JPH09502322A - 量子暗合化システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 量子暗号法を使用する通信方法において、暗号アルファベットは量子チャンネルでの伝送のために信号をコード化するために使用される。暗号アルファベットは、それらの間の予め定められた遅延を有して量子チャンネル上を伝送される単一光子信号に連続的に適用される演算子の対を含んでいる。信号が検出されたとき、各対の異なる信号はそれらの符号化された状態に応じて分割され、差動遅延を与える通路を介して異なる検出器に導かれる。その遅延はもとの予め定められた遅延に対して実質的に相補的である。一致検出は疑似カウントを取除くために検出器において使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 量子暗号化システムおよび方法 ［発明の背景］ 本発明は、暗号化されたデータの通信用システムに関し、特に量子暗号法とし て知られている技術を使用するシステムに関する。 量子暗号法において、データは送信機で符号化され、全てのシステム利用者が 証明されたか否かにかかわらず自由に利用できると考えられるいくつかの特定さ れたアルゴリズムを使用して受信機で復号化される。システムの秘密性は、承認 された利用者だけが利用できるアルゴリズムに対するキーに依存している。した がって、キーは秘密量子チャンネルすなわち、以下においてさらに説明される単 一光子信号によって伝送され、確立されていない特性を示すチャンネルにわたっ て分配される。この明細書において、“単一光子”という用語は、要求される量 子特性を有するいずれの信号に及ぶものである。それは、一般に１つの出力信号 当たり光子を１つだけ有し、平均して１よりはるかに少ない光子を有する高度に 減衰されたソース生成されてもよいし、或はパラメトリックダウン変換によって 生成された単一光子を含んでいてもよい。これらの両技術は本出願人の別出願の 国際特許出願PCT/GB93/02637(W0 94/15422)に記載され、クレームされており、 その内容はここでは参照にされる。 単一光子信号の交換後、送信機および受信機は、送信されたおよび受信された データを比較するために公的チャンネルとして知られている別々のチャンネルに よって通信する。送信されたキーを盗聴している盗聴者が存在すると、受信され たデータの統計が結果的に変化するため、これを検出することができる。したが って、このようなデータの統計の変化が生じないとき、キーは保護されているこ とを知ることができる。このように設定された秘密キーは、それに続く送信機と 受信機間の通信の暗号化および暗号解読に使用される。後続する伝送は一般に、 必ずしもそうではないが、キーの設定に使用したものと同じ伝送チャンネルを使 用される。安全性を高めるために、新しく生成したキーと既存のキーを周期的に 取替えることができる。 一般に、量子暗号法を使用する通信方法は、 （ａ）異なる非交換量子機構演算子に対応した複数のコード化アルファベット の１つをランダムに選択して、選択された演算子を使用して量子チャンネル上の 伝送のために信号を符号化し、 （ｂ）異なる量子機構演算子の１つをランダムに選択して、ステップ（ａ）で 伝送された信号を検出するときにそれを使用し、 （ｃ）多数の各後続信号に対してステップ（ａ）および（ｂ）を反復し、 （ｄ）伝送された信号のいずれに対して共通の演算子が送信機および受信機に よって選択されたかを決定するために暗 号アルファベットと無関係に送信機と受信機との間で通信し、 （ｅ）ステップ（ａ）および（ｂ）で送信された信号および受信された信号を 比較して、盗聴者が存在するために生じた不一致を検出し、 （ｆ）ステップ（ｅ）において、盗聴者が検出されない場合に、送信機と受信 機との間における後続するデータ伝送の暗号化／暗号解読用のキーとしてステッ プ（ａ）および（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ステ ップを含んでいる。この方式は文献(C.H.Bennett,G.Brassard,S.Briedbartおよ び S.Veesner氏による“Advances in Cryptology”proceedings with Crypto 8 2(Pleenham,New York 1983)、およびC.H.Bennett,G.Brassard氏によるIBM Techn ical Disclosure Bulletin 28 3153(1985)）に詳細に記載されている。 ここで使用される“暗号アルファベット”という用語は、“暗号化”とはキー が設定された後の伝送のためのテキストの後続的な暗号化ではなく、キー分配位 相中の単一光子パルスのコード化を表わす。 ここで参照文献とされる本出願人の同日出願の別出願の国際特許出願“QUANTU M CRYPTOGRAPHY ON A MULTIPLE ACCESS NETWORK”(agent's reference 80/4541/ 03)に記載されているように、この基本的な量子暗号技術は多重アクセスネット ワークにおける使用に拡張されてもよい。