JPWO2019180770A1 - 光子検出器の駆動タイミング調整方法、装置および光通信システム - Google Patents

光子検出器の駆動タイミング調整方法、装置および光通信システム Download PDF

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Abstract

【課題】光子検出器のタイミング調整を高速かつ高い信頼性で実行できる方法、装置、システムおよびプログラムを提供する。【解決手段】受信機（２００）の光子検出器（２０２）を駆動するタイミング調整装置は、送信機（１００）から固定送信ビット値に従って位相変調された２連光パルスを受信し、受信２連光パルスを干渉させて位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器（２０２）へ出力する非対称干渉計（２０１）と、光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部（２０４）と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は光通信システムにおける光通信装置に係り、特に単一光子を検出可能な光子検出器の駆動タイミング調整技術に関する。
光通信の分野において、量子暗号鍵配送(Quantum Key Distribution:ＱＫＤ)は伝送路の高秘匿性を実現するものとして近年盛んに研究開発が行われている。ＱＫＤシステムでは、通信媒体として光子が使用されるので単一光子を検出する素子を必要とし、単一光子検出器としてはアバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photo Diode：ＡＰＤ)が使用されている。ＡＰＤの駆動には、ブレークダウン電圧を越える逆バイアス電圧を印加するガイガーモード(Geiger Mode)が用いられ、さらにノイズ低減のために光子の入射タイミングでのみ電圧を印加するゲイテッドガイガーモード(Gated Geiger Mode：ＧＧＭ)が用いられる。ＧＧＭ駆動方式では、光子の入射タイミングとゲート電圧の印加タイミングとを一致させる必要があるので、ゲート印加タイミングを調整する技術が不可欠である。ゲート印加タイミング調整技術は、これまでにも種々提案されてきた。
たとえば、特許文献１には、光子検出器のゲート印加タイミングをスキャンすることで光子カウント数の最大値を探索し、そのタイミングを最適タイミングとして設定するタイミング調整方法が開示されている。また、特許文献２には、同じくゲート印加タイミングをスキャンすることで、ビット誤り率（ＢＥＲ）が最小となるタイミングを最適設定とする方法が開示されている。
特許第４６６３６５１号公報 特表２００８−５３８６７８号公報
しかしながら、上述した光子カウント値の最大値を利用する方法では、光子検出器に入射する光パルスに不要なパルスが混在する場合、不要なパルスの光子カウント値を最大値と誤認してゲート印加タイミングを設定する可能性がある。以下図面を用いて、このような誤設定の主な原因を簡単に説明する。
図１に例示するように、送信側に遅延時間ａの非対称干渉計Ａ、受信側に遅延時間ｂの非対称干渉計Ｂが設けられた光通信システムを考える。非対称干渉計は、光路差を利用し、入射パルスとそれを所定時間だけ遅延させた遅延パルスとを合成することで、所定の遅延時間だけ分離した２連パルスを生成する。
送信側の干渉計Ａは、所定周期（１ＣＬＫ）の光パルスを入力し、それを時間ａだけ遅延させたパルスと合成することで、遅延時間ａだけ分離した第一の２連パルスを出力する。受信側の干渉計Ｂは、第一の２連パルスを入力し、それを遅延時間ｂだけ遅延させた第二の２連パルスと合成することで、受信パルス列を出力する。このとき、システムのパルス繰り返し周波数を最大限に使用すると、遅延時間ａおよびｂはそれぞれ同一のＣＬＫ／２に設定される。したがって、受信側の干渉計Ｂでは、図１に示すように、第一の２連パルスの後続パルスが第二の２連パルスの先頭パルスと重なり、第一の２連パルス列の先頭のパルスが第二の２連パルスの後続パルスと重なる。
ＱＫＤシステムでは、送信側において第一の２連パルスの間で位相差を与えるように変調されるので、第一の２連パルスの後続パルスと第二の２連パルスの先頭パルスとの合成光がタイミング調整および情報取得に必要なパルス（以下、メインパルスという。）となり、第一の２連パルス列の先頭のパルスと第二の２連パルスの後続パルスとの合成光が不要なパルス（以下、サテライトパルスという。）となる。言い換えれば、受信パルス列の３連パルスのうち中央が必要なメインパルス、その両サイドが不要なサテライトパルスとなり、メインパルスだけを用いてタイミング調整を行うことが必要である。
ところが、上述した光子カウント値をモニタする方法では、メインパルスおよびサテライト共に２つのパルスが重なっているために、光子カウント数では有意な差がなく、両者を判別することができない。したがって、誤ってサテライトパルスに従ってタイミング調整を行う場合が５０％の確率で存在する。
一方、上述したビット誤り率（ＢＥＲ）が最小となるタイミングを最適設定とする方法では、サテライトパルスのＢＥＲがより高くなるので、メインパルスを正しく選択することができる。しかしながら、ＢＥＲを精度良く評価するには、光子カウント値をモニタする場合よりも１００倍程度のデータ点が必要となる。このために、ＢＥＲを利用する方法は、光子カウント値を利用する方法より、測定時間や計算量が増大し、最適タイミングを発見するまでにより時間がかかる、という難点がある。
そこで本発明の目的は、光子検出器の駆動タイミングの調整を高速かつ高い信頼性で実行できる方法、装置、システムおよびプログラムを提供することにある。
