JP7519696B2 - Response estimation method and response estimation device - Google Patents

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Description

本発明は、応答推定方法及び応答推定装置に関する。 The present invention relates to a response estimation method and a response estimation device.

近年、標準的な通信用光ファイバを用いて、量子暗号通信の通信距離を500 km以上に拡大したツインフィールド量子鍵配信(TF-QKD :Twin-Field Quantum Key Distribution)と呼ばれる量子通信システム(以下、この方式をツインフィールド方式と称する)が知られている(例えば、非特許文献1参照)。In recent years, a quantum communication system called Twin-Field Quantum Key Distribution (TF-QKD) has been developed that uses standard communication optical fibers to extend the communication distance of quantum cryptography communication to more than 500 km (hereinafter, this method will be referred to as the twin-field method) (see, for example, Non-Patent Document 1).

このツインフィールド方式では、アリスと呼ばれる光送信ユニットと、ボブと呼ばれる光送信ユニットとの間にチャーリと呼ばれる光子検出ユニットが設置されている。アリス及びボブは、それぞれビット値(0か1)をランダムに選択してゆき、それに応じて光パルスの位相を選択してそれぞれチャーリに送信する。In this twin-field method, a photon detection unit called Charlie is placed between an optical transmission unit called Alice and an optical transmission unit called Bob. Alice and Bob each randomly select a bit value (0 or 1), and then select the phase of the optical pulse accordingly and send it to Charlie.

チャーリは、アリス及びボブから受信した光パルスから光子1個を検出すると、検出したラウンドごとにアリス及びボブから受信した光パルスが同位相か逆位相かを検出し、得られた検出結果をアリスとボブに公表する。ボブは、逆位相であると宣言されたラウンドの全てのビット値を反転する。これにより、アリス及びボブは、チャーリで光子が検出されるたびに、ランダムな共通のビット値を入手することができる。 When Charlie detects a photon from the optical pulses received from Alice and Bob, he detects whether the optical pulses received from Alice and Bob are in phase or out of phase for each detection round, and publishes the detection result to Alice and Bob. Bob inverts all bit values in rounds that are declared to be out of phase. This allows Alice and Bob to obtain a random common bit value every time a photon is detected by Charlie.

株式会社東芝,“量子暗号通信で世界最長500km以上の通信距離が可能となる新たな方式を開発”,[online],2018年5月23日,[令和2年7月7日検索],インターネット<URL:https://www.toshiba.co.jp/rdc/detail/1805_01.htm>Toshiba Corporation, "Development of a new method for quantum cryptography communication that enables the world's longest communication distance of over 500 km", [online], May 23, 2018, [Retrieved July 7, 2020], Internet <URL: https://www.toshiba.co.jp/rdc/detail/1805_01.htm>

しかしながら、ツインフィールド方式では、量子力学の干渉の性質を利用するために、光の波としての性質(波の振動のタイミング)に信号を載せて通常の通信を行うことから、盗聴を検出するには、「シュレーディンガーの猫状態」と呼ばれる非常に特殊な光が必要になってしまう。そのため、既存のレーザ光源で生成した光パルスを、光子検出ユニットや光ファイバに入力したときに、量子通信システム内において、どのような盗聴が試みられたか等、入力に対する応答を効率よく推定することが困難であった。 However, in the twin-field method, normal communication is carried out by carrying signals on the wave properties of light (the timing of wave vibrations) in order to utilize the properties of interference in quantum mechanics, so extremely special light known as the "Schrödinger's cat state" is required to detect eavesdropping. For this reason, when optical pulses generated by existing laser light sources are input into a photon detection unit or optical fiber, it has been difficult to efficiently estimate the response to the input, such as what type of eavesdropping has been attempted, within the quantum communication system.

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、量子力学的な信号を入力したときの入力に対する応答を効率よく推定することができる応答推定方法及び応答推定装置を提案することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above points, and aims to propose a response estimation method and response estimation device that can efficiently estimate the response to an input when a quantum mechanical signal is input.

本発明に係る応答推定方法では、送信器から対象物に量子力学的な信号を送信するシステムにおいて前記送信器から前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する応答推定方法であって、前記対象物のある事象を検出可能な理想的信号の量子力学的な理想状態ρ(ideal)を規定する理想状態規定ステップと、前記理想状態ρ(ideal)と量子力学的な状態が近似した近似状態を、複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)を利用した加減算で表し、前記理想状態ρ(ideal)と、前記複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)との関係を定めた、演算子の不等式αρ+ (test) -βρ- (test) ≧ ρ(ideal)を特定する特定ステップと、前記理想的信号によって検出される、前記対象物の前記事象の検出数Mと、前記複数種類のテスト用信号をランダムに選択して前記対象物で前記事象を検出したときに前記テスト用信号の種類ごとに得られる前記事象の検出数K1,K2と、推定の信頼水準として、許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式Prob{ M ≦ f(K1,K2)} ≧ 1-εを、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定ステップと、前記特定ステップで特定した前記複数種類のテスト用信号をランダムに切り換えて前記対象物に送信し、前記テスト用信号による前記事象の検出結果を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得した前記検出結果に基づいて、前記不等式規定ステップの前記不等式を解いて、量子力学的な前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する推定ステップと、を含む。 A response estimation method according to the present invention is a response estimation method for estimating a response in a system that transmits a quantum mechanical signal from a transmitter to an object when the signal is input from the transmitter, the response estimation method including an ideal state definition step of defining a quantum mechanical ideal state ρ (ideal) of an ideal signal capable of detecting an event of the object, a specification step of expressing an approximation state in which the ideal state ρ ( ideal) and a quantum mechanical state are approximated by addition and subtraction using quantum mechanical states ρ + (test) and ρ (test) of a plurality of types of test signals, and specifying an operator inequality αρ + (test) -βρ - (test) ≧ ρ (ideal) that defines a relationship between the ideal state ρ (ideal) and the quantum mechanical states ρ + (test ) and ρ − (test) of the plurality of types of test signals, and a detection number M of the event of the object detected by the ideal signal, and detection numbers K 1 , K the estimation step includes an inequality definition step of defining an inequality Prob{M ≦ f( K1 , K2 )} ≧ 1-ε, which defines the relationship between M≦f(K1,K2) and a parameter ε predetermined for defining an acceptable estimation error amount as a confidence level of the estimation, based on the Bernoulli sampling formula; an acquisition step of randomly switching the multiple types of test signals identified in the identification step and transmitting them to the target object to acquire detection results of the event by the test signals; and an estimation step of solving the inequality in the inequality definition step based on the detection results acquired in the acquisition step, to estimate a response of the system when the quantum mechanical signal is input.

また、本発明に係る量子通信システムの応答推定方法では、量子通信路によって光子検出ユニットを介して接続された第1ユニット及び第2ユニットが、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、前記光パルスの位相θ及び強度μ12がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、をランダムに選択して前記光子検出ユニットにそれぞれ順次送信してゆく量子通信システムにおいて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する応答推定方法であって、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも前記通信用光パルスを選択したことで前記通信用光パルスのペアが前記光子検出ユニットで検出された検出数K0のうち、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの検出数K0 (even)を検出可能な理想的光パルスの量子力学的な理想状態ρ(even)を規定する理想状態規定ステップと、前記理想状態ρ(even)と量子力学的な状態が近似した近似状態を、ランダムな変調により生成されるテスト用光パルスの量子力学的な状態ρ (test1)、ρ (test2)を利用した加減算で表し、前記理想状態ρ(even)と、前記複数種類のテスト用光パルスの量子力学的な状態ρ (test1)、ρ (test2)との関係を定めた、演算子の不等式αρ+ (test1) -βρ- (test2) ≧ ρ(even)を特定する特定ステップと、前記理想的光パルスによって測定される、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの前記検出数K0 (even)と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットがそれぞれある確率でランダムに選択される第1の前記テスト用光パルスを規定の組み合わせで選択したことで前記第1のテスト用光パルスのペアが検出される検出数K1と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも、前記第1のテスト用光パルスとは別にそれぞれある確率でランダムに選択される第2の前記テスト用光パルスを選択したことで前記第2のテスト用光パルスのペアが検出される検出数K2と、前記通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式Prob{ K0 (even) ≦ f(K1,K2)} ≧ 1-εを、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定ステップと、前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいてそれぞれ前記通信用光パルス及び前記テスト用光パルスをランダムに前記光子検出ユニットに送信し、前記第1ユニット及び前記第2ユニットで一致したペアの前記通信用光パルスと、ペアの前記テスト用光パルスとを前記光子検出ユニットで検出した検出結果を前記第1ユニット及び前記第2ユニットが取得してゆく取得ステップと、前記取得ステップで取得した前記検出結果に基づいて、前記不等式規定ステップの前記不等式を解いて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する推定ステップと、を含む。 In addition, in a response estimation method for a quantum communication system according to the present invention, a first unit and a second unit connected via a photon detection unit by a quantum communication path randomly select and sequentially transmit to the photon detection unit a communication optical pulse obtained by modulating an optical pulse with a randomly selected random bit, and a plurality of types of test optical pulses in which the phase θ and intensities μ 1 , μ 2 of the optical pulse are randomly selected, respectively. The response estimation method estimates a response in the quantum communication system when the communication optical pulse is input, the response estimation method includes an ideal state definition step of defining a quantum-mechanical ideal state ρ (even) of an ideal optical pulse capable of detecting the number K 0 (even) of detections of pairs of communication optical pulses related to eavesdropping out of the number K 0 of detections of pairs of communication optical pulses detected by the photon detection unit as a result of both the first unit and the second unit selecting the communication optical pulse, and defining an approximation state in which the ideal state ρ ( even) and a quantum-mechanical state are approximated to each other as quantum-mechanical states ρ + (test1) , ρ a specifying step of specifying an operator inequality αρ + (test1) -βρ - (test2)ρ ( even) that defines a relationship between the ideal state ρ (even) and the quantum mechanical states ρ + (test1) and ρ - ( test2) of the plurality of types of test optical pulses; a specifying step of specifying the number of detections K 0 (even) of pairs of communication optical pulses involved in eavesdropping measured by the ideal optical pulses, a number of detections K 1 of pairs of the first test optical pulses detected by the first unit and the second unit selecting, in a specified combination, first test optical pulses that are randomly selected with a certain probability, respectively, and a number of detections K 2 of pairs of the second test optical pulses detected by the first unit and the second unit selecting, in a specified combination, second test optical pulses that are randomly selected with a certain probability, respectively, apart from the first test optical pulses, respectively, and and a parameter ε predetermined for specifying an amount of estimated error that can be tolerated in estimating the amount of eavesdropping on the pair of communication optical pulses, based on the Bernoulli sampling formula; an acquisition step in which the first unit and the second unit randomly transmit the communication optical pulses and the test optical pulses to the photon detection unit, respectively, and the first unit and the second unit acquire detection results obtained by the photon detection unit detecting the pair of communication optical pulses and the pair of test optical pulses that match in the first unit and the second unit; and an estimation step of solving the inequality in the inequality definition step based on the detection results acquired in the acquisition step, to estimate a response in the quantum communication system when the communication optical pulses are input.

本発明によれば、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定した不等式を用いることで、特殊な理想的信号及び理想的光パルスを用いずに、量子力学的な信号を入力したときの入力に対する応答を効率よく推定することができる。 According to the present invention, by using an inequality defined based on the Bernoulli sampling formula, it is possible to efficiently estimate the response to an input when a quantum mechanical signal is input, without using special ideal signals or ideal optical pulses.

本実施形態に係る量子暗号鍵配信システムの構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a quantum cryptography key distribution system according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る応答推定方法の概要をイメージした概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an overview of a response estimation method according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る応答推定方法に利用する無作為抽出検査について説明する概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a random sampling test used in a response estimation method according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る応答推定方法を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a response estimation method according to the present embodiment. 本実施形態に係る応答推定方法を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a response estimation method according to the present embodiment. αρ (test)-βρ (test) ≧ ρ(ideal)の式を説明するための説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the formula αρ + (test) −βρ− (test) ≧ρ (ideal) . 本実施形態に係る応答推定方法を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a response estimation method according to the present embodiment. 本実施形態に係る応答推定方法を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a response estimation method according to the present embodiment. αρ (test)-βρ (test) ≧ ρ(ideal)の式を説明するための説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the formula αρ + (test) −βρ− (test) ≧ρ (ideal) . アリスとボブの間の距離Lと、パルスあたりのキーレートG/Ntotとの関係を示したグラフである。1 is a graph showing the relationship between the distance L between Alice and Bob and the key rate per pulse G/N tot . 他の実施形態に係る応答推定方法を説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a response estimation method according to another embodiment.

以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

(1)本実施形態に係る量子暗号鍵配信システムの概略
初めに、本実施形態に係る量子暗号鍵配信システムの概略を説明する。図1に示すように、本実施形態に係る量子暗号鍵配信システム1は、アリスと呼ばれる第1ユニット2(以下、単にアリス2とも称する)と、ボブと呼ばれる第2ユニット3(以下、単にボブ3とも称する)と、これらアリス2及びボブ3の間に設置されるチャーリと呼ばれる光子検出ユニット4(以下、単にチャーリ4とも称する)とを有する。この場合、アリス2とボブ3は、いずれも光送信ユニットとなる。
(1) Overview of the quantum cryptography key distribution system according to the present embodiment First, an overview of the quantum cryptography key distribution system according to the present embodiment will be described. As shown in Fig. 1, the quantum cryptography key distribution system 1 according to the present embodiment has a first unit 2 called Alice (hereinafter also simply referred to as Alice 2), a second unit 3 called Bob (hereinafter also simply referred to as Bob 3), and a photon detection unit 4 called Charlie (hereinafter also simply referred to as Charlie 4) installed between Alice 2 and Bob 3. In this case, both Alice 2 and Bob 3 are optical transmission units.

アリス2及びボブ3は、光ファイバ等の量子通信路100を介してチャーリ4に接続されており、量子通信路100によってアリス2及びボブ3からそれぞれチャーリ4に送信信号として光パルスが送信される。また、アリス2、ボブ3及びチャーリ4は、インターネット等の公開通信路(図示せず)にも接続されており、当該公開通信路を介して各種データを互いに送受信し得る。Alice 2 and Bob 3 are connected to Charlie 4 via a quantum communication path 100 such as an optical fiber, and light pulses are transmitted as transmission signals from Alice 2 and Bob 3 to Charlie 4 via the quantum communication path 100. Alice 2, Bob 3 and Charlie 4 are also connected to a public communication path (not shown) such as the Internet, and can transmit and receive various types of data to and from each other via this public communication path.

本実施形態に係るアリス2には、送信部19と、取得部10と、応答推定装置11とを有する。送信部19には、レーザ光源5と、強度変調器6と、位相変調器7と、可変光減衰器8と、乱数生成器9と、を有する。また、応答推定装置11には、理想状態規定部、特定部及び不等式規定部としての解析部12と、推定部13と、鍵長算出部14と、を有する。ボブ3は、応答推定装置11を有していない以外はアリス2と同じ構成からなることから、以下、説明の重複を避けるため、ここでは主としてアリス2に着目して説明する。 Alice 2 according to this embodiment has a transmission unit 19, an acquisition unit 10, and a response estimation device 11. The transmission unit 19 has a laser light source 5, an intensity modulator 6, a phase modulator 7, a variable optical attenuator 8, and a random number generator 9. The response estimation device 11 also has an analysis unit 12 as an ideal state definition unit, a specification unit, and an inequality definition unit, an estimation unit 13, and a key length calculation unit 14. Bob 3 has the same configuration as Alice 2 except that it does not have the response estimation device 11. Therefore, in the following, in order to avoid duplication of explanation, the following explanation will mainly focus on Alice 2.

なお、本実施形態に係る量子暗号鍵配信システム1においては、アリス2に応答推定装置11を設けた場合について説明するが、本発明はこれに限らず、アリス2に応答推定装置11を設けずに、ボブ3にのみ応答推定装置11を設けてもよく、また、アリス2及びボブ3の両方に応答推定装置11を設けてもよい。 In the quantum cryptography key distribution system 1 according to this embodiment, a case will be described in which a response estimation device 11 is provided in Alice 2; however, the present invention is not limited to this, and a response estimation device 11 may be provided only in Bob 3 without providing a response estimation device 11 in Alice 2, or a response estimation device 11 may be provided in both Alice 2 and Bob 3.

