JPWO2008015758A1

JPWO2008015758A1 - 量子通信装置及び量子通信システム及び量子通信方法

Info

Publication number: JPWO2008015758A1
Application number: JP2008527629A
Authority: JP
Inventors: 毅西岡; 竹内　繁樹; 繁樹竹内; アレクサンドルソージャエフ; 俊夫長谷川; 安部　淳一; 淳一安部
Original assignee: Hokkaido University NUC; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: WO2008015758A1; US8270841B2; EP2051411A4; EP2051411B1; EP2051411A1; JP4775919B2; US20100226659A1

Abstract

伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することを目的とする。量子暗号送信装置２００において、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１は、光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を伝令信号として出力する。タイミング調整器２０２は、伝令信号を、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１をパルス駆動するためのクロック信号に同期させてトリガ信号として出力する。量子信号変調部２０３は、トリガ信号のタイミングに合わせて量子信号に信号変調を施し、量子信号を量子暗号受信装置３００に量子通信路１０１を介して送信する。伝令信号送信部２０５は、伝令信号を量子暗号受信装置３００に伝令信号通信路１０２を介して送信する。クロック信号送信部２０６は、クロック信号を量子暗号受信装置３００にクロック通信路１０３を介して送信する。

Description

本発明は、量子通信装置及び量子通信システム及び量子通信方法に関するものである。本発明は、特に、量子暗号通信装置に関するものである。

従来の伝令付き単一光子源を用いた量子暗号通信装置は、単一光子源から出力される伝令信号を送信装置から受信装置に伝送し、送信装置において、伝令信号をトリガとして量子信号の変調動作を行い、受信装置においても、伝送された伝令信号をトリガとして光子検出動作、及び、量子信号の復調動作を実施していた（例えば、非特許文献１及び２参照）。

伝令付き単一光子源とは、パラメトリック下方変換などを用いて双子の光子対を発生させ、一方の光子を測定することで、他方の光子の存在を測定することなく確認し、単一光子源として用いる方式である。ここで、測定された一方の光子の測定出力が他方の光子の出力を知らせる伝令信号として出力される。パラメトリック下方変換などを引き起こすポンプ光源としてＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ・Ｗａｖｅ）レーザを用いるもの（例えば、非特許文献１）と、パルスレーザを用いるものとがある。いずれにせよ、確率的な生起事象として双子光子対が発生されるので、光子源としては不規則な時間間隔で単一光子が生成されることになる。

量子暗号において、伝令付き単一光子源が好適なものとして用いられるのは、従来のレーザ光を減光したものより、多光子状態が生成される確率が低く、単一光子性の優れた光源であるためである。現在量子暗号に用いられている典型的な光子検出器を用いると、レーザ光を単一光子源として用いたものでは、通信距離２５ｋｍ（キロメートル）程度で安全性が保証できなくなるが、伝令付き単一光子源の場合では、単一光子性が優れているため、５０ｋｍを越える距離でも安全性が保証できる。

具体的には、伝令付き単一光子源では、一般にポンプ光強度を減少させることで、伝令信号により指定された光パルスの２光子存在確率Ｐ（２）を、１光子存在確率Ｐ（１）を保ったまま任意に小さくすることができるので、理想的な単一光子源を利用した際と同様の量子暗号の安全性が実現できる。
Ａ．ＴｒｉｆｏｎｏｖａｎｄＡ．Ｚａｖｒｉｙｅｖ， "Ｓｅｃｕｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈａｈｅｒａｌｄｅｄｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎｓｏｕｒｃｅ，" ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｐｔｉｃｓＢ：ＱｕａｎｔｕｍＳｅｍｉｃｌａｓｓ．Ｏｐｔ．７Ｎｏ１２（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００５）Ｓ７７２−Ｓ７７７，２３Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００５Ｓ．Ｆａｓｅｌ，Ｏ．Ａｌｉｂａｒｔ，Ｓ．Ｔａｎｚｉｌｌｉ，Ｐ．Ｂａｌｄｉ，Ａ．Ｂｅｖｅｒａｔｏｓ，Ｎ．ＧｉｓｉｎａｎｄＨ．Ｚｂｉｎｄｅｎ， "Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｈｅｒａｌｄｅｄｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎｓｏｕｒｃｅａｔｔｅｌｅｃｏｍｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，" ＮｅｗＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ６（Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００４）１６３，１２Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００４

従来の伝令付き単一光子源では、双子光子対の一方を光子検出器で測定することで伝令信号を生成するため、この測定に用いた光子検出器の性能に伝令信号の精度が制限されてしまうという課題があった。

例えば、伝令信号として測定される光子としては波長８５０ｎｍ（ナノメートル）以下の短い波長の光が用いられ、この光子の検出のために、ＳｉＡＰＤ（Ｓｉｌｉｃｏｎ・Ａｖａｌａｎｃｈｅ・Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が好適に用いられる。ＳｉＡＰＤを用いたＳＰＣＭ（Ｓｉｎｇｌｅ・Ｐｈｏｔｏｎ・Ｃｏｕｎｔｉｎｇ・Ｍｏｄｕｌｅ）という光子検出器ではジッタとして５００ｐｓ（ピコ秒）くらいの揺らぎがある。このため、単一光子に対して、伝令信号が５００ｐｓのジッタをもつことになる。量子暗号では通例１．５５μｍ（マイクロメートル）の通信波長帯の単一光子が用いられるが、この波長帯の光子検出器（通信波長帯光子検出器）はゲート型ガイガー・モードと呼ばれる光子の入射するタイミングに合わせて動作させる方式をとるため、伝令信号のジッタは無視できない影響を及ぼす。通信波長帯光子検出器は実際１００ｐｓオーダでタイミング設定をすることで最適動作を実現しているため、上記ＳＰＣＭのジッタは無視できない大きさである。

本発明は、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することを目的とする。

本発明の一の態様に係る量子通信装置は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して送信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信する量子信号変調部と、
前記伝令信号を、伝令信号通信路を介して送信する伝令信号送信部とを備えることを特徴とする。

前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を備えることを特徴とする。

前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、
前記タイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として出力することを特徴とする。

