JPWO2014068959A1

JPWO2014068959A1 - 光通信システムにおける光受信装置、光子検出器の制御方法および装置、並びに光子検出器の暗計数評価方法

Info

Publication number: JPWO2014068959A1
Application number: JP2014544310A
Authority: JP
Inventors: 健一郎吉野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2016-09-08
Also published as: US9584319B2; US20150304106A1; WO2014068959A1

Abstract

【課題】光子検出器の受信動作を実行しつつ暗計数評価を可能にする光受信装置、光子検出器の制御方法および装置、並びに光子検出器の暗計数評価方法を提供する。【解決手段】送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する光子検出器ＰＤ１、ＰＤ２の出力を選択的に抽出するＺパルス情報検出部２０５および制御部２０４と、抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて光子検出器の暗計数を評価する暗計数評価部２０６と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は光子を通信媒体とする光通信システムにおける光受信装置に係り、特に光子検出器の暗計数評価方法、暗計数確率に基づく光子検出器の制御方法および装置に関する。

近年、盗聴行為に対して情報理論的安全性を持つ暗号通信を実現する方法として量子鍵配送(quantum key distribution：ＱＫＤ)が盛んに研究され（非特許文献１）、実用化に向けた開発が進められている。特に安全性向上のために、ＱＫＤに用いる微弱光パルスの強度を時折変化させることにより盗聴攻撃を検知する「デコイ法」がほとんどの実用向けＱＫＤシステムに採用されている（非特許文献２を参照）。

ＱＫＤでは、１パルス中に光子を１つしか含まない「単一光子」（もしくは通常のレーザ光を極度に減衰させた「擬似単一光子」）を通信媒体としているので、通常の光通信で用いられるような光検出器ではなく、単一光子を検出可能な光子検出器が用いられる。光子検出器としては、ブレークダウン電圧を超えるバイアスを印加したアバランシェフォトダイオード(avalanche photodiode：ＡＰＤ)や、数Ｋまで冷却した超伝導素子が一般的に用いられている。

ＱＫＤには様々な方式が提案されているが、２個もしくは４個の光子検出器を用いる方式が一般的である（たとえば非特許文献３を参照）。複数の光子検出器を用いる場合、ＱＫＤによって生成される暗号鍵の安全性を担保するためには全ての光子検出器の特性ができるだけ均一であることが望ましいが、一般的に、ＡＰＤ素子や超伝導素子の特性には大きなばらつきがあり、さらに環境温度の変動や素子の劣化などによっても変化する。したがって、ＱＫＤを長時間稼働させる際には定期的に特性をチェックし、バイアス電圧などの外部パラメータを個別に調整して特性の均一化を図る必要がある。

光子検出器の特性を示す主要なパラメータとしては量子効率および暗計数確率が挙げられる。量子効率は１つの光子を含むパルスを光子検出器が受光した際に正しく検出信号を出力する確率（光子の検出確率）である。暗計数確率は光子が存在しないにも拘わらず検出信号を出力してしまう確率であり、雑音の大きさを示す。典型的な値としては、量子効率が１０％程度、暗計数確率が１０^−５程度である。

ベネット（Bennett）、ブラッサード（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175, 1984） M. Hayashi, "Upper bounds of eavesdropper’s performances in finite-length code with the decoy method" Physical Review A, Vol. 76, 012329 (2007) M. Sasaki et al., "Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network" Opt. Express 19, 10387 (2011)

しかしながら、量子効率の評価は各光子検出器における検出数を比較すればよいので比較的容易であるが、暗計数は入射光を遮断してカウントする必要があり、その間、所定の受信動作ができないという難点がある。

ＱＫＤシステムを長時間稼働させる場合を例示すれば、図１に示すように、通常通り暗号鍵生成を行う受信動作モード１と、光子検出器への入射光を一時的に遮断して暗計数確率を評価・調整する調整モード２とを用意し、これらを定期的に切り替えて光子検出器の暗計数評価３を実行する。多くの場合、この調整モードには稼動時間全体の５％程度が割り当てられるので、その間の受信動作が停止することでＱＫＤの鍵生成速度が低下する。

