WO2008015758A1 - Appareil, système et procédé de communication quantique - Google Patents

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WO2008015758A1
WO2008015758A1 PCT/JP2006/315490 JP2006315490W WO2008015758A1 WO 2008015758 A1 WO2008015758 A1 WO 2008015758A1 JP 2006315490 W JP2006315490 W JP 2006315490W WO 2008015758 A1 WO2008015758 A1 WO 2008015758A1
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signal
quantum
messenger
clock
unit
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PCT/JP2006/315490
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English (en)
French (fr)
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Tsuyoshi Nishioka
Shigeki Takeuchi
Alexandre Soujaeff
Toshio Hasegawa
Junnichi Abe
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corporation
National University Corporation Hokkaido University
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Publication date
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Priority to JP2008527629A priority patent/JP4775919B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication

Definitions

  • Quantum communication device Quantum communication device, quantum communication system, and quantum communication method
  • the present invention relates to a quantum communication device, a quantum communication system, and a quantum communication method.
  • the present invention particularly relates to a quantum cryptography communication device.
  • a conventional quantum cryptography communication device using a single photon source with a messenger transmits a messenger signal output from a single photon source from a transmitting device to a receiving device, and the messenger signal is used as a trigger in the transmitting device.
  • the signal modulation operation was performed, and the receiving device also performed the photon detection operation and the quantum signal demodulation operation using the transmitted messenger signal as a trigger (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • a single photon source with a messenger is generated by generating a twin photon pair using parametric down-conversion and measuring one photon without measuring the presence of the other photon.
  • This is a method used as a single photon source.
  • the measured output of one photon is output as a messenger signal notifying the output of the other photon.
  • CW Continuous' Wave
  • a twin photon pair is generated as a probabilistic occurrence, so a single photon is generated at irregular time intervals as a photon source.
  • a single-photon source with a messenger is used as the preferred one because it has a lower probability of generating a multi-photon state than a conventional one that attenuates laser light. This is because it is an excellent light source. If a typical photon detector currently used for quantum cryptography is used, it is impossible to guarantee safety at a communication distance of about 25 km (kilometers) with a laser using a single photon source. In the case of an attached single photon source, the single photon nature is excellent, so safety can be guaranteed even at a distance exceeding 50 km.
  • the two-photon existence probability P (2) of the optical pulse specified by the messenger signal is generally reduced by reducing the pump light intensity. (1 ) Can be made arbitrarily small while maintaining the same level of quantum cryptography as when using an ideal single-photon source.
  • Non-patent literature 1 A. Trifonov and A. Zavriyev, Secure communication with a heralded single— photon source, "Journal of Optics B: Quantum Semiclass.Opt. 7 No 12 (December 2005) S772-S777,
  • Non-Patent Document 2 S. Fasel, O. Alibart, S. Tanzilli, P. Baldi, A. Be veratos, N. Gism and H. Zbinden, "High— quality asynchronous heralded single- photon source at telecom wavelength," New Journal of Physics 6 (November 2004) 163, 12 November 2004 Invention Disclosure
  • a messenger signal is generated by measuring one of the twin photon pairs with a photon detector. Therefore, the accuracy of the messenger signal depends on the performance of the photon detector used for this measurement. There was a problem that would be limited.
  • a photon measured as a messenger signal light with a short wavelength of 850 nm (nanometer) or less is used, and SiAPD (Silicon-Avalanche • Photodiode) is preferably used for detecting this photon. It is done.
  • a photon detector called SPCM (Single Photon Couting Module) using SiAPD has a jitter fluctuation of about 500 ps (picoseconds). Therefore, for a single photon, the messenger signal has 500 ps of jitter.
  • Quantum cryptography usually uses a single photon in the communication wavelength band of 1.55 m (micrometers), and the photon detector in this wavelength band (communication wavelength band photon detector) is a gate type Geiger mode.
  • the jitter of the messenger signal Since it is operated in accordance with the timing of photon incidence, the jitter of the messenger signal has a non-negligible effect. Since the communication wavelength band photon detector actually realizes the optimum operation by setting the timing in the order of ⁇ s, the above-mentioned SPCM jitter cannot be ignored.
  • An object of the present invention is to realize stable and highly efficient quantum communication regardless of jitter of a messenger signal. Means for solving the problem
  • a quantum communication device includes:
  • a quantum communication device that transmits a photon output as a quantum signal from a single photon source that is pulse-driven and outputs a photon via a quantum communication channel
  • Timing of outputting a messenger signal indicating that a quantum signal output from the single photon source exists on the quantum communication path as a trigger signal in synchronization with a clock signal for driving the pulse of the single photon source An adjustment unit;
  • a quantum signal modulation unit that performs signal modulation on the quantum signal in accordance with the timing of the trigger signal output from the timing adjustment unit, and transmits the quantum signal subjected to signal modulation via the quantum communication path;
  • a messenger signal transmission unit configured to transmit the messenger signal via a messenger signal communication path.
  • the quantum communication device further includes:
  • a clock signal transmission unit that transmits the clock signal via a clock communication path is provided.
  • the quantum communication device further includes:
  • a clock signal receiving unit configured to receive the clock signal via a clock communication path, wherein the timing adjustment unit synchronizes the messenger signal with the clock signal received by the clock signal receiving unit; Is output as
  • the quantum communication device further includes:
  • a photon pair is generated by the single photon source, one photon of the photon pair is output as the quantum signal, and the other photon of the photon pair is output as the messenger signal.
  • the quantum signal modulation unit performs signal modulation on the quantum signal output from the signal generation unit,
  • the messenger signal transmitting unit transmits the messenger signal output from the signal generating unit.
  • the signal generation unit generates the photon pair by parametric down conversion.
  • the signal generation unit performs an AND operation on the messenger signal output from the single photon source and the clock signal, and outputs the result of the AND operation again as the messenger signal. To do.
  • the signal generator controls the messenger signal output from the single photon source by the clock signal, and outputs a controlled messenger signal.
  • a quantum communication device according to another aspect of the present invention provides:
  • a quantum communication device that receives a photon output as a quantum signal from a single photon source that is pulse-driven and outputs a photon via a quantum communication channel
  • a messenger signal receiving unit for receiving a messenger signal indicating that a quantum signal output from the single photon source is present on the quantum communication channel
  • a timing adjustment unit that outputs a messenger signal received by the messenger signal reception unit as a trigger signal in synchronization with a clock signal for pulse driving the single photon source, and a trigger output from the timing adjustment unit
  • a quantum signal detector configured to detect a quantum signal existing on the quantum communication path in accordance with a signal timing
  • the quantum communication device further includes:
  • a clock signal receiving unit that receives the clock signal via a clock communication path; and the timing adjustment unit receives the messenger signal received by the messenger signal receiving unit as a clock signal received by the clock signal receiving unit. Output as the trigger signal in synchronism with.
  • the quantum communication device further includes:
  • a clock signal transmission unit that transmits the clock signal via a clock communication path is provided.
  • the quantum signal detection unit includes a quantum signal demodulation unit that performs signal demodulation on a quantum signal existing on the quantum communication path in accordance with the timing of the trigger signal output by the timing adjustment unit.
  • the quantum signal demodulated by the quantum signal demodulation unit is detected in accordance with the timing of the trigger signal output from the adjustment unit.
  • the quantum signal detection unit includes a quantum signal branching unit that branches the quantum communication channel, and is branched by the quantum signal branching unit in accordance with the timing of the trigger signal output from the timing adjustment unit. It is characterized by detecting a quantum signal present on a quantum communication channel.
  • a quantum communication system includes:
  • a messenger signal channel carrying a messenger signal indicating that the quantum signal is present on the quantum channel
  • a first timing adjustment unit that outputs the messenger signal as a first trigger signal in synchronization with a clock signal for pulse driving the single photon source, and is output from the first timing adjustment unit.
  • the quantum signal modulating unit that performs signal modulation on the quantum signal in accordance with the timing of the first trigger signal and transmits the quantum signal subjected to signal modulation via the quantum communication channel, and the messenger signal
  • a first quantum communication device including a messenger signal transmitter that transmits the messenger signal via the messenger signal communication path
  • the messenger signal receiver that receives the messenger signal transmitted by the messenger signal transmitter via the messenger signal communication path and the messenger signal received by the messenger signal receiver are synchronized with each other.
  • the second timing adjustment unit that outputs the second trigger signal, and the second timing adjustment unit forces the quantum signal modulation unit on the quantum communication path according to the timing of the output second trigger signal.
  • a second quantum communication device including a quantum signal detector that detects the quantum signal transmitted to
  • the quantum communication system further includes:
  • the first quantum communication device further includes a clock signal transmission unit that transmits the clock signal via the clock communication path,
  • the second quantum communication device further includes a clock transmitted by the clock signal transmission unit.
  • a clock signal receiving unit that receives a clock signal via the clock communication path, and the second timing adjustment unit receives the messenger signal received by the messenger signal receiving unit by the clock signal receiving unit.
  • the second trigger signal is output in synchronization with the clock signal thus generated.
  • the quantum communication system further includes:
  • the second quantum communication device further includes a clock signal transmission unit that transmits the clock signal via the clock communication path,
  • the first quantum communication device further includes a clock signal reception unit that receives the clock signal transmitted by the clock signal transmission unit via the clock communication path, and the first timing adjustment unit includes: The messenger signal is output as the first trigger signal in synchronization with the clock signal received by the clock signal receiver.
  • the quantum communication channel is characterized in that a dispersion compensating fiber is used in the subsequent stage of the optical fiber.
  • a quantum communication method includes:
  • a messenger signal indicating that the quantum signal is present on the quantum communication path is synchronized with a clock signal for driving the pulse of the single photon source to generate a first trigger. Output as a signal,
  • the quantum signal is subjected to signal modulation in accordance with the timing of the first trigger signal output by the output of the first trigger signal, and the signal is subjected to signal modulation.
  • the quantum channel Via the quantum channel,
  • the messenger signal is transmitted via the messenger signal communication path
  • the messenger signal transmitted by the transmission of the messenger signal is received via the messenger signal communication path
  • the messenger signal received by the reception of the messenger signal is synchronized with the clock signal and output as a second trigger signal
  • the quantum signal transmitted on the quantum communication path by transmitting the quantum signal is synchronized with the timing of the second trigger signal output by the output of the second trigger signal. It is characterized by detecting.
  • the timing adjustment unit outputs the messenger signal as a trigger signal in synchronization with the clock signal for pulse driving the single photon source.
  • the quantum signal modulation unit modulates the quantum signal in accordance with the timing of the trigger signal, transmits the quantum signal via the quantum communication path, and the messenger signal transmission unit transmits the messenger signal via the messenger signal communication path. Therefore, stable and highly efficient quantum communication can be realized without being influenced by jitter of the messenger signal.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of quantum communication system 100 according to the present embodiment.
  • a quantum communication system 100 (also referred to as “quantum cryptography communication system”) includes a quantum cryptography transmission device 200, a quantum cryptography reception device 300, and a quantum communication path 101 (which connects these devices). (Also called “quantum signal communication channel”), messenger signal communication channel 102 and clock communication channel 103 (also known as “pulse / clock signal communication channel” or “pulse / clock signal communication channel”).
  • Quantum communication channel 101 is a communication channel that carries photons as quantum signals.
  • a dispersion compensation fiber 104 is connected to the subsequent stage to compensate for the optical pulse waveform distortion caused by the chromatic dispersion inherent in the optical fiber. Also good.
  • the messenger signal communication path 102 is a communication path that carries a messenger signal to be described later.
  • the clock communication path 103 is a communication path that carries a clock signal (also referred to as “pulse“ clock signal ”) described later.
  • the messenger signal communication path 102 and the clock communication path 103 may be optical communication paths or electrical signal communication paths.
  • the quantum cryptography transmission device 200 is an example of a quantum communication device, and includes a single-photon source 201 with a pulse-driven messenger, a quantum signal modulation unit 203, a messenger signal transmission unit 205, a clock signal transmission unit 206, A timing adjuster 202.
  • the single photon source 201 with a pulse drive instruction is an example of a signal generation unit.
  • the quantum signal modulator 203 includes a quantum signal modulator 204 that applies signal modulation to the quantum state of a single photon output from the single photon source 201 with a pulse drive command.