前記量子通信装置は、さらに、
前記単一光子源により光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を前記量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を前記伝令信号として出力する信号生成部を備え、
前記量子信号変調部は、前記信号生成部から出力された量子信号に信号変調を施し、
前記伝令信号送信部は、前記信号生成部から出力された伝令信号を送信することを特徴とする。

前記信号生成部は、パラメトリック下方変換により前記光子対を生成することを特徴とする。

前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号と前記クロック信号との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて前記伝令信号として出力することを特徴とする。
前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号を前記クロック信号により制御し、制御された伝令信号を出力することを特徴とする。

本発明の他の態様に係る量子通信装置は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して受信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、伝令信号通信路を介して受信する伝令信号受信部と、
前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子通信路上に存在する量子信号を検出する量子信号検出部とを備えることを特徴とする。

前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、
前記タイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として出力することを特徴とする。

前記量子信号検出部は、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子通信路上に存在する量子信号に信号復調を施す量子信号復調部を含み、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号復調部により信号復調が施された量子信号を検出することを特徴とする。

前記量子信号検出部は、前記量子通信路を分岐する量子信号分岐部を含み、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号分岐部により分岐された量子通信路上に存在する量子信号を検出することを特徴とする。

本発明の一の態様に係る量子通信システムは、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を送受信する量子通信システムにおいて、
前記単一光子源から出力された量子信号を搬送する量子通信路と、
前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を搬送する伝令信号通信路と、
前記伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力する第１のタイミング調整部と、前記第１のタイミング調整部から出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信する量子信号変調部と、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送信する伝令信号送信部とを含む第１の量子通信装置と、
前記伝令信号送信部により送信された伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して受信する伝令信号受信部と、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する第２のタイミング調整部と、前記第２のタイミング調整部から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号変調部により前記量子通信路上に送信された量子信号を検出する量子信号検出部とを含む第２の量子通信装置とを備えることを特徴とする。

前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第１の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第２の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、
前記第２のタイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記第２のトリガ信号として出力することを特徴とする。

前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第２の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第１の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、
前記第１のタイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記第１のトリガ信号として出力することを特徴とする。

前記量子通信路は、光ファイバの後段に分散補償ファイバを使用したものであることを特徴とする。

本発明の一の態様に係る量子通信方法は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して送受信する量子通信方法において、
第１の量子通信装置にて、前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力し、
前記第１の量子通信装置にて、前記第１のトリガ信号の出力により出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信し、
前記第１の量子通信装置にて、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送信し、
第２の量子通信装置にて、前記伝令信号の送信により送信された伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して受信し、
前記第２の量子通信装置にて、前記伝令信号の受信により受信された伝令信号を、前記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力し、
前記第２の量子通信装置にて、前記第２のトリガ信号の出力により出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号の送信により前記量子通信路上に送信された量子信号を検出することを特徴とする。

本発明の一の態様によれば、量子通信装置において、タイミング調整部が伝令信号を、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力し、量子信号変調部がトリガ信号のタイミングに合わせて量子信号に信号変調を施し、量子信号を、量子通信路を介して送信し、伝令信号送信部が伝令信号を、伝令信号通信路を介して送信することにより、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る量子通信システム１００の構成を示すブロック図である。

図１において、量子通信システム１００（「量子暗号通信システム」ともいう）は、量子暗号送信装置２００と、量子暗号受信装置３００と、これらの装置間を接続する量子通信路１０１（「量子信号通信路」ともいう）と伝令信号通信路１０２とクロック通信路１０３（「パルス・クロック通信路」又は「パルス・クロック信号通信路」ともいう）を備える。

量子通信路１０１は、量子信号として光子を搬送する通信路である。量子通信路１０１が光ファイバを用いて長距離通信するものである場合、その後段に分散補償ファイバ１０４を接続して、光ファイバ固有の波長分散に伴う光パルス波形のくずれを補償してもよい。伝令信号通信路１０２は、後述する伝令信号を搬送する通信路である。クロック通信路１０３は、後述するクロック信号（「パルス・クロック信号」ともいう）を搬送する通信路である。伝令信号通信路１０２とクロック通信路１０３とは、光の通信路であってもよいし、電気信号の通信路であってもよい。

量子暗号送信装置２００は、量子通信装置の一例であり、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１と、量子信号変調部２０３と、伝令信号送信部２０５と、クロック信号送信部２０６と、タイミング調整器２０２とを備える。パルス駆動伝令付き単一光子源２０１は、信号生成部の一例である。量子信号変調部２０３は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力される単一光子の量子状態に信号変調を加える量子信号変調器２０４を含む。伝令信号送信部２０５は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力される伝令信号を伝令信号通信路１０２に送信するトランシーバ又はトランスミッタである。クロック信号送信部２０６は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１のポンプ源となるパルスレーザのクロック信号をクロック通信路１０３に送信するトランシーバ又はトランスミッタである。タイミング調整器２０２は、第１のタイミング調整部の一例であり、伝令信号をパルス・クロック信号に同期させて、量子信号変調器２０４に与える第１のトリガ信号（単に「トリガ信号」ともいう）を生成する。

伝令信号は、単一光子と同期して不規則な時間間隔で出力される信号であるが、単一光子との間には無視できないジッタがある。一方、パルス・クロック信号はポンプ光源のパルスレーザのクロック信号であるため、規則的に単一光子が出力されないタイムスロットでも出力される。ただし、単一光子との間のジッタは非常に小さい。フェムト秒パルスレーザをポンプ光源に用いた場合、そのジッタは１ｐｓ以下である。

量子暗号受信装置３００は、量子通信装置の一例であり、量子信号検出部３０４と、伝令信号受信部３０１と、クロック信号受信部３０２と、タイミング調整器３０３とを備える。量子信号検出部３０４は、量子通信路１０１を伝送された光子を検出する光子検出器３０６と、量子通信路１０１を伝送された光子の量子状態に信号復調を行う量子信号復調器３０５とを含む。この量子信号復調器３０５は、量子信号復調部の一例である。伝令信号受信部３０１は、伝令信号通信路１０２を伝送された伝令信号を受信するレシーバ又はトランシーバである。クロック信号受信部３０２は、クロック通信路１０３を伝送されたパルス・クロック信号を受信するレシーバ又はトランシーバである。タイミング調整器３０３は、第２のタイミング調整部の一例であり、伝令信号受信部３０１が受信した伝令信号を、クロック信号受信部３０２が受信したパルス・クロック信号に同期させて、光子検出器３０６及び量子信号復調器３０５に与える第２のトリガ信号（単に「トリガ信号」ともいう）を生成する。

