JPWO2010103677A1 - Cryptographic communication system - Google Patents

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Abstract

現在の光ファイバ網を利用して、情報漏えいに関して高い安全性を持った通信を実現する。(1) 送受信者間で予め種鍵を共有し、揺らぎを伴ったキャリア光を用い、乱数で決定される基底を用いて乱数を送受信する。送受信者は種鍵で決まる共有基底と乱数基底を照合し、一致したスロットに重畳された乱数信号のみを採用し、送受信者間で乱数を共有する。この際、キャリア光に揺らぎがあるので受信結果にビット誤りがあるが、種鍵のおかげで正規受信者は不正受信者よりも小さいビット誤り率で受信できる。(2) 送受信者間で共有された乱数をプライバシアンプにより安全な情報量まで情報量を減らして、それを秘密鍵とする。(3) 得られた秘密鍵により実際の信号を送受信する。Utilizing the current optical fiber network, we will realize highly secure communications for information leakage. (1) A seed key is shared in advance between the sender and receiver, and carrier light with fluctuation is used, and a random number is transmitted and received using a base determined by the random number. The sender / receiver collates the shared basis determined by the seed key and the random number basis, adopts only the random number signal superimposed on the matched slot, and shares the random number between the sender / receiver. At this time, there is a bit error in the reception result because the carrier light fluctuates, but thanks to the seed key, the legitimate receiver can receive with a bit error rate smaller than the illegal receiver. (2) The random amount shared between the sender and receiver is reduced to a safe amount of information by a privacy amplifier, and is used as a secret key. (3) Send and receive actual signals using the obtained secret key.

Description

本発明は光通信システムに関し、特に光通信において安全性を向上させた暗号通信システムに関する。   The present invention relates to an optical communication system, and more particularly to an encryption communication system with improved safety in optical communication.

通信における秘匿性の要求は古来より未来に亘る永遠のテーマであり、近年のネットワーク社会においては暗号学の発展によりその要求を確保してきた。暗号は共通鍵方式と公開鍵方式に大別できる。共通鍵方式は盗聴されても容易に解読できないことが安全性の根拠であり、公開鍵は解読アルゴリズムが知られているものの解読に非現実的な時間を要することが安全性の根拠である。しかしながら、共通鍵の場合は解読法が発見される可能性があり、また公開鍵の場合も現在知られている解読アルゴリズムよりも高速な解法が発見される可能性があると共に、量子コンピュータが実現すれば現在のアルゴリズムを用いても比較的容易に解読されてしまうため、量子暗号が注目されることになった。   The demand for confidentiality in communications has been an eternal theme from the past to the future, and in the recent network society, the demand has been secured by the development of cryptography. Ciphers can be broadly divided into common key systems and public key systems. The reason for security is that the common key method cannot be easily deciphered even if it is eavesdropped, and the reason for safety is that the public key requires an unrealistic time to decipher although the deciphering algorithm is known. However, in the case of a common key, a cryptanalysis method may be discovered, and in the case of a public key, a faster solution than the currently known decryption algorithm may be discovered, and a quantum computer is realized. As a result, quantum cryptography has attracted attention because it can be decrypted relatively easily using the current algorithm.

量子暗号は量子力学的性質を利用して物理法則的に安全性を保証しようとするものである。通常の暗号が盗聴できても解読が困難であることを安全性の拠り所にしているのに対して、量子暗号は物理法則的に安全性を実現するため、解読法や計算機の進歩があっても安全性が脅かされる心配がない(非特許文献1)。しかし、当然のことながら量子暗号は量子力学的状態を利用するのが条件である。量子力学的状態は環境との相互作用により容易に元の状態から変化する(ディコヒーレンス)ので、量子暗号を現実の通信系に応用する場合は制限事項が多い。光ファイバのような伝送路には必ず損失があり、損失は量子状態を変化させる。従って、量子暗号はまず距離の制限を受ける。例えば100km程度が最大伝送距離である。損失があればその分を補償するため増幅するのが通常の通信であるが、増幅も元の状態をディコヒーレンスさせるので量子暗号では許されない。さらに超微弱光を利用するのが量子暗号の特徴である。こういった性質の量子暗号を運用するためには現在の光通信システムを再構築しなければならない問題もある。以上見たように、量子暗号を運用するには多くの制限事項があることが分かる。   Quantum cryptography uses a quantum mechanical property to try to guarantee security based on physical laws. Whereas it is based on the safety that ordinary ciphers can be eavesdropped and difficult to decipher, quantum ciphers achieve safety in terms of physical laws. However, there is no worry that the safety will be threatened (Non-patent Document 1). However, as a matter of course, the quantum cryptography must use the quantum mechanical state. The quantum mechanical state easily changes from its original state (decoherence) due to interaction with the environment (decoherence), so there are many restrictions when applying quantum cryptography to an actual communication system. A transmission line such as an optical fiber always has a loss, and the loss changes the quantum state. Therefore, quantum cryptography is first limited in distance. For example, the maximum transmission distance is about 100 km. If there is a loss, it is normal communication to amplify to compensate for that, but amplification is also not allowed in quantum cryptography because it decoherens the original state. Furthermore, the feature of quantum cryptography is to use ultra-weak light. In order to operate such a quantum cryptography, there is a problem that the current optical communication system must be reconstructed. As seen above, it can be seen that there are many restrictions in operating quantum cryptography.

以上の量子暗号における課題を解決することを目指して提案されたのがαηスキームと呼ばれる方法で、信号基底を位相空間上で多値にし、隣り合う基底を量子揺らぎの範囲内に設定して盗聴者に正確な情報を与えないようにしたものである(非特許文献2)。このスキームは量子揺らぎを安全性の根拠においているため、信号光強度が大きすぎると量子揺らぎの効果が無視できるようになり、十分な安全性が得られなくなる。量子暗号よりは大きい光強度を利用できるが、通常の光通信における強度に比べれば十分に弱い強度である必要がある。そこで通常の光通信並みの光強度でも適用できるものとして提案されたのがアンチスクイーズを用いた方法である(特許文献1)。多値基底とアンチスクイーズした(広がった)揺らぎを利用して盗聴を困難にしようとするものである。アンチスクイーズした揺らぎは量子揺らぎよりも十分に大きくしたものなので、もはや量子的というよりは古典的揺らぎと言える。   A method called the αη scheme was proposed to solve the above-mentioned problems in quantum cryptography, and wiretapping was performed by setting signal bases to multiple values in phase space and setting adjacent bases within the range of quantum fluctuations. In such a case, accurate information is not given to a person (Non-patent Document 2). Since this scheme uses quantum fluctuations as a basis for safety, if the signal light intensity is too large, the effect of quantum fluctuations can be ignored, and sufficient safety cannot be obtained. Light intensity greater than that of quantum cryptography can be used, but the intensity needs to be sufficiently weaker than that in normal optical communication. Therefore, a method using anti-squeeze has been proposed as being applicable even with light intensity comparable to that of normal optical communication (Patent Document 1). It tries to make eavesdropping difficult by using multi-valued bases and anti-squeezed (spread) fluctuations. Anti-squeezed fluctuations are much larger than quantum fluctuations, so they are no longer quantum but classical fluctuations.

通信の安全性を情報理論的に考察した場合は、信号光が量子的であるか古典的であるかを区別しない(非特許文献3,4)。送信者・正規受信者間の相互情報量I(X;Y)と送信者・不正受信者間の相互情報量I(X;Z)の差により、安全な情報量C=I(X;Y)−I(X;Z)が得られる。相互情報量Iはビット誤り率(BER)の関数で、ビット誤りがない場合には送信者の情報源エントロピーH(A)に一致し、BERの増加と共に減少する。不正受信者のBER(EE)が正規受信者のBER(EB)よりも大きければ安全な情報量(C>0)が確保され、情報論的に安全な通信が可能になる。情報論的に安全性を実現するために重要な点は、正規受信者と不正受信者の間に如何に差異を形成しEE>EBを実現するかにある。量子暗号では量子力学的性質を利用して盗聴された際に正規の送受信者がそれを検知する機能があり、それを利用してEE>EBを実現する。量子暗号のそれ以外の部分では量子力学的性質は利用しない。従って、量子力学的性質を利用しなくてもEE>EBを実現できる方法があれば安全な通信は可能である。
特開2007−129386号公報 N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, Rev. Mod. Phys. 74, 145 - 195 (2002). G. A. Barbosa, E. Corndorf, P. Kumar and H. P. Yuen, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 227901. A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst. Tech. J., 54, 1335 (1975). U. M. Maurer, “Secret key agreement by public discussion from common information,” IEEE Trans. Inf. Theory, 39, 733 (1993).
When considering the safety of communication in terms of information theory, it is not distinguished whether the signal light is quantum or classical (Non-Patent Documents 3 and 4). Due to the difference between the mutual information amount I (X; Y) between the sender and the regular receiver and the mutual information amount I (X; Z) between the sender and the unauthorized receiver, a safe information amount C = I (X; Y ) -I (X; Z) is obtained. The mutual information amount I is a function of the bit error rate (BER). When there is no bit error, the mutual information amount I coincides with the information source entropy H (A) of the sender and decreases as the BER increases. If the BER (E E ) of the unauthorized recipient is larger than the BER (E B ) of the regular recipient, a safe amount of information (C> 0) is secured, and information-safe communication is possible. An important point in realizing information security is how to form a difference between an authorized recipient and an unauthorized recipient to achieve E E > E B. In the quantum cryptography, there is a function in which a legitimate transmitter / receiver detects when eavesdropping is performed using quantum mechanical properties, and E E > E B is realized by using the function. The quantum mechanical properties are not used in other parts of the quantum cryptography. Therefore, safe communication is possible if there is a method that can realize E E > E B without using quantum mechanical properties.
JP 2007-129386 A N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, Rev. Mod. Phys. 74, 145-195 (2002). GA Barbosa, E. Corndorf, P. Kumar and HP Yuen, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 227901. AD Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst. Tech. J., 54, 1335 (1975). UM Maurer, “Secret key agreement by public discussion from common information,” IEEE Trans. Inf. Theory, 39, 733 (1993).

安全性を画期的に向上させるものとして量子暗号が登場したが、現実的に運用するには課題も多く、それを解決するひとつの方法はアンチスクイーズした光のような、古典的な揺らぎを伴ったキャリア光を用いることである。しかしながら、安全な通信を実現するために必要とされる正規受信者と不正受信者間の差異を如何に形成するかは未解決の課題である。本発明では古典揺らぎを利用してこの差異を形成するための方法を開示する。   Quantum cryptography has emerged as a breakthrough improvement in security, but there are many problems in practical use, and one way to solve it is to use classic fluctuations like anti-squeezed light. The accompanying carrier light is used. However, it is an unresolved issue how to form the difference between a legitimate recipient and an unauthorized recipient that is required to realize secure communication. The present invention discloses a method for forming this difference using classical fluctuations.

送受信者間で種鍵を共有することで、正規受信者と不正受信者間に差異を形成する。古典的な揺らぎを伴うキャリア光を用いて、2値の乱数を2基底(一般的にはn及びmを正整数としてn値m基底)で送信する。2つ基底のうちどちらを採用するかも乱数で決定する。理想的に運用した場合、乱数基底の乱数信号なので不正受信者は何の情報も得られない。正規の送受信者は、共有した種鍵を用いて乱数信号を送受信する基底の時系列を共有する(共有基底)。送受信する乱数をすべて信号とみなすのではなく、乱数基底と共有基底を1ビットごとに比較し、一致した場合のみ、そこに重畳された乱数を正規の送受信者間で共有する。正規受信者が乱数基底と共有基底を照合する際にはキャリア光の揺らぎのために判定誤りが発生するが、誤り訂正符号を用いることにより訂正される。正規受信者は基底情報があるので原理的には既知のひとつの基底で2値判定するだけでよいが、不正受信者は基底情報を持たないので2基底で2値判定しなければならない。不正受信者には信号が4値に見えることになる。4値信号から2値判定した場合のBERは2値信号から2値判定する場合よりも大きくなる。これが正規受信者と不正受信者間の差異である。この差異分に相当する情報量が安全な情報量の元になる。誤り訂正符号の冗長度に応じてその安全な情報量を補正し、送受信者間で共有した乱数からプライバシアンプによりその補正した情報量の乱数を生成すれば、安全な秘密鍵が得られる。得られた秘密鍵を用いて実際の信号を暗号通信することにより安全な通信を実現する。   By sharing the seed key between the sender and receiver, a difference is formed between the authorized recipient and the unauthorized recipient. A binary random number is transmitted on two bases (generally, n and m are positive integers and n-value m-base) using a carrier light with classical fluctuation. Which of the two bases is adopted is determined by a random number. When operated ideally, since it is a random number-based random number signal, an unauthorized recipient cannot obtain any information. A regular sender / receiver shares a base time series for transmitting / receiving a random number signal using a shared seed key (shared base). Random numbers to be transmitted / received are not regarded as signals, but a random number base and a shared base are compared bit by bit, and only when they match, a random number superimposed thereon is shared between authorized senders and receivers. When a regular receiver collates a random number basis and a shared basis, a determination error occurs due to fluctuation of the carrier light, but it is corrected by using an error correction code. Since a legitimate receiver has base information, in principle, it is only necessary to make a binary decision with one known base. However, since an illegal receiver has no base information, a binary judgment must be made with two bases. The signal appears to the quaternary to the unauthorized recipient. The BER when the binary determination is made from the quaternary signal is larger than that when the binary determination is made from the binary signal. This is the difference between legitimate recipients and unauthorized recipients. The amount of information corresponding to this difference is the source of safe information. A safe secret key can be obtained by correcting the safe information amount according to the redundancy of the error correction code and generating a random number of the corrected information amount by a privacy amplifier from a random number shared between the sender and the receiver. Using the obtained secret key, secure communication is realized by performing encrypted communication of an actual signal.

本発明は、種鍵を元手に新たな暗号鍵(秘密鍵)を生成している。本方法は種鍵を元手にしているものの、新たに生成された秘密鍵は情報論的に安全性が保証されたものなので、種鍵に対する総当り攻撃以外に有効な攻撃法がないことになる。暗号において種鍵に対する総当り攻撃よりも有効な攻撃法が無い場合、それは十分に安全とみなされる。その意味で本発明は十分に安全な通信システムを実現する。さらに本発明で利用する揺らぎは古典的なものなので、損失及び増幅に対して耐性があり、量子状態を伝送する場合のような伝送距離の制限を受けない。本発明によれば、既存の光ファイバネットワークを利用して、長距離に亘って安全な通信が可能になる。   In the present invention, a new encryption key (secret key) is generated using a seed key as a starting point. Although this method is based on a seed key, there is no effective attack method other than a brute force attack on the seed key because the newly generated secret key has been guaranteed in terms of information theory. Become. If there is no more effective attack method than a brute force attack on a seed key in cryptography, it is considered sufficiently secure. In that sense, the present invention realizes a sufficiently secure communication system. Furthermore, since the fluctuations used in the present invention are classical, they are resistant to loss and amplification, and are not subject to transmission distance limitations as in the case of transmitting quantum states. According to the present invention, it is possible to perform safe communication over a long distance using an existing optical fiber network.

本発明の物理的原理を示した図である。It is the figure which showed the physical principle of this invention. 本発明を実現するための原理を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the principle for implement | achieving this invention. 本発明による暗号通信システムの構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the encryption communication system by this invention. 図3のブロック図に基づいて本発明を実現した場合の信号例を示す図である。It is a figure which shows the signal example at the time of implement | achieving this invention based on the block diagram of FIG. 位相空間上の信号値を表す領域と揺らぎの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the area | region showing the signal value on phase space, and fluctuation. 正規受信者と不正受信者のビット誤り率を示すプロットの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the plot which shows the bit error rate of a regular receiver and an unauthorized receiver. 本発明による暗号通信システムの構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the encryption communication system by this invention. 図7のブロック図に基づいて本発明を実現した場合の信号例を示す図である。It is a figure which shows the signal example at the time of implement | achieving this invention based on the block diagram of FIG. 本発明による暗号通信システムの構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the encryption communication system by this invention. 図9のブロック図に基づいて本発明を実現した場合の信号例である。FIG. 10 is a signal example when the present invention is realized based on the block diagram of FIG. 9. FIG. 2値4基底の場合の位相空間上の信号状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the signal state on the phase space in the case of a binary 4 base. 4値2基底の場合の位相空間上の信号状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the signal state on the phase space in the case of quaternary 2 base. 揺らぎ光生成のための構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example for fluctuation light production | generation. 揺らぎ光生成のための構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example for fluctuation light production | generation. レーザーに揺らぎを重畳し、等価的に揺らぎ光源を実現する構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure which superimposes a fluctuation on a laser and implement | achieves a fluctuation light source equivalently. 変調器に揺らぎを重畳し、等価的に揺らぎ光源を実現する構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure which superimposes a fluctuation on a modulator and implement | achieves a fluctuation light source equivalently. 強度変調方式の場合の各信号の強度分布を示した図である。It is the figure which showed intensity distribution of each signal in the case of an intensity modulation system. 本発明による暗号通信システムの構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the encryption communication system by this invention. 図18のブロック図に基づいて本発明を実現した場合の信号例を示す図である。It is a figure which shows the example of a signal at the time of implement | achieving this invention based on the block diagram of FIG. 本発明による暗号通信システムの構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the encryption communication system by this invention. 図20のブロック図に基づいて本発明を実現した場合の信号例である。FIG. 21 is a signal example when the present invention is realized based on the block diagram of FIG. 20. FIG.

