JPH05327690A

JPH05327690A - 通信方法および装置

Info

Publication number: JPH05327690A
Application number: JP4128544A
Authority: JP
Inventors: Ippei Doi; 一平土井; Shiro Kanbara; 史朗蒲原; Shigeo Ihara; 茂男井原; Hitoshi Matsuo; 仁司松尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】通信の傍受を確実に検出し、傍受者による通
信文の解読を不可能にし、かつ、通信文を誤りなく伝え
る。【構成】光子送信装置１００８と光子受信装置１０１
３により、光子信号の伝達が行なわれ、光子信号に対応
するビット列が、発信側の記憶装置１００９と受信側の
記憶装置１０１４に格納され、並べ替え回路１０１０と
誤り率算出回路１０１１により、発信側と受信側の光子
信号ビット列の一部の照合が行なわれ、受信ビット列中
の誤り率が推定され、その推定値に基づいて通信を続行
するか否かが判定され、通信を続行する場合には、符号
化回路１０１２により、記憶装置１００７に格納された
通信文のビット列と記憶装置１００９のビット列から送
信用の符号が生成され、復号装置１０１５は、この符号
を受け取ると、記憶装置１０１４のビット列を用いて、
通信文を復元し、この復号処理において、記憶装置１０
０４のビット列中の誤りが訂正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通信技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】通信網の巨大化に伴い、通信内容の機密
保護およびプライバシーの保護は、ますます重大な社会
的課題となってきている。ところが、従来、通信信号
は、文字、電波などの古典物理学的な手段で送信される
ため、原理的には検知されることなく傍受することが可
能である。そのため、高度の機密保持が要求される場合
には、暗号方式による通信がなされる。現在、最も実用
的な暗号方式は、非公開鍵鍵暗号方式とよばれるもので
ある。この方式では、送信者と受信者以外の第三者には
秘密にされた鍵とよばれるコードにより、通信文を暗号
化して発信し、受信者は、暗号を受信すると、同じ鍵を
用いて暗号を解読して、元の通信文を再現する。秘密鍵
を入手しない限り、暗号文全てを傍受しても、第三者は
通信文そのものを再現することはできない。従って、こ
の通信方式の保守性は、秘密鍵の機密性よって成り立つ
ものであり、秘密鍵は、傍受のおそれのない安全な通信
路により伝達されなければならない。

【０００３】アイビーエムテクニカルディスク
ロージャーブリティン、第２８巻-７、３１５３頁、
１９８５年１２月（IBM Technical Disclosure Bulleti
n, Vol.28, No.7, P3153, Dec. 1985 ）において、量子
力学的な実体を信号として用いることにより、原理的に
傍受の検知を免れることを不可能とする、秘密鍵の伝達
方法が開示されている。これは、傍受のための観測によ
り量子状態が不可逆的に変化することを利用して、発信
側と受信側の量子信号に差異が有るかどうかを調べるこ
とにより、途中で傍受が有ったかどうかを検出するもの
である。

【０００４】量子信号に対する傍受が行なわれた場合、
受信者が受け取った量子信号には、一般に誤りが生じて
いるため、そのままでは秘密鍵として用いることはでき
ない。そこで、前記文献では、量子信号の送受信の後、
通常の通信によって、発信信号と受信信号に関する情報
を交換することにより、量子信号の伝送誤りを訂正する
手続きが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記文献に開示されて
いる通信方法おいては、量子信号がランダムなビット列
しか伝送できないため、そのビット列は非公開鍵暗号方
式における秘密鍵としてしか利用できない。従って、意
味のある通信文を送受信したい場合には、通信文を秘密
鍵により暗号化して送信し、受信した暗号を秘密鍵によ
り解読するという手続きを、別途行なう必要があった。

【０００６】また、量子信号の伝送誤りの訂正手続きに
際して、量子信号の情報の多くが漏洩されるか、また
は、誤り訂正を完遂するために、送受信者が何度も訂正
手続きを繰り替えさなければならないものであった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、通信文を送信で
きる処理を備え、かつ、この処理が、量子信号の伝送誤
りを訂正する処理を兼ねている、通信方法および装置を
提供することにある。

【０００８】また、この場合に、通信文の内容が第三者
の漏洩する確率を実用上無視でき、かつ、一回の通信処
理により、確実に量子信号の伝送誤りが訂正されるよう
な通信方法及び装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の通信方法および
装置は、一つの量子状態に１ビットを担わせて、ランダ
ムなビット列の送信および受信を行う手続きを少なくと
も一度行う第一の通信処理と、第一の通信処理における
ビット列の伝送の誤りを訂正し、かつ、通信文の送受信
を行なう第二の通信処理を有するものである。

【００１０】この場合に、前記第二の通信処理におい
て、発信者と受信者は、誤り符号系を選択し、発信側
は、この誤り訂正符号系の符号化手続きにより、通信文
を符号化し、この符号と前記第一の通信処理で送信した
ビット列とのビットごとの第一の排他的論理和を送信
し、受信者は、この第一の排他的論理和と前記第一の通
信処理で受信したビット列とのビットごとの第二の排他
的論理和をとり、この第二の排他的論理和に、前記誤り
訂正符号系の復号処理を施すことにより、通信文の送受
信を行ない、同時に、前記第一の通信処理におけるビッ
ト列の伝送誤りを訂正するものである。

