmission unit 11 inputs the transmission photon data 101 to the shifting processing unit 12. When the receiving unit 21 receives a single photon from the transmitting device 10, the receiving photon data 201 is input to the shifting processing unit 22.

シフティング処理部12は、古典通信路2経由で通信されている制御情報を基に、量子鍵データ105に利用できるデータを選別して、シフト鍵データ103を生成する。同様に、シフティング処理部22は、古典通信路2経由で通信されている制御情報を基に、量子鍵データ205に利用できるデータを選別して、シフト鍵データ203を生成する。 The shifting processing unit 12 selects data that can be used for the quantum key data 105 based on the control information communicated via the classical communication path 2, and generates the shift key data 103. Similarly, the shifting processing unit 22 selects data that can be used for the quantum key data 205 based on the control information communicated via the classical communication path 2, and generates the shift key data 203.

誤り訂正処理部13は、シフティング処理部12からシフト鍵データ103を受け付けると、当該シフト鍵データ103に対応したシンドロームを生成し、また、シフト鍵データ103を、そのまま訂正鍵データ104として生成する。同様に、誤り訂正処理部23は、シフティング処理部22からシフト鍵データ203を受け付けると、当該シフト鍵データ203に含まれた誤りを訂正することにより、訂正鍵データ204を生成する。 When the error correction processing unit 13 receives the shift key data 103 from the shifting processing unit 12, it generates a syndrome corresponding to the shift key data 103, and also generates the shift key data 103 as the correction key data 104 as it is. .. Similarly, when the error correction processing unit 23 receives the shift key data 203 from the shifting processing unit 22, the error correction processing unit 23 corrects the error included in the shift key data 203 to generate the correction key data 204.

最後に、秘匿性増強処理部14は、誤り訂正処理部13から訂正鍵データ104を受け付けると、当該訂正鍵データ104を圧縮することにより、量子鍵データ105を生成する秘匿性増強処理を行う。秘匿性増強処理部14により行われる秘匿性増強処理により、量子鍵データ105の安全性を高めることができる。同様に、秘匿性増強処理部24は、誤り訂正処理部23から訂正鍵データ204を受け付けると、当該訂正鍵データ204を圧縮することにより、量子鍵データ205を生成する秘匿性増強処理を行う。秘匿性増強処理部24により行われる秘匿性増強処理により、量子鍵データ205の安全性を高めることができる。 Finally, when the confidentiality enhancement processing unit 14 receives the correction key data 104 from the error correction processing unit 13, the confidentiality enhancement processing for generating the quantum key data 105 is performed by compressing the correction key data 104. The security of the quantum key data 105 can be enhanced by the confidentiality enhancement processing performed by the confidentiality enhancement processing unit 14. Similarly, when the confidentiality enhancement processing unit 24 receives the correction key data 204 from the error correction processing unit 23, the confidentiality enhancement processing unit 24 performs the confidentiality enhancement processing to generate the quantum key data 205 by compressing the correction key data 204. The security of the quantum key data 205 can be enhanced by the confidentiality enhancement processing performed by the confidentiality enhancement processing unit 24.

なお、誤り訂正処理部13及び23、並びに、秘匿性増強処理部14及び24は、上述のシフティング処理部12及び22と同様に、処理に必要な制御情報を古典通信路2経由で送受信する。 Note that the error correction processing units 13 and 23 and the confidentiality enhancement processing units 14 and 24 transmit and receive control information necessary for processing via the classical communication path 2, similarly to the shifting processing units 12 and 22 described above. ..

図3は実施形態の誤り訂正処理部13及び23の機能構成の例を示す図である。実施形態の受信装置20の誤り訂正処理部13は、検査行列生成部131及びシンドローム生成部132を備える。実施形態の送信装置20の誤り訂正処理部23は、推定部231、設定部232、検査行列生成部233、復号部234、解析部235及びマージン計算部236を備える。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the error correction processing units 13 and 23 of the embodiment. The error correction processing unit 13 of the receiving device 20 of the embodiment includes an inspection matrix generation unit 131 and a syndrome generation unit 132. The error correction processing unit 23 of the transmission device 20 of the embodiment includes an estimation unit 231, a setting unit 232, an inspection matrix generation unit 233, a decoding unit 234, an analysis unit 235, and a margin calculation unit 236.

まず、受信装置20の誤り訂正処理部13は、シフト鍵データ103の一部を取り出して、部分シフト鍵データ106を生成し、当該部分シフト鍵データ106を古典通信路2経由で推定部231に送信する。 First, the error correction processing unit 13 of the receiving device 20 takes out a part of the shift key data 103, generates the partial shift key data 106, and transfers the partial shift key data 106 to the estimation unit 231 via the classical channel 2. Send.

一方、送信装置20の誤り訂正処理部23は、シフト鍵データ203の一部を取り出して、部分シフト鍵データ206を生成し、当該部分シフト鍵データ206を推定部231に入力する。推定部231は、部分シフト鍵データ106と部分シフト鍵データ206とを比較し、量子通信路1の推定誤り率207(誤り率の推定値)を推定する。 On the other hand, the error correction processing unit 23 of the transmission device 20 takes out a part of the shift key data 203, generates the partial shift key data 206, and inputs the partial shift key data 206 to the estimation unit 231. The estimation unit 231 compares the partial shift key data 106 with the partial shift key data 206, and estimates the estimated error rate 207 (estimated value of the error rate) of the quantum channel 1.

設定部232は、誤り率の推定誤差に対するマージンと、推定誤り率とに基づいて、設定誤り率及び設定誤り率に対応した設定情報(例えば、符号化率210)を設定する。なお、設定誤り率と推定誤り率とマージンとの関係式は、設定誤り率=推定誤り率×(1+マージン)であり、推定誤り率が4%で、マージンが20%の場合、設定誤り率は4.8%となる。設定部232は、符号化率210を検査行列生成部233に入力し、古典通信路2経由で検査行列生成部131に送信する。 The setting unit 232 sets the setting information (for example, the coding rate 210) corresponding to the setting error rate and the setting error rate based on the margin for the estimation error of the error rate and the estimated error rate. The relational expression between the setting error rate, the estimated error rate, and the margin is setting error rate = estimated error rate × (1 + margin), and when the estimated error rate is 4% and the margin is 20%, the setting error rate. Is 4.8%. The setting unit 232 inputs the coding rate 210 to the inspection matrix generation unit 233 and transmits it to the inspection matrix generation unit 131 via the classical channel 2.

検査行列生成部233は、符号化率に対応した検査行列211を生成し、当該検査行列211を復号部234に入力する。 The check matrix generation unit 233 generates a check matrix 211 corresponding to the coding rate, and inputs the check matrix 211 to the decoding unit 234.

一方、送信装置10の検査行列生成部131は、送信装置20から古典通信路2経由で受信された符号化率に対応した検査行列107を生成する。シンドローム生成部132は、検査行列107を使用して、シフト鍵データ103に対応したシンドローム108を生成し、当該シンドローム108を古典通信路2経由で復号部234に送信する。 On the other hand, the inspection matrix generation unit 131 of the transmission device 10 generates the inspection matrix 107 corresponding to the coding rate received from the transmission device 20 via the classical communication path 2. The syndrome generation unit 132 uses the check matrix 107 to generate a syndrome 108 corresponding to the shift key data 103, and transmits the syndrome 108 to the decoding unit 234 via the classical channel 2.