100 送信機
111〜114 乱数発生器
121,122 種鍵
123,124 擬似乱数発生器
131〜134 バッファ
151 揺らぎ光源
161 変調器
171 プライバシアンプ実行器
181 暗号器
182 光送信機
183 信号処理部
201,202 光伝送路
300 受信機
311〜313 光検出器
321,322 種鍵
323,324 擬似乱数発生器
333,334 バッファ
341 誤り訂正復号器
371 プライバシアンプ実行器
381 光検出器
382 暗号復号器
383 信号処理部
1510 レーザー
1520 揺らぎ生成器
1521 光アンプ
1522 帯域透過フィルタ
1523 光ファイバ
1524 サーキュレータ
1525 ファラデーミラー
1530,1630 揺らぎ発生源
100 Transmitters 111 to 114 Random number generators 121 and 122 Seed keys 123 and 124 Pseudo random number generators 131 to 134 Buffer 151 Fluctuating light source 161 Modulator 171 Privacy amplifier executor 181 Encryption unit 182 Optical transmitter 183 Signal processing units 201 and 202 Optical transmission line 300 Receiver 311 to 313 Photo detector 321 and 322 Seed key 323 and 324 Pseudo random number generator 333 and 334 Buffer 341 Error correction decoder 371 Privacy amplifier executor 381 Photo detector 382 Encryption decoder 383 Signal processing unit 1510 Laser 1520 Fluctuation generator 1521 Optical amplifier 1522 Bandpass filter 1523 Optical fiber 1524 Circulator 1525 Faraday mirror 1530, 1630 Fluctuation source

本発明の具体的実施例を記述する前に、まずそのポイントとなる一般的なことを述べる。本発明により通信の安全性を向上させるためには、信号光に揺らぎがあることが重要である。揺らぎがなくてもプロトコルの複雑性が不正受信者の解読困難性を増すが、十分な安全性を得るためには揺らぎが重要である。光の揺らぎは振幅揺らぎと位相揺らぎに大別でき、どちらの揺らぎに対しても本発明は有効であるが、以下の実施例では主に位相揺らぎの場合を例に取って示すことにする。位相揺らぎを利用するので、変調方式は位相変調型である。参照光を必要とするPhase-shift keying (PSK)でも差動型のDifferential-phase-shift keyingでもどちらでも良い。簡単化のため信号は2値、基底数は2とする。この場合、見かけ上信号は4値になる。ただし、本発明は、n及びmを正整数として、n値m基底に容易に拡張することができ、その場合、見かけ上信号はn×m値になる。   Before describing specific embodiments of the present invention, first, general points will be described. In order to improve the safety of communication according to the present invention, it is important that the signal light fluctuates. Even if there is no fluctuation, the complexity of the protocol increases the difficulty of deciphering illegal recipients, but fluctuation is important to obtain sufficient security. Light fluctuations can be broadly classified into amplitude fluctuations and phase fluctuations, and the present invention is effective for both fluctuations. In the following embodiments, the case of phase fluctuations will be mainly shown as an example. Since the phase fluctuation is used, the modulation method is a phase modulation type. Either phase-shift keying (PSK) that requires reference light or differential-type differential-phase-shift keying may be used. For simplicity, the signal is binary and the base number is 2. In this case, the signal appears to have four values. However, in the present invention, n and m can be positive integers and can be easily extended to an n-value m basis, and in that case, an apparent signal has an n × m value.

安全な通信を実現するためには、不正受信者よりも正規受信者が有利な状況を作る必要がある。図1にそれを実現する原理を示す。正規の送受信者は予め種鍵を共有すると仮定し、その種鍵を用いてq軸基底かp軸基底かを決定する。図1(a)はq軸基底の場合の2値信号で、三日月の形は各信号状態“0”及び“1”の位相空間上の揺らぎを表す。信号光の振幅の絶対値をEとすれば、信号“0”は(q,p)=(E,0)に、信号“1”は(q,p)=(−E,0)に対応するが、キャリア光の揺らぎのために信号光を測定すれば信号“0”の場合は(q,p)=(E+δq,δp)に、信号“1”の場合は(q,p)=(−E+δq,δp)になる。δqとδpが揺らぎである。図1の三日月はこの揺らぎの範囲を表し、測定値は概ね揺らぎの範囲内のいずれかの1点になる。図1(b)はp軸基底の場合の2値信号を表す。   In order to realize secure communication, it is necessary to create a situation in which an authorized receiver has an advantage over an unauthorized receiver. FIG. 1 shows the principle for realizing it. It is assumed that legitimate transceivers share a seed key in advance, and the seed key is used to determine whether it is a q-axis basis or a p-axis basis. FIG. 1A is a binary signal in the case of the q-axis basis, and the shape of the crescent moon represents fluctuations in the phase space of each signal state “0” and “1”. If the absolute value of the amplitude of the signal light is E, the signal “0” corresponds to (q, p) = (E, 0), and the signal “1” corresponds to (q, p) = (− E, 0). However, if the signal light is measured due to the fluctuation of the carrier light, the signal “0” is (q, p) = (E + δq, δp), and the signal “1” is (q, p) = ( −E + δq, δp). δq and δp are fluctuations. The crescent moon in FIG. 1 represents this fluctuation range, and the measured value is approximately one point within the fluctuation range. FIG. 1B shows a binary signal in the case of a p-axis basis.

正規受信者は種鍵により正しい基底で検出でき、原理的には常に図1(c)のような揺らぎの状態で2値判定可能であるが、不正受信者は種鍵を知らないので図1(d)に示すように4値信号に見える。4値信号の揺らぎは隣通しの重なりが大きくなり、不正受信者のBERは増加する。正規受信者にも僅かながらビット誤りが生じるが、不正受信者との差は明らかである。このビット誤り率の差が安全な情報量を確保する。ここで重要な点は、正規受信者が2値信号から2値判定すればよいのに対して不正受信者は4値信号から2値判定しなければならない点である。この差がビット誤り率の差を生成する。但し、単純に同じ鍵を使い続けると不正受信者に基底の推定を許すため、基底の推定を許さないプロトコルを考案することが課題であり、本発明がこれに対する解決法を与える。   The legitimate receiver can be detected on the correct basis by the seed key, and in principle, binary determination can always be made in the state of fluctuation as shown in FIG. 1C, but the unauthorized receiver does not know the seed key, so FIG. It looks like a quaternary signal as shown in (d). As for the fluctuation of the quaternary signal, the overlap between adjacent ones increases, and the BER of the unauthorized recipient increases. Bit errors also occur in legitimate receivers, but the difference from unauthorized receivers is clear. This difference in bit error rate ensures a safe amount of information. The important point here is that an authorized receiver needs to make a binary decision from a quaternary signal, while an authorized recipient should make a binary decision from a binary signal. This difference produces a bit error rate difference. However, simply using the same key allows unauthorized recipients to estimate the basis, so it is a problem to devise a protocol that does not allow the basis estimation, and the present invention provides a solution to this.

図2に、本発明による通信プロトコルの全体像を示す。レーヤー1において、揺らぎ光を用いて乱数の送受信をする。安全な情報量は正規受信者と不正受信者のBERの差により決定され、レーヤー2においてはその情報量までプライバシアンプにより乱数データの情報量を縮小して秘密鍵とする(C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, and U. U. Maurer, “Generalized privacy amplification,” IEEE Trans. Inf. Theory 41, 1915 (1995).)。レーヤー3は通常の信号伝送路を表し、レーヤー2で得られた秘密鍵を用いて実際の信号を暗号通信する。レーヤー3では揺らぎ光を利用する必要はない。   FIG. 2 shows an overview of a communication protocol according to the present invention. In the layer 1, random numbers are transmitted and received using the fluctuation light. The safe amount of information is determined by the difference between the BER of the legitimate recipient and the unauthorized recipient. In Layer 2, the amount of random number data is reduced by the privacy amplifier to that amount of information and used as a secret key (CH Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, and UU Maurer, “Generalized privacy amplification,” IEEE Trans. Inf. Theory 41, 1915 (1995).). The layer 3 represents a normal signal transmission path, and uses the secret key obtained by the layer 2 to perform encrypted communication of the actual signal. In layer 3, it is not necessary to use fluctuation light.

レーヤー1では乱数基底で乱数を送受信する。原理的には、レーヤー1の信号は基底も含めて真性乱数のみで構成されるので、不正受信されたとしても何らの情報も漏れない。但し、後述する誤り訂正符号による信号の冗長があるので、これに対する情報量の補正は必要である。正規の送受信者は種鍵により共有基底を予め共有しており、乱数基底で送られてくる乱数信号の中から共有基底に合致したスロットのデータのみを乱数信号として採用する。正規受信者もビット誤りがあるので、以下の具体的実施例で示すように実際の処理はやや複雑になるが、原理的には種鍵のおかげで2値信号を2値判定することになる。不正受信者は4値信号から2値判定しなければならないため、不正受信者は正規受信者よりも不利なBERで乱数データを受信しなければならない。このBERの差は正規の送受信者間に安全な情報量をもたらし、プライバシアンプにより秘密鍵が得られる(レーヤー2)。得られた秘密鍵は、種鍵を使った通信結果から抽出されたものではあるが、正規受信者と不正受信者間のBERに関する差異から抽出したものであり、抽出過程は情報論的なものである。この点が重要である。   Layer 1 sends and receives random numbers on a random basis. In principle, since the signal of the layer 1 is composed of only genuine random numbers including the base, no information is leaked even if it is illegally received. However, since there is signal redundancy by an error correction code described later, it is necessary to correct the information amount. The regular sender / receiver shares the shared basis in advance with the seed key, and only the data of the slot that matches the shared basis is adopted as the random number signal among the random number signals transmitted on the random number basis. Since the legitimate receiver also has a bit error, the actual processing is somewhat complicated as shown in the following specific embodiment, but in principle, the binary signal is binary-determined thanks to the seed key. . Since the unauthorized receiver must make a binary decision from the quaternary signal, the unauthorized receiver must receive random number data with a BER that is more disadvantageous than the authorized receiver. This difference in BER provides a safe amount of information between the legitimate sender and receiver, and a private key is obtained by the privacy amplifier (layer 2). The obtained secret key is extracted from the communication result using the seed key, but it is extracted from the difference in BER between the authorized recipient and the unauthorized recipient, and the extraction process is information-theoretic It is. This is important.

レーヤー3は通常の通信路であり、既知平文攻撃や選択平文攻撃等の各種攻撃にさらされる可能性がある。また、レーヤー1ではビット誤りがあるものの4値信号として不正受信される可能性がある。従って、レーヤー1及びレーヤー3の不正受信結果を照合することにより暗号文が解読される可能性が一見有りうる。しかし、本発明の方法では、正規受信者と不正受信者間のBERに関する差異に基づいて秘密鍵を抽出しているため、レーヤー1とレーヤー3の不正受信結果は情報理論的に無相関になる。レーヤー1は乱数信号のみの送受信なので、暗号文と平文の対応関係のようなデータを不正受信者が得ることはできない。不正受信者が得られるのは、誤り訂正符号の冗長分を除けば真性乱数列のみである。即ち、その冗長分の情報量をプライバシアンプにより除去された場合、種鍵に対する総当り攻撃以外に有効な解読法がない。不正受信者が総当り法よりも効率的な攻撃法で解読を実現するためには、少なくともレーヤー1において正規受信者と同じBERで乱数信号を検出できなければならない。この条件が満たされると、レーヤー1とレーヤー3の不正受信結果に相関が出てくる可能性がある。   The layer 3 is a normal communication path and may be exposed to various attacks such as a known plaintext attack and a selected plaintext attack. In addition, the layer 1 may be illegally received as a quaternary signal although there is a bit error. Therefore, there is a possibility that the ciphertext may be decrypted by comparing the illegal reception results of the layer 1 and the layer 3. However, in the method of the present invention, since the secret key is extracted based on the difference regarding the BER between the authorized receiver and the unauthorized receiver, the unauthorized reception results of the layer 1 and the layer 3 are uncorrelated in information theory. . Since the layer 1 transmits and receives only random number signals, the illegal recipient cannot obtain data such as the correspondence between the ciphertext and the plaintext. An illegal recipient can be obtained only with a true random number sequence except for the redundant portion of the error correction code. That is, when the amount of redundant information is removed by the privacy amplifier, there is no effective decryption method other than a brute force attack on the seed key. In order for an unauthorized receiver to realize decryption by an attack method that is more efficient than the brute force method, at least the layer 1 must be able to detect a random number signal with the same BER as the regular receiver. When this condition is satisfied, there is a possibility that a correlation appears between the unauthorized reception results of the layer 1 and the layer 3.

種鍵に対する総当り攻撃以外に有効な攻撃法がないならば、解読法を発見されうるとの脅威から開放され、全数探索(総当り攻撃)に関する計算時間のみで安全性を評価できる。この意味で、本発明の方法は通常の暗号よりも一段階安全性が向上したものである。   If there is no effective attack method other than the brute force attack on the seed key, it is freed from the threat that a cryptanalysis method can be found, and the security can be evaluated only by the calculation time for exhaustive search (brute force attack). In this sense, the method of the present invention is one-step security improved over ordinary encryption.

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。   Examples of the present invention will be described in detail below.

基底及び信号の両者を真性乱数化すれば、不正受信者には完全にランダムな信号列だけが見える。図3に本発明による暗号通信システム構成例を示す。送信機100内に3台の乱数発生器(111,112,113)、乱数からなる2種類の種鍵(121,122)が配備される。乱数発生器と種鍵は、1台の乱数発生器からの出力を3分割することと、一種類の種鍵を2分割することを行えば、それぞれひとつずつで済ますこともできる。乱数発生器1(111)の出力が秘密鍵生成のための信号となる乱数であり、種鍵2(122)を用いて暗号化され、誤り訂正符号器141により符合化され、バッファ131にて送信される準備をする。バッファ132にはダミー信号用の乱数として乱数発生器2(112)の出力を準備する。乱数発生器3(113)が基底を乱数化するためのもので、この乱数基底に基づいてレーヤー1の信号送信が行われる。正規受信者が正しく受信するためには正規の送受信者間で共有された基底を用いなければならないが、そのために種鍵1(121)を利用する。基底は乱数発生器3(113)により完全にランダムにするが、送受信されたすべての乱数を信号として採用するのではなく、種鍵1(121)で決定される基底に乱数基底が合致した場合のみを採用することとし、不正受信者には乱数に見えるが正規受信者には規則性のある基底の並びに見えるようにする。   If both the base and the signal are converted into intrinsic random numbers, only a completely random signal sequence can be seen by unauthorized recipients. FIG. 3 shows a configuration example of a cryptographic communication system according to the present invention. In the transmitter 100, three random number generators (111, 112, 113) and two types of seed keys (121, 122) composed of random numbers are arranged. The random number generator and the seed key can be divided into one each by dividing the output from one random number generator into three parts and dividing one kind of seed key into two parts. The output of the random number generator 1 (111) is a random number that becomes a signal for generating a secret key, is encrypted using the seed key 2 (122), is encoded by the error correction encoder 141, and is stored in the buffer 131. Prepare to be sent. The buffer 132 prepares the output of the random number generator 2 (112) as a random number for the dummy signal. The random number generator 3 (113) converts the base into a random number, and the signal transmission of the layer 1 is performed based on the random number base. In order for a legitimate receiver to receive correctly, a base shared between legitimate senders and receivers must be used. For this purpose, the seed key 1 (121) is used. The base is completely randomized by the random number generator 3 (113), but not all the random numbers transmitted and received are used as signals, but the random number base matches the base determined by the seed key 1 (121) It is assumed that random numbers are seen by unauthorized recipients, but regular recipients are seen by regular recipients.

以上の仕組みで処理される乱数信号及びダミー乱数を具体例で示したのが図4である。基底を指定するのに、図1のq軸基底の場合を“0”、p軸基底の場合を“1”とする。乱数発生器3(113)の出力で決まる乱数基底を、図4に示すように010011101000100とする。一方、送受信者間で予め共有した基底を、110100001101100とする。図4では共有基底の最初の基底は“1”であるが、乱数発生器3(113)で決まる乱数基底の最初は“0”なので不一致であり、この場合は基底“0”にダミー乱数(バッファ132で待機)を重畳して信号を送信する。信号の重畳は揺らぎ光源151からの出力光に変調器161を通して行う。乱数基底(乱数発生器3(113))の2番目の出力は“1”であり、この場合は共有基底の2番目の出力に一致したので乱数信号(バッファ131に待機)を重畳して送信する。次の共有基底と乱数基底は共に“0”なので引き続き乱数信号を重畳して送信する。以下、同様に繰り返す。   A specific example of the random number signal and the dummy random number processed by the above mechanism is shown in FIG. To specify the base, the q-axis base in FIG. 1 is set to “0”, and the p-axis base is set to “1”. Assume that the random number base determined by the output of the random number generator 3 (113) is 010011101000100 as shown in FIG. On the other hand, the base shared in advance between the sender and the receiver is 110100001101100. In FIG. 4, the first basis of the shared basis is “1”, but the first of the random number basis determined by the random number generator 3 (113) is “0”, which is inconsistent. In this case, a dummy random number ( A signal is transmitted by superimposing a standby in the buffer 132. The superimposition of the signal is performed through the modulator 161 on the output light from the fluctuation light source 151. The second output of the random number base (random number generator 3 (113)) is “1”. In this case, since it matches the second output of the shared base, the random number signal (waiting in the buffer 131) is superimposed and transmitted. To do. Since the next shared basis and random number basis are both “0”, the random number signal is continuously superimposed and transmitted. Thereafter, the same is repeated.

この方式では、どのタイミングで乱数信号及びダミー乱数を重畳するかは乱数基底(乱数発生器3(113))の出力に依存して決定されるため、図3に示すようにバッファ131とバッファ132を具備して乱数信号及びダミー乱数を待機する。信号(乱数信号及びダミー乱数)が2値、基底も2値であるため、送信する際の信号は4値になる。図4の「伝送信号」の欄には、左下図のような位相空間上の割り振りをした際の信号値が記されている。「信号」欄の乱数が乱数信号、「ダミー」欄の乱数がダミー乱数である。尚、正規受信者に対して生じるビット誤りを訂正するために乱数データは誤り訂正符号器141により誤り訂正符合化されている。   In this method, the timing at which the random number signal and the dummy random number are superimposed is determined depending on the output of the random number base (random number generator 3 (113)), so that the buffer 131 and the buffer 132 as shown in FIG. And waiting for a random number signal and a dummy random number. Since the signal (random signal and dummy random number) is binary and the base is also binary, the signal at the time of transmission is quaternary. In the column of “Transmission signal” in FIG. 4, signal values at the time of allocation in the phase space as shown in the lower left diagram are described. The random number in the “Signal” column is a random number signal, and the random number in the “Dummy” column is a dummy random number. Note that the random number data is error-corrected and encoded by an error correction encoder 141 in order to correct a bit error that occurs for a legitimate receiver.

