JPWO2007105833A1 - 量子暗号伝送システムおよび光回路 - Google Patents

量子暗号伝送システムおよび光回路 Download PDF

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Abstract

本発明の量子暗号伝送システムは、送信装置（１０Ａ）と、受信装置（２０Ａ）と、それらの間を接続する伝送路（３０）とを備える。送信装置は、量子ビットの情報担体となる光子を発生する発光部（１１）と、送信側光回路（１２Ａ）とを有する。受信装置は、量子ビットの情報担体である光子を検出する受光部（２１）と、受信側光回路（２２Ａ）とを有する。送信側光回路（１２Ａ）および受信側光回路（２２Ａ）は、一方の腕に光学遅延回路（１２３−１；２２３−１）を内包する非対称マッハツェンダー干渉系（１２３；２２３）と、この非対称マッハツェンダー干渉系（１２３；２２３）の２つの腕のそれぞれに結合する２つの送信側３ｄＢカップラー（１２６；２２６）および（１２７；２２７）により構成される光回路である。

Description

本発明は、量子暗号伝送システムに関し、特に、光ファイバー通信により暗号秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布を行う量子暗号伝送システムおよびそれに使用される光回路に関する。
近年、インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。
現在、ＤＥＳ（データ暗号化規格：Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）暗号のような共通鍵方式やＲＳＡ（Ｒ．Ｒｉｖｅｓｔ、Ａ．Ｓｈａｍｉｒ、Ｌ．Ａｄｅｌｍａｎ）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。
つまり、現行の暗号方式は、計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野においては、原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式に、ワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。
非特許文献１（ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサード（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著 ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，ｐ．１７５（１９８４）））で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。
量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、光子が他の量子系に比べると環境による擾乱に強いと同時に、既存の光ファイバー通信技術の活用により長距離の暗号鍵配布が期待できるためである。
理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように、量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態とそれに共役な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。
上記のような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、それは数学的にはスピン１／２系と等価である。以下、担体となる物理系が光子の場合について、従来技術を記述する。
本発明に関わる、光子を量子ビット担体とし長距離伝送のため光ファイバーを伝送路として用いる暗号鍵配布装置について、以下に従来技術を説明する。光子を用いた量子暗号装置については、非特許文献２（ツビンデン（Ｚｂｉｎｄｅｎ）ほか著「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」、「ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＴＯ ＱＵＡＮＴＵＭ ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＩＮＯＲＭＡＩＯＮ（ロー（Ｌｏ）ら編著）」（Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、１９９８年出版）、１２０ページ）、非特許文献３（エカート（Ｅｋｅｒｔ）ほか著「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」、「Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ボウメスター（Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ）ら編著）」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２０００年出版）、１５ページ）、非特許文献４（ジサン（Ｇｉｓｉｎ）ほか著「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ）に詳細な説明がある。
非特許文献１では、光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が提案された。しかしながら、偏波コーディングには伝送路中の偏波回転の実時間制御および補償が必要となるため、光ファイバーを伝送路として用いる長距離暗号鍵配布システムの実装方法としてはあまり使われない。
長距離暗号鍵配布システムとしては、２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装がやはりベネットらにより提案され、実現されている。
このようなコーディング方式とは別に、量子ビット担体となる光子の生成方式にもいくつかの提案がある。その中で有望視されている方式としては、コヒーレント微弱光パルスを用いたものと、量子相関光子対を用いたものとがある。以下では各々の方式を用いた量子暗号装置について、従来技術を詳しく説明する。
コヒーレント微弱光パルスを用いた量子暗号装置
図７は非特許文献２〜４に記載がある、コヒーレント微弱光パルスを用いた位相コーディングによる量子暗号装置を示している。この量子暗号装置では、２つの非対称マッハツェンダー干渉系を光ファイバー伝送路で直列に連結した構造の光学干渉系が用いられる。
送信部１０Ｂに装備された微弱レーザ光源７１で発生した微弱な短光パルスを、送信部１０Ｂの非対称マッハツェンダー干渉系７２に入射することにより、光ファイバー伝送路３０上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルス７ＬＰｔを生成（準備）する。
ここで、コヒーレントという言葉は、長短尺光路差の明確に定義された非対称マッハツェンダー干渉系７２により２連微弱光パルスＬＰｔの２つのパルスの間に相対位相が明確に定義できることを意味する。
２連微弱光パルスＬＰｔは光ファイバー伝送路３０上を伝送中に擾乱を受けるが、それらの相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。受信部２０Ｂの非対称マッハツェンダー干渉系７４により、２連微弱光パルスＬＰｔは３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃに変換され、下流側の２つのポート７４ｏｕｔ１、７４ｏｕｔ２に出力される。
受信部２０Ｂの光子検出器７５により、非対称マッハツェンダー干渉系７４の２つの下流ポート７４ｏｕｔ１、７４ｏｕｔ２に出力される３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃの中央の光パルス中に含まれる光子の有無が識別され、記録装置（図示せず）で記録される。
３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃのうち、中央の光パルスには、送信部１０Ｂで非対称マッハツェンダー干渉系７２の長尺を通り受信部２０Ｂで非対称マッハツェンダー干渉系７４の短尺を通ってきた光パルスと、送信部１０Ｂで非対称マッハツェンダー干渉系７２の短尺を通り受信部２０Ｂで非対称マッハツェンダー干渉系７４の長尺を通ってきた光パルスが寄与する。それ故、これら２つの寄与の干渉により２つの出力ポート７４ｏｕｔ１、７４ｏｕｔ２への中央の光パルスの強度比は２連微弱光パルスＬＰｔの光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。
上記の光学干渉システムにおいて２連微弱光パルスＬＰｔに光学遅延（相対的な位相）に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配布を行うことができる。この目的のため、光パルスが送信部１０Ｂの非対称マッハツェンダー干渉系７２を通過中に内包された位相変調器７６で｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を行い、光ファイバー伝送路３０の伝送後の２連パルスが受信部２０Ｂの非対称マッハツェンダー干渉系７４を通過中に内包された位相変調器７７で｛０、π／２｝の２値の位相変調を行う。
非対称マッハツェンダー干渉系７２および７４における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
位相コーディングに基づく量子暗号装置は、光ファイバー伝送路３０との相性も良く、長距離鍵配布が可能であるというメリットがある。しかしながら、送信部１０Ｂおよび受信部２０Ｂがそれぞれ持つ非対称マッハツェンダー干渉系７２、７４の相対光学遅延を、光波長なみの精度で維持しなければならないという問題がある。
これら送信部１０Ｂおよび受信部２０Ｂに分散して配置された干渉系７２、７４の光学遅延は、温度変化その他の原因により独立にゆらいだりドリフトしたりするため、光干渉効果は容易に消失する。この問題を解決するためには、両干渉系７２、７４の相対光学遅延変化を測定し、測定結果をフィードバックして相対光学遅延を一定に維持するアクティブな制御装置が必要となる。このような測定装置はそれ自体がシステムを複雑化するだけではなく、測定に用いる参照光がシステムノイズを増加させ、量子暗号装置の性能劣化の原因となる。