【００１１】また、この場合に、前記第二の通信処理に
先だって、第一の通信処理におけるビット列の伝送誤り
率の推定値を与え、かつ、この推定値に従って前記第二
の通信処理を続行するか否かを判定する第三の通信処理
を有するものである。

【００１２】

【作用】前記した通信方法および装置によれば、通信文
の送受信処理において、同時に、量子信号の誤り訂正を
行なうことができる。即ち、発信者は選択した誤り訂正
符号系の符号化手続きにより、通信文を符号化し、この
符号と量子信号によって送信したビット列との、ビット
ごとの第一の排他的論理和をとり、その値を送信する。
そして、受信者は、受信した第一の排他的論理和と受信
した量子信号のビット列との第二の排他的論理和をと
り、この第二の排他的論理和に、誤り訂正符号系の復号
手続きを施すことにより、通信文を復元することができ
ると同時に、受信した量子信号中の誤りを訂正すること
ができる。

【００１３】この場合に、前記の通信文送受信および量
子信号の誤り訂正処理に先だって、量子信号の伝送誤り
率推定処理を行ない、推定値があらかじめ選択してある
誤り訂正符号系が訂正できる誤り率以下である場合にの
み、通信文送受信および量子信号の誤り訂正処理を行な
うことにすることにより、一回の処理で信号の訂正が完
全に行われ、通信文が誤りなく伝わるようにすることが
できる。

【００１４】更に、この場合に、前記量子信号はランダ
ムなビット列なので、前記第一の排他的論理和もランダ
ムなビットの列となり、傍受者は、量子信号の内容その
ものについてあらかじめ何らかの情報を持っていない限
り、前記第一の排他的論理和の値をすべて傍受しても、
通信文の内容について情報を得ることはできない。従っ
て、傍受者が、通信文の内容を知るためには、量子信号
を傍受する必要があるが、前記誤り率推定処理により、
送信者と受信者はどの程度量子信号が傍受されたか、言
い換えると、傍受者が通信文の内容を特定できる確率を
知ることができる。そこで、この確率があらかじめ定め
てある基準値以内の場合にのみ、通信文の送信を行なう
ことにすることにより、傍受者による通信文の解読を実
質的に不可能にすることができる。

【００１５】また、前記誤り率推定処理と前記通信文送
受信および誤り訂正処理により、受信側の量子信号中の
誤りが必ず検出されるので、これにより、確実に通信の
傍受を検知することができる。

【００１６】以上の作用により、傍受を確実に検知し、
第三者に漏洩することなく、かつ、伝送の誤りなく、通
信文を伝達することができる。

【００１７】

【実施例】本発明の第一の実施例は、図１に示される量
子信号通信処理１０１と、処理１０１における信号伝送
の誤り率を評価するための、図２に示される処理２０１
と、図３に示される、通信文送受信処理および量子信号
伝送時の誤り訂正処理を行なう処理３０１とからなる通
信方法である。

【００１８】本実施例の作用を簡単に説明すると次のよ
うになる。

【００１９】処理１０１では、一個の量子の量子状態に
１ビットを担わせて、ビット列が送信される。それに引
き続いて、処理２０１では、通常の（古典的な）通信手
段により、処理１０１における送信ビット列と受信ビッ
ト列の部分的な照合が行なわれ、受信ビット列中の誤り
率が推定され、この推定値に基づいて、あらかじめ選択
してある誤り訂正符号系が確実に受信ビット中の誤りを
訂正でき、かつ、第３者が通信文を特定できる確率が実
質的に無視できるほど小さいと判断した場合に限り、通
信を続行する判定が下される。通信が続行される場合に
は、処理３０１において、通常の通信手段により、通信
文が送信され、同時に、処理１０１の量子信号伝送時に
生じた受信ビット列中の誤りビットが訂正される。

【００２０】次に各処理の内容を詳細に説明する。光子
の偏光状態を用いてビットを伝送する場合を例にとり、
図１により、量子通信処理１０１の内容を説明する。一
個の光子は、任意の方向に偏光した状態を取りうる。そ
こで、水平偏光（０度偏光）、垂直偏光（９０度偏
光）、４５度偏光、１３５度偏光の４状態を通信に利用
する。あらかじめ、送信者と受信者は、０度および４５
度偏光状態をビット０に、９０度および１３５度偏光状
態をビット１に対応させるものと取り決めておく。

【００２１】これら４つの偏光状態は、すべてが互いに
独立な状態になれるわけではない。実際、４５度偏光お
よび１３５度偏光状態は、０度および９０度偏光状態を
等しい重みで重ね合わせたものであり、逆も同様であ
る。そこで、０度および９０度偏光の光子を測定できる
装置で、４５度または１３５度偏光の光子を観測する
と、偏光が０度または９０度であるという観測結果のど
ちらかが、それぞれ確率１／２で生ずる。逆に、４５度
および１３５度偏光の光子を測定する装置で、０度偏光
または９０度偏光の光子を観測すると、観測結果は、そ
れぞれ確率１／２で４５度偏光か１３５度偏光の光子が
測定される。言い換えれば、光子の偏光状態と適合して
いない測定装置を用いると、測定結果は完全にランダム
になる。