復号部234は、シンドローム108と検査行列211とを使用して、シフト鍵データ203の誤りを訂正することにより、訂正鍵データ212を生成し、当該訂正鍵データ212を秘匿性増強処理部24に入力する。また、送信装置10では、誤り訂正処理部13が、シフト鍵データ103を、そのまま訂正鍵データ104として、秘匿性増強処理部14に入力する。 The decoding unit 234 generates the correction key data 212 by correcting the error of the shift key data 203 by using the syndrome 108 and the check matrix 211, and the correction key data 212 is sent to the confidentiality enhancement processing unit 24. input. Further, in the transmission device 10, the error correction processing unit 13 inputs the shift key data 103 as the correction key data 104 into the confidentiality enhancement processing unit 14.

また、復号部234は、訂正情報213を解析部235に入力する。訂正情報213は、訂正鍵データ212及び訂正結果216(図4参照)を含む。なお、訂正結果216は誤り訂正が成功したか否かを示すデータである。 Further, the decoding unit 234 inputs the correction information 213 to the analysis unit 235. The correction information 213 includes the correction key data 212 and the correction result 216 (see FIG. 4). The correction result 216 is data indicating whether or not the error correction was successful.

解析部235は、シフティング処理部22からシフト鍵データ203を受け付け、推定部231から推定誤り率207を受け付け、復号部234から訂正情報213を受け付け、マージン計算部236からマージン209を受け付けると、推定誤差分布208を解析する。推定誤差分布208の解析処理の詳細については後述する。 When the analysis unit 235 receives the shift key data 203 from the shifting processing unit 22, the estimation error rate 207 is received from the estimation unit 231, the correction information 213 is received from the decoding unit 234, and the margin 209 is received from the margin calculation unit 236. The estimated error distribution 208 is analyzed. The details of the analysis process of the estimated error distribution 208 will be described later.

マージン計算部236は、マージンの更新タイミングに応じて、推定誤差分布208を使用して、マージン209の最適値を計算し、マージン209を更新する。以上が、誤り訂正処理部13及び23の一連の流れである。 The margin calculation unit 236 calculates the optimum value of the margin 209 by using the estimation error distribution 208 according to the update timing of the margin, and updates the margin 209. The above is a series of flows of the error correction processing units 13 and 23.

図4は実施形態の解析部235の機能構成の例を示す図である。実施形態の解析部235は、真値計算部2351、推定誤差計算部2352及び推定誤差分布計算部2353を備える。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the functional configuration of the analysis unit 235 of the embodiment. The analysis unit 235 of the embodiment includes a true value calculation unit 2351, an estimation error calculation unit 2352, and an estimation error distribution calculation unit 2353.

まず、真値計算部2351は、シフト鍵データ203と訂正鍵データ212とを受け付けると、シフト鍵データ203と訂正鍵データ212とを比較して、誤り率の真値(実際の誤り率)を計算する。次に、推定誤差計算部2352は、誤り率の真値と推定誤り率との差により、推定誤差を計算する。そして、推定誤差分布計算部2353は、マージン209と誤り率の真値214と推定誤差215と訂正結果216とから、推定誤差分布208を計算する。なお、推定誤差は、推定誤差=(誤り率の真値-推定誤り率)/推定誤り率で計算される。 First, when the true value calculation unit 2351 receives the shift key data 203 and the correction key data 212, the shift key data 203 and the correction key data 212 are compared, and the true value (actual error rate) of the error rate is obtained. calculate. Next, the estimation error calculation unit 2352 calculates the estimation error based on the difference between the true value of the error rate and the estimation error rate. Then, the estimation error distribution calculation unit 2353 calculates the estimation error distribution 208 from the margin 209, the true value 214 of the error rate, the estimation error 215, and the correction result 216. The estimation error is calculated by the estimation error = (true value of error rate-estimated error rate) / estimation error rate.

次に、推定誤差分布計算部2353における推定誤差分布208の計算方法について説明するが、その前に、実施形態の推定誤差分布208のデータ構造及び用語について説明する。実施形態の推定誤差分布208は、シフト鍵データ203の推定誤り率207の区間(推定誤り率領域)毎に計算される(図5参照)。 Next, the calculation method of the estimation error distribution 208 in the estimation error distribution calculation unit 2353 will be described, but before that, the data structure and terms of the estimation error distribution 208 of the embodiment will be described. The estimation error distribution 208 of the embodiment is calculated for each interval (estimation error rate region) of the estimation error rate 207 of the shift key data 203 (see FIG. 5).

図5は実施形態の推定誤り率領域の例を示す図である。図5の例では、推定誤差分布208は、推定誤り率領域-1の推定誤差分布208、推定誤り率領域-2の推定誤差分布208、推定誤り率領域-3の推定誤差分布208、推定誤り率領域-4の推定誤差分布208、及び、推定誤り率領域-5の推定誤差分布208に分けられている。ここで、誤り率の基準値とは、各推定誤り率領域における秘匿性増強処理の圧縮率を計算する時に使用される値(代表値)である。 FIG. 5 is a diagram showing an example of an estimated error rate region of the embodiment. In the example of FIG. 5, the estimation error distribution 208 is the estimation error distribution 208 of the estimation error rate region-1, the estimation error distribution 208 of the estimation error rate region-2, the estimation error distribution 208 of the estimation error rate region-3, and the estimation error. It is divided into an estimated error distribution 208 in the rate region-4 and an estimated error distribution 208 in the estimated error rate region-5. Here, the reference value of the error rate is a value (representative value) used when calculating the compression rate of the confidentiality enhancing process in each estimated error rate region.

次に、各推定誤り率領域の推定誤差分布208について説明する。具体例として、推定誤り率領域-3の推定誤差分布208の例を図6及び図7に示す。 Next, the estimation error distribution 208 of each estimation error rate region will be described. As a specific example, an example of the estimation error distribution 208 in the estimation error rate region-3 is shown in FIGS. 6 and 7.

図6は実施形態の推定誤り率領域-3の推定誤差分布208の例を示す図である。図7は、図6の推定誤差分布208の確率の値を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the estimation error distribution 208 of the estimation error rate region-3 of the embodiment. FIG. 7 is a diagram showing the value of the probability of the estimation error distribution 208 of FIG.

推定誤差(a)がマイナスの場合、誤り率の真値が、推定誤り率よりも小さいことを示す。例えば、推定誤り率が4%で、推定誤差が-20%の場合、誤り率の真値は、3.2%(=4%×(100%+(-20%)))となる。 When the estimation error (a) is negative, it indicates that the true value of the error rate is smaller than the estimation error rate. For example, when the estimated error rate is 4% and the estimation error is −20%, the true value of the error rate is 3.2% (= 4% × (100% + (-20%))).

逆に、推定誤差(a)がプラスの場合、誤り率の真値が推定誤り率よりも大きいことを示す。例えば、誤り率の推定値が4%で、推定誤差が+20%の場合、誤り率の真値は、4.8%(=4%×(100%+20%))となる。図6及び図7の例では、推定誤差を5%毎の領域に区切り、推定誤差の発生確率が推定誤差区間毎に求められている。 On the contrary, when the estimation error (a) is positive, it indicates that the true value of the error rate is larger than the estimation error rate. For example, when the estimated error rate is 4% and the estimated error is + 20%, the true value of the error rate is 4.8% (= 4% × (100% + 20%)). In the examples of FIGS. 6 and 7, the estimation error is divided into regions of every 5%, and the probability of occurrence of the estimation error is obtained for each estimation error section.