なお、クロック通信路１０３に用いるトランスミッタ（即ち、クロック信号送信部２０６）、レシーバ（即ち、クロック信号受信部３０２）には低ジッタの高速動作が求められている。このため、場合によっては、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１のポンプ光源から出力されるパルスレーザ光の一部を分岐し、必要であれば通信路に適切な波長に波長変換して、光ファイバを用いて伝送するようなクロック通信路１０３の構成をとってもよい。

量子暗号では、互いに共役な測定手段をランダムに選択することで安全な通信を実現している。この測定手段を受信側で能動的に選択する場合には、量子信号検出部３０４において、量子信号復調器３０５を用いるが、受動的に選択する場合には、量子信号復調器３０５を用いる代わりに、測定に用いる光子検出器３０６を増やす構成をとる。前者の構成は、図１に示した通りであるが、後者の構成については、実施の形態３以降で説明する。

図２は、測定手段の選択を受信側で能動的に行う量子暗号光学系の一例を示す図である。図２では、簡単のため、制御系は省略している。図２では、特に、量子信号変調部２０３と量子信号検出部３０４との構成の一例を示している。

量子暗号送信装置２００では、位相変調器２０８を用いて能動的に量子状態を指定、及び、送信し、量子暗号受信装置３００でも、位相復調器３０７を用いて能動的に量子状態を測定する。また、位相復調器３０７の後に予め設定及び固定された測定手段に対応する非対称マッハツェンダ干渉計３０８があって、その測定手段に対応した光子検出器３０６ａ，ｂに導いている。この例では、量子暗号送信装置２００の量子信号変調部２０３においても、信号変調の処理を行うために、位相変調器２０８の前に非対称マッハツェンダ干渉計２０７を用いている。また、この例では、量子信号変調器２０４の一例として、位相変調器２０８を用いているが、代わりに偏光変調器などを用いても構わない。また、この例では、量子暗号受信装置３００の量子信号検出部３０４において、量子信号復調部の一例として、位相復調器３０７を用いているが、代わりに偏光復調器などを用いても構わない。

例えば、ある２ビット情報の量子暗号通信を行う場合、量子暗号送信装置２００において、不図示の入力装置は、その２ビット情報を不図示の処理装置に入力する。不図示の記憶装置がこの２ビット情報を記憶し、処理装置がこの２ビット情報を記憶装置から読み込んでもよい。処理装置は、この２ビット情報を電気信号に変換して、量子信号変調部２０３に入力する。量子信号変調部２０３は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力される光子対の一方の光子に対し、非対称マッハツェンダ干渉計２０７と位相変調器２０８とを用いて、処理装置から入力された電気信号による信号変調を施す。具体的には、位相変調器２０８が、｛０，π／２，π，（３／２）π｝の４種類の位相差で、光子の位相変調を行うことにより、その光子に２ビットの信号変調を施す。このような信号変調が施された光子は、量子通信路１０１を介して、量子暗号送信装置２００から量子暗号受信装置３００に伝送される。

量子暗号受信装置３００において、量子信号検出部３０４は、不図示の乱数生成器により１ビット乱数を生成し、生成した１ビット乱数を位相復調器３０７に入力する。量子信号検出部３０４は、量子通信路１０１にて伝送される光子に対し、位相復調器３０７を用いて、入力した１ビット乱数の電気信号による信号復調を施す。具体的には、位相復調器３０７が、１ビット乱数の値に応じて、光子の０又はπ／２の位相変調（即ち、位相復調）を行うことにより（例えば、１ビット乱数の値が“１”のときにπ／２の位相変調を行う）、その光子に信号復調を施す。位相復調器３０７には非対称マッハツェンダ干渉計３０８を介して光子検出器３０６ａ及び光子検出器３０６ｂを接続している。量子信号検出部３０４は、信号復調が施された光子が光子検出器３０６ａ及び光子検出器３０６ｂのいずれで検出されたかにより、上記２ビット情報の１ビットの値を特定する。ここで特定されたビットは、２ビット情報の残りの１ビットが上記１ビット乱数と同じ値をもつ場合に有効となる。例えば、光子検出器３０６ａが位相差０の光子を検出し、光子検出器３０６ｂが位相差πの光子を検出するものとする。この場合、量子通信路１０１にて伝送された光子の位相差が０又はπであって、位相復調器３０７が０の位相変調を行っている（即ち、位相変調を行っていない）ときには、量子信号検出部３０４が特定したビットは有効となる。一方、量子通信路１０１にて伝送された光子の位相差がπ／２又は（３／２）πであって、位相復調器３０７がπ／２の位相変調を行っているときには、量子信号検出部３０４が特定したビットは有効となる。不図示の出力装置は、量子信号検出部３０４が特定したビットを出力する。不図示の処理装置が、このビットを利用して、所定の処理を行ってもよい。このビットは、例えば、鍵情報、あるいは鍵情報の一部として利用可能である。

図３は、本実施の形態における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。

まず、量子暗号送信装置２００に含まれるパルス駆動伝令付き単一光子源２０１からパルス・クロック信号（「送信側クロック信号」）が規則正しく出力されている。ただし、単一光子の生成は確率的に生起するため、単一光子とそれに伴う伝令信号（「送信側伝令信号」）の出力は不規則に発生する。このとき、単一光子の生成タイミングは非常に精確にパルス・クロック信号と同期しているが、伝令信号は、単一光子生成タイミング及びパルス・クロック信号との同期において、５００ｐｓオーダのジッタを持っている。

量子暗号送信装置２００に含まれるタイミング調整器２０２は、伝令信号とパルス・クロック信号を取り込み、伝令信号が入力されたときのみ、パルス・クロック信号に精確に同期した第１のトリガ信号（「量子信号変調トリガ信号」）を出力し、量子信号変調器２０４を動作させる。これにより、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された単一光子が精確に信号変調を受けることになる。

