JP7452699B2

JP7452699B2 - 測定装置及び測定方法

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Publication number: JP7452699B2
Application number: JP2022563257A
Authority: JP
Inventors: 豪矢沢; 慎一吉原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: WO2022107184A1; JPWO2022107184A1; US20240007183A1

Description

本発明は、量子鍵配送技術に関する。

近年注目されている量子鍵配送（ＱＫＤ；Quantum Key Distribution）システムでは、送信装置は、微弱な光パルスに量子情報を付与し、光パルスを受信装置に送信する。受信装置における光パルスの検出はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Avalanche Photodiode）によって行われることが一般的である。ＡＰＤによる検出においては、光パルスの到着に合わせてＡＰＤに適用するゲート信号のタイミングが調整される。

送信装置と受信装置との間の光伝送路として光ファイバが使用される。一般的な光ファイバでは、太陽光の放射などによりファイバに温度変化が生じ、それにより光パルスの伝送時間に変化が生じる。このため、光パルスが送信装置を出てから受信装置に到着するまでに要する時間は一定ではなくなり、ゲート信号のタイミングの逐次調整が必要である。

非特許文献１は、受信装置において光パルスを受信した際の信号品質をＱＢＥＲ（Quantum bit error rate）といった指標で評価し、指標が極小となるタイミングにゲート信号を調整することで、安定的な信号検出を可能にする手法を開示している。

A. R. Dixon, "High speed prototype quantum key distribution system and long term field trial", OPTICS EXPRESS, Vol. 23, No. 6, pp. 7583-7592, 2015.

非特許文献１に開示されるタイミング調整手法は、光パルスに量子情報のような符号を付与しない場合には、信号品質を測定できないため、適用することができない。また、受信装置において信号品質の測定のための測定器が必要となり、受信装置の小型化を妨げる要因となる。

本発明は、ＱＫＤシステムにおける受信装置の簡素化を可能にする技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る測定装置は、光パルス間の時間間隔が一定である第１及び第２の光パルス列を生成する生成部と、前記第１の光パルス列を被測定装置に送信する送信部と、前記被測定装置から戻ってくる前記第１の光パルス列を受信する受信部と、前記送信部が前記第１の光パルス列に含まれる第１の光パルスを送信してから前記受信部が前記第１の光パルスを受信するまでに前記送信部が送信した光パルス数を計測する計測部と、前記受信された第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定する特定部と、前記計測された光パルス数と前記特定された位相量とに基づいて、測定装置と前記被測定装置との間の伝搬遅延量を算出する算出部と、を備える。

本発明によれば、ＱＫＤシステムにおける受信装置の簡素化を可能にする技術が提供される。

図１は、実施形態に係る量子鍵配送システムを示すブロック図である。図２は、図１に示した量子信号送信器及び量子信号受信器の構成例を示す図である。図３は、図１に示した測定装置の構成例を示す図である。図４は、図３に示した評価部を説明するための図である。図５は、図３の測定装置の動作例を示すフローチャートである。図６は、図１に示した測定装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る量子鍵配送（ＱＫＤ；Quantum Key Distribution）システム１００の構成例を概略的に示している。図１に示すように、ＱＫＤシステム１００は、送信装置１１０及び受信装置１２０を備える。送信装置１１０は光伝送路１３０により受信装置１２０に接続される。光伝送路１３０はシングルモードファイバなどの光ファイバであり得る。光伝送路１３０は光ファイバ網（図示せず）を経由してよい。送信装置１１０は受信装置１２０を含む複数の受信装置に接続されてよい。

送信装置１１０は、量子信号送信器１１２、測定装置１１４、及び光学コンポーネント１１６を備える。

量子信号送信器１１２は、送信装置１１０及び受信装置１２０に共有される暗号鍵を生成するために、量子信号としての光信号を受信装置１２０に送信する。

測定装置１１４は、送信装置１１０（測定装置１１４）と受信装置１２０との間の伝搬遅延量を測定する。送信装置１１０と受信装置１２０との間の伝搬遅延量は、光信号が送信装置１１０から出て受信装置１２０に到着するまでの時間を示す。受信装置１２０を被測定装置とも称する。