実施形態の推定誤差分布208は、推定誤差領域Aと推定誤差領域Bとを含む。推定誤差領域Aは、推定誤差が、更新前のマージン209(前回のマージン計算処理により計算され、現在、設定されているマージン209)以下の推定誤差区間全体を示す。推定誤差領域Bは、推定誤差が、更新前のマージン209を超える推定誤差区間全体を示す。図6の例では、推定誤り率領域-3における更新前のマージン209は、マージン209の大きさをCとすると、C=10%である。したがって、推定誤差領域Aは推定誤差がC(=10)%以下の推定誤差区間全体であり、推定誤差領域Bは推定誤差がC(=10)%を超える推定誤差区間全体である。 The estimation error distribution 208 of the embodiment includes an estimation error region A and an estimation error region B. The estimation error region A indicates the entire estimation error interval in which the estimation error is equal to or less than the margin 209 before the update (the margin 209 calculated by the previous margin calculation process and currently set). The estimation error region B shows the entire estimation error interval in which the estimation error exceeds the margin 209 before the update. In the example of FIG. 6, the margin 209 before update in the estimated error rate region-3 is C = 10%, where C is the size of the margin 209. Therefore, the estimation error region A is the entire estimation error interval in which the estimation error is C (= 10)% or less, and the estimation error region B is the entire estimation error interval in which the estimation error exceeds C (= 10)%.

推定誤差領域Aでは、推定誤差が更新前のマージン209よりも小さい領域であり、設定誤り率が誤り率の真値よりも大きい領域である。つまり、誤り訂正処理が成功している領域であると言える。この領域の推定誤差分布は、誤り訂正処理が成功した場合の推定誤差(誤り率の真値と推定誤り率との差)から計算できる。 The estimation error region A is a region in which the estimation error is smaller than the margin 209 before updating, and the setting error rate is larger than the true value of the error rate. In other words, it can be said that this is an area where error correction processing is successful. The estimated error distribution in this region can be calculated from the estimated error (difference between the true value of the error rate and the estimated error rate) when the error correction processing is successful.

一方、推定誤差領域Bでは、推定誤差が、更新前のマージン209よりも大きい領域であり、設定誤り率が誤り率の真値よりも小さい領域である。つまり、推定誤差領域Bは、常に誤り訂正処理が失敗している領域であると言えるので、誤り率の真値が得られない。したがって、推定誤差領域Aとは違い、推定誤差領域Bの推定誤差は正確に計算できないため、下記の2項目(α)及び(β)を仮定する。 On the other hand, in the estimation error region B, the estimation error is a region larger than the margin 209 before updating, and the setting error rate is a region smaller than the true value of the error rate. That is, it can be said that the estimation error area B is an area in which the error correction process always fails, so that the true value of the error rate cannot be obtained. Therefore, unlike the estimation error region A, the estimation error in the estimation error region B cannot be calculated accurately, so the following two items (α) and (β) are assumed.

(α)推定誤差領域Bの確率の総和Dは、マージン209をC%にした時の誤り訂正失敗確率に等しい。 (Α) The sum D of the probabilities of the estimation error region B is equal to the error correction failure probability when the margin 209 is set to C%.

推定誤差領域Bは、常に誤り訂正処理が失敗している領域であると言えるため、推定誤差領域Bの確率の総和は、マージン209をある値にしたときの誤り訂正失敗確率に等しい性質を持つ。図6の例の場合、マージン209の値Cは10%である。そのため、マージン209をC%にした時の誤り訂正失敗確率は、推定誤差aが10%<a≦15%の推定誤差区間の確率(5.8289%)、推定誤差aが15%<a≦20%の推定誤差区間の確率(1.695023%)、及び、推定誤差aが20%<aの推定誤差区間の確率(0.142144%)の総和(約7.66606%)となる。したがって、推定誤差領域Bの確率の総和Dは、約7.66606%となる。なお、マージン209をC%にした時の誤り訂正失敗確率は、訂正結果216から計算できる。 Since it can be said that the estimation error area B is an area in which the error correction processing always fails, the sum of the probabilities of the estimation error area B has a property equal to the error correction failure probability when the margin 209 is set to a certain value. .. In the case of the example of FIG. 6, the value C of the margin 209 is 10%. Therefore, the error correction failure probability when the margin 209 is set to C% is the probability of the estimation error interval (5.8289%) in which the estimation error a is 10% <a≤15%, and the estimation error a is 15% <a≤. It is the sum (about 7.666606%) of the probability of the estimation error section of 20% (1.695023%) and the probability of the estimation error section of 20% <a (0.142144%). Therefore, the total D of the probabilities of the estimation error region B is about 7.66660%. The error correction failure probability when the margin 209 is set to C% can be calculated from the correction result 216.

(β)マージン209の値をC%、推定誤差領域Bの確率の総和をD%、推定誤差領域Aにおける、推定誤差が-C%以下の確率の総和をE%とし、推定誤差領域Aにおける推定誤差aが-F%<a≦-G%の推定誤差区間の確率をH%とした時、推定誤差領域Bにおける推定誤差aがG%<a≦F%の推定誤差区間の確率Iは、I=H×(D/E)となる。 (Β) The value of the margin 209 is C%, the sum of the probabilities of the estimation error region B is D%, the sum of the probabilities of the estimation error of −C% or less in the estimation error region A is E%, and the sum of the probabilities is E%. When the probability of the estimation error section where the estimation error a is −F% <a ≦ −G% is H%, the probability I of the estimation error section where the estimation error a in the estimation error region B is G% <a ≦ F% is , I = H × (D / E).

項目(β)は、推定誤差領域Bにおける確率の変化の仕方が、推定誤差領域Aの-C%以上の変化の仕方と同じであるという仮定を前提にしている。例えば、マージン209の値Cが10%のとき、推定誤差領域Bは、推定誤差aが10%を超える値となっている。推定誤差aが10%<a≦15%の推定誤差区間の確率、及び、推定誤差aが15%<a≦20%の推定誤差区間の確率、及び、推定誤差aが20%<aの推定誤差区間の確率、の変化の仕方が、推定誤差領域Aの、推定誤差aが-15%<a-≦10%の推定誤差区間の確率、及び、推定誤差aが-20%<a-≦15%の推定誤差区間の確率、及び、推定誤差aがa-≦20%の推定誤差区間の確率、の変化の仕方に等しいということになる。図6の例の場合、マージン209の値Cは10%である。推定誤差領域Bの確率の総和Dは、約7.66606%である。推定誤差領域Aにおける、推定誤差が-10%以下の推定誤差区間の確率の総和Eは、約10.29181%であり、推定誤差領域Bにおける推定誤差aが-15%<a≦10%の推定誤差区間の確率Hは、7.825385%である。したがって、推定誤差領域Bの推定誤差aが10(=G)%<a≦15(=F)%の推定誤差区間の確率Iは、7.825385×(7.66606/10.29181)≒5.8289%となる。推定誤差領域Bのその他の推定誤差区間も同様にして求めることができる。 Item (β) is premised on the assumption that the way of changing the probability in the estimation error area B is the same as the way of changing the estimation error area A by −C% or more. For example, when the value C of the margin 209 is 10%, the estimation error region B has a value in which the estimation error a exceeds 10%. Estimated error a is 10% <a ≤ 15% probability of estimation error interval, estimation error a is 15% <a ≤ 20% probability of estimation error interval, and estimation error a is 20% <a The way in which the error interval probability changes is that the estimation error a is -15% <a− ≦ 10% in the estimation error region A, and the estimation error a is -20% <a− ≦. It means that the probability of the estimation error interval of 15% and the estimation error a are equal to the change of the probability of the estimation error interval of a− ≦ 20%. In the case of the example of FIG. 6, the value C of the margin 209 is 10%. The sum D of the probabilities of the estimation error region B is about 7.66660%. The total E of the probabilities of the estimation error interval with the estimation error of -10% or less in the estimation error region A is about 10.29181%, and the estimation error a in the estimation error region B is -15% <a≤10%. The probability H of the estimation error interval is 7.825385%. Therefore, the probability I of the estimation error interval in which the estimation error a of the estimation error region B is 10 (= G)% <a≤15 (= F)% is 7.825385 × (7.66606 / 10.29181) ≈5. It will be 8.8289%. Other estimation error intervals in the estimation error region B can be obtained in the same manner.