次に、量子暗号送信装置２００に含まれるクロック信号送信部２０６と伝令信号送信部２０５を用いて、パルス・クロック信号と伝令信号が、それぞれ、クロック通信路１０３と伝令信号通信路１０２を介して量子暗号受信装置３００に伝送される。このとき、信号変調を受けた単一光子は量子通信路１０１を介して量子暗号受信装置３００に伝送されている。

量子暗号受信装置３００に伝送されたパルス・クロック信号（「受信側クロック信号」）と伝令信号（「受信側伝令信号」）は、それぞれ、クロック信号受信部３０２と伝令信号受信部３０１で受信され、量子暗号受信装置３００に含まれるタイミング調整器３０３に入力される。タイミング調整器３０３は伝令信号が入力されたときのみ、パルス・クロック信号に精確に同期した第２のトリガ信号（「光子検出トリガ信号」）を出力し、光子検出器３０６を動作させる。このとき、量子暗号受信装置３００に伝送された単一光子が光子検出器３０６に入力されるタイミングと、光子検出器３０６の動作タイミングは低ジッタで精確に同期しているため、安定した高効率の光子検出が可能である。

また、タイミング調整器３０３は、光子検出器３０６に対する第２のトリガ信号と同様に、伝令信号が入力されたときのみ、パルス・クロック信号に精確に同期した第２のトリガ信号（「量子信号復調トリガ信号」）を出力し、量子信号復調器３０５を動作させる。このため、量子暗号受信装置３００に伝送された単一光子に精確に同期して信号復調動作が実施できる。

図３に示すように、例えば、パルス・クロック信号のクロック周波数を８０ＭＨｚとした場合、クロックの単位時間は１２．５ｎｓとなる。よって、伝令信号のジッタが５ｎｓ程度に抑えられれば、伝令信号をパルス・クロック信号に同期させることが可能だと考えられる。前述したように、伝令信号のジッタは５００ｐｓ程度であるため、伝令信号をパルス・クロック信号に同期させることは十分に可能である。また、前述したように、パルス・クロック信号のジッタは１ｐｓ程度に抑えられるため、伝令信号をパルス・クロック信号に同期させて生成するトリガ信号のジッタを、１００ｐｓ程度に抑えることが可能である。これにより、光子検出器３０６の性能が量子通信の安定性及び効率性に及ぼす影響を低減させることが可能となる。

以上のように、量子暗号送信装置２００における量子信号変調タイミング、量子暗号受信装置３００における量子信号復調タイミング、光子検出タイミングを、単一光子の伝送タイミングに対して、ジッタの無視できない伝令信号のみではなく、ジッタの非常に小さいパルス・クロック信号に対しても同期をとるようにしているので、伝送される単一光子に対して、量子信号変調、量子信号復調、光子検出の各動作を安定させ、かつ高効率で実現することができる。

さらに、単一光子は確率的に不規則に発生するのであるが、規則正しく出力されるパルス・クロック信号に対して精確に同期して発生するので、他の光子源から発生した光子とのＢｅｌｌ測定などの２光子測定も容易に実現できる。これは、既存の量子暗号通信の通信距離限界が１００ｋｍ前後であること、Ｂｅｌｌ測定に基づく量子リピータ、量子リレーが実現できれば、大幅に通信距離を延伸できることを考慮すると、本実施の形態の量子通信システム１００は、量子リピータ、量子リレーを利用するのに好適な方式であり、大幅に通信距離を延伸できる。

図４は、本実施の形態における量子通信装置（即ち、量子暗号送信装置２００又は量子暗号受信装置３００）のハードウェア資源の一例を示す図である。

図４において、量子通信装置は、コンピュータであり、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ・Ｒａｙ・Ｔｕｂｅ）やＬＣＤ（液晶ディスプレイ）の表示画面を有する表示装置９０１、キーボード９０２（Ｋ／Ｂ）、マウス９０３、ＦＤＤ９０４（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ・Ｄｉｓｋ・Ｄｒｉｖｅ）、ＣＤＤ９０５（Ｃｏｍｐａｃｔ・Ｄｉｓｃ・Ｄｒｉｖｅ）、プリンタ装置９０６などのハードウェア資源を備え、これらはケーブルや信号線で接続されている。また、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）、ゲートウェイを介してインターネットに接続されている。

図４において、量子通信装置は、プログラムを実行するＣＰＵ９１１（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ）を備えている。ＣＰＵ９１１は、処理装置の一例である。ＣＰＵ９１１は、バス９１２を介してＲＯＭ９１３（Ｒｅａｄ・Ｏｎｌｙ・Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ９１４（Ｒａｎｄｏｍ・Ａｃｃｅｓｓ・Ｍｅｍｏｒｙ）、通信ボード９１５、表示装置９０１、キーボード９０２、マウス９０３、ＦＤＤ９０４、ＣＤＤ９０５、プリンタ装置９０６、磁気ディスク装置９２０と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。磁気ディスク装置９２０の代わりに、光ディスク装置、メモリカードリーダライタなどの記憶媒体が用いられてもよい。

ＲＡＭ９１４は、揮発性メモリの一例である。ＲＯＭ９１３、ＦＤＤ９０４、ＣＤＤ９０５、磁気ディスク装置９２０の記憶媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置の一例である。通信ボード９１５、キーボード９０２、ＦＤＤ９０４などは、入力装置の一例である。また、通信ボード９１５、表示装置９０１、プリンタ装置９０６などは、出力装置の一例である。

通信ボード９１５は、ＬＡＮなどに接続されている。通信ボード９１５は、ＬＡＮに限らず、インターネット、ＩＳＤＮ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ・Ｓｅｒｖｉｃｅｓ・Ｄｉｇｉｔａｌ・Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのＷＡＮ（ワイドエリアネットワーク）などに接続されていても構わない。インターネットあるいはＷＡＮなどに接続されている場合、ゲートウェイは不要となる。

