JP7123694B2 - 量子通信システム、送信装置、及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、量子通信システムに関する。

量子鍵配送システムは、送信器、受信器、及びこれらを接続する量子伝送路を含んで構成される。送信器は、量子伝送路を介して光子を受信器に送信する。その後、送信器と受信器とが相互に信号情報を確認することによって、送信器と受信器との間で暗号鍵を共有する。この技術は、一般に量子鍵配送（Quantum Key Distribution：ＱＫＤ）と呼ばれる。量子力学の基本原理により、盗聴者が量子伝送路の途中で光子を盗聴した場合、光子の物理的な状態が変化する。その結果、送信器と受信器との間で信号に誤差が生じる。ＱＫＤでは、信号の共通部分を比較することによって量子伝送路の途中に盗聴者がいたことを検出することが可能である。

ＱＫＤが成り立つためには、量子伝送路において光子の状態が変化しないことが望ましい。しかしながら、量子伝送路の温度変化や振動などにより、光子の偏光及び位相に変化が生じる。量子鍵配送システムは、このような偏光及び位相の乱れを補正するフィードバック機構を備える。

また、ＱＫＤシステムでは、鍵生成レートを向上するために、波長多重化が利用されることがある（例えば特許文献１を参照）。

特許第５４１３６８７号公報

ＱＫＤシステムのような位相変調を利用した量子通信システムでは、変調器が重要となっており、この変調器のコストが高い。特許文献１に示される光通信システムでは、波長ごとに変調器が設けられる。このため、波長の数が増加するほど変調器の数が増加する。その結果、装置（送信器及び／又は受信器）が複雑化し、コストが増大する。

本発明が解決しようとする課題は、低コスト化を図った量子通信システム、送信装置、及び受信装置を提供することである。

一実施形態に係る量子通信システムは、送信装置と受信装置とを具備し、前記送信装置は、互いに異なる波長を有する複数の光パルスを生成する複数の光源と、情報を符号化するために前記複数の光パルスを変調する第１の変調器を備えるエンコーダと、前記変調された複数の光パルスを含む光パルス列を前記受信装置に送信する送信部と、を具備し、前記受信装置は、前記送信装置からの前記光パルス列を受信する受信部と、前記受信された光パルス列に基づいて情報を取得するデコーダと、を具備する。

第１の実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信器を示す図。 第１の実施形態に係る量子鍵配送システムのための受信器を示す図。 第２の実施形態に係る量子鍵配送システムのための送信器を示す図。 第２の実施形態に係る量子鍵配送システムのための受信器を示す図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係る送信器（送信装置）１００及び受信器（受信装置）２００を備える量子鍵配送システムを示している。具体的には、図１は、送信器１００の構造を概略的に示し、図２は、受信器２００の構造を概略的に示している。

図１に示されるように、送信器１００は、伝送路１９０によって受信器２００に接続される。伝送路１９０は、シングルモードファイバなどの光ファイバである。送信器１００と受信器２００は同期される。例えば、量子鍵配送システムは、送信器１００及び受信器２００を同期するための同期信号を生成するタイミング制御器（図示せず）を備える。一例として、タイミング制御器は受信器２００内に設けられ、同期信号は古典チャネルで送信器１００に送信される。

送信器１００は、光源１０２、１０４、１０６、制御器１０８、減衰器１１０、１１２、１１４、合波器１１６、分波器１１８、分波器１２０、検出器１２２、１２４、１２６、制御器１２８、１３０、１３２、干渉計１３４、及び減衰器１４２を備える。

光源１０２は、減衰器１１０を経由して合波器１１６の第１の入力ポートに接続される。光源１０４は、減衰器１１２を経由して合波器１１６の第２の入力ポートに接続される。光源１０６は、減衰器１１４を経由して合波器１１６の第３の入力ポートに接続される。合波器１１６の出力ポートは、分波器１１８の入力ポートに接続される。分波器１１８の第１の出力ポートは、干渉計１３４及び減衰器１４２を経由して伝送路１９０に接続され、分波器１１８の第２の出力ポートは、分波器１２０の入力ポートに接続される。

干渉計１３４は、分波器１３６、変調器１３８、及び合波器１４０を備える。干渉計１３４において、分波器１３６の入力ポートは、分波器１１８の第１の出力ポートに接続される。分波器１３６の第１の出力ポートは、変調器１３８を経由して合波器１４０の第１の入力ポートに接続され、分波器１３６の第２の出力ポートは、合波器１４０の第２の入力ポートに接続される。光源１０２、１０４、１０６から合波器１４０までにおいて、コンポーネント同士（例えば光源１０２及び減衰器１１０）を接続する光ファイバは全て偏光保持ファイバであり得る。合波器１４０の出力ポートは、減衰器１４２を経由して伝送路１９０に接続される。

分波器１２０の第１の出力ポートは、検出器１２２に接続され、分波器１２０の第２の出力ポートは、検出器１２４に接続され、分波器１２０の第３の出力ポートは、検出器１２６に接続される。分波器１１８と分波器１２０を接続する光ファイバ、及び分波器１２０と検出器１２２、１２４、１２６を接続する光ファイバは、例えばシングルモードファイバである。

光源１０２、１０４、１０６は、光パルス１５１、１５２、１５３を生成する。本実施形態では、光源１０２、１０４、１０６は、直線偏光した光パルス１５１、１５２、１５３を生成する。光源１０２、１０４、１０６は、互いに異なる出力波長を有する。言い換えると、光源１０２、１０４、１０６は、互いに異なる波長を有する光パルス１５１、１５２、１５３を生成する。例えば、光パルス１５２の波長は、光パルス１５１の波長よりも１ｎｍ長く、光パルス１５３の波長は、光パルス１５１の波長よりも１ｎｍ短い。光源１０２、１０４、１０６は、レーザーダイオードであり得るが、これに限定されない。