【００２２】処理１０２に於て、発信者は、光子の偏光
状態を、４つの状態のうちからランダムに選択して、一
連の光子を受信者に送り、各光子の偏光状態と、それに
対応するビットの列を保存する。量子力学の不確定性原
理によれば、一つの光子に対して、０度および９０度偏
光の測定装置と、４５度および１３５度偏光の測定装置
との両方による同時測定はできない。そこで、受信者
は、１つ１つの光子に対して、どちらの測定装置を用い
るのかをランダムに選択しながら送られてきた光子列を
測定し、選択した測定装置の種類と、測定結果に対応す
るビットの列を保存する。

【００２３】本実施例においては、光子の送受信は処理
１０２、１０３においてのみ行なわれる。以下の全ての
処理における通信は、文字、電波、電気信号など古典的
な信号により伝えられる。古典的な信号は、原理的に検
知されることなく傍受することが可能なので、以下のす
べての通信は、いつでも傍受されている可能性があるも
のとする。そこで、以下の通信は、その全ての内容を傍
受したとしても、処理１０２において送信された光子を
傍受しない限り、傍受者には何の情報も与えないような
方式で行なわれる。従って、傍受者が、通信文を解読し
ようとする場合には、どうしても、処理１０２において
送信された光子を傍受せざるを得ない。

【００２４】処理１０３に引き続き、発信者による光子
の偏光状態の選択と受信者による測定装置の選択の照合
が行なわれる。即ち、処理１０４において、受信者は、
各光子についてどちらの装置を用いて測定したのかを送
信する。但し、測定の結果そのものは送信しない。処理
１０５において、発信者は、受信者による測定装置の選
択が、送信者による偏光状態の選択と合致していたか否
かを受信者に伝える。処理１０６および１０７におい
て、発信者および受信者は、それぞれが保存しているビ
ット列から、受信者が誤った測定装置の選択をした光子
に対応するビットを捨てる。これにより、もし、処理１
０２および１０３における光子列の送受信時に、傍受に
よる光子列の撹乱がなければ、発信者と受信者が持って
いるビット列は完全に一致する。

【００２５】処理１０２における光子列の送信時に、光
子列の傍受が行われていた場合に、傍受により、処理１
０１後の受信ビット列にどのような影響が現われるかを
考えてみる。不確定性原理により、傍受者も、どちらか
一つの測定装置を選択しなければならない。傍受者は、
傍受が検知されないように、光子を測定し終わると、測
定結果と同じ偏光をもつ光子を１つ作って、受信者に向
けて発信する。さもないと、発信した光子の数が受信さ
れた光子の数と合わないので、傍受が直ちにばれてしま
う。しかし、こうしても次の理由により、傍受の検知は
免れられない。即ち、傍受者は１／２の確率で発信者が
選択した偏光と適合しない装置を選択する。この場合に
は、傍受者による測定結果はランダムになってしまう。
従って、発信者による偏光の選択と受信者による測定装
置の選択が合致している光子であるにもかかわらず、受
信者の測定結果が、発信者の選択した偏光状態と異なる
という状況が確率１／２で起こりうる。つまり、１つの
光子が傍受されたとき、その光子に対応する、発信者と
受信者のビットが異なっている確率は１／４である。逆
にビットが一致する確率は３／４となる。これにより、
処理１０１の後、送信者と受信者のもつビット列の差異
を検出することにより、傍受を検知できることになる。

【００２６】そこで、本実施例においては、２つの処理
において、ビット列の差異を検出する。まず、処理２０
１では、通常の（古典的な）通信手段により、処理１０
１における送信ビット列と受信ビット列の部分的な照合
が行なわれ、受信ビット列中の誤り率が推定され、この
推定値に基づいて、通信を続行するか否かが判定され
る。通信が続行される場合には、処理３０１において、
誤り訂正符号系の符号化および復号の手続きにより、処
理１０１で生じた受信ビット列中の誤りが検出、訂正さ
れる。

【００２７】次に、図２により、処理２０１の内容を説
明する。発信者は、処理２０２において、ビット列をラ
ンダムに並べ替え、その並べ替えの順序を送信する。処
理２０３において、受信者は、送信者の指示に従って、
ビット列を並べ替える。ビットの並べ替え処理２０２お
よび２０３は、局所的に集中する誤りビットを平均的に
分散させるための前処理である。

【００２８】処理２０２、２０３のランダムな並べ替え
処理は、例えば図４に示すような一連の処理により実現
される。まず、処理４０１で、カウンタIにビット列の
長さNをセットする。次に、処理４０２で、０から１の
間の値をとる一様乱数ｒを発生し、J=[rI]+1とおく。こ
こで、実数xに対して[x]は、xを越えない最大の整数を
表わす。そして、処理４０３で、ビット列のI番目のビ
ットとJ番目のビットを入れ替える。処理４０４で、こ
の入れ替えの指示を受信者に伝え、受信者もビットの入
れ替えを行なう。処理４０５で、カウンタを１だけデク
リメントし、判断処理４０６によりカウンタの値が１で
あれば、並べ替え処理を終了し、そうでなければ、処理
４０２に戻る。