本発明の第一の態様によるタイミング調整装置は、光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミング調整装置であって、前記送信機から、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を受信し、前記２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計と、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、を有することを特徴とする。
本発明の第二の態様によるタイミング調整方法は、光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整方法であって、前記送信機において、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を送信し、 前記受信機において、非対称干渉計が、前記送信機から順次到達した２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力し、制御部が、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、ことを特徴とする。
本発明の第三の態様による光通信システムは、送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、前記送信機が、所定周期のパルスを生成する光源と、所定の遅延時間を有する第一非対称干渉計と、前記第一非対称干渉計から出力された２連光パルスを、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調する位相変調器と、を有し、前記受信機が、送信データのビット値に対応した複数の光子検出器と、前記送信機から受信した２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相
差に対応する光子検出器へ出力する、前記所定の遅延時間を有する第二非対称干渉計と、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、を有することを特徴とする。
本発明の第四の態様によるプログラムは、光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、前記調整装置が、前記送信機から送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を受信し、前記２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計を有し、前記プログラムが、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録する第一機能と、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する第二機能と、を前記コンピュータで実現させる。
上述したように、本発明によれば、光子検出器の正しい駆動タイミング調整を高速かつ高信頼性で実行できる。
図１は、非対称干渉計を用いた光通信システムにおける受信パルス列の生成過程を示す動作説明図である。 図２は、本発明の一実施形態による駆動タイミング調整装置の概略的構成を説明するための光通信システムのブロック図である。 図３は、図２に示す光通信システムの一例である量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおける駆動タイミング設定過程を説明するための概略的システム構成図である。 図４は、本実施形態による駆動タイミング調整方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、図２に示す受信機におけるゲート印加タイミングスキャンによる光子カウント数の測定手順の一例を示すフローチャートである。 図６は、図２に示す受信機におけるゲート印加タイミングスキャンの一例を示すタイミングチャートである。 図７は、図２における光子検出部ＰＤに対するゲート印加タイミングスキャンにより得られる、ビット“０”側の光子検出部ＰＤの光子カウント数の変化を示すグラフである。 図８は、図２における光子検出部ＰＤに対するゲート印加タイミングスキャンにより得られる、ビット“１”側の光子検出部ＰＤの光子カウント数の変化を示すグラフである。 図９は、本発明の一実施例による量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおける駆動タイミング設定過程を説明するための概略的システム構成図である。 図１０は、図９に示すＱＫＤシステムにおける量子暗号鍵配付に用いられる一般的ＢＢ８４プロトコルの説明図である。
＜実施形態の概要＞
本発明の実施形態によれば、送信機が、クロック周期ＣＬＫの光パルスから非対称干渉計により２連パルスを生成し、２連パルスに対して送信データのビット値が“０”（もしくは“１”）に固定された位相変調を行う。受信機は、非対称干渉計により２連パルスの干渉出力を固定ビット値に対応した光子検出器へ出力し、その光子カウント数のピークタ
イミングに基づいて光子検出器の駆動タイミングを設定する。
たとえば、固定ビット値が“０”（あるいは“１”）であれば、“０” （あるいは“１”）検出用の光子検出器を用いて、その光子カウント数のピークタイミングで光子を検出できるようにゲートを設定する。あるいは、“１”（あるいは“０”）検出用の光子検出器を用いて、その光子カウント数のピークタイミングからＣＬＫ／２だけ外れたタイミング光子を検出できるようにゲートを設定する。
このように、送信データを所定ビット値に固定することで、光子カウント数のピーク検出だけで光子検出器の駆動タイミングを正しく設定することができ、高速かつ高い信頼性の駆動タイミング調整が可能となる。