光源１０２、１０４、１０６は、制御器１０８により適用される制御信号によって駆動される。制御信号は、例えば、所定の周波数（例えば１ＧＨｚ）を有する電圧信号であり、それにより、光源１０２、１０４、１０６の各々は、一定間隔で（例えば１ナノ秒間隔で）光パルスを生成する。

光源１０２、１０４、１０６は、光パルス１５１、１５２、１５３の偏光方向が偏光保持ファイバの特定の軸（典型的には遅軸）に平行になるように光パルス１５１、１５２、１５３を出力する。光源１０２、１０４、１０６から放出された光パルス１５１、１５２、１５３は、強度調整器としての減衰器１１０、１１２、１１４によって減衰されて、合波器１１６に入射する。合波器１１６は、光パルス１５１、１５２、１５３を合波する。光パルス１５１、１５２、１５３は、異なるタイミングで合波器１１６に入射する。それにより、合波器１１６は、時間的に離れた光パルス１５１、１５２、１５３からなる光パルス列１５４を出力する。合波器１１６は、例えば、波長分割多重化器（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexer）のような波長合波器であるが、これに限定されない。

制御器１０８は、光パルス１５１、１５２、１５３が互いに異なるタイミングで合波器１１６に入射するように、光源１０２、１０４、１０６を制御する。本実施形態では、光源１０２、１０４、１０６のそれぞれから合波器１１６までの光路長が互いに同じであり、光源１０２、１０４、１０６の出力タイミングが異なる。制御器１０８は、光源１０２、１０４、１０６に、互いに異なるタイミングで光パルス１５１、１５２、１５３を放出させる。例えば、光パルス１５２は、光パルス１５１よりt_laserぶん遅れて出力され、光パルス１５３は、光パルス１５２よりt_laserぶん遅れて出力される。t_laserは、各光源の光パルス出力間隔（例えば１ナノ秒）未満である。制御器１０８は光源制御部とも称される。

なお、光源１０４から合波器１１６までの光路長が光源１０２から合波器１１６までの光路長よりもt_laserに対応する光路長ぶん長く、光源１０６から合波器１１６までの光路長が光源１０４から合波器１１６までの光路長よりもt_laserに対応する光路長ぶん長くなるようにし、制御器１０８は、光源１０２、１０４、１０６に同じタイミングで光パルスを放出させてもよい。

分波器１１８は、合波器１１６から出力された光パルス１５１、１５２、１５３を２つの経路に分岐する。分波器１１８の第１の出力ポートから出力される光パルスは、暗号鍵の生成に利用されるものであり、信号パルスと呼ぶこととする。分波器１１８の第２の出力ポートから出力される光パルスは、光源１０２、光源１０４、光源１０６から出力された光パルスの強度を補正するために使用されるものであり、強度補正用パルスと呼ぶこととする。光パルス１５１は、分波器１１８により強度補正用パルス１５５及び信号パルス１５８に分割される。光パルス１５２は、分波器１１８により強度補正用パルス１５６及び信号パルス１５９に分割される。光パルス１５３は、分波器１１８により強度補正用パルス１５７及び信号パルス１６０に分割される。

分波器１１８は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。例えば、分波器１１８として、ビームスプリッタなどの他の光学素子が使用されてもよい。分波器１１８の分岐比は、強度補正用パルスの強度が信号パルスの強度よりも強くなるように、設定されてよい。分岐比は、１：１であってもよく（すなわち、強度補正用パルスの強度が信号パルスの強度と等しくなるように設定されてもよく）、強度補正用パルスの強度が信号パルスの強度よりも弱くなるように設定されてもよい。

分波器１２０は、強度補正用パルス１５５、１５６、１５７を波長ごとに分波する。強度補正用パルス１５５、１５６、１５７は、光源１０２、１０４、１０６にそれぞれ由来するものであるので、波長が互いに異なる。強度補正用パルス１５５は検出器１２２に導かれ、強度補正用パルス１５６は検出器１２４に導かれ、強度補正用パルス１５７は検出器１２６に導かれる。分波器１２０は、例えばＷＤＭのような波長分波器であるが、これに限定されない。

検出器１２２は、強度補正用パルス１５５を検出し、検出結果を制御器１２８に出力する。制御器１２８は、検出器１２２から受け取った検出結果に基づいて減衰器１１０を制御する。検出器１２４は、強度補正用パルス１５６を検出し、検出結果を制御器１３０に出力する。制御器１３０は、検出器１２４から受け取った検出結果に基づいて減衰器１１２を制御する。検出器１２６は、強度補正用パルス１５７を検出し、検出結果を制御器１３２に出力する。制御器１３２は、検出器１２６から受け取った検出結果に基づいて減衰器１１４を制御する。

本実施形態では、検出器１２２、１２４、１２６は、入射光の強度を測定し、測定した強度を表す検出信号を制御器１２８、１３０、１３２に出力する。例えば、強度補正用パルス１５５に乱れが生じた場合、検出器１２２で測定される強度補正用パルス１５５の強度が低下する。制御器１２８、１３０、１３２は、検出器１２２、１２４、１２６への入射光の強度が目標値になるように、検出信号に基づいて減衰器１１０、１１２、１１４を調整する。これにより、光源１０２、１０４、１０６から以降に出力される光パルス１５１、１５２、１５３は、分波器１１８に入射するときに互いに同じ強度を有するようになる。その結果、分波器１１８から出力された信号パルス１５８、１５９、１６０は、互いに同じ強度を有する。制御器１２８、１３０、１３２を総称して強度制御部と称する。また、減衰器１１０、１１２、１１４、分波器１１８、１２０、検出器１２２、１２４、１２６、及び制御器１２８、１３０、１３２を総称して強度調整部と称する。