近年、上記のような問題を解決するため、平面光回路（ＰＬＣ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術を応用した量子暗号装置が考案され開発されている。平面光回路技術を応用した量子暗号装置は、例えば、非特許文献５（南部ほか著「ＢＢ８４ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１１０９ページ）、非特許文献６（木村ほか著「Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｖｅｒ １５０ ｋｍ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｏｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、４３号（２００４年出版）、Ｌ１２１７ページ）、非特許文献７（南部ほか著「Ｏｎｅ−ｗａｙ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ」ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）４５号、６Ａ巻（２００６年出版）、５３４４−５３４８ページ）および特許文献１（特開２００３−２４９９２８号公報）に開示されている。
平面光回路技術では、非対称マッハツェンダー干渉系をシリコン基板上にパターニングで形成した光導波路で作製する。これにより、外乱により影響を受けることのない安定な光学干渉系を、温度制御というパッシブな制御のみによって実現することができ、低雑音のシステムを構築できるというメリットがある。
ＰＬＣを用いた実装の場合、先に示したような位相変調器を内包した低損失な非対称マッハツェンダー干渉系を製作することは現在の技術では容易ではない。コスト増は問題としないとしても、受信側デバイスの光学損失の増加は、微弱光を情報担体として用いる量子暗号装置の性能劣化に直結するため、容認できない問題である。この問題を解決するため、変調器を非対称マッハツェンダー干渉系の外部に配置した、図８や図９に示したような量子暗号装置が考案され、開発されている。
非特許文献７で公知となっている図８に示す量子暗号装置では、送信部１０Ｃに装備された微弱レーザ光源８１で発生した微弱な短光パルスを送信部１０ＣのＰＬＣにより構成された非対称マッハツェンダー干渉系８２に入射することより、光ファイバー伝送路３０上にその長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルスＬＰ２Ｃを生成（準備）する。
２連微弱光パルスＬＰ２Ｃは光ファイバー伝送路３０上を伝送する。受信部２０Ｃの非対称マッハツェンダー干渉系８４により、２連微弱光パルスＬＰ２Ｃは３連光パルスＬＰ３Ｃに変換され、下流側の２つのポート８４ｏｕｔ１、８４ｏｕｔ２に出力される。受信部２０Ｃの光子検出器８５により、非対称マッハツェンダー干渉系８４の２つの下流ポート８４ｏｕｔ１、８４ｏｕｔ２に出力される３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃの中央の光パルス中に含まれる光子の有無が識別され、記録装置（図示せず）で記録される。
送信部１０Ｃの非対称マッハツェンダー干渉系８２の下流に直列に挿入した位相変調器８６、８７に、それぞれの変調器の２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの通過時に同期してパルス的な変調信号を印加することにより、２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの一方のパルスに選択的に｛０、π／２、π、３π／２｝の４値の位相変調を与え、もって２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの光学遅延（相対位相）に４値変調を与える。
受信部２０Ｃの非対称マッハツェンダー干渉系８４の上流に直列に挿入した位相変調器８８に、２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの通過時に同期してパルス的な変調信号を印加することにより、２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの一方のパルスに選択的に｛０、π／２｝の２値の位相変調を与える。もって２連微弱光パルスＬＰ２Ｃの光学遅延（相対位相）に２値変調を与える。
非対称マッハツェンダー干渉系８２および８４における光学遅延を調整することにより、図７の量子暗号装置と同様に非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
一方、非特許文献５および特許文献１で公知となっている図９に示す量子暗号装置では、送信装置１０Ｄに装備された微弱レーザ光源９１で発生した微弱な短光パルスを、送信側のＰＬＣにより構成され、対称マッハツェンダー干渉系９２とそれにカスケードに接続された非対称マッハツェンダー干渉系９３とに入射することより、光ファイバー伝送路３０上に非対称マッハツェンダー干渉系９３の長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらの構成要素である先進・遅延いずれかの微弱光パルスＬＰｔを生成（準備）する。
これらの微弱光パルスＬＰｔは光ファイバー伝送路３０上を伝送され、受信装置２０Ｄの非対称マッハツェンダー干渉系９５を通過後、その下流側の２つのポート９５ｏｕｔ１、９５ｏｕｔ２への光子到着時間が、送信装置１０Ｄに同期して動作する光子検出器９６により観測され、識別・記録装置（図示せず）によって長短尺光路差相当の時間分、分離された３つのタイムスロットのいずれであったかが識別・記録される。
送信装置１０Ｄの対称マッハツェンダー干渉系９２の一方の光路には位相変調器９７が挿入されており、微弱レーザ光源９１から入射された微弱光パルスは｛０、π／２、π、３π／２｝の４値から選択された位相変調を受ける。
付与される位相変調が｛０、π｝の場合には光パルスは非対称マッハツェンダー干渉系９３の長尺又は短尺のみを伝搬し、位相変調値に依存して前後いずれかの光パルスＬＰｔが光ファイバー伝送路３０上に生成（準備）される。
付与される位相変調が｛π／２、３π／２｝の場合には微弱光パルスは非対称マッハツェンダー干渉系９３の長短尺の両方を伝搬し、位相変調値に依存して相対位相がπ変化するコヒーレント２連光パルスＬＰｔが光ファイバー伝送路３０上に生成（準備）される。
位相変調器９７における位相変調値が｛０、π｝の場合には、中央のタイムスロットに出現する光子の出力ポートと位相変調値が相関し、位相変調器９７における位相変調値が｛π／２、３π／２｝の場合には、第１と第３のタイムスロットに出現する光子の出力ポートと位相変調値が相関するように、非対称マッハツェンダー干渉系９３および９５における光学遅延を適切に調整することにより、非特許文献１に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
量子相関光子対を用いた量子暗号装置
次に、量子ビット担体としてコヒーレント微弱光パルスの代わりに量子相関光子対を用いた量子暗号装置について説明する。この方式では装置構成がより複雑になるものの、高い安全性が保証されているため実用化に向けて精力的に研究が行われている。量子相関光子対を用いた方式としては、光源にパルスレーザを用いたものと連続発振レーザを用いたものとがあり、以下では各々について詳しく説明する。
パルスレーザによる量子相関光子対を用いた量子暗号装置
図１０は非特許文献８（ベネット（Ｂｅｎｎｅｔ）ほか著「Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｂｅｌｌ’ｓ ｔｈｅｏｒｅｍ」フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．）、６８号（１９９２年出版）、５５７−５５９ページ）に記載のある量子相関光子対を用いた量子暗号装置を示す。
図１０に示す量子暗号装置では、中央に配置された光子対発生源４０によって生成された量子相関光子対を光ファイバー伝送路３０によって２つの受信装置２０Ｅに分配し、受信装置２０Ｅが持つＰＬＣ非対称マッハツェンダー干渉系１０９でそれぞれを分析する構成となっている。
光子対発生源４０に装備されたパルスレーザ光源４１からの短光パルスＬＰＳを非対称マッハツェンダー干渉系４２に入射することにより、その長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルスＬＰ２Ｃを生成（準備）する。
この２連光パルスＬＰ２Ｃは非線形光学結晶４３に入射され、パラメトリック下方変換過程によってそれぞれが２つの光パルスＰＰ２Ｃに分裂する。この分裂後の光子対ＰＰ２Ｃはエネルギー保存則により約２倍の波長となり、お互いの波長および分裂のタイミングには量子力学的な相関がある。こうして生成された２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃはビームスプリッター４４で分岐され、光ファイバー伝送路３０によって２つの受信装置２０Ｅに分配される。
両受信装置２０Ｅが持つ非対称マッハツェンダー干渉系１０９により、２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃは３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃに変換され、下流側の２つのポート１０９ｏｕｔ１、１０９ｏｕｔ２に出力される。光子検出器１１１により、非対称マッハツェンダー干渉系１０９の２つの下流ポート１０９ｏｕｔ１、１０９ｏｕｔ２に出力される３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃの中央の光パルス中に含まれる光子の有無が識別され、記録装置（図示せず）で記録される。
３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃのうち、中央の光パルスには、光子対発生源４０で非対称マッハツェンダー干渉系４２の長尺を通り、受信装置２０Ｅで非対称マッハツェンダー干渉系１０９の短尺を通ってきた光パルスと、光子対発生源４０で非対称マッハツェンダー干渉系４２の短尺を通り、受信装置２０Ｅで非対称マッハツェンダー干渉系１０９の長尺を通ってきた光パルスが寄与する。その結果、これら２つの寄与の干渉により両受信装置２０Ｅによる２つの出力ポートの同時光子検出確率は、２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃの光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。