磁気ディスク装置９２０には、オペレーティングシステム９２１（ＯＳ）、プログラム群９２３、ファイル群９２４が記憶されている。プログラム群９２３のプログラムは、ＣＰＵ９１１、オペレーティングシステム９２１により実行される。プログラム群９２３には、データや情報を処理するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ９１１により読み出され実行される。また、ファイル群９２４には、本実施の形態の説明において、「〜データ」、「〜情報」、「〜ＩＤ（ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）」、「〜フラグ」、「〜結果」として説明するデータや情報や信号値や変数値やパラメータが、「〜ファイル」や「〜データベース」や「〜テーブル」の各項目として記憶されている。「〜ファイル」や「〜データベース」や「〜テーブル」は、ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶されたデータや情報や信号値や変数値やパラメータは、読み書き回路を介してＣＰＵ９１１によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・計算・制御・出力・印刷・表示などのＣＰＵ９１１の処理（動作）に用いられる。抽出・検索・参照・比較・演算・計算・制御・出力・印刷・表示などのＣＰＵ９１１の処理中、データや情報や信号値や変数値やパラメータは、メインメモリやキャッシュメモリやバッファメモリに一時的に記憶される。

また、本実施の形態の説明において「〜部」、「〜手段」として説明するものは、「〜回路」、「〜装置」、「〜機器」であってもよく、また、「〜ステップ」、「〜工程」、「〜手順」、「〜処理」であってもよい。すなわち、「〜部」、「〜手段」として説明するものは、ＲＯＭ９１３に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。あるいは、ソフトウェアと、素子・デバイス・基板・配線などのハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実現されていても構わない。ファームウェアとソフトウェアは、プログラムとして、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどの記録媒体に記憶される。このプログラムはＣＰＵ９１１により読み出され、ＣＰＵ９１１により実行される。

図５は、量子暗号送信装置２００が、パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路１０１を介して送信する送信側の量子通信方法を示すフローチャートである。

量子暗号送信装置２００において、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１は、パラメトリック下方変換などにより光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を伝令信号として出力する（ステップＳ１０１）。タイミング調整器２０２は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力する（ステップＳ１０２）。量子信号変調部２０３は、タイミング調整器２０２から出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された量子信号に信号変調を施し（ステップＳ１０３）、信号変調が施された量子信号を、量子通信路１０１を介して送信する（ステップＳ１０４）。伝令信号送信部２０５は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号を、伝令信号通信路１０２を介して送信する（ステップＳ１０５）。クロック信号送信部２０６は、上記クロック信号を、クロック通信路１０３を介して送信する（ステップＳ１０６）。

図６は、量子暗号受信装置３００が、パルス駆動されて光子を出力する単一光子源（即ち、量子暗号送信装置２００に含まれるパルス駆動伝令付き単一光子源２０１）から量子信号として出力される光子を、量子暗号送信装置２００から量子通信路１０１を介して受信する受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。

量子暗号受信装置３００において、伝令信号受信部３０１は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置２００から伝令信号通信路１０２を介して受信する（ステップＳ２０１）。クロック信号受信部３０２は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号送信装置２００からクロック通信路１０３を介して受信する（ステップＳ２０２）。タイミング調整器３０３は、伝令信号受信部３０１により受信された伝令信号を、クロック信号受信部３０２により受信されたクロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する（ステップＳ２０３）。量子信号検出部３０４に含まれる量子信号復調器３０５は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、量子通信路１０１上に存在する量子信号に信号復調を施す（ステップＳ２０４）。量子信号検出部３０４は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、量子信号復調器３０５により信号復調が施された量子信号を検出する（ステップＳ２０５）。

以上、説明したように、本実施の形態では、パラメトリック下方変換などにより生成される伝令信号を出力するパルス駆動伝令付き単一光子源２０１を用いた量子暗号通信を行う量子通信システム１００が、量子通信路１０１、伝令信号通信路１０２、その他制御信号の伝送用の通信路に加えて、パラメトリック下方変換などのポンプ源として用いたパルスレーザのクロック信号を量子暗号送信装置２００から量子暗号受信装置３００へ伝送するクロック通信路１０３を備えたことを特徴とする。

上記量子暗号送信装置２００は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１と、単一光子の量子状態に信号変調を加える量子信号変調器２０４と、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号を伝令信号通信路１０２に送信する伝令信号送信部２０５と、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力されたパルス・クロック信号をクロック通信路１０３に送信するクロック信号送信部２０６と、伝令信号をパルス・クロック信号に高精度で同期させて、量子信号変調器２０４へのトリガ信号を生成するタイミング調整器２０２を備えたことを特徴とする。

上記量子暗号受信装置３００は、量子通信路１０１を伝送された光子を検出する光子検出器３０６と、伝令信号通信路１０２を伝送された伝令信号を受信する伝令信号受信部３０１と、クロック通信路１０３を伝送されたパルス・クロック信号を受信するクロック信号受信部３０２と、伝令信号をパルス・クロック信号に高精度で同期させて、光子検出器３０６へのトリガ信号を生成するタイミング調整器３０３を備えたことを特徴とする。

上記量子暗号受信装置３００は、量子通信路１０１を伝送された光子に信号復調を施す量子信号復調器３０５と、伝令信号をパルス・クロック信号に高精度で同期させて、量子信号復調器３０５へのトリガ信号を生成するタイミング調整器３０３を備えたことを特徴とする。

上記量子通信システム１００は、量子通信路１０１である光ファイバの後段に分散補償ファイバ１０４を使うことを特徴とする。

以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能となる。また、受信側の量子通信装置において、光子検出器の数が少ない構成をとっているため、構成が相対的にコンパクトになる。そして、コストも相対的に低くなる。

実施の形態２．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

実施の形態１においては、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１のポンプ光源であるパルスレーザをマスタクロックとする構成をとったが、本実施の形態では、２つの量子暗号通信装置間で、低ジッタでクロックを共有し、この共有クロックをマスタとして、ポンプ光源であるパルスレーザを同期及び駆動する。

したがって、実施の形態１では、量子通信システム１００において、トリガ信号を生成するために伝令信号を同期させるクロック信号は、量子暗号送信装置２００から量子暗号受信装置３００に送信していたが、本実施の形態では、量子暗号受信装置３００から量子暗号送信装置２００に送信する。

図７は、本実施の形態に係る量子通信システム１００の構成を示すブロック図である。

実施の形態１で説明した図１との主な差異は、量子暗号送信装置２００が、クロック信号送信部２０６の代わりにクロック信号受信部２０９を備えることと、量子暗号受信装置３００が、クロック信号受信部３０２の代わりにクロック信号送信部３０９を備えることである。