それはまた、受信機からの信号が送信 機にループバックされる構造において使用されてもよく、選択された量子機構演 算子を使用して検 出するステップがその送信機で実行される。この構造は、ここで参照文献とされ る本出願人の同日出願の別出願の国際特許出願“QUANTUM CRYPTOGRAPHY”（agen t's reference 80/4579/03）に記載され、クレームされている。 ［発明の要約］ 本発明の第１の観点によると、量子暗号法を使用する通信方法は、量子チャン ネルでの伝送のための信号コード化に使用される暗号アルファベットがそれらの 間の予め定められた遅延を有して量子チャンネル上に伝送される単一光子信号に 対して連続的に適用される演算子の対を含んでおり、単一光子信号を検出するス テップにおいて、各対の異なる信号がそれらの符号化された状態に応じて分割さ れ、前記予め定められた遅延に実質的に相補的な差動遅延を与える通路を介して 異なる検出器に導かれ、一致検出が疑似カウントを除去するために検出器におい て使用されることを特徴とする。 本発明は、システム雑音に対する、特に単一光子信号用の検出器におけるダー クカウントの影響に対する感度が非常に低い量子暗号化方法を提供する。これは 、単一光子信号の対（または大きいグループ）を符号化し、それらの間の予め定 められた遅延を量子チャンネルに与える伝送媒体にそれらを出力することによっ て行われる。それに続いて、例えばそれらの符号化された位相状態に応じて、２ つの単一光子信号が異なる検出器に導かれる。異なる検出器への通路長は、対を 成している第１および第２の単一光子信号の間のもとの予め定められた遅延に対 して実質的に相補的な遅延を与える量だけ異なっている。換言すると、先行する 単一光子信号は長い通路を介して検出器に導かれ、一方遅れた単一光子信号は短 い通路を介して別の検出器に導かれるため、適切に符号化された信号は各検出器 に実質的に同時に到達し、それによって 時間差は検出器の一致ウインドウより小さい。 1300ｎｍ伝送ウインドウで動作するＡＰＤに関してダークカウントは特に問題 であるため、本発明はこのような装置またはダークカウントが重大な問題である 別の検出器に適用された場合に特に有効である。 単一光子信号に適用される演算子は、位相演算子または偏光演算子であっても よい。各単一光子信号は分割されて、２つの通路の一方だけが位相または偏光変 調器を含んでいる２つの通路を通過させられ、２つの通路からの信号が検出器に おいて再結合されることが好ましい。遅延は、時間ドメインで２つの通路を分離 するように信号路の一方で与えられてもよい。 本発明の好ましい構成では、単一光子信号を変調するためにマッハ・ツェンダ ー構造が使用される。これは、ビーム分割器を通過して、その後２つのブランチ を通り抜ける各単一光子信号を含み、その２つのブランチの一方だけが他方の変 調されていない通路に関して位相または偏光シフトを与える変調器を含んでいる 。時間遅延が単一の伝送チャンネルに沿って伝送されている間に、時間ドメイン で２つのブランチを分離しておくためにそれらを通路の一方に導入してもよい。 この個々の単一光子信号の分割、およびマッハ・ツェンダー干渉計の異なるブラ ンチ間の時間遅延の使用は従来技術で知られており、例えば上記された本出願人 による別出願の国際特許出願PCT/GB 93/02637(WO 94/15422)に記載されている。 この個々の単一光子信号の異なる成分間における時間遅延の 使用、およびブランチの一方における相対的な位相または偏光シフトの適用は、 異なる単一光子信号の間の時間遅延の使用、および本発明の主題である異なる信 号に対する異なる演算子の適用と区別すべきである。 本発明の第２の観点によると、単一光子信号の対を生成する手段と、単一光子 信号に演算子の対を連続的に適用して、それらの間に予め定められた遅延を有し て量子チャンネル上にそれらを出力する手段と、前記予め定められた遅延に相補 的な差動遅延を与える通路を介して量子チャンネルに接続された１対の検出器と 、それらの符号化された状態に応じて入って来た単一光子信号を分割して異なる 検出器にそれらを導く手段と、検出器における信号の一致した到着を検出する手 段とを具備している通信システムが提供される。 ［図面の簡単な説明］ 以下、例示によって添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。 図１は、従来技術の量子暗号化システムの概略図である。 図２は、本発明を実施したシステムの概略図である。 図３は、本発明を実施したシステムの詳細な回路図である。 図４ａおよび４ｂは、パラメトリックダウン変換を使用する単一光子ソースで ある。 図５ａおよび５ｂはそれぞれ第２の実施例の送信機段および検出器段である。 図６は、第２の実施例の概略図である。 図７は、一致検出システムである。 ［実施例の説明］ 図１は、従来技術の量子暗号化システムを概略的に示す。これは、例えば一般 に１出力パルス当たりただ１つの光子を生成する高度に減衰されたレーザであっ てもよい単一のソースを送信機で使用する。