<推定誤差分布の計算方法の例>
図8は実施形態の推定誤差分布208の計算方法の例を示すフローチャートである。はじめに、推定誤差分布計算部2353が、推定誤り率207から、推定誤り率領域を決定する(ステップS1)。推定誤り率領域の決定方法は、例えば図5に従う。
<Example of calculation method of estimated error distribution>
FIG. 8 is a flowchart showing an example of the calculation method of the estimation error distribution 208 of the embodiment. First, the estimation error distribution calculation unit 2353 determines the estimation error rate region from the estimation error rate 207 (step S1). The method for determining the estimated error rate region follows, for example, FIG.

次に、推定誤差分布計算部2353は、ステップS1の処理により決定された推定誤り率領域において、更新前のマージンが設定されている場合の誤り訂正失敗確率を計算する(ステップS2)。 Next, the estimation error distribution calculation unit 2353 calculates the error correction failure probability when the margin before update is set in the estimation error rate region determined by the process of step S1 (step S2).

次に、推定誤差分布計算部2353は、推定誤差領域Aの推定誤差分布を計算し(ステップS3)、最後に、推定誤差領域Bの推定誤差分布を計算する(ステップS4)。推定誤差領域Aの推定誤差分布の計算に関しては、推定誤差計算部2352から出力される推定誤差を基に計算すればよい。推定誤差領域Bの推定誤差分布の計算手順は下記の通りである。なお、アルファベットC~Iの定義は上述の定義と同じである。 Next, the estimation error distribution calculation unit 2353 calculates the estimation error distribution of the estimation error region A (step S3), and finally calculates the estimation error distribution of the estimation error region B (step S4). The estimation error distribution of the estimation error region A may be calculated based on the estimation error output from the estimation error calculation unit 2352. The procedure for calculating the estimated error distribution in the estimated error region B is as follows. The definitions of the alphabets C to I are the same as the above definitions.

(1)更新前のマージン(C%)が設定されている場合の誤り訂正失敗確率を読み込み、この値を推定誤差領域Bの確率の総和Dとする。
(2)推定誤差領域Aにおける、推定誤差が-C%以下の確率の総和Eを求める。
(3)上述の項目(β)に従い、推定誤差領域Bにおける、各推定区間の確率を計算する。
(1) The error correction failure probability when the margin (C%) before update is set is read, and this value is set as the sum total D of the probabilities of the estimation error region B.
(2) Obtain the sum E of the probabilities that the estimation error is −C% or less in the estimation error region A.
(3) According to the above item (β), the probability of each estimated interval in the estimation error region B is calculated.

<マージンの計算方法の例>
図9は実施形態のマージン209の計算方法の例を示すフローチャートである。まず、マージン計算部236は、マージン計算対象となる当該推定誤り率領域(図5参照)における推定誤差分布を使用して、当該推定誤り率領域における誤り率の分布を計算する(ステップS11)。当該推定誤り率領域における誤り率の分布の計算方法の詳細については後述する。
<Example of margin calculation method>
FIG. 9 is a flowchart showing an example of the calculation method of the margin 209 of the embodiment. First, the margin calculation unit 236 calculates the error rate distribution in the estimated error rate region using the estimated error distribution in the estimated error rate region (see FIG. 5) to be the margin calculation target (step S11). The details of the calculation method of the error rate distribution in the estimated error rate region will be described later.

次に、マージン計算部236は、誤り率の分布の各誤り率領域において、マージン209の候補値を設定した時の秘匿性増強処理の圧縮率を示す圧縮率データテーブルを参照する(ステップS12)。圧縮率データテーブルの詳細については後述する。 Next, the margin calculation unit 236 refers to a compression rate data table showing the compression rate of the confidentiality enhancement process when the candidate value of the margin 209 is set in each error rate region of the error rate distribution (step S12). .. The details of the compression rate data table will be described later.

次に、マージン計算部236は、誤り率の分布の各誤り率領域において、マージン209の候補値に設定した時の、圧縮率の期待値を計算し(ステップS13)、当該圧縮率の期待値が最大となるマージン209の候補値を、当該誤り率領域におけるマージン209として選択する(ステップS14)。以上が、マージン209の計算方法の例である。 Next, the margin calculation unit 236 calculates the expected value of the compression rate when the candidate value of the margin 209 is set in each error rate region of the error rate distribution (step S13), and the expected value of the compression rate. The candidate value of the margin 209 that maximizes is selected as the margin 209 in the error rate region (step S14). The above is an example of the calculation method of the margin 209.

次に、具体的な数値を挙げて、マージン209の計算方法を説明する。推定誤り率領域の設定を図5とし、推定誤り率領域-3のマージン209の最適値を求める場合について説明する。推定誤り率領域-3の推定誤差分布を図6及び図7とし、マージン209の候補値を0%、5%、10%、15%及び20%とする。 Next, a method of calculating the margin 209 will be described with specific numerical values. The case where the setting of the estimated error rate region is shown in FIG. 5 and the optimum value of the margin 209 of the estimated error rate region-3 is obtained will be described. The estimation error distribution of the estimation error rate region-3 is shown in FIGS. 6 and 7, and the candidate values of the margin 209 are 0%, 5%, 10%, 15%, and 20%.

まず、マージン計算部236は、推定誤り率領域-3における誤り率の分布を推定誤り率領域-3の推定誤差分布から求める。具体的には、マージン計算部236は、推定誤り率領域-3の誤り率の基準値4%と、推定誤差aとから、誤り率Qを計算する。例えば、推定誤差aが-5%<a≦0%の推定誤差区間に関しては、誤り率Qを3.8%<Q≦4%とし、推定誤差aが0%<a≦5%の推定誤差区間に関しては、誤り率Qを4%<Q≦4.2%とし、推定誤差aが5%<a≦10%の推定誤差区間に関しては、誤り率を4.2%<Q≦4.4%未満とする。その他の推定誤差区間に関しても同様に変換する。また、マージン計算部236は、各誤り率区間の誤り率の代表値も決定する。代表値は、各誤り率区間の範囲にある値とする。変換した結果、誤り率の分布は図10のようになる。 First, the margin calculation unit 236 obtains the distribution of the error rate in the estimated error rate region-3 from the estimated error distribution in the estimated error rate region-3. Specifically, the margin calculation unit 236 calculates the error rate Q from the reference value 4% of the error rate in the estimation error rate region-3 and the estimation error a. For example, for an estimation error interval in which the estimation error a is -5% <a≤0%, the error rate Q is 3.8% <Q≤4%, and the estimation error a is 0% <a≤5%. For the interval, the error rate Q is 4% <Q≤4.2%, and for the estimation error interval where the estimation error a is 5% <a≤10%, the error rate is 4.2% <Q≤4.4. It shall be less than%. The other estimation error intervals are converted in the same manner. The margin calculation unit 236 also determines a representative value of the error rate in each error rate interval. The representative value shall be a value within the range of each error rate interval. As a result of the conversion, the distribution of the error rate is as shown in FIG.