【００２９】次に、処理２０４において受信者は、照合
用に、ビット列の一部のビットを送信し、送信したビッ
トを捨てる。ここでは、ビット列の先頭の１００個を送
信するものとする。発信者は、処理２０５において自分
のビット列の先頭の１００個のビットと受信者から送ら
れてきた１００個のビットを照合して、受信者の１００
個のビットの中の誤り率Rを計算し、ビット列から先頭
の１００個を捨てる。そして、処理２０６において、発
信者は、Rの値に基づいて、受信者のビット列全体のな
かの誤り率Pを推定する。即ち、区間推定法により、Pの
最大値は９９％の確率で{(nR-2)+3√(nR(1-R)+1)}/(n+
4) と見積られるのでP={(nR-2)+3√(nR(1-R)+1)}/(n+4)
とおく。ここで、nは照合用に用いられたビットの数で
あり、今の場合n=100である。そして、処理２０７にお
いて、P>P0であるか、またはP>(k-10)/3(k+m)であれ
ば、処理２０８に分岐して、通信を中止する。ここで、
kおよびmは、それぞれ、以後の処理で用いる誤り訂正符
号系の情報信号長および検査信号長であり、P0はこの誤
り訂正符号系により訂正できる１ビット当たりの誤り率
の最大値である。P>P0であれば、この誤り訂正符号系
は、受信ビット列の誤りを訂正する能力を持たない可能
性が大きいので、通信の中止は当然である。これに加え
て、P>(k-10)/3(k+m)の場合にも通信を中止する理由は
以下の通りである。

【００３０】傍受者は、処理１０４および１０５の通信
を傍受することにより、傍受の際に自分が選択した測定
装置が、傍受した光子の偏光状態と適合していたかどう
かを知ることができる。もし、適合していれば、傍受者
は、その光子の偏光を確実に知ることができる。適合し
ていなければ、測定結果は役に立たないので、確率１／
２の当て推量を行なうしかない。結局、傍受者は、１つ
の光子を傍受することにより、その光子の正しい偏光を
知ることができる確率は平均で３／４となる。ところ
で、傍受が入った時、その光子に対応する受信者のビッ
トが送信者のものと異なっている確率は１／４であっ
た。従って、受信者のビット列中の誤り率を１ビットに
付き平均でPとすると、傍受者は、１ビットに付き平均
で3Pの確率でビットの正しい値を知っていることにな
る。誤り訂正符号系を用いる場合、k+mビットのブロッ
クを単位として通信が行なわれるので、１ブロック当た
り平均して3P(k+m)ビットを知っているものと考えられ
る。１ブロックの情報量は、情報信号の情報量であるk
ビットなので、傍受者にとっての１ブロック当たりの不
定ビットは平均でk-3P(k+m)となる。不定ビットが少な
すぎると、傍受者は総当たりで意味のある通信文を再現
できる可能性が生ずる。そこで、本実施例では、k-3p(k
+m)≧10、即ち、P≦(k-10)/3(k+m)の場合にのみ、通信
を続けるものとした。これにより、傍受者にとって、通
信文の不定さは、１ブロック当たり少なくとも１０ビッ
トある、言い換えれば、傍受者にとって、そのブロック
の正しい値の候補は２¹⁰＝１０２４個以上になる。従っ
て、ある程度の長さの通信文に対しては、総当たり法に
よる通信文の解読は事実上不可能になる。

【００３１】P≦P0かつP≦(k-10)/3(k+m)であれば、引
き続いて、誤り訂正および通信文伝達を行なう処理３０
１が行なわれる。

【００３２】処理３０１について説明する前に、図５に
より、森北出版、１９７３年発行、情報工学ハンドブッ
クP６８-P８７に記載されている、いわゆるブロック型
の線形誤り訂正符号系による、誤り訂正のための符号化
と復号の手続きを簡単に説明する。発信者は、送信した
い情報信号と、それから一意に決まる検査信号を一つの
ブロックとして送信する。情報信号および検査信号をそ
れぞれx,yとし、これらの長さをそれぞれとk,mとする。
即ち、x,yは０または１を要素とするk,m行の行ベクトル
である。線形の訂正符号系では、k行m列の生成行列Cに
より、y=xCと書ける。ここで、ベクトルxと行列Cの乗算
は、２を法として行なわれる。発信者は、処理５０１
で、xに対してxCを計算し、処理５０２で、xとxCをつな
いで、長さk+mのビット列y=(x,xC)をつくる。このよう
に、情報信号と検査信号をつないだブロックを、符号語
とよぶ。処理５０２で、発信者は、この符号語yを送信
する。符号語が、雑音のある伝送路によって伝えられる
ものとすると、処理５０３における受信信号y'は発信信
号yとは異なっている可能性がある。そこで、受信者
は、次のような復号手続きにより、元の情報信号を再現
する。即ち、まず、処理５０４において(k+m)行m列の検
査行列Hを用いて、s=y'Hを計算する。そして、処理５０
５において、eH=sを満たし、ビット１の数が最小のビッ
ト列eを求める。通常、このようなeは全てのsに対し
て、あらかじめ計算してテーブル化しておく。eの中の
ビット１は、その位置においてyとy'のビット値が食い
違っていることを示しているので、eを誤りベクトルと
呼ぶ。s=0であれば、信号伝送に誤りがなかったことを
示しているが、その場合はe=0とおけばよい。そして、
処理５０６で、このeと受信信号y'とのビットごとの排
他的論理和をとることにより、yが復元できる。そこ
で、処理５０７で、この排他的論理和の先頭のkビット
を取りだし、元の情報信号xが復元される。