制御器１０８、１２８、１３０、１３２は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの専用のハードウェアプロセッサにより実現される。なお、制御器１０８、１２８、１３０、１３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用のハードウェアプロセッサにより実現されてもよい。具体的には、制御器１０８、１２８、１３０、１３２の機能は、汎用ハードウェアプロセッサがコンピュータプログラムを実行することにより実現されてもよい。

干渉計１３４は、分波器１１８から信号パルス１５８、１５９、１６０を受け取る。干渉計１３４は、信号パルス１５８、１５９、１６０を使用して情報を符号化するエンコーダに相当する。情報は、送信器１００と受信器２００とが共有することになる暗号鍵を生成するために、受信器２００へ送信される情報である。本実施形態では、干渉計１３４は、非対称マッハツェンダー干渉計である。

干渉計１３４内の分波器１３６は、信号パルス１５８、１５９、１６０を２つの経路１３７、１３９に分岐する。分波器１３６は、信号パルス１５８を信号パルス１６２、１６６に分割し、信号パルス１５９を信号パルス１６３、１６７に分割し、信号パルス１６０を信号パルス１６４、１６８に分割する。信号パルス１６２、１６３、１６４は信号パルス列（光パルス列）１６１として経路１３７に導かれ、信号パルス１６６、１６７、１６８は信号パルス列１６５として経路１３９に導かれる。分波器１３６は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。

変調器１３８は、経路１３７に設けられる。経路１３７を移動する信号パルス列１６１は、変調器１３８に入射する。変調器１３８は、情報を符号化するために、信号パルス１６２、１６３、１６４の位相を個別に変調する。変調器１３８は、信号パルス１６２、１６３、１６４に対して個別の位相シフトを適用する。例えば、変調器１３８は、信号パルス１６２に０°の位相シフトを適用し、信号パルス１６３に１８０°の位相シフトを適用し、信号パルス１６４に９０°の位相シフトを適用する。変調器１３８によって位相変調された信号パルス１６２、１６３、１６４は合波器１４０に入射する。

上述したように、信号パルス１５８、１５９、１６０は時間的に離れている。したがって、信号パルス１６２、１６３、１６４は、時間的に離れており、すなわち、異なるタイミングで変調器１３８に入射する。これにより、送信器１００は、信号パルス１６２、１６３、１６４を１つの変調器１３８で個別に変調することができる。

経路１３９を移動する信号パルス列１６５は合波器１４０に入射する。合波器１４０は、変調器１３８によって位相変調された信号パルス列１６１と、信号パルス列１６５と、を合波する。合波器１４０の第２の入力ポートに接続される偏光保持ファイバの遅軸は、合波器１４０の第１の入力ポートに接続される偏光保持ファイバの遅軸に対して９０°回転される。これにより、信号パルス１６２、１６３、１６４の偏光は、信号パルス１６６、１６７、１６８の偏光と直交する。合波器１４０は、偏光ビームスプリッタであり得るが、これに限定されない。

信号パルス列１６５が移動する分波器１３６から合波器１４０までの経路１３９の光路長は、信号パルス列１６１が移動する分波器１３６から合波器１４０までの経路１３７の光路長よりも長い。経路１３７と経路１３９との間の光路長差は、t_delayの光伝搬遅延時間に対応する。すなわち、干渉計１３４の出口では、信号パルス列１６５は、信号パルス列１６１よりもt_delayの時間ぶん遅れる。

干渉計１３４から出力された信号パルス列１６１、１６５は、減衰器１４２に入射する。減衰器１４２は、信号パルス列１６１、１６５の強度が単一光子レベルになるように、信号パルス列１６１、１６５を減衰させる。具体的には、減衰器１４２は、信号パルス１６２、１６３、１６４、１６６、１６７、１６８の各々の１パルス当たりの平均光子数が１未満になるように、信号パルス列１６１、１６５を減衰する。減衰後の各信号パルスの１パルス当たりの平均光子数をμ_１とすると、μ_１＜１である。例えばμ_１＝０．５である。減衰器１４２を通過した信号パルス列１６１、１６５は、伝送路１９０に入射し、信号パルス列１６９として伝送路１９０を通じて受信器２００へ送信される。この例では、減衰器１４２の出力ポートが信号パルス列１６９を受信器２００に送信する送信部に相当する。

なお、減衰器１４２は、合波器１１６と分波器１１８との間又は分波器１１８と干渉計１３４との間などの他の位置に設けられていてもよい。この場合、合波器１４０の出力ポートが送信部に相当する。

図２に示されるように、受信器２００は、偏光制御器２０２、干渉計２０４、分波器２１４、２１６、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、及び制御器２３０、２３２、２３４を備える。

偏光制御器２０２の入力ポートに伝送路１９０が接続される。偏光制御器２０２の出力ポートは、干渉計２０４に接続される。干渉計２０４は、分波器２０６、変調器２０８、合波器２１０、及び遅延器２１２を備える。干渉計２０４において、分波器２０６の入力ポートは、偏光制御器２０２の出力ポートに接続される。分波器２０６の第１の出力ポートは変調器２０８を経由して合波器２１０の第１の入力ポートに接続される。分波器２０６の第２の出力ポートは、遅延器２１２を経由して合波器２１０の第２の入力ポートに接続される。偏光制御器２０２から合波器２１０までにおいて、コンポーネント同士(例えば分波器２０６及び変調器２０８)を接続する光ファイバは全て偏光保持ファイバであり得る。合波器２１０の第１の出力ポートは分波器２１４を経由して検出器２１８、２２０、２２２に接続され、合波器２１０の第２の出力ポートは分波器２１６を経由して検出器２２４、２２６、２２８に接続される。合波器２１０と分波器２１４を接続する光ファイバ、分波器２１４と検出器２１８、２２０、２２２を接続する光ファイバ、合波器２１０と分波器２１６を接続する光ファイバ、及び分波器２１６と検出器２２４、２２６、２２８を接続する光ファイバは、例えばシングルモードファイバである。