図10は実施形態の推定誤り率領域-3における誤り率の分布の例を示す図である。図10に示す誤り率の分布は、量子通信路1の誤り率を4%と推定した時の実際の誤り率分布に等しい。 FIG. 10 is a diagram showing an example of the distribution of the error rate in the estimated error rate region-3 of the embodiment. The error rate distribution shown in FIG. 10 is equal to the actual error rate distribution when the error rate of the quantum channel 1 is estimated to be 4%.

次に、マージン計算部236は、マージン209の各候補値を利用した時の秘匿性増強処理の圧縮率を参照する。圧縮率は、(秘匿性増強処理1回あたりに出力される量子鍵のデータ長/秘匿性増強処理1回あたりに入力される訂正鍵のデータ長)となっており、誤り訂正方式の訂正能力及び非特許文献4に従って予め求められる。圧縮率の値は、マージン計算部236内の圧縮率データテーブルに格納されている。 Next, the margin calculation unit 236 refers to the compression rate of the confidentiality enhancement processing when each candidate value of the margin 209 is used. The compression ratio is (data length of the quantum key output per confidentiality enhancement process / data length of the correction key input per confidentiality enhancement process), and the correction capability of the error correction method. And in accordance with Non-Patent Document 4, it is obtained in advance. The value of the compression rate is stored in the compression rate data table in the margin calculation unit 236.

図11は実施形態の推定誤り率領域-3における圧縮率データテーブルの例を示す図である。図11の圧縮率データテーブルの誤り率の代表値は、受信装置20のシフト鍵データ203の誤り率に対応する。図11の圧縮率データテーブルは、マージン209を0%から20%まで5%刻みで変化させたときの圧縮率を示している。訂正可能誤り率とは、誤り訂正処理が訂正できる誤り率の最大値である。例えば、マージンが0%の場合は訂正可能誤り率が4%、マージンが5%の場合は訂正可能誤り率が4.2%、マージンが10%の場合は訂正可能誤り率が4.4%、マージンが15%の場合は訂正可能誤り率が4.6%、マージンが20%の場合は訂正可能誤り率が4.8%となっている。 FIG. 11 is a diagram showing an example of a compression rate data table in the estimation error rate region-3 of the embodiment. The representative value of the error rate in the compression rate data table of FIG. 11 corresponds to the error rate of the shift key data 203 of the receiving device 20. The compression rate data table of FIG. 11 shows the compression rate when the margin 209 is changed from 0% to 20% in 5% increments. The correctable error rate is the maximum value of the error rate that can be corrected by the error correction process. For example, if the margin is 0%, the correctable error rate is 4%, if the margin is 5%, the correctable error rate is 4.2%, and if the margin is 10%, the correctable error rate is 4.4%. When the margin is 15%, the correctable error rate is 4.6%, and when the margin is 20%, the correctable error rate is 4.8%.

例えば、訂正可能誤り率が4.0%で、誤り率の代表値が3.8%(シフト鍵データ203の誤り率が3.8%)であった場合、上述の設定誤り率が4.0%に対応した符号化率の検査行列を使用して誤り訂正処理が行われる。そして、秘匿性増強処理では、訂正鍵データ204が0.24765に圧縮されることにより、量子鍵データ205が生成される。 For example, when the correctable error rate is 4.0% and the representative value of the error rate is 3.8% (the error rate of the shift key data 203 is 3.8%), the above-mentioned setting error rate is 4. Error correction processing is performed using the check matrix with the coding rate corresponding to 0%. Then, in the confidentiality enhancement process, the correction key data 204 is compressed to 0.24765, so that the quantum key data 205 is generated.

また例えば、訂正可能誤り率が4.0%で、誤り率の代表値が4.2%(シフト鍵データ203の誤り率が4.2%)であった場合、上述の設定誤り率が4.0%に対応した符号化率の検査行列を使用して誤り訂正処理が行われる。この場合、誤り訂正処理部23は、誤り訂正に失敗するため、訂正鍵データ212が秘匿性増強処理部24には送信されず、量子鍵データ205は生成されない。よって、訂正可能誤り率が4.0%で、誤り率の代表値が4.2%(シフト鍵データ203の誤り率が4.2%)であった場合は、0(訂正失敗)となる。 Further, for example, when the correctable error rate is 4.0% and the representative value of the error rate is 4.2% (the error rate of the shift key data 203 is 4.2%), the above-mentioned setting error rate is 4. Error correction processing is performed using a code rate check matrix corresponding to 0.0%. In this case, since the error correction processing unit 23 fails to correct the error, the correction key data 212 is not transmitted to the confidentiality enhancement processing unit 24, and the quantum key data 205 is not generated. Therefore, if the correctable error rate is 4.0% and the representative value of the error rate is 4.2% (the error rate of the shift key data 203 is 4.2%), it becomes 0 (correction failure). ..

次に、マージン計算部236は、マージン209の各候補値を使用した場合の圧縮率の期待値を計算する。本例(推定誤り率領域-3)の場合、図10に示す誤り率の分布、及び、図11に示す圧縮率テーブルを利用して、マージン209の各候補値の圧縮率の期待値を計算する。 Next, the margin calculation unit 236 calculates the expected value of the compression rate when each candidate value of the margin 209 is used. In the case of this example (estimated error rate region-3), the expected value of the compression rate of each candidate value of the margin 209 is calculated using the error rate distribution shown in FIG. 10 and the compression rate table shown in FIG. do.

まず、マージン計算部236は、マージン209を0%に設定した時の圧縮率の期待値を求める場合、図10の各誤り率の代表値に対応した確率と、図11のマージンが0%の場合の各誤り率の代表値に対応した圧縮率とをそれぞれ掛け合わせる。例えば、図10の誤り率の代表値が3.2%のときの確率(0.19083%)と、図11のマージンが0%で誤り率の代表値が3.2%のときの0.27933とを掛け合わせる。 First, when the margin calculation unit 236 obtains the expected value of the compression rate when the margin 209 is set to 0%, the probability corresponding to the representative value of each error rate in FIG. 10 and the margin in FIG. 11 are 0%. Multiply the compression rate corresponding to the representative value of each error rate in the case. For example, the probability (0.19083%) when the representative value of the error rate in FIG. 10 is 3.2%, and 0 when the margin in FIG. 11 is 0% and the representative value of the error rate is 3.2%. Multiply with 27933.

マージン計算部236は、各誤り率の代表値に対して掛け合わせた値を全て足し合わせることにより、マージン209の各候補値における圧縮率の期待値を計算する。例えば、図10に示す誤り率の分布、及び、図11に示す圧縮率テーブルを使用して計算された、マージン209が0%の場合の圧縮率の期待値は、0.130765409となる。 The margin calculation unit 236 calculates the expected value of the compression rate at each candidate value of the margin 209 by adding all the values multiplied by the representative value of each error rate. For example, the error rate distribution shown in FIG. 10 and the expected value of the compression rate when the margin 209 is 0% calculated using the compression rate table shown in FIG. 11 are 0.130765409.