この光学干渉システムにおいて２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃの光学遅延（相対的な位相）に変調を与えることにより、量子暗号の原理に基づく暗号鍵配布を行うことができる。この目的のため、両受信装置２０Ｅの非対称マッハツェンダー干渉系１０９の上流に直列に挿入した位相変調器１１２に、２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃの通過時に同期してパルス的な変調信号を印加することにより、２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃの一方のパルスに選択的に｛０、π／２｝の２値の位相変調を与え、もって２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃの光学遅延（相対位相）に２値変調を与える。
両受信装置２０Ｅの非対称マッハツェンダー干渉系１０９における光学遅延を適正に調整することにより、非特許文献８に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
連続発振レーザによる量子相関光子対を用いた量子暗号装置
図１１は非特許文献８に記載のある量子相関光子対を用いた量子暗号装置を示す図である。
図示の量子暗号装置の大まかな構成は、前記の図１０に示すものと同じであるが、光源としてパルスではなく連続発振レーザを用いる点、及び、非線形光学結晶直前の非対称マッハツェンダー干渉系が不要である点が、図１０に図示した量子暗号装置と異なる。光子対発生源５０に装備された連続発振レーザ光源５１からの連続的なレーザ光ＬＬＣは、そのコヒーレンス時間内であればどの点においてもお互いにコヒーレントであり、明確な位相関係がある。
したがって、この連続的なレーザ光ＬＬＣは、図１０に示した前記パルスレーザによる量子暗号装置におけるコヒーレント２連光パルスＬＰ２Ｃに相当し、この場合は２連ではなく無限連とも言える状態となっている。このレーザ光ＬＬＣは非線形光学結晶５３に入射され、パラメトリック下方変換過程によって２つの光子ＰＰＱに分裂する。
前述したように、この分裂後の光子対ＰＰＱは量子力学的な相関を持つ。こうして生成された量子相関光子対ＰＰＱはビームスプリッター５４で分岐され、光ファイバー伝送路３０によって両受信装置２０Ｅに分配される。
量子相関光子対ＰＰＱは光ファイバー伝送路３０上を伝送中に擾乱を受けるが、コヒーレンス時間内の相対的位相関係や偏波面の関係は保存される。量子相関光子対ＰＰＱは２つの受信装置２０Ｅそれぞれが持つ非対称マッハツェンダー干渉系１０９により、一度分岐された後、その長短尺光路差に相当する遅延を受けて再び合波され、下流側の２つのポート１０９ｏｕｔ１、１０９ｏｕｔ２に出力される。
光子検出器１１１により、非対称マッハツェンダー干渉系１０９の２つの下流ポート１０９ｏｕｔ１、１０９ｏｕｔ２に出力される光子の有無が識別され、記録装置（図示せず）で記録される。
図１０に示した前記パルスレーザによる量子暗号装置では、３連パルス的光子出力ＬＰ３Ｃのうち中央の光パルスのみを検出していたが、図１１に示す連続発振レーザによる量子暗号装置の場合には、レーザ光のどの点においても重ね合わせによる干渉が実現されているため、任意のタイミングで検出を行うことができる。
この干渉により両受信装置２０Ｅによる２つの出力ポートの同時光子検出確率は、非対称マッハツェンダー干渉系１０９における量子相関光子対ＰＰＱの光学遅延（相対的な位相）に正弦波関数的に依存する。この量子力学的干渉を利用して、図１０に示した前記パルスレーザによる相関光子対ＰＰ２Ｃを用いた量子暗号装置の場合と同様に、両受信装置２０Ｅの非対称マッハツェンダー干渉系１０９の上流に直列に挿入した位相変調器１１２を用いることで、非特許文献８に提案された非直交４状態を用いる量子暗号鍵配布プロトコルを実行し、安全な鍵配布を行うことが可能である。
上記のＰＬＣを用いた量子暗号装置が機能することは確認されているが、量子暗号鍵配布プロトコルの実行のために位相変調器による能動的変調が必要であり、位相変調器の安定制御のためのバイアス制御の必要もあり、装置が煩雑になっていた。
また盗聴者が外部からプローブ光を導入することによって変調器の位相変調値を盗聴する、いわゆるトロイの木馬型攻撃が原理的には可能であり、この種の攻撃に対する安全性の保証を得られないという問題があった。
上述の非特許文献１〜４、非特許文献５〜７、非特許文献８および特許文献１に開示された量子暗号装置には前述したように問題がある。
要約すると、非特許文献１〜４に示された従来の位相コーディングによる量子暗号装置には、２つの非対称マッハツェンダー干渉系の光路長の相対差を長時間にわたって維持する必要があり、そのためにアクティブな制御装置が必要となり装置が複雑化する。
この問題は、非特許文献５〜７および特許文献１に示されたように、２つの非対称マッハツェンダー干渉系をＰＬＣで構成することにより回避できるが、能動的信号変調装置とその制御系が必要になり装置が複雑化する。
すなわち、非特許文献８に開示された量子暗号装置を含めて、いずれの実装方法を選んでも、装置の複雑化を避けることが困難であった。また、いずれの方法も能動的信号変調を行うため、盗聴者によるトロイの木馬型攻撃の危険性があった。
本発明は上述した従来技術の抱える問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は正規利用者の持つべき装置が従来技術より簡単な装置構成で済み、かつ盗聴者によるトロイの木馬型攻撃の危険がない量子暗号伝送システムおよびそれに使用される光回路を提供することにある。本発明による光回路は、一方の腕に光学遅延回路を内包する非対称マッハツェンダー干渉系、および前記光学遅延回路の伝搬長に相当する伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段を内包することを特徴とする。
本発明の第１の態様によれば、前記光回路は、一方の腕に光学遅延回路を内包する非対称マッハツェンダー干渉系、および前記光学遅延回路の伝搬長と等しい伝搬長を有する光学遅延回路を内包する光路とこれを内包しない光路を３ｄＢカップラーで結合した非対称光学遅延回路、およびこれらを共通の伝送路に結合する３ｄＢカップラーにより構成される。本発明の第２の態様によれば、前記光回路は、一方の腕に光学遅延回路を内包する非対称マッハツェンダー干渉系、および前記非対称マッハツェンダー干渉系の２つの腕のそれぞれに結合する２つの３ｄＢカップラーにより構成される。
本発明によると正規利用者が持つべき装置の構造を簡単化でき、その取扱いが容易になる。従って、非特許文献１〜８および特許文献１に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置および装置運用のための経済的および技術的負担を大幅に軽減することができる。同時にトロイの木馬型攻撃に対する安全性を有する量子暗号装置を提供できる。
図１は本発明の第１の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図２は本発明の第２の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図３は本発明の第３の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図４は本発明の第４の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図５は本発明の第５の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図６は本発明の第６の実施例による量子暗号伝送システムを示す構成図である。
図７はコヒーレント微弱光パルスを用いた第１の従来の量子暗号装置を示す構成図である。
図８はコヒーレント微弱光パルスを用いた第２の従来の量子暗号装置を示す構成図である。
図９はコヒーレント微弱光パルスを用いた第３の従来の量子暗号装置を示す構成図である。
図１０は量子相関光子対を用いた第４の従来の量子暗号装置を示す構成図である。
図１１は量子相関光子対を用いた第５の従来の量子暗号装置を示す構成図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の第１及び第２の実施例では、コヒーレント微弱光パルスを用いて本発明を実施した場合について説明する。また、本発明の第３乃至第６の実施例においては、量子相関光子対を用いて本発明を実施した場合について説明する。
図１は本発明の第１の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、量子暗号送信装置１０と、量子暗号受信装置２０と、それらの間を接続する光ファイバー伝送路３０とから構成されている。
量子暗号送信装置１０は、第１乃至第４の微弱レーザ光源ＬＤ００、ＬＤ０１、ＬＤ１０、ＬＤ１１から成る発光部１１と、送信側光回路１２とにより構成されている。第１乃至第４の光源ＬＤ００〜ＬＤ１１は、それぞれ、量子ビットの情報担体となる第１乃至第４の光子を発生する。図示の例では、発光部１１は第１乃至第４の光源ＬＤ００〜ＬＤ１１から構成されているが、これに限定されないのは勿論である。とにかく、発光部１１は、量子ビットの情報担体となる第１乃至第４の光子を選択的に発生する構成であればよい。
送信側光回路１２は、第１乃至第４の光子をそれぞれ入力する第１乃至第４の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２、１２ｉｎ３、および１２ｉｎ４と伝送路３０に接続された１つの送信側出力ポート１２ｏｕｔとを持つ。送信側光回路１２は、送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１と送信側非対称光学遅延回路１２２と送信側３ｄＢカップラー１２５とにより構成される。送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１は、一方の腕に第１の送信側光学遅延回路１２１−１を内包する。送信側非対称光学遅延回路１２２は、第１の送信側光学遅延回路１２１−１の伝搬長と等しい伝搬長を有する第２の送信側光学遅延回路１２２−１を内包する光路とこれを内包しない光路を３ｄＢカップラー１２２−２で結合した回路である。送信側３ｄＢカップラー１２５は、送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１と送信側非対称光学遅延回路１２２とを共通の伝送路３０に結合するものである。ここで送信側非対称光学遅延回路１２２は、第１の送信側光学遅延回路１２１−１の伝搬長に相当する伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段として機能する。
