JPH09502320A - 量子暗号を使用する多元接続ネットワークにおけるキー配送 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 量子暗号の方法において、送信機（Ｔ）が、量子チャネル上で、いくつかの受信機（Ｒ1 −Ｒ3 ）と通信する。受信機は、共通通信ネットワークの異なる分岐に配置されている。この方法は、各受信機に対して、それぞれ異なる秘密キーを確立する。量子チャネル上の送信前に、受信機を同期化させるために、タイミングパルスが送信機から受信機に送信される。量子チャネルは、多重化され、ネットワーク上の古典多重光子送信と同時に送信される。

Description

【発明の詳細な説明】 量子暗号を使用する多元接続ネットワークにおけるキー配送発明の背景 本発明は、暗号化データ通信システムに関する。特に、本発明は、量子暗号と して知られている技術に関する。 量子暗号では、承認されているあるいは承認されていないに関わらず、システ ムのすべてのユーザが自由に利用可能であると仮定されるある特定のアルゴリズ ムを使用して、データは送信機で符号化され、受信機で復号化される。システム の安全性は、承認されたユーザのみに利用可能な、アルゴリズムに対するキーに 依存する。この目的のため、安全な量子チャネルを介してキーは配送される。そ れは、以下にさらに論じるように、単一光子信号により伝送され、また非古典的 性質を示すチャネルである。そして、送信機および受信機は、公開チャネルとし て知られている分離チャネルを介して通信し、送信データと受信データとを比較 する。送信キーを傍受する任意の盗聴者の存在は、検出できる受信データの統計 値に変化を生じさせることになる。したがって、データの統計値にこのような変 化がない場合、そのキーは安全であることが分かる。そのようにして確立された 秘密キーは、送信機と受信機との間の後続する通信の暗号化と暗号翻訳化で使用 される。付加的な安全性のために、現在のキーを新しく生成されたキーにより周 期的に置換してもよい。 一般的に、量子暗号を使用する通信方法は、次のステップ を含む。 （ａ）異なる非交換量子機械演算子（non-commuting quantum mechanical ope rator ）に対応している複数の暗号化アルファベットから１つをランダムに選択 し、その選択された演算子を使用して、量子チャネル上に送信する信号を符号化 する。 （ｂ）異なる量子機械演算子から１つをランダムに選択し、ステップ（ａ）で 送信された信号を検出する際に、その演算子を使用する。 （ｃ）後続する信号の各多重度に対して、ステップ（ａ）と（ｂ）を反復する 。 （ｄ）暗号化アルファベットと関係なく、送信機と受信機との間で通信し、送 信機および受信機により、送信信号共通演算子のいずれが選択されたのかを決定 する。 （ｅ）ステップ（ａ）と（ｂ）で送信および受信された信号を比較し、盗聴者 の存在により生じた不具合を検出する。 （ｆ）ステップ（ｅ）において盗聴者が検出されない場合、チャネルの２人の ユーザ間の後続するデータ送信に対する暗号化／暗号翻訳化用のキーとして、ス テップ（ａ）と（ｂ）で送信されたデータの少なくともいくつかを使用する。こ の方式は、C.H.ベネット、G.ブラサード、S.ブリッドバートおよびS.ビンスナー の「暗号化の進展：暗号展８２の会報（プレナム、ニューヨーク、1983年）」、 ならびに、C.H.ベネットおよびG.ブラサードのIBM 技術公開報、28 3153、（198 5年）で詳細に説明されている。 ここで使用されているような用語「暗号化アルファベット」では、「暗号化」 は、１度キーが確立された送信に対するテキストの後続する暗号化よりも、むし ろキー配送フェーズ中の単一光子パルスのコード化に関係する。本発明の要約 本発明にしたがうと、量子暗号を使用して通信を行う方法は、送信機が、共通 通信ネットワークの量子チャネル上で、共通通信ネットワーク上に配置された複 数の受信機と通信し、各受信機に対してそれぞれ異なる秘密キーを確立すること で特徴付けられる。 今まで量子暗号は、専用通信リンクに対して動作する単一の送信機および受信 機対の間の通信に対してのみ使用されていた。典型的にリンクは、光ファイバに より提供されていた。これに対し本発明は、多元接続ネットワーク上の量子暗号 を使用する。もちろん多元接続ネットワークの使用は、一般的な通信目的に対し てよく知られているが、それらの機能が、ネットワーク上の各分岐または接続点 における信号の古典的な性質に依存しているので、このようなアキテクチャーは 、明らかに量子暗号に不適当である。この性質は、量子暗号に使用される単一光 子信号の場合にくずれる。このような信号は、各分岐において分割されるものと して取扱うことができないが、その代わり、ある確率で、１つのパスまたは他の パスに進むか、あるいは、システムから失われるかのいずれかでなければならな い。しかしながら、本発明者は、そのよう なネットワーク上の単一光子信号の非古典的性質は、送信機とそれぞれ個々の受 信機との間に異なるキーを確立できるようにするのに役立つように使用すること ができることに気付いた。これは、古典的な、すなわち多重光子の信号を使用す る、送信機と各受信機との間の暗号化データの後続する安全で両方向の通信を可 能にする。これらの暗号化送信は、量子チャネルを伝送するのに使用されるのと 同じ共通通信ネットワークで行われるのが好ましい。代わりに、古典および量子 チャネルに対して、異なる通信システムを使用してもよい。特に、プロトコルの ステップ（ｄ）および（ｅ）である公開ディスカッションフェーズは、例えば、 送信機と受信機との間の通信に対して無線送信を使用してもよい。量子暗号の標 準的な２点間適用において、生成される秘密ビットのいくつかが、公開チャネル を介して送られるメッセージを認証するために使用される。これは、そのチャネ ルの正当なユーザが、盗聴者に傍受されることなく、直接的な通信状態にあるこ とを確実にする［上記に言及した参考文献］。この量子暗号の多重ユーザ版にお いて、秘密ビットがすべてのターミナルで生成されるので、必要とされる場合、 すべてのネットワークユーザに対して認証を実行することができる。 