量子暗号受信装置３００において、クロック信号送信部３０９は、例えばタイミング調整器３０３が内蔵するクロックにより生成されるクロック信号をクロック通信路１０３に送信するトランシーバ又はトランスミッタである。タイミング調整器３０３は、伝令信号受信部３０１が受信した伝令信号を、自己に内蔵されたクロックが生成するクロック信号に同期させて、光子検出器３０６及び量子信号復調器３０５に与える第２のトリガ信号を生成する。

量子暗号送信装置２００において、クロック信号受信部２０９は、クロック通信路１０３を伝送されたクロック信号を受信するレシーバ又はトランシーバである。タイミング調整器２０２は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力される伝令信号を、クロック信号受信部２０９が受信したクロック信号に同期させて、量子信号変調器２０４に与える第１のトリガ信号を生成する。

図８は、送信側の量子通信方法を示すフローチャートである。

量子暗号送信装置２００において、クロック信号受信部２０９は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号受信装置３００からクロック通信路１０３を介して受信する（ステップＳ１１１）。パルス駆動伝令付き単一光子源２０１は、クロック信号受信部２０９により受信されたクロック信号に同期して駆動し、パラメトリック下方変換などにより光子対を生成する（ステップＳ１１２）。そして、当該光子対の一方の光子を量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を伝令信号として出力する。タイミング調整器２０２は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、クロック信号受信部２０９により受信されたクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力する（ステップＳ１１３）。量子信号変調部２０３は、タイミング調整器２０２から出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された量子信号に信号変調を施し（ステップＳ１１４）、信号変調が施された量子信号を、量子通信路１０１を介して送信する（ステップＳ１１５）。伝令信号送信部２０５は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号を、伝令信号通信路１０２を介して送信する（ステップＳ１１６）。

図９は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。

量子暗号受信装置３００において、クロック信号送信部３０９は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、クロック通信路１０３を介して送信する（ステップＳ２１１）。伝令信号受信部３０１は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置２００から伝令信号通信路１０２を介して受信する（ステップＳ２１２）。タイミング調整器３０３は、伝令信号受信部３０１により受信された伝令信号を、上記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する（ステップＳ２１３）。量子信号検出部３０４に含まれる量子信号復調器３０５は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、量子通信路１０１上に存在する量子信号に信号復調を施す（ステップＳ２１４）。量子信号検出部３０４は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、量子信号復調器３０５により信号復調が施された量子信号を検出する（ステップＳ２１５）。

以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能となる。また、そのために用いるクロック信号の供給元を送信側の量子通信装置以外に設けることができる。

実施の形態３．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

実施の形態１では、量子暗号受信装置３００の量子信号検出部３０４において、量子信号復調器３０５を用いる構成をとり、量子暗号送信装置２００から送信される光子の量子状態の測定手段を能動的に選択していたが、本実施の形態では、量子信号復調器３０５を用いる代わりに、測定に用いる光子検出器３０６を増やす構成をとり、量子状態の測定手段を受動的に選択する。

図１０は、本実施の形態に係る量子通信システム１００の構成を示すブロック図である。

実施の形態１で説明した図１との主な差異は、量子暗号受信装置３００の量子信号検出部３０４が、量子信号復調器３０５の代わりにビームスプリッタ３１０を含むことである。

量子暗号受信装置３００において、ビームスプリッタ３１０は、量子通信路１０１を介して量子暗号送信装置２００から伝送される光子の光路を、受動的に、かつ、ランダムに選択する。光子検出器３０６は、ビームスプリッタ３１０が選択した光路上の光子を検出する。量子信号検出部３０４が量子信号復調器３０５を含まないため、タイミング調整器３０３は、第２のトリガ信号を光子検出器３０６のみに与えればよい。

図１１は、測定手段の選択を受信側で受動的に行う量子暗号光学系の一例を示す図である。図１１では、簡単のため、制御系は省略している。図１１では、特に、量子信号変調部２０３と量子信号検出部３０４との構成の一例を示している。

量子暗号送信装置２００では、位相変調器２０８を用いて能動的に量子状態を指定、及び、送信するが、量子暗号受信装置３００では、ビームスプリッタ３１０で受動的に、かつ、ランダムに光路を選択する。それぞれの光路には予め設定及び固定された測定手段に対応する非対称マッハツェンダ干渉計３０８ａ，ｂがあって、各測定手段に対応した光子検出器３０６ａ〜ｄに導いている。この例では、量子暗号送信装置２００の量子信号変調部２０３においても、信号変調の処理を行うために、位相変調器２０８の前に非対称マッハツェンダ干渉計２０７を用いている。また、この例では、量子信号変調器２０４の一例として、位相変調器２０８を用いているが、代わりに偏光変調器などを用いても構わない。また、この例では、量子暗号受信装置３００の量子信号検出部３０４において、量子信号分岐部の一例として、ビームスプリッタ３１０を用いている。

量子暗号受信装置３００において、量子信号検出部３０４は、量子通信路１０１にて伝送される光子の光路をビームスプリッタ３１０により２つの光路に分岐させる。この例では、ビームスプリッタ３１０は、５０対５０の無偏光ビームスプリッタとする。このビームスプリッタ３１０で分岐された一方の光路には非対称マッハツェンダ干渉計３０８ａを介して光子検出器３０６ａ及び光子検出器３０６ｂを接続し、他方の光路には非対称マッハツェンダ干渉計３０８ａを介して光子検出器３０６ｃ及び光子検出器３０６ｄを接続している。量子信号検出部３０４は、量子通信路１０１にて伝送された光子が光子検出器３０６ａ〜ｄのいずれで検出されたかにより、上記２ビット情報の２ビットの値を特定する。ここで特定された２ビットのうち１ビットは、残りの１ビットの値が対応する光路とビームスプリッタ３１０で選択された光路とが一致する場合に有効となる。例えば、非対称マッハツェンダ干渉計３０８ａが位相差０又はπの光子を出力し、非対称マッハツェンダ干渉計３０８ｂが位相差π／２又は（３／２）πの光子を出力するように調整されているものとする。また、光子検出器３０６ａが位相差０の光子を検出し、光子検出器３０６ｂが位相差πの光子を検出し、光子検出器３０６ｃが位相差π／２の光子を検出し、光子検出器３０６ｄが位相差（３／２）πの光子を検出するものとする。この場合、量子通信路１０１にて伝送された光子の位相差が０又はπであって、ビームスプリッタ３１０が非対称マッハツェンダ干渉計３０８ａを接続する光路を選択しているときには、量子信号検出部３０４が特定したビットは有効となる。一方、量子通信路１０１にて伝送された光子の位相差がπ／２又は（３／２）πであって、ビームスプリッタ３１０が非対称マッハツェンダ干渉計３０８ｂを接続する光路を選択しているときには、量子信号検出部３０４が特定したビットは有効となる。不図示の出力装置は、量子信号検出部３０４が特定したビットを出力する。不図示の処理装置が、このビットを利用して、所定の処理を行ってもよい。このビットは、例えば、鍵情報、あるいは鍵情報の一部として利用可能である。