詳述すると、送信側光回路１２は、第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２に接続されると共に、第１の出力ポート１２ｏｕｔ１を持つ送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１と、第３及び第４の送信側入力ポート１２ｉｎ３、１２ｉｎ４に接続されると共に、第２の出力ポート１２ｏｕｔ２を持つ送信側非対称光学遅延回路１２２と、第１の出力ポート１２ｏｕｔ１と第２の出力ポート１２ｏｕｔ２とを送信側出力ポート１２ｏｕｔに結合するための送信側３ｄＢカップラー１２５とから構成されている。すなわち、送信側光回路１２は、送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１と送信側非対称光学遅延回路１２２とが並列に結合された構成を有する。送信側非対称光学遅延回路１２２は、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路から構成される。送信側非対称光学遅延回路１２２の長尺光路に第２の送信側光学遅延回路１２２−１が形成されている。送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１の一方の腕（長尺光路）に第１の送信側光学遅延回路１２１−１が形成されている。
量子暗号受信装置２０は、第１乃至第４の光子検出器Ｄ００、Ｄ０１、Ｄ１０、Ｄ１１から成る受光部２１と、伝送路３０と受光部２１との間に設けられた受信側光回路２２とにより構成されている。図示の例では、受光部２１は第１乃至第４の光子検出器Ｄ００〜Ｄ１１から構成されているが、これに限定されないのは勿論である。受光部２１は、量子ビットの情報担体である光子到着の有無を検出するものである。
図示の受信側光回路２２は、上記送信側光回路１２と対称系となるように設けられている。すなわち、受信側光回路２２は、伝送路３０に接続された１つの受信側入力ポート２２ｉｎと、第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１、２２ｏｕｔ２、２２ｏｕｔ３、および２２ｏｕｔ４とを持つ。第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４に受光部２１が接続されている。受信側光回路２２は、受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１と受信側非対称光学遅延回路２２２と受信側３ｄＢカップラー２２５とより構成されている。受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１は、一方の腕に第１の受信側光学遅延回路２２１−１を内包する。受信側非対称光学遅延回路２２２は、第１の受信側光学遅延回路２２１−１の伝搬長と等しい伝搬長を有する第２の受信側光学遅延回路２２２−１を内包する光路とこれを内包しない光路を３ｄＢカップラー２２２−２で結合した回路である。受信側３ｄＢカップラー２２５は、受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１と受信側非対称光学遅延回路２２２とを共通の伝送路３０に結合するものである。ここで受信側非対称光学遅延回路２２２は、第１の受信側光学遅延回路２２１−１の伝搬長に相当する伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段として機能する。
詳述すると、受信側光回路２２は、第１及び第２の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１、２２ｏｕｔ２に接続されると共に、第１の入力ポート２２ｉｎ１を持つ受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１と、第３及び第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ３、２２ｏｕｔ４に接続されると共に、第２の入力ポート２２ｉｎ２を持つ受信側非対称光学遅延回路２２２と、第１の入力ポート２２ｉｎ１と第２の入力ポート２２ｉｎ２とを受信側入力ポート２２ｉｎに結合するための受信側３ｄＢカップラー２２５とから構成されている。すなわち、受信側光回路２２は、受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１と受信側非対称光学遅延回路２２２とが並列に結合された構成を有する。受信側非対称光学遅延回路２２２は、１組の長尺および短尺光路を有する光導波路から構成されている。受信側非対称光学遅延回路２２２の長尺光路に第２の受信側光学遅延回路２２２−１が形成されている。受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１の一方の腕（長尺光路）に第１の受信側光学遅延回路２２１−１が形成されている。
量子暗号送信装置１０と量子暗号受信装置２０との間を接続する光ファイバー伝送路３０は、量子情報のキャリアとなる微弱光を伝送する。
図２は本発明の第２の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、量子暗号送信装置１０Ａと、量子暗号受信装置２０Ａと、それらの間を接続する光ファイバー伝送路３０とから構成されている。
量子暗号送信装置１０Ａは、送信側光回路の構成が図１に示されたものと相違している点を除いて、図１に示した量子暗号送信装置１０と同様の構成を有する。従って、送信側光回路に１２Ａの参照符号を付してある。
送信側光回路１２Ａは送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３と、この送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３の２つの腕のそれぞれに結合する２つの送信側３ｄＢカップラー１２６および１２７とにより構成されている。送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３は、一方の腕に送信側光学遅延回路１２３−１を内包する。２つの送信側３ｄＢカップラー１２６および１２７は、送信側光学遅延回路１２３−１の伝搬長に相当する伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段として機能する。
詳述すると、送信側光回路１２Ａは、第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２と送信側出力ポート１２ｏｕｔとの間に接続された送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３と、第３の送信側入力ポート１２ｉｎ３と送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３の一方の腕（長尺光路）とに接続された第１の送信側３ｄＢカップラー（第１の光導波路）１２６と、第４の送信側入力ポート１２ｉｎ４と送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３の他方の腕（短尺光路）とに接続された第２の送信側３ｄＢカップラー（第２の光導波路）１２７とから構成されている。送信側光学遅延回路１２３−１は送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２３の一方の腕（長尺光路）に形成されている。
量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路の構成が図１に示されたものと相違している点を除いて、図１に示した量子暗号受信装置２０と同様の構成を有する。従って、受信側光回路に２２Ａの参照符号を付してある。図示の受信側光回路２２Ａは、上記送信側光回路１２Ａと対称系となるように設けられている。
すなわち、受信側光回路２２Ａは、送信側光回路１２Ａと同様に、受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３と、この受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の２つの腕のそれぞれに結合する２つの受信側３ｄＢカップラー２２６および２２７とより構成されている。受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３は、一方の腕に受信側光学遅延回路２２３−１を内包する。２つの受信側３ｄＢカップラー２２６および２２７は、受信側光学遅延回路２２３−１の伝搬長と等しい伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段として機能する。
詳述すると、受信側光回路２２Ａは、第１及び第２の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１、２２ｏｕｔ２と受信側入力ポート２２ｉｎとの間に接続された受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３と、第３の受信側出力ポート２２ｏｕｔ３と受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の一方の腕（長尺光路）とに接続された第１の受信側３ｄＢカップラー（第１の光導波路）２２６と、第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ４と受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の他方の腕（短尺光路）とに接続された第２の受信側３ｄＢカップラー（第２の光導波路）２２７とから構成されている。受信側光学遅延回路２２３−１は受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の一方の腕（長尺光路）に形成されている。
図１および図２に示す量子暗号伝送システムにおいて、光回路１２、２２、１２Ａ、２２Ａを平面光回路で構成することにより、アクティブな制御装置を用いることなく簡便な量子暗号伝送システムを構成することが可能である。しかしながら、本実施例の作用はこれらのデバイスの実装法には依存しない。例えば、光ファイバーや、平面光回路と光ファイバーのハイブリッド構成により同様なデバイスを構成することは可能である。このようなデバイスを用いた場合でも、本発明の第１および第２の実施例による量子暗号伝送システムの機能が失われることはない。また、図１〜図２には示されていないが、量子暗号送信装置および量子暗号受信装置の記録装置はパーソナルコンピュータで、古典通信路は通常のインターネット通信で十分である。