受信器２００は、送信器１００によって送信された信号パルス列１６９を受信する。受信器２００において、信号パルス列１６９は偏光制御器２０２に入射する。この例では、偏光制御器２０２の入力ポートが送信器１００からの信号パルス列１６９を受信する受信部に相当する。信号パルス列１６９は、信号パルス列１６１と信号パルス列１６５とからなり、信号パルス列１６１は、信号パルス１６２、１６３、１６４からなり、信号パルス列１６５は、信号パルス１６６、１６７、１６８からなる。

偏光制御器２０２は、入射光の偏光状態を制御するものである。偏光制御器２０２は、例えば、光ファイバに応力を適用することで入射光の偏光状態を任意の偏光状態に変更する。偏光制御器２０２は、制御器２３０、２３２、２３４によって制御され、信号パルス列１６９の偏光を波長ごとに調整する。信号パルス列１６９の偏光を調整する方法については後述する。偏光制御器２０２を通過した信号パルス列１６９は、干渉計２０４に入射する。

干渉計２０４、分波器２１４、２１６、及び検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８は、偏光制御器２０２から信号パルス列１６９を受け取り、信号パルス列１６９に基づいて、送信器１００により送信された情報を取得する（復号する）デコーダに相当する。本実施形態では、干渉計２０４は、非対称マッハツェンダー干渉計である。

干渉計２０４において、信号パルス列１６９は分波器２０６に入射する。分波器２０６は、信号パルス列１６１と信号パルス列１６５を分離し、信号パルス列１６１を経路２０９へ導き、信号パルス列１６５を経路２０７へ導く。分波器２０６は、偏光ビームスプリッタであり得るが、これに限定されない。

経路２０７を移動する信号パルス列１６５は、変調器２０８に入射する。変調器２０８は、信号パルス列１６５の位相を個別に変調する。変調器２０８は、信号パルス１６６、１６７、１６８に対して個別の位相シフトを適用する。例えば、変調器２０８は、信号パルス１６６に０°の位相シフトを適用し、信号パルス１６７に９０°の位相シフトを適用し、信号パルス１６８に０°の位相シフトを適用する。変調器２０８によって位相変調された信号パルス列１６５は、合波器２１０に入射する。

信号パルス１６６、１６７、１６８は、時間的に離れており、すなわち、異なるタイミングで変調器２０８に入射する。これにより、受信器２００は、信号パルス１６６、１６７、１６８を１つの変調器２０８で個別に変調することができる。

経路２０９を移動する信号パルス列１６１は、合波器２１０に入射する。合波器２１０は、変調器２０８によって位相変調された信号パルス列１６５と信号パルス列１６１とを合波する。合波器２１０は、ファイバカプラであり得るが、これに限定されない。

信号パルス列１６１が移動する分波器２０６から合波器２１０までの経路２０９の光路長は、信号パルス列１６５が移動する分波器２０６から合波器２１０までの経路２０７の光路長よりも長い。経路２０７及び経路２０９は、それらの間の光路長差がt_delayの光伝搬遅延時間に対応するように設計される。すなわち、送信器１００内の干渉計１３４の光路長差は、受信器２００内の干渉計２０４の光路長差と等しい。このため、理想的には、信号パルス列１６１、１６５が同時に合波器２１０に入射し、合波器２１０において信号パルス列１６１、１６５が干渉する。具体的には、信号パルス１６２、１６６が同時に合波器２１０に入射し、合波器２１０において信号パルス１６２、１６６が干渉し、信号パルス１６３、１６７が同時に合波器２１０に入射し、合波器２１０において信号パルス１６３、１６７が干渉し、信号パルス１６４、１６８が同時に合波器２１０に入射し、合波器２１０において信号パルス１６４、１６８が干渉する。

遅延器２１２は、経路２０９の光路長を調整するために使用される。遅延器２１２は、制御器２３０、２３２、２３４によって制御され、信号パルス１６２、１６３、１６４の遅延量を波長ごとに調整する。信号パルス１６２、１６３、１６４の遅延量を調整する方法については後述する。遅延器２１２は、ファイバストレッチャーであり得るが、これに限定されない。

合波器２１０から出力される光は、分波器２１４又は分波器２１６を経由して、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、又は２２８で検出される。分波器２１４は、光を波長ごとに分波する。分波器２１４は、光源１０２の出力波長を有する光を検出器２１８に導き、光源１０４の出力波長を有する光を検出器２２０に導き、光源１０６の出力波長を有する光を検出器２２２に導く。同様に、分波器２１６は、光を波長ごとに分波する。分波器２１６は、光源１０２の出力波長を有する光を検出器２２４に導き、光源１０４の出力波長を有する光を検出器２２６に導き、光源１０６の出力波長を有する光を検出器２２８に導く。分波器２１４、２１６は、例えばＷＤＭのような波長分波器であるが、これに限定されない。

光源１０２に由来する信号パルス１６２、１６６の干渉により生じた光子は、検出器２１８又は２２４で検出され、光源１０４に由来する信号パルス１６３、１６７の干渉により生じた光子は、検出器２２０又は２２６で検出され、光源１０６に由来する信号パルス１６３、１６７の干渉により生じた光子は、検出器２２２又は２２８で検出される。検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８は、アバランシェフォトダイオードなどの単一光子検出器である。