  • the messenger signal transmission unit 205 is a transceiver or transmitter that transmits the messenger signal output from the single photon source 201 with a pulse drive messenger to the messenger signal communication path 102.
  • the clock signal transmission unit 206 is a transceiver or a transmitter that transmits a clock signal of a pulse laser serving as a pump source of the single photon source 201 with a pulse drive command to the clock communication path 103.
  • the timing adjuster 202 is an example of a first timing adjuster.
  • the timing adjuster 202 is a first trigger signal (simply referred to as a “trigger signal”) that is supplied to the quantum signal modulator 204 in synchronization with a pulse clock signal. , U).
  • the messenger signal is a signal that is output at irregular time intervals in synchronization with a single photon, but there is a non-negligible jitter between the single photon.
  • the pulse clock signal is a clock signal of the pulse laser of the pump light source, it is output even in a time slot where a single photon is not output regularly.
  • the jitter between single photons is very small.
  • the jitter is less than lps.
  • the quantum cryptography reception device 300 is an example of a quantum communication device, and includes a quantum signal detection unit 304, an messenger signal reception unit 301, a clock signal reception unit 302, and a timing adjuster 303.
  • the quantum signal detection unit 304 includes a photon detector 306 that detects a photon transmitted through the quantum communication channel 101, and a quantum signal demodulator 305 that performs signal demodulation on the quantum state of the photon transmitted through the quantum communication channel 101. Including.
  • the quantum signal demodulator 305 is an example of a quantum signal demodulator.
  • the messenger signal receiving unit 301 is a receiver or transceiver that receives the messenger signal transmitted through the messenger signal communication path 102.
  • the clock signal receiving unit 302 is a receiver or a transceiver that receives the pulse clock signal transmitted through the clock communication path 103.
  • the timing adjuster 303 is an example of a second timing adjusting unit, and synchronizes the messenger signal received by the messenger signal receiving unit 301 with the pulse clock signal received by the clock signal receiving unit 302, thereby detecting the photon detector. 306 and the second trigger signal applied to the quantum signal demodulator 305 (simply “trigger” Signal ").
  • the transmitter (ie, clock signal transmission unit 206) and receiver (ie, clock signal reception unit 302) used in the clock communication path 103 are required to operate at low jitter and at high speed. For this reason, in some cases, a part of the pulsed laser light output from the pump light source of the single-photon source 201 with a pulse-driven messenger is branched, and if necessary, the wavelength is converted to an appropriate wavelength for the communication path,
  • the clock communication path 103 may be configured to transmit using an optical fiber.
  • quantum cryptography secure communication is realized by randomly selecting measurement means conjugate to each other.
  • this measuring means is actively selected on the receiving side, the quantum signal demodulator 305 is used in the quantum signal detection unit 304, but when it is passively selected, the quantum signal demodulator 305 is used instead.
  • the photon detector 306 used for the measurement is increased.
  • the former configuration is as shown in Fig. 1.
  • the latter configuration will be described in the third and subsequent embodiments.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a quantum cryptography optical system that actively performs measurement unit selection on the reception side.
  • the control system is omitted for simplicity.
  • FIG. 2 particularly shows an example of the configuration of the quantum signal modulation unit 203 and the quantum signal detection unit 304.
  • the quantum cryptography transmission device 200 actively specifies and transmits the quantum state using the phase modulator 208, and the quantum cryptography reception device 300 also actively uses the phase demodulator 307 to actively quantize the quantum state. Measure. Further, after the phase demodulator 307, there is an asymmetric Matsuhsunder interferometer 308 corresponding to a preset and fixed measuring means, which leads to photon detectors 306a, b corresponding to the measuring means. In this example, the quantum signal modulation unit 203 of the quantum cryptography transmission device 200 also uses an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 207 before the phase modulator 208 in order to perform signal modulation processing.
  • a polarization modulator or the like may be used instead of the force using the phase modulator 208.
  • the phase demodulator 307 is used as an example of the quantum signal demodulation unit, but a polarization demodulator or the like may be used instead. ! /
  • the quantum cryptography transmitter 200 An input device (not shown) inputs the 2-bit information to a processing device (not shown).
  • a storage device (not shown) may store the 2-bit information, and the processing device may read the 2-bit information from the storage device.
  • the processing device converts this 2-bit information into an electric signal and inputs it to the quantum signal modulation unit 203.
  • the quantum signal modulation unit 203 inputs one photon of the photon pair output from the single-photon source 201 with a pulse drive command using an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 207 and a phase modulator 208 and inputs it from the processing device.
  • the signal is modulated by the electrical signal.
  • the phase modulator 208 performs phase modulation of the photon with four types of phase differences ⁇ 0, ⁇ / 2, ⁇ , (3/2) ⁇ , so that a 2-bit value is added to the photon. Apply signal modulation. Photons subjected to such signal modulation are transmitted from the quantum cryptography transmission device 200 to the quantum cryptography reception device 300 via the quantum communication channel 101.
  • the quantum signal detection unit 304 In the quantum cryptography receiving device 300, the quantum signal detection unit 304 generates a 1-bit random number using a random number generator (not shown), and inputs the generated 1-bit random number to the phase demodulator 307.
  • the quantum signal detection unit 304 uses a phase demodulator 307 to demodulate a photon transmitted through the quantum communication channel 101 using an input 1-bit random electrical signal.
  • the phase demodulator 307 performs phase modulation (that is, phase demodulation) of photons 0 or ⁇ 2 according to the value of the 1-bit random number (for example, the value 1 of the 1-bit random number 1). Phase modulation of ⁇ ⁇ 2 at the time, and the photon is demodulated.
  • the phase demodulator 307 is connected to a photon detector 306a and a photon detector 306b via an asymmetric Matsuhsunder interferometer 308.
  • the quantum signal detection unit 304 specifies the 1-bit value of the 2-bit information depending on which of the photon detector 306a and the photon detector 306b detects the photon subjected to signal demodulation.
  • the identified bit is effective when the remaining 1 bit of the 2-bit information has the same value as the 1-bit random number, for example, the photon detector 306a detects a photon with a phase difference of 0 and detects the photon.
  • phase difference of the photons transmitted through the communication channel 101 is 0 or ⁇ and the phase demodulator 307 performs phase modulation of 0 (ie, phase modulation is not performed)
  • the quantum signal detection unit 304 On the other hand, the phase difference of the photons transmitted through the quantum channel 101 is ⁇ ⁇ 2 or (3 ⁇ 2) ⁇ , and the phase demodulator 307 performs phase modulation of ⁇ ⁇ 2.
  • the bit specified by the quantum signal detection unit 304 is valid.
  • the bit detected by the number detection unit 304 is output.
  • a processing device may perform predetermined processing using this bit. This bit can be used, for example, as key information or a part of key information.
  • FIG. 3 is a timing chart showing an example of quantum cryptography communication according to the present embodiment.
  • a pulse clock signal (“transmission side clock signal”) is regularly output from the single photon source 201 with a pulse drive message included in the quantum cryptography transmitter 200.
  • transmission side clock signal the pulse clock signal
  • the generation of single photons occurs stochastically, the output of single photons and accompanying messenger signals (“transmitting messenger signals”) occurs irregularly.
  • the generation timing of the single photon is very accurately synchronized with the pulse clock signal.
  • the power messenger signal is synchronized with the single photon generation timing and the pulse clock signal in the order of 500 ps. Has jitter.
  • the timing adjuster 202 included in the quantum cryptography transmission device 200 takes in the messenger signal and the pulse 'clock signal, and only when the messenger signal is input, the first trigger that is accurately synchronized with the pulse' clock signal.
  • a signal (“quantum signal modulation trigger signal”) is output, and the quantum signal modulator 204 is operated.
  • the single photon output from the single photon source 201 with a pulse drive command is accurately subjected to signal modulation.
  • the clock communication path 103 and the messenger signal communication path 102 are respectively set to the pulse'clock signal and the messenger signal power. And transmitted to the quantum cryptography receiver 300. At this time, the single photon that has undergone signal modulation is transmitted to the quantum cryptography receiving device 300 via the quantum communication channel 101.
  • the pulse clock signal (“reception side clock signal”) and the message signal (“reception side message signal”) transmitted to the quantum cryptography reception device 300 are the clock signal reception unit 302 and the message signal reception unit 301, respectively. And input to the timing adjuster 303 included in the quantum cryptography receiving device 300.
  • the timing adjuster 303 outputs the second trigger signal (“photon detection trigger signal”) that is accurately synchronized with the NORSE clock signal only when the messenger signal is input, and operates the photon detector 306.
  • photon detection trigger signal the second trigger signal that is accurately synchronized with the NORSE clock signal only when the messenger signal is input, and operates the photon detector 306.
  • the timing adjuster 303 can detect the second trigger signal accurately synchronized with the pulse clock signal only when the messenger signal is input (" Quantum signal demodulation trigger signal ”) is output, and the quantum signal demodulator 305 is operated. For this reason, the signal demodulation operation can be performed in precise synchronization with the single photon transmitted to the quantum cryptography receiver 300.
  • the unit time of the clock is 12.5 ns. Therefore, if the jitter of the messenger signal is suppressed to about 5 ns, it is considered possible to synchronize the messenger signal with the pulse clock signal. As described above, since the jitter of the messenger signal is about 500 ps, it is sufficiently possible to synchronize the messenger signal with the pulse clock signal. In addition, as described above, the jitter of the pulse 'clock signal can be suppressed to about lps, so the jitter of the trigger signal generated by synchronizing the messenger signal with the pulse' clock signal can be suppressed to about lOOps. It is. This makes it possible to reduce the influence of the performance of the photon detector 306 on the stability and efficiency of quantum communication.
  • the quantum signal modulation timing in the quantum cryptography transmission device 200, the quantum signal demodulation timing and the photon detection timing in the quantum cryptography reception device 300 can be set to a message in which jitter cannot be ignored with respect to the single photon transmission timing.
  • the jitter is much smaller than the signal alone, and it is designed to be synchronized with the pulse clock signal. Therefore, for each single photon transmitted, each of quantum signal modulation, quantum signal demodulation, and photon detection Operation can be stabilized and highly efficient.
  • single photons are generated randomly in a random manner, they are generated in precise synchronization with a regularly output pulse'clock signal, so that photons generated from other photon sources are generated.
  • Two-photon measurement such as Bell measurement can be easily realized.
  • the communication distance limit of existing quantum cryptography communication is around 100 km, and that the quantum repeater and quantum relay based on Bell measurement can be realized, the communication distance can be greatly extended.
  • the communication system 100 is suitable for using a quantum repeater and a quantum relay. The communication distance can be greatly extended.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of hardware resources of the quantum communication device (that is, the quantum cryptography transmission device 200 or the quantum cryptography reception device 300) in the present embodiment.
  • the quantum communication device is a computer, a display device 901 having a CRT (Cathode-Ray-Tube) or LCD (liquid crystal display) display screen, a keyboard 902 (K ZB), a mouse 903, FDD904 Hardware resources such as (Flexible-Disk-Drive), CDD905 (Compact-Disc • Drive), and printer device 906 are provided, and these are connected by cables and signal lines. It is connected to the Internet via a LAN (local area network) and gateway.
  • LAN local area network
  • the quantum communication device includes a CPU 911 (Central 'Prosssing' Unit) that executes a program.
  • the CPU 911 is an example of a processing device.
  • CPU911 via ROM 912 ROM913 (Read 'Only' Memory) ⁇ RAM914 (Random 'Access Memory), communication board 915, display device 901, keyboard 902, mouse 903, FDD904, CDD905, printer device 906, It is connected to the magnetic disk unit 920 and controls these hardware devices.
  • a storage medium such as an optical disk device or a memory card reader / writer may be used instead of the magnetic disk device 920.
  • the RAM 914 is an example of a volatile memory.
  • the storage media of the ROM 913, the FDD 904, the CDD 905, and the magnetic disk device 920 are examples of nonvolatile memories. These are examples of storage devices.
  • Communication board 915, keyboard 902, FDD904, etc. are examples of input devices. Further, the communication board 915, the display device 901, the printer device 906, and the like are examples of output devices.
  • the communication board 915 is connected to a LAN or the like.
  • the communication board 915 is not limited to a LAN, and may be connected to the Internet, a WAN (wide area network) such as ISDN (Integrated 'Services' Digital' Network), or the like.