その後、このソースからの単一光子 信号は、50：50ビーム分割器を通過する。この実施例では位相変調器である変調 器は、信号路の１つのブランチに含まれる。これは、例えば他方のブランチに関 してπ位相シフトを与える。その後、２つのブランチからの信号はそれらの間に 遅延を有して伝送チャンネル上に出力される。検出器において、２つの成分が再 結合されるように、相補的な構造が別のビーム分割器により使用され、相補的な 遅延が２つのブランチの他方おいて使用される。変調器は再び検出器におけるブ ランチの一方に設けられ、検出に使用された基底を決定するために使用される。 システムの出力は、２つの検出器のいずれが出力パルスを受信したかに応じて１ または０として符号化される。 図２は、本発明を実施した回路を示す。再び検出器において、１対の検出器が 使用されるが、さらに一致ゲート（ＣＧ）が検出器の出力に接続される。送信機 において、短い伝送路によって第１のビーム分割器に結合された第１のソースと 、長い伝送路によってそのビーム分割器の反対側に結合された第２のソースであ る２つの単一光子ソースが使用される。前と同様に、この実施例において位相変 調器である変調器は、ブランチの一方においてビーム分割器を越えて結合される 。 相補的な構造が検出器において使用され、２つの検出器の間の通路差がソース間 の通路差と同じであるように配置されている。 新しいプロトコールがこのシステムで使用するために採用される。最初に、シ ステムを通過する個々の単一光子パルスの伝播を考慮する。送信機および受信機 のそれぞれの２つの半分のマッハ・ツェンダー干渉計において２つの位相変化が 与えられる。合計位相変化が０またはπである場合、パルスは確率１で２つの検 出器の一方または他方に現れる。換言すると、パルスに与えられた位相変化は、 検出器の一方または他方にそれを送ることができる。上記されているように、本 発明を実施したシステムでは２つの単一光子パルスが各ソースから１つづつ使用 される。ソースおよび検出器の異なる通路長の間の関係は、ソース１からの光子 が検出器２に到達し、その逆も可能であるように構成することによって一致が得 られることができるように定められる。以下の表１は、一致を保証するために使 用されることができる位相変化を示す。この表には、（０，π）基底だけが示さ れているが、各位相にπ／２を加算して（π／２，３π／２）基底を得ることが できる。この表において、“位相１”および“位相２”とは、送信機および受信 機にそれぞれ与えられた位相を示す。 表２は、２つのパルスがシステムを通過したときに、それらに与えられた位相 の対を示す。（０，π）基底内において、送信機は例えば１としてコード化する ために（０，π）を使用してもよく、すなわち０の位相変化が第１のパルスに与 え られ、πの位相変化が第２のパルスに与えられる。また“０”として符号化する ためにπの位相変化に続いて０の位相変化が使用されてもよい。その後、受信機 が同じ基底で測定するこれらの受信されたパルスに対して、受信機が第１の入っ て来たパルスにπの位相変化を与え、第２の入って来たパルスに０の位相変化を 与えた場合、一致出力が検出器から得られたならば、送信機はシーケンス（０， π）で符号化していなければならない、すなわち論理１で符号化されなければな らないことが認められる。一致出力が得られ、受信機が（０，π）の位相変化を 与えている場合、送信機は位相変化（π，０）、すなわち論理“０”で符号化し ていると考えられる。 各対の第１および第２の単一光子パルスの間の遅延は、受信機において使用さ れる一致検出器の一致ウインドウより大きいことが必要とされる。この実施例に おいて、その検出器は８ｎ秒の一致ウインドウを有しているので、これはパルス を分離するために低い境界を設定する。実際に、10乃至20ｎ秒の範囲におけるパ ルス間の分離が使用される。したがって、位相変調器は比較的短い時間スケール で状態をスイッチすることができる比較的高い帯域幅の装置であることが要求さ れる。以下に説明する実施例において、位相変調器はニオブ酸リチウム結晶であ る。その代わりとして、位相変調がファイバに切替えられた制御ビームによって 誘導されたＸＰＭにより行われるファイバ変調器が使用されてもよく、或は強誘 電液晶変調器が使用されてもよい。さらにその代わりとして、高速非線形半導体 装置が使用されてもよい。 量子伝送が行われた後、公的通信が通常のシステムのように実行される。一致 が得られた事象だけが考慮され、同じ基底がソースと検出器で使用された事象の サブセットが秘密キーを設定するために使用される。このデータサブセットの統 計的な検査によって検出された任意のエラーは、ネットワーク上の盗聴者の存在 を示している。このようなエラーがないとき、送信機および受信機は、それら自 身の間における後続的な符号化伝送用の共有される秘密キーとしてデータの残り を秘密状態で使用することができる。しかしながら、実際の量子チャンネルは、 検出器のダークカウントによる不可避の背景雑音エラー率、およびファイバ中の 偏光（または位相）状態の環境的に誘導された変動等の影響を受ける。