そこで、本発明の目的は、光子検出器の受信動作を実行しつつ暗計数評価を可能にする光受信装置、光子検出器の制御方法および装置、並びに光子検出器の暗計数評価方法を提供することにある。

本発明による光受信装置は、送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する暗計数評価手段と、を有することを特徴とする。
本発明による光子検出器の制御方法は、送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する、ことを特徴とする。
本発明による光子検出器の制御装置は、送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明による光子検出器の暗計数評価方法は、送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する、ことを特徴とする。

本発明によれば、送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスを利用して暗計数を評価することで、光子検出器の受信動作を実行しつつ暗計数評価を行うことが可能となる。

図１は調整モードを設定した暗計数評価方法を示すタイムチャートである。図２は本発明の概要を説明するためのタイムチャートである。図３は本発明の一実施形態による光通信システムの送信機および受信機の構成を示すブロック図である。図４は本実施形態による光通信システムの暗計数評価方法を説明するためのタイムチャートである。

図２に示すように、本発明の実施形態によれば、送信光パルス列を光子検出器で検出した検出データのうち送信光パルス列に含まれる実質的に光強度０（平均光子数０）のタイミング（以下、便宜上、Ｚパルスという。）の検出データを利用して暗計数評価を行う。具体的には、送信されたＺパルス数に対する光子検出器による光子検出回数の割合を暗計数確率として評価する。したがって、光子検出器を動作モードにしたままで暗計数評価を実行することができ、システム動作を調整のために中断する必要がない。以下、Ｚパルスを含むデコイ法を採用したＱＫＤシステムを一例として、本発明の一実施形態による暗計数評価方法について詳細に説明する。

１．システム構成
図３に示すように、本発明の一実施形態による光通信システムは、暗号鍵を送信する側（Ａｌｉｃｅ）の送信機１０と暗号鍵を受信する側（Ｂｏｂ）の受信機２０とが光ファイバにより接続されている。送信機１０と受信機２０とは、後述する量子通信路３０および古典通信路３１〜３３により通信を行うものとする。

送信機１０は、量子通信を行う送信部１０１と、受信側とのクロック同期をとる同期部１０２と、デコイ送信制御および受信側へＺパルス送信情報を通知する送信制御部１０３と、受信機２０との間でデータの一部を互いに送信することで暗号鍵を生成する鍵抽出部１０４とを有する。なお、送信部１０１には、光パルスを生成するレーザ光源や位相変調器なども設けられているが、本発明の動作に直接関係しないので説明は省略する。

受信機２０は、複数の光子検出器（ここではＰＤ１およびＰＤ２）を有する受信部２０１と、送信側とのクロック同期をとる同期部２０２と、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２のバイアス電圧をそれぞれ制御するバイアス制御部２０３と、後述する暗計数評価や鍵抽出などの制御を行う制御部２０４と、送信器１０から受信したＺパルス送信情報からＺパルス情報を検出するＺパルス情報検出部２０５と、Ｚパルス情報および光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２の出力データに基づいて光子検出器の暗計数確率の評価を行う暗計数評価部２０６と、送信器１０との間でデータの一部を互いに送信することで暗号鍵を生成する鍵抽出部２０７とを有する。なお、受信部２０１には、位相変調器や２入力２出力の干渉計（たとえば、マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計）なども設けられているが、本発明の動作に直接関係しないので説明は省略する。

なお、制御部２０４、Ｚパルス情報検出部２０５および暗計数評価部２０６は、図示しないメモリに格納されたプログラムを実行するコンピュータにより同等の機能を実現することもできる。