  • a gateway When connected to a WAN, a gateway is not required.
  • the magnetic disk device 920 stores an operating system 921 (OS), a program group 923, and a file group 924.
  • Programs in program group 923 are executed by CPU 911 and operating system 921.
  • Program group 923 contains data and information.
  • a program for processing information is stored.
  • the program is read and executed by the CPU911.
  • data described as “ ⁇ data”, “ ⁇ information”, “ ⁇ ID (IDentifier)”, “ ⁇ flag”, “ ⁇ result” Information, signal values, variable values, and parameter forces are stored as items of " ⁇ file", " ⁇ database”, and " ⁇ table".
  • the “ ⁇ file”, “ ⁇ database”, and “ ⁇ table” are stored in a storage medium such as a disk or a memory.
  • Data, information, signal values, variable values, and parameters stored in a storage medium such as a disk or memory are read into the main memory or cache memory by the CPU911 via a read / write circuit, and extracted and searched.
  • data, information, signal value, variable value and parameter are temporarily stored in main memory, cache memory and buffer memory Memorized.
  • FIG. 5 shows a quantum communication on the transmission side in which the quantum cryptography transmission apparatus 200 transmits photons output as quantum signals from a single photon source that is pulse-driven and outputs photons via the quantum communication channel 101.
  • 3 is a flowchart illustrating a method.
  • the single-photon source 201 with a pulse-driven messenger generates a photon pair by, for example, a norametric down-conversion, and outputs one photon of the photon pair as a quantum signal.
  • the other photon of the photon pair is output as a messenger signal (step S101).
  • Timing adjuster 202 is output from single photon source 201 with a pulse drive command.
  • the messenger signal indicating that the received quantum signal is present on the quantum channel 101 is output as the first trigger signal in synchronization with the clock signal for pulse driving the single photon source 201 with pulse drive messenger. (Step S102).
  • the quantum signal modulation unit 203 performs signal modulation on the quantum signal output from the single photon source 201 with a pulse drive instruction in accordance with the timing of the first trigger signal output from the timing adjuster 202 (step S103). Then, the signal-modulated quantum signal is transmitted via the quantum communication channel 101 (step S104).
  • the message signal transmitting unit 205 transmits the message signal output from the single photon source 201 with a pulse drive message via the message signal communication path 102 (step S105).
  • the clock signal transmission unit 206 transmits the clock signal via the clock communication path 103 (step S106).
  • FIG. 6 shows a quantum signal from a single-photon source in which the quantum cryptography receiving device 300 outputs a photon by being pulse-driven (that is, a single-photon source 201 with a pulse drive message included in the quantum cryptography transmission device 200).
  • 2 is a flowchart showing a quantum communication method on the receiving side for receiving photons output as, from the quantum cryptography transmission device 200 via the quantum communication channel 101.
  • the messenger signal receiving unit 301 transmits a messenger signal indicating that the quantum signal output from the single photon source exists on the quantum communication channel 101, and the quantum cryptography transmitting device 200. Is received via the messenger signal communication path 102 (step S201).
  • the clock signal receiving unit 302 receives a clock signal for pulse driving the single photon source from the quantum cryptography transmission device 200 via the clock communication path 103 (step S 202).
  • the timing adjuster 303 synchronizes the messenger signal received by the messenger signal receiver 301 with the clock signal received by the clock signal receiver 302 and outputs it as a second trigger signal (step S203).
  • the quantum signal demodulator 305 included in the quantum signal detection unit 304 performs signal demodulation on the quantum signal existing on the quantum communication channel 101 in accordance with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303. (Step S204).
  • the quantum signal detector 304 detects the quantum signal demodulated by the quantum signal demodulator 305 in accordance with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303 (step S205).
  • quantum cryptography using a single-photon source 201 with a pulse-driven messenger that outputs a messenger signal generated by parametric down-conversion or the like is used.
  • the quantum communication system 100 that performs communication transmits the pulse signal of the pulse laser used as a pump source for parametric down conversion and the like.
  • a clock communication path 103 for transmission from the cryptographic transmitter 200 to the quantum cryptographic receiver 300 is provided.
  • the quantum cryptography transmission device 200 includes a single photon source 201 with a pulse drive message, a quantum signal modulator 204 that applies signal modulation to the quantum state of a single photon, and a single photon source 201 with a pulse drive message.
  • a transmission unit 206 and a timing adjuster 202 that generates a trigger signal to the quantum signal modulator 204 by synchronizing the messenger signal with the pulse clock signal with high accuracy are provided.
  • the quantum cryptography receiving device 300 includes a photon detector 306 that detects a photon transmitted through the quantum communication channel 101, and a messenger signal receiving unit 301 that receives a messenger signal transmitted through the messenger signal communication channel 102.
  • the clock signal receiving unit 302 that receives the pulse clock signal transmitted through the clock communication path 103, and the messenger signal are synchronized with the pulse clock signal with high accuracy to generate a trigger signal to the photon detector 306.
  • a timing adjuster 303 is provided.
  • the quantum cryptography receiving device 300 includes a quantum signal demodulator 305 that performs signal demodulation on a photon transmitted through the quantum communication channel 101, and a quantum signal demodulation by synchronizing a messenger signal with a pulse clock signal with high accuracy. And a timing adjuster 303 for generating a trigger signal to the device 305.
  • the quantum communication system 100 is characterized in that the dispersion compensating fiber 104 is used in the subsequent stage of the optical fiber that is the quantum communication path 101.
  • the quantum communication device As described above, by using the quantum communication device according to the present embodiment, it is possible to realize stable and highly efficient quantum communication without being influenced by jitter of the messenger signal. Further, since the quantum communication device on the receiving side has a configuration with a small number of photon detectors, the configuration is relatively compact. And the cost is also relatively low.
  • Embodiment 2 The difference between the present embodiment and the first embodiment will be mainly described.
  • the power having a configuration in which a pulse laser that is a pump light source of the single photon source 201 with a pulse drive messenger is used as a master clock.
  • two quantities are used.
  • the encryption communication device shares a clock with low jitter, and uses this shared clock as a master to synchronize and drive a pulse laser that is a pump light source.
  • the clock signal for synchronizing the messenger signal to generate the trigger signal is transmitted from the quantum cryptography transmission device 200 to the quantum cryptography reception device 300.
  • the quantum cryptography reception device 300 transmits to the quantum cryptography transmission device 200.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of quantum communication system 100 according to the present embodiment.
  • the quantum cryptography transmission device 200 includes a clock signal reception unit 209 instead of the clock signal transmission unit 206, and the quantum cryptography reception device 300.
  • a clock signal transmission unit 309 is provided instead of the clock signal reception unit 302.
  • the clock signal transmission unit 309 is a transceiver or a transmitter that transmits a clock signal generated by, for example, a clock incorporated in the timing adjuster 303 to the clock communication path 103.
  • the timing adjuster 303 synchronizes the messenger signal received by the messenger signal receiving unit 301 with the clock signal generated by the self-contained clock and supplies it to the photon detector 306 and the quantum signal demodulator 305. Generate a trigger signal.
  • the clock signal receiving unit 209 is a receiver or a transceiver that receives the clock signal transmitted through the clock communication path 103.
  • the timing adjuster 202 synchronizes the message signal output from the single photon source 201 with a pulse drive message 201 with the clock signal received by the clock signal receiving unit 209, and supplies the signal to the quantum signal modulator 204.
  • the trigger signal is generated.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a quantum communication method on the transmission side.
  • the clock signal reception unit 209 has a pulse drive instruction.
  • the clock signal for driving the pulsed single photon source 201 is also received by the quantum cryptography receiving device 300 via the clock communication path 103 (step S 111).
  • the single photon source 201 with a pulse drive command is driven in synchronization with the clock signal received by the clock signal receiving unit 209, and generates a photon pair by parametric down conversion or the like (step S112). Then, one photon of the photon pair is output as a quantum signal, and the other photon of the photon pair is output as a messenger signal.
  • the timing adjuster 202 synchronizes the message signal indicating that the quantum signal output from the single photon source 201 with a pulse-driven message exists on the quantum communication channel 101 with the clock signal received by the clock signal receiving unit 209. And output as the first trigger signal (step S113).
  • the quantum signal modulation unit 203 performs signal modulation on the quantum signal output from the single photon source 201 with a pulse drive instruction in accordance with the timing of the first trigger signal output from the timing adjuster 202 (step S114). ),
  • the quantum signal subjected to signal modulation is transmitted via the quantum communication channel 101 (step S115).
  • the messenger signal transmission unit 205 transmits the messenger signal output from the single-photon source 201 with a pulse drive messenger via the messenger signal communication path 102 (step S116).
  • FIG. 9 is a flowchart showing a quantum communication method on the receiving side.
  • the clock signal transmission unit 309 transmits a clock signal for pulse driving the single photon source via the clock communication path 103 (step S211).
  • the messenger signal receiving unit 301 receives a messenger signal indicating that the quantum signal output from the single photon source exists on the quantum communication channel 101 from the quantum cryptography transmission device 200 via the messenger signal communication channel 102.
  • the timing adjuster 303 outputs the messenger signal received by the messenger signal receiving unit 301 as a second trigger signal in synchronization with the clock signal (step S213).
  • the quantum signal demodulator 305 included in the quantum signal detection unit 304 performs signal demodulation on the quantum signal existing on the quantum communication channel 101 in accordance with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303.
  • the quantum signal detection unit 304 detects the quantum signal demodulated by the quantum signal demodulator 305 in accordance with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303 (step S215).
  • a message is transmitted. It is possible to realize stable and highly efficient quantum communication regardless of signal jitter.
  • a clock signal supply source used for that purpose can be provided in addition to the quantum communication device on the transmission side.
  • the quantum signal detection unit 304 of the quantum cryptography reception device 300 is configured to use the quantum signal demodulator 305, and the means for measuring the quantum state of photons transmitted from the quantum cryptography transmission device 200 is provided.
  • the configuration is such that the number of photon detectors 306 used for measurement is increased, and the quantum state measuring means is passively selected. .
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of quantum communication system 100 according to the present embodiment.
  • the quantum signal detector 304 of the quantum cryptography receiver 300 includes a beam splitter 310 instead of the quantum signal demodulator 305.
  • beam splitter 310 passively and randomly selects the optical path of photons transmitted from quantum cryptography transmission device 200 via quantum communication channel 101.
  • the photon detector 306 detects photons on the optical path selected by the beam splitter 310. Since the quantum signal detection unit 304 does not include the quantum signal demodulator 305, the timing adjuster 303 only needs to supply the second trigger signal to the photon detector 306 only.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a quantum cryptography optical system that passively selects a measurement unit on the receiving side.
  • the control system is omitted for simplicity.
  • FIG. 11 particularly shows an example of the configuration of the quantum signal modulation unit 203 and the quantum signal detection unit 304.
  • the quantum cryptography transmission device 200 actively designates and transmits a quantum state using the phase modulator 208, but the quantum cryptography reception device 300 passively and randomly uses the beam splitter 310. Select the optical path. In each optical path, there are asymmetric Mach-Zehnder interferometers 308a, b corresponding to preset and fixed measuring means, which lead to photon detectors 306a-d corresponding to each measuring means. In this example, the quantum cryptography transmitter 200
  • the quantum signal modulation unit 203 also uses an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 207 in front of the phase modulator 208 in order to perform signal modulation processing.
  • the quantum signal modulator 204 as an example of the quantum signal modulator 204, a polarization modulator or the like may be used instead of the force using the phase modulator 208.
  • the beam splitter 310 is used as an example of the quantum signal branching unit.
  • an input device inputs the 2-bit information to a processing device (not shown).
  • a storage device may store the 2-bit information, and the processing device may read the 2-bit information from the storage device.
  • the processing device converts this 2-bit information into an electric signal and inputs it to the quantum signal modulation unit 203.
  • the quantum signal modulation unit 203 inputs one photon of the photon pair output from the single-photon source 201 with a pulse drive command using an asymmetric Mach-Zehnder interferometer 207 and a phase modulator 208 and inputs it from the processing device.
  • the signal is modulated by the electrical signal.