この場合、アリス2は、レーザ光源5から強度変調器6に光パルスを出力し、強度変調器6からの出力が位相変調器7及び可変光減衰器8に順に導かれる。アリス2は、強度変調器6により光パルスの強度(平均光子数)を変調し、位相変調器7により光パルスの位相を変調する。乱数生成器9は、強度変調と位相変調の大きさを指定する乱数を生成し、その指定に基づき、強度変調の大きさと位相変調の大きさとを、強度変調器6と位相変調器7に指示する。アリス2は、可変光減衰器8により光パルスを単一光子レベルに減衰させた後、光子検出ユニット4であるチャーリ4に当該光パルスを送る。In this case, Alice 2 outputs an optical pulse from the laser light source 5 to the intensity modulator 6, and the output from the intensity modulator 6 is guided in turn to the phase modulator 7 and variable optical attenuator 8. Alice 2 modulates the intensity (average number of photons) of the optical pulse using the intensity modulator 6, and modulates the phase of the optical pulse using the phase modulator 7. The random number generator 9 generates random numbers that specify the magnitude of the intensity modulation and phase modulation, and instructs the intensity modulator 6 and phase modulator 7 on the magnitude of the intensity modulation and phase modulation based on this specification. Alice 2 attenuates the optical pulse to a single photon level using the variable optical attenuator 8, and then sends the optical pulse to Charlie 4, which is the photon detection unit 4.

ここで、アリス2及びボブ3は、光パルスをチャーリ4に送る際、信号モードとテストモードをランダムに切り換え、信号モードで生成した通信用光パルスと、テストモードで生成したテスト用光パルスとをランダムに送る。Here, when Alice 2 and Bob 3 send optical pulses to Charlie 4, they randomly switch between signal mode and test mode, and randomly send communication optical pulses generated in signal mode and test optical pulses generated in test mode.

信号モードは、アリス2及びボブ3において、共通したビット値を蓄積してゆき暗号鍵を生成するためのモードである。信号モードでは、固定強度(平均光子数)μの光パルスにランダムなビット値(ランダムビット)aをエンコードして、振幅(-1)a√μの光パルス(通信用光パルス)を生成し、送信する。 The signal mode is a mode for generating an encryption key by accumulating a common bit value between Alice 2 and Bob 3. In the signal mode, a random bit value (random bit) a is encoded into an optical pulse with a fixed intensity (average number of photons) μ to generate and transmit an optical pulse (optical pulse for communication) with an amplitude of (-1) a √μ.

テストモードは、信号モードとは独立して位相θをランダムで選択するとともに、3つの強度0、μ1及びμ2をランダムに選択した光パルス(テスト用光パルス)を生成し、送信する。具体的には、テストモードが選択されると、|0>、|√μ1e>又は|√μ2e>のテスト用光パルスをランダムに選択して送信する。 In the test mode, the phase θ is randomly selected independently of the signal mode, and an optical pulse (test optical pulse) with three intensities 0, μ 1 , and μ 2 randomly selected is generated and transmitted. Specifically, when the test mode is selected, a test optical pulse of |0>, |√μ 1 e >, or |√μ 2 e > is randomly selected and transmitted.

具体的には、アリス2において、信号モード時に選択されるラベルを“0”とし、テストモード時に選択されるラベルを“10”、“11”及び“2”とした場合、以下のステップ1~ステップ8の手順に従って、本実施形態に係る応答推定方法を含む暗号鍵配信方法を実行する。 Specifically, in Alice 2, if the label selected in signal mode is "0" and the labels selected in test mode are "10", "11" and "2", the encryption key distribution method including the response estimation method of this embodiment is executed according to the following procedure of steps 1 to 8.

[ステップ1]
ステップ1として、まず、アリス2は、それぞれ確率p0、p10、p11及びp2で、ラベル“0”、ラベル“10”、ラベル“11”及びラベル“2”の中から、ランダムにラベルを選択してゆく。アリス2は、各確率でランダムに選択されたラベルに従って次の手順を実行する。
“0” :アリス2は、ランダムなビットaを生成し、振幅(-1)a√μの光パルスを通信用光パルスとして送信。
“10”:アリス2は、テスト用光パルスとして振幅ゼロのパルスを送信(なお、実際はテスト用光パルスを送信しないが、ここでは、テスト用光パルスとして振幅ゼロのパルスを送信すると規定する)。
“11”:アリス2は、強度μ1で位相θをランダムに選択した光パルスをテスト用光パルスとして送信。
“2” :アリス2は、強度μ2で位相θをランダムに選択した光パルスをテスト用光パルスとして送信。
[Step 1]
In step 1, Alice 2 randomly selects a label from among the labels "0", " 10 ", " 11 " and " 2 " with probabilities p0 , p10, p11 and p2, respectively. Alice 2 executes the following procedure according to the label randomly selected with each probability.
“0”: Alice 2 generates a random bit a and transmits an optical pulse with amplitude (-1) a √μ as the optical pulse for communication.
"10": Alice 2 transmits a pulse with zero amplitude as an optical test pulse (note that, although in reality, no optical test pulse is transmitted, it is specified here that a pulse with zero amplitude is transmitted as the optical test pulse).
“11”: Alice 2 transmits a test optical pulse with intensity μ 1 and phase θ randomly selected.
“2”: Alice 2 transmits a test optical pulse with intensity μ2 and randomly selected phase θ.

なお、本実施形態では、確率p0でラベル“0”がランダムに選択される信号モードをシグナル(Signal)と称し、確率p10、p11でラベル“10”、“11”がそれぞれランダムに選択されるテストモードをまとめてテスト1(Test1)と称し、確率p2でラベル“2”がランダムに選択されるテストモードをテスト2(Test2)と称する。 In this embodiment, the signal mode in which the label “0” is randomly selected with probability p0 is referred to as “Signal,” the test modes in which the labels “ 10 ” and “11” are randomly selected with probabilities p10 and p11 , respectively, are collectively referred to as “Test 1,” and the test mode in which the label “ 2 ” is randomly selected with probability p2 is referred to as “Test 2.”

[ステップ2]
ボブ3は、ステップ1のアリス2と同じ手順を個別に実行する。
[Step 2]
Bob 3 independently performs the same procedure as Alice 2 in step 1.

[ステップ3]
アリス2及びボブ3は、ステップ1及びステップ2を合計Ntot回(ラウンド)繰り返す。
[Step 3]
Alice 2 and Bob 3 repeat steps 1 and 2 a total of N tot times (rounds).

[ステップ4]
アリス2及びボブ3は、各確率でランダムにラベルを選択してゆき、ランダムに通信用光パルス又はテスト用光パルスを生成するたびに、これをチャーリ4に量子通信路100を介して順次送信してゆく。
[Step 4]
Alice 2 and Bob 3 randomly select a label with each probability, and each time they randomly generate a communication optical pulse or a test optical pulse, they sequentially transmit this to Charlie 4 via the quantum communication channel 100 .

なお、本実施形態に係るチャーリ4は、イブとも呼ばれる不正な盗聴者が制御する光子検出ユニットにもなり得る光子検出ユニット4であり、50:50のビームスプリッタ15と、対の単一光子検出器16a,16bと、通知部20とを有している。 In this embodiment, Charlie 4 is a photon detection unit 4 that can also be a photon detection unit controlled by an unauthorized eavesdropper, also known as Eve, and has a 50:50 beam splitter 15, a pair of single photon detectors 16a, 16b, and a notification unit 20.

チャーリ4は、アリス2及びボブ3から送信された連続する光パルスをビームスプリッタ15で受信する。ビームスプリッタ15は、アリス2及びボブ3から同時刻に受信したペアの光パルスを干渉させ、ペアの光パルスの位相差が0のときには第1の単一光子検出器16aに光パルスを出力し、位相差がπのときには第2の単一光子検出器16bに光パルスを出力する。Charlie 4 receives successive optical pulses transmitted from Alice 2 and Bob 3 at beam splitter 15. Beam splitter 15 causes pairs of optical pulses received at the same time from Alice 2 and Bob 3 to interfere with each other, and outputs an optical pulse to the first single-photon detector 16a when the phase difference between the pair of optical pulses is 0, and outputs an optical pulse to the second single-photon detector 16b when the phase difference is π.

これにより、チャーリ4では、ペアの光パルスの位相差が0で同位相のときには、第1の単一光子検出器16aで光子を検出し得、ペアの光パルスの位相差がπで逆位相のときには、第2の単一光子検出器16bで光子を検出し得る。As a result, in Charlie 4, when the phase difference between the pair of light pulses is 0 and they are in phase, a photon can be detected by the first single-photon detector 16a, and when the phase difference between the pair of light pulses is π and they are out of phase, a photon can be detected by the second single-photon detector 16b.

チャーリ4は、アリス2及びボブ3から同時刻に受信した光パルスの各ペアについて、それぞれ単一光子検出器16a,16bで光子を検出したか否かと、検出した際には単一光子検出器16a,16bのいずれで光子を検出したか否かの検出結果を通知部20により公開通信路を介してアリス2及びボブ3に公開する。アリス2及びボブ3は、チャーリ4が公開した検出結果を取得部10で取得する。For each pair of optical pulses received from Alice 2 and Bob 3 at the same time, Charlie 4 publishes the detection results, via a public communication path by a notification unit 20, to Alice 2 and Bob 3, indicating whether a photon was detected by single photon detectors 16a, 16b, and, if detected, which of single photon detectors 16a, 16b detected the photon. Alice 2 and Bob 3 acquire the detection results published by Charlie 4 using an acquisition unit 10.

[ステップ5]
その後、アリス2及びボブ3は、量子通信が終了してから、各自が選択したラベルを、公開通信路を介して公開する。アリス2は、応答推定装置11によって、アリス2とボブ3の両方がラベル“0”を選択し、かつチャーリ4が検出を通知したラウンドの数(検出数)を求め、K0とする。アリス2は、アリス2とボブ3の両方がラベル“0”を選択したK0のランダムビットを連結してシフト鍵を定義する。
[Step 5]
After that, after the quantum communication is completed, Alice 2 and Bob 3 publish the labels they have selected through the public communication channel. Using the response estimation device 11, Alice 2 determines the number of rounds (detection count) in which both Alice 2 and Bob 3 selected the label "0" and Charlie 4 notified detection, and sets this as K0 . Alice 2 defines a sifted key by concatenating the random bits of K0 in which both Alice 2 and Bob 3 selected the label "0".

一方、ボブ3は、アリス2とボブ3の両方がラベル“0”を選択したK0のラウンドのうち、同位相のラウンドはそのランダムビットを維持するとともに、逆位相であると宣言されたラウンドの全てのランダムビットを反転させたうえで、これらK0のラウンド全てのビットを連結してシフト鍵を定義する。 On the other hand, Bob 3 keeps the random bits of the rounds in the same phase among the rounds of K0 in which both Alice 2 and Bob 3 selected the label “0”, and inverts all the random bits of the rounds declared to be in the opposite phase. Then, Bob 3 defines the sifted key by concatenating the bits of all the rounds of K0 .

このようにして、アリス2及びボブ3は、通信用光パルスに基づいて暗号鍵のもととなるシフト鍵を生成することができる。In this way, Alice 2 and Bob 3 can generate a shift key that serves as the basis for the encryption key based on the communication light pulses.

[ステップ6]
この際、アリス2は、応答推定装置11によって、アリス2とボブ3の両方がラベル“10”、“11”及び“2”を選択し、かつチャーリ4が検出を通知したラウンドの数(検出数)を求める。ここで、アリス2とボブ3の両方がラベル“10”を選択したときの検出数をK10とし、アリス2とボブ3の両方がラベル“11”を選択したときの検出数をK11とし、アリス2とボブ3の両方がラベル“2”を選択したときの検出数をK2とする。また、ここではK1=K10+K11とする。
[STEP 6]
At this time, Alice 2 uses the response estimation device 11 to find the number of rounds (detection count) in which both Alice 2 and Bob 3 selected the labels "10", "11", and "2" and Charlie 4 notified detection. Here, let K10 be the number of detections when both Alice 2 and Bob 3 selected the label "10", K11 be the number of detections when both Alice 2 and Bob 3 selected the label "11", and K2 be the number of detections when both Alice 2 and Bob 3 selected the label "2". Here, let K1 = K10 + K11 .

[ステップ7]
エラー訂正のために、アリス2は、自身のシフト鍵における線型符号のシンドロームのHECビットをボブ3に知らせる。これに応じて、ボブ3は、自身のシフト鍵を適宜訂正する。アリス2とボブ3は、ユニバーサルハッシュ(参考文献24)を介してζ′ビットを比較することにより、訂正を検証する。HECは、想定される通信エラー量に基づき、予め定められるパラメータである。ζ′は、暗号鍵の不完全性をどこまで許容するかを規定するために、予め定められるパラメータである。
[STEP 7]
For error correction, Alice 2 informs Bob 3 of the H EC bits of the syndrome of the linear code in her sifted key. In response, Bob 3 corrects his sifted key accordingly. Alice 2 and Bob 3 verify the correction by comparing the ζ′ bits via a universal hash (Reference 24). H EC is a parameter that is determined in advance based on the expected amount of communication errors. ζ′ is a parameter that is determined in advance to specify how much imperfection in the encryption key is tolerated.

ここで、アリス2は、解析部12及び推定部13によって、下記の式(1)に基づいて、このプロトコルの安全性を証明する。なお、下記の式(1)についての詳細な説明は後述する。

Figure 0007519696000001
…(1)
なお、上記の式(1)の「<_ 」は「≦」とも表記し、「>_ 」は「≧」とも表記する。 Here, Alice 2 proves the security of this protocol based on the following formula (1) using the analysis unit 12 and the estimation unit 13. Note that the following formula (1) will be described in detail later.
Figure 0007519696000001
…(1)
In addition, in the above formula (1), "<_" can also be written as "≦", and ">_" can also be written as "≧".

なお、Probは{ }内のパラメータが確率に関して規定していることを示す記号である。つまり、上記の式(1)は、K0 (even) ≦ f(K1,K2)となる確率が、(1-ε)以上であることを示している。
K0 (even)は、アリス2とボブ3とが両方とも通信用光パルス(ラベル“0”)を選択したときの検出数K0のうち、アリス2とボブ3の光パルス対の合計光子数が偶数だったときの検出数を示すパラメータである。このパラメータの値は盗聴量の多寡に応じて変化する。
f(K1,K2)は、アリス2及びボブ3の両方がラベル“10”“11”を選択したときの検出数K1と、アリス2及びボブ3の両方がラベル“2”を選択したときの検出数K2と、を含む関数である。なお、関数f(K1,K2)の詳細については後述する。
εは、量子暗号鍵配信システム1が出力する最終的な暗号鍵の不完全性をどこまで許容するかかを規定(すなわち、通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定)するための確率を示し、予め定められるパラメータである。
Note that Prob is a symbol indicating that the parameters in { } are specified in terms of probability. In other words, the above formula (1) indicates that the probability that K0 (even) ≦f( K1 , K2 ) is equal to or greater than (1-ε).
K0 (even) is a parameter that indicates the number of detections when the total number of photons in the optical pulse pairs of Alice 2 and Bob 3 is an even number, out of the number of detections K0 when both Alice 2 and Bob 3 select the optical pulse for communication (labeled "0"). The value of this parameter changes depending on the amount of eavesdropping.
f( K1 , K2 ) is a function including the number of detections K1 when both Alice 2 and Bob 3 select the labels "10" and "11", and the number of detections K2 when both Alice 2 and Bob 3 select the label " 2 ". Details of the function f( K1 , K2 ) will be described later.
ε is a predetermined parameter that indicates the probability for specifying the degree of imperfection that is tolerated in the final encryption key output by the quantum encryption key distribution system 1 (i.e., for specifying the amount of estimated error that is tolerable in estimating the amount of eavesdropping on a pair of communication optical pulses).

[ステップ8]
アリス2は、鍵長算出部12によって、上記の式(1)に示す不等式に基づき、安全性が高い最終的な暗号鍵の長さを、下記の式(2)により算出し、ボブ3に通知する。これにより、アリス2とボブ3は、下記の式(2)の長さGの暗号鍵を、それぞれシフト鍵から生成する。

Figure 0007519696000002
…(2) [STEP 8]
Based on the inequality shown in the above formula (1), Alice 2 calculates the final encryption key length with high security using the following formula (2) by using the key length calculation unit 12, and notifies Bob 3. As a result, Alice 2 and Bob 3 each generate an encryption key of length G in the following formula (2) from the sifted key.
Figure 0007519696000002
…(2)

上記の式(2)のGは、暗号鍵の長さである。
関数h(x)は、x ≦ 1/2のとき、h(x)=-xlog2x-(1-x)log2(1-x)となり、x > 1/2のとき、h(x)=1となる。ζは、暗号鍵の不完全性をどこまで許容するかを規定するために、予め定められるパラメータである。
In the above equation (2), G is the length of the encryption key.
The function h(x) is h(x)=- xlog2x- (1-x) log2 (1-x) when x ≦ 1/2, and h(x)=1 when x > 1/2. ζ is a parameter that is determined in advance to specify the degree of imperfection in the encryption key that is tolerated.