２．システム動作
送信機１０の送信部１０１は、送信制御部１０３からの送信データに従って、デコイ法に基づいて強度変調された光子パルスを量子通信路３０を通して受信機２０へ送信する。これと並行して、送信制御部１０３は送信された光子パルスにおける光強度０のＺパルスの送信情報を受信機２０へ通知する。ここで量子通信路３０は、単一光子あるいは疑似単一光子からなる光子パルスを伝送する所定波長の通信路である。クロック信号やＺパルス送信情報は通常強度の光パルスによる古典通信路でよい。なお、量子通信路３０と古典通信路とは１本の光ファイバに波長多重されてもよい。また、鍵抽出部１０４と鍵抽出部２０７との間は双方向に伝送する古典通信路であればよく、インターネット回線などが代表的である。

受信部２０１の光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２は量子通信路３０を通して到達した光子パルスを検出し、その検出データを制御部２０４の制御に従って鍵抽出部２０７へ出力する。バイアス制御部２０３は、光子パルス到達タイミングに同期して光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２へバイアス電圧を印加し、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２をそれぞれ駆動する。したがって、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２が出力するデータは、量子通信路３０を通して到達した光子パルスの有無を示すと共に、光強度０のＺパルスのタイミングでの暗出力の有無も示す。Ｚパルス情報検出部２０５は送信機１０から古典通信路を通して受信したＺパルス送信情報を検出し、制御部２０４へ出力する。

制御部２０４は、Ｚパルス送信情報に従って、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２の出力データからＺパルスに対する出力データを抽出し、暗計数評価部２０６へ出力する。暗計数評価部２０６は、Ｚパルス送信情報とＺパルスに対する出力データとに基づいて各光子検出器の暗出力の確率を計算する。Ｚパルスは強度がゼロであるため、Ｚパルス受信時の検出確率は光子検出器の暗計数確率に相当する。バイアス制御部２０３は暗計数確率に基づいて各光子検出器に印加するバイアス電圧を決定し、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２の特性を調整する。

３．暗計数評価
図４（Ａ）に示すように、一般に、デコイ法では３種類の光強度が用いられ、１パルス中に含まれる平均光子数をここではそれぞれｓ、ｄ、ｚとする。平均光子数ｓの光パルスは信号(signal)光として用い、ここから得た情報を量子暗号鍵の生成に利用する。伝送距離５０ｋｍ程度の典型的なＱＫＤシステムではｓ＝〜０．５である。平均光子数ｄおよびｚの光パルスは盗聴を検知するための囮(decoy)パルスとして用い、典型的にはｄ＝〜０．２、ｚ＝０である。以下、平均光子数ｓ、ｄ、ｚの光パルスをそれぞれＳ、Ｄ、Ｚパルスと表す。デコイ法を用いたＱＫＤシステムでは、送信パルスのほとんどをＳパルスとし、一部にＤパルスやＺパルスをランダムに混入させて盗聴を検知する。典型的には送信パルスのうち、Ｓパルスが９０％、Ｄパルスが６％、Ｚパルスが４％程度である（非特許文献３参照）。なお、Ｓ、Ｄ、Ｚの各パルスはランダムに送信されるが、受信機２０での検出後にはどのパルスがＳ、Ｄ、Ｚパルスであったかが通知される。

図４（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、本実施形態によるＱＫＤシステムは、複数のＺパルスを利用して光子検出器の暗計数評価を行うことで、常に鍵生成モードで動作させることができる。以下、本実施形態による暗計数評価動作について説明する。