  • the phase modulator 208 performs phase modulation of the photon with four types of phase differences ⁇ 0, ⁇ / 2, ⁇ , (3/2) ⁇ , so that a 2-bit value is added to the photon. Apply signal modulation. Photons subjected to such signal modulation are transmitted from the quantum cryptography transmission device 200 to the quantum cryptography reception device 300 via the quantum communication channel 101.
  • the quantum signal detection unit 304 causes the beam splitter 310 to branch the optical path of the photon transmitted through the quantum communication path 101 into two optical paths.
  • beam splitter 310 is a 50 to 50 non-polarizing beam splitter.
  • a photon detector 306a and a photon detector 306b are connected to one optical path branched by the beam splitter 310 via an asymmetric Matsuhzander interferometer 308a, and a photon is connected to the other optical path via an asymmetric Matsuhzander interferometer 308a.
  • a detector 306c and a photon detector 306d are connected.
  • the quantum signal detection unit 304 specifies the 2-bit value of the 2-bit information depending on whether the photons transmitted through the quantum communication channel 101 are detected by the deviation of the photon detectors 310a to 310d. Of the 2 bits specified here, 1 bit is effective when the remaining 1-bit value matches the corresponding optical path with the optical path selected by the beam splitter 310.
  • the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 308a is adjusted to output photons with a phase difference of 0 or ⁇
  • the asymmetric Mach-Zehnder interferometer 308b is adjusted to output photons with a phase difference of ⁇ ⁇ 2 or (3 ⁇ 2) ⁇ . Shall.
  • the photon detector 306a detects a photon with a phase difference of 0, the photon detector 306b detects a photon with a phase difference of ⁇ , the photon detector 306c detects a photon with a phase difference of ⁇ ⁇ 2, and the photon detector 306d Detect photons with phase difference (3 ⁇ 2) ⁇ .
  • the phase difference of the photons transmitted through the quantum communication path 101 is 0 or ⁇ , and the beam splitter 310 selects the optical path to which the asymmetric Matsuhatsu interferometer 308a is connected, the quantum signal detector The bit specified by 304 is valid.
  • the beam splitter 310 selects the optical path for connecting the asymmetric Matsuhenda interferometer 308b
  • the bit specified by the signal detection unit 304 is valid.
  • An output device (not shown) outputs the bits specified by the quantum signal detection unit 304.
  • a processing device (not shown) may perform a predetermined process using this bit. This bit can be used as, for example, key information or a part of key information.
  • FIG. 12 is a timing chart showing an example of quantum cryptography communication according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is the same as FIG. 3 described in the first embodiment except that the second trigger signal (“quantum signal demodulation trigger signal”) for operating the quantum signal demodulator 305 is unnecessary on the reception side. It is.
  • FIG. 13 is a flowchart showing a quantum communication method on the receiving side.
  • the quantum communication method on the transmission side is the same as that shown in FIG.
  • the messenger signal receiving unit 301 sends an messenger signal indicating that the quantum signal output from the single photon source exists on the quantum communication channel 101, to the quantum cryptography transmitting device 200. Is received via the messenger signal communication path 102 (step S221).
  • the clock signal receiving unit 302 receives a clock signal for pulse driving the single photon source from the quantum cryptography transmission device 200 via the clock communication path 103 (step S222).
  • the timing adjuster 303 synchronizes the messenger signal received by the messenger signal receiver 301 with the clock signal received by the clock signal receiver 302 and outputs it as a second trigger signal (step S223).
  • the beam splitter 310 included in the quantum signal detection unit 304 branches the quantum communication path 101 (step S224).
  • the quantum signal detector 304 uses the beam splitter 310 to synchronize with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303.
  • a quantum signal existing on the branched quantum communication channel 101 is detected (step S225).
  • the quantum communication device As described above, by using the quantum communication device according to the present embodiment, it is possible to realize stable and highly efficient quantum communication without being influenced by jitter of the messenger signal. In addition, since the quantum communication device on the receiving side does not use the quantum signal demodulator, a trigger signal to be given to the quantum signal demodulator is unnecessary, and control becomes relatively easy.
  • the clock signal for synchronizing the messenger signal to generate the trigger signal is transmitted from the quantum cryptography transmission device 200 to the quantum cryptography reception device.
  • the quantum cipher receiver 300 transmits to the quantum cipher transmitter 200 as in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of quantum communication system 100 according to the present embodiment.
  • the quantum cryptography transmission device 200 includes a clock signal reception unit 209 instead of the clock signal transmission unit 206, and the quantum cryptography reception device 300.
  • a clock signal transmission unit 309 is provided instead of the clock signal reception unit 302.
  • the functions of the clock signal transmission unit 309 and the clock signal reception unit 209 are the same as those shown in FIG.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a quantum communication method on the receiving side.
  • the quantum communication method on the transmission side is the same as that shown in FIG.
  • clock signal transmission section 309 transmits a clock signal for pulse driving the single photon source via clock communication path 103 (step S2 31).
  • the messenger signal receiving unit 301 receives a messenger signal indicating that the quantum signal output from the single photon source exists on the quantum communication channel 101 from the quantum cryptography transmission device 200 via the messenger signal communication channel 102.
  • the timing adjuster 303 outputs the messenger signal received by the messenger signal receiving unit 301 as a second trigger signal in synchronization with the clock signal (step S233).
  • Beam splitter included in quantum signal detector 304 310 branches the quantum communication channel 101 (step S234).
  • the quantum signal detection unit 304 detects a quantum signal present on the quantum communication path 101 branched by the beam splitter 310 in accordance with the timing of the second trigger signal output from the timing adjuster 303 ( Step S235).
  • a clock signal supply source used for that purpose can be provided in addition to the quantum communication device on the transmission side.
  • the messenger signal output from the single photon source 201 with a pulse drive messenger is used as it is as the messenger signal.
  • the pulse signal output from the single-photon source 201 with a pulse-driven messenger is output to the AND gate and the signal output from the gate is used as the messenger signal. Use.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of quantum communication system 100 according to the present embodiment.
  • the quantum cryptography transmission apparatus 200 has only a single photon source 201 with a pulse drive message as a signal generation unit.
  • AND gate 210 (logical product) An arithmetic gate).
  • the signal generation unit generates a photon pair by the single photon source 201 with a pulse drive instruction, outputs one photon of the photon pair as a quantum signal, and outputs the photon pair by the AND gate 210.
  • the logical product operation of the other photon (ie, messenger signal) and the clock signal is performed, and the result of the logical product operation is output again as a messenger signal.