この場合 、公的ディスカッション位相は、上記の本出願人による同日出願の別出願の国際 特許出願(ref:80/4541/03)にさらに示されているようにエラー補正およびいわゆ る“プライバシー増幅”の付加的な段階を含む。これは共に、送信機および受信 機が同一のキーに到達し、盗聴者に漏れたキー情報が１ビットの随意で小さい部 分であることを保証する。この過程は、文献（C.H.Bennett,F.Bessette,G.Brass ard,L.SalvailおよびJ.Smolin氏による“Experimental Quantum Cryptography” ，J.Cryptology,5,3(1992)）に概略的に示されている。 図３は、本発明を使用するファイバベースの光通信システムを詳細に示す。シ ステムは、送信機１、受信機２、および受信機に送信機を結合する光伝送ファイ バ３を含んでいる。送信機は、パルス半導体レーザによってそれぞれ供給される ２つの光源４，５を含んでいる。この実施例において、各レーザは、1290乃至13 30ｎｍで５ｍｗの光パワーで動作する日立シリーズＨＬ1361ＤＦＢレーザダイオ ードである。２つのレーザは同期して駆動される。出力パルスは、パルス間に予 め定められた遅延を与えるように異なる長さの通路を介して伝送システムに接続 される。システムが量子伝送に使用される場合、各パルスが平均１光子だけを有 するレベルに強度を低下させるように減衰器13がレーザからのパルス出力の通路 に切替えられる。その後、減衰されたパルスは２つのブランチを通過するように ファイバ結合器14で分割され、このブランチの一方がファイバ遅延装置15を含み 、他方が位相変調器６を含んでいる。上記されたように、位相変調器はランダム に選択された符号化基底を使用してソースからの１対の単一光子パルスに位相演 算子の対を適用するために使用される。結果的な信号は伝送ファイバ３に結合さ れ、そこから受信機に結合される。受信機において、パルスは、一方がファイバ 遅延装置を含み、他方が位相変調器を含む２つの通路間に再度分割される。その 後、２つのブランチからの信号は再び結合され、単一光子検出器７，８に出力さ れる。レーザソースのように、検出器はソースで導入される遅延に対して相補的 な遅延を与える異なる長さの通路によってこのシステムに接続される。 図４には、検出回路がさらに詳細に示されている。各検出器は、文献（P.D.To wnsend,J.G.RarityおよびP.R.Tapster氏によるElect.Lett.29,634(1993)）に記 載されているよう に、絶縁破壊電圧を越えてバイアスされ、ガイガー(Geiger)モードで動作するア バランシェフォトダイオードである。ＳＰＣＭ−100−ＰＱ(GE Canada Electro Optics)等のシリコンＡＰＤは400乃至1060ｎｍの波長の範囲で使用されることが 可能であり、一方ＭＤＬ5102ＰまたはＭＤＬ5500Ｐ（ＮＥＣ）等のゲルマニウム またはＩｎＧａＡｓ装置は1000乃至1550ｎｍの範囲で使用されることができる。 本発明の異なる特徴は、ほぼ1300ｎｍの波長における動作を実用可能にすること である。この波長において、上記に示されたタイプの検出器は、比較的高いダー クカウント率の影響を受ける。しかしながら、本発明はダークカウントからのデ ータの損失を大幅に低下させる。時間間隔τで光子をカウントするために使用さ れているダークカウント率ηを有する検出器を考慮する。この時間間隔における ダークカウント数はητであり、この数は１より小さい、２つのこのような検出 器が使用された場合、一致カウント数は、一般に単一の検出器におけるカウント 数より著しく小さい（ητ）²である。 ＡＰＤの代わりとして、例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）等の別の単一光子検出 器が使用されてもよい。 図５は、一致検出システムをさらに詳細に示す。２つのＡＰＤからの電気パル スは増幅され、その後弁別器に伝送される。弁別器は、増幅された信号が指定さ れたしきい値レベルを越えた時にのみ、定められた高さおよび幅の電気パルスを 発生することによって低レベルの増幅器雑音を排除する。レクロイ612Ａおよび6 22増幅器および弁別器モジュールはこ の目的に適切である。２つの検出器から処理されたパルスは、レクロイ622のよ うな一致ゲートの２つの入力チャンネルへの入力として使用される。アンドモー ドで動作している時、このモジュールは、パルスが互いの８ｎ秒内で２つの入力 に到達した場合にのみ出力パルスを発生する。一致ウインドウの時間的な幅は、 疑似的な一致検出を回避するためにファイバ中の２つのパルス対が８ｎ秒より大 きく分離されなければならないことを意味する。 減衰された半導体レーザを使用する代わりに、パラメトリックダウン変換を使 用する２つの単一光子ソースが設けられてもよい。このタイプの適切なソースは 、図４ａに示されており、ＫＤＰから形成された非線形結晶ＮＬＣを使用する。 ２つのソースを提供するために同期して駆動される２つのこのような回路を使用 することが有効である。その後、２ソース光検出器の出力が図４ｂに示されてい るようにアンド処理された場合、要求された同時出力が生成された時を決定する ことができる。その後、送信機はデータ、すなわち同時出力が発生した時間スロ ットのみに対して変調基底および符号化された論理値の記録を記憶するように構 成されることができる。これは冗長なデータの記憶を回避する。 その代わりとして、単一のダウン変換結晶が両ソースを提供するために使用さ れてもよい。その場合、光検出器およびゲートは回路から取除かれ、結晶からの ２つの出力ブランチが２つのソースを提供する。この構造について、同時出力が 発生した時を知ることはできないため、あらゆる時間スロッ トに対するデータを記憶する必要がある。 ここに説明された実施例は、本出願人の別出願の英国特許出願第9226995.0号 明細書に記載されている較正機能を実行するように構成されている。このため、 送信機は減衰器をバイパスする半導体レーザからの別の出力路を具備する。これ は、ネットワークを横断して伝送され、最初にネットワークの較正のために使用 され、量子暗号プロトコールの公的ディスカッション位相のために使用される明 るい多光子信号を生成する。ソースから多光子パルスを受信するために、相補的 な標準方式の検出器９が受信機に設けられる。 使用の時、送信機と受信機との間の通信は、伝送ファイバ３からの出力偏光を 測定するために多光子信号を使用することによって開始される。その後、受信機 ２における偏光補償装置10は、出力偏光を線形化し、受信機の好ましい偏光軸に それを整合するためにフィードバックループを介して調節される。位相符号化の 場合に対して、送信機および受信機は、それらの干渉計における相対的な位相シ フトを較正するために多光子信号を使用する。これは各位相変調器20に交流駆動 電圧を設定し、受信機の変調器に直流バイアスを変化させることによって、或は 付加的な位相シフト素子を介して干渉計出力ポートからの出力を最大化するため にフィードバック回路を使用することを含む。その後、これはシステムの較正を 終了させる。その後、送信機および受信機中の光スイッチは、低い強度のソース と単一光子検出器をそれぞれ伝送ファイバに接続することによって量子チャンネ ルを生じさせるように 設定される。 較正ステップは、必要に応じて断続的に反復される。 明るい多光子ソースはまた送信機および受信機時間スロットを同期させるため にシステムクロックを受信機に伝達するために使用されてもよい。この過程中、 公的チャンネル検出器からの出力は、パルス反復周波数で発振信号を供給するよ うに電子フィルタ11を通って伝送される。その後、これは受信機における局部発 信器12を光源の周波数にロックするために使用される。その後、この局部発信器 12はプロトコールの量子伝送段の期間中に受信機によって必要とされるタイミン グ情報を提供する。伝送システムが公的チャンネルを介して再較正されるたびに 、局部発信器はタイミングエラーの累積を回避するように再設定される。 量子キー分配チャンネルは、暗号化されたデータまたは標準的な（暗号化され ていない）信号のいずれを伝送する送信機および受信機との間を通っている別の 伝送チャンネルと無関係に動作するように構成される。これは、量子チャンネル が非連続的なバースト伝送モードで動作し、一方一般にデータチャンネルが中断 されない連続的な伝送を行うことを要求されるため重要である。量子チャンネル の要求される分離は、データチャンネルによって使用されるものとは異なる保留 された波長の使用により行われてもよい。この場合、量子チャンネルは、ＷＤＭ 結合器（例えばＳcifamファイバオプティクスＰ２ＳＷＭ１３／１５Ｂ）および フィルタ（例えばＪＤＳ ＴＢ1300Ａ）のような波長感応性受動光学素子によっ て 分離されことができる。量子チャンネルは、通常の信号トラフィック用に予約さ れたいくつかの別のチャンネルと共に1300ｎｍの通信ウインドウ内に存在するこ とができる。その代わりとして、850ｎｍのウインドウが量子チャンネルのため に保留される。これは、この波長に対する単一光子検出器（ＡＰＤ）が1300ｎｍ の光に対して比較的感応せず、したがってデータチャンネルからの分離が容易に 達成されるという利点を有する。この方法には、量子および通常のチャンネルを 結合し、分離するためにＪＤＳ ＷＤ813のようなＷＤＭ結合器が必要である。 その代わりとして、1500ｎｍの帯域が通常の信号トラフィックに対して使用され 、一方1300ｎｍの帯域が量子チャンネルのために確保されてもよい。ゲルマニウ ムＡＰＤの感度は1300ｎｍにおいて高く、約1400ｎｍより長い波長に対しては急 速に下降するため、これらの検出器の選択はこの特定の波長分割方式にとって好 ましい。波長分離技術はまた光増幅器（例えばエルビウムまたはプラセオジムの 希土類ドープされたファイバ増幅器）等の能動的な素子がデータチャンネル波長 で使用されることを可能にし、一方増幅器の自然発生的な放射スペクトルの外側 の波長では量子チャンネルを動作する。