以下、図を参照しながら、本発明の第１および第２の実施例による量子暗号伝送システムの動作について順次説明する。
最初に図１を参照して、本発明の第１の実施例による量子暗号伝送システムの動作について説明する。
図１において、正規送信者は同一波長λのコヒーレント光を発生する第１乃至第４の微弱レーザ光源ＬＤ００、ＬＤ０１、ＬＤ１０、ＬＤ１１からランダムにひとつの光源を選び、選ばれた光源から微弱な短光パルスを出射する。発光部１１において第１の微弱レーザ光源ＬＤ００または第２の微弱レーザ光源ＬＤ０１が選択されたとする。この場合、送信側光回路１２の第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２に入射された短光パルスは、第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２の選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連微弱光パルス（相対位相が明確に定義された２つの光パルス）となって第１の出力ポート１２ｏｕｔ１上に出力される。
一方、発光部１１において第３の微弱レーザ光源ＬＤ１０または第４の微弱レーザ光源ＬＤ１１が選択されたとする。この場合、それぞれが接続された送信側非対称光学遅延回路１２２の長尺および短尺光路の導波路長を適切に調整することにより、該コヒーレント２連微弱光パルスの先進、または、遅延の一方の微弱光パルスを第３及び第４の送信側入力ポート１２ｉｎ３、１２ｉｎ４の選択に従って第２の出力ポート１２ｏｕｔ２上に準備（生成）することができる。
これらの２つの光回路（送信側非対称マッハツェンダー干渉系１２１と送信側非対称光学遅延回路１２２）の第１及び第２の出力ポート１２ｏｕｔ１、１２ｏｕｔ２を、送信側３ｄＢカップラー１２５で共通の光ファイバー伝送路３０の送信側出力ポート１２ｏｕｔに結合することにより、第１乃至第４の微弱レーザ光源ＬＤ００、ＬＤ０１、ＬＤ１０、ＬＤ１１のランダムな選択に従って、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに共役な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルス、または、それらを構成する先進あるいは遅延微弱光パルスＬＰｔをランダムに選択して光ファイバー伝送路３０上に準備（生成）することが出来る。
一方、量子暗号受信装置２０は、量子暗号送信装置１０の送信側光回路１２と同様の構成の受信側光回路２２を持つ。受信側回路２２の第１及び第２の入力ポート２２ｉｎ１、２２ｉｎ２は、光カップラー２２５で微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０の受信側入力ポート２２ｉｎに結合される。受信側光回路２２の第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１、２２ｏｕｔ２、２２ｏｕｔ３、２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００、Ｄ０１、Ｄ１０、Ｄ１１に接続されている。
受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００〜Ｄ１１は、量子暗号送信装置１０に同期して動作する。これら受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００〜Ｄ１１のうち、第１及び第２の光子検出器Ｄ００、Ｄ０１は、受信側光回路２２の受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１からの３連パルス的光子出力ＰＬｒの中央のパルスに含まれる光子の有無を検出し、第３の光子検出器Ｄ１０は、受信側回路２２の受信側非対称光学遅延回路２２２の長尺光導波路からの２連パルス的光子出力ＰＬｒの先進パルスに含まれる光子の有無を検出し、第４の光子検出器Ｄ１１は、受信側回路２２の受信側非対称光学遅延回路２２２の短尺光導波路からの２連パルス的光子出力ＰＬｒの遅延パルスに含まれる光子の有無を検出する。
量子暗号送信装置１０と量子暗号受信装置２０との間の同期は古典通信路（図示せず）を介して行われる。このとき、発光部１１での光源の選択が｛ＬＤ００またはＬＤ０１｝であり、かつ、受光部２１での光子検出が｛Ｄ００またはＤ０１｝である場合（全事象の１／４）、および、発光部１１での光源の選択が｛ＬＤ１０またはＬＤ１１｝であり、かつ、受光部２１での光子検出が｛Ｄ１０またはＤ１１｝である場合（全事象の１／４）に、選択された光源と光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により送信側光回路１２および受信側光回路２２を制御することができる。
これ以外の光源選択と光子検出された検出器の組合せに関しては、両者の間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献１に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を送受信者間で共有することが可能である。
以下においてこのプロトコルについて具体的に手順を説明する。光パルスの送受信が完了した後に、送信者は、量子暗号送信装置１０の発光部１１での光源の選択が｛ＬＤ００またはＬＤ０１｝か｛ＬＤ１０またはＬＤ１１｝のどちらであったか（これを送信した基底と呼ぶ）を古典通信路で公開し、受信者に知らせる。このとき送信者が送信したいビット値を、｛ＬＤ００またはＬＤ１０｝では“０”、｛ＬＤ０１またはＬＤ１１｝では“１”としておくことにより、第３者は公開された送信基底の情報だけではビット値を知ることができない。
また、受信者は、量子暗号受信装置２０の受光部２１での光子検出が｛Ｄ００またはＤ０１｝か｛Ｄ１０またはＤ１１｝のどちらであったか（これを受信した基底と呼ぶ）を同様に公開し、送信者に知らせる。受信基底がどちらになるかは、量子暗号受信装置２０の受信側光回路２２内部の受信側３ｄＢカップラー２２５において光子がどちらの光路に進むかによって受動的に決まり、全くのランダムである。
ここでもやはり、受信したビット値は光子検出が｛Ｄ００またはＤ１０｝ならば“０”、｛Ｄ０１またはＤ１１｝ならば“１”としておくことにより、第３者は公開された受信基底の情報だけではビット値を知ることができない。このように送受信の基底のみを公開し、両者の基底が対応していない場合（全事象の１／２）のビットは破棄する。
そして送受信の基底が対応している場合（全事象の１／２）には送信者の選択したビット値と受信者が受信したビット値とが一致するように送信側光回路１２および受信側光回路２２を調整することができるため、基底が対応した場合のビット値のみを記録することで、送受信者の間で秘密鍵を安全に共有することができる。
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施例による量子暗号伝送システムの動作について説明する。図２において、正規送信者は、同一波長λのコヒーレント光を発生する発光部１１の第１乃至第４の微弱レーザ光源ＬＤ００、ＬＤ０１、ＬＤ１０、ＬＤ１１からランダムにひとつの光源を選び、選ばれた光源から微弱な短光パルスを出射する。
発光部１１において第１の微弱レーザ光源ＬＤ００または第２の微弱レーザ光源ＬＤ０１が選択されたとする。この場合、送信側光回路１２Ａの第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２に入射された短光パルスは、第１及び第２の送信側入力ポート１２ｉｎ１、１２ｉｎ２の選択に依存してπだけ相対位相の異なるコヒーレントな２連微弱光パルス（相対位相が明確に定義された２つの光パルス）となって、送信側光回路１２Ａの送信側出力ポート１２ｏｕｔ上に出力される。
一方、発光部１１において第３の微弱レーザ光源ＬＤ１０または第４の微弱レーザ光源ＬＤ１１が選択されたとする。この場合、該コヒーレント２連微弱光パルスの先進または遅延の一方の微弱光パルスを、送信側光回路１２Ａの第３及び第４の送信側入力ポート１２ｉｎ３、１２ｉｎ４の選択に従って、送信側光回路１２Ａの送信側出力ポート１２ｏｕｔ上に生成（準備）することができる。
発光部１１における第１乃至第４の微弱レーザ光源ＬＤ１０〜ＬＤ１１のランダムな選択に従って、量子暗号鍵配布プロトコル実行に必要となる互いに共役な基底系に属するコヒーレント２連微弱光パルスまたはそれらを構成する先進あるいは遅延微弱光パルスＬＰｔをランダム選択して、光ファイバー伝送路３０上に生成（準備）することが出来る。
一方、量子暗号受信装置２０Ａは、量子暗号送信装置１０Ａの送信側光回路１２Ａと同様の構成の受信側光回路２２Ａを持つ。受信側光回路２２Ａの受信側入力ポート２２ｉｎは微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０に結合される。受信側光回路２２Ａの第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１、２２ｏｕｔ２、２２ｏｕｔ３、２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００、Ｄ０１、Ｄ１０、Ｄ１１に接続されている。
受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００〜Ｄ１１は、量子暗号送信装置１０Ａに同期して動作する。これら受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｄ００〜Ｄ１１のうち、第１及び第２の光子検出器Ｄ００、Ｄ０１は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３からの３連パルス的光子出力ＬＰｒの中央のパルスに含まれる光子の有無を検出し、第３の光子検出器Ｄ１０は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の長尺光導波路からの２連パルス的光子出力ＬＰｒの先進パルスに含まれる光子の有無を検出し、第４の光子検出器Ｄ１１は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の短尺光導波路からの２連パルス的光子出力ＬＰｒの遅延パルスに含まれる光子の有無を検出する。