  • the AND gate 210 performs an AND operation between the messenger signal and the pulse clock signal, and the result is changed to a messenger signal, so that the influence of such an error of the messenger signal is changed to the pulse clock. It is possible to limit the timing of the signal. That is, by using the quantum communication device according to this embodiment, the influence of the error of the messenger signal can be reduced. As a result, the SZN ratio (signal-to-noise ratio) increases.
  • the difference between the present embodiment and the first embodiment may be applied to the above-described second to fourth embodiments.
  • the messenger signal output from the single photon source 201 with a pulse drive messenger is used as it is as the messenger signal.
  • the clock signal output from the single-photon source 201 with a pulse-driven messenger output in the same manner (or received from the quantum cryptography receiver 300) is input to the AND gate.
  • the signal output from may be used as a command signal.
  • the AND gate 210 is used to perform an AND operation between the messenger signal output from the single-photon source 201 with a pulse drive messenger and the pulse clock signal.
  • the messenger signal force S pulse ' is output (from the signal generator) only at the rising edge of the clock signal.
  • the signal generator uses a means other than the AND gate 210 to perform AND operation between the messenger signal and the pulse clock signal. An arithmetic operation may be performed and the result of the logical product operation may be output again as a messenger signal.
  • the signal generator controls the messenger signal using a pulse clock signal by a method other than the logical product operation (for example, a negative logical sum operation, a negative logical product operation, a logical sum operation, or any combination thereof).
  • a controlled messenger signal may be output.
  • each quantum communication device may include both the transmission side and the reception side configurations.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a quantum communication system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a configuration of a quantum signal modulation unit and a quantum signal detection unit in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a timing chart showing an example of quantum cryptography communication in the first embodiment.
  • ⁇ 4] is a diagram showing an example of hardware resources of the quantum communication device in the first embodiment.
  • ⁇ 5] is a flowchart showing a quantum communication method (transmission side) according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a quantum communication system according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a quantum communication system according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a configuration of a quantum signal modulation unit and a quantum signal detection unit in the third embodiment.
  • FIG. 12 is a timing chart showing an example of quantum cryptography communication in the third embodiment.
  • 13 A flowchart showing the quantum communication method (receiving side) according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a quantum communication system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a quantum communication method (receiving side) according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a quantum communication system according to a fifth embodiment.
  • 100 quantum communication system 101 quantum communication channel, 102 message signal communication channel, 103 clock communication channel, 104 dispersion compensating fiber, 200 quantum cryptography transmitter, 201 single photon source with pulse drive command, 202 timing adjuster, 203 Quantum signal modulator, 204 quantum signal modulator, 205 messenger signal transmitter, 206 clock signal transmitter, 207 asymmetric Mach-Zehnder interferometer, 208 phase modulator, 209 clock signal receiver, 210 AND gate, 300 quantum cryptography reception Device, 301 Message signal receiver, 302 Clock signal receiver, 303 Timing adjuster, 304 Quantum signal detector, 305 Quantum signal demodulator, 306 Photon detector, 307 Phase demodulator, 308 Asymmetric Mach-Zehnder interferometer, 309 clock Signal transmitter, 310 beam splitter, 901 display, 902 keyboard, 903 mouse, 90 4 FDD, 905 CDD, 906 printer, 911 CPU, 912, 913 ROM, 91 4 RAM, 915 communication board, 920 magnetic disk unit, 921 operating

Description

明 細 書
量子通信装置及び量子通信システム及び量子通信方法
技術分野
[0001] 本発明は、量子通信装置及び量子通信システム及び量子通信方法に関するもの である。本発明は、特に、量子暗号通信装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来の伝令付き単一光子源を用いた量子暗号通信装置は、単一光子源から出力 される伝令信号を送信装置から受信装置に伝送し、送信装置において、伝令信号を トリガとして量子信号の変調動作を行い、受信装置においても、伝送された伝令信号 をトリガとして光子検出動作、及び、量子信号の復調動作を実施していた (例えば、 非特許文献 1及び 2参照)。
[0003] 伝令付き単一光子源とは、パラメトリック下方変換などを用いて双子の光子対を発 生させ、一方の光子を測定することで、他方の光子の存在を測定することなく確認し 、単一光子源として用いる方式である。ここで、測定された一方の光子の測定出力が 他方の光子の出力を知らせる伝令信号として出力される。パラメトリック下方変換など を引き起こすポンプ光源として CW (Continuous 'Wave)レーザを用いるもの（例え ば、非特許文献 1)と、パルスレーザを用いるものとがある。いずれにせよ、確率的な 生起事象として双子光子対が発生されるので、光子源としては不規則な時間間隔で 単一光子が生成されることになる。
[0004] 量子暗号において、伝令付き単一光子源が好適なものとして用いられるのは、従来 のレーザ光を減光したものより、多光子状態が生成される確率が低ぐ単一光子性の 優れた光源であるためである。現在量子暗号に用いられている典型的な光子検出器 を用いると、レーザ光を単一光子源として用いたものでは、通信距離 25km (キロメ一 トル)程度で安全性が保証できなくなるが、伝令付き単一光子源の場合では、単一光 子性が優れて 、るため、 50kmを越える距離でも安全性が保証できる。
[0005] 具体的には、伝令付き単一光子源では、一般にポンプ光強度を減少させることで、 伝令信号により指定された光パルスの 2光子存在確率 P (2)を、 1光子存在確率 P (1 )を保ったまま任意に小さくすることができるので、理想的な単一光子源を利用した際 と同様の量子暗号の安全性が実現できる。
非特干文献 1 :A. Trifonov and A. Zavriyev, Secure communication with a heralded single— photon source, " Journal of Optics B : Qu antum Semiclass. Opt. 7 No 12 (December 2005) S772-S777,
23 November 2005
非特許文献 2 : S. Fasel, O. Alibart, S. Tanzilli, P. Baldi, A. Be veratos, N. Gism and H. Zbinden, "High— quality asynchronous heralded single― photon source at telecom wavelength, " New Jour nal of Physics 6 (November 2004) 163, 12 November 2004 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 従来の伝令付き単一光子源では、双子光子対の一方を光子検出器で測定するこ とで伝令信号を生成するため、この測定に用いた光子検出器の性能に伝令信号の 精度が制限されてしまうという課題があった。
[0007] 例えば、伝令信号として測定される光子としては波長 850nm (ナノメートル）以下の 短い波長の光が用いられ、この光子の検出のために、 SiAPD (Silicon- Avalanche • Photodiode)が好適に用いられる。 SiAPDを用 、た SPCM (Single · Photon · Co unting- Module)という光子検出器ではジッタとして 500ps (ピコ秒）くらいの揺らぎ がある。このため、単一光子に対して、伝令信号が 500psのジッタをもつことになる。 量子暗号では通例 1. 55 m (マイクロメートル)の通信波長帯の単一光子が用いら れるが、この波長帯の光子検出器 (通信波長帯光子検出器)はゲート型ガイガー'モ ードと呼ばれる光子の入射するタイミングに合わせて動作させる方式をとるため、伝 令信号のジッタは無視できない影響を及ぼす。通信波長帯光子検出器は実際 ΙΟΟρ sオーダでタイミング設定をすることで最適動作を実現して 、るため、上記 SPCMの ジッタは無視できな 、大きさである。
[0008] 本発明は、伝令信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実 現することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0009] 本発明の一の態様に係る量子通信装置は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子 を、量子通信路を介して送信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを 示す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させ て、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子 信号に信号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して 送信する量子信号変調部と、
前記伝令信号を、伝令信号通信路を介して送信する伝令信号送信部とを備えるこ とを特徴とする。
[0010] 前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を備えるこ とを特徴とする。
[0011] 前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、 前記タイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受信され たクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として出力することを特徴とする。
[0012] 前記量子通信装置は、さらに、
前記単一光子源により光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を前記量子信 号として出力するとともに、当該光子対の他方の光子を前記伝令信号として出力する 信号生成部を備え、
前記量子信号変調部は、前記信号生成部から出力された量子信号に信号変調を 施し、
前記伝令信号送信部は、前記信号生成部から出力された伝令信号を送信すること を特徴とする。
[0013] 前記信号生成部は、パラメトリック下方変換により前記光子対を生成することを特徴 とする。
[0014] 前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号と前記クロック信号 との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて前記伝令信号として出力 することを特徴とする。
前記信号生成部は、前記単一光子源から出力された伝令信号を前記クロック信号 により制御し、制御された伝令信号を出力することを特徴とする。
[0015] 本発明の他の態様に係る量子通信装置は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子 を、量子通信路を介して受信する量子通信装置において、
前記単一光子源から出力された量子信号が前記量子通信路上に存在することを 示す伝令信号を、伝令信号通信路を介して受信する伝令信号受信部と、
前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動 するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号として出力するタイミング調整部と、 前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子 通信路上に存在する量子信号を検出する量子信号検出部とを備えることを特徴とす る。
[0016] 前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を備え、 前記タイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前記 クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記トリガ信号として 出力することを特徴とする。
[0017] 前記量子通信装置は、さらに、
前記クロック信号を、クロック通信路を介して送信するクロック信号送信部を備えるこ とを特徴とする。