これがそのケースでない場合、増幅器か ら自然に発生された光子は量子チャンネル上の検出器を容易に飽和させる。 その代わりとして、同じ波長で量子およびデータチャンネルを動作し、偏光ま たは時分割多重化することによって分離を行うことがてきる。前者の場合、例え ば本出願人の別出願 の国際特許出願PCT/GB 93/02637号明細書に記載されたように量子チャンネルに 対して位相符号化を使用する。データチャンネルはファイバの直交偏光モードで 動作し、ＪＤＳ ＰＢ １００のような偏光分割結合器によって分離が達成され る。時分割方式において、ある時間スロットは、標準的なファイバ結合器を介し てネットワーク結合された標準的な受信機によって検出された多光子データパル スのために確保されている。これらの時間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（強度変調器）によって、または装置への逆バイアスを オフに切替えることによって防止されることができる。これらの分離技術はまた 量子キーデータと同時にシステムタイミング情報を送信するために使用されても よい。この方法は、例えば受信機の局部発信器上のタイミングジッタが大き過ぎ るために、量子伝送に必要な時間スケールにわたってシステム同期を維持できな い場合に有効である。さらに別の技術は、量子チャンネルと同じ波長を使用して 量子伝送と同時にタイミングデータを供給する。さらに、受信機は、例えば入っ て来たパルスの強度の〜10％を分割する弱いファイバタップによって伝送ファイ バに接続された感度の高いＰＩＮ−ＦＥＴのような標準的な検出器を含んでいる 。ｎ番目ごとのパルスの強度は、タイミングのために使用されることができるパ ルスを標準的な検出器が記録するために十分に大きい約10⁵個の光子にされる。 ｎが例えば1000のように十分に大きい場合、ＡＤＰは加熱効果または飽和の影響 を受けず、×1000周波数乗算器がクロック周波数で局部発信器 で発生するために受信機において使用されることができる。 図３の実施例は簡単なポイントとポイントの間の構造を使用しているが、本発 明は広範囲の異なるシステムトポロジーにより使用可能であることが理解される であろう。これらには、例えばスター、ツリーまたはリング構造を有する多重ア クセスネットワークが含まれ、上述された本出願人の別出願の欧州特許出願に記 載された受信機から送信機までのループバック路が含まれてもよい。これらの特 許出願に記載されているように、送信機は変調されていない信号を出力し、この 信号は受信機で変調され、送信機に戻される。 図６は、送信段ＴＳおよび検出段ＤＳの両方を含む“制御装置”の形態で多数 の受信機Ｒ１，Ｒ２…を送信機に接続する多重アクセスネットワークを使用する 別の実施例を示す。図５ａおよび５ｂは、送信機および検出器の各段を詳細に示 す。この実施例の送信機の出力段において、第１のパルス半導体レーザ51は、第 １の波長λ_qで動作し、ここで、例えばλ_q＝1300ｎｍは量子チャンネルに対する 光ソースを提供する。位相変調器54用のレーザおよび変調器駆動装置55は、マイ クロプロセッサ56によって制御されている。位相変調器54は、送信機の一方のブ ランチに配置されている。偏光制御装置ＰＣ（例えば、ＢＴ＆Ｄ／ＨＰ ＭＣＰ 1000）は、送信機の他方のブランチに配置されている。第２の半導体レーザ52は 、波長λ_sで明るい多光子ソースを提供し、ここで、例えばλ_s＝1560ｎｍである 。この信号は、上記されたようにタイミングおよび較正のために使用される。波 長λ_sの信号は、 例えばＪＤＳ ＷＤ1315シリーズの装置であってもよいＷＤＭ結合器57を介して 送信機の出力に結合される。 量子チャンネルおよびタイミング信号に対して別々のソースを使用する代わり に、上述した実施例のように、融着されたファイバ結合器ＦＣを介して一方が減 衰器を含み、他方が減衰されない２つの異なるブランチにその出力を供給する単 一の半導体レーザが使用されてもよい。その後、明るいまたは減衰された出力の いずれかを選択するために光スイッチが使用されてもよい。周波数要求に応じて 、ＪＤＳ Ｆitel ＳＷ12等の遅い電気・機械装置およびユナイテッド・テクノ ロジーズ・フォトニクスＹＢＢＭ等の速い電気・光装置のいずれが使用されるこ とができる。 この実施例の受信機において、各制御マイクロプロセッサ57は、変調器駆動装 置59を介して受信機の位相変調器58を制御する。受信機制御プロセッサはまた１ 対の単一光子検出器601，602用の検出器バイアス源60を制御する。信号路が分岐 した送信機および受信機の両者において、融着されたファイバ50/50結合器が使 用される。ＳＩＦＡＭからモデルP22S13AA50として適切な結合器が入手できる。 波長λ_sのタイミング信号はＰＩＮ−ＦＥＴ受信機64によって検出される。 データの符号化および復号化に適切な位相変調器54、58は、例えば１乃至１０ ＭＨｚで動作するニオブ酸リチウムまたは半導体位相変調器である。適切なニオ ブ酸リチウム装置は、ＩＯＣ ＰＭ1300として入手できる。