以下、一方向型干渉計システムを一例として、本発明の実施形態および実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
１．実施形態
１．１）システム構成
図２において、光通信装置である送信機１００と受信機２００とは光伝送路によって接続されているものとする。送信機１００は、発光部１０１、非対称干渉計１０２、位相変調器１０３およびプロセッサ１０４を有する。
非対称干渉計１０２は、光パルスごとに所定遅延時間Δｔだけ分離した２連パルスを生成し、位相変調器１０３へ出力する。位相変調器１０３は、通常動作時には、２連パルスの間に送信ビットに応じた位相差を与える。ただし、本実施形態では、受信側の駆動タイミング調整時に、この送信ビット値を“０”もしくは“１”のいずれかに固定する。プロセッサ１０４は、発光部１０１の光パルス生成タイミングと位相変調器１０３の送信ビット値とを制御する。
受信機２００は、非対称干渉計２０１、光子検出器２０２、ゲート印加回路２０３、プロセッサ２０４、メモリ２０５、およびプログラムメモリ２０６を有する。非対称干渉計２０１は、送信側の非対称干渉計１０２と同様の遅延時間を有し、送信側と合わせて干渉系を構成する。光伝送路を通して到達した２連パルスは非対称干渉計２０１により合波し干渉する。非対称干渉計２０１の干渉出力パルスは、２連パルスの位相差に応じて、“０”値ポートport0あるいは“１”値ポートport1のいずれかの光パルス強度が高くなる。
光子検出器２０２は“０”値の光子検出器ＰＤ（０）と“１”値の光子検出器ＰＤ（１）とを有し、これらの光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）が非対称干渉計２０１の“０”値ポートport0および“１”値ポートport1にそれぞれ光学的に接続されている。光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）は、単一光子を検出可能な素子であり、典型的にはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）である。ゲート印加回路２０３は、プロセッサ２０４により制御されたタイミングで、光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）に対してそれぞれゲート電圧を印加する。
プロセッサ２０４は、プログラムメモリ２０６に格納されたプログラムを実行することにより、光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）の駆動タイミングをそれぞれ設定する。図２には、プロセッサ２０４により実現される機能として、駆動タイミング制御部２１０、ピーク抽出部２１１、光子カウンタ２１２、タイミング決定部２１３および制御部２１４が記載されている。ただし、プロセッサ２０４のこれらの機能の少なくとも一部をハードウエアにより実現することも可能である。なお、送信機１００のプロセッサ１０４と受信機２００のプロセッサ２０４とは、上述した２連パルスとは別チャネルで相互に必要な
情報を交換可能である。
駆動タイミング制御部２１０は、制御部２１４の制御の下で、ゲート印加回路２０３による光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）へのゲート印加タイミングを制御する。光子カウンタ２１２は、光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）のいずれか一方により検出された光子数をカウントする。制御部２１４は、制御されたゲート印加タイミングでの光子カウント数をメモリ２０５に記録する。ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に記録された光子カウント数のピークを検出し、当該ピークに対応するゲート印加タイミングを駆動タイミング決定部２１３へ出力する。
駆動タイミング決定部２１３は、送信ビット値が“ｘ”（ｘは“０”あるいは“１”）に固定されている場合、“ｘ”検出用の光子検出器ＰＤ（ｘ）を用いて、その光子カウント数のピークタイミングで光子が検出されるようにゲート印加タイミングを設定する。この場合、他方の光子検出器ＰＤ（ｙ）（ｙは“０”あるいは“１”かつｙ≠ｘ）を用いるとすれば、駆動タイミング決定部２１３は、その光子カウント数のピークタイミングから所定位相だけずれたタイミングで光子が検出されるようにゲート印加タイミングを設定する。ただし、光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）のゲート印加タイミングは、電子回路の配線長や処理遅延等が異なるために、それぞれ独立に最適化される。
１．２）一方向型干渉計システム
以下、図３に例示する一方向型干渉計システムを参照して、本実施形態による駆動タイミング調整のための干渉出力パルスについて説明する。
図３に例示するように、送信機１００の発光部１０１はクロックＣＬＫの周期で光パルス列１００１を発生する。図３に示すシステムでは、光パルスは強度が１光子／パルス以下の微弱光パルスである。このような微弱光パルスは、通常のレーザダイオードが出力する光パルスを光減衰器を用いて１光子／パルス以下に減衰させることで生成してもよい。
非対称干渉計１０２は光路長が異なる２つの光導波路からなり、１つの光パルス１００１を遅延量Δtの２連パルス列１００２へと変換する。位相変調器１０３は、送信ビット“０”に対応する位相差φAを２連パルス間に与える変調を行い、送信すべき２連パルス列１００３を得る。ここでは、送信ビット“０”に対応する位相差φA＝０とする。変調された２連パルス列１００３は光伝送路ＯｐｔＦを通して受信機２００へ送信される。