[0018] 前記量子信号検出部は、前記タイミング調整部力 出力されたトリガ信号のタイミン グに合わせて、前記量子通信路上に存在する量子信号に信号復調を施す量子信号 復調部を含み、前記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせ て、前記量子信号復調部により信号復調が施された量子信号を検出することを特徴 とする。
[0019] 前記量子信号検出部は、前記量子通信路を分岐する量子信号分岐部を含み、前 記タイミング調整部から出力されたトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号 分岐部により分岐された量子通信路上に存在する量子信号を検出することを特徴と する。
[0020] 本発明の一の態様に係る量子通信システムは、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子 を送受信する量子通信システムにお 、て、
前記単一光子源から出力された量子信号を搬送する量子通信路と、
前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示す伝令信号を搬送する伝 令信号通信路と、
前記伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期さ せて、第 1のトリガ信号として出力する第 1のタイミング調整部と、前記第 1のタイミング 調整部から出力された第 1のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信 号変調を施し、信号変調が施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信する 量子信号変調部と、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送信する伝令 信号送信部とを含む第 1の量子通信装置と、
前記伝令信号送信部により送信された伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して 受信する伝令信号受信部と、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を、前 記クロック信号〖こ同期させて、第 2のトリガ信号として出力する第 2のタイミング調整部 と、前記第 2のタイミング調整部力 出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わせ て、前記量子信号変調部により前記量子通信路上に送信された量子信号を検出す る量子信号検出部とを含む第 2の量子通信装置とを備えることを特徴とする。
[0021] 前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第 1の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介 して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第 2の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロ ック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、 前記第 2のタイミング調整部は、前記伝令信号受信部により受信された伝令信号を 、前記クロック信号受信部により受信されたクロック信号に同期させて、前記第 2のトリ ガ信号として出力することを特徴とする。
[0022] 前記量子通信システムは、さらに、
前記クロック信号を搬送するクロック通信路を備え、
前記第 2の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号を、前記クロック通信路を介 して送信するクロック信号送信部を含み、
前記第 1の量子通信装置は、さらに、前記クロック信号送信部により送信されたクロ ック信号を、前記クロック通信路を介して受信するクロック信号受信部を含み、 前記第 1のタイミング調整部は、前記伝令信号を、前記クロック信号受信部により受 信されたクロック信号に同期させて、前記第 1のトリガ信号として出力することを特徴と する。
[0023] 前記量子通信路は、光ファイバの後段に分散補償ファイバを使用したものであるこ とを特徴とする。
[0024] 本発明の一の態様に係る量子通信方法は、
パルス駆動されて光子を出力する単一光子源から量子信号として出力される光子 を、量子通信路を介して送受信する量子通信方法にお!、て、
第 1の量子通信装置にて、前記量子信号が前記量子通信路上に存在することを示 す伝令信号を、前記単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて 、第 1のトリガ信号として出力し、
前記第 1の量子通信装置にて、前記第 1のトリガ信号の出力により出力された第 1 のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号に信号変調を施し、信号変調が 施された量子信号を、前記量子通信路を介して送信し、
前記第 1の量子通信装置にて、前記伝令信号を、前記伝令信号通信路を介して送 信し、
第 2の量子通信装置にて、前記伝令信号の送信により送信された伝令信号を、前 記伝令信号通信路を介して受信し、 前記第 2の量子通信装置にて、前記伝令信号の受信により受信された伝令信号を 、前記クロック信号に同期させて、第 2のトリガ信号として出力し、
前記第 2の量子通信装置にて、前記第 2のトリガ信号の出力により出力された第 2 のトリガ信号のタイミングに合わせて、前記量子信号の送信により前記量子通信路上 に送信された量子信号を検出することを特徴とする。
発明の効果
[0025] 本発明の一の態様によれば、量子通信装置において、タイミング調整部が伝令信 号を、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、トリガ信号とし て出力し、量子信号変調部がトリガ信号のタイミングに合わせて量子信号に信号変 調を施し、量子信号を、量子通信路を介して送信し、伝令信号送信部が伝令信号を 、伝令信号通信路を介して送信することにより、伝令信号のジッタに左右されないで 、安定した高効率の量子通信を実現することが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
[0027] 実施の形態 1.
図 1は、本実施の形態に係る量子通信システム 100の構成を示すブロック図である
[0028] 図 1において、量子通信システム 100 (「量子暗号通信システム」ともいう）は、量子 暗号送信装置 200と、量子暗号受信装置 300と、これらの装置間を接続する量子通 信路 101 (「量子信号通信路」ともいう）と伝令信号通信路 102とクロック通信路 103 ( 「パルス ·クロック通信路」又は「パルス ·クロック信号通信路」とも ヽぅ）を備える。
[0029] 量子通信路 101は、量子信号として光子を搬送する通信路である。量子通信路 10 1が光ファイバを用いて長距離通信するものである場合、その後段に分散補償フアイ ノ 104を接続して、光ファイバ固有の波長分散に伴う光パルス波形のくずれを補償し てもよい。伝令信号通信路 102は、後述する伝令信号を搬送する通信路である。クロ ック通信路 103は、後述するクロック信号（「パルス'クロック信号」ともいう）を搬送する 通信路である。伝令信号通信路 102とクロック通信路 103とは、光の通信路であって もよいし、電気信号の通信路であってもよい。 [0030] 量子暗号送信装置 200は、量子通信装置の一例であり、パルス駆動伝令付き単一 光子源 201と、量子信号変調部 203と、伝令信号送信部 205と、クロック信号送信部 206と、タイミング調整器 202とを備える。パルス駆動伝令付き単一光子源 201は、 信号生成部の一例である。量子信号変調部 203は、パルス駆動伝令付き単一光子 源 201から出力される単一光子の量子状態に信号変調を加える量子信号変調器 20 4を含む。伝令信号送信部 205は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力さ れる伝令信号を伝令信号通信路 102に送信するトランシーバ又はトランスミッタであ る。クロック信号送信部 206は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201のポンプ源とな るパルスレーザのクロック信号をクロック通信路 103に送信するトランシーバ又はトラ ンスミッタである。タイミング調整器 202は、第 1のタイミング調整部の一例であり、伝 令信号をパルス ·クロック信号に同期させて、量子信号変調器 204に与える第 1のトリ ガ信号 (単に「トリガ信号」とも 、う）を生成する。
[0031] 伝令信号は、単一光子と同期して不規則な時間間隔で出力される信号であるが、 単一光子との間には無視できないジッタがある。一方、パルス'クロック信号はポンプ 光源のパルスレーザのクロック信号であるため、規則的に単一光子が出力されないタ ィムスロットでも出力される。ただし、単一光子との間のジッタは非常に小さい。フエム ト秒パルスレーザをポンプ光源に用いた場合、そのジッタは lps以下である。
[0032] 量子暗号受信装置 300は、量子通信装置の一例であり、量子信号検出部 304と、 伝令信号受信部 301と、クロック信号受信部 302と、タイミング調整器 303とを備える 。量子信号検出部 304は、量子通信路 101を伝送された光子を検出する光子検出 器 306と、量子通信路 101を伝送された光子の量子状態に信号復調を行う量子信 号復調器 305とを含む。この量子信号復調器 305は、量子信号復調部の一例である 。伝令信号受信部 301は、伝令信号通信路 102を伝送された伝令信号を受信する レシーバ又はトランシーバである。クロック信号受信部 302は、クロック通信路 103を 伝送されたパルス ·クロック信号を受信するレシーバ又はトランシーバである。タイミン グ調整器 303は、第 2のタイミング調整部の一例であり、伝令信号受信部 301が受信 した伝令信号を、クロック信号受信部 302が受信したパルス ·クロック信号に同期させ て、光子検出器 306及び量子信号復調器 305に与える第 2のトリガ信号 (単に「トリガ 信号」ともいう）を生成する。
[0033] なお、クロック通信路 103に用いるトランスミッタ (即ち、クロック信号送信部 206)、レ シーバ (即ち、クロック信号受信部 302)には低ジッタの高速動作が求められている。 このため、場合によっては、パルス駆動伝令付き単一光子源 201のポンプ光源から 出力されるパルスレーザ光の一部を分岐し、必要であれば通信路に適切な波長に波 長変換して、光ファイバを用いて伝送するようなクロック通信路 103の構成をとつても よい。
[0034] 量子暗号では、互いに共役な測定手段をランダムに選択することで安全な通信を 実現している。この測定手段を受信側で能動的に選択する場合には、量子信号検出 部 304において、量子信号復調器 305を用いるが、受動的に選択する場合には、量 子信号復調器 305を用いる代わりに、測定に用いる光子検出器 306を増やす構成を とる。前者の構成は、図 1に示した通りである力 後者の構成については、実施の形 態 3以降で説明する。
[0035] 図 2は、測定手段の選択を受信側で能動的に行う量子暗号光学系の一例を示す 図である。図 2では、簡単のため、制御系は省略している。図 2では、特に、量子信号 変調部 203と量子信号検出部 304との構成の一例を示している。
[0036] 量子暗号送信装置 200では、位相変調器 208を用いて能動的に量子状態を指定 、及び、送信し、量子暗号受信装置 300でも、位相復調器 307を用いて能動的に量 子状態を測定する。また、位相復調器 307の後に予め設定及び固定された測定手 段に対応する非対称マツハツヱンダ干渉計 308があって、その測定手段に対応した 光子検出器 306a, bに導いている。この例では、量子暗号送信装置 200の量子信号 変調部 203においても、信号変調の処理を行うために、位相変調器 208の前に非対 称マッハツエンダ干渉計 207を用いている。また、この例では、量子信号変調器 204 の一例として、位相変調器 208を用いている力 代わりに偏光変調器などを用いても 構わない。また、この例では、量子暗号受信装置 300の量子信号検出部 304におい て、量子信号復調部の一例として、位相復調器 307を用いているが、代わりに偏光 復調器などを用いても構わな!/、。
[0037] 例えば、ある 2ビット情報の量子暗号通信を行う場合、量子暗号送信装置 200にお いて、不図示の入力装置は、その 2ビット情報を不図示の処理装置に入力する。不 図示の記憶装置がこの 2ビット情報を記憶し、処理装置がこの 2ビット情報を記憶装 置から読み込んでもよい。処理装置は、この 2ビット情報を電気信号に変換して、量 子信号変調部 203に入力する。量子信号変調部 203は、パルス駆動伝令付き単一 光子源 201から出力される光子対の一方の光子に対し、非対称マッハツ ンダ干渉 計 207と位相変調器 208とを用いて、処理装置から入力された電気信号による信号 変調を施す。具体的には、位相変調器 208が、 {0, π /2, π , (3/2) π }の 4種類 の位相差で、光子の位相変調を行うことにより、その光子に 2ビットの信号変調を施す 。このような信号変調が施された光子は、量子通信路 101を介して、量子暗号送信装 置 200から量子暗号受信装置 300に伝送される。
量子暗号受信装置 300において、量子信号検出部 304は、不図示の乱数生成器 により 1ビット乱数を生成し、生成した 1ビット乱数を位相復調器 307に入力する。量 子信号検出部 304は、量子通信路 101にて伝送される光子に対し、位相復調器 30 7を用いて、入力した 1ビット乱数の電気信号による信号復調を施す。具体的には、 位相復調器 307が、 1ビット乱数の値に応じて、光子の 0又は π Ζ2の位相変調 (即 ち、位相復調）を行うことにより（例えば、 1ビット乱数の値力 1"のときに π Ζ2の位相 変調を行う）、その光子に信号復調を施す。位相復調器 307には非対称マツハツヱン ダ干渉計 308を介して光子検出器 306a及び光子検出器 306bを接続して 、る。量 子信号検出部 304は、信号復調が施された光子が光子検出器 306a及び光子検出 器 306bのいずれで検出されたかにより、上記 2ビット情報の 1ビットの値を特定する。 ここで特定されたビットは、 2ビット情報の残りの 1ビットが上記 1ビット乱数と同じ値をも つ場合に有効となる。例えば、光子検出器 306aが位相差 0の光子を検出し、光子検 出器 306bが位相差 πの光子を検出するものとする。この場合、量子通信路 101にて 伝送された光子の位相差が 0又は πであって、位相復調器 307が 0の位相変調を行 つている（即ち、位相変調を行っていない）ときには、量子信号検出部 304が特定し たビットは有効となる。一方、量子通信路 101にて伝送された光子の位相差が π Ζ2 又は（3Ζ2) πであって、位相復調器 307が π Ζ2の位相変調を行っているときには 、量子信号検出部 304が特定したビットは有効となる。不図示の出力装置は、量子信 号検出部 304が特定したビットを出力する。不図示の処理装置が、このビットを利用 して、所定の処理を行ってもよい。このビットは、例えば、鍵情報、あるいは鍵情報の 一部として利用可能である。
[0039] 図 3は、本実施の形態における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートであ る。
[0040] まず、量子暗号送信装置 200に含まれるパルス駆動伝令付き単一光子源 201から パルス ·クロック信号 (「送信側クロック信号」 )が規則正しく出力されて!ヽる。ただし、 単一光子の生成は確率的に生起するため、単一光子とそれに伴う伝令信号（「送信 側伝令信号」）の出力は不規則に発生する。このとき、単一光子の生成タイミングは 非常に精確にパルス'クロック信号と同期している力 伝令信号は、単一光子生成タ イミング及びパルス ·クロック信号との同期にお 、て、 500psオーダのジッタを持って いる。
[0041] 量子暗号送信装置 200に含まれるタイミング調整器 202は、伝令信号とパルス 'ク ロック信号を取り込み、伝令信号が入力されたときのみ、パルス'クロック信号に精確 に同期した第 1のトリガ信号（「量子信号変調トリガ信号」）を出力し、量子信号変調器 204を動作させる。これにより、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力された 単一光子が精確に信号変調を受けることになる。
[0042] 次に、量子暗号送信装置 200に含まれるクロック信号送信部 206と伝令信号送信 部 205を用いて、パルス'クロック信号と伝令信号力 それぞれ、クロック通信路 103と 伝令信号通信路 102を介して量子暗号受信装置 300に伝送される。このとき、信号 変調を受けた単一光子は量子通信路 101を介して量子暗号受信装置 300に伝送さ れている。
[0043] 量子暗号受信装置 300に伝送されたパルス ·クロック信号（「受信側クロック信号」 ) と伝令信号（「受信側伝令信号」）は、それぞれ、クロック信号受信部 302と伝令信号 受信部 301で受信され、量子暗号受信装置 300に含まれるタイミング調整器 303に 入力される。タイミング調整器 303は伝令信号が入力されたときのみ、ノ レス'クロック 信号に精確に同期した第 2のトリガ信号（「光子検出トリガ信号」）を出力し、光子検出 器 306を動作させる。このとき、量子暗号受信装置 300に伝送された単一光子が光 子検出器 306に入力されるタイミングと、光子検出器 306の動作タイミングは低ジッタ で精確に同期して 、るため、安定した高効率の光子検出が可能である。
[0044] また、タイミング調整器 303は、光子検出器 306に対する第 2のトリガ信号と同様に 、伝令信号が入力されたときのみ、パルス'クロック信号に精確に同期した第 2のトリガ 信号（「量子信号復調トリガ信号」）を出力し、量子信号復調器 305を動作させる。こ のため、量子暗号受信装置 300に伝送された単一光子に精確に同期して信号復調 動作が実施できる。