位相変調器に適切な 駆動装置はテクトロニクス(Tektronix)社のＡＷＧ2020であ り、これはまたシステム用クロックの発生器として使用されることができる。単 一光子検出器に対して、図３を参照して上記に説明されたＡＰＤが使用されても よい。図５ａおよび５ｂに示された位相変調器およびファイバ装置を結合して、 単一の集積された構造にすることによって大幅な改良を実現することができる。 ここにおける設計に関する変形または文献（P.D.Townsend,J.G.RarityおよびP.R .Tapster氏によるElect.Lett.29,634(1993)）において説明されたものは、ニオ ブ酸リチウムチップに集積されることが可能であり、ファイバ路が導波体によっ て置換され、変調器領域が標準的な装置のように電極によって限定される。別の 製造方法は、例えば光屈折的に限定された平坦なシリカ導波構造または半導体導 波構造を含む。一般に、集積は送信機および受信機構造の安定性およびコンパク ト化を改善する。実際に、この実施例は、例えばヒューズ7060Ｈ冷却装置または 液体窒素デュワーまたは冷却器を使用して77度Ｋに冷却されたＮＥＣ5103Ｇｅ ＡＰＤを使用している。この実施例における送信機において、ただ１つのソース が量子チャンネルのために使用され、パルスの対の間の遅延がソースに接続され た１対のブランチの一方において遅延ループＤによって与えられる。 キー分配プロトコールには、上記されたように各対の受信された光子が所定の クロック期間と関連され、また一致検出の結果および変調器の状態に応じて０ま たは１として識別されることが必要である。これらの機能は、時間間隔解析装置 62（例えば、ヒューレット・パッカード53110A）によって実 行される。この装置の開始信号は、既に詳細に述べたように増幅器、弁別器およ び一致ゲートによって処理された後、ＡＰＤ出力によって供給される。 上記に示されたタイミング信号は、その後量子チャンネル上でキーデータのバ ーストを開始するために使用される単一のトリガーパルスの形態、またはキー送 信間に受信機クロックを再設定するために使用されるシステムクロック周波数の 連続したパルス流の形態のいずれを取ってもよい。キー送信が始まる前に、受信 機は干渉計における位相シフトをゼロにするために位相変調器のＤＣバイアスレ ベルを変化させる（すなわち、光子送信の可能性が一方の出力ポートで最大にさ れ、他方において最小にされる）。図５ａおよび５ｂはまた量子チャンネルパル スの２つの成分が送信機および受信機を通って伝送されるときに受ける相対的な 空間的、時間的および偏光的変化を示す。システム中の全てのファイバが偏光保 存性である場合、システムにおいて能動的および静的偏光制御装置は不要である 。しかしながら、標準的なファイバが伝送リンクに使用された場合、能動的な偏 光制御が受信機への入力において要求される。これは、本出願人の別出願の国際 特許出願PCT/GB93/02637(WO94/15422)に記載された標準的な検出器、フィードバ ック回路および自動偏光制御装置を使用して実行されることができる。 本発明は、１以上の受信機が受信された単一光子信号を変調し、単光子検出が 行われる送信機にそれを戻すネットワークで実施されてもよい。このようなネッ トワークは、国際特 許出願PCT/GB/93/02637に記載されている。このような構造に対して可能な侵害 方法には、イヴ（盗聴者）が所定の利用者ボブの両側で量子チャンネルを盗聴す ることが必要である。その後、多光子信号を送信し、検出することによって、イ ヴはボブの変調器の状態を明瞭に決定することができる。実際には、イヴがネッ トワークにおける２以上のポイントに対する接続を設定することは非常に困難で ある。しかしながら、説明されたタイプの侵害から保護することを所望する場合 、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た光子検出器をネッ トワーク上の１以上の受信機に設けることによって実行されてもよい。この光子 検出器の感度は、受信機において通常使用される単一光子検出器と同じでなくて もよいし、またあらゆる利用者がこのような検出器を有している必要もない。ネ ットワーク中にこのような検出器が存在することで、イヴによって使用される任 意の多光子プローブの検出が容易になる。 多重アクセスループを使用する実施例において、公的ディスカッション位相の 終りに、送信機はネットワーク上の各ｉ番目のターミナルＲ_iによりｒの秘密ビ ットの異なるシーケンスを設定している。これらの秘密ビットは、上記された文 献（C．H.Bennett,F.Bessette,G.Brassard,L.Salvail およびJ.Smolin氏によるJ .Crypt.,5,3（1992年）およびBessette/Brassard氏によるIBM Tech.Discl．）に おいて標準的なポイントとポイント適用に対して説明されているように、証明お よび共有される各キーＫ_iの生成の両方に使用されること ができる。要求された場合、制御装置／送信機はマスターネットワークキーの一 時パッド暗号におけるキーとして個々のＫ_iを使用することができる。