本発明に採用された方法では、送信プロトコルのステップ（ａ）から（ｃ）に おいて、送信される各符号化ビットは、システムから失われるか、または、複数 の受信機の１台のみで受信されるかのいずれかである。ｒを予め定められた整数 として、ｒビットキーを各受信機に対して確立するために、 送信機は十分に多いビットを出力し、各ビットは１つの単一光子信号により伝送 される。要求される送信ビット数は、以下にさらに詳細に説明するように、各分 岐における結合レート、ネットワーク中の減衰量、および元のキーデータ中のエ ラーレートにより決定される。各受信機は、個々の単一光子パルスがとるパスに よりランダムに決定される、異なるビットシーケンスを受信する。したがって、 公開ディスカッションフェーズ、および量子暗号プロトコルのステップ（ｅ）お よび（ｆ）にしたがって盗聴がないことを確実にするテストの終了後、送信機は 、ネットワーク上の各ターミナルＲi と個別のｒ秘密ビットシーケンスを確立す る。標準の２点間適用に対して、（上記にすでに参照されている）C.H.ベネット 、F.ベセット、G.ブラサード、L.サルベールおよびJ.ソモリンのJ.暗号化、5 、 3 （1992年）、ならびにベネット／ブラサードのIBM 技報に説明されているよう に、これらの秘密ビットは、認証と各共有キーＫi の生成の両方に使用すること ができる。必要な場合、制御装置／送信機は、マスターネットワークキーの一回 限り暗号帳の暗号化でのキーとして、個々のＫi を使用することができる。マス ターネットワークキーは、ネットワーク上のすべての受信機／ターミナル、また はターミナルのサブセットに、安全に配送することができる。結果として、２つ のタイプの暗号化通信が可能となる。一対一通信において、制御装置およびＲi は、ネットワーク上のいずれの方向にも同報通信される多重光子データ信号を暗 号化するために、Ｋi を使用する。したがって、これらの信号 がネットワーク上に同報通信され、よって、すべての受信機がアクセス可能であ るが、Ｒi と制御装置だけがこれらの特定のデータ送信を復号化することができ る。このシナリオでは、安全なターミナル間通信は、例えばＲi とＲj との間で 生じ得るが、制御装置は、入ってくる信号および出て行く信号を復号化および符 号化するために、Ｒi とＲj に関するその知識を使用して、インタープリタとし て機能しなければならない。任意のものから任意のものへの通信も、マスターキ ーを共有しているターミナルのサブセット間で起こり得る。この場合、送信パス が制御装置を介して進むならば、制御装置は、入ってくる符号化データのルーテ ィングまたは再送信を実行する必要があるだけである。 この発明は、例えば、ツリー、バス、リングまたはスター形態の受動光ネット ワーク（PONS）やこれらの組合わせのような、多元接続ネットワークアーキテク チャーの範囲で使用してもよい。例えば、光学的に分散されたコンピュータLAN 、ローカルアクセス通信ネットワークおよびケーブルテレビ分散ネットワークを 含む、このようなネットワークアーキテクチャーに対して幅広い適用がある。こ の発明は、いくつかの異なる方法で、このようなシステムの安全性を増加させる ために使用することができる。例えば、ローカルアクセス通信ネットワークのシ ナリオでは、ネットワークは、何人かの独立した顧客を、単一の送信機または交 換機にリンクする。この場合、送信機は、安全な一対一通信を可能とするために 、何人かのまたはすべてのネットワークユーザと、認証し、個 々のキーを確立する。これは、ネットワークの潜在的な敵対するまたは競争相手 のユーザが、互いのデータ送信にアクセスすることを防ぐ。代わりに、単一顧客 の分散した位置を、中央交換機または制御装置にリンクするために、ネットワー クを使用してもよい。この場合、制御装置は、ネットワークマスターキーを配送 するために使用してもよい、各遠隔ターミナルとの個々のキーを確立することに より、全体としてネットワーク完全さを保護することができる。任意のものから 任意のものへの安全な通信が上記に説明したように可能となる。後者のシナリオ は、また安全な光学的分散コンピュータLAN の場合にも関連している。この発明 は、さまざまな異なる方法で、そのようなシステムの安全性を増加させるために 使用することができる。例えば、ネットワークは、何人かの独立顧客を、単一の 送信機または交換機にリンクする。この場合、送信機は、何人かのまたはすべて のネットワークユーザと個々のキーを確立し、それによりネットワークの潜在的 な敵対するまたは競争相手のユーザが、互いのデータ送信にアクセスすることを 防ぐ。代わりに、ネットワークは、単一顧客の分散した位置を中央送信機ノード にリンクするために使用してもよい。この場合、送信機ノードは、中央の安全な 交換機として機能する。安全なリンクを各遠隔ターミナルと個々に確立すること により、送信機は、異なるターミナル間の安全な通信を可能とするとともに、全 体としてネットワークの完全さを保護することができる。 キー配送処理は、送信機中のマスタークロックにシステム を同期化することにより開始されることが好ましい。この処理は、後に量子キー データを復号化するのに使用されるタイミング情報を提供する。同期化は、光フ ァイバネットワーク上に同報通信される多重光子タイミングパルスを使用して実 行されることが好ましい。その後、ターミナルは、これらのパルスを検出し、そ れにより、ターミナルのローカルクロックを中央マスタークロックにロックする 。その後、中央ノードは、適切な量子状態の時間基準化信号シーケンスをネット ワーク上に送る。これらは、例えば、パラメトリック増幅器ソース源から得られ た単一光子の形態、または代わりに、一般的にわずか１個、平均では実質的にパ ルス当たり１個より少ない光子を含む、減衰されたレーザからの光の弱いパルス の形態をとってもよい。適当なソース源は、この出願人の留保中の国際出願 PCT /GB 93/02637(WO 94/15422)と PCT/GB 93/02075(WO 94/08409)に説明されており 、両出願の主題は、ここに参照として組込まれている。