信号(乱数信号及びダミー乱数)は、光伝送路201により伝送され受信機300内の検出器311により受光される。検出器311では4値判定と2値判定を同時に行う。この処理は容易である。2組のホモダイン検出器により2つの直交位相成分(q軸成分及びp軸成分)を測定する。それぞれのホモダイン検出器の出力値I,Iを2値判定(各成分が正か負か)したものが各基底に対する2値判定結果である。2組のホモダイン検出結果の出力値I,Iからarctan(I/I)により位相φを決定すれば4値判定(“0”,“1”,“2”,“3”:図4参照)できる。基底が乱数化されているので正規受信者にも信号状態は4値に見える。そこでまずは4値判定することでどちらの基底が利用されたかを判定する。4値判定結果が“0”又は“2”ならば基底“0”、4値判定結果が“1”又は“3”ならば基底“1”と乱数基底の判定をする。これを種鍵1(321)(送信機内の種鍵1(121)と同じもの)で決まる共有基底と照合し、一致すれば重畳されてきた信号を乱数信号と判定し、不一致の場合はダミー乱数と判定する。図4の右側に、以上の受信側の処理の一例を示す。但し、4値判定に基づいて基底の判定を行ったために基底の判定誤り、即ち共有基底との照合判定誤りは多い。Signals (random number signals and dummy random numbers) are transmitted through the optical transmission line 201 and received by the detector 311 in the receiver 300. The detector 311 performs quaternary determination and binary determination simultaneously. This process is easy. Two quadrature components (q-axis component and p-axis component) are measured by two sets of homodyne detectors. A binary determination result for each base is obtained by performing binary determination (each component is positive or negative) on the output values I q and I p of each homodyne detector. If the phase φ is determined by arctan (I p / I q ) from the output values I q , I p of the two sets of homodyne detection results, four-value determination (“0”, “1”, “2”, “3”: (See FIG. 4). Since the base is randomized, the signal state appears to be four values even for a legitimate receiver. Therefore, it is first determined which base was used by determining four values. If the quaternary determination result is “0” or “2”, the base “0” is determined, and if the quaternary determination result is “1” or “3”, the base “1” and the random number base are determined. This is checked against a shared basis determined by the seed key 1 (321) (the same as the seed key 1 (121) in the transmitter). If they match, the superimposed signal is determined as a random number signal, and if they do not match, a dummy is determined. Judged as a random number. An example of the above processing on the receiving side is shown on the right side of FIG. However, since the base is determined based on the quaternary determination, there are many base determination errors, that is, collation determination errors with the shared base.

これを訂正するために、乱数信号に組み込まれた誤り訂正符号のパリティチェック機能を利用する。乱数基底と共有基底の照合に誤りがなければ乱数データのBERは予め推定される小さな値になるが、照合に誤りがあれば誤りがあったビット以降、確率1/2でビット誤りになる。従って、パリティチェックによりビット誤りが始まった位置はほぼ特定できる。このビット誤りが始まった位置は、ダミー乱数が入ってしまったか乱数信号が抜け落ちたかのどちらかである。従って、ビット誤りが始まった位置のビットを抜いてパリティチェックを行うことと、ダミーと判定したために捨てたビットを戻してパリティチェックを行うことを順番に行い、ビット誤りがほぼなくなるビット列を探す。   In order to correct this, a parity check function of an error correction code incorporated in the random number signal is used. If there is no error in the collation between the random number basis and the shared basis, the BER of the random number data becomes a small value estimated in advance, but if there is an error in the collation, a bit error will occur with a probability of 1/2 after the bit in which the error occurred. Therefore, the position where the bit error starts by the parity check can be almost specified. The position where this bit error has started is either whether a dummy random number has entered or the random number signal has dropped out. Therefore, the parity check is performed by removing the bit at the position where the bit error has started, and the parity check is performed by returning the bit discarded because it is determined to be a dummy, and a bit string almost free of bit errors is searched.

ビット誤りがあった場合にどのようになるかの具体例も、図4に示す。簡単化のため、初歩的なパリティチェックのビットを誤り訂正符号器141による誤り訂正符号化において挿入した場合を考える。乱数データを5ビットごとに区切り、“1”の個数が奇数ならば“1”、偶数ならば“0”として、6ビット目にパリティチェックビットとしてその結果を入れたとする。乱数信号は図4の送信側における「信号」欄に示されており、11010101である。左から5ビット分のパリティが6ビット目に挿入してある。図4ではパリティビットを斜字体で示す。受信時にビット誤りが無ければ、受信した乱数信号のパリティを計算したものはパリティビットの値と一致する。仮に受信側の乱数基底の判定が、図4の左から6番目のビットで誤ったとする。図4の受信側の例では、下線を付加したビットが判定誤りである。この場合、本来信号ビットでないビットが信号ビットとして扱われることになり、共有乱数が1ビット増えることになる。その結果、パリティチェックビットの位置が1ビットずれる(図4の受信側では、受信者がパリティビットと認識するビットが斜字体になっている。ビット誤りがある場合とない場合で1ビットずれる。)。   A specific example of what happens when there is a bit error is also shown in FIG. For the sake of simplicity, let us consider a case in which a rudimentary parity check bit is inserted in error correction coding by the error correction encoder 141. It is assumed that random number data is divided every 5 bits, and if the number of “1” is an odd number, it is “1”, and if it is an even number, it is “0”. The random number signal is shown in the “Signal” column on the transmission side in FIG. Parity for 5 bits from the left is inserted in the 6th bit. In FIG. 4, the parity bits are shown in italics. If there is no bit error during reception, the calculated parity of the received random number signal matches the value of the parity bit. Assume that the determination of the random number base on the receiving side is incorrect at the sixth bit from the left in FIG. In the example of the receiving side in FIG. 4, the bit with the underline added is a determination error. In this case, bits that are not originally signal bits are treated as signal bits, and the shared random number increases by one bit. As a result, the position of the parity check bit is shifted by 1 bit (on the receiving side in FIG. 4, the bit that the receiver recognizes as the parity bit is in italics. The bit is shifted by 1 bit depending on whether there is a bit error or not. ).

1ビットずれたことに気付かないで受信者がパリティチェックを行えば、ビット誤りが発生したビット以降、確率1/2でパリティが一致しなくなる。これによりビット誤りがどこで生じたのか概ね判定できる。ビット誤りと思われるビットの乱数基底の判定を変更して受信機の処理を再度行うことを繰り返し、パリティがほぼ正常になるビット列を探す。図4の受信側の例では、下線のあるビットが誤りであり、このビットが共有乱数から削除されることでビット誤りなしの状態に復帰できる。ダミーと判定して一旦捨てたビットを戻す場合は、基底の照合が間違っていた訳だから、戻す際には最初の判定とは異なる基底を基準に信号判定をする。この際の信号判定は、基底が確定しているので2値判定になる。本方式の受信機内の処理は一旦4値判定するが、基底の判定誤りを訂正する過程で2値判定に還元されることになる。2値判定の場合は、4値判定の場合に比べてBERが小さくなる。これが、正規受信者が不正受信者に対して情報論的に有利になる因子であり、予め送受信者間で共有した種鍵1(121及び321)によりもたらされるものである。   If the receiver performs a parity check without noticing that one bit has been shifted, the parity does not match with probability 1/2 after the bit in which the bit error has occurred. This makes it possible to roughly determine where a bit error has occurred. The determination of the random number base of the bit that seems to be a bit error is changed and the processing of the receiver is repeated, and a bit string in which the parity is almost normal is searched. In the example on the receiving side in FIG. 4, an underlined bit is an error, and this bit is deleted from the shared random number, so that the bit error-free state can be restored. When returning a bit that has been discarded because it is determined to be a dummy, the base collation is incorrect, and therefore, when returning, signal determination is performed based on a base different from the initial determination. The signal determination at this time is binary determination because the base is fixed. The processing in the receiver of this system is temporarily determined in four values, but is reduced to binary determination in the process of correcting the base determination error. In the case of binary determination, the BER is smaller than in the case of 4-level determination. This is a factor in which the legitimate receiver becomes informationally advantageous to the illegal receiver, and is brought about by the seed key 1 (121 and 321) shared in advance between the sender and the receiver.

ビット誤りがほぼ無くなり、誤り訂正復号器341による誤り訂正可能なBERになれば誤り訂正符号の復号を行い、種鍵2(322)による復号を行う。これにより受信機内で、送信機内の乱数発生器1(111)の出力を再現できたことになる。最終的な秘密鍵生成のためには、1基底2値判定の場合(正規受信者)と2基底2値判定の場合(不正受信者)のBERで決まる情報量差を誤り訂正符号における冗長分で補正し、プライバシアンプ(171及び371)によりその補正された情報量まで送受信者間で共有された乱数信号の情報量を減らす。   When the bit error is almost eliminated and the BER that can be corrected by the error correction decoder 341 is reached, the error correction code is decoded and the seed key 2 (322) is decoded. As a result, the output of the random number generator 1 (111) in the transmitter can be reproduced in the receiver. In order to generate a final secret key, the difference in information amount determined by the BER between the case of 1-base binary determination (regular receiver) and the case of 2-base binary determination (illegal receiver) And the privacy amplifier (171 and 371) reduces the information amount of the random number signal shared between the sender and the receiver to the corrected information amount.

プライバシアンプは、例えば論理演算を通して実現することができる。送受信者間で共有された乱数の20%が安全な情報量で、共有乱数が‘01001 01110’であったとする。5ビットずつ排他的論理和を取ることにすれば‘01’になる。この処理ではすべてのデータを同等に扱い情報量を20%に縮小している。これがプライバシアンプの一例である。   The privacy amplifier can be realized through logical operations, for example. Assume that 20% of the random number shared between the sender and the receiver is a safe amount of information and the shared random number is ‘01001 01110’. If an exclusive OR is performed every 5 bits, it becomes “01”. In this process, all data are handled equally and the amount of information is reduced to 20%. This is an example of a privacy amplifier.

正規受信者及び不正受信者のBERは、以下のように見積もることができる。図5に示すように各基底の“0”,“1”の向きを割り振る。信号状態をq軸基底(基底“0”)の信号“0”に取ることにすれば、q軸基底であることを知る正規受信者は測定値がp軸を境界に右側か左側かを判定すればよい。信号“0”に対して正規受信者がq軸の負の領域に測定値を得た場合がビット誤りになる。揺らぎの広がりが量子揺らぎに比べて十分に大きく、測定に関して古典的な取り扱いが可能であるとき、q軸基底の信号“0”の確率分布が、位相に関する関数P(θ)で与えられるならば、正規受信者のBERは式(1)で記述される。

Figure 2010103677
The BER of regular recipients and unauthorized recipients can be estimated as follows. As shown in FIG. 5, the directions of “0” and “1” of each base are assigned. If the signal state is taken as the signal “0” of the q-axis base (base “0”), the authorized receiver who knows that it is the q-axis base determines whether the measured value is on the right or left side with the p-axis as the boundary. do it. A bit error occurs when the authorized receiver obtains a measured value in the negative region of the q axis with respect to the signal “0”. If the fluctuation spread is sufficiently large compared to the quantum fluctuation and the classical handling of measurement is possible, the probability distribution of the signal “0” on the q-axis basis is given by the phase-related function P (θ). The BER of the authorized recipient is described by the equation (1).
Figure 2010103677

不正受信者は、4値に見える信号から2値判定することになり、領域0と領域1に測定値を見出せば信号“0”と判定し、領域2と領域3に測定値を見出せば信号“1”と判定することになるので、信号“0”に対しては領域2と領域3に測定値が見出された場合がビット誤りである。従って不正受信者のBERは式(2)で与えられる。

Figure 2010103677
An unauthorized recipient will make a binary decision from a signal that appears to be quaternary, and if it finds a measurement value in areas 0 and 1, it will decide that the signal is “0”, and if it finds a measurement value in areas 2 and 3, it will Since it is determined as “1”, a bit error occurs when the measurement value is found in the region 2 and the region 3 for the signal “0”. Therefore, the BER of the unauthorized recipient is given by equation (2).
Figure 2010103677

揺らぎの確率分布P(θ)が、揺らぎの大きさδθを用いて式(3)により与えられるならば、正規受信者のビット誤り率EBと不正受信者のビット誤り率EEを具体的に求めることができる。

Figure 2010103677
Probability distribution of the fluctuation P (theta) is, if using the magnitude δθ fluctuations given by equation (3), specifically the legitimate receiver bit error rate E B and unauthorized recipients bit error rate E E Can be requested.
Figure 2010103677

2δθを変数にしてEB及びEEをプロットしたものが図6である。正規受信者のBERが10-12になるようにガウス分布の揺らぎを設定すれば、不正受信者のBERは10-4程度になる。FIG. 6 is a plot of E B and E E with 2δθ as a variable. If the fluctuation of the Gaussian distribution is set so that the BER of the regular receiver is 10 −12 , the BER of the illegal receiver is about 10 −4 .

乱数信号(111)に施される誤り訂正符号(141)は、4値判定(2基底2値判定)した場合の誤りを訂正できる必要はない。受信機における基底の照合過程では、連続的にビット誤りが発生する位置のみを判定できればよい。連続的ビット誤り開始点のビットを特定できれば、そのビットを修正することによりBERは2値判定(1基底2値判定)できた場合の予想値にまで下がる。逆に4値判定(2基底2値判定)に対して誤り訂正できてしまうと、正規受信者と不正受信者の揺らぎの効果に基づくBERの差がなくなってしまう。即ち、情報論的に保証された正規受信者と不正受信者間の差異が無くなってしまう。従って、本プロトコルにおいて情報論的に正規受信者と不正受信者の差異を形成するためには、乱数信号に施される誤り訂正符号の能力が1基底2値判定できる正規受信者(例えば、BERが10-12)に対して十分で、2基底2値判定が必要な不正受信者(例えば、BERが10-4)に対して不十分である必要がある。さらに、基底の照合過程で生じた連続的ビット誤り開始点ができるだけ容易に判定できるように誤り訂正符号が設計されていることが望ましい。The error correction code (141) applied to the random number signal (111) does not need to be able to correct an error in the case of quaternary determination (two-base binary determination). In the base collation process in the receiver, it is only necessary to determine only positions where bit errors occur continuously. If the bit at the starting point of the continuous bit error can be specified, by correcting the bit, the BER is reduced to an expected value when the binary determination (one base binary determination) can be performed. On the contrary, if error correction can be performed with respect to quaternary determination (binary binary determination), the difference in BER based on the effect of fluctuation between the regular receiver and the illegal receiver is lost. That is, there is no difference between an authorized recipient who is guaranteed in terms of information theory and an unauthorized recipient. Therefore, in order to form a difference between an authorized recipient and an unauthorized recipient in terms of information in this protocol, an authorized recipient (for example, BER) whose ability of an error correction code applied to a random number signal can be determined based on one base binary value. Is sufficient for 10 −12 ), and is insufficient for unauthorized recipients (for example, BER of 10 −4 ) that requires two-base binary determination. Furthermore, it is desirable that the error correction code is designed so that the continuous bit error starting points generated in the base matching process can be determined as easily as possible.

レーヤー1で送受信される信号は乱数であり、基底も真性乱数で決定される。乱数信号は種鍵2(122)により暗号化されるが、信号が乱数なので不正受信者に種鍵2(122)を推定されることはない。共有基底を決定する種鍵1(121)も乱数基底の中に埋もれているので、こちらも不正受信者は推定できない。レーヤー1において不正受信者が意味のある情報を得られないので、正規受信者と不正受信者間に形成されるBERの差が安全な情報量をもたらす。但し、誤り訂正符号の冗長分で補正する必要がある。送信機100内のプライバシアンプ実行器171及び受信機300内のプライバシアンプ実行器371が同じアルゴリズムで演算すれば、送受信機間で共通の秘密鍵が形成される。   The signal transmitted / received by the layer 1 is a random number, and the base is also determined by a true random number. Although the random number signal is encrypted with the seed key 2 (122), the seed key 2 (122) is not estimated by an unauthorized recipient because the signal is a random number. Since the seed key 1 (121) for determining the shared base is also buried in the random number base, an unauthorized recipient cannot be estimated here either. Since the illegal receiver cannot obtain meaningful information in the layer 1, the difference in BER formed between the legitimate receiver and the illegal receiver leads to a safe amount of information. However, it is necessary to correct the error correction code with redundancy. If the privacy amplifier executor 171 in the transmitter 100 and the privacy amplifier executor 371 in the receiver 300 operate with the same algorithm, a common secret key is formed between the transceivers.

送信機において生成された秘密鍵を用いて暗号器181により実際の信号を暗号化し、光送信機182によりキャリア光に重畳し、光伝送路202により受信機300まで伝送する。光送信機182は、光源と、その光源の出射光を変調する変調器からなる。   The actual signal is encrypted by the encryptor 181 using the secret key generated in the transmitter, superimposed on the carrier light by the optical transmitter 182, and transmitted to the receiver 300 by the optical transmission path 202. The optical transmitter 182 includes a light source and a modulator that modulates light emitted from the light source.

受信機300は、伝送された信号光を光検出器381により受光して電気信号に変換し、暗号復号器382により秘密鍵を用いて平文化する。以上で、安全な暗号通信の一連の過程が終了する。   The receiver 300 receives the transmitted signal light by the photodetector 381 and converts it into an electric signal, and the encryption / decryption device 382 uses the secret key to make a plain. This completes a series of secure cryptographic communication processes.

光伝送路202で行う通信は、揺らぎを伴うキャリア光を用いる必要は無く、通常の光通信でよい。光伝送路202と201は物理的に異なるものでも良いし、同じ光伝送路を用いて波長多重を行っても良い。   Communication performed on the optical transmission line 202 does not need to use carrier light accompanied by fluctuation, and may be ordinary optical communication. The optical transmission lines 202 and 201 may be physically different, or wavelength multiplexing may be performed using the same optical transmission line.