量子暗号送信装置１０Ａと量子暗号受信装置２０Ａとの間の同期は古典通信路（図示せず）を介して行われる。このとき、発光部１１での光源の選択が｛ＬＤ００またはＬＤ０１｝であり、かつ、受光部２１での光子検出が｛Ｄ００またはＤ０１｝である場合（全事象の１／４）、および発光部１１での光源の選択が｛ＬＤ１０またはＬＤ１１｝であり、かつ、受光部２１での光子検出が｛Ｄ１０またはＤ１１｝である場合（全事象の１／４）に、選択された光源と光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により、送信側光回路１２Ａおよび受信側光回路２２Ａを制御することができる。
これ以外の光源選択と光子検出された検出器の組合せに関しては、両者の間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献１に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を送受信者間で共有することが可能である。このプロトコルの具体的な手順は、上述した本発明の第１の実施例で説明したものとほぼ同様であるので、それらの説明については省略する。
以上の本発明の第１および第２の実施例に係る量子暗号伝送システムの構成によると、従来技術のように量子暗号送信装置および量子暗号受信装置において信号変調装置の必要がない、極めて簡便な量子暗号伝送システムを提供できる。また、能動的信号変調がないため、盗聴者が外部からプローブ光を導入したとしても一切の情報を得ることは不可能であり、トロイの木馬型攻撃の危険性を排除できる。
本構成では光回路１２、２２、１２Ａ、２２Ａの精密制御が必要になるが、これはＰＬＣ技術を利用することにより容易にクリアできる。光子検出器の個数が２倍に増えるため、暗計数による雑音は２倍に増えるが、変調器が不要であるため、その光学損失の排除によりほぼキャンセルできる。従って、非特許文献１〜７および特許文献１に開示された量子暗号伝送システムに比べて、正規利用者の装置および装置運用のための経済的および技術的負担を大幅に軽減することができる。
尚、図１に図示した本発明の第１の実施例による量子暗号伝送システムでは、互いに対称系となる量子暗号送信装置１０と量子暗号受信装置２０とを備え、図２に図示した本発明の第２の実施例による量子暗号伝送システムでも、互いに対称系となる量子暗号送信装置１０Ａと量子暗号受信装置２０Ａとを備えている。しかしながら、本発明に係る量子暗号伝送システムにおいては、伝送路を介して互いに接続される量子暗号送信装置と量子暗号受信装置とは、必ずしも互いに対称系である必要はない。例えば、量子暗号伝送システムは量子暗号送信装置１０と量子暗号受信装置２０Ａとを伝送路３０で接続した構成であってもよく、或いは量子暗号伝送システムは量子暗号送信装置１０Ａと量子暗号受信装置２０とを伝送路３０で接続した量子暗号伝送システムであってもよい。
図３は本発明の第３の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源４０と、その両側に配置された一対の量子暗号受信装置２０とにより構成される。光子対発生源４０と各量子暗号受信装置２０とは微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０により接続される。
量子暗号受信装置２０の各々は、図１に図示した量子暗号受信装置２０と同様の構成を有する。すなわち、右側の量子暗号受信装置２０は、受信側光回路２２と、第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１を有する受光部２１とにより構成される。左側の量子暗号受信装置２０は、受信側光回路２２と、第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１を有する受光部２１とにより構成される。
図４は本発明の第４の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源４０と、その両側に配置された一対の量子暗号受信装置２０Ａとにより構成される。光子対発生源４０と各量子暗号受信装置２０Ａとは微弱光を伝送する光ファイバー伝送路４４により接続される。
量子暗号受信装置２０Ａの各々は、図２に図示した量子暗号受信装置２０Ａと同様の構成を有する。すなわち、右側の量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａと、第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１を有する受光部２１とにより構成される。左側の量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａと、第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１を有する受光部２１とにより構成される。
図３および図４の量子暗号受信装置２０、２０Ａの構成要素である受信側光回路２２、２２Ａを平面光回路で構成することにより、アクティブな制御装置を用いることなく、簡便な量子暗号伝送システムを構成することが可能である。
しかしながら、本発明の第３及び第４の実施例の作用はこれらのデバイスの実装法には依存しない。例えば、光ファイバーや、平面光回路と光ファイバーのハイブリッド構成により同様なデバイスを構成することは可能である。このようなデバイスを用いた場合でも、本実施例の量子暗号伝送システムの機能が失われることはない。
また、図３および図４には示されていないが、各量子暗号受信装置２０、２０Ａの記録装置はパーソナルコンピュータで、古典通信路は通常のインターネット通信で十分である。
また、図３〜図４において、光子対発生源４０は両受信者の持つ量子暗号受信装置２０、２０Ａとは別の場所に配置されているように描かれているが、この光子対発生源４０はどちらか一方の量子暗号受信装置に内蔵されていても良い。
そのような構成の場合、光子対発生源４０から両量子暗号受信装置の持つ受光部２１までの距離が非対称になり光子の到達タイミングは異なってくるが、その時間差分の遅延をかけた同期をとることにより動作可能である。
図３および図４において、光子対発生源４０は、図１０に図示された光子対発生源４０と同様の構成を有する。すなわち、光子対発生源４０は、短光パルスＬＰＳを出射するパルスレーザ光源４１と、非対称マッハツェンダー干渉系４２と、非線形光学結晶４３と、ビームスプリッター４４とから構成される。
以下、図を参照しながら、本発明の第３および第４の実施例による量子暗号伝送システムの動作について順次説明する。
先ず、図３を参照して、本発明の第３の実施例に係る量子暗号伝送システムの動作について説明する。
図３において、光子対発生源４０に装備されたパルスレーザ光源４１からの短光パルスＬＰＳを非対称マッハツェンダー干渉系４２に入射することにより、その長短尺光路差だけ空間的に分離したコヒーレント２連光パルスＬＰ２Ｃを生成（準備）する。
この２連光パルスＬＰ２Ｃは非線形光学結晶４３に入射され、パラメトリック下方変換過程によってそれぞれが２つの光パルスＰＰ２Ｃに分裂する。この分裂後の光子対ＰＰ２Ｃは量子力学的な相関を持つ。
こうして生成された２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃはビームスプリッター４４で分岐され、光ファイバー伝送路３０によって両量子暗号受信装置２０に分配される。
各量子暗号受信装置２０は、受信側光回路２２を持つ。受信側光回路２２の第１及び第２の入力ポート２２ｉｎ１、２２ｉｎ２は光カップラー２２５で微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０の受信側入力ポート２２ｉｎに結合される。左側の量子暗号受信装置２０の受信側光回路２２の第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１に接続されている。右側の量子暗号受信側光回路２２の第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１に接続されている。
受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００〜Ａ１１又はＢ００〜Ｂ１１は、光子対発生源３１に同期して動作する。これら第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４に接続された受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００〜Ａ１１又はＢ００〜Ｂ１１のうち、第１及び第２の光子検出器Ａ００、Ａ０１又はＢ００、Ｂ０１は、受信側光回路２２の受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２１からの３連パルス的光子出力の中央のパルスに含まれる光子の有無を検出し、第３の光子検出器Ａ１０又はＢ１０は、受信側光回路２２の受信側非対称光学遅延回路２２２の長尺光導波路からの２連パルス的光子出力の先進パルスの有無を検出し、第４の光子検出器Ａ１１又はＢ１１は、受信側光回路２２の受信側非対称光学遅延回路２２２の短尺光導波路からの２連パルス的光子出力の遅延パルスに含まれる光子の有無を検出する。
光子対発生源４０及び両量子暗号受信装置２０との間の同期は古典通信路（図示せず）を介して行われる。このとき、両量子暗号受信装置２０の持つ受光部２１での光子検出が｛Ａ００またはＡ０１｝であり、かつ、｛Ｂ００またはＢ０１｝である場合（全事象の１／４）、および両量子暗号受信装置２０の持つ受光部２１での光子検出が｛Ａ１０またはＡ１１｝であり、かつ、｛Ｂ１０またはＢ１１｝である場合（全事象の１／４）に、両量子暗号受信装置２０の光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により、受信側光回路２２を制御することができる。
これ以外の光子検出された検出器の組合せに関しては、両量子暗号受信装置２０の間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献８に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を２者間で共有することが可能である。
このプロトコルは、基本的には、前述した本発明の第１の実施例で説明したものとほぼ同じであるが、図１に示した先の本発明の第１の実施例による量子暗号伝送システムでは量子暗号送信装置１０は人為的に基底・ビット値を選択していたのに対し、この本発明の第３の実施例による量子暗号伝送システムでは両量子暗号受信装置２０ともに基底・ビット値が光カップラー２２５によって受動的に決定される点が異なる。このようにして決定された基底を古典通信路で公開し、基底が対応していないビットは破棄し、対応しているビットの値のみを記録することで秘密鍵を安全に共有することができる。