(2)本実施形態に係る量子暗号鍵配信システムの応答推定方法の概要
次に、図2に示すイメージ図を用いて、本実施形態に係る応答推定方法の概要について簡単に説明する。本実施形態に係る応答推定方法は、図2の2Aに示すように、推定したい盗聴量を直接測定できる特殊な光パルスの量子力学的な理想状態101について、既存のレーザ光源5では生成が困難である際に、レーザ光源5から生成可能な様々な強度の光パルスの量子力学的な状態103,104,105を利用した加減算で、当該理想状態101を近似した、量子力学的な近似状態102を生成するものである。
(2) Outline of the response estimation method of the quantum cryptography key distribution system according to the present embodiment Next, an outline of the response estimation method according to the present embodiment will be briefly described with reference to the image diagram shown in Fig. 2. As shown in Fig. 2A, when a quantum mechanical ideal state 101 of a special optical pulse capable of directly measuring the amount of eavesdropping to be estimated is difficult to generate with an existing laser light source 5, the response estimation method according to the present embodiment generates a quantum mechanical approximation state 102 that approximates the ideal state 101 by addition and subtraction using quantum mechanical states 103, 104, and 105 of optical pulses of various intensities that can be generated from a laser light source 5.

その際に、近似状態102と理想状態101とが、量子状態を表す密度演算子に関する演算子の不等式を満たすように調整される。本実施形態に係る応答推定方法で用いる検出数に関する不等式は、ベルヌーイサンプリングの公式を2回使うだけで得られるものであり、この不等式を用いることで規定の信頼水準のもとでの厳密な最悪値(盗聴量の上限)が得られる。At that time, the approximate state 102 and the ideal state 101 are adjusted to satisfy an operator inequality related to the density operator representing the quantum state. The inequality related to the number of detections used in the response estimation method according to this embodiment can be obtained by simply using the Bernoulli sampling formula twice, and by using this inequality, a strict worst-case value (upper limit of the amount of eavesdropping) can be obtained under a specified confidence level.

図2の2Bは、本実施形態に係る応答推定方法を説明するための別のイメージ図であり、光を対象物110に照射した際に盗聴の痕跡が浮かび上がることをイメージしたものである。上述したように、量子通信システムにおいて、盗聴の痕跡を直接浮かび上がらせるには、レーザ光源5では生成することが困難な特殊な光が必要となる場合がある。そのような光を実際に生成する替わりに、本実施形態に係る応答推定方法では、レーザ光源5で生成可能な光パルス(レーザ光)を照射して得られたデータを2種類作り、これを引き算する。本願の発明者らは、どのような盗聴攻撃でも、この引き算した結果に痕跡が現れることを数学的に証明することができた。 Figure 2B is another image diagram for explaining the response estimation method according to this embodiment, which shows that traces of eavesdropping emerge when light is irradiated onto the target object 110. As described above, in a quantum communication system, in order to directly reveal traces of eavesdropping, special light that is difficult to generate with the laser light source 5 may be required. Instead of actually generating such light, in the response estimation method according to this embodiment, two types of data obtained by irradiating a light pulse (laser light) that can be generated by the laser light source 5 are created and subtracted. The inventors of the present application have been able to mathematically prove that traces appear in the result of this subtraction regardless of the type of eavesdropping attack.

(2-1)本実施形態に係る応答推定方法で用いる不等式の概要
上述したように、本実施形態に係る応答推定方法において用いる、上記式(1)に示す不等式は、ベルヌーイサンプリングの公式を2回使うだけで得られるものである。ここでは、上述した量子暗号鍵配信システム1を用いずに、別の例を提示して、一般的なベルヌーイサンプリングの公式について説明しつつ、上記式(1)に示した不等式の大まかな概要について説明する。
(2-1) Overview of the inequality used in the response estimation method according to the present embodiment As described above, the inequality shown in the above formula (1) used in the response estimation method according to the present embodiment can be obtained by simply using the Bernoulli sampling formula twice. Here, a different example will be presented without using the above-mentioned quantum cryptography key distribution system 1, and a general overview of the inequality shown in the above formula (1) will be described while explaining a general Bernoulli sampling formula.

図3は、ベルヌーイサンプリングの公式を説明するためのイメージ図であり、ここでは、複数の製品(例えば、10000個の製品)28を出荷する際に、実際に出荷した製品29の中に、欠陥がある製品(欠陥品とも称する)がいくつあるかを特定する例を考える。各製品の欠陥の有無が破壊検査でのみ確認できる場合には、出荷対象となる製品28の中から無作為に所定数(例えば100個)の製品をランダムに選択し、ランダムに選択した製品について欠陥があるか否かを検査し、その結果から出荷した残り9900個の製品29の中に、どの程度、欠陥品が含まれているかを推測する手法がある。 Figure 3 is an image diagram for explaining the Bernoulli sampling formula, and here we consider an example in which, when shipping a plurality of products (e.g., 10,000 products) 28, the number of defective products (also called defective items) contained in the actually shipped products 29 is identified. When the presence or absence of defects in each product can only be confirmed by destructive testing, one method is to randomly select a predetermined number of products (e.g., 100 items) from the products 28 to be shipped, inspect the randomly selected products for defects, and use the results to estimate the degree to which defective items are contained among the remaining 9,900 products 29 that were shipped.

出荷予定の10000個の製品の中からランダムに100個程度の製品を選択する手法としてベルヌーイサンプリングが知られている。ベルヌーイサンプリングは、10000個の製品一つ一つについて確率p(例えば1/100)で、サンプルにする製品を選定してゆくものである。Bernoulli sampling is known as a method for randomly selecting around 100 products from 10,000 products scheduled for shipment. Bernoulli sampling involves selecting a product to be sampled from each of the 10,000 products with a probability of p (for example, 1/100).

例えば、検査の対象物となる製品からベルヌーイサンプリングによりランダムに選択した製品を、理想的なプローブ光(以下、プローブ光を単にプローブと称する)25を照射して破壊検査を行った際に、欠陥が見つかった製品(「欠陥あり」と表記)の総数Kは、出荷した残りの製品29の中にある「欠陥あり」の総数との関係で、厳密な保証がある。For example, when products randomly selected by Bernoulli sampling from the products to be inspected are irradiated with an ideal probe light (hereinafter, the probe light will be simply referred to as the probe) 25 and subjected to destructive inspection, the total number K of products found to be defective (denoted as "defective") is strictly guaranteed in relation to the total number of "defective" products among the remaining products 29 shipped.

ここで、その保証は、例えば、「出荷された製品のうち、5個を超える欠陥が見つかる確率は0.001%以下である」という形で与えられる。サンプリングの確率をp、検査によって欠陥が見つかる総数をK、出荷した製品の中で欠陥が見つかる総数をM、推定の信頼水準として許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータ(推定エラー量を規定するための確率)をεとした場合、ベルヌーイサンプリングの公式は下記の式(3)、式(4)で表すことができる。

Figure 0007519696000003
…(3)
Figure 0007519696000004
…(4) Here, the guarantee is given in the form of, for example, "the probability that more than five defects will be found in shipped products is 0.001% or less." If the sampling probability is p, the total number of defects found by inspection is K, the total number of defects found in shipped products is M, and a predetermined parameter (probability for specifying the estimated error amount) for specifying the amount of estimated error that is allowable as the confidence level of the estimation is ε, the Bernoulli sampling formula can be expressed by the following equations (3) and (4).
Figure 0007519696000003
…(3)
Figure 0007519696000004
…(4)

なお、ここでのMは、出荷した製品29の中で欠陥が見つかる総数の下限を示し、Mは、出荷した製品29の中で欠陥が見つかる総数の上限を示す。このM-とM+は、k,p,εに依存する関数であり、任意の非負の整数nについて、

Figure 0007519696000005
…(5)
Figure 0007519696000006
…(6)
を満たす。ここで、χ(条件式)は、条件式が真のとき1、偽のとき0の値をとる。 In this case, M- indicates the lower limit of the total number of defects found in the shipped products 29, and M + indicates the upper limit of the total number of defects found in the shipped products 29. M- and M + are functions that depend on k, p, and ε, and for any non-negative integer n,
Figure 0007519696000005
…(5)
Figure 0007519696000006
…(6)
Here, χ (conditional expression) takes a value of 1 when the conditional expression is true, and takes a value of 0 when the conditional expression is false.

具体的には、関数M-(k;p,ε)とM+(k;p,ε)の選び方のひとつとして、下記の式(7)に示す方程式

Figure 0007519696000007
…(7)
をMについて解いて得られる2つの解の大きいほうをM+、小さいほうをM-とすると、式(5)と式(6)が満たされる。ここで、
Figure 0007519696000008
…(8)
である。 Specifically, one way to select the functions M - (k; p, ε) and M + (k; p, ε) is to use the equation (7) shown below.
Figure 0007519696000007
…(7)
If the larger of the two solutions obtained by solving for M is called M + and the smaller is called M- , then equations (5) and (6) are satisfied. Here,
Figure 0007519696000008
…(8)
It is.

ここで、図4に示すように、例えば、製品に欠陥があるか否かを正確に検査することができる理想的なプローブ25で製品28(対象物)を検査した場合には、理想的なプローブ25により「positive」の検出結果が得られれば必ず製品に欠陥があると言え、一方、「negative」の検出結果が得られれば必ず製品に欠陥がないと言える。 Here, as shown in Figure 4, for example, when a product 28 (object) is inspected with an ideal probe 25 that can accurately inspect whether the product has a defect, if a "positive" detection result is obtained by the ideal probe 25, it can be said that the product has a defect, whereas if a "negative" detection result is obtained, it can be said that the product does not have a defect.

しかしながら、理想的なプローブ(対象物の所定状態を測定可能な理想的信号)25よりも検査精度が低い安価なプローブ(テスト用信号)30を用いて製品28を検査した場合には、検査精度が低いことから、一般的に、安価なプローブ30により「positive」の検出結果が得られても必ず製品に欠陥があるとは言えず、「negative」の検出結果が得られても同様に必ず製品に欠陥がないとは言えない。However, when inspecting a product 28 using an inexpensive probe (test signal) 30 that has lower inspection accuracy than an ideal probe (ideal signal capable of measuring a specified state of an object) 25, due to the low inspection accuracy, generally, even if a "positive" detection result is obtained using the inexpensive probe 30, it does not necessarily mean that the product is defective, and similarly, even if a "negative" detection result is obtained, it does not necessarily mean that the product is free of defects.

そこで、図5及び下記の式(9)に示すように、“+”のプローブ30aの量子力学的な状態ρ+ (test)と、“-”のプローブ30bの量子力学的な状態ρ- (test)との引き算によって、理想的なプローブの量子力学的な理想状態ρ(ideal)を近似できるような2種類の“+”のプローブ30a及び“-”のプローブ30bを見つけ、量子力学的な状態が下記の式(9)の条件を満たす“+”のプローブ30aと“-”のプローブ30bとの2種類のプローブで製品28を検査することを考える。なお、ここでは、下記の式(9)のような条件を演算子優越条件(operator dominance condition)とも称する。

Figure 0007519696000009
…(9) Therefore, as shown in Fig. 5 and the following formula (9), two types of "+" probes 30a and "-" probes 30b that can approximate the quantum mechanical ideal state ρ (ideal) of an ideal probe are found by subtracting the quantum mechanical state ρ + ( test) of the "+" probe 30a from the quantum mechanical state ρ - (test) of the "-" probe 30b, and the product 28 is considered to be inspected with the two types of probes, the "+" probe 30a and the "-" probe 30b, whose quantum mechanical states satisfy the condition of the following formula (9). Note that here, the condition as in the following formula (9) is also referred to as an operator dominance condition.
Figure 0007519696000009
…(9)

上記の式(9)のρ+ (test)、ρ- (test)及びρ(ideal)は、密度演算子又は密度行列と呼ばれる、量子力学において、物質や光の量子力学的な状態を表すものである。 In the above formula (9), ρ + (test) , ρ (test) , and ρ (ideal) are called density operators or density matrices, and represent the quantum mechanical state of matter or light in quantum mechanics.

ρ+ (test)は、安価な“+”のプローブ30aの密度演算子であり、ρ- (test)は、“+”のプローブ30aとは量子力学的な状態が異なる他の安価な“-”のプローブ30bの密度演算子である。ρ(ideal)は、理想的なプローブ25の密度演算子である。
α、βは正の実数(パラメータ)である。
演算子の間の不等式A≧Bは、差の演算子A-Bが半正定値であることを意味する。
ρ + (test) is the density operator of the inexpensive “+” probe 30a, ρ - (test) is the density operator of another inexpensive “−” probe 30b that is in a different quantum mechanical state from the “+” probe 30a, and ρ (ideal) is the density operator of the ideal probe 25.
α and β are positive real numbers (parameters).
An inequality between operators A >= B means that the difference operator AB is positive semidefinite.

ここで、確率P1で“+”のプローブ30aで製品28を検査したときに、positiveになるという事象の総数(検出数とも称する)をK1とする。また、確率P2で“-”のプローブ30bで製品28を検査したときに、positiveになるという事象の総数(検出数とも称する)をK2とする。製品29は、確率P3で出荷されるとする。なお、検査しなかった製品を全て出荷する場合にはP3=1-P1-P2が成り立つが、以下では、全てを出荷しない場合も含めることとし、出荷される確率は0<P3≦1-P1-P2を満たす任意の値とする。出荷された製品29を理想的なプローブ25で検査したときに、positiveとなる総数をMとする。 Here, let K1 be the total number of events (also called the number of detections) that result in a positive result when a product 28 is inspected with a "+" probe 30a with a probability P1 . Let K2 be the total number of events (also called the number of detections) that result in a positive result when a product 28 is inspected with a "-" probe 30b with a probability P2. Let the product 29 be shipped with a probability P3 . Note that if all uninspected products are shipped, P3 = 1- P1 -P2 holds, but below we will also include the case where none of the products are shipped, and the probability of shipment is an arbitrary value that satisfies 0< P3 ≦ 1- P1 -P2 . Let M be the total number of positive results when the shipped products 29 are inspected with an ideal probe 25.

この場合、上記の式(9)と、ベルヌーイサンプリングの公式に基づく二項分布の式(3)、式(4)とを使って、下記の式(10)を導くことができる。

Figure 0007519696000010
…(10) In this case, the following equation (10) can be derived using the above equation (9) and the binomial distribution equations (3) and (4) based on the Bernoulli sampling formula.
Figure 0007519696000010
…(10)

ここで、K1,K2,P1, P2, P3,α,β,εを含む関数である、上記の式(10)の関数f(K1,K2,P1, P2, P3,α,β,ε)について説明する。 Here, we will explain the function f( K1 , K2 , P1 , P2 , P3 , α, β, ε) in the above equation (10), which is a function including K1 , K2 , P1 , P2 , P3 , α, β, ε.

まず、図6に示すように、上記の式(9)の不等式の左辺と右辺との差は半正定値なので、ある量子力学的な状態ρ(junk)を用いて(α-β-1)ρ(junk)と表せる。すると、ρ (test)は、このρ(junk)を用いることで、下記の式(11)のように表すことができる。なお、α-β ≧ 1である。

Figure 0007519696000011
…(11) First, as shown in Fig. 6, the difference between the left and right sides of the inequality in the above formula (9) is a semi-positive definite value, so it can be expressed as (α-β-1)ρ (junk) using a certain quantum mechanical state ρ (junk) . Then, ρ + (test) can be expressed as the following formula (11) using this ρ (junk) . Note that α-β ≧ 1.
Figure 0007519696000011
…(11)

ここで、Q1,Q2,Q3を下記の式(12)で定義すると、上記の式(11)は下記の式(13)で表わすことができる。なお、Q1,Q2,Q3 ≧ 0、Q1 + Q2 + Q3=P1である。

Figure 0007519696000012
…(12)
Figure 0007519696000013
…(13) Here, if Q1 , Q2 , and Q3 are defined by the following formula (12), the above formula (11) can be expressed by the following formula (13), where Q1 , Q2 , and Q3 ≧0, and Q1 + Q2 + Q3P1 .
Figure 0007519696000012
…(12)
Figure 0007519696000013
…(13)

ここで、上記の式(13)から、次のようなことが言える。
「確率P1で“+”のプローブ30aで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をK1」とするということは、図6に示すように、下記の(i)、(ii)及び(iii)の3つのことを全て行っているのと量子力学的に等価になると言える。また、K1=L1 + L2 + L3となる。
Here, the following can be said from the above formula (13).
Let K1 be the total number of positive results when inspecting products 28 with a "+" probe 30a with a probability of P1 , and this is quantum mechanically equivalent to carrying out all three of the following steps (i), (ii), and (iii), as shown in Figure 6. Additionally, K1 = L1 + L2 + L3 .

(i) 「確率Q1で“-”のプローブ30bで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL1」とする。
(ii) 「確率Q2で理想的なプローブ25で製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL2」とする。
(iii)「確率Q3で“junk”のプローブ32で製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL3」とする。
(i) Let L 1 be the total number of positive results when the products 28 are inspected with the "-" probe 30b with a probability of Q 1 .
(ii) Let L 2 be the total number of positive results when products 28 are inspected with an ideal probe 25 with a probability of Q 2 .
(iii) Let L 3 be the total number of positive results when the products 28 are inspected with the "junk" probe 32 with a probability of Q 3 .