実施例1では乱数基底と共有基底を1ビットごとに対にして比較し、乱数信号を送信するかダミー乱数を送信するか決定した。乱数基底の中から共有基底を選ぶ方法は実施例1以外の方法も可能であり、それを実現する暗号通信システムの構成例を示したのが図7である。本実施例では、共有基底と乱数基底を照合して乱数信号とダミー乱数のどちらを送信するかを決定するのは実施例1の方式と同様である。ただし、共有基底と乱数基底が不一致の場合に、不採用になった共有基底を次のビットで再度乱数基底と照合して乱数信号とダミー乱数のどちらを送信するかを決定する点が異なる。共有基底は乱数基底と一致するまで照合を繰り返す。言い換えれば、乱数信号が重畳される基底の並びが共有基底の並びに一致するように運用される。   In the first embodiment, the random number base and the shared base are compared for each bit to determine whether to transmit a random number signal or a dummy random number. A method other than the first embodiment is also possible as a method for selecting the shared basis from the random number basis, and FIG. 7 shows an example of the configuration of a cryptographic communication system that realizes the method. In the present embodiment, the shared basis and the random number basis are collated to determine which of the random number signal and the dummy random number is transmitted, as in the first embodiment. However, when the shared basis and the random number basis do not match, the shared basis that has been rejected is checked again with the random number basis with the next bit to determine whether to transmit a random number signal or a dummy random number. The shared basis is repeated until it matches the random number basis. In other words, the operation is performed so that the sequence of bases on which the random number signal is superimposed is aligned with the shared bases.

以上の仕組みを具体例で示したのが図8である。乱数発生器3(113)の出力で決まる乱数基底は、図8では010011101000100である。一方、乱数からなる種鍵1(121,321)によって送受信者間で予め共有した基底は、10110000である。送信機側においては、まず共有基底で決まる基底の並びで乱数信号を送信する準備をする。図8の例では、共有基底の最初の基底は“1”であるが、乱数発生器3(113)で決まる乱数基底の最初は“0”であり不一致なので、この場合は基底“0”にダミー乱数(乱数発生器2(112)の出力)を重畳して信号を送信する。不一致だった共有基底“1”は、再度次の乱数基底と照合される。乱数基底(乱数発生器3(113))の2番目の出力は“1”であり、この場合は共有基底の最初の基底“1”に一致したので、乱数信号を重畳して送信する。乱数信号は実施例1と同様に誤り訂正符合化され、簡単化のため実施例1と同様に5ビットごとにパリティビットを加えるものとする。図8の送信側では、パリティビットを斜字体にしている。   FIG. 8 shows the above mechanism as a specific example. The random number base determined by the output of the random number generator 3 (113) is 00011101000100 in FIG. On the other hand, the base shared in advance between the sender and receiver by the seed key 1 (121, 321) made up of random numbers is 10110000. On the transmitter side, first, preparations are made for transmitting random number signals in a sequence of bases determined by shared bases. In the example of FIG. 8, the first base of the shared base is “1”, but the first of the random base determined by the random number generator 3 (113) is “0”, which is inconsistent. A signal is transmitted by superimposing a dummy random number (output of the random number generator 2 (112)). The shared basis “1” that was not matched is checked again with the next random number basis. The second output of the random number base (random number generator 3 (113)) is “1”. In this case, since it coincides with the first base “1” of the shared base, the random number signal is superimposed and transmitted. The random number signal is subjected to error correction coding in the same manner as in the first embodiment, and for simplification, a parity bit is added every 5 bits as in the first embodiment. On the transmission side in FIG. 8, the parity bits are italicized.

受信機300側の処理も、送信機100側の処理の変形に基づき実施例1の処理から変形される。まず4値判定を行い、どちらの基底が利用されたかを判定する点は、実施例1の方式と同様である。これを共有基底と照合し、一致すればその乱数データを採用し、不一致の場合はダミー乱数と判定する。不一致だった共有基底は、次に受信信号から判定される乱数基底と再び照合され、一致すればその基底と乱数データとが採用される。基底の判定誤りがあった場合、その位置以降のパリティが確率1/2で誤りになり、判定誤りがあった位置がほぼ特定される。この判定誤りがあった位置は、ダミー乱数が入ってしまったか乱数信号が抜け落ちたかのどちらかなので、判定誤りがあった位置付近のビットを抜いてその位置以降の基底照合を再度やり直してパリティチェックを行うことと、判定誤りがあった位置付近でダミーと判定したために捨てたビットを戻してその位置以降の基底照合を再度やり直してパリティチェックを行うことを順番に行い、ビット誤りがほぼなくなるビット列を探す。ビット誤りが無かった場合とあった場合の例を、図8の右側に示す。この例では、左から2番目のビットの基底照合が判定誤りになり(受信側に下線で示す)、本来共有乱数となるべき乱数信号をダミー乱数と判定してしまっている。このため採用データのビット数が減り、パリティビットの位置がずれてしまうと共に共有乱数がまったくの別物になってしまう。図8の例では、基底判定誤りがある場合に共有乱数のスロット位置が原型を留めないほど変わっている様子がわかる。この場合、以降のパリティビットは確率1/2で誤りになり、ビット誤りがあった位置が概ねわかることになる。ビット誤りの位置がほぼ特定できれば、その付近のビットを修正し、ビット誤りがほぼなくなり、誤り訂正符号の復号が可能なBERになるまで修正を繰り返す。   The processing on the receiver 300 side is also modified from the processing in the first embodiment based on the modification of the processing on the transmitter 100 side. First, quaternary determination is performed to determine which base is used in the same manner as in the first embodiment. This is compared with the shared basis, and if it matches, the random number data is adopted, and if it does not match, it is determined as a dummy random number. The shared base that did not match is checked again with the random number base determined from the received signal next, and if it matches, the base and the random number data are adopted. When there is a base determination error, the parity after that position becomes an error with a probability of 1/2, and the position where the determination error has occurred is almost specified. The position where this determination error occurred is either a dummy random number entered or the random number signal dropped out, so remove the bit near the position where the determination error occurred and repeat the base verification after that position to check the parity again. In order, perform a parity check by returning the bits discarded because it was determined to be a dummy near the position where there was a determination error, and performing the base check again after that position, and a bit string with almost no bit errors look for. An example where there is no bit error and when there is no bit error is shown on the right side of FIG. In this example, the base verification of the second bit from the left results in a determination error (indicated by an underline on the receiving side), and the random number signal that should originally be a shared random number is determined as a dummy random number. For this reason, the number of bits of the adopted data is reduced, the position of the parity bit is shifted, and the shared random number is completely different. In the example of FIG. 8, it can be seen that when there is a basis determination error, the slot position of the shared random number changes so as not to retain the original pattern. In this case, the subsequent parity bits are erroneous with a probability of ½, and the position where the bit error occurred can be generally understood. If the position of the bit error can be almost specified, the bits in the vicinity thereof are corrected, and the correction is repeated until the bit error is almost eliminated and a BER that enables decoding of the error correction code is reached.

実施例2の方式では、受信機において基底判定の誤りに基づいて信号ビットの挿入あるいは除去を行った際に、それ以降の基底照合を再度やり直す必要があるため、実施例1の方式に比べて処理が多くなる欠点があるが、共有基底の並びが種鍵だけで完全に決定される長所がある。   In the system of the second embodiment, when signal bits are inserted or removed on the basis of an error in the base determination in the receiver, it is necessary to redo the subsequent base collation, so that compared with the system of the first embodiment. There is a disadvantage that the processing is increased, but there is an advantage that the sequence of shared bases is completely determined only by the seed key.

レーヤー1における乱数の送受信で不正受信者に対して意味のある情報を与えないためには、信号と共に基底も乱数で決定される必要がある。しかしながら、実施例1及び実施例2で見たように正規受信者に対してもビット誤りがあるために乱数基底の中から共有基底を抽出する過程は幾分複雑である。現実的運用の観点からもう少し簡便な方法でこれを実現したい。それを実現するためのシステムの一つが、図9に示した暗号通信システムである。   In order not to give meaningful information to unauthorized recipients by transmission / reception of random numbers in the layer 1, the base as well as the signal needs to be determined by random numbers. However, the process of extracting the shared base from the random base is somewhat complicated because there is a bit error for the regular receiver as seen in the first and second embodiments. I would like to achieve this in a slightly simpler way from the point of view of practical operation. One of the systems for realizing this is the cryptographic communication system shown in FIG.

図9に示すプロトコルでは、乱数発生器を3台(111,112,114)と乱数からなる種鍵を3個(122,123,124)利用する。実施例1と同様に、一台の乱数発生器の出力と1つの種鍵をそれぞれ3分割して使う方法もある。実施例1では乱数信号を送るスロットとダミー乱数を送るスロットの並びは乱数発生器3(113)を用いて真性乱数により決定されたが、本実施例では擬似乱数発生器124により決定する。乱数信号(乱数発生器1(111)の出力)を送信するスロットの基底は擬似乱数発生器123で決まる共有基底を用い、ダミー乱数(乱数発生器2(112)の出力)を送信するスロットの基底は乱数発生器3(114)により決定する。本実施例では、送信信号のどのスロットに乱数信号が埋め込まれているかを種鍵2(擬似乱数発生器124)により予め送受信者間で取り決めておくことになる。送信基底は真性乱数ではなくなっており、安全性に関しては実施例1及び2よりは劣ることになるが、データ処理は容易になる。   In the protocol shown in FIG. 9, three random number generators (111, 112, 114) and three seed keys (122, 123, 124) composed of random numbers are used. Similar to the first embodiment, there is a method in which the output of one random number generator and one seed key are divided into three parts. In the first embodiment, the arrangement of slots for sending random number signals and slots for sending dummy random numbers is determined by true random numbers using the random number generator 3 (113), but is determined by the pseudo random number generator 124 in this embodiment. The base of the slot for transmitting the random number signal (output of the random number generator 1 (111)) is a shared base determined by the pseudo random number generator 123, and the slot of the slot for transmitting the dummy random number (output of the random number generator 2 (112)). The base is determined by the random number generator 3 (114). In the present embodiment, it is determined in advance between the sender and the receiver by the seed key 2 (pseudorandom number generator 124) which slot of the transmission signal is embedded with the random number signal. The transmission base is no longer a true random number, and the security is inferior to that of the first and second embodiments, but the data processing becomes easy.

基底及び乱数信号の処理の具体例を示したのが図10である。擬似乱数発生器123で決まる共有基底が10110000で、乱数発生器3(114)で決まる乱数基底が0010111である。これらの2種類の基底情報の並びを決定するのが擬似乱数発生器124の出力010011101000101である(図10左側の「採用スロット」の欄)。“0”の際は共有基底を送信基底とし、“1”の際は乱数基底を送信基底とする。その結果の送信基底が100101011000101になる。不正受信者が見る基底は真性乱数(乱数発生器3(114))と擬似乱数(擬似乱数発生器123)をもうひとつの擬似乱数(擬似乱数発生器124)を使って並べたものであり、擬似乱数発生器123及び124が使われているものの、各信号の基底を解読することは困難である。尚、乱数信号を送信するのかダミー乱数を送信するのかは擬似乱数発生器124により決定され、そのタイミングに合わせて信号送信できるように実施例1及び2と同様にバッファ133及び134が具備される。本実施例では、乱数信号と共有基底が対をなし、またダミー乱数とダミー基底が対を成しているので、バッファ133及び134ではそれぞれそれらの対で一時待機する。乱数信号(乱数発生器1(111)からの出力)が種鍵3(122)により暗号化される点と誤り訂正符合化(141)される点は、実施例1及び2と同様である。送信信号が見かけ上4値になるのも同様である。   FIG. 10 shows a specific example of the base and random number signal processing. The shared base determined by the pseudo random number generator 123 is 10110000, and the random base determined by the random number generator 3 (114) is 0010111. It is the output 000111101000101 of the pseudo random number generator 124 that determines the arrangement of these two types of base information (the column “adopted slot” on the left side of FIG. 10). When “0”, the shared basis is the transmission basis, and when “1”, the random number basis is the transmission basis. The transmission base of the result is 100101011000101. The basis seen by unauthorized recipients is a sequence of true random numbers (random number generator 3 (114)) and pseudorandom numbers (pseudorandom number generator 123) using another pseudorandom number (pseudorandom number generator 124), Although pseudorandom number generators 123 and 124 are used, it is difficult to decipher the basis of each signal. Whether the random number signal is transmitted or the dummy random number is transmitted is determined by the pseudo random number generator 124, and the buffers 133 and 134 are provided as in the first and second embodiments so that the signal can be transmitted in accordance with the timing. . In this embodiment, since the random number signal and the shared base form a pair, and the dummy random number and the dummy base form a pair, the buffers 133 and 134 temporarily stand by each of these pairs. The point that the random number signal (the output from the random number generator 1 (111)) is encrypted by the seed key 3 (122) and the point that the error correction encoding (141) is performed are the same as in the first and second embodiments. It is the same that the transmission signal appears to have four values.

受信機では2組のホモダイン検出器312,313を用いてq軸基底(基底“0”)及びp軸基底(基底“1”)に対する射影検出を行い、それぞれ2値判定する。擬似乱数発生器324の出力(擬似乱数発生器124の出力と同じもの)が“0”に相当するスロットの検出結果のみを受信乱数として処理し、ダミースロット(擬似乱数発生器324の出力が“1”)の信号は無視する。乱数信号の基底は擬似乱数発生器323の出力(擬似乱数発生器123の出力と同じもの)で決まっているので、それに従い、2組のホモダイン出力のどちらを採用するかを決定する。   The receiver uses two sets of homodyne detectors 312 and 313 to perform projection detection on the q-axis base (base “0”) and the p-axis base (base “1”), and respectively performs binary determination. Only the detection result of the slot whose output of the pseudo random number generator 324 (the same as the output of the pseudo random number generator 124) corresponds to “0” is processed as the received random number, and the dummy slot (the output of the pseudo random number generator 324 is “ 1 ") signal is ignored. Since the basis of the random number signal is determined by the output of the pseudo random number generator 323 (the same as the output of the pseudo random number generator 123), it is determined which of the two sets of homodyne outputs is to be adopted.

共有基底のスロットを決める擬似乱数発生器324の出力は伝送クロックに同期するが、乱数信号は送信されてくる信号の一部なので、共有基底を決定する擬似乱数発生器323の出力はバッファ333で一時待機し乱数信号が来るタイミングに合わせる。擬似乱数発生器323の出力(共有基底)に基づき2つの光検出器312及び313のどちらかの出力を採用し、その出力値(共有乱数)はバッファ334に入力され、出力タイミングが調整されて誤り訂正符号の復号器341に入力される。その後、種鍵3(322)(種鍵3(122)と同じもの)により暗号が復号化され、送信機内の乱数発生器1(111)の出力が再現される。以上により送受信者間で乱数信号を共有できたので、送受信機双方でプライバシアンプ実行器(171及び371)による処理を実施し、秘密鍵を共有する。秘密鍵を用いての実際の信号の暗号通信は実施例1及び2と同様である。   Although the output of the pseudo random number generator 324 that determines the slot of the shared base is synchronized with the transmission clock, the random number signal is a part of the transmitted signal, so the output of the pseudo random number generator 323 that determines the shared base is the buffer 333. Wait for a while and adjust to the timing when the random number signal comes. Based on the output (shared base) of the pseudo-random number generator 323, the output of one of the two photodetectors 312 and 313 is adopted, and the output value (shared random number) is input to the buffer 334, and the output timing is adjusted. The data is input to the error correction code decoder 341. Thereafter, the cipher is decrypted with the seed key 3 (322) (the same as the seed key 3 (122)), and the output of the random number generator 1 (111) in the transmitter is reproduced. As described above, since the random number signal can be shared between the transmitter and the receiver, the processing by the privacy amplifier executors (171 and 371) is performed in both the transmitter and the receiver, and the secret key is shared. The actual signal encryption communication using the secret key is the same as in the first and second embodiments.

この方法では採用スロットと採用基底が予め決まっているので、実施例1及び2の真性乱数基底方式の場合のような情報論的安全性を保証できるわけではないが、不正受信者の解読が困難であることに変わりなく、不正受信者による解読が困難で且つ比較的運用が容易なシステムを構築できる。   In this method, since the adopted slot and the adopted base are determined in advance, it is not possible to guarantee the information-theoretic security as in the case of the true random number basis system of the first and second embodiments, but it is difficult to decipher the illegal recipient. As a result, it is possible to construct a system that is difficult to decipher by an unauthorized recipient and that is relatively easy to operate.

実施例3までは2値2基底の位相変調方式を示した。本発明の方式は一般的には、n及びmを正整数としてn値m基底で運用可能である。例えば、図11は、2値4基底の位相変調方式の場合の位相空間上の信号状態を示す図である。図11(a)はq軸基底の2値信号を示し、図11(b)はq軸から45゜回転した基底の2値信号を示している。また、図11(c)はp軸基底の2値信号を示し、図11(d)はq軸から−45゜回転した基底の2値信号を示している。図12は、4値2基底方式の位相変調方式の場合の位相空間上の信号状態を示す図である。図12(a)はq軸及びp軸を基底とする4値信号を示し、図12(b)は図12(a)の場合から45゜回転した基底の4値信号を示している。   Up to the third embodiment, binary binary basis phase modulation schemes have been shown. In general, the system of the present invention can be operated on an n-value m basis with n and m being positive integers. For example, FIG. 11 is a diagram illustrating a signal state on the phase space in the case of the binary 4-base phase modulation method. FIG. 11A shows a binary signal based on the q-axis, and FIG. 11B shows a binary signal based on 45 ° rotated from the q-axis. FIG. 11C shows a p-axis base binary signal, and FIG. 11D shows a base binary signal rotated −45 ° from the q-axis. FIG. 12 is a diagram illustrating a signal state on the phase space in the case of the quaternary two-basis phase modulation method. 12A shows a quaternary signal based on the q-axis and the p-axis, and FIG. 12B shows a quaternary signal rotated by 45 ° from the case of FIG. 12A.