光学コンポーネント１１６は、量子信号送信器１１２からの光信号及び測定装置１１４からの光信号を光伝送路１３０へと合波する。さらに、光学コンポーネント１１６は、測定装置１１４から放出されて受信装置１２０から戻ってくる光信号を測定装置１１４に導く。光学コンポーネント１１６として、例えば、光スイッチ、偏光ビームスプリッタ、波長分割多重（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）カプラなどを使用することができる。

受信装置１２０は、量子信号受信器１２２、光学コンポーネント１２４、及びループバック１２６を備える。

量子信号受信器１２２は、送信装置１１０及び受信装置１２０に共有される暗号鍵を生成するために、送信装置１１０から量子信号としての光信号を受信する。

光学コンポーネント１２４は、量子信号送信器１１２からの光信号を量子信号受信器１２２に導き、測定装置１１４からの光信号をループバック１２６に導く。光学コンポーネント１２４として、例えば、光スイッチ、偏光ビームスプリッタ、ＷＤＭカプラなどを使用することができる。

ループバック１２６は光信号をループバックさせる。測定装置１１４から放出された光信号は、受信装置１２０まで光伝送路１３０を伝搬し、受信装置１２０のループバック１２６で折り返して測定装置１１４まで光伝送路１３０を伝搬する。

図２は、ＱＫＤプロトコルとして差動位相シフト（ＤＰＳ；Differential Phase Shift）ＱＫＤプロトコルが採用される場合における量子信号送信器１１２及び量子信号受信器１２２の構成例を概略的に示している。図２において、測定装置１１４、光学コンポーネント１１６、１２４、及びループバック１２６は図示を省略している。

図２に示すように、量子信号送信器１１２は、光源２０２、変調器２０４、減衰器２０６、及び制御回路２０８を備える。制御回路２０８は、光源２０２、変調器２０４、及び減衰器２０６を制御する。

光源２０２は一定間隔で光パルスを生成する。一例では、光源２０２は直線偏光した光パルスを生成してよい。光源２０２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２０２は、制御回路２０８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２０２は、上記周波数に対応する時間間隔で（例えば１ナノ秒間隔で）光パルスを生成する。光源２０２は、パルス間の時間間隔が一定である光パルス列を出力する。

変調器２０４は、光源２０２から出力される光パルス列に含まれる各光パルスの位相を変調する。具体的には、制御回路２０８が各光パルスについて０又はπのいずれかの位相シフトをランダムに選択し、変調器２０４は、制御回路２０８により選択された位相シフトをその光パルスに適用する。制御回路２０８は、個々の光パルスに適用した位相シフトを示す位相変調データを記録する。

減衰器２０６は、１パルス当たりの平均光子数が１未満になるように、光パルスを減衰させる。減衰器２０６は、減衰させた光パルスを光伝送路１３０に送出する。

量子信号受信器１２２は、干渉計２５２、検出器２６２、２６４、及び制御回路２６６を備える。干渉計２５２は、ビームスプリッタ２５４とカプラ２５６とを備える非対称マッハツェンダ干渉計である。ビームスプリッタ２５４の入力ポートに光伝送路１３０が接続される。ビームスプリッタ２５４の第１の出力ポートは導波路２５８によりカプラ２５６の第１の入力ポートに接続され、ビームスプリッタ２５４の第２の出力ポートは導波路２６０によりカプラ２５６の第２の入力ポートに接続される。導波路２６０の光路長は導波路２５８の光路長よりも長い。カプラ２５６の第１の出力ポートは検出器２６２に接続され、カプラ２５６の第２の出力ポートは検出器２６４に接続される。