非理想的な偏光により、信号パルス列１６１、１６５が合波器２１０で干渉しないことがある。このため、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８は、干渉しなかった信号パルスを検出しないようにするために、すなわち、干渉した光パルスを選択的に検出できるようにするために、ゲート制御されることが望ましい。ゲート制御される単一光子検出器の例には、自己差分アバランシェフォトダイオードや正弦波ゲートアバランシェフォトダイオードが含まれる。

制御器２３０は、検出器２１８に接続され、制御器２３２は、検出器２２０に接続され、制御器２３４は、検出器２２２に接続される。なお、制御器２３０、２３２、２３４はそれぞれ、検出器２２４、２２６、２２８に接続されていてもよい。また、制御器２３０は、検出器２１８、２２４の両方に接続され、制御器２３０は、検出器２２０、２２６の両方に接続され、制御器２３０は、検出器２２２、２２８の両方に接続されていてもよい。

制御器２３０、２３２、２３４は、検出器２１８、２２０、２２２から出力される検出結果に基づいて偏光制御器２０２及び遅延器２１２を制御する。伝送路１９０において生じる偏光の乱れ及び干渉計１３４又は２０４内のファイバにおける光路長差の乱れによって生じる位相の乱れは波長によって異なる。そのため、波長ごとの制御が必要となる。

偏光乱れ及び位相乱れは、積極的に安定させる必要がある。本実施形態では、偏光乱れは、検出器２１８、２２０、２２２による検出結果に基づいて偏光制御器２０２を積極的に制御することによって補正され、位相乱れは、検出器２１８、２２０、２２２による検出結果に基づいて遅延器２１２を積極的に制御することによって補正される。

偏光制御器２０２は、信号パルス列１６９の偏光を波長ごとに調整する。具体的には、偏光制御器２０２は、制御器２３０により指定される回転量に従って信号パルス１６２、１６６の偏光を回転させ、制御器２３２により指定される回転量に従って信号パルス１６３、１６７の偏光を回転させ、制御器２３４により指定される回転量に従って信号パルス１６４、１６８の偏光を回転させる。それにより、信号パルス１６２、１６３、１６４の偏光が同じになり、信号パルス１６６、１６７、１６８の偏光が同じになり、信号パルス１６２、１６３、１６４の偏光が信号パルス１６６、１６７、１６８の偏光に直交するようになる。その結果、信号パルス１６２、１６３、１６４が経路２０９に導かれ、信号パルス１６６、１６７、１６８が経路２０７に導かれる。

遅延器２１２は、信号パルス列１６１の遅延量を波長ごとに調整する。具体的には、遅延器２１２は、制御器２３０により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６２に付与し、制御器２３２により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６３に付与し、制御器２３４により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６４に付与する。その結果、信号パルス１６２、１６６が合波器２１０において干渉し、信号パルス１６３、１６７が合波器２１０において干渉し、信号パルス１６４、１６８が合波器２１０において干渉するようになる。

制御器２３０、２３２、２３４は、検出器２１８、２２０、２２２による検出結果に基づいて生成されるフィードバック信号に基づいて偏光制御器２０２及び遅延器２１２を制御する。フィードバック信号は、例えば量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）である。量子ビット誤り率は、シフト鍵に含まれるビットの総数に対する間違ったビットの割合として定義される。量子ビット誤り率は、誤り訂正処理後に算出される。偏光乱れ及び位相乱れは、量子ビット誤り率を増大させる。制御器２３０、２３２、２３４は、量子ビット誤り率が最小になるように、波長ごとの回転量及び遅延時間を決定する。このようなフィードバック制御により、偏光乱れ及び位相乱れが適切に補正される。制御器２３０、２３２、２３４を総称して光パルス制御部と称する。

制御器２３０、２３２、２３４は、ＦＰＧＡなどの専用のハードウェアプロセッサにより実現される。なお、制御器２３０、２３２、２３４は、汎用のハードウェアプロセッサにより実現されてもよい。

なお、遅延器２１２は経路２０７に設けられていてもよい。また、遅延器２１２は、送信器１００内の干渉計１３４の経路１３７又は１３９に設けられていてもよい。遅延器２１２が送信器１００内の干渉計１３４に設けられる場合、受信器２００内の検出器２１８、２２０、２２２で得られた検出信号（又は検出信号に基づいて決定される波長ごとの遅延時間）が古典チャネルで送信器１００へ送信され、送信器１００内の制御回路がそれらの検出信号に基づいて遅延器２１２を制御する。また、位相乱れの補正は、受信器２００内の変調器２０８又は送信器１００内の変調器１３８を用いて経路の光路長を調整することで達成されてもよい。この場合、遅延器２１２は設けられなくてよい。

偏光制御器２０２は、送信器１００内に設けられていてもよい。例えば、偏光制御器２０２は、合波器１４０又は減衰器１４２の後段に設けられてよい。偏光制御器２０２が送信器１００内に設けられる場合、受信器２００内の検出器２１８、２２０、２２２で得られた検出信号（又は検出信号に基づいて決定される波長ごとの回転量）が古典チャネルで送信器１００へ送信され、送信器１００内の制御回路がそれらの検出信号に基づいて偏光制御器２０２を制御する。また、偏光制御器２０２は、伝送路１９０の途中に設けられていてもよい。