Ｚパルス情報検出部２０５がＺパルス送信情報を検出すると、制御部２０４は、光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２の出力データからＺパルスの検出データ（暗出力）を選択的に抽出し、暗計数評価部２０６に逐次保存する。図４（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、Ｚパルス検出データが統計的に有意義な数Ｎ（１０ｋカウント程度の検出数）になるまで蓄積されると、暗計数評価部２０６は、Ｚパルス送信情報から得られる送信されたＺパルス数のうち暗出力があった回数Ｎの割合を暗計数確率として評価する。すなわち、暗計数確率は以下の式で計算される：
暗計数確率＝（Ｚパルスの検出数Ｎ）／（送信されたＺパルス数）。
この暗計数確率に基づいて、バイアス制御部２０３は光子検出器ＰＤ１およびＰＤ２に印加するバイアス電圧を決定し、それらの暗計数確率を並列に調整することができる。こうして複数の光子検出器の暗計数確率を均一にすることが可能となり、暗号鍵の安全性を向上させることができる。本実施形態では、ＱＫＤシステムに光子検出器の調整モードを用意する必要がないため、鍵生成速度の低下や盗聴攻撃を回避することが可能となる。

４．他の実施形態
上述した実施形態では、受信部２０１に２個の光子検出器ＰＤ１、ＰＤ２が設けられている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の個数の光子検出器の受信部に適用可能である。たとえば非特許文献３に示すような２入力４出力の非対称マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計と４個の光子検出器を有する受信部であっても同様に適用可能である。

また、上述した実施形態ではデコイ法を用いたＱＫＤシステムについて述べたが、本発明はデコイ法に限らず強度ゼロの光パルスの送信を含む方式全般に適用可能である。

本発明を用いれば調整モードを用いることなく光子検出器の暗計数確率を評価・調整することができるため、調整モードの導入による鍵生成速度の低下および盗聴攻撃を回避することが可能となる。

５．付記
上述した実施形態の一部あるいは全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、これらに限定されるものではない。
（付記１）
光子検出器を有する光受信装置であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する暗計数評価手段と、
を有することを特徴とする光受信装置。
（付記２）
前記抽出手段は、前記送信光パルスの送信側から、前記光強度ゼロの送信光パルスの前記送信光パルス列における分散配置情報を受信することを特徴とする付記１に記載の光受信装置。
（付記３）
前記送信光パルス列は、光強度ゼロを含む複数の光強度レベルを有することを特徴とする付記１または２に記載の光受信装置。
（付記４）
前記評価された暗計数に基づいて前記光子検出器の特性を制御する制御手段を更に有することを特徴とする付記１−３のいずれか１項に記載の光受信装置。
（付記５）
前記制御手段は複数の光子検出器の暗計数確率を均一化するように各光子検出器の特性パラメータを調整することを特徴とする付記４に記載の光受信装置。
（付記６）
光受信機における光子検出器の制御方法であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する、
ことを特徴とする光子検出器の制御方法。
（付記７）
前記光強度ゼロの送信光パルスは送信側において前記送信光パルス列に予め分散配置されていることを特徴とする付記６に記載の光子検出器の制御方法。
（付記８）
複数の光子検出器の暗計数確率を均一化するように各光子検出器の特性パラメータを調整することを特徴とする付記６または７に記載の光子検出器の制御方法。
（付記９）
光受信機における光子検出器の制御装置であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する制御手段と、
ことを特徴とする光子検出器の制御装置。
（付記１０）
前記光強度ゼロの送信光パルスは送信側において前記送信光パルス列に予め分散配置されていることを特徴とする付記９に記載の光子検出器の制御装置。
（付記１１）
前記制御手段は複数の光子検出器の暗計数確率を均一化するように各光子検出器の特性パラメータを調整することを特徴とする付記９または１０記載の光子検出器の制御装置。
（付記１２）
光通信システムにおける光子検出器の暗計数評価方法であって、
送信光パルス列に含まれる光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する、
ことを特徴とする光子検出器の暗計数評価方法。
（付記１３）
前記光強度ゼロの送信光パルスは送信側において前記送信光パルス列に予め分散配置されていることを特徴とする付記１２に記載の光子検出器の暗計数評価方法。
（付記１４）
送信光パルスを送信する光送信機と前記送信光パルスを受信する光受信機とからなる光通信システムであって、
前記光送信機が、実質的に光強度ゼロの送信光パルスを含む送信光パルス列を送信する送信手段を有し、
前記受信機が、
前記送信光パルスを検出する光子検出手段と、
前記送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出手段の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出手段の暗計数を評価する暗計数評価手段と、
を有する、
ことを特徴とする光通信システム。
（付記１５）
前記抽出手段は、前記送信機から前記光強度ゼロの送信光パルスの前記送信光パルス列における分散配置情報を受信することを特徴とする付記１４に記載の光通信システム。
（付記１６）
前記送信光パルス列は、光強度ゼロを含む複数の光強度レベルを有することを特徴とする付記１４または１５に記載の光通信システム。
（付記１７）
前記受信機は前記評価された暗計数に基づいて前記光子検出手段の特性を制御する制御手段を更に有することを特徴とする付記１４−１６のいずれか１項に記載の光通信システム。
（付記１８）
前記光子検出手段は複数の光子検出器を有し、前記制御手段が前記複数の光子検出器の暗計数確率を均一化するように各光子検出器の特性パラメータを調整することを特徴とする付記１７に記載の光通信システム。
（付記１９）
前記送信光パルスは単一光子あるいは疑似単一光子からなる光子パルスであることを特徴とする付記１４−１８のいずれか１項に記載の光通信システム。
（付記２０）
光受信機における光子検出器を制御するようにコンピュータを機能させるプログラムであって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する機能と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する機能と、
を前記コンピュータで実現することを特徴とするプログラム。