ビームスプリッタ２５４は、量子信号受信器１２２に入射する光パルス列の各光パルスを分割し、光パルスの一部分を導波路２５８に導き、光パルスの残り部分を導波路２６０へ導く。典型的には、ビームスプリッタ２５４の分岐比は１：１である。導波路２６０は導波路２５８を移動する光パルスに対して所定の遅延時間だけ光パルスを遅延させる。所定の遅延時間はパルス間の時間間隔に等しい。カプラ２５６は、導波路２５８を移動する光パルス列と導波路２６０を移動する光パルス列とを合波する。隣接する光パルスがカプラ２５６で干渉し、干渉の結果、検出器２６２、２６４のいずれかで光子が検出される。例えば、隣接するパルス間の位相差が０である場合、検出器２６２で光子が検出され、隣接するパルス間の位相差がπである場合、検出器２６４で光子が検出される。

検出器２６２、２６４は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの単一光子検出器であり得る。ＡＰＤを使用する場合、アフターパルス雑音を低減するためにゲート動作が適用され得る。ゲート動作は、光子の検出が予測される時間に合わせて短い時間だけＡＰＤをガイガーモードにするものである。制御回路２６６は、ガイガーモードで動作させるためのゲート信号をＡＰＤに適用する。光伝送路１３０として光ファイバが使用される場合、ファイバに生じる温度変化などの要因により伝搬遅延量が変化する。このため、伝搬遅延量に応じてゲート信号のタイミングを調整する必要がある。

送信装置１１０及び受信装置１２０は次の手順により暗号鍵を生成する。

まず、量子信号受信器１２２は、光パルス列の受信後に、光子検出時刻を量子信号送信器１１２に通知する。続いて、量子信号送信器１１２は、通知された光子検出時刻と位相変調データとから光子が検出器２６２、２６４のいずれで検出されたかを知る。量子信号送信器１１２及び量子信号受信器１２２では、検出器２６２で光子が検出された事象をビット「１」、検出器２６４で光子が検出された事象をビット「０」とする。

上記動作により、量子信号送信器１１２及び量子信号受信器１２２は同じビット列を得る。外部に公開される情報は光子検出時刻のみであり、ビット情報は非公開である。そこで、送信装置１１０及び受信装置１２０は上記ビット列を暗号鍵として使用する。

図３は、測定装置１１４の構成例を概略的に示している。図３において、量子信号送信器１１２、光学コンポーネント１１６、量子信号受信器１２２、及び光学コンポーネント１２４は図示を省略している。

図３に示すように、測定装置１１４は、生成部３０２、変更部３０４、送信部３０６、受信部３０８、計測部３１０、調整部３１２、評価部３１４、算出部３１６、及び通知部３１８を備える。生成部３０２は光ファイバにより変更部３０４、計測部３１０、及び評価部３１４に接続される。変更部３０４は光ファイバにより送信部３０６に接続される。送信部３０６及び受信部３０８は図１に示した光学コンポーネント１１６に接続される測定装置１１４のポートに相当する。受信部３０８は光ファイバにより計測部３１０及び調整部３１２に接続される。例えば受信部３０８の後段にビームスプリッタが設けられ、ビームスプリッタの第１の出力ポートが計測部３１０に接続され、ビームスプリッタの第２の出力ポートが調整部３１２に接続される。調整部３１２は光ファイバにより評価部３１４に接続される。

生成部３０２は、光パルス間の時間間隔が一定である３つの光パルス列を生成する。例えば、生成部３０２は光源及び２つのビームスプリッタを備える。光源は一定間隔で光パルスを生成する。光源が光パルスを生成する時間間隔をＴ_Ｐと表す。時間間隔Ｔ_Ｐは例えば１ナノ秒であり得る。光源として、例えば、能動モード同期レーザを使用することができる。能動モード同期レーザは、ミラー間の光伝送距離と光パルスの変調周波数を同期させ、光を強制的に変調することでパルスを繰り返し生成し出力するレーザである。光源により生成される光パルス列は２つのビームスプリッタにより三分割され、それにより光パルス間の時間間隔が一定である３つの光パルス列が生成される。光パルス列は生成部３０２から同期的に放出される。光パルス列はそれぞれ、変更部３０４、計測部３１０、及び評価部３１４に供給される。生成部３０２は図２に示した光源２０２を使用してもよい。