次に、本実施形態に係る量子鍵配送システムにおいて暗号鍵を生成する方法例について説明する。

送信器１００内の変調器１３８は、信号パルス列１６１の各信号パルスに関して２つの符号化基底の一方をランダムに選択し、選択した符号化基底を用いて各信号パルスの位相を変調する。第１の符号化基底は、情報“０”が０°の位相シフトに対応し、情報“１”が１８０°の位相シフトに対応するように、規定される。第１の符号化基底が選択された場合、変調器１３８は、情報“０”を符号化するために、信号パルスに０°の位相シフトを適用する。変調器１３８は、情報“１”を符号化するために、信号パルスに１８０°の位相シフトを適用する。第２の符号化基底は、情報“０”は９０°の位相シフトに対応し、情報“１”は２７０°の位相シフトに対応するように、規定される。第２の符号化基底が選択された場合、変調器１３８は、情報“０”を符号化するために、信号パルスに９０°の位相シフトを適用する。変調器１３８は、情報“１”を符号化するために、信号パルスに２７０°の位相シフトを適用する。

一方、受信器２００内の変調器２０８は、信号パルス列１６５の各信号パルスに関して２つの復号基底の一方をランダムに選択し、選択した復号基底を用いて各信号パルスの位相を変調する。第１の復号基底は、０°の位相シフトとして規定される。第１の復号基底が選択された場合、変調器２０８は、信号パルスに０°の位相シフトを適用する。第２の復号基底は、９０°の位相シフトとして規定される。第２の復号基底が選択された場合、変調器２０８は、信号パルスに９０°の位相シフトを適用する。

信号パルス列１６１、１６５の偏光が理想的な場合には、信号パルス列１６１は、下記（１）のルートを移動し、信号パルス列１６５は、下記（２）のルートを移動する。
（１）送信器１００内の干渉計１３４の光路長の短い経路１３７及び受信器２００内の干渉計２０４の光路長の長い経路２０９に沿ったルート。
（２）送信器１００内の干渉計１３４の光路長の長い経路１３９及び受信器２００内の干渉計２０４の光路長の短い経路２０７に沿ったルート。

この場合には、信号パルス列１６１、１６５は合波器２１０において干渉し、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８のいずれか１つで光子が検出される。検出器２１８、２２０、又は２２２で光子が検出された場合には、受信器２００は情報“０”を取得し、検出器２２４、２２６、又は２２８で光子が検出された場合には、受信器２００は情報“１”を取得する。どちらの検出器で光子が検出されるかは、変調器１３８により適用された位相シフトと変調器２０８により適用された位相シフトとに依存する。変調器１３８が０°の位相シフトを適用し、変調器２０８が０°の位相シフトを適用する場合、検出器２１８、２２０、又は２２２で光子が検出される。変調器１３８が１８０°の位相シフトを適用し、変調器２０８が０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２４、２２６、又は２２８で光子が検出される。変調器１３８が９０°の位相シフトを適用し、変調器２０８が９０°の位相シフトを適用する場合、検出器２１８、２２０、又は２２２で光子が検出される。変調器１３８が２７０°の位相シフトを適用し、変調器２０８が９０°の位相シフトを適用する場合、検出器２２４、２２６、又は２２８で光子が検出される。これらの組み合わせは、送信器１００と受信器２００とで同じ変調基底が使用された場合に対応する。

上記の組み合わせ以外の組み合わせで変調が行われた場合には、検出器２１８、２２０、又は２２２で光子が検出される確率及び検出器２２４、２２６、２２８で光子が検出される確率がそれぞれ５０％になる。例えば、変調器１３８が０°の位相シフトを適用し、変調器２０８が９０°の位相シフトを適用する場合、５０％の確率で検出器２１８、２２０、又は２２２で光子が検出され、５０％の確率で検出器２２４、２２６、２２８で光子が検出される。このような場合には、情報を正しく復号できないので、このような光子は暗号鍵の生成に寄与しない。

非理想的な偏光により、短い経路１３７を移動した信号パルス列１６１が短い経路２０７を移動することがあり、また、長い経路１３９を移動した信号パルス列１６５が長い経路２０９を移動することがある。このような場合には、信号パルス列１６１、１６５は干渉せずに検出器２１８、２２０、２２２又は検出器２２４、２２６、２２８に到達する。これらの干渉しない光子は、暗号鍵の生成に寄与しないため、それらの検出結果は破棄される。検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８がゲート制御される場合には、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８は、これらの干渉しない光子を自動的に排除することができる。干渉しない光子を効率的に排除するためには、遅延時間t_delayは、ゲート動作周期の半分に設定される。１ＧＨｚのゲート動作にとって遅延時間t_delayは５００ピコ秒である。

送信器１００は、信号パルス列１６９を周期的に送信し、それにより、受信器２００は、多数の干渉検出結果を取得する。その後に、送信器１００とともに使用される第１の古典通信装置から、受信器２００とともに使用される第２の古典通信装置は、それぞれの光パルスに対して選択した符号化基底を表す基底情報を受信する。基底情報は古典チャネルで送受信される。受信器２００の制御器２３０、２３２、２３４は、送信器１００が選択した符号化基底に適合する復号基底を選択したときに得られた情報を結合し、それによりビット列（シフト鍵）を生成する。同様にして、基底情報が第１の古典通信装置から第２の古典通信装置に送信され、送信器１００においてシフト鍵が生成される。その後に、誤り訂正処理及び秘匿性増幅処理が行なわれ、送信器１００と受信器２００とに共有される暗号鍵が生成される。

以上のように、送信器１００は異なる波長の信号パルスを１つの変調器１３８で変調し、受信器２００は異なる波長の信号パルスを１つの変調器２０８で変調する。これにより、送信器及び受信器の各々において波長の数と同数の変調器を設ける場合と比べて、装置の複雑化を回避し、装置コストを低減することができる。

さらに、受信器２００は、異なる波長の信号パルスの偏光を１つの偏光制御器２０２で調整し、異なる波長の信号パルスの遅延量を１つの偏光制御器２０２で調整する。これにより、装置の複雑化を回避することができる。