パルスの両タイプは、要 求される量子機械特性を示し、用語「単一光子パルス」は、ここでは、どのよう に生成されたかに関係なく、このようなすべてのパルスを表すために使用される 。パルスは、異なる位相または偏光状態で符号化される。図面の説明 本発明にしたがったシステムの実施例を、添付された図面を参照して、例とし てのみ、以下においてさらに詳細に説明する。 図１は、本発明を具体化したネットワークを図示したものである。 図２ａおよび２ｂは、本発明を具体化したシステムの量子および古典チャネル に対する波長の割当てを図示したものである。 図３は、本発明の第２の実施例の詳細なブロック図である。 図４ａおよび４ｂは、送信機および受信機のそれぞれにおいて使用される偏光 変調装置の詳細を示している。 図５ａおよび５ｂはそれぞれ、別の実施例で使用する送信機および受信機であ る。 図６は、さらに別の実施例の図である。 図７は、送信機（上のグラフ）および受信機（下のグラフ）用の位相変調装置 の状態を示しているグラフである。 図８は、別の偏光変調装置である。 図９は、フロー図である。実施例の説明 第１の例における本発明を具体化した通信システムは、送信機Ｔと３台の受信 機Ｒ1 −Ｒ3 を具備している。送信機Ｔと受信機Ｒ1 −Ｒ3 は、ツリー構造を有 する受動光ネットワーク（PON ）によりリンクされている。ネットワークの各接 続点には、50/50 結合器Ｃ1 ，Ｃ2 が設けられている。 使用において、送信機から受信機へのキーの配送の前に、システムは送信機の クロックに同期化される。後続する量子伝送を正確に時間調整するために、単一 光子測定をいつ始め るかを、異なる受信機が知っていなければならない。すなわち、送信機により規 定された第１のタイムスロットがいつ到着する予定であるかを、異なる受信機が 知っていなければならない。これは、送信機から受信機への距離に依存する。し かしながら、最初の同期化データが同じネットワークを介して送信される場合、 最後のクロックパルスが到着した後の固定時間τで量子測定を開始することによ り、受信機は異なる時間遅延を考慮に入れることができる。これは、同じく最後 のクロックパルスが送信された後の時間τで量子送信を開始する送信機により整 合される。ターミナルから中央ノードへの戻りパスでタイムスロットが衝突する ことを防止するために、PONSにおいて伝統的に使用されている距離技術に、この 手続は類似している。したがって、実際では、量子キー配送チャネル用のタイミ ングシステムの要素は、ネットワークで標準データ送信を制御するために使用さ れる距離システムと結合してもよい。 一般的に、ネットワーク中の中央ノードからさまざまなターミナルへのパスは 、異なるチャネル透過係数を有し、したがって、受信された単一光子ビットレー トもターミナルごとに異なっている。実際の単一光子カウント検出器は高いカウ ントレートで飽和するので、ネットワーク中で許容可能なビットレートに上限が ある。さらに、検出器の暗電流のようなノイズ機構による任意の背景カウントレ ートと比較して、光子カウントレートが大きくなければならないとの要求により 、ビットレートの下限が設定される。検出器の飽和における問 題を避けるために、すべての検出器カウントレートを最低の透過係数を有するタ ーミナルのカウントレートと等しくすることが好ましい。これは、光減衰により 、または、検出器の感度を制御することにより、例えば、アバランシェホトダイ オード検出器（APD ）の逆バイアス電圧を変化させることにより、達成すること ができる。適当なAPD を以下に説明する。 図１は、等化が使用されない場合を示している。ここで、ファイバ損失が無視 できると仮定すると、透過係数は、Ｔ−Ｒ1 パスに対してｔ1 ＝0.5 であり、Ｔ −Ｒ2 およびＴ−Ｒ3 のそれぞれのパスに対してｔ2 ＝ｔ3 ＝0.25である。これ は、Ｒ2 またはＲ3 より２倍多い光子をＲ1 が受信し、上述した検出器性能制限 内に入るようにカウントレートが選択されることを意味する。３つのｒビットキ ーを確立するために、受信された元のキービットが最後のキービットを生成する 可能性を表しているプロトコルおよびエラー従属定数をｐとして、送信機は、（ ｐ）^-1×（４ｒ）個の光子を送らなければならない。一般的な場合、ｎ個のｒビ ットキーの配送は、ネットワーク中の最小透過係数をｔ_j として、（ｐ）^-1×（ ｒ／ｔ_j ）個の光子を必要とする。さらに、検出器ノイズのようなシステムの非 効率は、C.H.ベネット、F.ベセット、G.ブラサードおよびL.サルベールのJ.暗号 化5 、3 （1992年）に概略記載されているように、識別され取除かなくてはなら ない、送信キーデータ中のエラーを生ずる。この処理は、ｒビット長の最後のキ ーが要求される場合に考慮に入れなければならない元のキーデータの圧縮を導く 。認証手続を含んでい る、プロトコル（ｄ）−（ｆ）の公開ディスカッションステージの終りにおいて 、すべてのターミナルは、ｍ≧ｒ秘密ビットを持っていなければならない。そし てすべてのターミナルは、個々のキーを形成するために、それらの個々のシーケ ンスの、例えば第１のｒビットを使用することを送信機と同意する。 暗号化データまたは標準（非暗号化）信号のいずれかを伝送するためにネット ワークを使用する他の送信チャネルとは関係なく動作するように、量子キー配送 チャネルは構成される。量子チャネルは不連続バースト送信モードで動作し、一 方、一般的にデータチャネルは中断されない連続送信を提供することを要求され るので、このことは重要である。量子チャネルのこの要求された分離は、データ チャネルにより使用される波長とは異なる予約された波長を使用することにより 提供される。この場合、WDM 結合器（例えば、シファム光ファイバP2SWM13/15B ）およびフィルタ（例えば、JDS TB1300A ）のような波長感応受動光学部品によ り、量子チャネルは離隔できる。図２ａおよび２ｂは、この方式の２つの可能性 ある例を示している。