ここで、図7に示すように、“+”のプローブ30aと“-”のプローブ30bの2種類のプローブを用いて製品28の検査を行った場合について考える。すなわち、「確率P1で“+”のプローブ30aで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をK1とする」、「確率P2で“-”のプローブ30bで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をK2とする」という場合について考える。さらに、確率P3で製品29が出荷されることになり、出荷した製品29での欠陥の数をMとする。 Here, consider the case where a product 28 is inspected using two types of probes, a "+" probe 30a and a "-" probe 30b, as shown in Fig. 7. That is, consider the case where "when a product 28 is inspected with a "+" probe 30a with a probability of P1 , the total number of positive results is K1 ," and "when a product 28 is inspected with a "-" probe 30b with a probability of P2 , the total number of positive results is K2 ." Furthermore, a product 29 is shipped with a probability of P3, and the number of defects in the shipped product 29 is M.

図6にて説明したように、「確率P1で“+”のプローブ30aで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をK1」とするということは、上記の(i)、(ii)及び(iii)の3つのことを全て行っているのと量子力学的に等価になるため、“+”のプローブ30aと“-”のプローブ30bの2種類のプローブを用いて製品28の検査を行うことは、図7に示すように、以下の(i)、(ii)、(iii)、(iV)及び(V)の5つのことを全て行っているのと量子力学的に等価になると言える。また、K1=L1 + L2 + L3となる。 As explained in Figure 6, "when inspecting products 28 with a "+" probe 30a with a probability of P1 , the total number of positive results is K1 " is quantum mechanically equivalent to performing all three of the above (i), (ii), and (iii), so inspecting products 28 using two types of probes, a "+" probe 30a and a "-" probe 30b, can be said to be quantum mechanically equivalent to performing all five of the following (i), (ii), (iii), (iV), and (V), as shown in Figure 7. Also, K1 = L1 + L2 + L3 .

(i) 「確率Q1で“-”のプローブ30bで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL1」とする
(ii) 「確率Q2で理想的なプローブ25で製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL2」とする
(iii)「確率Q3で“junk”のプローブ32で製品28を検査したときに、positiveとなった総数をL3」とする
(iV) 「確率P2で“-”のプローブ30bで製品28を検査したときに、positiveとなった総数をK2」とする。
(V) 「確率P3で理想的なプローブ25で製品28を検査したときに、positiveとなった総数をM」とする。
(i) Let L1 be the total number of positive results when products 28 are inspected with the "-" probe 30b with probability Q1 . (ii) Let L2 be the total number of positive results when products 28 are inspected with an ideal probe 25 with probability Q2 . (iii) Let L3 be the total number of positive results when products 28 are inspected with the "junk" probe 32 with probability Q3. (iV) Let K2 be the total number of positive results when products 28 are inspected with the "-" probe 30b with probability P2 .
(V) Let M be the total number of positive results when inspecting products 28 with an ideal probe 25 with probability P3 .

このように、“+”のプローブ30aと“-”のプローブ30bの2種類のプローブを用いて製品28の検査を行うということは、見方を変えると、上記の5つのことを全て行っているとも言える。 In this way, inspecting product 28 using two types of probes, "+" probe 30a and "-" probe 30b, can be said to accomplish all five of the above tasks from a different perspective.

ここで、上記の(ii)と(V)に着目すると、選択される確率がQ2とP3とで異なるが、いずれも同じように、理想的なプローブ25で製品28を検査し、positiveとなった総数を数えているだけである。従って、「(ii)または(V)が選択された」という条件のもとでは、確率Q2/(P3+ Q2)で選ばれたサンプルについて得られたpositiveの総数がL2であり、選ばれなかった製品におけるpositiveの総数がMであるという、ベルヌーイサンプリングと同じ状況になっている。よって、欠陥の総数MをL2によって推定することができる。 Here, looking at (ii) and (V) above, the probability of being selected is different for Q2 and P3 , but in both cases, the ideal probe 25 is used to inspect the products 28, and the total number of positives is counted. Therefore, under the condition that "(ii) or (V) is selected," the total number of positives obtained for samples selected with probability Q2 /( P3 + Q2 ) is L2 , and the total number of positives in products not selected is M, which is the same as Bernoulli sampling. Therefore, the total number of defects, M, can be estimated by L2 .

このような考え方の下、上記の式(4)で示したベルヌーイサンプリングの公式に基づいて下記の式(14)を得ることができる。

Figure 0007519696000014
…(14) Based on this idea, the following equation (14) can be obtained based on the Bernoulli sampling formula shown in the above equation (4).
Figure 0007519696000014
…(14)

また、同様に、上記の(i)と(iV)にも着目すると、選択される確率がQ1とP2とで異なるが、いずれも同じように、“-”のプローブ30bで製品28を検査し、positiveとなった総数を数えているだけである。そのため、上記と同様の考えで、欠陥の総数L1をK2によって推定することができる。従って、この場合も上記と同様に、上記の式(3)で示したベルヌーイサンプリングの公式に基づいて下記の式(15)を得ることができる。

Figure 0007519696000015
…(15) Similarly, when we look at (i) and (iV) above, the probability of selection is different between Q1 and P2 , but in both cases, the "-" probe 30b is used to inspect the products 28 and the total number of positives is counted. Therefore, with the same idea as above, the total number of defects L1 can be estimated by K2 . Therefore, in this case as well, the following formula (15) can be obtained based on the Bernoulli sampling formula shown in the above formula (3).
Figure 0007519696000015
…(15)

また、上記のK1=L1 + L2 + L3を、L2 + L3=K1 - L1とし、L3を除去してL2を不等式で表すと、下記の式(16)を得ることができる。
L2 ≦ K1 - L1 … (16)
Moreover, by changing the above K1 = L1 + L2 + L3 to L2 + L3 = K1 - L1 , removing L3 and expressing L2 as an inequality, the following equation (16) can be obtained.
L 2 ≦ K 1 - L 1 … (16)

以上より、上記の式(15)に基づいて総数K2からL1を規定することができ、上記の式(16)に基づいて総数L1,K1からL2を規定することができ、さらに、上記の式(14)に基づいて総数L2から、最終的に知りたい総数Mを規定することができる。これらのうち、K1とK2とについては、“+”のプローブ30aと“-”のプローブ30bの2種類のプローブを用いて製品28の検査を行うことで求めることができるパラメータである。 From the above, it is possible to determine L1 from K2 based on the above formula (15), and it is possible to determine L1 and L2 from K1 based on the above formula (16), and it is further possible to determine the total number M that is ultimately desired from L2 based on the above formula (14). Of these, K1 and K2 are parameters that can be found by inspecting the products 28 using two types of probes, the "+" probe 30a and the "-" probe 30b.

そして、このような上記の式(14)、式(15)及び式(16)から、最終的に上記の式(10)及び下記の式(17)を得ることができる(図8)。

Figure 0007519696000016
…(17) Then, from the above formulas (14), (15), and (16), the above formula (10) and the following formula (17) can finally be obtained (FIG. 8).
Figure 0007519696000016
…(17)

このように、ベルヌーイサンプリングの公式(式(14)及び式(15))を2回用いるだけで、“+”のプローブ30aと、“-”のプローブ30bとの2種類のプローブを用いて製品28を検査した検査結果に基づいて、最終的に出荷した製品29でのpositiveとなる総数Mを推定することができる。 In this way, by simply using the Bernoulli sampling formula (equations (14) and (15)) twice, the total number M of positive products 29 finally shipped can be estimated based on the inspection results of products 28 using two types of probes, a "+" probe 30a and a "-" probe 30b.

以上から、上記の例では、例えば、ある送信器から対象物である製品28に量子力学的なプローブ(信号)を送信するシステムにおいて、送信器からプローブを入力したときのシステム内での、製品28での応答を推定することができる。この場合、製品28で、ある事象を検出可能なプローブ(理想的信号)25の量子力学的な理想状態ρ(ideal)を規定する(理想状態規定ステップ)。そして、この理想状態ρ(ideal)と量子力学的な状態が近似した近似状態を、2種類の安価なプローブ(テスト用信号)30a,30bの量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)を利用した加減算で表し、理想状態ρ(ideal)と、2種類の安価なプローブ30a,30bの量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)との関係を定めた、演算子の不等式(αρ+ (test) -βρ- (test) ≧ ρ(ideal))を特定する(特定ステップ)。 From the above, in the above example, for example, in a system in which a quantum mechanical probe (signal) is transmitted from a transmitter to a product 28, which is an object, a response in the system at the time when the probe is input from the transmitter can be estimated. In this case, a quantum mechanical ideal state ρ (ideal) of a probe (ideal signal) 25 capable of detecting a certain event in the product 28 is specified (ideal state specification step). Then, an approximation state in which this ideal state ρ (ideal) and a quantum mechanical state are approximated is expressed by addition and subtraction using the quantum mechanical states ρ + (test) and ρ - (test) of two types of inexpensive probes (test signals) 30a and 30b, and an operator inequality (αρ + (test) -βρ - (test) ≧ ρ (ideal) ) that defines the relationship between the ideal state ρ (ideal) and the quantum mechanical states ρ + (test) and ρ - (test) of the two types of inexpensive probes 30a and 30b is specified (specification step).

また、この例では、理想的なプローブ25によって検出される、製品29の欠陥ありとの事象の検出数Mと、2種類の安価なプローブ30a,30bをランダムに選択して製品28に欠陥ありとの事象を検出したときに安価なプローブ30a,30bの種類ごとに得られる欠陥ありの事象の検出数K1,K2と、推定の信頼水準として許容できる推定エラー量を規定するための確率εと、の関係を定めた不等式(Prob{ M ≦ f(K1,K2;P1,P2,P3,α,β,ε)} ≧ 1-ε)を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する(不等式規定ステップ)。 In addition, in this example, an inequality (Prob{M ≦ f(K1, K2; P1, P2, P3, α, β, ε)} ≧ 1-ε) that defines the relationship between the number M of events indicating that a product 29 is defective detected by an ideal probe 25, the number K1 , K2 of events indicating that a product 28 is defective obtained for each type of inexpensive probe 30a, 30b when two types of inexpensive probes 30a , 30b are randomly selected to detect events indicating that a product 28 is defective, and a probability ε for determining the amount of estimation error that is acceptable as the confidence level of the estimation is defined based on the Bernoulli sampling formula (inequality definition step).

これにより、この例では、特定ステップで特定した2種類の安価なプローブ30a,30bをランダムに切り換えて製品28に照射等し、安価なプローブ30a,30bによる、欠陥ありの事象の検出結果(K1,K2)を取得し(取得ステップ)、取得ステップで取得した検出結果に基づいて、式(10)の不等式を解いて、プローブを入力したときの入力に対する応答、すなわち、製品29にどの程度欠陥品が含まれているかの応答を推定することができる(推定ステップ)。 As a result, in this example, the two types of inexpensive probes 30a, 30b identified in the identification step are randomly switched to irradiate the product 28, and detection results ( K1 , K2 ) of defective events using the inexpensive probes 30a, 30b are obtained (acquisition step).Based on the detection results obtained in the acquisition step, the inequality in equation (10) is solved to estimate the response to the input when the probes are input, i.e., the response as to the extent to which the product 29 contains defective items (estimation step).

なお、ここでは、2種類の安価なプローブ30a,30bを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、3種類以上の安価なプローブを用い、3種類以上の安価なプローブの量子力学的な状態を利用した加減算で、理想的なプローブ(理想的信号)25の量子力学的な理想状態を近似するようにしてもよい。Note that, although the present invention is not limited to this example in that two types of inexpensive probes 30a and 30b are used, the quantum mechanical ideal state of an ideal probe (ideal signal) 25 may be approximated by using three or more types of inexpensive probes and adding and subtracting the quantum mechanical states of the three or more types of inexpensive probes.

図9に示すように、3種類以上の安価なプローブを用いた場合でも、α:= Σα、β:= Σjβj、ρ (test) := Σ(α/α)ρ、ρ- (test) := Σj(βj/β)ρ´j、というようにグループ化することで、上記の式(9)と同様に考えることができる。 As shown in Figure 9, even when three or more types of inexpensive probes are used, the probes can be grouped as follows: α := Σiαi , β:= Σjβj , ρ + (test) := Σi ( αi /α) ρi , ρ- (test) := Σj ( βj /β) ρ'j , and the above equation (9) can be considered.

(2-2)量子通信システムにおける応答推定方法での不等式
上記では、出荷する製品の中に欠陥がある製品がいくつあるかを一例として、上記式(1)に示す不等式が、ベルヌーイサンプリングの公式を2回使うだけで得られるものであることを説明した。ここでは、再び、図1に示したツインフィールド方式の量子暗号鍵配信システム1における応答推定方法について説明する。
(2-2) Inequality in response estimation method in quantum communication system In the above, it has been explained that the inequality shown in the above formula (1) can be obtained by using the Bernoulli sampling formula only twice, using the number of defective products among shipped products as an example. Here, the response estimation method in the twin-field quantum cryptography key distribution system 1 shown in Fig. 1 will be explained again.

信号モード時において、アリス2は、確率1/2で振幅√μの光パルス、確率1/2で振幅-√μの光パルスCAを生成する。いずれの場合も、光パルスCAが偶数個の光子を含む確率はecosh μ、奇数個の光子を含む確率はesinh μである。ボブ3も全く同様に光パルスCBを生成する。このとき、2つのパルスの量子的な状態を表す密度演算子は、下記の式(18)に示すように、合計光子数が偶数の状態ρ(even) と、合計光子数が奇数の状態ρ(odd) とを用いた和の形にかける。

Figure 0007519696000017
…(18) In the signal mode, Alice 2 generates an optical pulse C A with an amplitude √μ with a probability of 1/2, and an amplitude -√μ with a probability of 1/2. In either case, the probability that the optical pulse C A contains an even number of photons is e cosh μ, and the probability that it contains an odd number of photons is e sinh μ. Bob 3 generates an optical pulse C B in exactly the same way. In this case, the density operator that expresses the quantum state of the two pulses is expressed as the sum form using the state ρ (even) where the total number of photons is an even number and the state ρ (odd) where the total number of photons is an odd number, as shown in the following equation (18).
Figure 0007519696000017
…(18)

これは、2つのパルスが確率peven:=e-2μ cosh 2μで状態ρ(even) に準備され、確率podd:=1-pevenで状態ρ(even) に準備された場合と等価であることを意味する。 This means that two pulses are prepared in state ρ (even) with probability p even :=e -2μ cosh 2μ, which is equivalent to being prepared in state ρ (even) with probability p odd :=1-p even .

この解釈のもとでは、信号モード時にチャーリ4が検出を通知した総数K0は、2つのパルスが状態ρ(even) に準備された場合の検出回数K0 (even)と、2つのパルスが状態ρ(odd) に準備された場合の検出回数K0 (odd)との和と考えられる(K0 = K0 (even)+ K0 (odd))。 Under this interpretation, the total number of detections K0 reported by Charlie 4 in signal mode can be considered as the sum of the number of detections K0 ( even) when two pulses are ready in state ρ (even ) and the number of detections K0 ( odd) when two pulses are ready in state ρ ( odd) ( K0 = K0 (even) + K0 (odd) ).

K0 (even)/K0は、位相エラー率と呼ばれ、合計光子数が偶数の状態ρ(even)の検出数への寄与割合に相当する。位相エラー率が低いということは、シフト鍵の盗聴量が少ないことを意味する。K0 (even)は実際には知ることができない量であるが、何らかの手法でその上限値ephがわかれば、最終的な暗号鍵の長さをシフト鍵の長さのおよそ1- h(eph)倍に短縮する秘匿性増強の手続きによって、ほぼ盗聴のない安全な暗号鍵が得られる(参考文献22,23)。ここで、上述したように、関数h(x)は、x ≦ 1/2のとき、h(x)=-xlog2x-(1-x)log2(1-x)となり、x > 1/2のとき、h(x)=1となる。 K 0 (even) /K 0 is called the phase error rate, and corresponds to the contribution rate to the number of detections of the state ρ (even) where the total number of photons is even. A low phase error rate means that the amount of eavesdropping on the sifted key is low. K 0 (even) is a quantity that cannot actually be known, but if its upper limit e ph can be determined by some method, a privacy amplification procedure can be used to shorten the length of the final encryption key to approximately 1- h (e ph ) times the length of the sifted key, resulting in a secure encryption key that is almost free of eavesdropping (References 22, 23). Here, as mentioned above, the function h(x) is h(x)=-xlog 2 x-(1-x)log 2 (1-x) when x ≦ 1/2, and h(x)=1 when x > 1/2.

より厳密には、本実施形態の場合、下記の式(19)

Figure 0007519696000018
…(19)
が成り立つ時、最終的な暗号鍵の長さを、下記の式(20)
Figure 0007519696000019
…(20)
にすれば、暗号鍵の不完全性が、次式(21)で与えられるεsecに抑えられることが知られている。
Figure 0007519696000020
…(21) More precisely, in this embodiment, the following formula (19)
Figure 0007519696000018
…(19)
When this is true, the length of the final encryption key is calculated using the following formula (20).
Figure 0007519696000019
…(20)
It is known that, if the encryption key is set to ε sec, the incompleteness of the encryption key can be suppressed to ε sec given by the following equation (21).
Figure 0007519696000020
…(21)

従って、式(1)を満たす関数f(K1, K2)を見つけられれば、最終的な暗号鍵の長さを式(2)のGにとることで、その不完全性がたかだか上式のεsecであることが証明される。 Therefore, if we can find a function f(K 1 , K 2 ) that satisfies equation (1), then by taking the length of the final encryption key as G in equation (2), we can prove that its incompleteness is at most ε sec in the above equation.