次に、図４を参照して、本発明の第４の実施例に係る量子暗号伝送システムの動作について説明する。
光子対発生源４０により生成された２連量子相関光子対ＰＰ２Ｃが光ファイバー伝送路３０によって両量子暗号受信装置２０Ａ間に分配されるまでの動作は、上述した本発明の第３の実施例による量子暗号伝送システムと同様である。
各量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａを持つ。受信側光回路２２Ａの受信側入力ポート２２ｉｎは、微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０に結合されている。左側の量子暗号受信装置２０Ａの受信側光回路２２Ａの第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１に接続されている。右側の量子暗号受信装置２０Ａの受信側光回路２２Ａの第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１に接続されている。
受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００〜Ａ１１又はＢ００〜Ｂ１１は、光子対発生源４０に同期して動作する。これら第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４に接続された受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００〜Ａ１１又はＢ００〜Ｂ１１のうち、第１及び第２の光子検出器Ａ００、Ａ０１又はＢ００、Ｂ０１は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３からの３連パルス的光子出力の中央のパルスに含まれる光子の有無を検出し、第３の光子検出器Ａ１０又はＢ１０は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の長尺光導波路からの２連パルス的光子出力の先進パルスに含まれる光子の有無を検出し、第４の光子検出器Ａ１１又はＢ１１は、受信側光回路２２Ａの受信側非対称マッハツェンダー干渉系２２３の短尺光導波路からの２連パルス的光子出力の遅延パルスに含まれる光子の有無を検出する。
光子対発生源４０と両量子暗号受信装置２０Ａとの間の同期は古典通信路（図示せず）を介して行われる。このとき、両量子暗号受信装置２０Ａの持つ受光部２１での光子検出が｛Ａ００またはＡ０１｝であり、かつ、｛Ｂ００またはＢ０１｝である場合（全事象の１／４）、および、受光部２１での光子検出が｛Ａ１０またはＡ１１｝であり、かつ、｛Ｂ１０またはＢ１１｝である場合（全事象の１／４）に、両量子暗号受信装置２０Ａの光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により受信側光回路２２Ａを制御することができる。
これ以外の光子検出された検出器の組合せに関しては、両量子暗号受信装置２０Ａの間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献８に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を２者間で共有することが可能である。
このプロトコルの具体的な手順は、上述した本発明の第３の実施例で説明したものとほぼ同様であるので、説明を省略する。
以上の本発明の第３および第４の実施例の装置構成によると、従来技術のように受信装置において信号変調装置の必要がない極めて簡便な量子暗号伝送システムを提供できる。また、能動的信号変調がないため盗聴者が外部からプローブ光を導入したとしても一切の情報を得ることは不可能であり、トロイの木馬型攻撃の危険性を排除できる。
本構成では受信側光回路２２および２２Ａの精密制御が必要になるが、これはＰＬＣ技術を利用することにより容易にクリアできる。光子検出器の数が２倍に増えるため、暗計数による雑音は２倍に増えるが、変調器が不要であるためその光学損失の排除によりほぼキャンセルできる。
従って、非特許文献１〜８および特許文献１に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置および装置運用のための経済的および技術的負担を大幅に軽減することができる。
図５は本発明の第５の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源５０と、その両側に配置された一対の量子暗号受信装置２０とから構成されている。光子対発生源５０と各量子暗号受信装置２０とは微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０により接続される。即ち、図示の量子暗号伝送システムは、光子対発生源４０の代わりに光子対発生源５０を備えている点を除いて、図３に示した本発明の第３の実施例に係る量子暗号伝送システムと同様の構成を有する。光子対発生源５０は、図１１に示された光子対発生源５０と同じ構成を有する。
左側の量子暗号受信装置２０は、受信側光回路２２と、第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１から成る受光部２１とにより構成される。右側の量子暗号受信装置２０は、受信側光回路２２と、第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１から成る受光部２１とにより構成される。
図６は本発明の第６の実施例による量子暗号伝送システムの構成図である。図示の量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源５０と、その両側に配置された一対の量子暗号受信装置２０Ａとから構成されている。光子対光源５０と各量子暗号受信装置２０Ａは微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０により接続される。即ち、図示の量子暗号伝送システムは、光子対発生源４０の代わりに光子対発生源５０を備えている点を除いて、図４に示した本発明の第４の実施例に係る量子暗号伝送システムと同様の構成を有する。光子対発生源５０は、図１１に示された光子対発生源５０と同じ構成を有する。
左側の量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａと、第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１から成る受光部２１とにより構成される。右側の量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａと、第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１から成る受光部２１とにより構成される。
図５および図６の量子暗号受信装置２０、２０Ａの構成要素である受信側光回路２２、２２Ａを平面光回路で構成することにより、アクティブな制御装置を用いることなく簡便な量子暗号伝送システムを構成することが可能である。
しかしながら、本発明の第５および第６の実施例の作用はこれらのデバイスの実装法には依存しない。例えば、光ファイバーや、平面光回路と光ファイバーのハイブリッド構成により同様なデバイスを構成することは可能である。このようなデバイスを用いた場合でも、本発明の第５および第６の実施例の量子暗号伝送システムの機能が失われることはない。
また、図５および図６には示されていないが、各量子暗号受信装置２０、２０Ａの記録装置はパーソナルコンピュータで、古典通信路は通常のインターネット通信で十分である。
また本発明の第３の実施例および第４の実施例と同様に、光子対発生源５０はどちらか一方の受信装置に内蔵されていても良い。
光子対発生源５０は、連続的なレーザ光ＬＬＣを出射する連続発振レーザ光源５１と、連続的なレーザ光ＬＬＣから量子相関光子対ＰＰＱを生成する非線形光学結晶５３と、量子相関光子対ＰＰＱを分岐するビームスプリッター５４とから構成されている。
以下、図を参照しながら、本発明の第５および第６の実施例による量子暗号伝送システムの動作について順次説明する。
最初に図５を参照して、本発明の第３の実施例に係る量子暗号伝送システムの動作について説明する。
図５において、光子対発生源５０に装備された連続発振レーザ光源５１からの連続的なレーザ光ＬＬＣは、そのコヒーレンス時間内であればどの点においてもお互いにコヒーレントである。したがって、この連続的なレーザ光ＬＬＣは、前記本発明の第３および第４の実施例におけるコヒーレント２連光パルスＬＰ２Ｃに相当し、この場合は２連ではなく無限連とも言える状態となっている。
このレーザ光ＬＬＣは非線形光学結晶５３に入射され、パラメトリック下方変換過程によって２つの光子ＰＰＱに分裂する。この分裂後の光子対ＰＰＱは量子力学的な相関を持つ。
こうして生成された量子相関光子対ＰＰＱはビームスプリッター５４で分岐され、光ファイバー伝送路３０によって両量子暗号受信装置２０間に分配される。
各量子暗号受信装置２０は受信側光回路２２を持つ。各量子暗号受信装置２０の受信側光回路２２の第１及び第２の入力ポート２２ｉｎ１、２２ｉｎ２は、光カップラー２２５で微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０の受信側入力ポート２２ｉｎに結合される。右側の量子暗号受信装置の受信側光回路２２の第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１に接続されている。左側の量子暗号受信装置の受信側光回路２２の第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ０、Ｂ１１に接続されている。
これらの受光部２１に接続された記録装置（パーソナルコンピュータ）によって、光子検出の起こった検出器およびその到着タイミングを記録する。このとき、両量子暗号受信装置２０の持つ受光部２１において｛Ａ００またはＡ０１｝と｛Ｂ００またはＢ０１｝とが同時に検出された場合（全事象の１／４）、および、｛Ａ１０またはＡ１１｝と｛Ｂ１０またはＢ１１｝とが同時に検出された場合（全事象の１／４）に、両量子暗号受信装置２０の光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により受信側光回路２２を制御することができる。
これ以外の光子検出された検出器の組合せに関しては、両量子暗号受信装置２０の間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。