【００３３】そこで、次に、図３により、処理３０１の
内容を説明する。処理３０２において、選択された誤り
訂正符号系に従って、発信者は、通信文と量子信号ビッ
ト列を、それぞれ、長さkおよび長さk+mのブロックに分
割する。i番目のブロックをそれぞれx(i)とa(i)とす
る。処理３０３において、受信者も、自分の量子信号ビ
ット列を長さk+mのブロックに分割する。i番目のブロッ
クをb(i)とする。処理３０４において、発信者は、通信
文のブロックから、検査信号x(i)Cを求め、符号語(x
(i),x(i)C)を構成する。そして、排他的論理和w(i)=(x
(i),x(i)C)+a(i)を計算し、処理３０５で、w(i)を送信
する。

【００３４】ここで、排他的論理和w(i)+b(i)を考える
と、a(i)とb(i)とが完全に一致していれば、この排他的
論理和w(i)+b(i)は符号語(x(i),x(i)C)に等しい。ま
た、a(i)とb(i)が異なるビットを有していれば、丁度そ
のビットの位置で、w(i)+b(i)と(x(i),x(i)C)は食い違
っている。この食い違いは、各ブロックに対し、以下の
処理３０６を施すことにより訂正できる。即ち、処理３
０７において、s=(w(i)+b(i))Hを計算し、処理３０８に
おいて、eH=sを満たし、かつ、最もビット１の数が少な
いビット列eを求める。このとき、eは、(x(i),x(i)C)と
w(i)+b(i)とのずれを表している、即ち、(x(i),x(i)C)=
w(i)+b(i)+eである。従って、処理３０９で、w(i)+b(i)
+eを求めることにより、元の符号語(x(i),x(i)C)が復元
されるので、先頭のkビットを取り出して、通信文のブ
ロックx(i)が復元される。また、a(i)=b(i)+eとして、
発信側の量子信号のブロックa(i)も復元される。この処
理３０６を全てのブロックに対して繰り返すことによ
り、受信側で通信文全体が復元される。

【００３５】以上の通信処理１０１、２０１および３０
１により、通信文を、その機密性を失わしめることな
く、確実に伝えることができる。

【００３６】図６は、本発明の通信方法および装置の第
２の実施例である通信装置を示す概略構成図である。本
実施例は、実施例１に開示された通信方法を装置で実現
するものである。

【００３７】まず、図６により本実施例の通信装置の構
成の概略を説明する。本実施例の通信装置１００１は、
発信装置１００２と受信装置１００３と、信号の伝送路
１００４および１００５とから構成されている。発信装
置１００２は、通信文の入力端末１００６と通信文の記
憶装置１００７と光子送信装置１００８と光子信号の記
憶装置１００９と並べ替え回路１０１０と誤り率算出回
路１０１１と符号化回路１０１２とからなる。受信装置
１００３は、光子受信装置１０１３と光子信号の記憶装
置１０１４と復号回路１０１５と受信した通信文表示用
の出力端末１０１６とからなる。伝送路１００４は、光
子信号用の伝送路であり、非旋光性の光ファイバーなど
で作られている。伝送路１００５は、電気信号など通常
の信号を伝える。

【００３８】本実施例の作用を、簡単に説明すると次の
ようになる。まず光子送信装置１００８と光子受信装置
１０１３により、光子信号の伝達が行なわれ、光子信号
に対応するビット列が、記憶装置１００９および１０１
４に格納される。次に、並べ替え回路１０１０と誤り率
算出回路１０１１により、受信ビット列中の誤り率の推
定値が算出される。そして、その推定値に基づいて、符
号化回路１０１２および復号回路１０１５に組み込んで
ある誤り訂正符号系が確実に受信ビット列中の誤りを訂
正でき、かつ、第３者が通信文を特定できる確率が実質
的に無視できるほど小さいと判断した場合に限り、通信
を続行する判定が下される。通信が続行される場合に
は、符号化回路１０１２により、入力端末１００６より
入力され記憶装置１００７に格納されている通信文のビ
ット列と記憶装置１００９に格納されているビット列よ
り、送信用の符号が生成される。復号装置１０１５は、
符号を受け取ると、この符号と記憶装置１０１４中のビ
ット列より通信文を復元する。この、符号化および復号
の手続きは誤り訂正符号系に従って行なわれ、光子信号
の伝送誤りが生じていたとしても、通信文が正しく復元
される。

【００３９】次に、第一の実施例の通信方法における処
理１０１、２０１および３０１に対応させて、本実施例
の作用について詳述する。まず、図７を用いて、第一の
実施例の処理１０１に対応する作用について説明する。

【００４０】入力端末１００６は、入力された通信文
を、０または１からなるビット列に変換し、記憶装置１
００７に格納する。同時に、その長さをNとして、値N+1
00を、光子送信装置１００８内のカウンター１１０１に
セットする。