（第２の実施形態）
図３及び図４は、第２の実施形態に係る送信器（送信装置）３００及び受信器（受信装置）４００を備える量子鍵配送システムを示している。具体的には、図３は、送信器３００の構造を概略的に示し、図４は、受信器４００の構造を概略的に示している。図３及び図４において、図１及び図４に示した構成要素と同じ構成要素に同じ符号を付して、それらの構成要素についての説明を省略する。

図３に示されるように、送信器３００は、光源１０２、１０４、１０６、制御器１０８、減衰器１１０、１１２、１１４、合波器１１６、分波器１１８、分波器１２０、検出器１２２、１２４、１２６、制御器１２８、１３０、１３２、干渉計１３４、減衰器１４２、分波器３０２、遅延器３０４、３０６、３０８、偏光制御器３１０、３１２、３１４、及び合波器３１６を備える。送信器３００は、干渉計１３４内の合波器１４０と減衰器１４２との間に、分波器３０２、遅延器３０４、３０６、３０８、偏光制御器３１０、３１２、３１４、及び合波器３１６が設けられる点で送信器１００（図１）と異なる。

図４に示されるように、受信器４００は、干渉計２０４、分波器２１４、２１６、検出器２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、及び制御器２３０、２３２、２３４を備える。干渉計２０４は、分波器２０６、変調器２０８、及び合波器２１０を備える。受信器４００は、偏光制御器２０２及び遅延器２１２が削除されている点で受信器２００（図２）と異なる。

分波器３０２の入力ポートは合波器１４０の出力ポートに接続される。分波器３０２の第１の出力ポートは、遅延器３０４及び偏光制御器３１０を経由して合波器３１６の第１の入力ポートに接続され、分波器３０２の第２の出力ポートは、遅延器３０６及び偏光制御器３１２を経由して合波器３１６の第２の入力ポートに接続され、分波器３０２の第３の出力ポートは、遅延器３０８及び偏光制御器３１４を経由して合波器３１６の第３の入力ポートに接続される。合波器３１６の出力ポートは減衰器１４２を経由して伝送路１９０に接続される。

分波器３０２は、光パルスを波長ごとに分波する。分波器３０２は、光源１０２の出力波長と同じ波長を有する光パルス（具体的には信号パルス１６２、１６６）と、光源１０４の出力波長と同じ波長を有する光パルス（具体的には信号パルス１６３、１６７）と、光源１０６の出力波長と同じ波長を有する光パルス（具体的には信号パルス１６４、１６８）と、を分離する。分波器３０２は、例えばＷＤＭのような波長分波器であるが、これに限定されない。

干渉計１３４を出た信号パルス１６２、１６６は、分波器３０２に入射し、分波器３０２の第１の出力ポートから出力される。遅延器３０４は、信号パルス１６２、１６６が移動する経路の光路長を調整し、偏光制御器３１０は、信号パルス１６２、１６６の偏光を制御する。遅延器３０４及び偏光制御器３１０は、受信器４００内の制御器２３０によって制御される。遅延器３０４は、制御器２３０により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６２又は１６６に付与し、偏光制御器３１０は、制御器２３０によって指定される回転量に従って信号パルス１６２、１６６の偏光を回転させる。

干渉計１３４を出た信号パルス１６３、１６７は、分波器３０２に入射し、分波器３０２の第２の出力ポートから出力される。遅延器３０６は、信号パルス１６３、１６７が移動する経路の光路長を調整し、偏光制御器３１２は、信号パルス１６３、１６７の偏光を制御する。遅延器３０６及び偏光制御器３１２は、受信器４００内の制御器２３２によって制御される。遅延器３０６は、制御器２３２により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６３又は１６７に付与し、偏光制御器３１２は、制御器２３２によって指定される回転量に従って信号パルス１６３、１６７の偏光を回転させる。

干渉計１３４を出た信号パルス１６４、１６８は、分波器３０２に入射し、分波器３０２の第３の出力ポートから出力される。遅延器３０８は、信号パルス１６４、１６８が移動する経路の光路長を調整し、偏光制御器３１４は、信号パルス１６４、１６８の偏光を制御する。遅延器３０８及び偏光制御器３１４は、受信器４００内の制御器２３４によって制御される。遅延器３０８は、制御器２３４により指定される遅延時間に対応する光学遅延を信号パルス１６４又は１６８に付与し、偏光制御器３１４は、制御器２３４によって指定される回転量に従って信号パルス１６４、１６８の偏光を回転させる。

第２の実施形態では、遅延器３０４、３０６、３０８及び偏光制御器３１０、３１２、３１４が波長のそれぞれに対応して設けられている。遅延器３０４、３０６、３０８は、信号パルス１６２、１６６が受信器４００内の合波器２１０で干渉し、信号パルス１６３、１６７が合波器２１０で干渉し、信号パルス１６４、１６８が合波器２１０で干渉するように、それぞれに対応する波長の信号パルスの遅延量を調整する。偏光制御器３１０、３１２、３１４は、信号パルス１６２、１６３、１６４、１６６、１６７、１６８が受信器４００内の分波器２０６で正しく分波されるように、それぞれに対応する波長の信号パルスの偏光を調整する。

なお、分波器３０２から合波器３１６までのシステムは、干渉計１３４の前段にあってもよい。また、分波器３０２から合波器３１６までのシステムは、伝送路１９０中にあってもよい。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、出力波長の異なる３つの光源１０２、１０４、１０６に対して、送信器３００に１つの変調器１３８、受信器４００に１つの変調器２０８が設けられる。これにより、装置コストを低減することができる。

第２の実施形態では、偏光制御器３１０、３１２、３１４が波長のそれぞれに対応して設けられている。これにより、偏光制御器３１０、３１２、３１４として、図２に示される偏光制御器２０２よりも低速で動作する偏光制御器を利用することができる。