ここで、各実施例に共通の要素である揺らぎ光源151について説明する。揺らぎ光源151は様々な形態が考えられるが、光ファイバのカー効果を使った方法が便利である。一例を図13に示す。レーザー光源1510からの出力光は光アンプ1521により増幅され、帯域フィルタ1522を通過して光ファイバ1523を伝播する。この際、光ファイバのカー効果を通して位相揺らぎが加わる。レーザー出力光はコヒーレント状態で比較的よく記述でき、位相空間上の揺らぎの形が円形であるが、光ファイバのカー効果を通して楕円形、またさらに進んで三日月形になる。このように揺らぎの形が楕円形や三日月形になった光をアンチスクイズド光と呼ぶ(T. Tomaru, and M. Ban, “Secure optical communication using antisqueezing,” Phys. Rev. A 74, 032312 (2006), T. Tomaru, “LD light antisqueezing through fiber propagation in reflection-type interferometer,” Opt. Exp. 15, 11241 (2007))。カー効果は光強度に比例して大きくなるので、パルス光にしてピーク強度を大きくするのが有効である。この場合、ファイバ伝播に伴うパルス広がりを抑えることが効果的であり、ソリトン条件を満足するようにパルス幅、光強度、ファイバの分散値を選ぶと良い(特開2008−003339号公報)。また、上記のソリトン条件よりもさらに光強度を増加させると高次ソリトンの条件を満たすことが可能になり(特開2008−003339号公報)、パルス幅縮小効果が働きカー効果を増強することができる。またその際スペクトル幅が拡大することになり、スペクトルの拡大は位相検出において位相揺らぎと同等な効果を示すので、さらに揺らぎの効果が増強される。またカー効果と同様に、ラマン効果も位相揺らぎの拡大に有効である。   Here, the fluctuation light source 151 which is an element common to each embodiment will be described. Various forms of the fluctuation light source 151 are conceivable, but a method using the Kerr effect of an optical fiber is convenient. An example is shown in FIG. The output light from the laser light source 1510 is amplified by the optical amplifier 1521, passes through the band filter 1522, and propagates through the optical fiber 1523. At this time, phase fluctuation is applied through the Kerr effect of the optical fiber. The laser output light can be described relatively well in the coherent state, and the shape of the fluctuation in the phase space is circular, but it becomes elliptical through the Kerr effect of the optical fiber, and further progresses into a crescent shape. Light with an elliptical or crescent shape is called anti-squeezed light (T. Tomaru, and M. Ban, “Secure optical communication using antisqueezing,” Phys. Rev. A 74, 032312 (2006 ), T. Tomaru, “LD light antisqueezing through fiber propagation in reflection-type interferometer,” Opt. Exp. 15, 11241 (2007)). Since the Kerr effect increases in proportion to the light intensity, it is effective to increase the peak intensity using pulsed light. In this case, it is effective to suppress the pulse spread accompanying the fiber propagation, and it is preferable to select the pulse width, the light intensity, and the fiber dispersion value so as to satisfy the soliton condition (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-003339). Further, if the light intensity is increased further than the above soliton condition, it becomes possible to satisfy the condition of higher-order solitons (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-003339), and the pulse width reduction effect works to enhance the Kerr effect. it can. Further, at that time, the spectrum width is expanded, and the spectrum expansion exhibits the same effect as the phase fluctuation in phase detection, so that the effect of the fluctuation is further enhanced. Similar to the Kerr effect, the Raman effect is also effective in expanding phase fluctuations.

図14は、光サーキュレータ1524とファラデーミラー1525を用いてファイバ伝播の部分を往復にした実施例である。ファイバ長を半分にできる点が有利である。また、ファイバ伝播中の偏波状態に係わらずファイバ1523を1往復した時点で偏波がちょうど90度回転するので、揺らぎ生成器出力時の偏波を安定させたい場合に有効である。さらに、揺らぎ生成器1520内にファイバ干渉計を組み、振幅に対する位相揺らぎの比を大きくして、位相揺らぎの効果を大きくすることも有効である(T. Tomaru, “LD light antisqueezing through fiber propagation in reflection-type interferometer,” Opt. Exp. 15, 11241 (2007))。   FIG. 14 shows an embodiment in which the fiber propagation part is reciprocated using an optical circulator 1524 and a Faraday mirror 1525. The advantage is that the fiber length can be halved. Also, since the polarization rotates exactly 90 degrees when the fiber 1523 is reciprocated once regardless of the polarization state during fiber propagation, it is effective when it is desired to stabilize the polarization at the time of fluctuation generator output. It is also effective to increase the phase fluctuation effect by incorporating a fiber interferometer in the fluctuation generator 1520 and increasing the ratio of phase fluctuation to amplitude (T. Tomaru, “LD light antisqueezing through fiber propagation in reflection-type interferometer, ”Opt. Exp. 15, 11241 (2007)).

以上は、光ファイバのカー効果により位相揺らぎを発生させるものであった。レーザーダイオード(LD)から直接位相揺らぎを伴う光を出力させることも可能である。LDを発振閾値近傍で動作させれば位相揺らぎが大きい。この性質をそのまま利用するのもひとつの方法である。   As described above, the phase fluctuation is generated by the Kerr effect of the optical fiber. It is also possible to output light accompanied by phase fluctuation directly from a laser diode (LD). If the LD is operated near the oscillation threshold, the phase fluctuation is large. It is one method to use this property as it is.

LD発振のためには注入電流が必要である。注入電流に揺らぎ(ノイズ)を重畳し、光源自体の揺らぎと同様な効果を発生させることも可能である。図15にその場合を示す。揺らぎ発生源としては、例えば、熱揺らぎを利用することが考えられる。また、揺らぎはアナログ的な乱数と考えることもできるので乱数発生器の出力を多値にして揺らぎと等価的にすることもできる。   An injection current is required for LD oscillation. It is also possible to superimpose fluctuations (noise) on the injected current to generate the same effect as the fluctuation of the light source itself. FIG. 15 shows such a case. As a fluctuation generation source, for example, use of thermal fluctuation can be considered. In addition, since fluctuation can be considered as an analog random number, the output of the random number generator can be multivalued to make it equivalent to fluctuation.

揺らぎの重畳は、また、変調器161において行うこともできる。変調器161は信号重畳のために設置されているものであるが、信号重畳と共に揺らぎも同時に重畳すれば、光源に揺らぎがある場合と等価な働きをする(図16)。揺らぎ発生源1630としては、熱揺らぎを利用することや、乱数発生器の出力を多値にして揺らぎと等価的にすること等が考えられる。   The superimposition of fluctuations can also be performed in the modulator 161. The modulator 161 is installed for signal superimposition. If the fluctuation is superimposed simultaneously with the signal superimposition, the modulator 161 works equivalent to the case where the light source fluctuates (FIG. 16). As the fluctuation generation source 1630, it is conceivable to use thermal fluctuation, to make the output of the random number generator multivalued, and to make it equivalent to fluctuation.

これまでは位相変調方式を例にとって示してきた。しかし、本発明は強度変調方式においても適用可能である。図17に、2値2基底で運用する場合の強度分布関数の様子を示す。強度変調方式では“0”,“1”の信号強度が基底に依存して変化する。図17(a)と図17(b)は、それぞれ基底が異なる場合の2値の信号である。基底の違いに起因して、“0”と“1”の閾値が図17(a)と図17(b)では異なる。基底を知らない場合、図17(d)に示すように、信号状態は合計4値になり、4値判定が必要になる。確率分布には重なりがあるためにビット誤りが多くなる。基底を知る正規受信者は、実施例1及び2のように判定過程において一旦4値判定をする場合もあるが、原理的に2値判定可能なので、図17(c)に示すように、確率分布の重なりがほとんど無い状態で2値判定できる。   So far, the phase modulation method has been shown as an example. However, the present invention can also be applied to the intensity modulation method. FIG. 17 shows the state of the intensity distribution function when operating on a binary binary basis. In the intensity modulation method, the signal intensity of “0” and “1” varies depending on the base. FIG. 17A and FIG. 17B are binary signals when the bases are different. Due to the difference in the basis, the threshold values of “0” and “1” are different between FIG. 17A and FIG. When the base is not known, the signal state has a total of four values as shown in FIG. Since there is an overlap in the probability distribution, bit errors increase. The regular receiver who knows the base may make a quaternary determination once in the determination process as in the first and second embodiments. However, since a binary determination can be made in principle, as shown in FIG. Binary determination can be performed with almost no overlapping distribution.

2値判定及び4値判定する点は、位相変調方式の場合も強度変調方式の場合も同様である。従って、実施例1〜3に示した位相変調方式に対する信号処理は、強度変調方式の場合に対しても同様に実施することができる。   The binary determination and quaternary determination are the same in the case of the phase modulation method and the intensity modulation method. Therefore, the signal processing for the phase modulation method shown in the first to third embodiments can be similarly performed for the intensity modulation method.

以上、位相変調方式を主な例に取って本発明の実施例を説明した。しかし、実施例5で言及したように、本発明は位相変調方式及び強度変調方式の区別無く成立するものである。また、主に2値2基底を例にとって実施例を述べたが、図11、図12を用いて説明したように、さらに多値多基底の場合でも本発明を適用することができる。   The embodiments of the present invention have been described above using the phase modulation method as a main example. However, as mentioned in the fifth embodiment, the present invention is established without distinction between the phase modulation method and the intensity modulation method. In addition, although the embodiment has been described mainly taking the binary base as an example, as described with reference to FIGS. 11 and 12, the present invention can also be applied to a case of a multi-value multi-base.

本発明では、正規受信者にも僅かに残るビット誤りを訂正するためと、受信機における基底照合誤りを訂正するために誤り訂正符号を用いている。誤り訂正符号により冗長化された乱数データは図3及び図7の光伝送路201で伝送される。元々、光伝送路201では乱数基底で乱数信号が伝送されることが理想である。そこで誤り訂正符号の冗長分を光伝送路202で伝送することを考える。これにより光伝送路201には完全な乱数信号のみが伝送される状況となる。光伝送路202は通常の伝送路であるために冗長分の安全性はないが、冗長分の情報量は元々、秘密鍵生成の過程で安全な情報量から差し引かれるのでこれは問題にならない。また、冗長分を光伝送路202で確実に送ることにより、受信機側の処理の複雑度が緩和される。実施例1及び2に於いては、基底の判定を行うために誤り訂正符号に内在するパリティチェック機能を用い、パリティチェックの結果に基づいて基底の照合誤りを訂正し、乱数信号とダミー乱数を識別していた。実施例1及び2では信号の冗長分も乱数データ分と一緒に一連のデータとして伝送されていたために、どれが乱数データ分でどれが冗長分か受信機の最初の処理段階では確定せず、基底の照合誤りを訂正しながら冗長部が確定していった。そのため、データ処理が複雑にならざるを得ない。しかしながら、冗長分を光伝送路202で伝送すればパリティチェックのための冗長分のデータが確定し、確実に受信者に届くので、受信機における基底確定のプロセスの複雑度が緩和し、回路実装した際に計算時間や発熱量等が緩和される。以上の考えに基づいた実施例を以下に述べる。   In the present invention, an error correction code is used to correct a bit error that remains even in a regular receiver and to correct a base verification error in the receiver. The random number data made redundant by the error correction code is transmitted through the optical transmission line 201 shown in FIGS. Originally, in the optical transmission line 201, it is ideal that a random number signal is transmitted on a random number basis. Therefore, consider transmitting the error correction code redundancy by the optical transmission line 202. As a result, only a complete random number signal is transmitted to the optical transmission line 201. Since the optical transmission line 202 is a normal transmission line, there is no safety for redundancy, but the amount of information for redundancy is originally subtracted from the amount of safe information in the process of secret key generation, so this is not a problem. In addition, by reliably sending the redundant part through the optical transmission line 202, the complexity of processing on the receiver side is reduced. In the first and second embodiments, the parity check function inherent in the error correction code is used to determine the basis, the basis verification error is corrected based on the result of the parity check, and the random number signal and the dummy random number are obtained. I was identifying. In the first and second embodiments, the signal redundancy is also transmitted as a series of data together with the random data, so it is not determined at the first processing stage of the receiver which is the random data and which is the redundancy. The redundant part was fixed while correcting the base verification error. Therefore, the data processing has to be complicated. However, if the redundant part is transmitted through the optical transmission line 202, the redundant part data for the parity check is fixed and reaches the receiver without fail, so the complexity of the base determination process in the receiver is reduced, and the circuit implementation When doing so, calculation time and calorific value are alleviated. An embodiment based on the above idea will be described below.

基底及び信号の両者を真性乱数化すれば、不正受信者には完全にランダムな信号列だけが見える。図18に、本発明による暗号通信システムの構成例を示す。送信機100内に3台の乱数発生器(111,112,113)、及び乱数からなる2種類の種鍵(121,122)が配備される。乱数発生器と種鍵は、1台の乱数発生器からの出力を3分割することと、一種類の種鍵を2分割することを行えば、それぞれ一つずつで済ますこともできる。乱数発生器1(111)の出力が秘密鍵生成のための信号となる乱数であり、種鍵2(122)を用いて暗号化され、誤り訂正符号器141により符合化される。誤り訂正符号化においては情報記号の部分とパリティ検査記号の部分を分離し、前者を乱数符号、後者を検査記号と呼ぶことにする。乱数符号はバッファ131にて送信される準備をする。バッファ132にはダミー信号用の乱数として乱数発生器2(112)の出力を準備する。乱数発生器3(113)が基底を乱数化するためのもので、この乱数基底に基づいてレーヤー1の信号送信が行われる。正規受信者が正しく受信するためには正規の送受信者間で共有された基底を用いなければならないが、そのために種鍵1(121)を利用する。基底は乱数発生器3(113)により完全にランダムにするが、送受信されたすべての乱数を信号として採用するのではなく、種鍵1(121)で決定される基底に乱数基底が合致した場合のみを採用することとし、不正受信者には乱数に見えるが正規受信者には規則性のある基底の並びに見えるようにする。   If both the base and the signal are converted into intrinsic random numbers, only a completely random signal sequence can be seen by unauthorized recipients. FIG. 18 shows a configuration example of a cryptographic communication system according to the present invention. In the transmitter 100, three random number generators (111, 112, 113) and two kinds of seed keys (121, 122) composed of random numbers are arranged. The random number generator and the seed key can be divided into one each if the output from one random number generator is divided into three parts and one kind of seed key is divided into two parts. The output of the random number generator 1 (111) is a random number that becomes a signal for generating a secret key, is encrypted using the seed key 2 (122), and is encoded by the error correction encoder 141. In error correction coding, an information symbol portion and a parity check symbol portion are separated, and the former is called a random number code and the latter is called a check symbol. The random number code is prepared for transmission in the buffer 131. The buffer 132 prepares the output of the random number generator 2 (112) as a random number for the dummy signal. The random number generator 3 (113) converts the base into a random number, and the signal transmission of the layer 1 is performed based on the random number base. In order for a legitimate receiver to receive correctly, a base shared between legitimate senders and receivers must be used. For this purpose, the seed key 1 (121) is used. The base is completely randomized by the random number generator 3 (113), but not all the random numbers transmitted and received are used as signals, but the random number base matches the base determined by the seed key 1 (121) It is assumed that random numbers are seen by unauthorized recipients, but regular recipients are seen by regular recipients.

以上の仕組みで処理される乱数信号及びダミー乱数を具体例で示したのが図19である。基底を指定するのに、図1のq軸基底の場合を“0”、p軸基底の場合を“1”とする。乱数発生器3(113)の出力で決まる乱数基底を、図19に示すように010011101000100とする。一方、送受信者間で予め共有した基底を、110100001101100とする。図19では共有基底の最初の基底は“1”であるが、乱数発生器3(113)で決まる乱数基底の最初は“0”なので不一致であり、この場合は基底“0”にダミー乱数(バッファ132で待機)を重畳して信号を送信する。信号の重畳は揺らぎ光源151からの出力光に変調器161を通して行う。乱数基底(乱数発生器3(113))の2番目の出力は“1”であり、この場合は共有基底の2番目の出力に一致したので乱数符号(バッファ131に待機)を重畳して送信する。次の共有基底と乱数基底は共に“0”なので引き続き乱数符号を重畳して送信する。以下、同様に繰り返す。   A specific example of the random number signal and the dummy random number processed by the above mechanism is shown in FIG. To specify the base, the q-axis base in FIG. 1 is set to “0”, and the p-axis base is set to “1”. The random number base determined by the output of the random number generator 3 (113) is assumed to be 010011101000100 as shown in FIG. On the other hand, the base shared in advance between the sender and the receiver is 110100001101100. In FIG. 19, the first basis of the shared basis is “1”, but the first of the random number basis determined by the random number generator 3 (113) is “0”, which is inconsistent. In this case, a dummy random number ( A signal is transmitted by superimposing a standby in the buffer 132. The superimposition of the signal is performed through the modulator 161 on the output light from the fluctuation light source 151. The second output of the random number base (random number generator 3 (113)) is “1”. In this case, since it matches the second output of the shared base, the random number code (waiting in the buffer 131) is superimposed and transmitted. To do. Since the next shared basis and random number basis are both “0”, the random number code is continuously superimposed and transmitted. Thereafter, the same is repeated.

この方式では、どのタイミングで乱数符号及びダミー乱数を重畳するかは乱数基底(乱数発生器3(113))の出力に依存して決定されるため、図18に示すようにバッファ131とバッファ132を具備して乱数符号及びダミー乱数を待機する。信号(乱数符号及びダミー乱数)が2値、基底も2値であるため、送信する際の信号は4値になる。図19の「伝送信号」の欄には、左下図のような位相空間上の割り振りをした際の信号値が記されている。「信号」欄の乱数が乱数符号、「ダミー」欄の乱数がダミー乱数である。「パリティ検査」欄がパリティ検査記号を表す。ここでは例として、乱数信号5ビットごとのパリティを検査記号として扱うことにする。   In this method, the timing at which the random number code and the dummy random number are superimposed is determined depending on the output of the random number base (random number generator 3 (113)). Therefore, as shown in FIG. And waiting for a random number code and a dummy random number. Since the signal (random number code and dummy random number) is binary and the base is also binary, the signal at the time of transmission is quaternary. In the column of “Transmission signal” in FIG. 19, signal values when allocation in the phase space as shown in the lower left diagram is described. The random number in the “Signal” column is a random number code, and the random number in the “Dummy” column is a dummy random number. The “parity check” column represents a parity check symbol. Here, as an example, the parity for every 5 bits of the random number signal is treated as a check symbol.