【００４１】そして、カウンタの値が０になるまで、以
下の光子送受信処理が繰り返される。まず、カウンタ１
１０１の値が０でない場合、判断器１１０２は、乱数発
生器１１０３に、０か１か２か３のいづれかをランダム
に発生させ、かつ、伝送路１００５を通して、受信側の
乱数発生器１１０７に指示を送り、０か１のいづれかを
ランダムに発生させる。乱数発生器１１０３が発生した
乱数は、電流変換器１１０４に入力される。電流変換器
１１０４は、入力された乱数の値に比例して、ファラデ
ー回転子１１０５に流れる電流量を四段階で切り替え
る。これにより、ファラデー回転子１１０５を通過する
光子は、その偏光面を、電流量に比例して、０度、４５
度、９０度、１３５度回転するようになっている。電流
変換器１１０４が電流量の切り替えを終えると、レーザ
ー１１０６より光子が１個放出される。レーザー１１０
６は、常に、０度偏光の光子を放出するように調整され
ている。従って、レーザー１１０６より発信され、ファ
ラデー回転子１１０５を通過した光子の偏光は、発生し
た乱数が０、１、２、３のそれぞれの場合に応じて、０
度偏光、４５度偏光、９０度偏光、１３５度偏光とな
る。この光子は、光伝送路１００４を通じて、光子受信
装置１０１３に送信される。

【００４２】受信側も、受信側の乱数発生器１１０７の
出力を、電流変換器１１０８に入力する。受信側の電流
変換器１１０８は、発生した乱数が０、１のそれぞれの
場合に応じて、ファラデー回転子１１０９を通過する光
子の偏光を０度、―４５度だけ回転させるように電流量
を変える。そして、送信された光子は、ファラデー回転
子１１０９を通過して、偏光ビームスプリッター１１１
０に入る。この偏光ビームスプリッター１１１０は、任
意の方向に偏光した光子を、０度偏光成分と９０度偏光
成分に分離する。そして、分離された０度および９０度
の偏光成分は、それぞれ、光検出器１１１１および１１
１２により検出される。そして、光検出器１１１１より
光子が検出されればビット０が、光検出器１１１２より
検出されればビット１が、レジスタ１１１４に記憶され
る。

【００４３】発信側の乱数が偶数、即ち、０か２であれ
ば、発信光子は０度偏光か９０度偏光である。受信者の
乱数も偶数、即ち、０であれば、ファラデー回転子１１
０９を通過しても、光子は偏光の向きを変えない。従っ
て、発信光子が０度偏光であれば、光検出器１１１１に
おいて光子が必ず検出され、光検出器１１１２には決し
て検出されない。同様に発信光子が９０度偏光であれ
ば、光検出器１１１２において光子が必ず検出され、光
検出器１１１１には決して検出されない。これに対し、
受信側の乱数が、奇数すなわち１であれば、ファラデー
回転子１１０９を通過した光子は、偏光が―４５度回転
してしまうので、４５度または１３５度偏光の光子にな
る。これらの偏光の光子は、０度偏光成分と９０度偏光
成分を等しい重みで含んでいるので、検出の結果、確率
１／２で、光検出器１１１１または１１１２のどちらか
で、光子が検出される。

【００４４】同様に、発進側の乱数が奇数である場合
に、受信側の乱数も奇数であれば、４５度偏光の発信光
子は、必ず光検出器１１１１で検出され、１３５度偏光
の光子は必ず光検出器１１１２で検出される。これに対
し、受信側の乱数が偶数であれば、発信光子の偏光が４
５度でも１３５度でも、どちらの光検出器からも１／２
の確率で光子が検出される。

【００４５】従って、発信側の乱数と受信側の乱数の偶
奇性が一致していれば、偏光の種類に応じて、発信光子
がかならず一方の光検出器でのみ検出され、他方の光検
出器では決して検出されないという意味で受信の結果が
確定している。これに対し、送信側の乱数と受信側の乱
数の偶奇性が異なる場合には、発信光子の偏光状態にか
かわらず、どちらの光検出器からも、確率１／２で光子
が検出される可能性があるという意味で、受信の結果は
完全にランダムである。即ち、実施例１の光子信号通信
処理１０１に対応させていえば、発信側の乱数と受信側
の乱数の偶奇性の一致、不一致は、発信側の偏光状態の
選択と受信側の測定装置の選択との一致、不一致と対応
している。

【００４６】そこで、発信側と受信側は、それぞれが発
生した乱数の偶奇性の照合を行なう。即ち、発信側の乱
数発生器１１０３によって発生した乱数は、判断器１１
１３に入力され、また、受信側の乱数発生器１１０７が
発生した乱数も、伝送路１００５を通じて、判断器１１
１３に入力され、偶奇性の一致、不一致が判定される。
偶奇性が一致していなければ、判断器１１１３は、それ
が判断器１１０２に伝えられ、光子の送受信が再び始め
られる。偶奇性が一致していれば、判断器１１１３は、
発信した光子の偏光に対応するビットを記憶装置１００
９に格納する。即ち、乱数発生器１１０３の発生した乱
数が０、１、２、３であるのに応じて、発信光子の偏光
は、それぞれ、０度、４５度、９０度、１３５度となる
ので、乱数が０、１であればビット０が格納され、２、
３であればビット１が格納される。伝送路１００５を通
じて、受信側のレジスター１１１４にも、一致の判定が
送信され、レジスタ１１１４の内容が記憶装置１０１６
に格納される。そして、判断器１１１３は、減算器１１
１５にカウンタ１１０１の値を１だけデクリメントさ
せ、次の光子の送受信処理に移る。以上の、光子送受信
処理が、カウンタ１１０１の値が０になるまで繰り返さ
れる。カウンタ１１０１の値が０になると、処理は並べ
変え回路１０１０に移される。