以下では、変更部３０４に向かう光パルス列を対象光パルス列とも称し、対象光パルス列に含まれる光パルスを対象光パルスとも称する。評価部３１４に向かう光パルス列を参照光パルス列とも称し、参照光パルス列に含まれる光パルスを参照光パルスとも称する。

変更部３０４は、対象光パルス列に含まれる対象光パルスの少なくとも１つを識別可能に変更する。例えば、変更部３０４は、少なくとも１つの対象光パルスの特徴を変更する。特徴の例は、例えば、偏光、振幅、強度、パルス幅などを含む。本実施形態では、変更部３０４は、１つの対象光パルスを識別可能に変更し、変更処理の実行を示す通知信号を計測部３１０に送出する。

一例では、変更部３０４は光パルスに情報（“０”又は“１”）を符号化する符号化器であってよい。光パルスの偏光状態に情報を符号化する方式では、変更部３０４は、対象光パルスの偏光を変調する。例えば、生成部３０２がＳ偏光の光パルスを生成する場合、変更部３０４は、対象光パルスの偏光をＰ偏光へと変調する。

他の例では、変更部３０４は、対象光パルスの振幅を調整する。例えば、生成部３０２が第１の振幅を有する光パルスを生成する場合、変更部３０４は、対象光パルスの振幅を第２の振幅へと調整する。第２の振幅は、第１の振幅と異なれば、第１の振幅より大きくても小さくてもよい。

送信部３０６は、変更部３０４を通過した対象光パルス列を受信装置１２０に送信する。測定装置１１４から放出された対象光パルス列は、受信装置１２０まで光伝送路１３０を伝搬し、受信装置１２０のループバック１２６で折り返して測定装置１１４まで光伝送路１３０を伝搬する。受信部３０８は、受信装置１２０から戻ってくる対象光パルス列を受信し、受信した対象光パルス列を計測部３１０及び調整部３１２に導く。

計測部３１０は、送信部３０６がある対象光パルスを送信してから受信部３０８がこの対象光パルスを受信するまでに送信部３０６が送信した光パルス数を計測する。例えば、計測部３１０は、光検出器を備え、光検出器を用いて、送信部３０６が識別可能な対象光パルス（特徴が変更された対象光パルス）を送信した時刻から受信部３０８が識別可能な対象光パルスを受信した時刻までの間、生成部３０２から入射する光パルスをカウントする。計測部３１０は、変更部３０４から通知信号を受け取った時刻を送信部３０６が識別可能な対象光パルスを送信した時刻と認識してよい。計測部３１０は、識別可能な対象光パルスを識別し、識別可能な対象光パルスを受け取った時刻を受信部３０８が識別可能な対象光パルスを受信した時刻と認識してよい。変更部３０４が対象光パルスの偏光をＰ偏光に変調する例では、計測部３１０は、偏光ビームスプリッタ及びさらなる光検出器をさらに備えてよい。偏光ビームスプリッタは、Ｐ偏光の光パルスをさらなる光検出器に選択的に導くように設けられる。計測部３１０は、さらなる光検出器が光パルスを検出した時刻を受信部３０８が識別可能な対象光パルスを受信した時刻と認識してよい。

調整部３１２及び評価部３１４は、受信部３０８により受信された対象光パルス列と参照光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定する特定部３１５に相当する。位相量は０秒から時間Ｔ_Ｐまでの範囲内の時間である。位相差をθと表し、位相量をＴ_Ｄと表すと、Ｔ_Ｄ＝（θ／２π）Ｔ_Ｐである。