主な問題は、信号モードでK0 (even)を推定するためにテストモードをどのように設計するかである。ここで、量子暗号鍵配信システム1では、実際に理想的な状態のρ(even)の光パルスを、レーザ光源5を用いて生成することは非常に困難である。そこで、上述した「(2-1)本実施形態に係る応答推定方法で用いる不等式の概要」の考え方に基づき、レーザ光源5を用いて生成できる状態の検出数だけからK0 (even)の上限を導く。 The main problem is how to design the test mode to estimate K 0 (even) in the signal mode. Here, in the quantum key distribution system 1, it is very difficult to actually generate an optical pulse of ρ (even) in an ideal state using the laser light source 5. Therefore, based on the idea of "(2-1) Outline of the inequality used in the response estimation method according to the present embodiment" described above, the upper limit of K 0 (even) is derived only from the number of detections of states that can be generated using the laser light source 5.

強度μで位相θをランダムに選択した光パルスの状態の密度演算子をτ(μ)と表記する。本実施形態に現れる検出数を整理すると、
(i) 確率p10 2で光パルス対が下記の式(22)の状態に準備される。その際の検出数はK10

Figure 0007519696000021
…(22)
(ii)確率p11 2で光パルス対が下記の式(23)の状態に準備される。その際の検出数はK11
Figure 0007519696000022
…(23)
(iii)確率p2 2で光パルス対が下記の式(24)のに準備される。その際の検出数はK2
Figure 0007519696000023
…(24)
(iV) 確率p0 2pevenで光パルス対が状態ρ(even) に準備される。その際の検出数はK0 (even)
となる。 The density operator of the state of an optical pulse with intensity μ and phase θ randomly selected is denoted as τ(μ). The number of detections that appear in this embodiment can be summarized as follows:
(i) With a probability p 10 2 , a pair of optical pulses is prepared in the state of the following equation (22). The number of detections at that time is K 10
Figure 0007519696000021
…(22)
(ii) With probability p 11 2 , the optical pulse pair is prepared in the state of the following equation (23). The number of detections at that time is K 11
Figure 0007519696000022
…(23)
(iii) With probability p 2 2 , a pair of optical pulses is prepared as shown in the following equation (24). The number of detections is K 2
Figure 0007519696000023
…(24)
(iV) With probability p 0 2 p even , an optical pulse pair is prepared in state ρ (even) . The number of detections is K 0 (even).
It becomes.

ここでの証明方法は、下記の式(25)に示す演算子優越条件に基づいている。

Figure 0007519696000024
…(25) The method of proof here is based on the operator dominance condition shown in the following equation (25).
Figure 0007519696000024
…(25)

なお、ΓとΛは正の定数である。また、本実施形態では、パラメータのセット(p10,p11,μ,μ1,μ2,Γ,Λ)は上記の式(25)を満たすものである。なお、ΓとΛは、p10,p11,μ,μ1,μ2)から計算することができ、その説明は後述する(式(38)、式(39)、式(40))。 Here, Γ and Λ are positive constants. In this embodiment, the parameter set ( p10 , p11 , μ, μ1 , μ2 , Γ, Λ) satisfies the above formula (25). Note that Γ and Λ can be calculated from p10 , p11 , μ, μ1 , μ2 ), and the explanation thereof will be given later (formulas (38), (39), and (40)).

ここで、光パルス対の密度演算子を以下の式(26)ように定義する。

Figure 0007519696000025
…(26) Here, the density operator of the optical pulse pair is defined as the following equation (26).
Figure 0007519696000025
…(26)

正のパラメータα、βを以下の式(27)のように定義する。

Figure 0007519696000026
…(27) The positive parameters α and β are defined as shown in the following equation (27).
Figure 0007519696000026
…(27)

そうすると、式(25)は上述した「(2-1)本実施形態に係る応答推定方法で用いる不等式の概要」における式(9)と同一になる。 In this case, equation (25) becomes identical to equation (9) in "(2-1) Overview of inequalities used in the response estimation method of this embodiment" above.

また、本実施形態に現れる検出数を整理したものは、次のように書き換えられる。
(i) 確率p10 2 + p11 2で光パルス対が状態ρ+ (test)に準備される。その際の検出数はK1
(ii) 確率p2 2で光パルス対が状態ρ- (test)に準備される。その際の検出数はK2
(iii)確率p0 2pevenで光パルス対が状態ρ(even) に準備される。その際の検出数はK0 (even)
Moreover, the number of detections that appears in this embodiment can be rewritten as follows.
(i) A pair of optical pulses is prepared in state ρ + (test) with probability p 10 2 + p 11 2. The number of detections is then K 1
(ii) With probability p 2 2 , a pair of optical pulses is prepared in state ρ - (test) . The number of detections is then K 2
(iii) With probability p 0 2 p even , an optical pulse pair is prepared in state ρ (even) . The number of detections at that time is K 0 (even).

ここで、P1= p10 2 + p11 2、P2= p2 2 P3=p0 2peven、M= K0 (even)と読み替えれば、 上述した「(2-1)本実施形態に係る応答推定方法で用いる不等式の概要」と同一の設定になる。従って、式(17)に定義された関数f(K1,K2,P1,P2,P3,α,β,ε)を用いて、下記の式(28)と定義すれば、式(10)が成立することを用いて上記の式(1)が導かれる。

Figure 0007519696000027
…(28) Here, if P1 = p102 + p112 , P2 = p22 , P3 = p02peven , and M = K0 (even) , the settings are the same as those in "(2-1) Outline of inequalities used in the response estimation method according to this embodiment." Therefore, if the following equation (28) is defined using the function f( K1 , K2 , P1 , P2 , P3 , α, β, ε) defined in equation (17), the above equation (1) can be derived by utilizing the fact that equation (10) holds.
Figure 0007519696000027
…(28)

上記の式(28)で与えられる関数f(K1,K2)は、下記の式(29)及び式(30)となる。

Figure 0007519696000028
…(29)
Figure 0007519696000029
…(30) The function f(K 1 , K 2 ) given by the above equation (28) becomes the following equations (29) and (30).
Figure 0007519696000028
…(29)
Figure 0007519696000029
…(30)

なお、式(7)をMについて解いて得られるM±は、(1 - p)K ≫ -logεのとき、下記の式(31)のように近似することができる。

Figure 0007519696000030
…(31) Note that M ± obtained by solving equation (7) for M can be approximated as in equation (31) below when (1 - p)K >> -logε.
Figure 0007519696000030
…(31)

これにより、上記の式(29)の関数f(K1,K2)は、下記の式(32)で表すことができる。なお、下記の式(32)のf(K1,K2)は式(33)で表すことができる。

Figure 0007519696000031
…(32)
Figure 0007519696000032
…(33)
As a result, the function f(K1, K2) in the above formula (29) can be expressed by the following formula (32). Note that f(K1, K2) in the following formula (32) can be expressed by the following formula (33).
Figure 0007519696000031
…(32)
Figure 0007519696000032
…(33)

(2-3)数値シミュレーション
次に、アリス2及びボブ3の間の距離Lと、パルスあたりのキーレートG / Ntotとの関係を、数値シミュレーションで調べたところ、図11に示すような結果が得られた。この数値シミュレーションでは、アリス2及びボブ3からチャーリ4へ光パルスを送信する際の光ファイバでの損失を0.2 dB / kmとし、損失に依存しないモード不整合率をem = 0.03とし、チャーリ4の検出効率をηd= 0.3とした。また、パラメータ(μ,μ1,μ2,p0,p10,p11,p2)は、距離Lごとに最適化した。
(2-3) Numerical Simulation Next, the relationship between the distance L between Alice 2 and Bob 3 and the key rate per pulse G/N tot was investigated by numerical simulation, and the results shown in Fig. 11 were obtained. In this numerical simulation, the loss in the optical fiber when transmitting optical pulses from Alice 2 and Bob 3 to Charlie 4 was set to 0.2 dB/km, the mode mismatch rate independent of loss was set to e m = 0.03, and the detection efficiency of Charlie 4 was set to η d = 0.3. In addition, the parameters (μ, μ 1 , μ 2 , p 0 , p 10 , p 11 , p 2 ) were optimized for each distance L.

この数値シミュレーションでは、K0,K1及びK2を決定するために次のようなモデルを適用した。アリス2からチャーリ4までの全体的な透過率と、ボブ3からチャーリ4までの全体的な透過率とは、それぞれη=ηd10-0.2L/20とした。 In this numerical simulation, the following model was applied to determine K0 , K1 , and K2 . The overall permeability from Alice 2 to Charlie 4 and the overall permeability from Bob 3 to Charlie 4 were set to η= ηd10-0.2L /20 , respectively.

チャーリ4は、単一光子検出器16a,16bの一方又は両方で光子を検出したときに成功を宣言すると仮定した。単一光子検出器16a,16bの両方で光子を検出した場合、チャーリ4はランダムに同位相又は逆位相を宣言することとした。チャーリ4の単一光子検出器16a,16bの誤検出率(ダークカウント確率)をpd = 10-8とした。この場合、単一光子検出器16a,16bを合わせた実効誤検出率はd:= 2pd-pd 2となる。予想される検出頻度は、下記の式(34)、式(35)及び式(36)としてモデル化できる。

Figure 0007519696000033
…(34)
Figure 0007519696000034
…(35)
Figure 0007519696000035
…(36) We assumed that Charlie 4 would declare success when one or both of the single photon detectors 16a and 16b detect a photon. If both single photon detectors 16a and 16b detect a photon, Charlie 4 would randomly declare in-phase or out-of-phase. We set the false positive rate (dark count probability) of Charlie 4's single photon detectors 16a and 16b to p d = 10 -8 . In this case, the effective false positive rate of the single photon detectors 16a and 16b combined is d: = 2p d -p d 2. The expected detection frequency can be modeled as the following equations (34), (35), and (36).
Figure 0007519696000033
…(34)
Figure 0007519696000034
…(35)
Figure 0007519696000035
…(36)

ビット誤り率については、モード不整合率がem = 0.03の下記の式(37)に示すモデルを使用した。

Figure 0007519696000036
…(37) For the bit error rate, a model shown in the following equation (37) with a mode mismatch rate e m =0.03 was used.
Figure 0007519696000036
…(37)

エラー訂正のコストHECを1.1 × K0 h(ebit)と仮定した。 The cost of error correction, H EC, was assumed to be 1.1 × K 0 h(e bit ).

Ntotの有限値でのキーレートの計算では、セキュリティパラメータをε = 2-66、ζ= 66及びζ ´= 32とし、εsec= 2 -31 < 10 -10でプロトコルが安全であるとした。 In calculating the key rate for finite values of N tot , the security parameters are ε = 2 -66 , ζ = 66 and ζ ´ = 32, and the protocol is found to be secure for ε sec = 2 -31 < 10 -10 .

上記の式(2)に示した最終的な量子鍵の長さGは、μ,a =μ1/ μ,b =μ2 /μ,p2,p1 = p 10 + p11,s = p10 /(p10 + p11)の6つのパラメータで、ネルダーミード法(Nelder-Mead法)を使用して最適化した。 The final quantum key length G shown in equation (2) above was optimized using the Nelder-Mead method with six parameters: μ,a = μ1 /μ,b = μ2 /μ, p2 , p1 = p10 + p11 ,s = p10 /( p10 + p11 ).

図10では、パルスペアの送信数Ntotを無限大にした極限である漸近極限の鍵生成レート(Asymptotic)と、送信数が有限でNtot = 1011,1012の場合の鍵生成レートを示している。また、図10では、比較のために、アリス2からボブ3へ直接リンクで、透過率がηd10-0.2L / 10における、理想的なデコイBB84のプロトコル(参考文献2,4)の漸近極限レートと、直接リンクの場合の原理限界であるPLOB限界レート(参考文献4)も示した。 Fig. 10 shows the asymptotic limit key generation rate (Asymptotic), which is the limit when the number of pulse pair transmissions N tot is infinite, and the key generation rate when the number of transmissions is finite and N tot = 10 11 and 10 12. For comparison, Fig. 10 also shows the asymptotic limit rate of the ideal decoy BB84 protocol (References 2, 4) for a direct link from Alice 2 to Bob 3 with a transmission rate of η d 10 -0.2L / 10 , and the PLOB limit rate (Reference 4), which is the theoretical limit for a direct link.

本実施形態に係るプロトコルを利用したNtot = 1011のキーレートは、アリス2及びボブ3の距離Lが300 km以上になると、PLOB限界をわずかに超えている。また、本実施形態に係るプロトコルを利用したNtot = 1012は、250 km以上でPLOB限界を明らかに上回ることが確認できた。また、本実施形態に係るプロトコルは、Ntot = 1011でも150 kmを超えると、デコイBB84プロトコルの性能を上回ることが確認できた。 The key rate of N tot = 10 11 using the protocol according to this embodiment slightly exceeds the PLOB limit when the distance L between Alice 2 and Bob 3 is 300 km or more. It was also confirmed that N tot = 10 12 using the protocol according to this embodiment clearly exceeds the PLOB limit at 250 km or more. It was also confirmed that the protocol according to this embodiment exceeds the performance of the decoy BB84 protocol at N tot = 10 11 and exceeds 150 km.

図10に示す数値シミュレーションの結果から、アリス2とボブ3から送信されたパルスペアの総数が1011~1012である場合、PLOB限界を上回ることが確認できた。これは、1 GHzでパルスを繰り返すシステムで数分から20分に相当する。 From the results of the numerical simulation shown in Fig. 10, it was confirmed that the PLOB limit is exceeded when the total number of pulse pairs transmitted from Alice 2 and Bob 3 is 10 11 -10 12 , which corresponds to several minutes to 20 minutes in a system repeating pulses at 1 GHz.

(2-4)演算子優越条件の構築(Construction of operator dominance condition)
ここでは、上記の式(25)に示す演算子優越条件を満たすパラメーターセットを計算する手順について説明する。μ1,μ2,p10,p11 > 0の値が、下記の式(38)を満たすと仮定する。

Figure 0007519696000037
…(38) (2-4) Construction of operator dominance condition
Here, a procedure for calculating a parameter set that satisfies the operator dominance condition shown in the above formula (25) will be described. It is assumed that the values of μ 1 , μ 2 , p 10 , and p 11 > 0 satisfy the following formula (38).
Figure 0007519696000037
…(38)

この時、下記の式(39)及び式(40)に従って、Γ及びΛを規定すれば、上記の式(25)が満たされる。

Figure 0007519696000038
…(39)
Figure 0007519696000039
…(40) In this case, if Γ and Λ are defined in accordance with the following expressions (39) and (40), the above expression (25) is satisfied.
Figure 0007519696000038
…(39)
Figure 0007519696000039
…(40)

証明は以下のようになる。τ(μ)=e Σkk /k!)|k><k|を使用すると、上記の式(25)の左側がフォック基底(Fock basis)で対角形式Σk,k′(q k+k′/ k! k′!)|k,k′><k,k′|を持つ。ここで、qmは下記の式(41)で表される。

Figure 0007519696000040
…(41) The proof is as follows: Using τ(μ)=e Σ kk /k!)|k><k|, the left side of the above equation (25) has the diagonal form Σ k , k′ (q k+k′ / k! k′!)|k,k′><k,k′| in the Fock basis, where q m is expressed by the following equation (41).
Figure 0007519696000040
…(41)

上記の式(39)を上記の式(41)に代入すると、上記の式(38)の条件の下で、下記の式(42)が得られる。

Figure 0007519696000041
…(42) By substituting the above equation (39) into the above equation (41), the following equation (42) is obtained under the condition of the above equation (38).
Figure 0007519696000041
…(42)

qmを使用すると、上記の式(40)は下記の式(43)に書き直される。

Figure 0007519696000042
…(43) Using qm , the above equation (40) can be rewritten as the following equation (43).
Figure 0007519696000042
…(43)

πe k=0 |2k><2k|とπe k=0 |2k><2k|とを、それぞれ偶数と奇数の光子数を持つ部分空間への射影演算子とする。また、πstは下記の式(44)で表わされる。

Figure 0007519696000043
…(44) Let π e k=0 |2k><2k| and π e k=0 |2k><2k| be projection operators onto the subspaces with even and odd photon numbers, respectively. In addition, π st is expressed by the following equation (44).
Figure 0007519696000043
…(44)

状態ρ(even)は合計光子数が偶数の場合を取り出した状態であることから、以下の式(45)が得られる。

Figure 0007519696000044
…(45) Since the state ρ (even) is the state obtained when the total number of photons is an even number, the following equation (45) is obtained.
Figure 0007519696000044
…(45)

従って、上記の式(25)は下記の式(46)、式(47)及び式(48)のセットと同等であると言える。

Figure 0007519696000045
…(46)
Figure 0007519696000046
…(47)
Figure 0007519696000047
…(48) Therefore, it can be said that the above equation (25) is equivalent to the set of equations (46), (47) and (48) below.
Figure 0007519696000045
…(46)
Figure 0007519696000046
…(47)
Figure 0007519696000047
…(48)

上記の式(48)の条件は、上記の式(42)から明らかに真である。k+k´が偶数の場合はqk+k′>0となるため、下記の式(49)が真ならば、上記の式(46)は真である。

Figure 0007519696000048
…(49)
ただし、
Figure 0007519696000049
…(50)
である。 The condition of the above formula (48) is clearly true from the above formula (42). When k+k' is an even number, qk +k' > 0 holds, so if the following formula (49) is true, then the above formula (46) is true.
Figure 0007519696000048
…(49)
however,
Figure 0007519696000049
…(50)
It is.