図12は実施形態のマージン209の候補値毎の圧縮率の期待値の例を示す図である。マージン計算部236は、マージン209の各候補値の圧縮率の期待値を計算した後、当該期待値が最大値となるマージン209の候補値を、マージン209の更新値として選択する。図12の例の場合、マージン209が15%のとき、圧縮率の期待値が最大となるため、誤り率推定領域-3のマージン209の更新値は15%となる。 FIG. 12 is a diagram showing an example of an expected value of the compression rate for each candidate value of the margin 209 of the embodiment. The margin calculation unit 236 calculates the expected value of the compression rate of each candidate value of the margin 209, and then selects the candidate value of the margin 209 at which the expected value becomes the maximum value as the update value of the margin 209. In the case of the example of FIG. 12, when the margin 209 is 15%, the expected value of the compression rate is the maximum, so that the update value of the margin 209 of the error rate estimation region-3 is 15%.

マージン計算部236は、以上のマージン209の更新値の計算を、全推定誤り率領域において実施し、全推定誤り率領域におけるマージン209を更新する。 The margin calculation unit 236 calculates the updated value of the above margin 209 in the total estimated error rate region, and updates the margin 209 in the total estimated error rate region.

ここで、推定誤差分布のばらつきとマージン209の大きさとの関係について説明する。 Here, the relationship between the variation in the estimation error distribution and the size of the margin 209 will be described.

図13は実施形態の推定誤差分布の例を示す図である。例えば、推定誤差分布のばらつきが大きい場合(図13では、標準偏差σが大きくなる場合)、マージン209が小さく設定(例えば0%等に設定)されてしまうと、誤り訂正失敗確率が非常に大きくなってしまうため、結果的に量子鍵生成速度が低下してしまう。そのため、推定誤差分布のばらつきが大きい場合、マージン209は、推定誤差分布のばらつきが小さい場合よりも大きく取る必要がある。 FIG. 13 is a diagram showing an example of the estimation error distribution of the embodiment. For example, if the estimation error distribution has a large variation (in FIG. 13, the standard deviation σ becomes large) and the margin 209 is set small (for example, set to 0%), the error correction failure probability becomes very large. As a result, the quantum key generation speed decreases. Therefore, when the variation in the estimation error distribution is large, the margin 209 needs to be larger than when the variation in the estimation error distribution is small.

逆に、推定誤差分布のばらつきが小さい場合(図13では、標準偏差σが小さくなる)、推定誤差分布のばらつきが大きい場合よりもマージンを小さくしても、誤り訂正失敗確率は小さくなる。よって、推定誤差分布のばらつきに応じて、マージンの設定量を可変にすることで、量子鍵の生成速度を最適にすることができる。 On the contrary, when the variation of the estimation error distribution is small (in FIG. 13, the standard deviation σ is small), the error correction failure probability is small even if the margin is made smaller than that when the variation of the estimation error distribution is large. Therefore, the quantum key generation speed can be optimized by making the margin setting amount variable according to the variation in the estimation error distribution.

また、非特許文献4に基づいて量子鍵データ205の圧縮率を計算した場合、量子通信路1の誤り率が大きいほど、シンドローム108の送信データ長が圧縮率に与える影響が大きくなる。 Further, when the compression rate of the quantum key data 205 is calculated based on Non-Patent Document 4, the larger the error rate of the quantum communication path 1, the greater the influence of the transmission data length of the syndrome 108 on the compression rate.

図14は実施形態のefficiency特性の例を示す図である。図14の例では、各誤り率における圧縮率のefficiency特性が示されている。図14のグラフは、非特許文献4に基づいて計算されている。 FIG. 14 is a diagram showing an example of efficiency characteristics of the embodiment. In the example of FIG. 14, the efficiency characteristics of the compression rate at each error rate are shown. The graph of FIG. 14 is calculated based on Non-Patent Document 4.

図14の横軸はefficiencyで、誤り訂正に必要なシンドロームデータ長の符号理論的最小値(シャノン限界に基づく最小値)を1としたとき、実際の誤り訂正で利用したシンドロームデータ長である。つまり、efficiencyが大きいほど、実際の誤り訂正で利用したシンドロームデータ長が大きくなる。 The horizontal axis of FIG. 14 is efficacy, which is the syndrome data length used in the actual error correction when the code-theoretical minimum value (minimum value based on the Shannon limit) of the syndrome data length required for error correction is 1. That is, the larger the efficiency, the larger the syndrome data length used in the actual error correction.

図14の縦軸は圧縮率だが、各誤り率において、efficiencyが1のときの圧縮率に規格化している。図14を見ると分かるように、efficiencyが大きくなると圧縮率が小さくなり、1回あたりの量子鍵データ205の生成量が小さくなる。これは、efficiencyが大きくなると古典通信路2上に流れるデータ量が大きくなるためである。また、誤り率が高い程、efficiencyが大きくなった時の圧縮率の減少率が高いことも分かる。 The vertical axis of FIG. 14 is the compression rate, but each error rate is standardized to the compression rate when the efficiency is 1. As can be seen from FIG. 14, as the efficiency increases, the compression rate decreases, and the amount of quantum key data 205 generated at one time decreases. This is because the amount of data flowing on the classical channel 2 increases as the efficiency increases. It can also be seen that the higher the error rate, the higher the rate of decrease in the compression rate when the efficiency increases.

マージン209とefficiencyとの関係に関しては、マージン209が大きいほど、結果的にシンドローム108の通信量も大きくなっているため、efficiencyも大きくなる。したがって、誤り率が高いほど、マージンの増大による圧縮率の低下が大きいため、マージンを小さく設定しなければならない。本実施形態のように、誤り率に応じてマージンを変化させることで、量子鍵データ205の生成速度を最適にすることができる。 Regarding the relationship between the margin 209 and the efficiency, the larger the margin 209, the larger the communication amount of the syndrome 108 as a result, and therefore the larger the efficiency. Therefore, the higher the error rate, the larger the decrease in the compression rate due to the increase in the margin, so the margin must be set small. By changing the margin according to the error rate as in the present embodiment, the generation speed of the quantum key data 205 can be optimized.

図15Aは実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1の場合)を示す図である。図15Bは実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1.25の場合)を示す図である。図15Cは実施形態の圧縮率の期待値の例(σ=1.5の場合)を示す図である。図16Aは実施形態のマージン209の最適値の例(σ=1の場合)を示す図である。図16Bは実施形態のマージン209の最適値の例(σ=1.25の場合)を示す図である。図16Cは実施形態のマージン209の最適値の例(σ=1.5の場合)を示す図である。 FIG. 15A is a diagram showing an example of an expected value of the compression rate of the embodiment (when σ = 1). FIG. 15B is a diagram showing an example of an expected value of the compression rate of the embodiment (in the case of σ = 1.25). FIG. 15C is a diagram showing an example of an expected value of the compression rate of the embodiment (in the case of σ = 1.5). FIG. 16A is a diagram showing an example (when σ = 1) of the optimum value of the margin 209 of the embodiment. FIG. 16B is a diagram showing an example of the optimum value of the margin 209 of the embodiment (in the case of σ = 1.25). FIG. 16C is a diagram showing an example of the optimum value of the margin 209 of the embodiment (when σ = 1.5).

図16A乃至16Cを見ると分かるように、全ての標準偏差σの場合で、誤り率が大きいほどマージン209の最適値は小さくなる。また、ほとんどの場合、推定誤差分布の標準偏差σが大きいほどマージン209の最適値は大きくなる。 As can be seen from FIGS. 16A to 16C, in the case of all standard deviations σ, the larger the error rate, the smaller the optimum value of the margin 209. Further, in most cases, the larger the standard deviation σ of the estimation error distribution, the larger the optimum value of the margin 209.