後者はネ ットワークの全ての受信機／ターミナル、またはターミナルのサブセットに秘密 に分配されることができる。その結果、２つのタイプの暗号化された通信が可能 である。１対１通信において、制御装置およびＲ_iは、ネットワークのいずれか の方向に放送された多光子データ信号を暗号化するためにＫ_iを使用する。した がって、これらの信号はネットワークで放送され、それ故全ての受信機にアクセ ス可能であるが、Ｒ_iおよび制御装置だけがこれらの特定のデータ伝送を復号化 することができる。このシナリオにおいて、秘密ターミナル間通信は依然として 例えばＲ_iとＲ_jとの間で発生することができるが、しかしながら制御装置は、入 って来たおよび出て行く信号を復号化および符号化するためにＫ_iとＫ_jの知識を 使用する翻訳者として動作しなければならない。何人か対何人かの通信はまたマ スターキーを共有するターミナルのサブセットの中で行われることができ、この 場合伝送路が制御装置を介して形成される場合、制御装置は入って来た符号化さ れたデータの経路設定または再伝送を行うだけでよい。秘密を守るために新しい キーが周期的に伝送されてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── 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 9/18 8842−5Ｊ Ｈ０４Ｌ 9/00 ６９１ 9/38 8842−5Ｊ ６５１ (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 ９３３１０２２８．７ (32)優先日 1993年12月17日 (33)優先権主張国 欧州特許機構（ＥＰ） (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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．量子チャンネルでの伝送のための信号コード化に使用される暗号アルファベ ットは、それらの間の予め定められた遅延を有して量子チャンネル上に伝送され る単一光子信号に対して連続的に供給される演算子の対を含んでおり、単一光子 信号を検出するステップにおいて、各対の異なる信号はそれらの符号化された状 態に応じて分割され、前記予め定められた遅延に実質的に相補的な差動遅延を与 える通路を介して異なる検出器に導かれ、一致検出が疑似カウントを取除くため に検出器において使用されることを特徴とする量子暗号法を使用する通信方法。 ２．各単一光子信号をコード化するステップにおいて、単一光子信号が２つの通 路の間で分割され、２つの通路の一方だけが位相または偏光変調器を含み、２つ の通路からの信号が検出ステップの前に再結合される請求項１記載の方法。 ３．遅延は、時間ドメインで２つの通路を分離するために２つの通路の一方にお いて与えられる請求項２記載の方法。 ４．単一光子信号をデコード化するステップは検出基底をランダムに選択し、そ の検出基底内においてその対の第１の入って来た光子に第１の演算子を適用し、 またその対の第２の入って来た光子に第２の異なる演算子を適用し、或はその代 わりに第１光子に第２の演算子を適用し、また第２光子に第１の演算子を適用し 、一致出力が得られたときに、演算子の交互のシーケンスのいずれが選択された かに応じて信号が論理１または論理０として検出される請求項１乃至３のいずれ か１項記載の方法。 ５．単一光子信号は1300nmの領域の波長である請求項１乃至４のいずれか１項記 載の方法。 ６．単一光子信号の対を生成する手段と、単一光子信号に演算子の対を連続的に 適用して、それらの間に予め定められた遅延を有して量子チャンネル上にそれら を出力する手段と、前記予め定められた遅延に相補的な差動遅延を与える通路を 介して量子チャンネルに接続された１対の検出器と、それらの符号化された状態 に応じて入って来た単一光子信号を分割して異なる検出器にそれらを導く手段と 、検出器における信号の一致した到着を検出する手段とを具備している通信シス テム。 ７．単一光子信号の対を生成する手段は、予め定められた差動遅延を与える異な る通路によって量子チャンネルに接続された１対の光源を含んでいる請求項６記 載のシステム。 ８．一致出力が２つのソースによって生成された時を検出する手段を含んでいる 請求項７記載のシステム。 ９．光源は１対のパラメトリックダウン変換ソースを含み、各ソースはその出力 ブランチの１つに検出器を含み、各ソースにおける２つの検出器の出力は２つの ソースから一致出力を示す信号を生成するようにアンド処理される請求項８記載 のシステム。 １０．検出器は、アバランシェフォトダイオードである請求項６乃至９のいずれ か１項記載のシステム。 １１．一致到着を検出する手段は、異なる検出器に接続され た一致ゲートを具備している請求項６乃至１０のいずれか１項記載のシステム。 １２．量子チャンネルは、多重アクセスネットワークで伝送される請求項６乃至 １１のいずれか１項記載のシステム。