式(43)から下記の式(51)が得られ、上記の式(49)及び上記の式(46)が真であることが分かる。

Figure 0007519696000050
…(51)
同様に、下記の式(52)のもとで下記の式(53)が成り立ち、このことは上記の式(47)も真であることを意味する。
Figure 0007519696000051
…(52)
Figure 0007519696000052
…(53) From equation (43), the following equation (51) is obtained, and it can be seen that the above equation (49) and the above equation (46) are true.
Figure 0007519696000050
…(51)
Similarly, under the following equation (52), the following equation (53) holds, which means that the above equation (47) is also true.
Figure 0007519696000051
…(52)
Figure 0007519696000052
…(53)

(3)作用および効果
以上の構成において、本実施形態に係る応答推定装置11は、量子通信路100を介して接続されたアリス2及びボブ3が、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、当該光パルスの位相θ及び強度μ12がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、をランダムに選択して相手方に順次送信してゆく量子暗号鍵配信システム1に設けられる。
(3) Actions and Effects In the above configuration, the response estimation device 11 according to this embodiment is provided in a quantum key distribution system 1 in which Alice 2 and Bob 3, connected via a quantum communication path 100, randomly select and sequentially transmit to the other party an optical communication pulse obtained by modulating an optical pulse with a randomly selected random bit, and multiple types of test optical pulses, the phase θ and intensities μ1, μ2 of which are randomly selected.

この場合、応答推定装置11では、アリス2及びボブ3が両方とも通信用光パルスを選択したことで当該通信用光パルスのペアが検出された検出数K0のうち、盗聴に関わる通信用光パルスのペアの検出数K0 (even)を検出可能な理想的光パルスの量子力学的な理想状態ρ(ideal)を規定する(理想状態規定ステップ)。 In this case, the response estimation device 11 defines a quantum mechanical ideal state ρ (ideal) of an ideal optical pulse capable of detecting the number K 0 (even) of detections of pairs of communication optical pulses involved in eavesdropping out of the number K 0 of detections of pairs of communication optical pulses detected because both Alice 2 and Bob 3 selected the communication optical pulses ( ideal state definition step).

また、応答推定装置11では、理想状態ρ(ideal)と量子力学的な状態が近似した近似状態を、ランダムな変調により生成されるテスト用光パルスの量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)を利用した加減算で表し、理想状態ρ(ideal)と、2種類のテスト用光パルスの量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)との関係を定めた、演算子の不等式を特定する(特定ステップ)。 In addition, the response estimation device 11 expresses an approximation state in which the ideal state ρ (ideal) and the quantum mechanical state are close to each other by addition and subtraction using the quantum mechanical states ρ + (test) and ρ (test) of the test optical pulses generated by random modulation, and identifies an operator inequality that defines the relationship between the ideal state ρ (ideal) and the quantum mechanical states ρ + (test) and ρ (test) of the two types of test optical pulses (identification step).

そして、応答推定装置11では、理想的光パルスによって測定される、盗聴に関わる通信用光パルスのペアの検出数K0 (even)と、アリス2及びボブ3がそれぞれ確率p10、p11でランダムに選択される第1のテスト用光パルスを規定の組み合わせで選択(テスト1)したことで第1のテスト用光パルスのペアが検出される検出数K1と、アリス2及びボブ3が両方とも確率P2でランダムに選択される第2の前記テスト用光パルスを選択(テスト2)したことで第2のテスト用光パルスのペアが検出される検出数K2と、通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定するための確率εと、の関係を定めた上記の式(1)の不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づく二項分布から規定する(不等式規定ステップ)。 Then, in the response estimation device 11, the inequality of the above formula (1 ) that defines the relationship among the detection number K0 (even) of pairs of communication optical pulses involved in eavesdropping measured using ideal optical pulses, the detection number K1 of the first pair of test optical pulses detected as a result of Alice 2 and Bob 3 selecting first test optical pulses randomly selected with probabilities p10 and p11, respectively, in a specified combination (test 1), the detection number K2 of the second pair of test optical pulses detected as a result of both Alice 2 and Bob 3 selecting second test optical pulses randomly selected with probability P2 (test 2 ), and the probability ε for defining the tolerable amount of estimation error in estimating the amount of eavesdropping on pairs of communication optical pulses is defined from a binomial distribution based on the Bernoulli sampling formula (inequality defining step).

これにより、応答推定装置11は、アリス2及びボブ3においてそれぞれ通信用光パルス及びテスト用光パルスをランダムにチャーリ4に送信し、アリス2及びボブで一致した通信用光パルスとテスト用光パルスとを検出した検出結果をチャーリ4から取得した際(取得ステップ)、当該検出結果に基づいて上記の式(1)の不等式を解いて、通信用光パルスを入力したときの量子暗号鍵配信システム1における盗聴量を推定することができる(推定ステップ)。 As a result, when the response estimation device 11 randomly transmits communication optical pulses and test optical pulses to Charlie 4 from Alice 2 and Bob 3, and obtains detection results from Charlie 4 detecting matching communication optical pulses and test optical pulses between Alice 2 and Bob (acquisition step), it can solve the inequality in equation (1) above based on the detection results and estimate the amount of eavesdropping in the quantum cryptography key distribution system 1 when the communication optical pulses are input (estimation step).

このように、本実施形態では、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定した不等式を用いて、通信用光パルスへの盗聴行為を監視することができるので、盗聴を検出するために必要であるとされる特殊な理想的光パルスを用いずに、既存のレーザ光源5を利用して効率よく盗聴行為を監視することができる。 In this way, in this embodiment, eavesdropping on communication optical pulses can be monitored using an inequality defined based on the Bernoulli sampling formula, so that eavesdropping can be monitored efficiently using an existing laser light source 5 without using a special ideal optical pulse that is said to be necessary to detect eavesdropping.

以上の構成によれば、ベルヌーイサンプリングの公式に基づく二項分布で定めた不等式を用いて、通信用光パルスへの盗聴量を推定できるので、従来、通信用光パルスへの盗聴量を推定するために必要であるとされる特殊な理想的光パルスを用いずに、通信用光パルスへの盗聴量を効率よく推定することができる。 According to the above configuration, the amount of eavesdropping on optical pulses for communication can be estimated using an inequality defined by a binomial distribution based on the Bernoulli sampling formula, so that the amount of eavesdropping on optical pulses for communication can be efficiently estimated without using special ideal optical pulses that have traditionally been necessary to estimate the amount of eavesdropping on optical pulses for communication.

(4)他の実施の形態
(4-1)測定システムへの応答推定方法の適用
次に、図11に示すように、送信器42と測定器43とで構成された測定システム41に、本実施形態に係る応答推定方法を適用した場合について説明する。この場合、送信器42は、図示しないレーザ光源や位相変調器等を有する送信部44と、応答推定装置11とを有している。送信部44は、例えば、水平偏光のレーザ光パルスと、垂直偏光のレーザ光パルスとのうちいずれかをランダムで選択し、選択した光パルスを、量子通信路100を介して測定器43に送信する。
(4) Other embodiments (4-1) Application of the response estimation method to a measurement system Next, a case will be described in which the response estimation method according to this embodiment is applied to a measurement system 41 configured with a transmitter 42 and a measuring device 43 as shown in Fig. 11. In this case, the transmitter 42 has a transmitting unit 44 having a laser light source, a phase modulator, etc. (not shown), and a response estimation device 11. The transmitting unit 44 randomly selects, for example, either a horizontally polarized laser light pulse or a vertically polarized laser light pulse, and transmits the selected light pulse to the measuring device 43 via the quantum communication channel 100.

測定器43は、偏光ビームスプリッタ46と、対の光子検出器47a,47bと、通知部49とを有している。測定器43は、送信器42からのレーザ光パルスを偏光ビームスプリッタ46で受光し、偏光ビームスプリッタ46を介して光子検出器47a,47bのいずれにレーザ光パルスを出力する。測定器43は、光子検出器47aによって、ある検出効率ηで斜め+45度偏光の光子を検出し、一方の光子検出器47bによって、同じ検出効率ηで斜め-45度偏光の光子を検出する。The measuring device 43 has a polarizing beam splitter 46, a pair of photon detectors 47a, 47b, and a notification unit 49. The measuring device 43 receives a laser light pulse from the transmitter 42 with the polarizing beam splitter 46, and outputs a laser light pulse to either of the photon detectors 47a, 47b via the polarizing beam splitter 46. The measuring device 43 detects photons polarized at an oblique angle of +45 degrees with a certain detection efficiency η using the photon detector 47a, and detects photons polarized at an oblique angle of -45 degrees with the same detection efficiency η using the other photon detector 47b.

測定器43は、光子検出器47aだけで光子を検出すると、「ビット値0」の検出結果を、通信路(図示せず)を介して通知部49により送信器42に送信する。一方、光子検出器47bだけで光子を検出すると、「ビット値1」の検出結果を、通信路(図示せず)を介して通知部49により送信器42に送信する。それ以外の場合、測定器43は「測定失敗」の検出結果を、通信路(図示せず)を介して通知部49により送信器42に送信する。測定器43が上記の動作を忠実に行えば、測定成功時のビット値は理想的な真性乱数となる。When the measuring device 43 detects a photon only with the photon detector 47a, it transmits the detection result of "bit value 0" to the transmitter 42 via the communication path (not shown) through the notification unit 49. On the other hand, when the measuring device 43 detects a photon only with the photon detector 47b, it transmits the detection result of "bit value 1" to the transmitter 42 via the communication path (not shown) through the notification unit 49. In all other cases, the measuring device 43 transmits the detection result of "measurement failed" to the transmitter 42 via the communication path (not shown). If the measuring device 43 faithfully performs the above operations, the bit value when the measurement is successful will be an ideal true random number.

ここで、測定器43の上記の動作を検査する方法としては以下のような検査方法が考えられる。この場合、送信器42とは別の検査用の光源を用いることになる。検査用の光源によって、水平偏光のレーザ光パルスと、垂直偏光のレーザ光パルスとを量子力学的に重ね合わせたパルスを理想的な状態のパルスとして生成する。そして、このような理想的な第1のパルスを繰り返し測定器43に送り、測定器43が「ビット値0」を検出する頻度を記録する。 Here, the following inspection method can be considered as a method for inspecting the above-mentioned operation of measuring device 43. In this case, a testing light source separate from transmitter 42 is used. The testing light source generates an ideal pulse by quantum-mechanically superimposing a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse. Then, this ideal first pulse is repeatedly sent to measuring device 43, and the frequency with which measuring device 43 detects a "bit value 0" is recorded.

また、これとは別に、検査用の光源によって、水平偏光のレーザ光パルスと、垂直偏光のレーザ光パルスとを上記とは量子力学的な位相を変えて重ね合わせた理想的な状態のパルスを発生する。そして、このような理想的な第2のパルスを繰り返し測定器43に送り、測定器43が「ビット値1」を検出する頻度を記録する。理想的には、測定器43における「ビット値0」及び「ビット値1」の検出頻度は検査回数にηを乗じたものに近いはずである。Separately, an ideal pulse is generated by using a test light source to superimpose a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse with a different quantum mechanical phase from the above. This ideal second pulse is then repeatedly sent to measuring device 43, and the frequency with which measuring device 43 detects "bit value 1" is recorded. Ideally, the frequency with which measuring device 43 detects "bit value 0" and "bit value 1" should be close to the number of tests multiplied by η.

このことから、測定器43における「ビット値0」及び「ビット値1」の検出頻度が分かれば、量子力学に従い、この測定器43の出力が理想的な真性乱数からどの程度異なっているのかが定量的に分かり、性能が保証された乱数を生成することができる。 Therefore, if the frequency with which "bit value 0" and "bit value 1" are detected by measuring device 43 is known, then according to quantum mechanics, it is possible to quantitatively determine the extent to which the output of measuring device 43 differs from an ideal true random number, making it possible to generate random numbers with guaranteed performance.

しかしながら、実際には、水平偏光のレーザ光パルスと、垂直偏光のレーザ光パルスとを重ね合わせた理想的な状態のパルスを生成することは、技術的に困難であるという問題を抱えている。However, in reality, there is a problem in that it is technically difficult to generate an ideal pulse that superimposes a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse.

また、水平偏光のレーザ光パルスと、垂直偏光のレーザ光パルスとを重ね合わせた理想的な状態のパルスは、送信器42に設けられている既存の送信部44で生成する、斜め+45度偏光のレーザ光パルスとは一般に異なる状態であるため、既存の送信部44をそのまま使用することは困難である。 In addition, an ideal pulse in which a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse are superimposed is generally different from the diagonally polarized +45 degree laser light pulse generated by the existing transmitting unit 44 provided in the transmitter 42, so it is difficult to use the existing transmitting unit 44 as is.

そこで、上記のような理想的な状態のパルスを用いた検査に替え、本実施形態に係る応答推定方法を用いることで、測定器43の動作を以下のようにして検査することができる。Therefore, instead of testing using pulses in an ideal state as described above, the response estimation method of this embodiment can be used to test the operation of the measuring instrument 43 as follows.

この場合、送信器42では、測定器43の動作を検査するために、複数種類の複素振幅をランダムに選択したテスト用レーザ光パルス(テスト用信号)を送信部44で生成する。送信部44は、ランダムに複素振幅を選択した各種類のテスト用レーザ光パルスを繰り返し測定器43に送り、測定器43において「ビット値0」を検出する頻度を、測定器43の通知部49から受け取り記録する。In this case, in the transmitter 42, a transmission unit 44 generates test laser light pulses (test signals) with multiple types of complex amplitudes randomly selected to inspect the operation of the measuring device 43. The transmission unit 44 repeatedly sends each type of test laser light pulse with the randomly selected complex amplitude to the measuring device 43, and receives and records the frequency with which the measuring device 43 detects a "bit value of 0" from a notification unit 49 of the measuring device 43.

送信器42の応答推定装置11は、複素振幅ごとの「ビット値0」の検出頻度から、水平偏光のレーザ光パルスと垂直偏光のレーザ光パルスとを重ね合わせた理想的な状態の第1のパルスを繰り返し測定器43に送ったときに測定器43が「ビット値0」を検出する頻度の下限を求めることができる。The response estimation device 11 of the transmitter 42 can determine, from the detection frequency of the "bit value 0" for each complex amplitude, a lower limit on the frequency at which the measuring instrument 43 detects the "bit value 0" when an ideal first pulse in which a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse are superimposed is repeatedly sent to the measuring instrument 43.

同様にして、送信部44は、複数種類の複素振幅をランダムに選択したテスト用レーザ光パルス(テスト用信号)を送信部44で生成し、ランダムに複素振幅を選択した各種類のテスト用レーザ光パルスを繰り返し測定器43に送り、測定器43において「ビット値1」を検出する頻度を、測定器43の通知部49から受け取り記録する。これにより、送信器42の応答推定装置11は、複素振幅ごとの「ビット値1」の検出頻度から、水平偏光のレーザ光パルスと垂直偏光のレーザ光パルスとを第1のパルスとは別の状態で重ね合わせた理想的な状態の第2のパルスを繰り返し測定器43に送ったときに測定器43が「ビット値1」を検出する頻度の下限を求めることができる。Similarly, the transmitter 44 generates test laser light pulses (test signals) with multiple types of complex amplitudes randomly selected, repeatedly sends each type of test laser light pulse with a randomly selected complex amplitude to the measuring device 43, and receives and records the frequency with which the measuring device 43 detects a "bit value of 1" from the notification unit 49 of the measuring device 43. This allows the response estimation device 11 of the transmitter 42 to determine, from the detection frequency of the "bit value of 1" for each complex amplitude, the lower limit of the frequency with which the measuring device 43 detects a "bit value of 1" when repeatedly sending to the measuring device 43 a second pulse in an ideal state in which a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse are superimposed in a state different from the first pulse.

複素振幅をランダムに選択したテスト用レーザ光パルスを送信器42から測定器43に送ったときの測定器43における「ビット値0」及び「ビット値1」の検出頻度の下限がそれぞれ分かれば、量子力学に従い、この測定器43の出力が理想的な真性乱数からどの程度異なっているかが定量的に知ることができる。 If we know the lower limits of the detection frequency of "bit value 0" and "bit value 1" in measuring device 43 when a test laser light pulse with a randomly selected complex amplitude is sent from transmitter 42 to measuring device 43, then, according to quantum mechanics, it becomes possible to quantitatively determine how much the output of measuring device 43 differs from an ideal true random number.