上記の推定誤り率領域を始めとするパラメータの設定例は一例であり、どのように変更しても良い。また、マージン209の更新タイミングは任意でよい。例えば、マージン209は、マージン209を更新するために必要な新たなデータが十分に溜まった場合に再計算されてもよい。また例えば、マージン209は、所定の時間が経過する度に(定期的に)更新されてもよい。また、推定誤り率分布の計算で利用したサンプル数が非常に少ない場合は、マージン計算部236で求めたマージン209ではなく、量子暗号通信の動作を開始したときの、マージン209の初期値をマージン209の更新値として利用しても良い。 The parameter setting example including the estimation error rate region described above is an example, and may be changed in any way. Further, the update timing of the margin 209 may be arbitrary. For example, the margin 209 may be recalculated when sufficient new data is accumulated to update the margin 209. Also, for example, the margin 209 may be updated (regularly) every time a predetermined time elapses. If the number of samples used in the calculation of the estimated error rate distribution is very small, the initial value of the margin 209 when the quantum cryptography communication operation is started is used as the margin instead of the margin 209 obtained by the margin calculation unit 236. It may be used as an update value of 209.

最後に、実施形態の送信装置10及び受信装置20のハードウェア構成の例について説明する。 Finally, an example of the hardware configuration of the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment will be described.

[ハードウェア構成の例]
図17は実施形態の送信装置10及び受信装置20の主要部の構成の例を示す図である。実施形態の送信装置10及び受信装置20は、制御装置301、主記憶装置302、補助記憶装置303、表示装置304、入力装置305、量子通信IF(Interface)306及び古典通信IF307を備える。
[Example of hardware configuration]
FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of the main parts of the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment. The transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment include a control device 301, a main storage device 302, an auxiliary storage device 303, a display device 304, an input device 305, a quantum communication IF (Interface) 306, and a classical communication IF 307.

制御装置301、主記憶装置302、補助記憶装置303、表示装置304、入力装置305、量子通信IF306及び古典通信IF307は、バス310を介して接続されている。 The control device 301, the main storage device 302, the auxiliary storage device 303, the display device 304, the input device 305, the quantum communication IF 306, and the classical communication IF 307 are connected via the bus 310.

制御装置301は、補助記憶装置303から主記憶装置302に読み出されたプログラムを実行する。主記憶装置302は、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等のメモリである。補助記憶装置303は、HDD(Hard Disk Drive)及びメモリカード等である。 The control device 301 executes the program read from the auxiliary storage device 303 to the main storage device 302. The main storage device 302 is a memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory). The auxiliary storage device 303 is an HDD (Hard Disk Drive), a memory card, or the like.

表示装置304は、送信装置10及び受信装置20の状態等を表示する。入力装置305はユーザーからの入力を受け付ける。 The display device 304 displays the status of the transmitting device 10 and the receiving device 20 and the like. The input device 305 accepts input from the user.

量子通信IF306は、量子通信路1に接続するためのインターフェースである。古典通信IF307は、古典通信路2に接続するためのインターフェースである。 The quantum communication IF 306 is an interface for connecting to the quantum communication path 1. The classical communication IF 307 is an interface for connecting to the classical communication path 2.

実施形態の送信装置10及び受信装置20で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD-ROM、メモリカード、CD-R、及び、DVD(Digital Versatile Disc)等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。 The program executed by the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment is a file in an installable format or an executable format, such as a CD-ROM, a memory card, a CD-R, and a DVD (Digital Versaille Disc). It is stored on a computer-readable storage medium and provided as a computer program product.

また実施形態の送信装置10及び受信装置20で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。 Further, the program executed by the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading via the network.

また実施形態の送信装置10及び受信装置20が実行するプログラムを、ダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。 Further, the program executed by the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment may be configured to be provided via a network such as the Internet without being downloaded.

また実施形態の送信装置10及び受信装置20で実行されるプログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。 Further, the program executed by the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment may be configured to be provided by incorporating it into a ROM or the like in advance.

実施形態の送信装置10及び受信装置20で実行されるプログラムは、実施形態の送信装置10及び受信装置20の機能構成のうち、プログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっている。 The program executed by the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment has a module configuration including functions that can be realized by the program among the functional configurations of the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment.

プログラムにより実現される機能は、制御装置301が補助記憶装置303等の記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、主記憶装置302にロードされる。すなわちプログラムにより実現される機能は、主記憶装置302上に生成される。 The function realized by the program is loaded into the main storage device 302 by the control device 301 reading the program from the storage medium such as the auxiliary storage device 303 and executing the program. That is, the function realized by the program is generated on the main storage device 302.

なお実施形態の送信装置10及び受信装置20の機能の一部又は全部を、IC(Integrated Circuit)等のハードウェアにより実現してもよい。ICは、例えば専用の処理を実行するプロセッサである。 A part or all of the functions of the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment may be realized by hardware such as an IC (Integrated Circuit). The IC is, for example, a processor that executes dedicated processing.

また複数のプロセッサを用いて各機能を実現する場合、各プロセッサは、各機能のうち1つを実現してもよいし、各機能のうち2つ以上を実現してもよい。 Further, when each function is realized by using a plurality of processors, each processor may realize one of each function, or may realize two or more of each function.

また実施形態の送信装置10及び受信装置20の動作形態は任意でよい。実施形態の送信装置10及び受信装置20を、例えばネットワーク上のクラウドシステムを構成する装置として動作させてもよい。 Further, the operation mode of the transmission device 10 and the reception device 20 of the embodiment may be arbitrary. The transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment may be operated as devices constituting a cloud system on a network, for example.

以上、説明したように、実施形態の受信装置20(量子暗号通信装置)では、推定部231が、シフト鍵データ203の推定誤り率207を推定する。マージン計算部236が、推定誤り率207に基づいて、推定誤り率207のマージン209を計算する。そして、設定部232が、推定誤り率207とマージン209とに基づいて、シフト鍵データ203の誤り訂正処理の設定情報(例えば、符号化率210)を設定する。これにより実施形態の受信装置20によれば、誤り訂正処理の設定情報をより適切に設定することができる。 As described above, in the receiving device 20 (quantum cryptography communication device) of the embodiment, the estimation unit 231 estimates the estimation error rate 207 of the shift key data 203. The margin calculation unit 236 calculates the margin 209 of the estimated error rate 207 based on the estimated error rate 207. Then, the setting unit 232 sets the setting information (for example, the coding rate 210) of the error correction processing of the shift key data 203 based on the estimated error rate 207 and the margin 209. Thereby, according to the receiving device 20 of the embodiment, the setting information of the error correction processing can be set more appropriately.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

10 送信装置
11 送信部
12 シフティング処理部
13 誤り訂正処理部
14 秘匿性増強処理部
20 受信装置
21 受信部
22 シフティング処理部
23 誤り訂正処理部
24 秘匿性増強処理部
100 量子暗号通信システム
131 検査行列生成部
132 シンドローム生成部
231 推定部
232 設定部
233 検査行列生成部
234 復号部
235 解析部
236 マージン計算部
301 制御装置
302 主記憶装置
303 補助記憶装置
304 表示装置
305 入力装置
306 量子通信IF
307 古典通信IF
310 バス
2351 真値計算部
2352 推定誤差計算部
2353 推定誤差分布計算部
10 Transmitter 11 Transmitter 12 Shifting processing unit 13 Error correction processing unit 14 Confidentiality enhancement processing unit 20 Receiver 21 Receiver unit 22 Shifting processing unit 23 Error correction processing unit 24 Confidentiality enhancement processing unit 100 Quantum cryptography communication system 131 Inspection matrix generation unit 132 Syndrome generation unit 231 Estimating unit 232 Setting unit 233 Inspection matrix generation unit 234 Decoding unit 235 Analysis unit 236 Margin calculation unit 301 Control device 302 Main memory device 303 Auxiliary storage device 304 Display device 305 Input device 306 Quantum communication IF
307 Classic communication IF
310 Bus 2351 True value calculation unit 2352 Estimated error calculation unit 2353 Estimated error distribution calculation unit