調整部３１２は、受信部３０８により受信された対象光パルス列の位相を調整する。評価部３１４は、参照光パルス列と位相が調整された対象光パルス列との相関性を評価する。評価部３１４は、位相シフト量を制御する制御信号を調整部３１２に送出し、調整部３１２は、制御信号により示される位相シフト量に従って対象光パルス列の位相を調整する。評価部３１４は、位相シフト量を次々に変更しながら相関性を評価する。評価部３１４は、相関性が最も高くなる位相シフト量を位相量として特定する。言い換えると、評価部３１４は、参照光パルス列と位相が調整された対象光パルス列とが同期するときの位相シフト量を位相量として特定する。

一例では、評価部３１４は、参照光パルス列及び位相が調整された対象光パルス列を合波するカプラと、カプラにより得られた光パルス列の振幅を測定する測定器と、を備えてよい。相関性が最も高くなるのは、位相が調整された対象光パルス列の位相が参照光パルス列の位相と一致する場合である。この場合、図４に示すように、光パルスは完全に重なるため、振幅が最大となる。

一例では、調整部３１２は、可変遅延線を備え、可変遅延線を用いて受信部３０８により受信された対象光パルス列を遅延させる。評価部３１４は、遅延時間を制御する制御信号を調整部３１２に送出し、調整部３１２は、制御信号により示される遅延時間だけ対象光パルス列を遅延させる。評価部３１４は、遅延時間を次々に変更しながら相関性を評価する。評価部３１４は、相関性が最も高くなる遅延時間を特定する。評価部３１４は、特定した遅延時間から位相量を算出する。具体的には、評価部３１４は、時間Ｔ_Ｐから特定した遅延時間を引くことにより位相量を得る。

算出部３１６は、計測部３１０により計測された光パルス数と評価部３１４により特定された位相量とに基づいて、測定装置１１４と受信装置１２０との間の伝搬遅延量を算出する。例えば、測定装置１１４と受信装置１２０との間の伝搬遅延量Ｔは、下記の式（１）により算出される。
Ｔ＝（Ｎ_Ｐ・Ｔ_Ｐ＋Ｔ_Ｄ）／２・・・（１）
ここで、Ｎ_Ｐは計測部３１０により計測された光パルス数を表し、Ｔ_Ｐは光パルス間の間隔を表し、Ｔ_Ｄは評価部３１４により特定された位相量を表す。２Ｔは、光パルスが測定装置１１４と受信装置１２０との間を往復するのに要する時間を表す。

通知部３１８は、算出部３１６により算出された伝搬遅延量を受信装置１２０に通知する。通知は古典チャネルで送信される。量子信号受信器１２２の制御回路２６６（図２）は、測定装置１１４から通知を受信し、受信した通知により示される伝搬遅延量に基づいて検出器２６２、２６４に適用するゲート信号を制御する。

一例では、量子信号送信器１１２及び測定装置１１４は異なる偏光の光パルス列を放出してよい。例えば、量子信号送信器１１２はＳ偏光の光パルス列を放出し、測定装置１１４はＰ偏光の光パルス列を放出する。この場合、光学コンポーネント１１６、１２４として、偏光ビームスプリッタを使用することができる。

一例では、量子信号送信器１１２及び測定装置１１４は異なる波長で光パルス列を放出してよい。言い換えると、対象光パルス列を受信装置１２０に伝送する際に用いる第１の波長が量子信号を受信装置１２０に伝送する際に用いる第２の波長と異なっていてよい。この場合、光学コンポーネント１１６、１２４として、ＷＤＭカプラを使用することができる。算出部３１６は、第１の波長と第２の波長との差に基づいて伝搬遅延量を補正する。例えば、算出部３１６は、下記の式（２）により、第２の波長に関する伝搬遅延量Ｔ′を算出する。
Ｔ′＝Ｔ＋ΔＴ
＝Ｔ＋（Ｄ×Δλ×Ｌ）・・・（２）
ここで、ΔＴは伝搬遅延差を表し、Ｄは光伝送路１３０として使用される光ファイバの波長分散を表し、Δλは波長差を表し、Ｌは光伝送路１３０の距離を表す。波長差Δλは第１の波長から第２の波長を引いた値である。光ファイバの波長分散Ｄは、光ファイバの構造及び材料に起因する分散量の合計値で定まる値である。波長分散Ｄの単位としては、通常“ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ”が用いられる。これは、光波が１ｋｍ伝搬したときに、波長が１ｎｍ異なる成分間に生じる群遅延時間差（ｐｓ）という意味である。例えば、一般的に使用される光ファイバの１種であるシングルモードファイバにおいては、伝搬ロスが最も小さい１．５５μｍ付近の波長における波長分散Ｄは１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度であることが知られている。通知部３１８は、補正により得られた伝搬遅延量Ｔ′を受信装置１２０に通知する。