以上より、測定システム41では、安価に用意できるレーザ光源のみを用いて、保証の前提のない測定器43の検査を行い、性能が保証された乱数を生成できる。 As described above, the measurement system 41 can use only a laser light source that is inexpensive to prepare to test the measuring instrument 43 without any guarantee assumptions, and generate random numbers with guaranteed performance.

ここで、「水平偏光のレーザ光パルスと垂直偏光のレーザ光パルスとを重ね合わせた理想的な状態のパルスを繰り返し測定器43に送ったときに測定器43が「ビット値0」を検出する頻度の下限を求める」という点に着目して、より詳細に説明する。Here, we will explain in more detail by focusing on the point that "when an ideal pulse in which a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse are superimposed is repeatedly sent to the measuring instrument 43, a lower limit on the frequency with which the measuring instrument 43 detects a "bit value 0" is found."

測定器43が「ビット値0」を検出するという事象の余事象を事象Eとすると、この事象Eは、測定器43が「ビット値1」又は「測定失敗」を検出する事象に対応する。よって、測定器43が「ビット値0」を検出する頻度の下限を求めることは、測定器43が事象Eの頻度の上限を求めることと等価であると言える。If the complementary event of the event that the measuring device 43 detects a "bit value of 0" is event E, then this event E corresponds to the event that the measuring device 43 detects a "bit value of 1" or a "measurement failure." Therefore, it can be said that finding the lower limit of the frequency at which the measuring device 43 detects a "bit value of 0" is equivalent to finding the upper limit of the frequency of the measuring device 43 detecting event E.

ここで、水平偏光のレーザ光パルスと垂直偏光のレーザ光パルスとを重ね合わせた理想的な状態のパルスに関する密度演算子(密度行列)を、ρ(ideal)とする。
また、適当な確率で生成される、1種類又は複数種類の複素振幅のテスト用レーザ光パルスに関する密度演算子(密度行列)を、ρ+ (test)とする。
さらに、ρ+ (test)とは異なる適当な確率で生成され、かつ、ρ+ (test)とは量子力学的な状態が異なる1種類又は複数種類の複素振幅のテスト用レーザ光パルスに関する密度演算子(密度行列)を、ρ- (test)とする。
Here, the density operator (density matrix) relating to an ideal pulse in which a horizontally polarized laser light pulse and a vertically polarized laser light pulse are superimposed is denoted by ρ (ideal) .
Also, a density operator (density matrix) for one or more types of test laser light pulses of complex amplitude generated with an appropriate probability is denoted by ρ + (test) .
Furthermore, a density operator (density matrix) for one or more types of complex amplitude test laser light pulses that are generated with an appropriate probability different from ρ + (test) and have a quantum mechanical state different from ρ + (test) is denoted as ρ - (test) .

解析部12は、上記の式(9)と同じ下記の式(54)が成り立つρ(ideal)とρ+ (test)とρ- (test)とを解析する。
αρ+ (test) -βρ- (test) ≧ ρ(ideal)…(54)
The analysis unit 12 analyzes ρ (ideal) , ρ + (test) , and ρ (test) for which the following formula (54), which is the same as the above formula (9), holds.
αρ + (test) -βρ - (test) ≧ ρ (ideal) …(54)

ここで、例えば、ある確率P1で状態ρ+ (test)のテスト用レーザ光パルス(第1のテスト用信号)を生成して、当該テスト用レーザ光パルスを測定器43に送った際の測定器43での事象Eの頻度(検出数)をK1とする。
また、ある確率P2で状態ρ- (test)のテスト用レーザ光パルス(第2のテスト用信号)を生成して、当該テスト用レーザ光パルスを測定器43に送った際の測定器43での事象Eの頻度(検出数)をK2とする。
さらに、ここでは、測定器43が確率P3で乱数生成に使用されるとする。
Here, for example, a test laser light pulse (first test signal) in state ρ + (test) is generated with a certain probability P1 , and the frequency (detection number) of event E at measuring instrument 43 when the test laser light pulse is sent to measuring instrument 43 is set to K1 .
In addition, a test laser light pulse (second test signal) in state ρ- (test) is generated with a certain probability P2 , and the frequency (detection number) of event E at measuring instrument 43 when the test laser light pulse is sent to measuring instrument 43 is denoted as K2 .
Further, it is assumed here that measuring device 43 is used for random number generation with probability P3 .

上述した実施形態と同様に、ベルヌーイサンプリングの公式に基づいて、下記の式(55)が得られる。
Prob{M ≦ f(K1,K2;P1,P2,P3,α,β)} ≧ 1-ε…(55)
As in the above-described embodiment, the following equation (55) is obtained based on the Bernoulli sampling formula.
Prob{M ≦ f(K 1 ,K 2 ;P 1 ,P 2 ,P 3 ,α,β)} ≧ 1-ε…(55)

Mは、確率P3で理想的な状態ρ(ideal)のパルスを測定器43に送ったときに測定器43で事象Eが検出される頻度を示す。また、εは、Mの上限の推定を誤る確率として許容できる大きさ(すなわち、推定の信頼水準として許容できる推定エラー量)を規定するために、予め定められるパラメータである。なお、これら式(54)及び式(55)における各パラメータ等については、上述した実施形態と同じであるため、ここは、説明の重複を避けるため詳細については省略する。 M indicates the frequency with which the event E is detected by the measuring device 43 when a pulse in an ideal state ρ (ideal) is sent to the measuring device 43 with a probability of P3 . Also, ε is a parameter determined in advance to specify the allowable magnitude of the probability of erroneously estimating the upper limit of M (i.e., the amount of estimation error that is allowable as the confidence level of the estimation). Note that the parameters in these formulas (54) and (55) are the same as those in the above-mentioned embodiment, and therefore details will be omitted here to avoid duplication of explanation.

以上の構成において、測定システム41に設けた応答推定装置11では、測定器43のある事象Eを検出可能なレーザ光パルス(理想的信号)25の量子力学的な理想状態ρ(ideal)を規定する(理想状態規定ステップ)。そして、この理想状態ρ(ideal)と量子力学的な状態が近似した近似状態を、ランダムに選択される複数種類のテスト用レーザ光パルス(テスト用信号)の量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)を利用した加減算で表し、理想状態ρ(ideal)と、複数種類のテスト用レーザ光パルスの量子力学的な状態ρ (test)、ρ (test)との関係を定めた、演算子の不等式(αρ+ (test) -βρ- (test) ≧ ρ(ideal))を特定する(特定ステップ)。 In the above configuration, the response estimation device 11 provided in the measurement system 41 defines a quantum-mechanical ideal state ρ (ideal) of a laser light pulse (ideal signal) 25 capable of detecting an event E of the measuring device 43 (ideal state defining step). Then, an approximation state in which this ideal state ρ (ideal) and a quantum-mechanical state are approximated is expressed by addition and subtraction using the quantum-mechanical states ρ + (test) and ρ (test) of multiple types of test laser light pulses (test signals) selected at random, and an operator inequality (αρ + (test) -βρ - (test) ≧ ρ (ideal)) that defines the relationship between the ideal state ρ (ideal ) and the quantum-mechanical states ρ + ( test ) and ρ (test) of the multiple types of test laser light pulses is specified (specifying step).

また、応答推定装置11では、理想的なレーザ光パルスによって検出される、測定器43での事象Eの検出数Mと、複数種類のテスト用レーザ光パルスをランダムに選択して測定器43で事象Eを検出したときにテスト用レーザ光パルスの種類ごとに得られる事象Eの検出数K1,K2と、許容できる推定エラー量を規定するための確率εと、の関係を定めた上記の式(55)の不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づく二項分布から規定する(不等式規定ステップ)。 In addition, in the response estimation device 11, the inequality of the above equation (55), which defines the relationship between the number M of detections of the event E by the measuring device 43 detected by an ideal laser light pulse, the numbers K1 , K2 of detections of the event E obtained for each type of test laser light pulse when multiple types of test laser light pulses are randomly selected and the event E is detected by the measuring device 43, and the probability ε for defining the tolerable amount of estimation error, is defined from a binomial distribution based on the Bernoulli sampling formula (inequality definition step).

これにより、応答推定装置11では、特定ステップで特定した複数種類のテスト用レーザ光パルスをランダムに切り換えて測定器43に送信し、テスト用レーザ光パルスによる、測定器43の事象Eの検出結果(K1,K2)を取得し(取得ステップ)、取得ステップで取得した検出結果に基づいて式(55)の不等式を解いて、測定器43にどの程度の検出エラーが生じるかの状態を推定することができる(推定ステップ)。 As a result, the response estimation device 11 randomly switches between the multiple types of test laser light pulses identified in the identification step and transmits them to the measuring instrument 43, acquires the detection results ( K1 , K2 ) of event E of the measuring instrument 43 using the test laser light pulses (acquisition step), and solves the inequality in equation (55) based on the detection results acquired in the acquisition step, thereby estimating the degree of detection error that will occur in the measuring instrument 43 (estimation step).

以上の応答推定装置11でも、上述した実施形態と同様に、推定部13によって、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定した不等式(式(55))を用いて、従来、測定器43の状態を検出するために必要であるとされる特殊な理想的レーザ光パルスを用いずに、量子力学的な信号を測定器43に入力したときの測定システム1での入力に対する応答を効率よく推定することができる。In the response estimation device 11, as in the above-described embodiment, the estimation unit 13 can use an inequality (equation (55)) defined based on the Bernoulli sampling formula to efficiently estimate the response of the measurement system 1 to an input when a quantum mechanical signal is input to the measuring instrument 43, without using a special ideal laser light pulse that has conventionally been required to detect the state of the measuring instrument 43.

(4-2)その他
上述した実施形態においては、アリス2とボブ3がチャーリ4を介して接続された量子暗号鍵配信システム1を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アリス2からボブ3にチャーリ4を介在させないで光パルスを送信する量子通信システムを適用してもよい。例えば、送信器42を第1ユニット(アリス)とし、測定器43を第2ユニット(ボブ)として用い、信号として、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、テスト用信号として、光パルスの位相及び強度がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、をアリスがランダムに選択して、アリスからボブに、通信用光パルスとテスト用光パルスとを順次送信してゆく量子通信システムにも、本実施形態に係る応答推定装置11を適用できる。
(4-2) Others In the above-mentioned embodiment, the quantum cryptography key distribution system 1 in which Alice 2 and Bob 3 are connected via Charlie 4 is applied, but the present invention is not limited to this, and may be applied to a quantum communication system in which an optical pulse is transmitted from Alice 2 to Bob 3 without the intervention of Charlie 4. For example, the response estimation device 11 according to this embodiment can also be applied to a quantum communication system in which the transmitter 42 is used as the first unit (Alice) and the measuring device 43 is used as the second unit (Bob), and Alice randomly selects as a signal an optical communication pulse modulated by a randomly selected random bit, and as a test signal, a plurality of types of test optical pulses in which the phase and intensity of the optical pulse are randomly selected, and transmits the optical communication pulse and the test optical pulse sequentially from Alice to Bob.

また、本実施形態で、通信用光パルス及びテスト用光パルスを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、電磁波等のその他種々の量子力学的な通信用信号及びテスト用信号を適用してもよい。 In addition, in this embodiment, the application of communication optical pulses and test optical pulses has been described, but the present invention is not limited to this, and various other quantum mechanical communication signals and test signals, such as electromagnetic waves, may also be applied.

(5)参考文献
以下のリストは本実施形態における技術的な事項を補足するための参考文献であり、各参考文献に記載されている内容は、本実施形態に係る技術的内容の理解を深めるための補足情報となり得る。
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(5) References The following list is a list of references to supplement the technical matters of this embodiment. The contents of each reference may serve as supplementary information to deepen understanding of the technical contents of this embodiment.
1.Bennett, CH & Brassard, G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing. Proc. IEEE Int. Conf. Comput. Syst. Signal Process. 175-179 (1984)
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1 量子暗号鍵配信システム(量子通信システム)
2 アリス(第1ユニット)
3 ボブ(第2ユニット)
4 チャーリ/イブ(光子検出ユニット)
10 取得部
11 応答推定装置
12 解析部(理想状態規定部、特定部、不等式規定部)
13 推定部
1. Quantum cryptography key distribution system (quantum communication system)
2. Alice (1st unit)
3. Bob (2nd unit)
4. Charlie/Eve (photon detection unit)
10 Acquisition unit 11 Response estimation device 12 Analysis unit (ideal state definition unit, identification unit, inequality definition unit)
13 Estimation Unit

Claims (10)