図２ａに示されている第１の場合、量子チャネルは、通常 の信号交信用に予約されている他のいくつかのチャネルとともに、1300ナノメー トル通信窓内に入っている。図２ｂに示されている第２の場合、量子チャネルの ために、850 ナノメートル窓が予約されている。この波長に対する単一光子検出 器（シリコンAPD ）が1300ナノメートルの光に対して比較的不感であり、したが って、データチャネ ルからの離隔をより達成し易いという利点をこれは持っている。この方法は、量 子および通常のチャネルを結合および分離するために、JDS WD813 のようなWDM 結合器を必要とする。代わりに、通常の信号交信に対して1500ナノメートル帯を 使用し、一方、量子チャネルに対して1300ナノメートル帯を予約してもよい。ゲ ルマニウムAPD の感度は1300ナノメートルで高く、約1400ナノメートルより長い 波長に対して急速に低下するので、これらの検出器は、この特定波長の分割方式 に対して魅力的な選択である。この波長分離技術により、光増幅器（例えば、エ ルビウムやプラセオジム希土類がドープされたファイバ増幅器）のような能動部 品が、データチャネル波長で使用でき、一方、増幅器の自然放出スペクトルより 外側の波長において量子チャネルが動作できるようにもなる。これでない場合、 増幅器から自然に発生した光子は、量子チャネル上の検出器を容易に飽和させる 。 代わりに、量子チャネルとデータチャネルを同じ波長で動作させ、偏光または 時分割多重化により離隔を達成することも可能である。前者の場合、例えばわれ われの留保中の英国出願第9226995.0.号で説明されているように、量子チャネル に対して位相符号化を使用する。データチャネルは、JDS PB 100のような偏光分 割結合器により離隔を得て、ファイバの直交偏光モードで動作する。時分割方式 では、標準ファイバ結合器を介してネットワークにリンクされる標準受信機によ り検出される多重光子データパルスに対して、あるタイムスロットが予約される 。これらのタイムスロット中の単一光子 検出器の飽和は、スイッチ可能な減衰器（輝度変調装置）により、または、装置 に対する逆バイアスを無くすことにより、防ぐことができる。量子キーデータと 同時にシステムタイミング情報を送るために、これらの離隔技術のいずれかを使 用することもできる。例えば、量子送信に要求されるタイムスケールに対してシ ステム同期化を維持するには受信機局部発振器上のタイミングジッタが大き過ぎ る場合に、この方法は有用である。さらに別の技術は、量子チャネルと同じ波長 を使用して、量子送信と同時にタイミングデータを提供する。例えば入射パルス 強度の10％までを分離させる弱いファイバタップにより送信ファイバに接続され る感応PIN-FET のような標準検出器を、受信機はさらに含む。ｎ番目のパルスご との強度は、例えば10⁵ 個の光子のように、十分に大きくされる。標準検出器は タイミング目的に使用することができるパルスを登録する。例えば1000のように ｎが十分に大きい場合、APD は熱影響や飽和を受けず、クロック周波数で局部発 振を発生させるために、受信機に×1000周波数倍率器を使用することができる。 APD のものは、検出器の好ましい形態であるが、本発明はADP の使用に限定さ れない。単一光子レベルで適当な感度および弁別を有する他の検出器を使用して もよい。例えば、検出器は、光電子増倍管を使用してもよい。 図３は、２台の受信機と１台の送信機を含む同報通信ネットワークの特定の例 を示している。送信機は、DFB やファブリ−ペロー装置でもよい利得スイッチ半 導体レーザ9 、減衰 器または輝度変調装置7 、偏光変調装置8 、および制御電子回路10から構成され ている。受信機中の単一光子検出器は、P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、P.R. タプスタの電子レター、29、634 （1993年）に論じられているように、ブレイク ダウンを越えてバイアスされ、受動クエンチングを有するガイガーモードで動作 するアバランシェホトダイオード（APD ）でもよい。SPCM-100-PQ （GEカナダ電 子光学）のようなシリコンAPD を400-1060ナノメートル波長範囲で使用でき、一 方、NDL5102PやNDL5500P（NEC ）のようなゲルマニウムやInGaAs装置を1000-155 0 ナノメートル範囲で使用することができる。各受信機は、弁別器／増幅器回路 3 を介してAPD の出力を受信するマイクロプロセッサ制御装置2 を有している。 制御装置2 は、APD バイアス供給装置6 とともに、電子フィルタ4 および局部発 振器5 も制御する。ネットワークを介して受信された同期化パルスに応答して、 APD により出力される信号の周波数スペクトルの第１高調波を、電子フィルタ4 は離隔する。これは、局部発振器5 をロックするパルス周波数の正弦波信号を発 生させる。局部発振器5 の出力は、制御装置2 で受信され、量子送信中にタイミ ング基準を提供する。 量子送信前にまたは量子送信中にシステムを較正するために、送信媒体に多重 光子信号を使用することは、上記に引用したわれわれの留保中の英国特許出願に さらに詳細に説明されている。これは、例えば、環境の影響から生じるファイバ 偏光の変化を補償できるようにする。 P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、P.R.タプスタの電子レ ター、29、1291（1993年）、およびP.D.タウンゼントの電子レター、30、809 （ 1994年）に記載されているように、別の実施例は、異なる偏光状態よりも、もし ろ異なる位相状態を符号化および復号化する。この実施例では、図３に示されて いる送信機の代わりに図５ａの送信機が置換され、同様に、各受信機は、図５ｂ に示されているような構成の受信機により置換される。この実施例の送信機では 、第１の波長λ_q 、例えばλ_q ＝1300ナノメートルで動作する第１のパルス半導 体レーザ51は、量子チャネルに対する光ソース源を提供する。このレーザと位相 変調装置54用の変調駆動装置53とは、マイクロプロセッサ55により制御される。 