図５は、測定装置１１４が測定装置１１４と被測定装置としての受信装置１２０との間の伝搬遅延量を測定する手順例を概略的に示している。

図５のステップＳ５０１において、生成部３０２は、３つの光パルス列を生成し、これらの光パルス列を変更部３０４、計測部３１０、及び評価部３１４にそれぞれ出力する。各光パルス列では、光パルス間の時間間隔が一定である。

ステップＳ５０２において、変更部３０４は、生成部３０２から出力される光パルス列である対象光パルス列に含まれる対象光パルスを識別可能に変更する。例えば、変更部３０４は、対象光パルスの振幅を調整する。例えば、生成部３０２は第１の振幅を有する光パルスを生成し、変更部３０４はこれらの光パルスのうちの１つを第２の振幅に調整する。変更部３０４は、振幅調整を行ったことを計測部３１０に通知する。

ステップＳ５０３において、送信部３０６は、変更部３０４を通過した対象光パルス列を受信装置１２０に送信する。ステップＳ５０４において、受信部３０８は、受信装置１２０から戻ってくる対象光パルス列を受信する。

ステップＳ５０５において、計測部３１０は、送信部３０６が対象光パルスを送信してから受信部３０８がこの対象光パルスを受信するまでに送信部３０６が送信した光パルス数を計測する。例えば、計測部３１０は、変更部３０４からの通知を受けると生成部３０２から入射する光パルスのカウントを開始し、第２の振幅を有する対象光パルスを検出するとカウントを終了する。

ステップＳ５０６において、特定部３１５は、受信部３０８により受信された対象光パルス列と参照光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定する。例えば、調整部３１２は、評価部３１４から受け取る制御信号により示される位相シフト量に従って、受信部３０８により受信された対象光パルス列の位相を調整する。評価部３１４は、参照光パルス列と位相が調整された対象光パルス列との相関性を評価する。評価部３１４は、相関性が最も高くなる位相シフト量を位相量として特定する。

ステップＳ５０７において、算出部３１６は、計測部３１０により得られた光パルス数と特定部３１５により特定された位相量とに基づいて、測定装置１１４と受信装置１２０との間の伝搬遅延量を算出する。例えば、算出部３１６は、上述した式（１）に従って伝搬遅延量を算出する。

ステップＳ５０８において、通知部３１８は、算出部３１６により算出された伝搬遅延量を受信装置１２０に通知する。

図６は、測定装置１１４のハードウェア構成例を概略的に示している。図６に示すように、測定装置１１４は、プロセッサ６０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０４、プログラムメモリ６０６、光回路６０８、及び通信インタフェース６１０を備える。

光回路６０８は、図３に示した生成部３０２、変更部３０４、送信部３０６、受信部３０８、計測部３１０、調整部３１２、及び評価部３１４を備える。例えば、光回路６０８は、生成部３０２が備える光源及びビームスプリッタ並びに計測部３１０が備える光検出器などの複数の光学コンポーネントを備える。

プロセッサ６０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用回路を含む。ＲＡＭ６０４はワーキングメモリとしてプロセッサ６０２により使用される。ＲＡＭ６０４はＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリを含む。プログラムメモリ６０６は、伝搬遅延量測定プログラムなどのプロセッサ６０２により実行されるプログラムを記憶する。プログラムはコンピュータ実行可能命令を含む。プログラムメモリ６０６として、例えば、ＲＯＭ（Read-Only Memory）が使用される。