図１２は、本実施の形態における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。図１２は、受信側で量子信号復調器３０５を動作させるための第２のトリガ信号（「量子信号復調トリガ信号」）が不要であること以外は、実施の形態１で説明した図３と同様である。

図１３は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。送信側の量子通信方法は、実施の形態１で図５に示したものと同様である。

量子暗号受信装置３００において、伝令信号受信部３０１は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置２００から伝令信号通信路１０２を介して受信する（ステップＳ２２１）。クロック信号受信部３０２は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号送信装置２００からクロック通信路１０３を介して受信する（ステップＳ２２２）。タイミング調整器３０３は、伝令信号受信部３０１により受信された伝令信号を、クロック信号受信部３０２により受信されたクロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する（ステップＳ２２３）。量子信号検出部３０４に含まれるビームスプリッタ３１０は、量子通信路１０１を分岐する（ステップＳ２２４）。量子信号検出部３０４は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、ビームスプリッタ３１０によりにより分岐された量子通信路１０１上に存在する量子信号を検出する（ステップＳ２２５）。

以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能となる。また、受信側の量子通信装置において、量子信号復調器を用いない構成をとっているため、量子信号復調器に与えるトリガ信号が不要となり、制御が相対的に容易になる。

実施の形態４．
本実施の形態について、主に実施の形態３との差異を説明する。

実施の形態３では、実施の形態１と同様に、量子通信システム１００において、トリガ信号を生成するために伝令信号を同期させるクロック信号は、量子暗号送信装置２００から量子暗号受信装置３００に送信していたが、本実施の形態では、実施の形態２と同様に、量子暗号受信装置３００から量子暗号送信装置２００に送信する。

図１４は、本実施の形態に係る量子通信システム１００の構成を示すブロック図である。

実施の形態３で説明した図１０との主な差異は、量子暗号送信装置２００が、クロック信号送信部２０６の代わりにクロック信号受信部２０９を備えることと、量子暗号受信装置３００が、クロック信号受信部３０２の代わりにクロック信号送信部３０９を備えることである。クロック信号送信部３０９とクロック信号受信部２０９の機能は、実施の形態２で図７に示したものと同様である。

図１５は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。送信側の量子通信方法は、実施の形態２で図８に示したものと同様である。

量子暗号受信装置３００において、クロック信号送信部３０９は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、クロック通信路１０３を介して送信する（ステップＳ２３１）。伝令信号受信部３０１は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路１０１上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置２００から伝令信号通信路１０２を介して受信する（ステップＳ２３２）。タイミング調整器３０３は、伝令信号受信部３０１により受信された伝令信号を、上記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する（ステップＳ２３３）。量子信号検出部３０４に含まれるビームスプリッタ３１０は、量子通信路１０１を分岐する（ステップＳ２３４）。量子信号検出部３０４は、タイミング調整器３０３から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、ビームスプリッタ３１０によりにより分岐された量子通信路１０１上に存在する量子信号を検出する（ステップＳ２３５）。

実施の形態５．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

実施の形態１では、量子暗号送信装置２００において、伝令信号としてはパルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号をそのまま用いていたが、本実施の形態では、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号と同じく出力されたパルス・クロック信号とを論理積演算ゲートに入力し、当該ゲートから出力された信号を伝令信号として用いる。

図１６は、本実施の形態に係る量子通信システム１００の構成を示すブロック図である。

実施の形態１で説明した図１との主な差異は、量子暗号送信装置２００が、信号生成部として、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１だけでなく、ＡＮＤゲート２１０（論理積演算ゲート）を備えることである。本実施の形態では、信号生成部は、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１により光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を量子信号として出力するとともに、ＡＮＤゲート２１０により当該光子対の他方の光子（即ち、伝令信号）とクロック信号との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて伝令信号として出力する。

例えば、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１において、伝令信号が光から電気信号へと変換される際に、伝令信号にエラーが発生することがある。本実施の形態では、ＡＮＤゲート２１０が伝令信号とパルス・クロック信号の論理積演算を行い、その結果を改めて伝令信号とすることで、そのような伝令信号のエラーの影響をパルス・クロック信号のタイミングに制限することが可能となる。つまり、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令信号のエラーの影響を低減させることができる。そして、結果的に、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）が高くなる。

本実施の形態と実施の形態１との差異を、前述した実施の形態２〜４に適用しても構わない。つまり、実施の形態２〜４でも、量子暗号送信装置２００において、伝令信号としてはパルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号をそのまま用いていたが、本実施の形態と同様に、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号と同じく出力された（あるいは、量子暗号受信装置３００から受信した）クロック信号とを論理積演算ゲートに入力し、当該ゲートから出力された信号を伝令信号として用いてもよい。

上記のように、本実施の形態では、ＡＮＤゲート２１０を用いて、パルス駆動伝令付き単一光子源２０１から出力された伝令信号とパルス・クロック信号との論理積演算を行うことにより、伝令信号がパルス・クロック信号の立ち上がり時にのみ（信号生成部から）出力されるようにしている。そうすることで、上記のように伝令信号のエラーの影響をパルス・クロック信号のタイミングに制限することが可能となる。伝令信号がパルス・クロック信号の立ち上がり時にのみ出力されるようにするためには、信号生成部が、ＡＮＤゲート２１０以外の手段を用いて、伝令信号とパルス・クロック信号との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて伝令信号として出力してもよい。また、信号生成部が、論理積演算以外の方法（例えば、否定論理和演算、否定論理積演算、論理和演算、又はこれらの任意の組み合わせ）で、伝令信号をパルス・クロック信号により制御し、制御された伝令信号を出力してもよい。