位相変調器54は、送信機の１つの分岐に配置される。偏光制御装置PC（例えば、 BT&D/HPMCP1000）は、送信機の他の分岐に配置される。第２の半導体レーザ52は 、例えばλ_s ＝1560ナノメートルである波長λ_s の明るい多重光子ソース源を提 供する。この信号は上述したように、タイミングおよび較正のために使用される 。λ_s の信号は、例えばJDSWD1315 シリーズ装置でもよいWDM 結合器56を介して 送信機の出力に結合される。 量子チャネルおよびタイミング信号用の分離ソース源の使用に対する別のもの として、融解ファイバ結合器FCを介して２つの異なる分岐にその出力を供給する ために、単一の半導体レーザも使用することができ、その分岐の１つは減衰器を 含み、他の分岐は減衰されていない。明るい出力または減衰出力のいずれかを選 択するために、光スイッチを使用してもよい。周波数要求に応じて、JDS Fitel SW12のような低速電 気機械装置、またはユナイテッド・テクノロジー・ホトニクスYBBMのような高速 電気光学装置が使用できる。 この実施例の受信機では、各制御マイクロプロセッサ57は、変調駆動装置59を 介して受信機位相変調装置58を制御する。受信機制御プロセッサは、受信機単一 光子検出器61用の検出器バイアス供給装置60も制御する。信号パスが分岐する、 送信機および受信機の両方において、融解ファイバ50/50 結合器が使用される。 適当な結合器は、SIFAM からモデルP22S13AA50として商業利用可能である。λ_s のタイミング信号は、PIN-FET 受信機64により検出される。 データ符号化および復号化用の適当な位相変調装置54,58は、例えば1-10メガ ヘルツで動作するリチウムニオブ酸塩または半導体位相変調装置である。適当な リチウムニオブ酸塩装置は、IOC PM1300として商業利用可能である。位相変調装 置用の適当な駆動装置は、テクトロニクスAWG2020 であり、これはシステム用の クロック発生装置としても使用することができる。単一光子検出器のために、図 ３を参照して上述したようなAPD を使用してもよい。図５ａおよび５ｂに示され ている位相変調装置とファイバ装置とを結合して単一集積構造にすることにより 大きな改良が得られる。この設計の変形や、P.D.タウンゼント、J.G.ラリティ、 P.R.タプスタの電子レター、29、634 （1993年）で論じられているものは、ファ イバパスを導波管に置換し、変調装置領域を標準的な装置のように電極で規定し て、リチウムニオブ酸塩チップ上に集積することができる。別の製造方法は、例 えば、光屈折規定さ れた平面シリコン導波管構造または半導体導波管構造を含む。一般的に集積化は 、送信機および受信機構造に対して、改善された安定性およびコンパクトさをも たらさなければならない。特に、この実施例は、例えばヒューズ7060H 低温冷却 装置や液体窒素ジュワーやクライオスタットを使用して77K に冷却されるNEC 51 03 Ge APD を使用する。この実施例の受信機では、ラベル「１」が付けられた上 側の分岐中の遅延ループにより時間的に分離された、受信機の異なる分岐に対応 している信号に、単一のAPD だけが使用される。キー配送プロトコルは、各受信 光子が、所定のクロック周期で関連付けられ、また通ってきた受信機の分岐に応 じて０または１にも識別されることを要求する。これらの機能は、時間間隔解析 装置62（例えば、ヒューレッド・パッカード53110A）により実行される。この装 置に対する開始信号は、例えばそれぞれレクロイ821 およびレクロイ621 でもよ い増幅器および弁別器を含む回路63により処理された後に、APD 出力により供給 される。 先に言及したタイミング信号は、量子チャネル上のキーデータのバーストを開 始するために使用される単一トリガパルス、または、キー送信間の受信機クロッ クを再時間調整するために使用される、システムクロック周波数の連続パルスス トリームのいずれかの形態を取り得る。キー送信が開始される前、干渉計中の位 相シフトをゼロにするために、受信機は位相変調装置DCバイアスレベルを変化さ せる（すなわち、光子送信確率が１つの出力ポートで最高にされ、他のポートで 最小にされる）。図５ａおよび５ｂはまた、送信機および受信機を介して伝播す る際に、量子チャネルパルスの２つの成分が受ける、空間、時間および偏光の相 対的変化も示している。システムのすべてのファイバが防偏光処理されているな らば、システムで能動偏光制御または静的偏光制御装置は必要とされない。しか しながら、標準ファイバが送信リンクに使用されるならば、受信機への入力にお いて能動偏光制御が必要とされる。これは、われわれの留保中の国際出願PCT/GB 93/02637（WO94/15422）に説明されているように、標準検出器、フィードバック 回路、および自動化偏光制御装置を使用して実行することができる。 同じくこの日に出願されたわれわれの留保中の国際出願（代理人参照番号 80/ 4570/03 ）に説明されているように、受信機は、各単一光子検出器を使用して量 子チャネル上の信号を破壊的に検出するよりむしろ、単一光子信号が適当な単一 光子検出器で検出される制御装置に単一光子信号を戻す前に、ヘッド−エンドす なわち「制御装置」局から受信された単一光子信号を変調する。この場合、上記 に論じられた送信機および受信機構造が両方とも制御装置に組込まれ、ネットワ ーク受信機局Ｒ1 ，Ｒ2 ………のそれぞれが、位相変調装置例えばIOC PM1300を 含んでいる。各受信機は、各ビット周期の２つの直交偏光パルス間の相対位相シ フトを生成する波形を発生するために、データ発生装置、例えば、テクトロニク スAWG2020 を使用する。代わりにシステムは、位相変調装置よりむしろ偏光変調 装置を使用するように構成してもよい。 使用において、量子送信と同時にタイミング情報が送信されない形態では、タ イミングパルスストリームをネットワークに向けて送る送信機により、キー配送 が開始される。送信機の減衰器はこの点で係合されないので、パルスは多くの光 子を含み、両ターミナルによって受信される。