プロセッサ６０２は、プログラムメモリ６０６に記憶されたプログラムをＲＡＭ６０４に展開し、プログラムを解釈及び実行する。伝搬遅延量測定プログラムは、プロセッサ６０２により実行されると、光回路６０８及び通信インタフェース６１０の制御や算出部３１６に関して説明した処理などをプロセッサ６０２に行わせる。光回路６０８の制御は位相シフト量を制御する制御信号の生成を含む。

通信インタフェース６１０は古典チャネルで外部装置と通信するためのインタフェースである。通信インタフェース６１０は、伝搬遅延量を示す信号を受信装置１２０に送信するために使用される。

光回路６０８及び通信インタフェース６１０の制御や算出部３１６に関して説明した処理などを含む処理の少なくとも一部は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用回路で実施されてもよい。

以上のように、測定装置１１４では、生成部３０２が対象光パルス列及び参照光パルス列を生成し、送信部３０６が対象光パルス列を受信装置１２０に送信し、受信部３０８が受信装置１２０から戻ってくる対象光パルス列を受信し、計測部３１０が送信部３０６が特定の光パルスを送信してから受信部３０８がその光パルスを受信するまでの間に送信部３０６が送信した光パルス数を計測し、特定部が受信部３０８により受信された対象光パルス列と参照光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定し、算出部３１６が計測された光パルス数と特定された位相量とに基づいて測定装置１１４と受信装置１２０との間の伝搬遅延量を算出する。この構成によれば、送信装置１１０側で伝搬遅延量を測定することができる。このため、受信装置１２０に測定器などの機器を設ける必要がない。その結果、受信装置１２０を簡素化することができる。これは受信装置１２０の小型化を可能にする。送信装置１１０が複数の受信装置に接続されるP-to-MP構成では、受信装置の簡素化はシステム全体のコスト削減に有効である。

測定装置１１４は、少なくとも１つの対象光パルスを識別可能に変更し、識別可能に変更された対象光パルスを含む対象光パルス列を受信装置１２０に送信するようにしてよい。例えば、測定装置１１４は、少なくとも１つの対象光パルスに情報を符号化してもよい。また、測定装置１１４は、少なくとも１つの対象光パルスの振幅を調整してもよい。少なくとも１つの対象光パルスを識別可能に変更することにより、光パルス数を計測する期間を決定することが容易になる。

測定装置１１４は、受信された対象光パルス列の位相を調整し、位相が調整された対象光パルス列と参照光パルス列との相関性を評価する。測定装置１１４は、相関性が最も高くなる位相シフト量を位相量として特定する。これにより、伝搬遅延量を正確に測定することができる。

測定装置１１４は、算出された伝搬遅延量を受信装置１２０に通知する。これにより、受信装置１２０においてＡＰＤに適用するゲート信号のタイミングを適切に調整することが可能となる。

測定装置１１４は、対象光パルス列を受信装置１２０に伝送する際に用いる第１の波長が量子信号を受信装置１２０に伝送する際に用いる第２の波長と異なる場合に、第１の波長と第２の波長との差に基づいて伝搬遅延量を補正する。これにより、量子信号が送信装置１１０を出て受信装置１２０に到着するまでに要する時間を正確に測定することができる。

本発明は、上述した例に限定されない。

図３に示した例では、調整部３１２は受信部３０８と評価部３１４との間に設けられる。代替として、調整部３１２は生成部３０２と評価部３１４との間に設けられていてもよい。この場合、調整部３１２は、生成部３０２から評価部３１４へ向かう参照光パルス列の位相を調整する。