以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献８に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を２者間で共有することが可能である。このプロトコルの具体的な手順は、前述した本発明の第３の実施例で説明したものとほぼ同様であるので、説明を省略する。
次に、図６を参照して、本発明の第６の実施例に係る量子暗号伝送システムの動作について説明する。
光子対発生源５０により生成された２連量子相関光子対ＰＰＱが光ファイバー伝送路３０によって両受信装置２０Ａに分配されるまでの動作は、上述した本発明の第５の実施例と同様である。
各量子暗号受信装置２０Ａは、受信側光回路２２Ａを持つ。各量子暗号受信装置２０Ａの受信側光回路２２Ａの受信側入力ポート２２ｉｎは、微弱光を伝送する光ファイバー伝送路３０に結合される。左側の量子暗号受信装置２０Ａの受信側光回路２２Ａの第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ａ００、Ａ０１、Ａ１０、Ａ１１に接続されている。右側の量子暗号受信装置２０Ａの受信側光回路２２Ａの第１乃至第４の受信側出力ポート２２ｏｕｔ１〜２２ｏｕｔ４は、それぞれ、受光部２１の第１乃至第４の光子検出器Ｂ００、Ｂ０１、Ｂ１０、Ｂ１１に接続されている。これらの受光部２１に接続された記録装置（パーソナルコンピュータ）によって、光子検出の起こった検出器およびその到着タイミングを記録する。
このとき、両量子暗号受信装置２０Ａの持つ受光部２１において｛Ａ００またはＡ０１｝と｛Ｂ００またはＢ０１｝とが同時に検出された場合（全事象の１／４）、および、｛Ａ１０またはＡ１１｝と｛Ｂ１０またはＢ１１｝とが同時に検出された場合（全事象の１／４）に、両量子暗号受信装置２０Ａの光子検出された検出器が完全相関するように、温度制御などの方法により受信側光回路２２Ａを制御することができる。
これ以外の光子検出された検出器の組合せに関しては、両量子暗号受信装置２０Ａの間には完全に相関がなく、秘密鍵生成には用いない。
以上の動作は、非直交４状態を用いる量子暗号装置の必要十分条件を満たしており、非特許文献８に提案されたプロトコルに従えば無条件安全な秘密鍵を２者間で共有することが可能である。このプロトコルの具体的な手順は、上述した本発明の第３の実施例で説明したものとほぼ同様であるので、説明を省略する。
以上の本発明の第５および第６の実施例の装置構成によると、従来技術のように量子暗号受信装置において信号変調装置の必要がない極めて簡便な量子暗号伝送システムを提供できる。また、能動的信号変調がないため盗聴者が外部からプローブ光を導入したとしても一切の情報を得ることは不可能であり、トロイの木馬型攻撃の危険性を排除できる。
本構成では受信側光回路２２および２２Ａの精密制御が必要になるが、これはＰＬＣ技術を利用することにより容易にクリアできる。光子検出器の数が２倍に増えるため、暗計数による雑音は２倍に増えるが、変調器が不要であるためその光学損失の排除によりほぼキャンセルできる。
従って、非特許文献１〜８および特許文献１に開示された量子暗号装置に比べて、正規利用者の装置および装置運用のための経済的および技術的負担を大幅に軽減することができる。
図３に図示した本発明の第３の実施例による量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源４０の両側に同一構成の一対の量子暗号受信装置２０が配置され、図４に図示した本発明の第４の実施例による量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源４０の両側に同一構成の一対の量子暗号受信装置２０Ａが配置され、図５に図示した本発明の第５の実施例による量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源５０の両側に同一構成の一対の量子暗号受信装置２０が配置され、図６に図示した本発明の第６の実施例による量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源５０の両側に同一構成の一対の量子暗号受信装置２０Ａが配置されている。すなわち、本発明の第３乃至第６の実施例による量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源の両側に同一構成の一対の量子暗号受信装置が配置された構成をしている。
しかしながら、本発明に係る量子暗号伝送システムでは、中央に配置された光子対発生源の両側に配置される一対の量子暗号受信装置は、必ずしも同一構成である必要はなく、異なっていてもよい。例えば、量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源４０の一方の側に量子暗号受信装置２０を配置し、他方の側に量子暗号受信装置２０Ａを配置した構成であってもよく、或いは量子暗号伝送システムは、中央に配置された光子対発生源５０の一方の側に量子暗号受信装置２０を配置し、他方の側に量子暗号受信装置２０Ａを配置した構成であってもよい。
本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の趣旨（主題）を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能なのは勿論である。

Claims (15)

  1. 一方の腕に光学遅延回路（１２１−１；１２３−１；２２１−１；２２３−１）を内包する非対称マッハツェンダー干渉系（１２１；１２３；２２１；２２３）、
    および
    前記光学遅延回路の伝搬長に相当する伝搬遅延を異なるポートを伝搬する光子間に与える手段
    を内包することを特徴とする光回路（１２；１２Ａ；２２；２２Ａ）。
  2. 前記光回路（１２；２２）は、
    一方の腕に第１の光学遅延回路（１２１−１；２２１−１）を内包する非対称マッハツェンダー干渉系（１２１；２２１）、
    および
    前記第１の光学遅延回路の伝搬長と等しい伝搬長を有する第２の光学遅延回路（１２２−１；２２２−１）を内包する光路とこれを内包しない光路を３ｄＢカップラー（１２２−２；２２２−２）で結合した非対称光学遅延回路（１２２；２２２）、
    および
    これらを共通の伝送路に結合する３ｄＢカップラー（１２５；２２５）
    により構成されることを特徴とする、請求項１の光回路。
  3. 前記光回路（１２Ａ；２２Ａ）は、
    一方の腕に光学遅延回路（１２３−１；２２３−１）を内包する非対称マッハツェンダー干渉系（１２３；２２３）、
    および
    前記非対称マッハツェンダー干渉系の２つの腕のそれぞれに結合する２つの３ｄＢカップラー（１２６，１２７；２２６，２２７）
    により構成されることを特徴とする、請求項１の光回路。
  4. 平面光回路により構成されていることを特徴とする、請求項２の光回路。
  5. 平面光回路により構成されていることを特徴とする、請求項３の光回路。
  6. 量子ビットの情報担体となる光子を発生する発光部（１１）、および前記発光部と伝送路（３０）に接続された請求項２の光回路（１２）を有することを特徴とする量子暗号送信装置（１０）。
  7. 量子ビットの情報担体となる光子を発生する発光部（１１）、および前記発光部と伝送路（３０）に接続された請求項３の光回路（１２Ａ）を有することを特徴とする量子暗号送信装置（１０Ａ）。
  8. 量子ビットの情報担体である光子を検出する受光部（２１）、および前記受光部と伝送路（３０）に接続された請求項２の光回路（２２）を有することを特徴とする量子暗号受信装置（２０）。
  9. 量子ビットの情報担体である光子を検出する受光部（２１）、および前記受光部と伝送路（３０）に接続された請求項３の光回路（２２Ａ）を有することを特徴とする量子暗号受信装置（２０Ａ）。
  10. 伝送路（３０）と、該伝送路を介して接続されて量子暗号鍵の送受信を行う量子暗号送信装置と量子暗号受信装置とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項６に示した量子暗号送信装置（１０）、
    および
    請求項８に示した量子暗号受信装置（２０）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
  11. 伝送路（３０）と、該伝送路を介して接続されて量子暗号鍵の送受信を行う量子暗号送信装置と量子暗号受信装置とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項６に示した量子暗号送信装置（１０）、
    および
    請求項９に示した量子暗号受信装置（２０Ａ）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
  12. 伝送路（３０）と、該伝送路を介して接続されて量子暗号鍵の送受信を行う量子暗号送信装置と量子暗号受信装置とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項７に示した量子暗号送信装置（１０Ａ）、
    および
    請求項８に示した量子暗号受信装置（２０）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
  13. 伝送路（３０）と、該伝送路を介して接続されて量子暗号鍵の送受信を行う量子暗号送信装置と量子暗号受信装置とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項７に示した量子暗号送信装置（１０Ａ）、
    および
    請求項９に示した量子暗号受信装置（２０Ａ）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
  14. 光子対発生源（４０；５０）と、一対の量子暗号受信装置と、前記光子対発生源と各量子暗号受信装置とを接続する伝送路（３０）とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項８に示した一対の量子暗号受信装置（２０）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
  15. 光子対発生源（４０；５０）と、一対の量子暗号受信装置と、前記光子対発生源と各量子暗号受信装置とを接続する伝送路（３０）とを有する量子暗号伝送システムであって、
    請求項９に示した一対の量子暗号受信装置（２０Ａ）
    を有することを特徴とする、量子暗号伝送システム。
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