受信機２００は、送信機１００の非対称干渉計１０２と同一構成の非対称干渉計２０１を有する。光伝送路ＯｐｔＦを通して到達した２連パルスは非対称干渉計２０１により合波して干渉する。この干渉により、非対称干渉計２０１の“０”値ポートport0に３連パルス１００４が、“１”値ポートport1に３連パルス１００５が、それぞれ現れる。“０”値ポートport0の３連パルス１００４では、その中央にメインパルスの光強度がピークを示す。一方、“１”値ポートport1の３連パルス１００５では、その中央のパルスの強度が低くなり、前後のサテライトパルスの強度がピークを示す。
なお、上述したように、送信機１００の位相変調器１０３において、送信ビット“１”に対応する位相差φA＝πに固定された場合には、“０”値ポートport0の３連パルスと“１”値ポートport1の３連パルスとは、図３に示すパルス強度の配置が逆になる。すなわち、“１”値ポートport1の３連パルスでは、その中央にメインパルスの光強度がピークを示し、“０”値ポートport0の３連パルスでは、その中央のパルスの強度が低くなり、前後のサテライトパルスの強度がピークを示す。
次に、送信ビット値を“０”に固定した場合を一例として、非対称干渉計２０１の“０
”値ポートport0および“１”値ポートport1に出力される３連パルスのピーク値を検出し、駆動タイミングを設定する方法について説明する。
１．３）駆動タイミング設定
図４を参照して、送信ビットを“０”に固定した場合の受信側駆動タイミングの設定動作について説明する。上述したように、送信ビットを“１”に固定した場合も基本的な動作は同じである。
図４において、送信機１００のプロセッサ１０４は送信ビット値を“０”に固定し、これにより位相変調器１０３は非対称干渉計１０２により生成された２連パルスの間に位相差φA＝０を与える（動作Ｓ３０１）。
受信機２００が２連パルスを受信すると、図３に示すように、非対称干渉計２０１の“０”値ポートport0に３連パルス１００４が、“１”値ポートport1に３連パルス１００５が、それぞれ現れる。ここでは、“０”値ポートport0の３連パルス１００４が光子検出器ＰＤ（０）により検出され、光子カウンタ２１２によりカウントされるものとする。
制御部２１４は駆動タイミング制御部２１０、ピーク抽出部２１１および駆動タイミング決定部２１３を制御し、次のように駆動タイミングを決定する。まず、駆動タイミング制御部２１０は、ゲート印加回路２０３を通してゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲Ｒでスキャンする。制御部２１４は、スキャン範囲Ｒ内の各タイミングで光子検出器ＰＤ（０）により検出される光子カウント数をメモリ２０５に記録する（動作Ｓ３０２）。動作Ｓ３０２については、図５および図６を用いて詳述する。続いて、ピーク抽出部２１１は、メモリ２０５に記録されたデータから光子カウント数のピーク値Ｎｐ（０）とその時のタイミングｔｐ（０）とを抽出する（動作Ｓ３０３）。駆動タイミング決定部２１３は、光子カウント数のピークタイミングｔｐ（０）から光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）をそれぞれ駆動するゲート印加タイミングを決定する（動作Ｓ３０４）。
１．４）スキャンによる光子カウント数の記録
図５および図６を参照しながら、ゲート印加タイミングのスキャンによる光子カウント数の記録動作について説明する。
図５において、制御部２１４は、タイミング調整方法で使用する変数ｔ、Ｎ、δ等を初期化した後（動作Ｓ４０１）、ゲート印加タイミングｔを駆動タイミング制御部２１０に設定する（動作Ｓ４０２）。これにより、駆動タイミング制御部２１０は、図６の位相θ０＝０に示すように、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２に周期ＣＬＫ＝Ｔの繰り返しゲート電圧を所定期間Ｔｇだけ印加する。たとえば、周期ＣＬＫ＝Ｔ＝８００ｐｓ（ピコ秒）、測定時間Ｔｇ＝１秒に設定する。制御部２１４は、所定期間Ｔｇでの光子カウント数Ｎを光子カウンタ２１２から入力し、ゲート印加タイミングｔと当該カウント数Ｎとを関係づけてメモリ２０５に記録する（動作Ｓ４０３）。
ゲート印加タイミングｔが周期ＣＬＫ＝Ｔに到達していなければ（動作Ｓ４０４のＮＯ）、制御部２１４は、ゲート印加タイミングｔを所定時間ｄだけ増加させる（動作Ｓ４０５）。言い換えれば、ゲート印加タイミングｔの位相を１ステップｄ＝２π／ｎだけシフトさせ、駆動タイミング制御部２１０に設定し（動作Ｓ４０２）、以下、動作Ｓ４０２〜Ｓ４０５をｔ＞Ｔを満たすまで繰り返す。したがって、Ｔはスキャン範囲Ｒであり、シフトステップｄはＴ／ｎとなる。駆動タイミング制御部２１０は、図６の位相θ０＝０〜２πに示すように、ゲート印加回路２０３を通して光子検出器２０２に周期ＣＬＫの繰り返しゲート電圧をステップｄずつ位相シフトさせながら印加する。これにより、各ゲート印加タイミングｔの光子カウント数Ｎがカウントされ、メモリ２０５に記録される。一例と
して、スキャン範囲Ｔ＝８００ｐｓであれば、たとえばステップｄ＝２５ｐｓであり、このときのｎ＝３２である。
このようにして、ゲート印加タイミングがスキャンされ、“０”値ポートport0の３連パルス１００４および“１”値ポートport1の３連パルス１００５の光子カウント数が記録される。本実施形態において、ゲート印加タイミングに依存する光子カウント数の変化の一例を図７および図８に示す。
図７に例示するように、クロック周期ＣＬＫに相当するスキャン範囲Ｒでゲート印加タイミングがスキャンされると、“０”側光子検出器ＰＤ（０）での光子カウント数は、メインパルスのタイミングで光の干渉効果により増加する。サテライトパルスでは干渉効果が発生しないため、カウント数は有意に増減しない。送信ビット値“０”の場合、“０”検出用の光子検出器ＰＤ（０）でのピークタイミングは、メインパルスのタイミングに一致する。したがって、駆動タイミング決定部２１３は、ピークタイミングｔｐ（０）を含むようにゲート印加タイミングを決定することで、メインパルスを効率的に検出することが可能となる。