受信機は、受信機の検出器の逆バ イアスをブレイクダウンより十分下に設定するので内部利得は低い。このモード では、APD は飽和されることなく、多重光子タイミングパルスを検出することが できる。各APD 出力信号は、パルスされたソース源の基本的な反復レートの周波 数成分を含んでおり、これは、上述したように、受信機の局部発振器をロックす るために使用される。 同期化処理の後、送信機の減衰器は係合されるので、出力パルスは、平均で0. 1 個程度の光子を含む。さらに、受信機のAPD は、ブレイクダウンを越えてバイ アスされるので、単一光子レベルの検出感度を達成するのに十分なくらい内部利 得は高い。そして量子キー配送プロトコルのステップ（ａ）から（ｃ）が実行さ れる。いま説明している例では、偏光符号化を使用して、システムは２つのアル ファベット符号化方式を使用する。この方式では、キービットのシーケンスを確 立するために、偏光状態が使用される（すなわち、0 °=0，90°=1，および45° =0，135 °=1）。 図４は、高速（例えば、≧1MHz）動作が要求される場合に、偏光符号化実施例 で使用される偏光変調装置の詳細を示している。送信機変調装置は、ランダムに スイッチされる４対１光スイッチに基づいているので、各パルスに対して、４つ の 可能性のある偏光状態の１つがネットワークに結合される。光スイッチは１以上 の電気光学装置（例えば、ユナイテッド・テクノロジーのリチウムニオブ酸塩Ｙ スイッチ「YBBM」）に基づき、４×１結合器は融解ファイバ装置（例えば、サイ ファム・ファイバ・オプティクスのP4S13C）であってもよい。受信機中の偏光変 調装置は設計で類似する。しかしながら、ここでは、異なる偏光チャネルが異な る長さのファイバ遅延を含む。これにより、単一のAPD が出力で使用されるよう になり、偏光状態識別が、光カウントが生じる（レーザ周期内の）時間により実 行される。これに類似する検出方式が、A.ミュラー、J.ブレギュト、N.ギシンの 欧州物理レター、23、383 （1993年）に記載されている。 図８は、低周波数動作（例えば、≦1MHz）を受入れることできる場合の、偏光 変調装置に対する別の好ましい構造を示している。これは、液晶セルの積み重ね を具備している。図示されている例では、積み重ねは、キラルスメクティクＣセ ルＳ1 ，Ｓ2 を含んでいる。各セルは、各基体上に形成されたInTio 電極Ｅを有 するガラス基体対ｇ1 ，ｇ2 を含んでいる。１方向に擦り込まれたrub ポリミド 被覆が、各電極上に形成される。空間SPが、基体を分離し、また液晶材料が閉じ 込められる容積を規定する。適切な材料は、メルクからZLI-431Aとして利用可能 である。各セルのガラス基体間の空間は、典型的に、1.5 から2 マイクロメート ルの範囲である。入力ビームの波長において、セルが例えば半波長または４分の １波長板として機能するように、各セルの厚みが選択される。 電極を使用して各セルの両端に電界が印加される時、セル中の液晶分子は、特性 傾き角θで傾く。印加電界の極性を変えると、分子を２θの角度に動かす。セル は、２つのこれらの安定方向状態間を電界でスイッチされる双安定素子として機 能し、一般的に中間的な方向をとることができない。 上記に概略説明した特性は、図に示されているようなスイッチセルの積み重ね が、予め定められた不連続な偏光状態を選択するための偏光変調装置として機能 できるようにする。例えば、上述した、0 °、90°、45°、および135 °の４つ の直線偏光状態を使用する変調方式がある。この方式を構成するために、第１の セルＳ1 はθ＝22.5°のスイッチ角度を有するように構成され、第２のセルＳ2 はθ＝11.25 °のスイッチ角度を有するように構成される。両セルが「０」状態 の時、それらの光学軸が平行であると仮定する。第１のセルの２つの状態を０と π／４として、また、第２のセルの２つの状態を０とπ／８としてラベル付けす ると、偏光変調装置から要求される異なる出力が、以下の表１に示されているよ うに得られる。 代わりの符号化方式は、２つの直線偏光状態と２つの円偏光状態、すなわち、 直線垂直、直線水平、右旋、左旋を使用する。そのような方式を実行する液晶変 調装置は、２つのセルの積み重ねを具備する。この場合、第１のセルＳ1 は、θ ＝22.5°の半波長セルであり、第２のセルＳ2 は、θ＝22.5°の４分の１波長セ ルである。以下の表は、この変調装置に対する異なる状態を示している。 さらに代わりの符号化方式は、第１の２つの方式で使用される状態の重ね合わ せである６つの状態を具備する。この方式を実施する変調装置は、３つのセルの 積み重ねを使用し、第１の２つのセルは、直前の例で記載されたように、θ＝11 .25 °の半波長セルである第３のセルがそれに続く。この変調装置の状態は以下 の表に示されている。 この例では、左旋対および右旋対が本質的に縮退される。円偏光の絶対的な位 相は異なっているが、波の振動周期の何倍もの周期に対して強度が時間平均され るという事実は、絶対的な位相は無関係であることを意味する。したがって、４ つの直線偏光状態および左旋および右旋偏光状態が残る。実際上、セル2 がオン の場合、セル3 がどの状態にあるかは問題ではない。 積み重ねられた液晶変調装置に対して、他の多くの形態が可能である。例えば 、上記に説明された例の半波長セルは、４分の１波長セルの対に分割することが できる。いくつかのセルの組合わせの順序も変更することができる。さらに可能 性ある変形は、さらなるコード化の柔軟性をもたらす連続的に同調可能な波形板 を提供する電子装置の使用である。 上述したように液晶変調装置の使用には大きな効果が見られ、例えば10マイク ロ秒パルス間隔の比較的高いレートでスイッチングを可能であり、コンパクトで 低価格の装置の可能性を示す。 既に着目したように、位相変調は、偏光変調の代わりとして使用してもよい。 図７は、上側のグラフで、送信機に適用される0 °、90°、180 °、または270 °の位相シフトの符号化シーケンスを、下側のグラフで、変調信号を検出する際 に受信機で使用される0 °または90°の２つの位相状態を示したグラフである。 