図３に示した例では、生成部３０２は３つの光パルス列を生成する。代替として、生成部３０２は、２つの光パルス列、すなわち、参照光パルス列及び対象光パルス列を生成してよい。この場合において、ビームスプリッタが変更部３０４と送信部３０６との間に設けられ、このビームスプリッタが計測部３１０に供給される光パルス列を生成してもよい。

変更部３０４が削除されてもよい。この場合、例えば、計測部３１０は、生成部３０２が光パルス列の出力を開始したタイミングから計測部３１０が受信部３０８を介して最初の光パルスを受信したタイミングまでに生成部３０２から入射する光パルスをカウントしてよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要素から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成が発明として抽出され得る。

１００…量子鍵配送（ＱＫＤ）システム
１１０…送信装置
１１２…量子信号送信器
１１４…測定装置
１１６…光学コンポーネント
１２０…受信装置
１２２…量子信号受信器
１２４…光学コンポーネント
１２６…ループバック
１３０…光伝送路
２０２…光源
２０４…変調器
２０６…減衰器
２０８…制御回路
２５２…干渉計
２５４…ビームスプリッタ
２５６…カプラ
２５８…導波路
２６０…導波路
２６２…検出器
２６４…検出器
２６６…制御回路
３０２…生成部
３０４…変更部
３０６…送信部
３０８…受信部
３１０…計測部
３１２…調整部
３１４…評価部
３１５…特定部
３１６…算出部
３１８…通知部
６０２…プロセッサ
６０４…ＲＡＭ
６０６…プログラムメモリ
６０８…光回路
６１０…通信インタフェース

Claims

光パルス間の時間間隔が一定である第１及び第２の光パルス列を生成する生成部と、
前記第１の光パルス列を被測定装置に送信する送信部と、
前記被測定装置から戻ってくる前記第１の光パルス列を受信する受信部と、
前記送信部が前記第１の光パルス列に含まれる光パルスを送信してから前記受信部が前記光パルスを受信するまでに前記送信部が送信した光パルス数を計測する計測部と、
前記受信された第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定する特定部と、
前記計測された光パルス数と前記特定された位相量とに基づいて、測定装置と前記被測定装置との間の伝搬遅延量を算出する算出部と、
を備える測定装置。
前記光パルスを識別可能に変更する変更部をさらに備え、
前記送信部は、識別可能に変更された前記光パルスを含む前記第１の光パルス列を前記被測定装置に送信する、
請求項１に記載の測定装置。
前記変更部は、前記光パルスに情報を符号化する、
請求項２に記載の測定装置。
前記変更部は、前記光パルスの振幅を調整する、
請求項２に記載の測定装置。
前記特定部は、
前記受信された第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との一方である第３の光パルス列の位相を調整する調整部と、
前記位相が調整された前記第３の光パルス列と前記受信された第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との他方である第４の光パルス列との相関性を評価する評価部と、
を備え、
前記特定部は、前記相関性が最も高くなるときに前記調整部が前記第３の光パルス列に適用した位相シフト量を前記位相量として特定する、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定装置。
前記算出された伝搬遅延量を前記被測定装置に通知する通知部をさらに備える、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
前記算出部は、前記第１の光パルス列を前記被測定装置に伝送する際に用いる第１の波長が量子信号を前記被測定装置に伝送する際に用いる第２の波長と異なる場合に、前記第１の波長と前記第２の波長との差に基づいて前記伝搬遅延量を補正する、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
測定装置により実行される測定方法であって、
光パルス間の時間間隔が一定である第１及び第２の光パルス列を生成することと、
前記第１の光パルス列を被測定装置に送信することと、
前記被測定装置から戻ってくる前記第１の光パルス列を受信することと、
前記測定装置が前記第１の光パルス列に含まれる光パルスを送信してから前記測定装置が前記光パルスを受信するまでに前記測定装置が送信した光パルス数を計測することと、
前記受信された第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との間の位相差に対応する位相量を特定することと、
前記計測された光パルス数と前記特定された位相量とに基づいて、前記測定装置と前記被測定装置との間の伝搬遅延量を算出することと、
を備える測定方法。