図８に例示するように、クロック周期ＣＬＫに相当するスキャン範囲Ｒでゲート印加タイミングがスキャンされると、“１”側光子検出器ＰＤ（１）での光子カウント数は、メインパルスのタイミングでカウント数が減少し、サテライトパルスのタイミングでカウント数がピークを示す。したがって、駆動タイミング決定部２１３は、当該ピークタイミングｔｐ（１）をサテライトパルスのタイミングとして、ピークタイミングｔｐ（１）から半クロック分（ＣＬＫ／２）ずれたタイミングを含むようにゲート印加タイミングを決定する。このような駆動タイミングの設定により、図７の場合と同様に、メインパルスを効率的に検出することが可能となる。
１．５）効果
上述したように、本発明の一実施形態によれば、送信データを所定ビット値に固定することで、光子カウント数のピーク検出だけで光子検出器の駆動タイミングを正しく設定することができ、高速かつ高い信頼性の駆動タイミング調整が可能となる。したがって、不要なサテライトパルスではなく、メインパルスに同期したゲート印加タイミングを設定することができる。誤り率を計算してメインパルスを判定する方法とは異なり、光子カウント数のみを用いてメインパルスを判定するので、測定時間や計算量が大幅に減少しタイミング調整時間を短縮できるという効果を有する。
２．実施例
以下、本発明の一実施例よる駆動タイミング調整装置を適用した一方向型ＱＫＤシステムについて説明する。
２．１）構成
図９において、送信側の通信装置であるＡｌｉｃｅ５００と受信側の通信装置であるＢｏｂ６００とは光伝送路ＯｐｔＦによって接続されている。
Ａｌｉｃｅ５００は、周期ＣＬＫの光子パルス１００１を生成するパルス光源（レーザダイオード：ＬＤ）５０１と、各光子パルスを時間分離して２連パルス１００２を出力する非対称光学干渉計５０２と、２連パルス１００２に所定の位相差φAを与える位相変調器５０３と、位相変調器５０３へ乱数を供給する乱数源５０４とを有する。非対称光学干渉計５０２としては、たとえば２入力２出力非対称マッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計を用いることができる。なお、Ａｌｉｃｅ５００において、光子パルスを光伝送路ＯｐｔＦへ送出する段に光減衰器を設け、光子パルスの強度を１光子／パルス以下に減衰させ
てもよい。
乱数源５０４は、２系統の乱数源ＲＮＤ１およびＲＮＤ２と、これらの乱数を足し合わせるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）とを有する。乱数源５０４が位相変調器５０３へ供給する乱数は、後述するＢＢ８４プロトコルと呼ばれる代表的な量子暗号鍵配付アルゴリズムに基づいて生成される。後述するように、ＢＢ８４プロトコルでは、位相変調器５０３が２連パルスに与える位相は０、π／２、π、３π／２の４値であり、各２連パルスに対してこの４値をランダムに割り当てる。
Ｂｏｂ６００は、Ａｌｉｃｅ５００から光伝送路ＯｐｔＦを通して到達した２連光子パルスに位相差φBを与える位相変調器６０１と、位相変調器６０１へ乱数を供給する乱数源６０２と、位相変調器６０１により変調された２連光子パルスを合波する非対称光学干渉計６０３と、非対称光学干渉計６０３の２つの出力ポートport1およびport2にそれぞれ光学的に接続された２つのゲートモード光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）と、を有する。乱数源６０２は１つの乱数源ＲＮＤ３を有する。ＢＢ８４プロトコルに従えば、位相変調器６０１は、乱数源ＲＮＤ３からの乱数により２連光子パルスに対して０、π／２の２値で位相変調を行う。
なお、図９では、簡略化のために、図２に示す送信側のプロセッサ１０４と、受信側のプロセッサ２０４、メモリ２０５およびプログラムメモリ２０６と、が図示されていない。Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００とは、図示しないメモリに格納されたプログラムをそれぞれ実行することにより、協働して暗号鍵生成プロセスを実行する。
以下、図９に示すＱＫＤシステムで通常採用される量子暗号鍵配送アルゴリズムについて簡単に説明し、その後で本実施例による駆動タイミング調整動作について説明する。
２．２）量子鍵配送アルゴリズム
図１０はＢＢ８４プロトコルを概念的に示す説明図である。ここでは、送信側のＡｌｉｃｅ５００と受信側のＢｏｂ６００とが光伝送路ＯｐｔＦで接続され、量子暗号通信を行うものとする。この方法では４通りの量子状態を利用し、Ａｌｉｃｅ５００が２つの乱数源ＲＮＤ１およびＲＮＤ２を有する。ＲＮＤ１は暗号鍵データを表し、もう一方のＲＮＤ２は、ＲＮＤ１のデータをコーディングする方法を表す。
具体的には、コヒーレントな２連パルス間の位相差φAを利用して４状態のコーディングを行う。図１０におけるテーブル７００に示すように、ＲＮＤ２の乱数値によりＸ基底とＹ基底のいずれかが選択される。Ｘ基底は、位相０がデータ“０”、位相πがデータ“１”の組を表すコーディングセットであり、Ｙ基底は、位相π／２がデータ“０”、位相３π／２が暗号鍵“１”を表すコーディングセットである。すなわち、Ａｌｉｃｅ５００は、基底とデータとの組み合わせに応じて、２連パルスに対して、０、π／２、π、３π／２の４通りの変調をランダムに実行し、こうして変調された２連パルスをＢｏｂ６００へ送信する。
一方、Ｂｏｂ６００では、基底に対応する乱数源（ＲＮＤ３）を有し、Ａｌｉｃｅ５００から到達した２連パルスに対してデコードを行う。ＲＮＤ３の値が“０”であれば光子パルスに対して位相０（Ｘ基底）の変調を、ＲＮＤ３の値が“１”であれば位相π／２（Ｙ基底）の変調をそれぞれ実行する。
Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００の両者が施した変調の基底が同一である場合（ＲＮＤ２＝ＲＮＤ３）、Ｂｏｂ６００はＲＮＤ１の値（データ）を正しく検出することができる（ＲＮＤ１＝ＰＤ出力）。Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００の両者が施した変調の基底が
異なる場合（ＲＮＤ２≠ＲＮＤ３）、ＲＮＤ１の値（データ）に依らず、Ｂｏｂ６００のＰＤ出力は０／１の値がランダムとなる。
なお、ＲＮＤ１、２および３の各々は１ビット毎に変化する乱数である為、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となる。ただし、後段の基底照合(Basis Reconciliation)によって基底が不一致となるビットを削除する為、Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００はＲＮＤ１に対応する０／１ビット列を共有することができる。
２．３）駆動タイミング調整動作
上述したＢＢ８４プロトコルを採用したＱＫＤシステムにおいて、本実施例による駆動タイミング調整は次のように実行される。
図９に例示するように、Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００とは、駆動タイミング調整段階において、互いの基底をＸあるいはＹのいずれかに固定する。ここでは、Ａｌｉｃｅ５００のＲＮＤ２とＢｏｂ６００のＲＮＤ３とが共にＸ＝“０”に固定される。これによって、位相変調器６０１は、Ａｌｉｃｅ５００から到達した２連パルスに対して位相差φB＝φA＝０を与える変調を行い、受信２連パルス２０１０を非対称干渉計６０３へ出力する。
受信２連光子パルス２０１０は非対称干渉計６０３により干渉し、図９に示すように、非対称干渉計２０１の“０”値ポートport0に３連パルス２０１１が、“１”値ポートport1に３連パルス２０１２が、それぞれ現れる。“０”値ポートport0の３連パルス２０１１は光子検出器ＰＤ（０）により検出され、“１”値ポートport1に３連パルス２０１２は光子検出器ＰＤ（１）により検出される。
このように、Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００との間で基底を一致させ、かつ送信データを“０”に固定することで、図１０における矢印７０２の光子検出器ＰＤ（０）あるいはＰＤ（１）の光子検出出力を得る。以下、既に説明したように、ゲート印加タイミングを所定のスキャン範囲Ｒでスキャンしながら、検出される光子カウント数をメモリ２０５に記録し、そのピーク値を示すタイミングｔｐ（０）から光子検出器ＰＤ（０）およびＰＤ（１）をそれぞれ駆動するゲート印加タイミングを決定する。
２．４）効果
上述したように、本発明の一実施例によれば、Ａｌｉｃｅ５００とＢｏｂ６００との間で基底を一致させ、かつ送信データを“０”に固定することで、光子カウント数のピーク検出だけで光子検出器の駆動タイミングを正しく設定することができ、高速かつ高い信頼性の駆動タイミング調整が可能となる。
さらに、ＱＫＤシステムは、駆動タイミング調整フェーズで正しく駆動タイミングが調整されるので、効率的且つ信頼性の高い量子鍵配送が可能となる。
３．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）
光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整装置であって、
前記送信機から送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を受信し、前記２連光パルスの位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計と、
前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、
を有することを特徴とする、光子検出器の駆動タイミング調整装置。
（付記２）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、前記所定ビット値が第２の値であれば前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記１に記載の駆動タイミング調整装置。
（付記３）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、第２の値であれば前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記１に記載の駆動タイミング調整装置。
（付記４）
光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整方法であって、
前記送信機において、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を送信し、
前記受信機において、
非対称干渉計が、前記送信機から順次到達した２連光パルスの位相差に応じた干渉出力光パルスを、当該位相差に対応する光子検出器へ出力し、
制御部が、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする前記光子検出器の駆動タイミング調整方法。
（付記５）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、前記所定ビット値が第２の値であれば前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記４に記載の駆動タイミング調整方法。
（付記６）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、第２の値であれば