この例では、ビット周期は１マイクロ秒である。 ステップ（ａ）から（ｃ）では、必要とされる数のキービ ットを確立するために、十分に多い単一光子パルスが各受信機に対して送信され る必要がある。中央ノードからターミナルへの光ファイバパスの形態は、ネット ワークアーキテクチャに依存する。例えば、ｎをネットワーク上のターミナルの 数とし、ｍ＜ｎとして、パスは、単一の１対ｎ結合器または１対ｍ結合器の他の 組合わせで分割してもよい。所定の光子が中央ノードからターミナルへ到達する 確率は、αを単位長当たりのファイバ損失係数、１をパス長、βをパスに対する ネット結合レートとして、その特定のパスに対する透過係数ｔ＝ｅｘｐ−（α１ ＋β）により与えられる。単一光子の量子機械特性は、所定の光子がターミナル の１つのみで検出されるか、あるいは、システムから失われるか（α＞０）を確 実にし、この処理が完全にランダムにそして予測不可能な方法で生じることを確 実にする。結果として、各ターミナルには、所定のクロック周期の間に光子が到 達するか否かを予測する方法がない。代わりに、すべてのターミナルが、クロッ クレートでステップ（ｂ）に記載されたような測定を行い、光子の検出が成功す るごとに、測定用に使用されるアルファベット、測定の実際の結果、光子が到着 したタイムスロットを記録する。 量子送信が終了した後、中央ノードは、ネットワーク上の各ターミナルを順次 ポーリングし、プロトコルのステップ（ｄ）から（ｆ）を実行する。この処理で は、個々の光子、およびそれらの送られ受信された状態が、光子が検出されまた 送信されたタイムスロットにより識別される。この処理の 終了において、中央ノードがｎ個の秘密キーを持つようになり、それぞれ１つが ネットワーク上の特定のターミナルと共有される。しかしながら、プライバシー 増幅（以下を参照）により任意に０近くに減少させることができる小さい確率を 除いて、各ターミナルは自分自身のもの以外の他のキーの知識を持たない。これ らのキーは、各ターミナルと中央ノードとの間のデータ送信を安全に暗号化する ために使用することができる。結果として、送信機から同報通信される任意の暗 号化データは、意図されているターミナルによってのみ読まれることが可能であ る。さらに、安全なインタープリタとして機能する中央ノードを介して、ターミ ナルは相互に安全に通信することができる。上述した公開ディスカッションステ ージ（ステップ（ｄ）から（ｆ））は、同じネットワークに対して、または、分 離し独立した通信チャネルに対して実行してもよい。 実際の量子チャネルは、検出器暗カウントにより避けることができない背景エ ラーレートを受け、ファイバの偏光（または位相）状態中の環境的に誘起される 変動等を受ける。この場合、公開ディスカッションフェーズは、エラー訂正およ び「プライバシー増幅」とよばれる付加的なステージを含んでもよい。これは、 送信機および受信機が同一キーとなり、盗聴者または他のターミナルへ漏れるキ ー情報が随意的に１ビットのほんのわずかの割合であることの両方を確実にする 。この処理は、以下に概略説明され、さらに詳細は、C.H.ベネット、F.ベセット 、G.ブラサード、L.サルベール、およびJ. スモリンの「実験的量子暗号」、J.暗号、5 、3 （1992年）に記載されている。 量子キー配送の目的は、アリスとボブ（すなわち、送信機および受信機）に対 して、同一秘密ビットストリングを共有させることである。異なるベースが選択 されているタイムスロットで生じるこれらのビットを廃棄した後、盗聴がなく、 理想的な世界で、アリスとボブが同じ秘密ビットストリングを共有することを期 待する。安全性のために、すべてのエラーが盗聴者から来ると仮定すべきである 。この仮定の下、イブの仮定された存在に関わらず、たいていの秘密キーが確立 することができるのかが問題となる。認証された公開チャネルに対して実行され るエラー訂正の処理は、以下に説明するように、使用できるビットのより多くの 割合をイブが知ることになる。「プライバシー増幅」と呼ばれる手続は、秘密キ ービットの数を減らすことを犠牲にして、最後のキーについてのイブの情報を、 無視できる量まで減少させるために使用することができる。この手続の後、アリ スとボブは、極めて高い秘密レベルにおそらく秘密である共有ビットシーケンス を有する。量子キー配送の異なるステージは、以下の如くである。 i ）アリスとボブが元の送信を実行し、異なるベースからのビットを廃棄する。 ii）ランダムに選択されたサンプルの公開比較とエラーレートの推定。 iii ）エラー訂正手続がエラー訂正されたキーを生成する。 iv）キーについてイブが有する情報はどれくらい多いかを推定。 v ）イブがそれについて無視できる情報を有している最後の秘密キーを抜き出す ために、プライバシー増幅を実行する。図９は、上記ステージと、制御装置（ア リス）とｉ番目のユーザ（ボブ）との間のデータの流れとを示しているフロー図 である。 上述された例は光ファイバネットワークを使用するが、本発明は、一般的に、 量子チャネルを提供するために、適当な量子状態を準備し保持することができる 媒体を提供する任意のシステムに適用可能である。例えば、電子状態や他の粒子 を使用してもよい。 図１の例では、３台の受信機のみが示されているが、実際では、非常に多くの 受信機を使用しているネットワークもよく使用される。選択される数は、使用現 場にしたがって変化する。単一サイト上のローカル的な据え付けに対して、ネッ トワークは、１０台だけの受信機またはターミナルを具備してもよい。これに対 して、公開ネットワークに対して、１０数のあるいは１００以上の受信機が、ネ ットワークに接続され、単一サーバから配送された量子キーを受信する。 ネットワーク上に許容される受信機の最大数の推定を得るために、上述した部 品を使用し、800 ナノメートルの波長帯で動作する量子チャネルを有するリング ネットワークの例を考える。ネットワークはｎ人のユーザを含み、ネットワーク 中の結合器の分割レートは、各ターミナルが、量子チャネル 中の光子の１／ｎの割合を受信するように選択される。