Claims (9)

シフト鍵データの推定誤り率を推定する推定部と、
前記推定誤り率、及び、前記シフト鍵データの誤り率の真値と前記推定誤り率との差を示す推定誤差aが発生する確率の分布を示す推定誤差分布に基づいて、前記推定誤り率をより大きく推定する割合を示すマージンを計算するマージン計算部と、
前記推定誤り率と前記マージンとに基づいて、前記シフト鍵データの誤り訂正処理の設定情報を設定する設定部と、
を備える量子暗号通信装置。
An estimation unit that estimates the estimation error rate of shift key data,
The estimated error rate is calculated based on the estimated error rate and the estimated error distribution showing the distribution of the probability that the estimated error a indicating the difference between the true value of the error rate of the shift key data and the estimated error rate is generated. A margin calculation unit that calculates a margin that indicates a larger estimation rate ,
A setting unit for setting setting information for error correction processing of the shift key data based on the estimated error rate and the margin.
Quantum cryptographic communication device equipped with.
前記マージン計算部は、前記シフト鍵データの推定誤り率の区間毎に、前記マージンを更新する、
請求項1に記載の量子暗号通信装置。
The margin calculation unit updates the margin for each interval of the estimation error rate of the shift key data.
The quantum cryptography communication device according to claim 1.
前記マージン計算部は、前記マージンの候補値毎に定められた、誤り率に応じた秘匿性増強処理の圧縮率と、前記推定誤差分布とを使用して、前記マージンの候補値毎に前記圧縮率の期待値を計算し、前記期待値が最大となる前記マージンの候補値を選択することにより、前記マージンを計算する、
請求項に記載の量子暗号通信装置。
The margin calculation unit uses the compression rate of the confidentiality enhancement processing according to the error rate determined for each candidate value of the margin and the estimated error distribution, and the compression is performed for each candidate value of the margin. The margin is calculated by calculating the expected value of the rate and selecting the candidate value of the margin that maximizes the expected value.
The quantum cryptography communication device according to claim 1 .
前記マージン計算部は、所定のタイミングで前記マージンを計算することにより、前記マージンを更新し、更新前の前記マージンの値をC%としたとき、前記推定誤差aがa≦C%となる推定誤差領域Aと、前記推定誤差aがC%<aとなる推定誤差領域Bとに分けて前記推定誤差分布を計算する、
請求項に記載の量子暗号通信装置。
The margin calculation unit updates the margin by calculating the margin at a predetermined timing, and when the value of the margin before the update is C%, the estimation error a is estimated to be a ≦ C%. The estimation error distribution is calculated by dividing the error region A and the estimation error region B in which the estimation error a is C% <a.
The quantum cryptography communication device according to claim 1 .
前記推定誤差領域Bの確率の総和をD%とした時、Dは、マージンをC%にした時の誤り訂正失敗確率に等しい、
請求項に記載の量子暗号通信装置。
When the sum of the probabilities of the estimation error region B is D%, D is equal to the error correction failure probability when the margin is C%.
The quantum cryptography communication device according to claim 4 .
前記推定誤差領域Aにおける、推定誤差aがa≦-C%以下の推定誤差区間の確率の総和をE%とし、推定誤差領域Aにおける推定誤差aが-F%<a≦-G%の推定誤差区間の確率をH%とした時、推定誤差領域Bにおける推定誤差aがG%<a≦F%の推定誤差区間の確率Iは、I=H×(D/E)により計算される、
請求項に記載の量子暗号通信装置。
The sum of the probabilities of the estimation error interval in which the estimation error a is a ≦ −C% or less in the estimation error region A is E%, and the estimation error a in the estimation error region A is −F% <a ≦ −G%. When the probability of the error interval is H%, the probability I of the estimation error interval in which the estimation error a in the estimation error region B is G% <a≤F% is calculated by I = H × (D / E).
The quantum cryptography communication device according to claim 4 .
送信装置と受信装置とが量子通信路を介して接続された量子暗号通信システムであって、
前記受信装置は、
シフト鍵データの推定誤り率を推定する推定部と、
前記推定誤り率、及び、前記シフト鍵データの誤り率の真値と前記推定誤り率との差を示す推定誤差aが発生する確率の分布を示す推定誤差分布に基づいて、前記推定誤り率をより大きく推定する割合を示すマージンを計算するマージン計算部と、
前記推定誤り率と前記マージンとに基づいて、前記シフト鍵データの誤り訂正処理の設定情報を設定する設定部と、
を備える量子暗号通信システム。
It is a quantum cryptographic communication system in which a transmitting device and a receiving device are connected via a quantum communication path.
The receiving device is
An estimation unit that estimates the estimation error rate of shift key data,
The estimated error rate is calculated based on the estimated error rate and the estimated error distribution showing the distribution of the probability that the estimated error a indicating the difference between the true value of the error rate of the shift key data and the estimated error rate is generated. A margin calculation unit that calculates a margin that indicates a larger estimation rate ,
A setting unit for setting setting information for error correction processing of the shift key data based on the estimated error rate and the margin.
Quantum cryptographic communication system.
シフト鍵データの推定誤り率を推定するステップと、
前記推定誤り率、及び、前記シフト鍵データの誤り率の真値と前記推定誤り率との差を示す推定誤差aが発生する確率の分布を示す推定誤差分布に基づいて、前記推定誤り率をより大きく推定する割合を示すマージンを計算するステップと、
前記推定誤り率と前記マージンとに基づいて、前記シフト鍵データの誤り訂正処理の設定情報を設定するステップと、
を含む量子暗号通信方法。
Steps to estimate the estimation error rate of shift key data,
The estimated error rate is calculated based on the estimated error rate and the estimated error distribution showing the distribution of the probability that the estimated error a indicating the difference between the true value of the error rate of the shift key data and the estimated error rate a occurs. Steps to calculate the margin, which indicates the higher estimated percentage, and
A step of setting setting information for error correction processing of the shift key data based on the estimated error rate and the margin, and
Quantum cryptography communication method including.
コンピュータを、
シフト鍵データの推定誤り率を推定する推定部と、
前記推定誤り率、及び、前記シフト鍵データの誤り率の真値と前記推定誤り率との差を示す推定誤差aが発生する確率の分布を示す推定誤差分布に基づいて、前記推定誤り率をより大きく推定する割合を示すマージンを計算するマージン計算部と、
前記推定誤り率と前記マージンとに基づいて、前記シフト鍵データの誤り訂正処理の設定情報を設定する設定部、
として機能させるためのプログラム。
Computer,
An estimation unit that estimates the estimation error rate of shift key data,
The estimated error rate is calculated based on the estimated error rate and the estimated error distribution showing the distribution of the probability that the estimated error a indicating the difference between the true value of the error rate of the shift key data and the estimated error rate is generated. A margin calculation unit that calculates a margin that indicates a larger estimation rate ,
A setting unit that sets setting information for error correction processing of the shift key data based on the estimated error rate and the margin.
A program to function as.
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