誤り訂正符号器141で生成されたパリティ検査記号は、通常の光伝送路202で伝送するために信号処理部183において、通常の伝送路で送る他の信号と多重化される。この多重化はパケット化や時間多重といった通常の通信で行われている方法である。その後、光送信機182に導かれ、光伝送路202により受信機300に伝送される。光検出器381により受光され、電気信号に変換され、信号処理部383に送られる。信号処理部383は多重化された信号列を多重化前の状態に分離するもので、検査記号はここで他の信号と分離される。   The parity check symbol generated by the error correction encoder 141 is multiplexed with another signal sent through the normal transmission line in the signal processing unit 183 for transmission through the normal optical transmission line 202. This multiplexing is a method performed in normal communication such as packetization or time multiplexing. Thereafter, the light is guided to the optical transmitter 182 and transmitted to the receiver 300 through the optical transmission path 202. Light is received by the photodetector 381, converted into an electrical signal, and sent to the signal processing unit 383. The signal processing unit 383 separates the multiplexed signal sequence into a state before multiplexing, and the check symbol is separated from other signals here.

信号(乱数符号及びダミー乱数)は、光伝送路201により伝送され受信機300内の検出器311により受光される。検出器311では4値判定と2値判定を同時に行う。この処理は容易である。2組のホモダイン検出器により2つの直交位相成分(q軸成分及びp軸成分)を測定する。それぞれのホモダイン検出器の出力値I,Iを2値判定(各成分が正か負か)したものが各基底に対する2値判定結果である。2組のホモダイン検出結果の出力値I,Iからarctan(I/I)により位相φを決定すれば4値判定(“0”,“1”,“2”,“3”:図19参照)できる。基底が乱数化されているので正規受信者にも信号状態は4値に見える。そこでまずは4値判定することでどちらの基底が利用されたかを判定する。4値判定結果が“0”又は“2”ならば基底“0”、4値判定結果が“1”又は“3”ならば基底“1”と乱数基底の判定をする。これを種鍵1(321)(送信機内の種鍵1(121)と同じもの)で決まる共有基底と照合し、一致すれば重畳されてきた信号を乱数符号と判定し、不一致の場合はダミー乱数と判定する。図19の右側に、以上の受信側の処理の一例を示す。但し、4値判定に基づいて基底の判定を行ったために基底の判定誤り、即ち共有基底との照合判定誤りは多い。The signals (random code and dummy random number) are transmitted by the optical transmission line 201 and received by the detector 311 in the receiver 300. The detector 311 performs quaternary determination and binary determination simultaneously. This process is easy. Two quadrature components (q-axis component and p-axis component) are measured by two sets of homodyne detectors. A binary determination result for each base is obtained by performing binary determination (each component is positive or negative) on the output values I q and I p of each homodyne detector. If the phase φ is determined by arctan (I p / I q ) from the output values I q , I p of the two sets of homodyne detection results, four-value determination (“0”, “1”, “2”, “3”: (See FIG. 19). Since the base is randomized, the signal state appears to be four values even for a legitimate receiver. Therefore, it is first determined which base was used by determining four values. If the quaternary determination result is “0” or “2”, the base “0” is determined, and if the quaternary determination result is “1” or “3”, the base “1” and the random number base are determined. This is compared with a shared basis determined by the seed key 1 (321) (the same as the seed key 1 (121) in the transmitter). If they match, the superimposed signal is determined as a random number code. Judged as a random number. An example of the above processing on the receiving side is shown on the right side of FIG. However, since the base is determined based on the quaternary determination, there are many base determination errors, that is, collation determination errors with the shared base.

これを訂正するために、光伝送路202を通して伝送されたパリティ検査記号を利用する。乱数基底と共有基底の照合に誤りがなければ乱数データのBERは予め推定される小さな値になるが、照合に誤りがあれば誤りがあったビット以降、確率1/2でビット誤りになる。従って、パリティチェックをすればビット誤りが始まった位置はほぼ特定できる。このビット誤りが始まった位置は、ダミー乱数が入ってしまったか乱数符号が抜け落ちたかのどちらかである。従って、ビット誤りが始まった位置のビットを抜いてパリティチェックを行うことと、ダミーと判定したために捨てたビットを戻してパリティチェックを行うことを順番に行い、ビット誤りがほぼなくなるビット列を探す。   In order to correct this, a parity check symbol transmitted through the optical transmission line 202 is used. If there is no error in the collation between the random number basis and the shared basis, the BER of the random number data becomes a small value estimated in advance, but if there is an error in the collation, a bit error will occur with a probability of 1/2 after the bit in which there is an error. Therefore, if a parity check is performed, the position where the bit error has started can be almost specified. The position at which this bit error has started is either a dummy random number has been entered or the random number code has been dropped. Therefore, the parity check is performed by removing the bit at the position where the bit error has started, and the parity check is performed by returning the bit discarded because it is determined to be a dummy, and a bit string almost free of bit errors is searched.

ビット誤りがあった場合にどのようになるかの具体例も図19に示す。簡単化のため、初歩的なパリティチェック機能を持った誤り訂正符号化を誤り訂正符号器141において行った場合を考える。乱数データを5ビットごとに区切り、“1”の個数が奇数ならば“1”、偶数ならば“0”を検査記号とする。乱数符号は図19の送信側における「信号」欄に示されており、11010101である。左から5ビット分のパリティは1になり、「パリティ検査」の欄に示されている。受信時にビット誤りが無ければ、受信した乱数符号のパリティを計算したものは検査記号の値と一致する。仮に受信側の乱数基底の判定が、図19の左から6番目のビットで誤ったとする。図19の受信側の例では、下線を付加したビットが判定誤りである。この場合、本来信号ビットでないビットが信号ビットとして扱われることになり、共有乱数が1ビット増えることになる。   A specific example of what happens when there is a bit error is also shown in FIG. For the sake of simplicity, consider the case where error correction coding with an elementary parity check function is performed in the error correction encoder 141. Random number data is divided every 5 bits. If the number of “1” is odd, “1” is used, and if it is even, “0” is used as a check symbol. The random number code is shown in the “Signal” column on the transmission side in FIG. The parity for 5 bits from the left is 1 and is shown in the “parity check” column. If there is no bit error at the time of reception, the calculated parity of the received random number code matches the value of the check symbol. It is assumed that the determination of the random number base on the receiving side is incorrect at the sixth bit from the left in FIG. In the example on the receiving side in FIG. 19, the bit with the underline added is a determination error. In this case, bits that are not originally signal bits are treated as signal bits, and the shared random number increases by one bit.

1ビット増えたことに気付かないで受信者がパリティチェックを行えば、ビット誤りが発生したビット以降、確率1/2でパリティが一致しなくなる。これによりビット誤りがどこで生じたのか概ね判定できる。ビット誤りと思われるビットの乱数基底の判定を変更して受信機の処理を再度行うことを繰り返し、パリティがほぼ正常になるビット列を探す。図19の受信側の例では、下線のあるビットが誤りであり、このビットが共有乱数から削除されることでビット誤りなしの状態に復帰できる。ダミーと判定して一旦捨てたビットを戻す場合は、基底の照合が間違っていた訳だから、戻す際には最初の判定とは異なる基底を基準に信号判定をする。この際の信号判定は、基底が確定しているので2値判定になる。本方式の受信機内の処理は一旦4値判定するが、基底の誤りを訂正する過程で2値判定に還元されることになる。2値判定の場合は、4値判定の場合に比べてBERが小さくなる。これが、正規受信者が不正受信者に対して情報論的に有利になる因子であり、予め送受信者間で共有した種鍵1(121及び321)によりもたらされるものである。   If the receiver performs a parity check without noticing that one bit has been increased, the parity will not match with probability 1/2 after the bit in which the bit error has occurred. This makes it possible to roughly determine where a bit error has occurred. The determination of the random number base of the bit that seems to be a bit error is changed and the processing of the receiver is repeated, and a bit string in which the parity is almost normal is searched. In the example on the receiving side in FIG. 19, an underlined bit is an error, and this bit is deleted from the shared random number, so that the bit error-free state can be restored. When returning a bit that has been discarded because it is determined to be a dummy, the base collation is incorrect, and therefore, when returning, signal determination is performed based on a base different from the initial determination. The signal determination at this time is binary determination because the base is fixed. The processing in the receiver in this system is temporarily determined in four values, but is reduced to binary determination in the process of correcting the base error. In the case of binary determination, the BER is smaller than in the case of 4-level determination. This is a factor in which the legitimate receiver becomes informationally advantageous to the illegal receiver, and is brought about by the seed key 1 (121 and 321) shared in advance between the sender and the receiver.

ビット誤りがほぼ無くなり、誤り訂正復号器341による誤り訂正可能なBERになれば誤り訂正符号の復号を行い、種鍵2(322)による復号を行う。これにより受信機内で、送信機内の乱数発生器1(111)の出力を再現できたことになる。最終的な秘密鍵生成のためには、1基底2値判定の場合(正規受信者)と2基底2値判定の場合(不正受信者)のBERで決まる情報量差を誤り訂正符号における冗長分で補正し、プライバシアンプ(171及び371)によりその補正された情報量まで送受信者間で共有された乱数信号の情報量を減らす。   When the bit error is almost eliminated and the BER that can be corrected by the error correction decoder 341 is reached, the error correction code is decoded and the seed key 2 (322) is decoded. As a result, the output of the random number generator 1 (111) in the transmitter can be reproduced in the receiver. In order to generate a final secret key, the difference in information amount determined by the BER between the case of 1-base binary determination (regular receiver) and the case of 2-base binary determination (illegal receiver) And the privacy amplifier (171 and 371) reduces the information amount of the random number signal shared between the sender and the receiver to the corrected information amount.

プライバシアンプは、例えば論理演算を通して実現することができる。送受信者間で共有された乱数の20%が安全な情報量で共有乱数が‘01001 01110’であったとする。5ビットずつ排他的論理和を取ることにすれば‘01’になる。この処理ではすべてのデータを同等に扱い情報量を20%に縮小している。これがプライバシアンプの一例である。   The privacy amplifier can be realized through logical operations, for example. It is assumed that 20% of the random numbers shared between the sender and the receiver is a safe information amount and the shared random number is ‘01001 01110’. If an exclusive OR is performed every 5 bits, it becomes “01”. In this process, all data are handled equally and the amount of information is reduced to 20%. This is an example of a privacy amplifier.

正規受信者及び不正受信者のBERは、実施例1に記した方法で同様に見積もることができる。図6に示すように正規受信者のBERが10-12になるようにガウス分布の揺らぎを設定すれば、不正受信者のBERは10-4程度になる。The BER of regular recipients and unauthorized recipients can be similarly estimated by the method described in the first embodiment. As shown in FIG. 6, if the fluctuation of the Gaussian distribution is set so that the BER of the regular receiver is 10 −12 , the BER of the unauthorized receiver is about 10 −4 .

乱数信号(111)に施される誤り訂正符号(141)は、4値判定(2基底2値判定)した場合の誤りを訂正できる必要はない。受信機における基底の照合過程では、連続的にビット誤りが発生する位置のみを判定できればよい。連続的ビット誤り開始点のビットを特定できればそのビットを修正することにより、BERは2値(1基底2値)判定できた場合の予想値にまで下がる。逆に4値(2基底2値)判定に対して誤り訂正できてしまうと、正規受信者と不正受信者の揺らぎの効果に基づくBERの差がなくなってしまう。即ち、正規受信者と不正受信者間の情報論的に保証された差異が無くなってしまう。従って、本プロトコルにおいて情報論的に正規受信者と不正受信者の差異を形成するためには、乱数信号に施される誤り訂正符号の能力が1基底2値の信号判定をする正規受信者(例えば、BERが10-12)には十分で、2基底2値の信号判定が必要な不正受信者(例えば、BERが10-4)には不十分である必要がある。さらに、基底の照合過程で生じた連続的ビット誤り開始点ができるだけ容易に判定できるように誤り訂正符号が設計されていることが望ましい。The error correction code (141) applied to the random number signal (111) does not need to be able to correct an error in the case of quaternary determination (two-base binary determination). In the base collation process in the receiver, it is only necessary to determine only positions where bit errors occur continuously. If the bit at the starting point of the continuous bit error can be specified, the bit is corrected, so that the BER is reduced to an expected value when binary (one base binary) can be determined. On the other hand, if error correction can be performed with respect to quaternary (binary binary) determination, the difference in BER based on the effect of fluctuations between the regular recipient and the unauthorized recipient is lost. That is, there is no informationally guaranteed difference between the legitimate recipient and the illegal recipient. Therefore, in order to form a difference between an authorized recipient and an unauthorized recipient in terms of information in this protocol, the ability of an error correction code applied to a random number signal is judged as a regular recipient (one base binary signal determination) For example, it is necessary that the BER is 10 −12 ), and that it is insufficient for an unauthorized receiver (for example, the BER is 10 −4 ) that needs to determine a signal with a binary basis. Furthermore, it is desirable that the error correction code is designed so that the continuous bit error starting points generated in the base matching process can be determined as easily as possible.

光伝送路201で送受信される信号は乱数であり、基底も真性乱数で決定される。乱数信号は種鍵2(122)により暗号化されるが、信号が乱数なので不正受信者に種鍵2(122)を推定されることはない。共有基底を決定する種鍵1(121)も乱数基底の中に埋もれているので、こちらも不正受信者は推定できない。光伝送路201において不正受信者が意味のある情報を得られないので、正規受信者と不正受信者間に形成されるBERの差が安全な情報量をもたらす。但し、誤り訂正符号の冗長分で補正する必要がある。送信機100内のプライバシアンプ実行器171及び受信機300内のプライバシアンプ実行器371が同じアルゴリズムで演算すれば、送受信機間で共通の秘密鍵が形成される。   A signal transmitted and received on the optical transmission line 201 is a random number, and a base is also determined by a true random number. Although the random number signal is encrypted with the seed key 2 (122), the seed key 2 (122) is not estimated by an unauthorized recipient because the signal is a random number. Since the seed key 1 (121) for determining the shared base is also buried in the random number base, an unauthorized recipient cannot be estimated here either. Since the illegal receiver cannot obtain meaningful information on the optical transmission line 201, the difference in BER formed between the regular receiver and the illegal receiver brings a safe amount of information. However, it is necessary to correct the error correction code with redundancy. If the privacy amplifier executor 171 in the transmitter 100 and the privacy amplifier executor 371 in the receiver 300 operate with the same algorithm, a common secret key is formed between the transceivers.

実際の信号は、送信機において生成された秘密鍵を用いて暗号器181により暗号化され、信号処理部183で他の信号と多重化され、光送信機182においてキャリア光に重畳され、光伝送路202により受信機300まで伝送される。光送信機182は、光源と、その光源の出射光を変調する変調器からなる。   The actual signal is encrypted by the encryptor 181 using the secret key generated in the transmitter, multiplexed with other signals by the signal processing unit 183, and superimposed on the carrier light by the optical transmitter 182 for optical transmission. The signal is transmitted to the receiver 300 through the path 202. The optical transmitter 182 includes a light source and a modulator that modulates light emitted from the light source.

受信機300は伝送された信号光を光検出器381により受光して電気信号に変換し、その電気信号は信号処理部383において多重化前の信号の状態に戻され、暗号化された信号が分離され、その暗号化された信号は暗号復号器382において秘密鍵を用いて平文化される。以上で、安全な暗号通信の一連の過程が終了する。   The receiver 300 receives the transmitted signal light by the photodetector 381 and converts it into an electrical signal. The electrical signal is returned to the state of the signal before multiplexing by the signal processing unit 383, and the encrypted signal is received. The separated and encrypted signal is decrypted in the decryptor 382 using the secret key. This completes a series of secure cryptographic communication processes.

光伝送路202で行う通信は、揺らぎを伴うキャリア光を用いる必要は無く、通常の光通信でよい。光伝送路202と201は物理的に異なるものでも良いし、同じ光伝送路を用いて波長多重を行っても良い。   Communication performed on the optical transmission line 202 does not need to use carrier light accompanied by fluctuation, and may be ordinary optical communication. The optical transmission lines 202 and 201 may be physically different, or wavelength multiplexing may be performed using the same optical transmission line.

実施例6では乱数基底と共有基底を1ビットごとに対にして比較し、乱数符号を送信するかダミー乱数を送信するか決定した。乱数基底の中から共有基底を選ぶ方法は実施例6以外の方法も可能であり、それを実現する暗号通信システムの構成例を示したのが図20である。本実施例は、共有基底と乱数基底を照合して乱数符号とダミー乱数のどちらを送信するかを決定する点では実施例6の方式と同様である。ただし、共有基底と乱数基底が不一致の場合に、不採用になった共有基底を次のビットで再度乱数基底と照合して乱数符号とダミー乱数のどちらを送信するかを決定する点が異なる。共有基底は乱数基底と一致するまで照合を繰り返す。言い換えれば、乱数符号が重畳される基底の並びが共有基底の並びに一致するように運用される。   In the sixth embodiment, a random number base and a shared base are compared in pairs for each bit, and it is determined whether to transmit a random number code or a dummy random number. A method other than the sixth embodiment is also possible as a method for selecting a shared basis from among random number bases, and FIG. 20 shows a configuration example of a cryptographic communication system that realizes the method. The present embodiment is the same as the method of the sixth embodiment in that the shared basis and the random number basis are collated to determine which of the random number code and the dummy random number is transmitted. However, when the shared basis and the random number basis do not match, the shared basis that has been rejected is checked again with the random number basis with the next bit to determine whether to transmit a random number code or a dummy random number. The shared basis is repeated until it matches the random number basis. In other words, the operation is performed so that the sequence of bases on which the random number codes are superposed coincides with that of the shared bases.