[0045] 図 3に示すように、例えば、パルス'クロック信号のクロック周波数を 80MHzとした場 合、クロックの単位時間は 12. 5nsとなる。よって、伝令信号のジッタが 5ns程度に抑 えられれば、伝令信号をパルス'クロック信号に同期させることが可能だと考えられる 。前述したように、伝令信号のジッタは 500ps程度であるため、伝令信号をパルス'ク ロック信号に同期させることは十分に可能である。また、前述したように、パルス'クロ ック信号のジッタは lps程度に抑えられるため、伝令信号をパルス'クロック信号に同 期させて生成するトリガ信号のジッタを、 lOOps程度に抑えることが可能である。これ により、光子検出器 306の性能が量子通信の安定性及び効率性に及ぼす影響を低 減させることが可會となる。
[0046] 以上のように、量子暗号送信装置 200における量子信号変調タイミング、量子暗号 受信装置 300における量子信号復調タイミング、光子検出タイミングを、単一光子の 伝送タイミングに対して、ジッタの無視できない伝令信号のみではなぐジッタの非常 に小さ 、パルス ·クロック信号に対しても同期をとるようにして 、るので、伝送される単 一光子に対して、量子信号変調、量子信号復調、光子検出の各動作を安定させ、か つ高効率で実現することができる。
[0047] さらに、単一光子は確率的に不規則に発生するのであるが、規則正しく出力される パルス'クロック信号に対して精確に同期して発生するので、他の光子源から発生し た光子との Bell測定などの 2光子測定も容易に実現できる。これは、既存の量子暗号 通信の通信距離限界が 100km前後であること、 Bell測定に基づく量子リピータ、量 子リレーが実現できれば、大幅に通信距離を延伸できることを考慮すると、本実施の 形態の量子通信システム 100は、量子リピータ、量子リレーを利用するのに好適な方 式であり、大幅に通信距離を延伸できる。
[0048] 図 4は、本実施の形態における量子通信装置 (即ち、量子暗号送信装置 200又は 量子暗号受信装置 300)のハードウエア資源の一例を示す図である。
[0049] 図 4において、量子通信装置は、コンピュータであり、 CRT (Cathode - Ray - Tube )や LCD (液晶ディスプレイ）の表示画面を有する表示装置 901、キーボード 902 (K ZB)、マウス 903、 FDD904 (Flexible - Disk - Drive) , CDD905 (Compact - Disc •Drive)、プリンタ装置 906などのハードウェア資源を備え、これらはケーブルや信号 線で接続されている。また、 LAN (ローカルエリアネットワーク）、ゲートウェイを介して インターネットに接続されている。
[0050] 図 4において、量子通信装置は、プログラムを実行する CPU911 (Central 'Proce ssing'Unit)を備えている。 CPU911は、処理装置の一例である。 CPU911は、ノ ス 912を介して ROM913 (Read 'Only 'Memory)ゝ RAM914 (Random 'Access •Memory)、通信ボード 915、表示装置 901、キーボード 902、マウス 903、 FDD9 04、 CDD905、プリンタ装置 906、磁気ディスク装置 920と接続され、これらのハード ウェアデバイスを制御する。磁気ディスク装置 920の代わりに、光ディスク装置、メモリ カードリーダライタなどの記憶媒体が用いられてもよ 、。
[0051] RAM914は、揮発性メモリの一例である。 ROM913、 FDD904、 CDD905、磁 気ディスク装置 920の記憶媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装 置の一例である。通信ボード 915、キーボード 902、 FDD904などは、入力装置の一 例である。また、通信ボード 915、表示装置 901、プリンタ装置 906などは、出力装置 の一例である。
[0052] 通信ボード 915は、 LANなどに接続されている。通信ボード 915は、 LANに限ら ず、インターネット、 ISDN (Integrated ' Services 'Digital 'Network)などの WAN (ワイドエリアネットワーク）などに接続されていても構わない。インターネットあるいは
WANなどに接続されている場合、ゲートウェイは不要となる。
[0053] 磁気ディスク装置 920には、オペレーティングシステム 921 (OS)、プログラム群 92 3、ファイル群 924が記憶されている。プログラム群 923のプログラムは、 CPU911、 オペレーティングシステム 921により実行される。プログラム群 923には、データや情 報を処理するプログラムが記憶されている。プログラムは、 CPU911により読み出さ れ実行される。また、ファイル群 924には、本実施の形態の説明において、「〜デ一 タ」、「〜情報」、「〜ID (IDentifier)」、「〜フラグ」、「〜結果」として説明するデータ や情報や信号値や変数値やパラメータ力 「〜ファイル」や「〜データベース」や「〜 テーブル」の各項目として記憶されて 、る。「〜ファイル」や「〜データベース」や「〜 テーブル」は、ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの 記憶媒体に記憶されたデータや情報や信号値や変数値やパラメータは、読み書き 回路を介して CPU911によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出'検索 •参照 ·比較 ·演算 ·計算 ·制御 ·出力 ·印刷 ·表示などの CPU911の処理 (動作）に用 V、られる。抽出'検索 '参照'比較 ·演算 ·計算 ·制御 ·出力 ·印刷 ·表示などの CPU91 1の処理中、データや情報や信号値や変数値やパラメータは、メインメモリやキヤッシ ュメモリやバッファメモリに一時的に記憶される。
[0054] また、本実施の形態の説明において「〜部」、「〜手段」として説明するものは、「〜 回路」、「〜装置」、「〜機器」であってもよぐまた、「〜ステップ」、「〜工程」、「〜手順 」、「〜処理」であってもよい。すなわち、「〜部」、「〜手段」として説明するものは、 R OM913に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。あるいは、ソフト ウェアと、素子'デバイス'基板'配線などのハードウェアとの組み合わせ、さらには、 ファームウェアとの組み合わせで実現されて 、ても構わな 、。ファームウェアとソフトゥ エアは、プログラムとして、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクト ディスク、ミニディスク、 DVDなどの記録媒体に記憶される。このプログラムは CPU9 11により読み出され、 CPU911により実行される。
[0055] 図 5は、量子暗号送信装置 200が、パルス駆動されて光子を出力する単一光子源 から量子信号として出力される光子を、量子通信路 101を介して送信する送信側の 量子通信方法を示すフローチャートである。
[0056] 量子暗号送信装置 200において、パルス駆動伝令付き単一光子源 201は、ノラメ トリック下方変換などにより光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を量子信号と して出力するとともに、当該光子対の他方の光子を伝令信号として出力する (ステツ プ S101)。タイミング調整器 202は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力 された量子信号が量子通信路 101上に存在することを示す伝令信号を、パルス駆動 伝令付き単一光子源 201をパルス駆動するためのクロック信号に同期させて、第 1の トリガ信号として出力する (ステップ S102)。量子信号変調部 203は、タイミング調整 器 202から出力された第 1のトリガ信号のタイミングに合わせて、パルス駆動伝令付き 単一光子源 201から出力された量子信号に信号変調を施し (ステップ S103)、信号 変調が施された量子信号を、量子通信路 101を介して送信する (ステップ S104)。伝 令信号送信部 205は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力された伝令信 号を、伝令信号通信路 102を介して送信する (ステップ S105)。クロック信号送信部 2 06は、上記クロック信号を、クロック通信路 103を介して送信する（ステップ S106)。
[0057] 図 6は、量子暗号受信装置 300が、パルス駆動されて光子を出力する単一光子源 ( 即ち、量子暗号送信装置 200に含まれるパルス駆動伝令付き単一光子源 201)から 量子信号として出力される光子を、量子暗号送信装置 200から量子通信路 101を介 して受信する受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。
[0058] 量子暗号受信装置 300において、伝令信号受信部 301は、単一光子源から出力さ れた量子信号が量子通信路 101上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送 信装置 200から伝令信号通信路 102を介して受信する (ステップ S201)。クロック信 号受信部 302は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号送 信装置 200からクロック通信路 103を介して受信する (ステップ S 202)。タイミング調 整器 303は、伝令信号受信部 301により受信された伝令信号を、クロック信号受信部 302により受信されたクロック信号に同期させて、第 2のトリガ信号として出力する (ス テツプ S203)。量子信号検出部 304に含まれる量子信号復調器 305は、タイミング 調整器 303から出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わせて、量子通信路 10 1上に存在する量子信号に信号復調を施す (ステップ S204)。量子信号検出部 304 は、タイミング調整器 303から出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わせて、量 子信号復調器 305により信号復調が施された量子信号を検出する (ステップ S205)
[0059] 以上、説明したように、本実施の形態では、パラメトリック下方変換などにより生成さ れる伝令信号を出力するパルス駆動伝令付き単一光子源 201を用いた量子暗号通 信を行う量子通信システム 100が、量子通信路 101、伝令信号通信路 102、その他 制御信号の伝送用の通信路に加えて、パラメトリック下方変換などのポンプ源として 用いたパルスレーザのクロック信号を量子暗号送信装置 200から量子暗号受信装置 300へ伝送するクロック通信路 103を備えたことを特徴とする。
[0060] 上記量子暗号送信装置 200は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201と、単一光子 の量子状態に信号変調を加える量子信号変調器 204と、パルス駆動伝令付き単一 光子源 201から出力された伝令信号を伝令信号通信路 102に送信する伝令信号送 信部 205と、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力されたパルス'クロック信 号をクロック通信路 103に送信するクロック信号送信部 206と、伝令信号をパルス'ク ロック信号に高精度で同期させて、量子信号変調器 204へのトリガ信号を生成するタ イミング調整器 202を備えたことを特徴とする。
[0061] 上記量子暗号受信装置 300は、量子通信路 101を伝送された光子を検出する光 子検出器 306と、伝令信号通信路 102を伝送された伝令信号を受信する伝令信号 受信部 301と、クロック通信路 103を伝送されたパルス'クロック信号を受信するクロッ ク信号受信部 302と、伝令信号をパルス ·クロック信号に高精度で同期させて、光子 検出器 306へのトリガ信号を生成するタイミング調整器 303を備えたことを特徴とする
[0062] 上記量子暗号受信装置 300は、量子通信路 101を伝送された光子に信号復調を 施す量子信号復調器 305と、伝令信号をパルス'クロック信号に高精度で同期させて 、量子信号復調器 305へのトリガ信号を生成するタイミング調整器 303を備えたこと を特徴とする。
[0063] 上記量子通信システム 100は、量子通信路 101である光ファイバの後段に分散補 償ファイバ 104を使うことを特徴とする。
[0064] 以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令 信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能と なる。また、受信側の量子通信装置において、光子検出器の数が少ない構成をとつ ているため、構成が相対的にコンパクトになる。そして、コストも相対的に低くなる。
[0065] 実施の形態 2. 本実施の形態について、主に実施の形態 1との差異を説明する。
[0066] 実施の形態 1にお 、ては、パルス駆動伝令付き単一光子源 201のポンプ光源であ るパルスレーザをマスタクロックとする構成をとつた力 本実施の形態では、 2つの量 子暗号通信装置間で、低ジッタでクロックを共有し、この共有クロックをマスタとして、 ポンプ光源であるパルスレーザを同期及び駆動する。
[0067] したがって、実施の形態 1では、量子通信システム 100において、トリガ信号を生成 するために伝令信号を同期させるクロック信号は、量子暗号送信装置 200から量子 暗号受信装置 300に送信していたが、本実施の形態では、量子暗号受信装置 300 から量子暗号送信装置 200に送信する。
[0068] 図 7は、本実施の形態に係る量子通信システム 100の構成を示すブロック図である
[0069] 実施の形態 1で説明した図 1との主な差異は、量子暗号送信装置 200が、クロック 信号送信部 206の代わりにクロック信号受信部 209を備えることと、量子暗号受信装 置 300が、クロック信号受信部 302の代わりにクロック信号送信部 309を備えることで ある。
[0070] 量子暗号受信装置 300にお ヽて、クロック信号送信部 309は、例えばタイミング調 整器 303が内蔵するクロックにより生成されるクロック信号をクロック通信路 103に送 信するトランシーバ又はトランスミッタである。タイミング調整器 303は、伝令信号受信 部 301が受信した伝令信号を、自己〖こ内蔵されたクロックが生成するクロック信号に 同期させて、光子検出器 306及び量子信号復調器 305に与える第 2のトリガ信号を 生成する。
[0071] 量子暗号送信装置 200において、クロック信号受信部 209は、クロック通信路 103 を伝送されたクロック信号を受信するレシーバ又はトランシーバである。タイミング調 整器 202は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力される伝令信号を、クロッ ク信号受信部 209が受信したクロック信号に同期させて、量子信号変調器 204に与 える第 1のトリガ信号を生成する。
[0072] 図 8は、送信側の量子通信方法を示すフローチャートである。
[0073] 量子暗号送信装置 200にお 、て、クロック信号受信部 209は、パルス駆動伝令付 き単一光子源 201をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号受信装置 300 力もクロック通信路 103を介して受信する (ステップ S 111)。パルス駆動伝令付き単 一光子源 201は、クロック信号受信部 209により受信されたクロック信号に同期して 駆動し、パラメトリック下方変換などにより光子対を生成する (ステップ S112)。そして 、当該光子対の一方の光子を量子信号として出力するとともに、当該光子対の他方 の光子を伝令信号として出力する。タイミング調整器 202は、パルス駆動伝令付き単 一光子源 201から出力された量子信号が量子通信路 101上に存在することを示す 伝令信号を、クロック信号受信部 209により受信されたクロック信号に同期させて、第 1のトリガ信号として出力する (ステップ S113)。量子信号変調部 203は、タイミング調 整器 202から出力された第 1のトリガ信号のタイミングに合わせて、パルス駆動伝令 付き単一光子源 201から出力された量子信号に信号変調を施し (ステップ S114)、 信号変調が施された量子信号を、量子通信路 101を介して送信する (ステップ S115 )。伝令信号送信部 205は、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力された伝 令信号を、伝令信号通信路 102を介して送信する (ステップ S116)。
[0074] 図 9は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。
[0075] 量子暗号受信装置 300において、クロック信号送信部 309は、単一光子源をパル ス駆動するためのクロック信号を、クロック通信路 103を介して送信する (ステップ S2 11)。伝令信号受信部 301は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路 1 01上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置 200から伝令信号通信 路 102を介して受信する (ステップ S212)。タイミング調整器 303は、伝令信号受信 部 301により受信された伝令信号を、上記クロック信号に同期させて、第 2のトリガ信 号として出力する (ステップ S213)。量子信号検出部 304に含まれる量子信号復調 器 305は、タイミング調整器 303から出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わ せて、量子通信路 101上に存在する量子信号に信号復調を施す (ステップ S 214)。 量子信号検出部 304は、タイミング調整器 303から出力された第 2のトリガ信号のタイ ミングに合わせて、量子信号復調器 305により信号復調が施された量子信号を検出 する（ステップ S 215)。
[0076] 以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令 信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能と なる。また、そのために用いるクロック信号の供給元を送信側の量子通信装置以外に 設けることができる。
[0077] 実施の形態 3.