【００４７】次に、光子伝送の誤り率を推定し、通信を
続行するか否かを判定する処理２０１に対応する作用に
ついて、図８および９を用いて説明する。

【００４８】まず、図８の並べ替え回路１０１０によ
り、発信側および受信側の記憶装置１００９および１０
１４内のビット列の並べ替えが行なわれる。まず、カウ
ンタ１２０１に記憶装置１００９内のビットの総数N+10
0がセットされる。そして、カウンタ１２０１にセット
された値が１になるまで、以下の処理が繰り返される。
カウンタ１２０１の値が１でない場合、判断器１２０２
は、乱数発生器１２０３に０と１の間の一様乱数rを一
つ発生させる。整数化器１２０４では、乱数rとカウン
ター１２０１の値Iとから、整数J=[rI]+1を出力する。
カウンター１２０１の値Iと整数化器１２０４の出力J
は、発信側の記憶装置１００９と伝送路１００５に送ら
れる。そして、記憶装置１００９は、I番目とJ番目のア
ドレスに格納されているビットを交換する。同様に、I
とJの値は伝送路１００５を通じて、受信側の記憶装置
１０１４にも伝えられ、ビットの交換が行なわれる。そ
して、減算器１２０５により、カウンタ１２０１の値が
１だけデクリメントされる。カウンタ１２０１の値が１
になると、判断器１２０５は、以上の繰り返し処理を終
了させ、誤り率算出回路１０１１に処理が移される。

【００４９】図９の誤り率算出回路１０１１の内部で
は、比較照合器１３０１が、発信側の記憶装置１００９
から、また、伝送路１００５を通じて、受信側の記憶装
置１０１４から、順に１ビットずつ１００個のビット列
を取りだし、ビットごとに比較をおこなう。比較の結
果、異なっていたビットの総数が誤り計数器１３０２に
より計数される。誤り計数器１３０２の出力より、誤り
率算出器１３０３は、受信側の記憶装置内１０１４内の
全ビット中の誤り率の推定値Pを出力する。即ち、nを照
合に用いたビット数100、n1を誤り計数器の出力とする
と、R=n1/100としてP={(nR-2)+3√(nR(1-R)+1)}/(n+4)
を出力する。P≦P0かつP≦(k-10)/3(k+m)であれば、判
断器１３０４により、符号化回路１０１２に処理が移さ
れる。P>P0またはP>(k-10)/3(k+m)であれば、判断器１
２０２より、通信中止のメッセージが、入力端末１００
６のスクリーン上に、また、伝送路１００５を通じて、
出力端末１０１６のスクリーン上に出力され、送信者と
受信者は通信を中止する。

【００５０】次に、通信文送受信および光子信号伝送時
の誤り訂正を行なう処理３０１に対応する作用につい
て、図１０および１１を用いて説明する。

【００５１】図１０の符号化回路１０１２において、通
信文のビット列を格納している記憶装置１００７より、
長さkのビット列xが取り出され、乗算器１４０１に入力
され、xと生成行列Cの積である、長さmのビット列xCが
出力される。そして、ビット列連結器１４０２が、xとx
Cをつないで得られるビット列(x,xC)を生成する。つぎ
に、記憶装置１００９より、長さk+mのビット列aが取り
出されて、排他的論理和演算器１４０３により、(x,xC)
とaとのビットごとの排他的論理和wが計算される。この
排他的論理和wの値は、伝送路１００５を通じて、受信
側の復号回路１０１５に送信される。

【００５２】図１１の復号回路は１０１５は、伝送路１
００５を通じて、wを受信すると、記憶装置１０１４よ
り、長さk+mのビット列bを取りだし、排他的論理和演算
器１５０１により、wとbのビットごとの排他的論理和w+
bを計算する。そして、その値w+bを乗算器１５０２に入
力し、検査行列Hとの積s=(w+b)Hを出力する。記憶装置
１５０３には、すべてのsのパターンに対して、eH=sを
満たし、且つ、１の数が最も少ないビット列eが格納さ
れている。記憶装置１５０３は、乗算器１５０２の出力
sを受け取ると、それに対するeを出力する。eと排他的
論理和演算器１５０１の出力w+bとは排他的論理和演算
器１５０４に入力される。部分ビット取り出し器１５０
５により、出力の先頭のkビットが取り出される。これ
により、通信文のブロックが復元されたので、これを出
力端末１０１６のスクリーンに表示する。

【００５３】以上の符号化および復号の手続きを、通信
文の各ブロックに対して繰り返して、通信文全体が伝達
される。

【００５４】本実施例においては、説明を簡潔にするた
め、発信装置から受信装置に通信文が送信される場合に
ついて述べたが、発信側および受信側それぞれが、発信
装置および受信装置の両方を有することにより、もちろ
ん双方向通信が可能である。

【００５５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
下記のとうりである。

【００５６】（１）通信文の送受信処理において、同
時に、量子信号伝送時の誤り訂正を行なうことができ
る。即ち、発信者は選択した誤り訂正符号系の符号化手
続きにより、通信文を符号化し、この符号と量子信号に
よって送信したビット列との、ビットごとの第一の排他
的論理和をとり、その値を送信する。そして、受信者
は、受信した第一の排他的論理和と受信した量子信号の
ビット列との第二の排他的論理和をとり、この第二の排
他的論理和に、誤り訂正符号系の復号手続きを施すこと
により、通信文を復元することができると同時に、受信
した量子信号中の誤りを訂正することができる。