前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記４に記載の駆動タイミング調整方法。
（付記７）
送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、
前記送信機が、
所定周期のパルスを生成する光源と、
所定の遅延時間を有する第一非対称干渉計と、
前記第一非対称干渉計から出力された２連光パルスを、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調する位相変調器と、
を有し、
前記受信機が、
送信データのビット値に対応した複数の光子検出器と、
前記送信機から受信した２連光パルスの位相差に応じた干渉出力光パルスを、当該位相差に対応する光子検出器へ出力する、前記所定の遅延時間を有する第二非対称干渉計と、
前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値をを示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、
を有することを特徴とする光通信システム。
（付記８）
光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
前記調整装置が、前記送信機から送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を受信し、前記２連光パルスの位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計を有し、
前記プログラムが、
前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を検出する第一機能と、
前記ピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する第二機能と、
を前記コンピュータで実現させるプログラム。
（付記９）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記第二機能が、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、前記所定ビット値が第２の値であれば前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記８に記載のプログラム。
（付記１０）
前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
前記第二機能が、前記所定ビット値が第１の値であれば前記第２光子検出器の光子カウ
ント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、第２の値であれば前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、それぞれ前記第１および第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
ことを特徴とする付記８に記載のプログラム。
（付記１１）
付記１−３のいずれか１項に記載の駆動タイミング調整装置を備えた光通信装置。
（付記１２）
付記１−３のいずれか１項に記載の駆動タイミング調整装置を備えた、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの受信機。
（付記１２）
付記７に記載の駆動タイミング調整装置を備えた、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの受信機。
本発明は非対称干渉計からなる一方向型ＱＫＤシステムに適用可能である。
１００ 送信機（Ａｌｉｃｅ
１０１ レーザ光源
１０２ 非対称干渉計
１０３ 位相変調器
１０５ プロセッサ
２００ 受信機（Ｂｏｂ）
２０１ 非対称干渉計
２０２ 光子検出器
２０３ ゲート印加回路
２０４ プロセッサ
２０５ メモリ
２０６ プログラムメモリ
２１０ ゲート印加タイミング制御部
２１１ ピーク抽出部
２１２ 光子カウンタ
２１３ 制御部
ＰＤ（０） ビット”０”側光子検出器
ＰＤ（１） ビット”１”側光子検出器
５００ 送信機（Ａｌｉｃｅ
５０１ レーザ光源
５０２ 非対称干渉計
５０３ 位相変調器
５０４ 乱数生成器
６００ 受信機（Ｂｏｂ）
６０１ 位相変調器
６０２ 乱数生成器
６０３ 非対称干渉計

Claims (10)

  1. 光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミング調整装置であって、
    前記送信機により送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を入力し、前記２連光パルスを干渉させることで位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計と、
    前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、
    を有することを特徴とする、光子検出器の駆動タイミング調整装置。
  2. 前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
    前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値に固定されている場合、前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに前記第１光子検出器へのゲート印加タイミングを設定し、