本実施の形態について、主に実施の形態 1との差異を説明する。
[0078] 実施の形態 1では、量子暗号受信装置 300の量子信号検出部 304において、量子 信号復調器 305を用いる構成をとり、量子暗号送信装置 200から送信される光子の 量子状態の測定手段を能動的に選択していたが、本実施の形態では、量子信号復 調器 305を用いる代わりに、測定に用いる光子検出器 306を増やす構成をとり、量子 状態の測定手段を受動的に選択する。
[0079] 図 10は、本実施の形態に係る量子通信システム 100の構成を示すブロック図であ る。
[0080] 実施の形態 1で説明した図 1との主な差異は、量子暗号受信装置 300の量子信号 検出部 304力 量子信号復調器 305の代わりにビームスプリッタ 310を含むことであ る。
[0081] 量子暗号受信装置 300において、ビームスプリッタ 310は、量子通信路 101を介し て量子暗号送信装置 200から伝送される光子の光路を、受動的に、かつ、ランダム に選択する。光子検出器 306は、ビームスプリッタ 310が選択した光路上の光子を検 出する。量子信号検出部 304が量子信号復調器 305を含まないため、タイミング調 整器 303は、第 2のトリガ信号を光子検出器 306のみに与えればよい。
[0082] 図 11は、測定手段の選択を受信側で受動的に行う量子暗号光学系の一例を示す 図である。図 11では、簡単のため、制御系は省略している。図 11では、特に、量子 信号変調部 203と量子信号検出部 304との構成の一例を示している。
[0083] 量子暗号送信装置 200では、位相変調器 208を用いて能動的に量子状態を指定 、及び、送信するが、量子暗号受信装置 300では、ビームスプリッタ 310で受動的に 、かつ、ランダムに光路を選択する。それぞれの光路には予め設定及び固定された 測定手段に対応する非対称マッハツ ンダ干渉計 308a, bがあって、各測定手段に 対応した光子検出器 306a〜dに導いている。この例では、量子暗号送信装置 200の 量子信号変調部 203においても、信号変調の処理を行うために、位相変調器 208の 前に非対称マッハツエンダ干渉計 207を用いている。また、この例では、量子信号変 調器 204の一例として、位相変調器 208を用いている力 代わりに偏光変調器などを 用いても構わない。また、この例では、量子暗号受信装置 300の量子信号検出部 30 4において、量子信号分岐部の一例として、ビームスプリッタ 310を用いている。
[0084] 例えば、ある 2ビット情報の量子暗号通信を行う場合、量子暗号送信装置 200にお いて、不図示の入力装置は、その 2ビット情報を不図示の処理装置に入力する。不 図示の記憶装置がこの 2ビット情報を記憶し、処理装置がこの 2ビット情報を記憶装 置から読み込んでもよい。処理装置は、この 2ビット情報を電気信号に変換して、量 子信号変調部 203に入力する。量子信号変調部 203は、パルス駆動伝令付き単一 光子源 201から出力される光子対の一方の光子に対し、非対称マッハツ ンダ干渉 計 207と位相変調器 208とを用いて、処理装置から入力された電気信号による信号 変調を施す。具体的には、位相変調器 208が、 {0, π /2, π , (3/2) π }の 4種類 の位相差で、光子の位相変調を行うことにより、その光子に 2ビットの信号変調を施す 。このような信号変調が施された光子は、量子通信路 101を介して、量子暗号送信装 置 200から量子暗号受信装置 300に伝送される。
[0085] 量子暗号受信装置 300において、量子信号検出部 304は、量子通信路 101にて 伝送される光子の光路をビームスプリッタ 310により 2つの光路に分岐させる。この例 では、ビームスプリッタ 310は、 50対 50の無偏光ビームスプリッタとする。このビーム スプリッタ 310で分岐された一方の光路には非対称マツハツヱンダ干渉計 308aを介 して光子検出器 306a及び光子検出器 306bを接続し、他方の光路には非対称マツ ハツヱンダ干渉計 308aを介して光子検出器 306c及び光子検出器 306dを接続して いる。量子信号検出部 304は、量子通信路 101にて伝送された光子が光子検出器 3 06a〜dの 、ずれで検出されたかにより、上記 2ビット情報の 2ビットの値を特定する。 ここで特定された 2ビットのうち 1ビットは、残りの 1ビットの値が対応する光路とビーム スプリッタ 310で選択された光路とがー致する場合に有効となる。例えば、非対称マ ッハツエンダ干渉計 308aが位相差 0又は πの光子を出力し、非対称マッハツエンダ 干渉計 308bが位相差 π Ζ2又は（3Ζ2) πの光子を出力するように調整されている ものとする。また、光子検出器 306aが位相差 0の光子を検出し、光子検出器 306bが 位相差 πの光子を検出し、光子検出器 306cが位相差 π Ζ2の光子を検出し、光子 検出器 306dが位相差（3Ζ2) πの光子を検出するものとする。この場合、量子通信 路 101にて伝送された光子の位相差が 0又は πであって、ビームスプリッタ 310が非 対称マツハツヱンダ干渉計 308aを接続する光路を選択して 、るときには、量子信号 検出部 304が特定したビットは有効となる。一方、量子通信路 101にて伝送された光 子の位相差が π Ζ2又は（3Z2) πであって、ビームスプリッタ 310が非対称マツハツ ェンダ干渉計 308bを接続する光路を選択しているときには、量子信号検出部 304が 特定したビットは有効となる。不図示の出力装置は、量子信号検出部 304が特定し たビットを出力する。不図示の処理装置が、このビットを利用して、所定の処理を行つ てもよい。このビットは、例えば、鍵情報、あるいは鍵情報の一部として利用可能であ る。
[0086] 図 12は、本実施の形態における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートで ある。図 12は、受信側で量子信号復調器 305を動作させるための第 2のトリガ信号（「 量子信号復調トリガ信号」）が不要であること以外は、実施の形態 1で説明した図 3と 同様である。
[0087] 図 13は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。送信側の量子通信 方法は、実施の形態 1で図 5に示したものと同様である。
[0088] 量子暗号受信装置 300において、伝令信号受信部 301は、単一光子源から出力さ れた量子信号が量子通信路 101上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送 信装置 200から伝令信号通信路 102を介して受信する (ステップ S221)。クロック信 号受信部 302は、単一光子源をパルス駆動するためのクロック信号を、量子暗号送 信装置 200からクロック通信路 103を介して受信する (ステップ S222)。タイミング調 整器 303は、伝令信号受信部 301により受信された伝令信号を、クロック信号受信部 302により受信されたクロック信号に同期させて、第 2のトリガ信号として出力する (ス テツプ S223)。量子信号検出部 304に含まれるビームスプリッタ 310は、量子通信路 101を分岐する (ステップ S224)。量子信号検出部 304は、タイミング調整器 303か ら出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わせて、ビームスプリッタ 310によりに より分岐された量子通信路 101上に存在する量子信号を検出する (ステップ S 225)。
[0089] 以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令 信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能と なる。また、受信側の量子通信装置において、量子信号復調器を用いない構成をと つているため、量子信号復調器に与えるトリガ信号が不要となり、制御が相対的に容 易になる。
[0090] 実施の形態 4.
本実施の形態について、主に実施の形態 3との差異を説明する。
[0091] 実施の形態 3では、実施の形態 1と同様に、量子通信システム 100において、トリガ 信号を生成するために伝令信号を同期させるクロック信号は、量子暗号送信装置 20 0から量子暗号受信装置 300に送信していたが、本実施の形態では、実施の形態 2 と同様に、量子暗号受信装置 300から量子暗号送信装置 200に送信する。
[0092] 図 14は、本実施の形態に係る量子通信システム 100の構成を示すブロック図であ る。
[0093] 実施の形態 3で説明した図 10との主な差異は、量子暗号送信装置 200が、クロック 信号送信部 206の代わりにクロック信号受信部 209を備えることと、量子暗号受信装 置 300が、クロック信号受信部 302の代わりにクロック信号送信部 309を備えることで ある。クロック信号送信部 309とクロック信号受信部 209の機能は、実施の形態 2で図 7に示したものと同様である。
[0094] 図 15は、受信側の量子通信方法を示すフローチャートである。送信側の量子通信 方法は、実施の形態 2で図 8に示したものと同様である。
[0095] 量子暗号受信装置 300において、クロック信号送信部 309は、単一光子源をパル ス駆動するためのクロック信号を、クロック通信路 103を介して送信する (ステップ S2 31)。伝令信号受信部 301は、単一光子源から出力された量子信号が量子通信路 1 01上に存在することを示す伝令信号を、量子暗号送信装置 200から伝令信号通信 路 102を介して受信する (ステップ S232)。タイミング調整器 303は、伝令信号受信 部 301により受信された伝令信号を、上記クロック信号に同期させて、第 2のトリガ信 号として出力する (ステップ S233)。量子信号検出部 304に含まれるビームスプリッタ 310は、量子通信路 101を分岐する (ステップ S234)。量子信号検出部 304は、タイ ミング調整器 303から出力された第 2のトリガ信号のタイミングに合わせて、ビームス プリッタ 310によりにより分岐された量子通信路 101上に存在する量子信号を検出す る（ステップ S235)。
[0096] 以上、述べたように、本実施の形態に係る量子通信装置を用いることにより、伝令 信号のジッタに左右されないで、安定した高効率の量子通信を実現することが可能と なる。また、そのために用いるクロック信号の供給元を送信側の量子通信装置以外に 設けることができる。
[0097] 実施の形態 5.
本実施の形態について、主に実施の形態 1との差異を説明する。
[0098] 実施の形態 1では、量子暗号送信装置 200にお ヽて、伝令信号としてはパルス駆 動伝令付き単一光子源 201から出力された伝令信号をそのまま用いていたが、本実 施の形態では、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力された伝令信号と同じ く出力されたパルス'クロック信号とを論理積演算ゲートに入力し、当該ゲートから出 力された信号を伝令信号として用いる。
[0099] 図 16は、本実施の形態に係る量子通信システム 100の構成を示すブロック図であ る。
[0100] 実施の形態 1で説明した図 1との主な差異は、量子暗号送信装置 200が、信号生 成部として、パルス駆動伝令付き単一光子源 201だけでなぐ ANDゲート 210 (論理 積演算ゲート）を備えることである。本実施の形態では、信号生成部は、パルス駆動 伝令付き単一光子源 201により光子対を生成し、当該光子対の一方の光子を量子 信号として出力するとともに、 ANDゲート 210により当該光子対の他方の光子 (即ち 、伝令信号)とクロック信号との論理積演算を行い、当該論理積演算の結果を改めて 伝令信号として出力する。
[0101] 例えば、パルス駆動伝令付き単一光子源 201にお 、て、伝令信号が光から電気信 号へと変換される際に、伝令信号にエラーが発生することがある。本実施の形態では 、 ANDゲート 210が伝令信号とパルス'クロック信号の論理積演算を行い、その結果 を改めて伝令信号とすることで、そのような伝令信号のエラーの影響をパルス'クロッ ク信号のタイミングに制限することが可能となる。つまり、本実施の形態に係る量子通 信装置を用いることにより、伝令信号のエラーの影響を低減させることができる。そし て、結果的に、 SZN比 (信号対雑音比）が高くなる。
[0102] 本実施の形態と実施の形態 1との差異を、前述した実施の形態 2〜4に適用しても 構わない。つまり、実施の形態 2〜4でも、量子暗号送信装置 200において、伝令信 号としてはパルス駆動伝令付き単一光子源 201から出力された伝令信号をそのまま 用いていたが、本実施の形態と同様に、パルス駆動伝令付き単一光子源 201から出 力された伝令信号と同じく出力された (あるいは、量子暗号受信装置 300から受信し た)クロック信号とを論理積演算ゲートに入力し、当該ゲートから出力された信号を伝 令信号として用いてもよい。
[0103] 上記のように、本実施の形態では、 ANDゲート 210を用いて、パルス駆動伝令付き 単一光子源 201から出力された伝令信号とパルス'クロック信号との論理積演算を行 うことにより、伝令信号力 Sパルス'クロック信号の立ち上がり時にのみ (信号生成部から )出力されるようにしている。そうすることで、上記のように伝令信号のエラーの影響を パルス ·クロック信号のタイミングに制限することが可能となる。伝令信号がパルス ·ク ロック信号の立ち上がり時にのみ出力されるようにするためには、信号生成部が、 A NDゲート 210以外の手段を用いて、伝令信号とパルス'クロック信号との論理積演 算を行い、当該論理積演算の結果を改めて伝令信号として出力してもよい。また、信 号生成部が、論理積演算以外の方法 (例えば、否定論理和演算、否定論理積演算、 論理和演算、又はこれらの任意の組み合わせ)で、伝令信号をパルス'クロック信号 により制御し、制御された伝令信号を出力してもよい。
[0104] 以上、複数の実施の形態について説明した力 これらのうち、 2つ以上の実施の形 態を組み合わせて実施しても構わない。また、いずれの実施の形態においても、各 量子通信装置が送信側及び受信側の両方の構成を含んでも構わない。
図面の簡単な説明
[0105] [図 1]実施の形態 1に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。
[図 2]実施の形態 1における量子信号変調部と量子信号検出部との構成の一例を示 す図である。 [図 3]実施の形態 1における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。 圆 4]実施の形態 1における量子通信装置のハードウェア資源の一例を示す図である 圆 5]実施の形態 1に係る量子通信方法 (送信側）を示すフローチャートである。 圆 6]実施の形態 1に係る量子通信方法 (受信側）を示すフローチャートである。
[図 7]実施の形態 2に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。
圆 8]実施の形態 2に係る量子通信方法 (送信側）を示すフローチャートである。 圆 9]実施の形態 2に係る量子通信方法 (受信側）を示すフローチャートである。
[図 10]実施の形態 3に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。
圆 11]実施の形態 3における量子信号変調部と量子信号検出部との構成の一例を 示す図である。
[図 12]実施の形態 3における量子暗号通信の一例を示すタイミングチャートである。 圆 13]実施の形態 3に係る量子通信方法 (受信側）を示すフローチャートである。
[図 14]実施の形態 4に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。
[図 15]実施の形態 4に係る量子通信方法 (受信側）を示すフローチャートである。
[図 16]実施の形態 5に係る量子通信システムの構成を示すブロック図である。
符号の説明
100 量子通信システム、 101 量子通信路、 102 伝令信号通信路、 103 クロッ ク通信路、 104 分散補償ファイバ、 200 量子暗号送信装置、 201 パルス駆動伝 令付き単一光子源、 202 タイミング調整器、 203 量子信号変調部、 204 量子信 号変調器、 205 伝令信号送信部、 206 クロック信号送信部、 207 非対称マッハ ツエンダ干渉計、 208 位相変調器、 209 クロック信号受信部、 210 ANDゲート、 300 量子暗号受信装置、 301 伝令信号受信部、 302 クロック信号受信部、 303 タイミング調整器、 304 量子信号検出部、 305 量子信号復調器、 306 光子検 出器、 307 位相復調器、 308 非対称マッハツエンダ干渉計、 309 クロック信号送 信部、 310 ビームスプリッタ、 901 表示装置、 902 キーボード、 903 マウス、 90 4 FDD, 905 CDD、 906 プリンタ装置、 911 CPU, 912 ノ ス、 913 ROM, 914 RAM, 915 通信ボード、 920 磁気ディスク装置、 921 オペレーティングシ ステム、 923 プログラム群、 924 ファイル群,

Claims

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