上述した実施形態では、出力波長の異なる３つの光源が設けられている。他の実施形態では、出力波長の異なる２つ又は４つ以上の光源が設けられていてもよい。出力波長の異なる多数の光源が設けられる実施形態では、送信器及び受信器の各々において、２以上の変調器が使用されてもよい。例えば、６つの光源が設けられる場合には、送信器及び受信器の各々が、３つの光源に由来する光パルスを変調する変調器、及び残り３つの光源に由来する光パルスを変調する変調器という２つの変調器を備えてよい。この場合にも、変調器は波長の数（光源の数）よりも少ないので、量子鍵配送システムの複雑化を回避し、コストを低減することができる。

上述した実施形態では、ＢＢ８４と呼ばれる量子鍵配送方式に基づいた量子鍵配送システムについて説明した。上述した実施形態に係る光パルスを変調する方法は、他の量子鍵配送方式、例えば、差動位相シフト量子鍵配送（ＤＰＳ－ＱＫＤ）に適用することもできる。差動位相シフト量子鍵配送では、エンコーダは、送信する情報に基づいて信号パルスの位相を変調する位相変調器であり、デコーダは、干渉計内に位相変調器を備えない。

また、上述した実施形態に係る光パルスを変調する方法は、量子鍵配送システムに限らず、変調及び波長多重を利用した量子通信システムに適用することが可能である。

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。

１００…送信器、
１０２，１０４，１０６…光源、１０８…制御器、１１０，１１２，１１４…減衰器、
１１６…合波器、１１８，１２０…分波器、１２２，１２４，１２６…検出器、
１２８，１３０，１３２…制御器、１３４…干渉計、１３６…分波器、
１３８…変調器、１４０…合波器、１４２…減衰器、１９０…伝送路、
２００…受信器、
２０２…偏光制御器、２０４…干渉計、２０６…分波器、２０８…変調器、
２１０…合波器、２１２…遅延器、２１４，２１６…分波器、
２１８，２２０，２２２，２２４，２２６，２２８…検出器、
２３０，２３２，２３４…制御器、
３００…送信器、
３０２…分波器、３０４，３０６，３０８…遅延器、
３１０，３１２，３１４…偏光制御器、３１６…合波器、
４００…受信器。

Claims (8)

1. 送信装置と受信装置とを具備する量子通信システムであって、
   前記送信装置は、
   互いに異なる波長を有する複数の光パルスを生成する複数の光源と、
   情報を符号化するために前記複数の光パルスを変調する第１の変調器を備えるエンコーダと、
   前記変調された複数の光パルスを含む光パルス列を前記受信装置に送信する送信部と、
   を具備し、
   前記受信装置は、
   前記送信装置からの前記光パルス列を受信する受信部と、
   前記受信された光パルス列に基づいて情報を取得するデコーダと、
   を具備し、
   前記量子通信システムは、
   前記波長のそれぞれに対応して設けられ、前記光パルス列のうちの対応する波長の光パルスの偏光を制御する複数の偏光制御器と、
   前記受信された光パルス列に基づいて前記複数の偏光制御器を制御する光パルス制御部と、
   をさらに具備する、量子通信システム。
2. 前記送信装置は、前記複数の光パルスが互いに異なるタイミングで前記第１の変調器に入射するように、前記複数の光源を制御する光源制御部をさらに具備する、請求項１に記載の量子通信システム。
3. 前記光源制御部は、前記複数の光源に互いに異なるタイミングで前記複数の光パルスを放出させる、請求項２に記載の量子通信システム。
4. 前記送信装置は、
   前記波長のそれぞれに対応して設けられ、前記複数の光パルスの強度を調整する複数の強度調整器と、
   前記複数の強度調整器によって調整された前記複数の光パルスの強度が互いに同じになるように、前記複数の強度調整器を制御する強度制御部と、
   をさらに具備する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子通信システム。
5. 前記エンコーダは、
   前記複数の光パルスを、前記第１の変調器が設けられた第１の経路と、前記第１の経路とは異なる光路長を有する第２の経路と、に分岐する第１の分波器と、
   前記変調された複数の光パルスからなる第１の光パルス列と、前記第２の経路を移動する複数の光パルスからなる第２の光パルス列と、を合波する第１の合波器と、
   をさらに備え、
   前記デコーダは、
   前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を分離し、前記第２の光パルス列を第３の経路に導き、前記第１の光パルス列を、前記第３の経路とは異なる光路長を有する第４の経路に導く第２の分波器と、前記第３の経路に設けられ、前記第３の経路を移動する第２の光パルス列を変調する第２の変調器と、前記第２の変調器によって変調された第２の光パルス列と、前記第４の経路を移動する第１の光パルス列と、を合波する第２の合波器と、を含む干渉計と、
   前記波長のそれぞれに対応して設けられ、前記干渉計から出力される光子を検出する複数の検出器と、
   を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子通信システム。
6. 前記光パルス列の偏光を波長ごとに制御する偏光制御器と、
   前記複数の検出器による検出結果に基づいて前記偏光制御器を制御する光パルス制御部と、
   をさらに具備する請求項５に記載の量子通信システム。
7. 前記光パルス制御部は、前記複数の検出器による検出結果に基づいて前記複数の偏光制御器を制御する、請求項５に記載の量子通信システム。
8. 前記波長のそれぞれに対応して設けられ、前記光パルス列のうちの対応する波長の光パルスの遅延量を制御する複数の遅延器をさらに具備し、
   前記光パルス制御部は、前記複数の検出器による検出結果に基づいて前記複数の遅延器を制御する、請求項７に記載の量子通信システム。

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