ソース源パルスレートに 対する上限は、検出器の応答時間（SPCM-100-PQ に対して、〜3 ナノ秒）および 変調装置のバンド幅（ユナイテッド・テクノロジーのYBBMに対して、〜600 MHz ）により決定される。その場合、検出方式は、個々のパルスとたいてい連続なパ ルスとを区別できなければならない。結果として、送信機変調装置を通って伝播 した後の平均でパルス当たり0.1 個の光子に対応する低強度に減衰されるレーザ に対して、100 MHz のパルスレートが選択される。変調装置中の損失は、最悪場 合の推定で10dBにとられる。光子がネットワークに入る平均レートは、したがっ てｒ₀ 〜10MHz である。送信ファイバ中の損失が無視できる程度にネットワーク が十分短い場合（すなわち、＜１キロメートル）、各ターミナルは、平均レート ｒ₀ ／ｎで光子を受信する。SPCM APDの量子効率は約30％であり、変調装置中の 損失は10dBであるので、光子検出レートは0.03ｒ₀ ／ｎである。システム中の低 いエラーレートを達成するために、0.03ｒ₀ ／ｎ＞1000を選択する（すなわち、 〜100 Hz検出器に対する暗カウントよりも10倍高い）。これは、ネットワーク上 の受信機の数に対してｎ=300の最大値を与える。実際には、送信ファイバ中のさ らに多い損失、したがって増加されたネットワークスパンを受入れるために、ｎ は減らされる。 上記導入部で論じられたように、本発明は、例えば、PCT/GB 93/02637 で説明 されているような、受信機が光子を破壊的に検出するより、受信機が光子を変調 しそれを送信機に送 るネットワーク形態を含む、さまざまな異なるネットワーク形態とともに使用で きる。そのような実施に起こり得る攻撃は、イブ（盗聴者）に所定のユーザボブ の両サイドで量子チャネルを傍受することを要求する。そして多重光子信号を送 信し検出することによって、イブは、ボブの変調装置の状態を曖昧に決定するこ とができる。再度説明すると、実際では、イブがネットワーク中の２以上の点と 接続を確立することは非常に困難である。さもなければ、説明したタイプの攻撃 に対する保護が望まれる場合、これは、比較的弱いタップによってネットワーク に接続されている光子検出器を有する、少なくとも１つ以上のネットワーク上の 受信機を設けることによってなされてもよい。この光子検出器は、通常、受信機 で使用されている単一光子検出器の感度を持つことが要求されず、また、ユーザ ごとにそのような検出器を持つことも要求されない。ネットワーク中のそのよう な検出器の存在は、イブにより使用される多重光子プローブの検出を促進する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０４Ｌ 9/08 8842−5Ｊ Ｈ０４Ｌ 9/00 ６０１Ｂ 9/38 8842−5Ｊ ６９１ (31)優先権主張番号 ＰＣＴ／ＧＢ９３／０２０７５ (32)優先日 1993年10月６日 (33)優先権主張国 世界知的所有権機構（ＷＯ） (31)優先権主張番号 ＰＣＴ／ＧＢ９３／０２６３７ (32)優先日 1993年12月23日 (33)優先権主張国 世界知的所有権機構（ＷＯ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，Ｎ Ｚ，ＵＳ (72)発明者 スミス、デイビッド・ウイリアム イギリス国、アイピー13・０ピージー、サ フォーク、ウッドブリッジ、キャンプシ ー・アッシュ、ミル・レーン（番地な し）、ラベンダー・ビラ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．量子暗号を使用する通信の方法において、 送信機（Ｔ）が、共通通信ネットワークの量子チャネル上で、共通通信ネット ワーク上に配置された複数の受信機（Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ）と通信し、各受信機に 対してそれぞれ異なる秘密キーを確立することを特徴とする方法。 ２．ネットワークが光ネットワークである請求項１記載の方法。 ３．受信機を送信機に同期化させるために、送信機から複数の受信機へ多重光パ ルスを同報通信する最初のステップをさらに含む請求項１または２記載の方法。 ４．多重光パルスを同報通信するステップが、単一光パルスの後続する受信のた めに受信機が較正される較正フェーズの一部を形成する請求項２記載の方法。 ５．量子チャネルが、ネットワーク上に同時に伝送される１以上の古典チャネル と多重化される請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。 ６．量子チャネルが、１つ古典チャネルまたは各古典チャネルと異なる波長で伝 送される請求項５記載の方法。 ７．同時に送信される古典チャネルが、量子チャネル上の伝送の受信中に、受信 機を送信機に再同期化させるタイミング情報を含む請求項５または６記載の方法 。 ８．１以上の受信機の感度を修正し、それにより、実質的に、ネットワーク上の すべての受信機の感度を同じにするステップをさらに含む請求項１ないし７のい ずれか１項記載の方法。 ９．ｎをよりも大きい整数として、量子チャネル上に送信されるｎ番目ごとのパ ルスが、より高い強度で送信され、タイミング基準を供給するために、より高い 強度のパルスは、受信機で弁別される請求項１記載の方法。 10．送信機（Ｔ）と、複数の受信機（Ｒ1 −Ｒ3 ）と、送信機を受信機にリンク する多元接続ネットワークとを具備する通信システムにおいて、 送信機が、異なる量子状態で符号化された単一光子パルスを発生する手段（７ ，８，９）を含み、 使用において、送信機が、複数の受信機のそれぞれに対し、多元接続ネットワ ークを介して、異なる量子暗号キーを確立することを特徴とする通信システム。 11．各受信機（Ｒ1 −Ｒ3 ）が、各単一光子検出器を含む請求項10記載の通信シ ステム。 12．受信機の少なくともいくつかが、各単一光子変調装置を含み、送信機が、各 受信機により変調され返信された単一光子信号用の検出器を含む請求項10記載の 通信システム。