本発明は光子検出器を有する光受信装置一般に適用可能であり、たとえば量子鍵配付システムの光子検出器の特性調整に適用可能である。

１０送信機
２０受信機
３０量子通信路
１０１送信部
１０２同期部
１０３送信制御部
１０４鍵抽出部
２０１受信部
２０２同期部
２０３バイアス制御部
２０４制御部
２０５Ｚパルス情報検出部
２０６暗計数評価部
２０７鍵抽出部
ＰＤ１、ＰＤ２光子検出器

Claims

光子検出器を有する光受信装置であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する暗計数評価手段と、
を有することを特徴とする光受信装置。
前記抽出手段は、前記送信光パルスの送信側から、前記光強度ゼロの送信光パルスの前記送信光パルス列における分散配置情報を受信することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記送信光パルス列は、光強度ゼロを含む複数の光強度レベルを有することを特徴とする請求項１または２に記載の光受信装置。
前記評価された暗計数に基づいて前記光子検出器の特性を制御する制御手段を更に有することを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の光受信装置。
前記制御手段は複数の光子検出器の暗計数確率を均一化するように各光子検出器の特性パラメータを調整することを特徴とする請求項４に記載の光受信装置。
光受信機における光子検出器の制御方法であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する、
ことを特徴とする光子検出器の制御方法。
光受信機における光子検出器の制御装置であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する制御手段と、
を有することを特徴とする光子検出器の制御装置。
光通信システムにおける光子検出器の暗計数評価方法であって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出し、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の暗計数を評価する、
ことを特徴とする光子検出器の暗計数評価方法。
送信光パルスを送信する光送信機と前記送信光パルスを受信する光受信機とからなる光通信システムであって、
前記光送信機が、実質的に光強度ゼロの送信光パルスを含む送信光パルス列を送信する送信手段を有し、
前記受信機が、
前記送信光パルスを検出する光子検出手段と、
前記送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出手段の出力を選択的に抽出する抽出手段と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出手段の暗計数を評価する暗計数評価手段と、
を有する、
ことを特徴とする光通信システム。
光受信機における光子検出器を制御するようにコンピュータを機能させるプログラムであって、
送信光パルス列に含まれる実質的に光強度ゼロの送信光パルスに対する前記光子検出器の出力を選択的に抽出する機能と、
前記抽出された出力が示す光子検出回数に基づいて前記光子検出器の特性パラメータを制御する機能と、
を前記コンピュータで実現することを特徴とするプログラム。