    前記所定ビット値が第２の値に固定されている場合、前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに前記第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の駆動タイミング調整装置。
  3. 前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
    前記制御部は、前記所定ビット値が第１の値に固定されている場合、前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに前記第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定し、
    前記所定ビット値が第２の値に固定されている場合、前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに前記第１光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の駆動タイミング調整装置。
  4. 光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整方法であって、
    前記送信機において、送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を送信し、
    前記受信機において、
    非対称干渉計が、前記送信機から順次到達した２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力し、
    制御部が、前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
    ことを特徴とする前記光子検出器の駆動タイミング調整方法。
  5. 送信機と受信機とが光伝送路で接続された光通信システムであって、
    前記送信機が、
    所定周期のパルスを生成する光源と、
    所定の遅延時間を有する第一非対称干渉計と、
    前記第一非対称干渉計から出力された２連光パルスを、送信データとして固定された
    所定ビット値に従って位相変調する位相変調器と、
    を有し、
    前記受信機が、
    送信データのビット値に対応した複数の光子検出器と、
    前記送信機から受信した２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する、前記所定の遅延時間を有する第二非対称干渉計と、
    前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録し、前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する制御部と、
    を有することを特徴とする光通信システム。
  6. 光パルスを位相変調して情報を送信機から受信機へ伝送する光通信システムにおける前記受信機の光子検出器を駆動するタイミングの調整装置としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
    前記調整装置が、前記送信機から送信データとして固定された所定ビット値に従って位相変調された２連光パルスからなる光パルス列を受信し、前記２連光パルスを干渉させ、その位相差に応じた干渉出力光パルスを当該位相差に対応する光子検出器へ出力する非対称干渉計を有し、
    前記プログラムが、
    前記光子検出器のゲート印加タイミングを所定範囲でシフトさせながら、前記光子検出器により検出された光子カウント数を記録する第一機能と、
    前記光子カウント数のピーク値を示すタイミングを基準として前記光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する第二機能と、
    を前記コンピュータで実現させるプログラム。
  7. 前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
    前記第二機能が、前記所定ビット値が第１の値に固定されている場合、前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに前記第１光子検出器へのゲート印加タイミングを設定し、
    前記所定ビット値が第２の値に固定されている場合、前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングに前記第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
    ことを特徴とする請求項６に記載のプログラム。
  8. 前記非対称干渉計は、前記所定ビット値が第１の値であれば干渉出力光パルスを第１光子検出器へ出力し、前記所定ビット値が第２の値であれば干渉出力光パルスを第２光子検出器へ出力し、
    前記第二機能が、前記所定ビット値が第１の値に固定されている場合、前記第２光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに前記第２光子検出器へのゲート印加タイミングを設定し、
    前記所定ビット値が第２の値に固定されている場合、前記第１光子検出器の光子カウント数のピーク値を示すタイミングから半クロックずれたタイミングに、前記第１光子検出器へのゲート印加タイミングを設定する、
    ことを特徴とする請求項６に記載のプログラム。
  9. 請求項１−３のいずれか１項に記載の駆動タイミング調整装置を備えた光通信装置。
  10. 請求項１−３のいずれか１項に記載の駆動タイミング調整装置を備えた、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの受信機。
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