以上、複数の実施の形態について説明したが、これらのうち、２つ以上の実施の形態を組み合わせて実施しても構わない。また、いずれの実施の形態においても、各量子通信装置が送信側及び受信側の両方の構成を含んでも構わない。

実施の形態１に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１における量子信号変調部と量子信号検出部との構成の一例を示す図である。実施の形態１における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。実施の形態１における量子通信装置のハードウェア資源の一例を示す図である。実施の形態１に係る量子通信方法（送信側）を示すフローチャートである。実施の形態１に係る量子通信方法（受信側）を示すフローチャートである。実施の形態２に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る量子通信方法（送信側）を示すフローチャートである。実施の形態２に係る量子通信方法（受信側）を示すフローチャートである。実施の形態３に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態３における量子信号変調部と量子信号検出部との構成の一例を示す図である。実施の形態３における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。実施の形態３に係る量子通信方法（受信側）を示すフローチャートである。実施の形態４に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態４に係る量子通信方法（受信側）を示すフローチャートである。実施の形態５に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００量子通信システム、１０１量子通信路、１０２伝令信号通信路、１０３クロック通信路、１０４分散補償ファイバ、２００量子暗号送信装置、２０１パルス駆動伝令付き単一光子源、２０２タイミング調整器、２０３量子信号変調部、２０４量子信号変調器、２０５伝令信号送信部、２０６クロック信号送信部、２０７非対称マッハツェンダ干渉計、２０８位相変調器、２０９クロック信号受信部、２１０ＡＮＤゲート、３００量子暗号受信装置、３０１伝令信号受信部、３０２クロック信号受信部、３０３タイミング調整器、３０４量子信号検出部、３０５量子信号復調器、３０６光子検出器、３０７位相復調器、３０８非対称マッハツェンダ干渉計、３０９クロック信号送信部、３１０ビームスプリッタ、９０１表示装置、９０２キーボード、９０３マウス、９０４ＦＤＤ、９０５ＣＤＤ、９０６プリンタ装置、９１１ＣＰＵ、９１２バス、９１３ＲＯＭ、９１４ＲＡＭ、９１５通信ボード、９２０磁気ディスク装置、９２１オペレーティングシステム、９２３プログラム群、９２４ファイル群。

Claims

パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して送信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信する量子信号変調部と、
前記伝令信号を、伝令信号通信路を介して送信する伝令信号送信部とを備えることを特徴とする量子通信装置。
前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を備えることを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、
前記タイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
前記量子通信装置は、さらに、
前記単一光子源により光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を前記量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を前記伝令信号として出力する信号生成部を備え、
前記量子信号変調部は、前記信号生成部から出力された量子信号に信号変調を施し、
前記伝令信号送信部は、前記信号生成部から出力された伝令信号を送信することを特徴とする請求項１に記載の量子通信装置。
前記信号生成部は、パラメトリック下方変換により前記光子対を生成することを特徴とする請求項４に記載の量子通信装置。
前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号と前記クロック信号との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて前記伝令信号として出力することを特徴とする請求項４に記載の量子通信装置。
前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号を前記クロック信号により制御し、制御された伝令信号を出力することを特徴とする請求項４に記載の量子通信装置。
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して受信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、伝令信号通信路を介して受信する伝令信号受信部と、
前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子通信路上に存在する量子信号を検出する量子信号検出部とを備えることを特徴とする量子通信装置。
前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、
前記タイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として出力することを特徴とする請求項８に記載の量子通信装置。
前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を備えることを特徴とする請求項８に記載の量子通信装置。
前記量子信号検出部は、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子通信路上に存在する量子信号に信号復調を施す量子信号復調部を含み、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号復調部により信号復調が施された量子信号を検出することを特徴とする請求項８に記載の量子通信装置。
前記量子信号検出部は、前記量子通信路を分岐する量子信号分岐部を含み、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号分岐部により分岐された量子通信路上に存在する量子信号を検出することを特徴とする請求項８に記載の量子通信装置。
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を送受信する量子通信システムにおいて、
前記単一光子源から出力された量子信号を搬送する量子通信路と、
前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を搬送する伝令信号通信路と、
前記伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力する第１のタイミング調整部と、前記第１のタイミング調整部から出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信する量子信号変調部と、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送信する伝令信号送信部とを含む第１の量子通信装置と、
前記伝令信号送信部により送信された伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して受信する伝令信号受信部と、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力する第２のタイミング調整部と、前記第２のタイミング調整部から出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号変調部により前記量子通信路上に送信された量子信号を検出する量子信号検出部とを含む第２の量子通信装置とを備えることを特徴とする量子通信システム。
前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第１の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第２の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、
前記第２のタイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記第２のトリガ信号として出力することを特徴とする請求項１３に記載の量子通信システム。
前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第２の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第１の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、
前記第１のタイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記第１のトリガ信号として出力することを特徴とする請求項１３に記載の量子通信システム。
前記量子通信路は、光ファイバの後段に分散補償ファイバを使用したものであることを特徴とする請求項１３に記載の量子通信システム。
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子を、量子通信路を介して送受信する量子通信方法において、
第１の量子通信装置にて、前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第１のトリガ信号として出力し、
前記第１の量子通信装置にて、前記第１のトリガ信号の出力により出力された第１のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信し、
前記第１の量子通信装置にて、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送信し、
第２の量子通信装置にて、前記伝令信号の送信により送信された伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して受信し、
前記第２の量子通信装置にて、前記伝令信号の受信により受信された伝令信号を、前記クロック信号に同期させて、第２のトリガ信号として出力し、
前記第２の量子通信装置にて、前記第２のトリガ信号の出力により出力された第２のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号の送信により前記量子通信路上に送信された量子信号を検出することを特徴とする量子通信方法。