以上の仕組みを具体例で示したのが図21である。乱数発生器3(113)の出力で決まる乱数基底は、図21では010011101000100である。一方、乱数からなる種鍵1(121,321)によって送受信者間で予め共有した基底は、10110000である。送信機側においては、まず共有基底で決まる基底の並びで乱数信号を送信する準備をする。図21の例では、共有基底の最初の基底は“1”であるが、乱数発生器3(113)で決まる乱数基底の最初は“0”であり不一致なので、この場合は基底“0”にダミー乱数(乱数発生器2(112)の出力)を重畳して信号を送信する。不一致だった共有基底“1”は、再度次の乱数基底と照合される。乱数基底(乱数発生器3(113))の2番目の出力は“1”であり、この場合は共有基底の最初の基底“1”に一致したので、乱数符号を重畳して送信する。乱数信号は実施例6と同様に誤り訂正符合化され、情報記号の部分の乱数符合と冗長分のパリティ検査記号に、誤り訂正符号器141において分離される。簡単化のため実施例6と同様に5ビットごとのパリティが検査記号になっている。   FIG. 21 shows the above mechanism as a specific example. The random number base determined by the output of the random number generator 3 (113) is 010011101000100 in FIG. On the other hand, the base shared in advance between the sender and receiver by the seed key 1 (121, 321) made up of random numbers is 10110000. On the transmitter side, first, preparations are made for transmitting random number signals in a sequence of bases determined by shared bases. In the example of FIG. 21, the first basis of the shared basis is “1”, but the first of the random number basis determined by the random number generator 3 (113) is “0” and does not match. A signal is transmitted by superimposing a dummy random number (output of the random number generator 2 (112)). The shared basis “1” that was not matched is checked again with the next random number basis. The second output of the random number base (random number generator 3 (113)) is “1”. In this case, since it coincides with the first base “1” of the shared base, the random number code is superimposed and transmitted. The random number signal is subjected to error correction coding in the same manner as in the sixth embodiment, and is separated by the error correction encoder 141 into a random number code in the information symbol portion and a redundant parity check symbol. For simplification, the parity for every 5 bits is a check symbol as in the sixth embodiment.

受信機300側の処理も、送信機100側の処理の変形に基づき実施例6の処理から変形される。まず4値判定を行い、どちらの基底が利用されたかを判定する点は、実施例6の方式と同様である。これを共有基底と照合し、一致すればその乱数データを乱数符合として採用し、不一致の場合はダミー乱数と判定する。不一致だった共有基底は、次に受信信号から判定される乱数基底と再び照合され、一致すればその基底と乱数データとが採用される。基底の判定誤りがあった場合、その位置以降のパリティが確率1/2で誤りになり、判定誤りがあった位置がほぼ特定される。この判定誤りがあった位置は、ダミー乱数が入ってしまったか乱数符号が抜け落ちたかのどちらかなので、判定誤りがあった位置付近のビットを抜いてその位置以降の基底照合を再度やり直してパリティチェックを行うことと、判定誤りがあった位置付近でダミーと判定したために捨てたビットを戻してその位置以降の基底照合を再度やり直してパリティチェックを行うことを順番に行い、ビット誤りがほぼなくなるビット列を探す。基底の判定誤りが無かった場合とあった場合の例を、図21の右側に示す。この例では、左から2番目のビットの基底照合が判定誤りになり(受信側に下線で示す)、本来共有乱数となるべき乱数信号をダミー乱数と判定してしまっている。このため採用データのビット数が減り、共有乱数がまったくの別物になってしまう。図21の例では、基底判定誤りがある場合に共有乱数のスロット位置が原型を留めないほど変わっている様子がわかる。この場合、以降のパリティチェックは確率1/2で誤りになり、ビット誤りがあった位置が概ねわかることになる。ビット誤りの位置がほぼ特定できれば、その付近のビットを修正し、ビット誤りがほぼなくなり、誤り訂正符号の復号が可能なBERになるまで修正を繰り返す。   The processing on the receiver 300 side is also modified from the processing of the sixth embodiment based on the modification of the processing on the transmitter 100 side. First, quaternary determination is performed, and which base is used is the same as in the method of the sixth embodiment. This is compared with the shared base, and if it matches, the random number data is adopted as a random number code, and if it does not match, it is determined as a dummy random number. The shared base that did not match is checked again with the random number base determined from the received signal next, and if it matches, the base and the random number data are adopted. If there is a base determination error, the parity after that position becomes an error with a probability of 1/2, and the position where the determination error has occurred is almost specified. The position where this determination error occurred was either a dummy random number entered or the random number code was missing, so remove the bits near the position where the determination error occurred and repeat the base verification after that position to perform the parity check again. In order, perform a parity check by returning the bits discarded because it was determined to be a dummy near the position where there was a determination error, and performing the base check again after that position, and a bit string with almost no bit errors look for. Examples of cases where there is no basis determination error and cases where there is no basis determination are shown on the right side of FIG. In this example, the base verification of the second bit from the left results in a determination error (indicated by an underline on the receiving side), and the random number signal that should originally be a shared random number is determined as a dummy random number. For this reason, the number of bits of the adopted data is reduced, and the shared random number is completely different. In the example of FIG. 21, it can be seen that the slot position of the shared random number changes so as not to remain the original when there is a basis determination error. In this case, the subsequent parity check is erroneous with a probability of ½, and the position where the bit error occurred can be generally understood. If the position of the bit error can be almost specified, the bits in the vicinity thereof are corrected, and the correction is repeated until the bit error is almost eliminated and a BER that enables decoding of the error correction code is reached.

実施例7の方式では、受信機において基底判定の誤りに基づいて信号ビットの挿入あるいは除去を行った際に、それ以降の基底照合を再度やり直す必要があるため、実施例6の方式に比べて処理が多くなる欠点があるが、共有基底の並びが種鍵だけで完全に決定される長所がある。   In the system according to the seventh embodiment, when signal bits are inserted or removed based on an error in base determination in the receiver, it is necessary to perform the subsequent base collation again. Therefore, compared with the system according to the sixth embodiment. There is a disadvantage that the processing is increased, but there is an advantage that the sequence of shared bases is completely determined only by the seed key.

本発明では種鍵を元手に揺らぎを利用して安全な秘密鍵を生成できることを示した。本発明は種鍵を元手にしているものの、秘密鍵生成の過程は情報論的に安全性が保証されたものである。従って、不正受信者が暗号文の解読を試みようとしても、種鍵に対する総当り攻撃以外に有効な攻撃法がないことになる。即ち、暗号文の効率的な解読法が発見されるかもしれないとの脅威から開放されることになる。本発明による方式は、現在の光通信ネットワークをそのまま利用することが可能であり、現実的で適用性の高い方式である。これら2つの理由から本発明は産業上、利用可能性が高い。   In the present invention, it has been shown that a secure secret key can be generated using fluctuations with the seed key as a starting hand. Although the present invention is based on the seed key, the process of generating the secret key is guaranteed in terms of information theory. Therefore, even if an unauthorized recipient tries to decipher the ciphertext, there is no effective attack method other than a brute force attack on the seed key. In other words, it is freed from the threat that an efficient cryptanalysis method may be discovered. The system according to the present invention can use the current optical communication network as it is, and is a realistic and highly applicable system. For these two reasons, the present invention has high industrial applicability.

Claims (14)