【００５７】（２）前記（１）における通信文送受信
および量子信号の誤り訂正処理に先だって、量子信号の
伝送誤り率推定処理を行ない、推定値があらかじめ選択
してある誤り訂正符号系が訂正できる誤り率以下である
場合にのみ、通信文送受信および量子信号の誤り訂正処
理を行なうことにすることにより、一回の処理で誤り訂
正が完全に行われ、通信文が誤りなく伝わるようにする
ことができる。

【００５８】（３）前記（１）および（２）により、
通信文の内容を第３者に漏洩することなく伝達できる。
即ち、前記量子信号はランダムなビット列なので、前記
第一の排他的論理和もランダムなビットの列となり、傍
受者は、量子信号の内容そのものについてあらかじめ何
らかの情報を持っていない限り、前記第一の排他的論理
和の値をすべて傍受しても、通信文の内容について情報
を得ることはできない。従って、傍受者が、通信文の内
容を知るためには、量子信号を傍受する必要があるが、
前記（２）の誤り率推定処理により、送信者と受信者は
どの程度量子信号が傍受されたか、言い換えると、傍受
者が通信文の内容を特定できる確率を評価することがで
きる。そこで、この確率があらかじめ定めてある基準値
以内の場合にのみ、通信文の送信を行なうことにするこ
とにより、傍受者による通信文の解読を実質的に不可能
にすることができる。

【００５９】（４）前記（１）および（２）により、
受信側の量子信号中の誤りが必ず検出されるので、これ
により、確実に量子信号伝送時の傍受を検知することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の通信方法および装置の実施例１である
通信方法における、光子信号の送受信処理の内容を説明
する説明図である。

【図２】本発明の通信方法および装置の実施例１である
通信方法における、光子信号伝送の誤り率算出処理の内
容を説明する説明図である。

【図３】本発明の通信方法および装置の実施例１である
通信方法における、通信文の送受信および光子信号の伝
送誤り訂正処理の内容を説明する説明図である。

【図４】本発明の通信方法および装置の実施例１である
通信方法における、光子信号ビット列の並べ替え処理の
内容を説明する説明図である。

【図５】ブロック型線形誤り訂正符号系による符号化お
よび復号処理の内容を説明する説明図である。

【図６】本発明の通信方法および装置の実施例２である
通信装置を示す概略構成図である。

【図７】本発明の通信方法および装置の実施例２である
通信装置における、光子発信装置および光子受信装置を
示す概略構成図である。

【図８】本発明の通信方法および装置の実施例２である
通信装置の発信装置における、光子信号ビット列の並べ
替え回路を示す概略構成図である。

【図９】本発明の通信方法および装置の実施例２である
通信装置の発信装置における、光子信号伝送の誤り率算
出回路を示す概略構成図である。

【図１０】本発明の通信方法および装置の実施例２であ
る通信装置の発信装置における、符号化回路を示す概略
構成図である。

【図１１】本発明の通信方法および装置の実施例２であ
る通信装置の受信装置における、復号回路を示す概略構
成図である。

【符号の説明】

１００２発信装置１００３受信装置１００４光子信号伝送路１００５伝送路１００７通信文記憶装置１００８光子送信装置１００９発信側光子信号用記憶装置１０１０光子信号並べ替え回路１０１１光子信号伝送誤り率算出回路１０１２符号化回路１０１３光子受信装置１０１４受信側光子信号用記憶装置１０１５復号回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０６Ｆ 13/00 ３５１Ｚ 7368−5ＢＧ０９Ｃ 1/00 9194−5Ｌ (72)発明者松尾仁司東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの量子状態に１ビットを担わせて、ラ
ンダムなビット列の送信を行う手続きを少なくとも一度
行う第一のステップと、前記第一のステップにおけるビ
ット列の伝送の誤りを訂正し、通信文の送受信を行なう
第二のステップを有することを特徴とする通信方法。
【請求項２】一つの量子状態に１ビットを担わせて、ラ
ンダムなビット列の送信を行う手続きを少なくとも一度
行う第一の通信手段と、前記第一の通信手段からのビッ
ト列の伝送の誤りを訂正し、通信文の送受信を行なう第
二の通信手段を有することを特徴とする通信装置。
【請求項３】請求項１記載の通信方法において、発信者
と受信者は、誤り符号系を選択し、発信側は、この誤り
訂正符号系の符号化手続きにより、通信文を符号化し、
この符号と前記第一の通信処理で送信したビット列との
ビットごとの第一の排他的論理和を送信し、受信者は、
前記第一の排他的論理和と前記第一のステップで受信し
たビット列とのビットごとの第二の排他的論理和をと
り、前記第二の排他的論理和に、前記誤り訂正符号系の
復号処理を施すことにより、前記第一のステップにおけ
るビット列の伝送の誤りを訂正し、通信文の送受信を行
なうことを特徴とする通信方法。
【請求項４】前記第二のステップに先だって、前記第一
のステップにおけるビット列の伝送誤り率の推定値を与
え、この推定値に従って前記第二のステップを続行する
か否かを判定する第三のステップを有することを特徴と
する請求項１に記載の通信方法。