送信器から対象物に量子力学的な信号を送信するシステムにおいて前記送信器から前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する応答推定方法であって、
前記対象物のある事象を検出可能な理想的信号の量子力学的な理想状態を規定する理想状態規定ステップと、
前記理想状態と量子力学的な状態が近似した近似状態を、複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態を利用した加減算で表し、前記理想状態と、前記複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態との関係を定めた、演算子の不等式を特定する特定ステップと、
前記理想的信号によって検出される、前記対象物の前記事象の検出数と、前記複数種類のテスト用信号をランダムに選択して前記対象物で前記事象を検出したときに前記テスト用信号の種類ごとに得られる前記事象の検出数と、推定の信頼水準として、許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定ステップと、
前記特定ステップで特定した前記複数種類のテスト用信号をランダムに切り換えて前記対象物に送信し、前記テスト用信号による前記事象の検出結果を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記検出結果に基づいて、前記不等式規定ステップの前記不等式を解いて、量子力学的な前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する推定ステップと、
を含む、応答推定方法。
1. A response estimation method for estimating a response in a system that transmits a quantum mechanical signal from a transmitter to an object when the signal is input from the transmitter, comprising:
An ideal state definition step of defining a quantum mechanical ideal state of an ideal signal capable of detecting an event of the object;
a specifying step of expressing an approximation state in which the ideal state and a quantum mechanical state are approximated by addition and subtraction using the quantum mechanical states of a plurality of types of test signals, and specifying an inequality of an operator that defines a relationship between the ideal state and the quantum mechanical states of the plurality of types of test signals;
an inequality defining step of defining an inequality that defines a relationship between the number of events of the object detected by the ideal signal, the number of events detected for each type of test signal when the plurality of types of test signals are randomly selected and the events are detected in the object, and a parameter ε that is predetermined to define an allowable amount of estimation error as a confidence level of estimation, based on a Bernoulli sampling formula;
an acquisition step of randomly switching the plurality of types of test signals identified in the identification step and transmitting them to the target, and acquiring a detection result of the event by the test signals;
an estimation step of estimating a response of the system when the quantum mechanical signal is input by solving the inequality in the inequality definition step based on the detection result acquired in the acquisition step;
A response estimation method, comprising:
前記システムは、前記送信器が第1ユニットであり、前記対象物が第2ユニットを含み、
前記信号として、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、前記テスト用信号として、前記光パルスの位相及び強度がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、を前記第1ユニットがランダムに選択して、前記第1ユニットから前記第2ユニットに、前記通信用光パルスと前記テスト用光パルスとを順次送信してゆく量子通信システムである、
請求項1に記載の応答推定方法。
The system includes: the transmitter being a first unit; and the object being a second unit;
a quantum communication system in which the first unit randomly selects, as the signal, a communication optical pulse obtained by modulating an optical pulse with a randomly selected random bit, and, as the test signal, a plurality of types of test optical pulses, the phase and intensity of which are randomly selected, and sequentially transmits the communication optical pulse and the test optical pulse from the first unit to the second unit;
The response estimation method according to claim 1 .
前記不等式規定ステップの前記不等式が下記の式(1)で表される、
請求項1又は2に記載の応答推定方法。
Figure 0007519696000053
…(1)
上記の式(1)のProbは{ }内のパラメータが確率に関して規定していることを示す記号である。
Mは、前記理想的信号を送信したときに前記対象物で前記事象が検出される検出数である。
f(K1,K2,P1, P2, P3,α,β,ε)は、確率P1でランダムに選択された第1のテスト用信号によって前記対象物で前記事象を検出した検出数K1と、確率P2でランダムに選択された第2のテスト用信号によって前記対象物で前記事象を検出した検出数K2と、0<P3≦1-P1-P2を満たす任意の値であるP3と、正のパラメータであるα,βと、推定の信頼水準として、許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、を含む関数である。
The inequality in the inequality definition step is expressed by the following formula (1):
The response estimation method according to claim 1 or 2.
Figure 0007519696000053
…(1)
Prob in the above formula (1) is a symbol indicating that the parameters in { } are defined in terms of probability.
M is the number of detections of the event at the object when the ideal signal is transmitted.
f( K1 , K2 , P1 , P2 , P3 , α, β, ε) is a function that includes the number K1 of detections of the event in the object by a first test signal selected randomly with probability P1 , the number K2 of detections of the event in the object by a second test signal selected randomly with probability P2 , P3 which is an arbitrary value satisfying 0< P3 ≦1- P1 - P2 , positive parameters α and β, and a predetermined parameter ε for specifying the tolerable amount of estimation error as the confidence level of the estimation.
前記f(K1,K2,P1, P2, P3,α,β,ε)が下記の式(2)である、
請求項3に記載の応答推定方法。
Figure 0007519696000054
…(2)
関数M - (k;p,ε)とM + (k;p,ε)は、任意の非負の整数nについて、
Figure 0007519696000055
…(3)
Figure 0007519696000056
…(4)
を満たす。ここで、χ(条件式)は、条件式が真のとき1、偽のとき0の値をとる。
Q1は、(P1 β)/αであり、Q2は、P1 /αである。
The f( K1 , K2 , P1 , P2 , P3 , α, β, ε) is expressed by the following formula (2):
The response estimation method according to claim 3 .
Figure 0007519696000054
…(2)
The functions M - (k; p, ε) and M + (k; p, ε) are given by
Figure 0007519696000055
…(3)
Figure 0007519696000056
…(4)
Here, χ (conditional expression) takes a value of 1 when the conditional expression is true, and takes a value of 0 when the conditional expression is false.
Q1 is ( P1β )/α and Q2 is P1 /α.
量子通信路によって光子検出ユニットを介して接続された第1ユニット及び第2ユニットが、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、前記光パルスの位相及び強度がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、をランダムに選択して前記光子検出ユニットにそれぞれ順次送信してゆく量子通信システムにおいて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する応答推定方法であって、
前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも前記通信用光パルスを選択したことで前記通信用光パルスのペアが前記光子検出ユニットで検出された検出数のうち、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの検出数を検出可能な理想的光パルスの量子力学的な理想状態を規定する理想状態規定ステップと、
前記理想状態と量子力学的な状態が近似した近似状態を、ランダムな変調により生成される前記テスト用光パルスの量子力学的な状態を利用した加減算で表し、前記理想状態と、前記複数種類のテスト用光パルスの量子力学的な状態との関係を定めた、演算子の不等式を特定する特定ステップと、
前記理想的光パルスによって測定される、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの前記検出数と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットがそれぞれある確率でランダムに選択される第1の前記テスト用光パルスを選択したことで前記第1のテスト用光パルスのペアが検出される検出数と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも、前記第1のテスト用光パルスとは別にそれぞれある確率でランダムに選択される第2の前記テスト用光パルスを選択したことで前記第2のテスト用光パルスのペアが検出される検出数と、前記通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定ステップと、
前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいてそれぞれ前記通信用光パルス及び前記テスト用光パルスをランダムに前記光子検出ユニットに送信し、前記第1ユニット及び前記第2ユニットで一致したペアの前記通信用光パルスと、ペアの前記テスト用光パルスとを前記光子検出ユニットで検出した検出結果を前記第1ユニット及び前記第2ユニットが取得してゆく取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記検出結果に基づいて、前記不等式規定ステップの前記不等式を解いて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する推定ステップと、
を含む、量子通信システムの応答推定方法。
In a quantum communication system in which a first unit and a second unit connected via a photon detection unit by a quantum communication path randomly select and sequentially transmit to the photon detection unit a communication optical pulse obtained by modulating an optical pulse with a randomly selected random bit and a plurality of types of test optical pulses, the phases and intensities of which are randomly selected, the first unit and the second unit randomly select and transmit to the photon detection unit a communication optical pulse, the phases and intensities of which are randomly selected, the second unit and the test optical pulses randomly select and transmit to the photon detection unit a communication optical pulse, the response estimation method comprising the steps of:
an ideal state defining step of defining a quantum mechanical ideal state of ideal optical pulses capable of detecting the number of pairs of communication optical pulses related to eavesdropping among the number of pairs of communication optical pulses detected by the photon detection unit as a result of both the first unit and the second unit selecting the communication optical pulses;
a specifying step of expressing an approximation state in which the ideal state and a quantum mechanical state are approximated by addition and subtraction using the quantum mechanical state of the test optical pulse generated by random modulation, and specifying an inequality of an operator that defines a relationship between the ideal state and the quantum mechanical states of the multiple types of test optical pulses;
an inequality defining step of defining an inequality that defines a relationship between the number of detections of the pair of communication optical pulses related to eavesdropping measured by the ideal optical pulse, the number of detections of the pair of first test optical pulses detected as a result of the first unit and the second unit selecting the first test optical pulse selected at random with a certain probability, the number of detections of the pair of second test optical pulses detected as a result of the first unit and the second unit both selecting the second test optical pulse selected at random with a certain probability separately from the first test optical pulse, and a parameter ε that is predetermined to define an amount of estimation error that is tolerable in estimating the amount of eavesdropping on the pair of communication optical pulses, based on a Bernoulli sampling formula;
an acquisition step in which the first unit and the second unit randomly transmit the communication optical pulse and the test optical pulse to the photon detection unit, respectively, and the first unit and the second unit acquire detection results of the communication optical pulse and the test optical pulse of the pair that match in the first unit and the second unit detected by the photon detection unit;
an estimation step of solving the inequality in the inequality definition step based on the detection result acquired in the acquisition step, and estimating a response in the quantum communication system when the communication optical pulse is input;
A method for estimating a response of a quantum communication system, comprising:
前記不等式規定ステップの前記不等式が下記の式(5)で表される、
請求項5に記載の量子通信システムの応答推定方法。
Figure 0007519696000057
…(5)
上記の式(5)のProbは{ }内のパラメータが確率に関して規定していることを示す記号である。
K0 (even)は、前記第1ユニットと前記第2ユニットとが両方とも前記通信用光パルスを選択したことを前記光子検出ユニットが通知したラウンドの検出数K0のうち、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの検出数を示すパラメータである。
f(K1,K2)は、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方ともそれぞれある確率でランダムに選択される前記第1のテスト用光パルスを選択したことを、前記光子検出ユニットが検出して通知したラウンドの検出数K1と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方ともそれぞれある確率でランダムに選択される第2のテスト用光パルスを選択したことを、前記光子検出ユニットが検出して通知したラウンドの検出数K2と、を含む関数である。
εは、前記通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定するために予め定められるパラメータである。
The inequality in the inequality definition step is expressed by the following formula (5):
A method for estimating a response of a quantum communication system according to claim 5.
Figure 0007519696000057
…(5)
In the above formula (5), Prob is a symbol indicating that the parameters in { } are defined in terms of probability.
K0 (even) is a parameter indicating the number of detections of a pair of communication optical pulses involved in eavesdropping among the number of detections K0 of the round in which the photon detection unit notifies that both the first unit and the second unit have selected the communication optical pulse.
f( K1 , K2 ) is a function that includes the number of detections K1 of the round in which the photon detection unit detects and notifies that both the first unit and the second unit have selected the first test light pulse, which is selected randomly with a certain probability, and the number of detections K2 of the round in which the photon detection unit detects and notifies that both the first unit and the second unit have selected the second test light pulse, which is selected randomly with a certain probability.
ε is a parameter that is determined in advance to define the amount of estimation error that is tolerable in estimating the amount of eavesdropping on the pair of communication optical pulses.
前記f(K1,K2)が下記の式(6)である、
請求項6に記載の量子通信システムの応答推定方法。
Figure 0007519696000058
…(6)
上記の式(6)の関数M+(k;p,ε)は、任意の非負の整数nについて、
Figure 0007519696000059
…(7)
を満たす。ここで、χ(条件式)は、条件式が真のとき1、偽のとき0の値をとる。
p0は、前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいて前記通信用光パルスがランダムに選択される確率であり、予め定められるパラメータである。
pevenは、前記第1ユニットと前記第2ユニットとが両方とも前記通信用光パルスを選択したときに前記通信用光パルスのペアの合計光子数が偶数である確率であり、予め定められるパラメータである。
Λは、予め定められるパラメータである。
K1 (even)+は、下記の式(8)である。
Figure 0007519696000060
…(8)
関数M- (k;p,ε)は、任意の非負の整数nについて、
Figure 0007519696000061
…(9)
を満たす。
p2は、前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいて前記第2のテスト用光パルスがランダムに選択される確率であり、予め定められるパラメータである。
Γは、予め定められるパラメータである。
The f(K 1 , K 2 ) is expressed by the following formula (6):
A method for estimating a response of a quantum communication system according to claim 6.
Figure 0007519696000058
…(6)
The function M + (k;p,ε) in the above formula (6) is, for any non-negative integer n,
Figure 0007519696000059
…(7)
Here, χ (conditional expression) takes a value of 1 when the conditional expression is true, and takes a value of 0 when the conditional expression is false.
p 0 is the probability that the communication optical pulse is randomly selected in the first unit and the second unit, and is a predetermined parameter.
p even is the probability that the total number of photons in the pair of communication optical pulses is an even number when both the first unit and the second unit select the communication optical pulse, and is a predetermined parameter.
Λ is a predetermined parameter.
K 1 (even)+ is expressed by the following formula (8).
Figure 0007519696000060
…(8)
The function M - (k;p,ε) is given by:
Figure 0007519696000061
…(9)
Meet the following.
p2 is the probability that the second test light pulse is randomly selected in the first unit and the second unit, and is a predetermined parameter.
Γ is a predetermined parameter.
前記f(K1,K2)が、下記の式(10)である、
請求項6に記載の量子通信システムの応答推定方法。
Figure 0007519696000062
…(10)
p0は、前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいて前記通信用光パルスがランダムに選択される確率であり、予め定められるパラメータである。
pevenは、前記第1ユニットと前記第2ユニットとが両方とも前記通信用光パルスを選択したときに前記通信用光パルスのペアの合計光子数が偶数である確率であり、予め定められるパラメータである。
Γ及びΛは、予め定められるパラメータである。
p2は、前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいて前記第2のテスト用光パルスがランダムに選択される確率であり、予め定められるパラメータである。
ν(K1,K2)は、下記の式(11)である。
Figure 0007519696000063
…(11)
The f(K 1 , K 2 ) is expressed by the following formula (10):
A method for estimating a response of a quantum communication system according to claim 6.
Figure 0007519696000062
…(10)
p 0 is the probability that the communication optical pulse is randomly selected in the first unit and the second unit, and is a predetermined parameter.
p even is the probability that the total number of photons in the pair of communication optical pulses is an even number when both the first unit and the second unit select the communication optical pulse, and is a predetermined parameter.
Γ and Λ are predetermined parameters.
p2 is the probability that the second test light pulse is randomly selected in the first unit and the second unit, and is a predetermined parameter.
ν(K 1 , K 2 ) is given by the following formula (11).
Figure 0007519696000063
…(11)
送信器から対象物に量子力学的な信号を送信するシステムにおいて前記送信器から前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する応答推定装置であって、
前記対象物のある事象を検出可能な理想的信号の量子力学的な理想状態を規定する理想状態規定部と、
前記理想状態と量子力学的な状態が近似した近似状態を、複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態を利用した加減算で表し、前記理想状態と、前記複数種類のテスト用信号の量子力学的な状態との関係を定めた、演算子の不等式を特定する特定部と、
前記理想的信号によって検出される、前記対象物の前記事象の検出数と、前記複数種類のテスト用信号をランダムに選択して前記対象物で前記事象を検出したときに前記テスト用信号の種類ごとに得られる前記事象の検出数と、推定の信頼水準として許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定部と、
前記特定部で特定した前記複数種類のテスト用信号をランダムに切り換えて前記対象物に送信し、前記テスト用信号による前記事象の検出結果を取得し、前記検出結果に基づいて、前記不等式規定部で得た前記不等式を解いて、量子力学的な前記信号を入力したときの前記システムでの応答を推定する推定部と、
を備える、応答推定装置。
A response estimation device for estimating a response in a system in which a quantum mechanical signal is transmitted from a transmitter to an object when the signal is input from the transmitter, comprising:
an ideal state definition unit that defines a quantum mechanical ideal state of an ideal signal capable of detecting an event of the object;
an identification unit that represents an approximation state in which the ideal state and a quantum mechanical state are approximated by addition and subtraction using the quantum mechanical states of a plurality of types of test signals, and identifies an inequality of an operator that defines a relationship between the ideal state and the quantum mechanical states of the plurality of types of test signals;
an inequality definition unit that defines an inequality that defines a relationship between the number of events of the object detected by the ideal signal, the number of events detected for each type of test signal when the plurality of types of test signals are randomly selected to detect the events in the object, and a parameter ε that is predetermined to define an amount of estimation error that is acceptable as a confidence level of estimation, based on a Bernoulli sampling formula;
an estimation unit that randomly switches between the multiple types of test signals identified by the identification unit and transmits them to the target, obtains a detection result of the event caused by the test signals, and solves the inequality obtained by the inequality definition unit based on the detection result to estimate a response of the system when the quantum mechanical signal is input;
A response estimation device comprising:
量子通信路によって光子検出ユニットを介して接続された第1ユニット及び第2ユニットの間で、ランダムに選択したランダムビットにより光パルスを変調した通信用光パルスと、前記光パルスの位相及び強度がランダムに選択される複数種類のテスト用光パルスと、をランダムに前記光子検出ユニットに送信する量子通信システムにおいて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する応答推定装置であって、
前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも前記通信用光パルスを選択したことで前記通信用光パルスのペアが前記光子検出ユニットで検出された検出数のうち、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの検出数を検出可能な理想的光パルスの量子力学的な理想状態を規定する理想状態規定部と、
前記理想状態と量子力学的な状態が近似した近似状態を、ランダムな変調により生成される前記テスト用光パルスの量子力学的な状態を利用した加減算で表し、前記理想状態と、前記複数種類のテスト用光パルスの量子力学的な状態との関係を定めた、演算子の不等式を特定する特定部と、
前記理想的光パルスによって測定される、盗聴に関わる前記通信用光パルスのペアの前記検出数と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方ともそれぞれある確率でランダムに選択される第1の前記テスト用光パルスを選択したことで前記第1のテスト用光パルスのペアが検出される検出数と、前記第1ユニット及び前記第2ユニットが両方とも、前記第1のテスト用光パルスとは別にそれぞれある確率でランダムに選択される第2の前記テスト用光パルスを選択したことで前記第2のテスト用光パルスのペアが検出される検出数と、前記通信用光パルスのペアへの盗聴量の推定において許容できる推定エラー量を規定するために予め定めたパラメータεと、の関係を定めた不等式を、ベルヌーイサンプリングの公式に基づき規定する不等式規定部と、
前記第1ユニット及び前記第2ユニットにおいてそれぞれ前記通信用光パルス及び前記テスト用光パルスをランダムに前記光子検出ユニットに送信し、前記第1ユニット及び前記第2ユニットで一致したペアの前記通信用光パルスと、ペアの前記テスト用光パルスとを前記光子検出ユニットで検出した検出結果を前記第1ユニット及び前記第2ユニットが取得して、前記検出結果に基づいて、前記不等式規定ステップの前記不等式を解いて、前記通信用光パルスを入力したときの前記量子通信システムでの応答を推定する推定部と、
を含む、量子通信システムの応答推定装置。
In a quantum communication system in which a communication optical pulse obtained by modulating an optical pulse with a randomly selected random bit and a plurality of types of test optical pulses, the phases and intensities of which are randomly selected, are randomly transmitted to the photon detection unit between a first unit and a second unit connected via a quantum communication path via a photon detection unit, the response estimation device estimating a response in the quantum communication system when the communication optical pulse is input, comprising:
an ideal state defining unit that defines a quantum mechanical ideal state of ideal optical pulses that can detect the number of pairs of communication optical pulses related to eavesdropping among the number of pairs of communication optical pulses detected by the photon detection unit as a result of both the first unit and the second unit selecting the communication optical pulses;
a determination unit that represents an approximation state in which the ideal state and a quantum mechanical state are approximated by addition and subtraction using the quantum mechanical state of the test optical pulse generated by random modulation, and determines an inequality of an operator that defines a relationship between the ideal state and the quantum mechanical states of the plurality of types of test optical pulses;
an inequality definition unit that defines, based on a Bernoulli sampling formula, an inequality that defines a relationship between the number of detections of the pair of communication optical pulses involved in eavesdropping measured by the ideal optical pulse, the number of detections of the pair of first test optical pulses detected as a result of both the first unit and the second unit selecting the first test optical pulse that is selected randomly with a certain probability, the number of detections of the pair of second test optical pulses detected as a result of both the first unit and the second unit selecting the second test optical pulse that is selected randomly with a certain probability separately from the first test optical pulse, and a parameter ε that is predetermined to define an amount of estimation error that is tolerable in estimating the amount of eavesdropping on the pair of communication optical pulses;
an estimation unit that randomly transmits the communication optical pulse and the test optical pulse in the first unit and the second unit, respectively, to the photon detection unit, and obtains detection results of the communication optical pulse and the test optical pulse of a matched pair in the first unit and the second unit by the photon detection unit, and solves the inequality in the inequality defining step based on the detection results to estimate a response in the quantum communication system when the communication optical pulse is input;
A response estimator for a quantum communication system comprising:
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