第1の乱数発生器、誤り訂正符号器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器、第1の光源、第1の変調器、プライバシアンプ、暗号器、並びに第2の光源及び第2の変調器を有する光送信機を具備する送信機と、
第1の光検出器、誤り訂正復号器、プライバシアンプ、第2の光検出器、及び暗号復号器を具備する受信機と、
前記送信機と前記受信機をつなぐ光伝送路とを有し、
前記送信機と前記受信機は予め乱数からなる第1の種鍵を共有し、前記第1の種鍵は前記送信機と前記受信機に共有基底を与え、
前記送信機は、前記第1の乱数発生器の出力を乱数信号として前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符合化し、
前記第2の乱数発生器の出力をダミー乱数とし、前記第3の乱数発生器の出力を前記乱数信号及び前記ダミー乱数送信のための乱数基底とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致した場合には前記乱数信号を信号とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致しない場合には前記ダミー乱数を信号とし、
前記第1の光源からの出力光に前記第1の変調器により、前記乱数基底で前記信号を重畳して第1の信号光とし、
その際、前記第1の光源からの出力光は揺らぎを伴うか、あるいは前記第1の光源又は前記第1の変調器において揺らぎが重畳され、
前記第1の信号光は前記光伝送路に出力され、
前記プライバシアンプは前記第1の乱数発生器の出力である乱数信号のビット数を減らして秘密鍵を生成し、
前記暗号器は前記秘密鍵を用いて送信信号を暗号化し、
前記暗号化した送信信号によって変調した第2の信号光を前記光送信機から出力し、
前記受信機は、前記第1の光検出器で前記第1の信号光を受信し、
乱数基底及び信号の値を判定し、受信した乱数基底と前記共有基底とを照合し、一致した場合の信号を誤り訂正符号化された乱数信号として、前記誤り訂正復号器で復号し、
前記プライバシアンプによってビット数を減らして秘密鍵を取り出し、
前記第2の光検出器で前記第2の信号光を受信し、
前記取り出した秘密鍵を用いて前記暗号復号器で、前記第2の光検出器で受信した信号から前記送信信号を復号することを特徴とする暗号通信システム。
First random number generator, error correction encoder, second random number generator, third random number generator, first light source, first modulator, privacy amplifier, cipher, second light source and second light source A transmitter comprising an optical transmitter having two modulators;
A receiver comprising a first photodetector, an error correction decoder, a privacy amplifier, a second photodetector, and an encryption decoder;
An optical transmission line connecting the transmitter and the receiver;
The transmitter and the receiver share a first seed key consisting of a random number in advance, the first seed key gives a shared base to the transmitter and the receiver,
The transmitter performs error correction encoding by the error correction encoder as a random number signal from the output of the first random number generator,
When the output of the second random number generator is a dummy random number, the output of the third random number generator is a random number base for transmitting the random number signal and the dummy random number, and the random number base and the shared base match The random number signal is a signal, and when the random basis and the shared basis do not match, the dummy random number is a signal,
The first modulator superimposes the signal on the random number basis to the output light from the first light source by the first modulator,
At that time, the output light from the first light source is accompanied by fluctuations, or fluctuations are superimposed on the first light source or the first modulator,
The first signal light is output to the optical transmission line;
The privacy amplifier generates a secret key by reducing the number of bits of the random number signal that is the output of the first random number generator,
The encryptor encrypts a transmission signal using the secret key,
A second signal light modulated by the encrypted transmission signal is output from the optical transmitter;
The receiver receives the first signal light by the first photodetector;
The random number base and the signal value are determined, the received random base and the shared base are collated, and the signal in the case of matching is decoded as an error correction encoded random signal by the error correction decoder,
Reduce the number of bits by the privacy amplifier and take out the secret key,
Receiving the second signal light by the second photodetector;
An encryption communication system, wherein the transmission signal is decrypted from the signal received by the second photodetector by the encryption / decryption device using the extracted secret key.
第1の乱数発生器、誤り訂正符号器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器、第1の光源、第1の変調器、プライバシアンプ、暗号器、並びに第2の光源及び第2の変調器を有する光送信機を具備する送信機と、
第1の光検出器、誤り訂正復号器、プライバシアンプ、第2の光検出器、及び暗号復号器を具備する受信機と、
前記送信機と前記受信機をつなぐ光伝送路とを有し、
前記送信機と前記受信機は予め乱数からなる第1の種鍵を共有し、前記第1の種鍵は前記送信機と前記受信機に共有基底を与え、
前記送信機は、前記第1の乱数発生器の出力を乱数信号として前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符合化し、
前記第2の乱数発生器の出力をダミー乱数とし、前記第3の乱数発生器の出力を前記乱数信号及び前記ダミー乱数送信のための乱数基底とし、
前記乱数基底と前記共有基底が一致した場合には前記乱数信号を信号とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致しない場合には前記ダミー乱数を信号とし、これにより各乱数基底の信号が決まり、次の基底決定の過程において前記乱数基底に一致しなかった前記共有基底と次の乱数基底との照合を行い、一致すれば前記乱数信号を信号とし、一致しなければ前記ダミー乱数を信号とし、前記共有基底が前記乱数基底に一致するまで照合と信号決定の処理を繰り返し、前記共有基底と前記乱数基底の一致後は次の共有基底に進んで同様の処理を繰り返し、
前記第1の光源からの出力光に前記第1の変調器により、前記乱数基底で前記信号を重畳して第1の信号光とし、
その際、前記第1の光源からの出力光は揺らぎを伴うか、あるいは前記第1の光源又は前記第1の変調器において揺らぎが重畳され、
前記第1の信号光は前記光伝送路に出力され、
前記プライバシアンプは前記第1の乱数発生器の出力である乱数信号のビット数を減らして秘密鍵を生成し、
前記暗号器は前記秘密鍵を用いて送信信号を暗号化し、
前記暗号化した送信信号によって変調した第2の信号光を前記光送信機から出力し、
前記受信機は、前記第1の光検出器で前記第1の信号光を受信し、
乱数基底及び信号の値を判定し、受信した乱数基底と前記共有基底とを照合し、一致するまで同じ共有基底で乱数基底との照合を繰り返し、一致した場合に信号を乱数信号として扱い、次の共有基底に進んで同様の処理を繰り返し、
以上の一連の過程により得られた信号を誤り訂正符号化された乱数信号として前記誤り訂正復号器で復号し、
前記プライバシアンプによってビット数を減らして秘密鍵を取り出し、
前記第2の光検出器で前記第2の信号光を受信し、
前記取り出した秘密鍵を用いて前記暗号復号器で、前記第2の光検出器で受信した信号から前記送信信号を復号することを特徴とする暗号通信システム。
First random number generator, error correction encoder, second random number generator, third random number generator, first light source, first modulator, privacy amplifier, cipher, second light source and second light source A transmitter comprising an optical transmitter having two modulators;
A receiver comprising a first photodetector, an error correction decoder, a privacy amplifier, a second photodetector, and an encryption decoder;
An optical transmission line connecting the transmitter and the receiver;
The transmitter and the receiver share a first seed key consisting of a random number in advance, the first seed key gives a shared base to the transmitter and the receiver,
The transmitter performs error correction encoding by the error correction encoder as a random number signal from the output of the first random number generator,
The output of the second random number generator is a dummy random number, the output of the third random number generator is the random number base for transmitting the random number signal and the dummy random number,
When the random number basis and the shared basis match, the random number signal is a signal, and when the random number basis and the shared basis do not match, the dummy random number is a signal, thereby determining the signal of each random number basis, In the process of determining the next basis, the shared basis that did not match the random number basis and the next random number basis are collated, and if they match, the random number signal is a signal, and if not, the dummy random number is a signal, Repeat the process of matching and signal determination until the shared basis matches the random number basis, and after matching the shared basis and the random number basis, proceed to the next shared basis and repeat the same process,
The first modulator superimposes the signal on the random number basis to the output light from the first light source by the first modulator,
At that time, the output light from the first light source is accompanied by fluctuations, or fluctuations are superimposed on the first light source or the first modulator,
The first signal light is output to the optical transmission line;
The privacy amplifier generates a secret key by reducing the number of bits of the random number signal that is the output of the first random number generator,
The encryptor encrypts a transmission signal using the secret key,
A second signal light modulated by the encrypted transmission signal is output from the optical transmitter;
The receiver receives the first signal light by the first photodetector;
The random number base and the signal value are determined, the received random base is compared with the shared base, and the matching with the random base is repeated with the same shared base until they match. Go to the shared base of and repeat the same process,
The error correction decoder decodes the signal obtained by the above series of processes as an error correction encoded random number signal,
Reduce the number of bits by the privacy amplifier and take out the secret key,
Receiving the second signal light by the second photodetector;
An encryption communication system, wherein the transmission signal is decrypted from the signal received by the second photodetector by the encryption / decryption device using the extracted secret key.
第1の乱数発生器、誤り訂正符号器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器、第1の擬似乱数発生器、第2の擬似乱数発生器、第1の光源、第1の変調器、プライバシアンプ、暗号器、並びに第2の光源及び第2の変調器を有する光送信機を具備する送信機と、
第1の光検出器、第1の擬似乱数発生器、第2の擬似乱数発生器、誤り訂正復号器、プライバシアンプ、第2の光検出器、及び暗号復号器を具備する受信機と、
前記送信機と前記受信機をつなぐ光伝送路とを有し、
前記送信機と前記受信機は予め乱数からなる第1の種鍵と第2の種鍵を共有し、前記第1の種鍵は前記送信機内及び前記受信機内それぞれの第1の擬似乱数発生器を通して共有基底を与え、前記第2の種鍵は前記送信機内及び前記受信機内それぞれの第2の擬似乱数発生器を通して前記共有基底を利用する信号スロットを与え、
前記送信機は、前記第1の乱数発生器の出力を乱数信号として前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符合化し、
前記第2の乱数発生器の出力をダミー乱数とし、前記第3の乱数発生器の出力をダミーの乱数基底とし、
前記共有基底を利用する信号スロットでは前記共有基底を用いて前記乱数信号を信号とし、前記共有基底を利用しない信号スロットでは前記ダミーの乱数基底を用いて前記ダミー乱数を信号とし、
前記第1の光源からの出力光に前記第1の変調器を用いて前記信号を重畳して第1の信号光とし、
その際、前記光源からの出力光は揺らぎを伴うか、あるいは前記光源又は前記変調器において揺らぎが重畳され、
前記第1の信号光は前記光伝送路に出力され、
前記プライバシアンプは前記第1の乱数発生器の出力である乱数信号のビット数を減らして秘密鍵を生成し、
前記暗号器は前記秘密鍵を用いて送信信号を暗号化し、
前記暗号化した送信信号によって変調した第2の信号光を前記光送信機から出力し、
前記受信機は、前記第1の光検出器で前記第1の信号光を受信し、
前記共有基底の信号スロットで伝送されてきた信号を乱数信号として前記誤り訂正復号器で復号し、
前記プライバシアンプによってビット数を減らして秘密鍵を取り出し、
前記第2の光検出器で前記第2の信号光を受信し、
前記取り出した秘密鍵を用いて前記暗号復号器で、前記第2の光検出器で受信した信号から前記送信信号を復号することを特徴とする暗号通信システム。
A first random number generator, an error correction encoder, a second random number generator, a third random number generator, a first pseudo random number generator, a second pseudo random number generator, a first light source, a first light source, A transmitter comprising a modulator, a privacy amplifier, an encryptor, and an optical transmitter having a second light source and a second modulator;
A receiver comprising a first photodetector, a first pseudo-random number generator, a second pseudo-random number generator, an error correction decoder, a privacy amplifier, a second photodetector, and an encryption decoder;
An optical transmission line connecting the transmitter and the receiver;
The transmitter and the receiver share a first seed key and a second seed key made up of random numbers in advance, and the first seed key is a first pseudo-random number generator in each of the transmitter and the receiver. The second seed key provides a signal slot utilizing the shared basis through a second pseudo-random number generator in each of the transmitter and the receiver,
The transmitter performs error correction encoding by the error correction encoder as a random number signal from the output of the first random number generator,
The output of the second random number generator is a dummy random number, the output of the third random number generator is a dummy random number base,
In the signal slot using the shared basis, the random number signal is signaled using the shared basis, and in the signal slot not using the shared basis, the dummy random number base is used as a signal,
Using the first modulator to superimpose the signal on the output light from the first light source to form a first signal light;
At that time, the output light from the light source is accompanied by fluctuation, or fluctuation is superimposed on the light source or the modulator,
The first signal light is output to the optical transmission line;
The privacy amplifier generates a secret key by reducing the number of bits of the random number signal that is the output of the first random number generator,
The encryptor encrypts a transmission signal using the secret key,
A second signal light modulated by the encrypted transmission signal is output from the optical transmitter;
The receiver receives the first signal light by the first photodetector;
The signal transmitted in the shared base signal slot is decoded by the error correction decoder as a random number signal,
Reduce the number of bits by the privacy amplifier and take out the secret key,
Receiving the second signal light by the second photodetector;
An encryption communication system, wherein the transmission signal is decrypted from the signal received by the second photodetector by the encryption / decryption device using the extracted secret key.
請求項1〜3のいずれか1項記載の暗号通信システムにおいて、前記第1の光源からの出力光の揺らぎは位相揺らぎあるいは強度揺らぎであること、又は前記第1の光源あるいは前記第1の変調器によって重畳される揺らぎは前記第1の信号光に位相揺らぎあるいは強度揺らぎを与えるものであることを特徴とする暗号通信システム。   4. The cryptographic communication system according to claim 1, wherein the fluctuation of output light from the first light source is phase fluctuation or intensity fluctuation, or the first light source or the first modulation. 5. The cryptographic communication system characterized in that the fluctuation superimposed by the detector gives a phase fluctuation or an intensity fluctuation to the first signal light. 請求項1又は2記載の暗号通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機は予め第2の種鍵を共有し、前記送信機では、前記第1の乱数発生器から発生された乱数信号を前記第2の種鍵により暗号化したのち前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符号化し、前記受信機では、前記誤り訂正復号器で復号された信号を前記第2の種鍵を用いて復号することを特徴とする暗号通信システム。   3. The cryptographic communication system according to claim 1, wherein the transmitter and the receiver share a second seed key in advance, and the transmitter uses the random number signal generated from the first random number generator as the random number signal. Encrypting with the second seed key and then performing error correction coding with the error correction encoder, and the receiver using the second seed key to decrypt the signal decoded by the error correction decoder A cryptographic communication system. 請求項3記載の暗号通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機は予め第3の種鍵を共有し、前記送信機では、前記第1の乱数発生器から発生された乱数信号を前記第3の種鍵により暗号化したのち前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符号化し、前記受信機では、前記誤り訂正復号器で復号された信号を前記第3の種鍵を用いて復号することを特徴とする暗号通信システム。   4. The cryptographic communication system according to claim 3, wherein the transmitter and the receiver share a third seed key in advance, and the transmitter uses the third random number signal generated from the first random number generator as the third random number signal. And the error correction encoder performs error correction encoding, and the receiver uses the third seed key to decode the signal decoded by the error correction decoder. Cryptographic communication system. 請求項1〜3のいずれか1項記載の暗号通信システムにおいて、前記乱数信号及び前記ダミー乱数は2値とし、前記乱数基底は2基底とし、合わせて4値の状態で信号が伝送されることを特徴とする暗号通信システム。   The cryptographic communication system according to any one of claims 1 to 3, wherein the random number signal and the dummy random number are binary, the random number base is binary, and the signal is transmitted in a quaternary state. A cryptographic communication system characterized by the above. 請求項1〜3のいずれか1項記載の暗号通信システムにおいて、前記乱数信号及び前記ダミー乱数はn値とし、前記乱数基底はm基底とし、合わせてn×m値の状態で信号が伝送されることを特徴とする暗号通信システム。   The cryptographic communication system according to any one of claims 1 to 3, wherein the random number signal and the dummy random number have an n value, the random number base has an m base, and the signal is transmitted in an n × m value state. An encryption communication system. 第1の乱数発生器、誤り訂正符号器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器、第1の光源、第1の変調器、プライバシアンプ、暗号器、並びに第2の光源及び第2の変調器を有する光送信機を具備する送信機と、
第1の光検出器、誤り訂正復号器、プライバシアンプ、第2の光検出器、及び暗号復号器を具備する受信機と、
前記送信機と前記受信機をつなぐ第1及び第2の光伝送路とを有し、
前記送信機と前記受信機は予め乱数からなる第1の種鍵を共有し、前記第1の種鍵は前記送信機と前記受信機に共有基底を与え、
前記送信機は、前記第1の乱数発生器の出力を乱数信号として前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符合化し、前記乱数信号の情報分と冗長分を分離し、前者を乱数符号、後者を検査記号とし、
前記第2の乱数発生器の出力をダミー乱数とし、前記第3の乱数発生器の出力を前記乱数符号及び前記ダミー乱数送信のための乱数基底とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致した場合には前記乱数符号を信号とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致しない場合には前記ダミー乱数を信号とし、
前記第1の光源からの出力光に前記第1の変調器により、前記乱数基底で前記信号を重畳して第1の信号光とし、
その際、前記第1の光源からの出力光は揺らぎを伴うか、あるいは前記第1の光源又は前記第1の変調器において揺らぎが重畳され、
前記第1の信号光は前記第1の光伝送路に出力され、
前記プライバシアンプは前記第1の乱数発生器の出力である乱数信号のビット数を減らして秘密鍵を生成し、
前記暗号器は前記秘密鍵を用いて送信信号を暗号化し、
前記暗号化した送信信号と前記検査記号は多重化され、前記多重化された信号によって変調した第2の信号光は前記光送信機から前記第2の光伝送路に出力され、
前記受信機は、前記第2の光検出器で前記第2の信号光を受信し、その受信信号から前記暗号化した送信信号と前記検査記号を分離し、
前記受信機は前記第1の光検出器で前記第1の信号光を受信し、
乱数基底及び信号の値を判定し、受信した乱数基底と前記共有基底とを照合し、一致した場合の信号を乱数符号とし、一致しなかった場合の信号をダミー乱数とし、前記検査記号を用いて前記乱数符号を検査し、それにより基底の照合誤りをチェックし、照合誤りがあった場合は基底を訂正し、それに伴い乱数符号とダミー乱数の判定を訂正し、
前記検査記号を用いて前記判定訂正後の乱数符号を前記誤り訂正復号器で復号し、
前記プライバシアンプによってビット数を減らして秘密鍵を取り出し、
前記取り出した秘密鍵を用いて、前記暗号復号器で前記暗号化した送信信号を送信信号に復号することを特徴とする暗号通信システム。
First random number generator, error correction encoder, second random number generator, third random number generator, first light source, first modulator, privacy amplifier, cipher, second light source and second light source A transmitter comprising an optical transmitter having two modulators;
A receiver comprising a first photodetector, an error correction decoder, a privacy amplifier, a second photodetector, and an encryption decoder;
Having first and second optical transmission lines connecting the transmitter and the receiver;
The transmitter and the receiver share a first seed key consisting of a random number in advance, the first seed key gives a shared base to the transmitter and the receiver,
The transmitter performs error correction coding by the error correction encoder using the output of the first random number generator as a random number signal, separates information and redundancy of the random number signal, checks the former as a random number code, and checks the latter Sign and
When the output of the second random number generator is a dummy random number, the output of the third random number generator is a random number base for transmitting the random number code and the dummy random number, and the random number base and the shared base match The random number code as a signal, and when the random basis and the shared basis do not match, the dummy random number as a signal,
The first modulator superimposes the signal on the random number basis to the output light from the first light source by the first modulator,
At that time, the output light from the first light source is accompanied by fluctuations, or fluctuations are superimposed on the first light source or the first modulator,
The first signal light is output to the first optical transmission line;
The privacy amplifier generates a secret key by reducing the number of bits of the random number signal that is the output of the first random number generator,
The encryptor encrypts a transmission signal using the secret key,
The encrypted transmission signal and the check symbol are multiplexed, and the second signal light modulated by the multiplexed signal is output from the optical transmitter to the second optical transmission line,
The receiver receives the second signal light with the second photodetector, separates the encrypted transmission signal and the check symbol from the received signal,
The receiver receives the first signal light with the first photodetector,
The random number base and the value of the signal are determined, the received random base and the shared base are collated, the signal when matched is a random number code, the signal when not matched is a dummy random number, and the check symbol is used Inspecting the random number code, thereby checking the base verification error, correcting the base if there is a verification error, and accordingly correcting the determination of the random number code and the dummy random number,
The error correction decoder decodes the random number code after the determination correction using the check symbol,
Reduce the number of bits by the privacy amplifier and take out the secret key,
An encryption communication system, wherein the encrypted transmission signal is decrypted into a transmission signal by the encryption / decryption device using the extracted secret key.
第1の乱数発生器、誤り訂正符号器、第2の乱数発生器、第3の乱数発生器、第1の光源、第1の変調器、プライバシアンプ、暗号器、並びに第2の光源及び第2の変調器を有する光送信機を具備する送信機と、
第1の光検出器、誤り訂正復号器、プライバシアンプ、第2の光検出器、及び暗号復号器を具備する受信機と、
前記送信機と前記受信機をつなぐ第1及び第2の光伝送路とを有し、
前記送信機と前記受信機は予め乱数からなる第1の種鍵を共有し、前記第1の種鍵は前記送信機と前記受信機に共有基底を与え、
前記送信機は、前記第1の乱数発生器の出力を乱数信号として前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符合化し、前記乱数信号の情報分と冗長分を分離し、前者を乱数符号、後者を検査記号とし、
前記第2の乱数発生器の出力をダミー乱数とし、前記第3の乱数発生器の出力を前記乱数符号及び前記ダミー乱数送信のための乱数基底とし、
前記乱数基底と前記共有基底が一致した場合には前記乱数符号を信号とし、前記乱数基底と前記共有基底が一致しない場合には前記ダミー乱数を信号とし、これにより各乱数基底の信号が決まり、次の基底決定の過程において前記乱数基底に一致しなかった前記共有基底と次の乱数基底との照合を行い、一致すれば前記乱数符号を信号とし、一致しなければ前記ダミー乱数を信号とし、前記共有基底が前記乱数基底に一致するまで照合と信号決定の処理を繰り返し、前記共有基底と前記乱数基底の一致後は次の共有基底に進んで同様の処理を繰り返し、
前記第1の光源からの出力光に前記第1の変調器により、前記乱数基底で前記信号を重畳して第1の信号光とし、
その際、前記第1の光源からの出力光は揺らぎを伴うか、あるいは前記第1の光源又は前記第1の変調器において揺らぎが重畳され、
前記第1の信号光は前記第1の光伝送路に出力され、
前記プライバシアンプは前記第1の乱数発生器の出力である乱数信号のビット数を減らして秘密鍵を生成し、
前記暗号器は前記秘密鍵を用いて送信信号を暗号化し、
前記暗号化した送信信号と前記検査記号は多重化され、前記多重化された信号によって変調した第2の信号光は前記光送信機から前記第2の光伝送路に出力され、
前記受信機は、前記第2の光検出器で前記第2の信号光を受信し、その受信信号から前記暗号化した送信信号と前記検査記号を分離し、
前記受信機は前記第1の光検出器で前記第1の信号光を受信し、
乱数基底及び信号の値を判定し、受信した乱数基底と前記共有基底とを照合し、一致するまで同じ共有基底で乱数基底との照合を繰り返し、一致した場合に信号を乱数符号とし、一致しなかった場合に信号をダミー乱数とし、次の共有基底に進んで同様の処理を繰り返し、前記検査記号を用いて前記乱数符号を検査し、それにより基底の照合誤りをチェックし、照合誤りがあった場合は基底を訂正し、それに伴い乱数符号とダミー乱数の判定を訂正し、
前記検査記号を用いて前記判定訂正後の乱数符号を前記誤り訂正復号器で復号し、
前記プライバシアンプによってビット数を減らして秘密鍵を取り出し、
前記取り出した秘密鍵を用いて、前記暗号復号器で前記暗号化した送信信号を送信信号に復号することを特徴とする暗号通信システム。
First random number generator, error correction encoder, second random number generator, third random number generator, first light source, first modulator, privacy amplifier, cipher, second light source and second light source A transmitter comprising an optical transmitter having two modulators;
A receiver comprising a first photodetector, an error correction decoder, a privacy amplifier, a second photodetector, and an encryption decoder;
Having first and second optical transmission lines connecting the transmitter and the receiver;
The transmitter and the receiver share a first seed key consisting of a random number in advance, the first seed key gives a shared base to the transmitter and the receiver,
The transmitter performs error correction coding by the error correction encoder using the output of the first random number generator as a random number signal, separates information and redundancy of the random number signal, checks the former as a random number code, and checks the latter Sign and
The output of the second random number generator is a dummy random number, and the output of the third random number generator is the random number base for transmitting the random number code and the dummy random number,
When the random number basis and the shared basis match, the random number code is a signal, when the random number basis and the shared basis do not match, the dummy random number is a signal, thereby determining the signal of each random number basis, In the process of determining the next basis, the shared basis that did not match the random number basis and the next random number basis are collated, if they match, the random number code is a signal, and if not, the dummy random number is a signal, Repeat the process of matching and signal determination until the shared basis matches the random number basis, and after matching the shared basis and the random number basis, proceed to the next shared basis and repeat the same process,
The first modulator superimposes the signal on the random number basis to the output light from the first light source by the first modulator,
At that time, the output light from the first light source is accompanied by fluctuations, or fluctuations are superimposed on the first light source or the first modulator,
The first signal light is output to the first optical transmission line;
The privacy amplifier generates a secret key by reducing the number of bits of the random number signal that is the output of the first random number generator,
The encryptor encrypts a transmission signal using the secret key,
The encrypted transmission signal and the check symbol are multiplexed, and the second signal light modulated by the multiplexed signal is output from the optical transmitter to the second optical transmission line,
The receiver receives the second signal light with the second photodetector, separates the encrypted transmission signal and the check symbol from the received signal,
The receiver receives the first signal light with the first photodetector,
The random number basis and the signal value are determined, the received random number basis is compared with the shared basis, and the matching is repeated with the same shared basis until they match. If not, the signal is set as a dummy random number, the process proceeds to the next shared basis, the same processing is repeated, the random number code is inspected using the check symbol, thereby checking the base check error, and there is a check error. If this is the case, the basis is corrected, and the random number code and dummy random number are corrected accordingly.
The error correction decoder decodes the random number code after the determination correction using the check symbol,
Reduce the number of bits by the privacy amplifier and take out the secret key,
An encryption communication system, wherein the encrypted transmission signal is decrypted into a transmission signal by the encryption / decryption device using the extracted secret key.
請求項9又は10記載の暗号通信システムにおいて、前記第1の光源からの出力光の揺らぎは位相揺らぎあるいは強度揺らぎであること、又は前記第1の光源あるいは前記第1の変調器によって重畳される揺らぎは前記第1の信号光に位相揺らぎあるいは強度揺らぎを与えるものであることを特徴とする暗号通信システム。   11. The cryptographic communication system according to claim 9, wherein the fluctuation of the output light from the first light source is a phase fluctuation or an intensity fluctuation, or is superimposed by the first light source or the first modulator. The encryption communication system, wherein the fluctuation is to give a phase fluctuation or an intensity fluctuation to the first signal light. 請求項9又は10記載の暗号通信システムにおいて、前記送信機と前記受信機は予め第2の種鍵を共有し、前記送信機では、前記第1の乱数発生器から発生された乱数信号を前記第2の種鍵により暗号化したのち前記誤り訂正符号器によって誤り訂正符号化し、前記受信機では、前記誤り訂正復号器で復号された信号を前記第2の種鍵を用いて復号することを特徴とする暗号通信システム。   11. The cryptographic communication system according to claim 9, wherein the transmitter and the receiver share a second seed key in advance, and the transmitter uses the random number signal generated from the first random number generator as the random number signal. Encrypting with the second seed key and then performing error correction coding with the error correction encoder, and the receiver using the second seed key to decrypt the signal decoded by the error correction decoder A cryptographic communication system. 請求項9又は10記載の暗号通信システムにおいて、前記乱数信号及び前記ダミー乱数は2値とし、前記乱数基底は2基底とし、合わせて4値の状態で信号が伝送されることを特徴とする暗号通信システム。   11. The cryptographic communication system according to claim 9, wherein the random number signal and the dummy random number are binary, the random number base is binary, and the signal is transmitted in a quaternary state. Communications system. 請求項9又は10記載の暗号通信システムにおいて、前記乱数信号及び前記ダミー乱数はn値とし、前記乱数基底はm基底とし、合わせてn×m値の状態で信号が伝送されることを特徴とする暗号通信システム。   11. The cryptographic communication system according to claim 9 or 10, wherein the random number signal and the dummy random number have an n value, the random number base has an m base, and the signal is transmitted in an n × m value state. Cryptographic communication system.
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