WO2022163577A1 - 光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法 - Google Patents

光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法 Download PDF

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幹生 藤原
章久 富田
雅斗 小芦
正裕 武岡
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Definitions

  • the present invention relates to a photon detection device, a receiving device, a quantum key distribution system, and a quantum signal detection method.
  • Patent Documents 1 to 5 As the Internet spreads, the social needs for encryption technology, such as confidentiality of communications, prevention of falsification, and personal authentication, are increasing. Against this background, in order to ensure the security of communications, the use of quantum key distribution technology, which in principle makes eavesdropping difficult, is attracting attention.
  • a quantum signal is generally sent from a transmitting device to a receiving device, and the quantum signals are detected using multiple photon detectors provided in the receiving device.
  • the detection efficiency of the photon detector if there is a variation (bias) in the detection efficiency of the photon detector, there is a possibility that it will be used for eavesdropping. Eavesdropping using such biased information is widely known in cryptography. Therefore, it is known that the detection efficiency of the photon detector should be uniform in order to effectively prevent eavesdropping.
  • Non-Patent Document 1 a wiretapping technique called a time shift attack
  • multiple photon detectors are used to detect quantum signals.
  • one photon carries a quantum signal, but in reality there may be two or more photons.
  • the intensity of the quantum signal is weak, so the photon detector uses an avalanche photodiode (APD) that can amplify and output the weak signal it receives.
  • APD avalanche photodiode
  • An APD can amplify a signal by triggering an electron avalanche phenomenon triggered by electrons generated when a photon is incident while a reverse bias exceeding the breakdown voltage is applied. Therefore, in quantum key distribution, the reverse bias voltage applied to the APD is increased so as to synchronize with the incident timing of the photons of the quantum signal (eg, Patent Document 1).
  • FIG. 10 schematically shows the timing of voltage application to the APD and the time dependence of the photon detection efficiency. The photon detection efficiency of the APD is maximized when the timing of applying the reverse bias to the APD coincides with the timing of the incident photons.
  • FIG. 11 shows an example of dependence of photon detection efficiency of a plurality of photon detectors on incident timing.
  • FIG. 11 shows an example in which 0 and 1 bits of the X basis and 0 and 1 bits of the Z basis are detected by four photon detectors. As shown in FIG. 11, even if photons enter at the same timing (for example, timing T in FIG. 11), the photon detection efficiency varies among the plurality of photon detectors.
  • Each of the plurality of photon detectors is assigned to each bit of one of the bases of the quantum signal.
  • the detection efficiency is analyzed and can result in situations that allow eavesdropping. Therefore, it is required to prevent or suppress the influence of the incident timing dependency of the photon detection efficiency of the photon detector.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to prevent eavesdropping in quantum key distribution.
  • a photon detection device includes: a photon detector that outputs a current signal indicating a detection result of a quantum signal; a current-voltage converter that converts the current signal into a voltage signal; An analog-digital converter that outputs a digitally converted output signal, and a signal processing unit that performs predetermined signal processing on the output signal and outputs a detection signal indicating the detection result of the quantum signal, wherein the photon
  • the detection signal is not output from the signal processing unit. It is.
  • a receiving device includes a photon detection device that detects a quantum signal, the photon detection device including a photon detector that outputs a current signal indicating a detection result of the quantum signal, and a photon detector that outputs the current signal.
  • a current-voltage conversion unit that converts the voltage signal into a voltage signal; an analog-digital converter that outputs an output signal obtained by analog-digital conversion of the voltage signal; and a detection result of the quantum signal by performing predetermined signal processing on the output signal.
  • a signal processing unit that outputs a detection signal indicating that the time difference between the timing at which the current signal is output from the photon detector and the reference timing determined based on the clock signal falls within the determination range If it does not fit, the detection signal is not output from the signal processing section.
  • a quantum key distribution system includes a transmitting device that transmits a quantum signal, and a receiving device that includes a photon detection device that detects the quantum signal, and the photon detection device detects the quantum signal.
  • a photon detector that outputs a current signal indicating a detection result
  • a current-voltage converter that converts the current signal into a voltage signal
  • an analog-digital converter that outputs an output signal obtained by analog-digital conversion of the voltage signal
  • a signal processing unit that performs predetermined signal processing on the output signal and outputs a detection signal indicating a detection result of the quantum signal, the timing of outputting the current signal from the photon detector and a clock signal
  • the detection signal is not output from the signal processing unit when the time difference between the reference timing determined based on the above and the reference timing does not fall within the determination range.
  • a quantum signal detection method outputs a current signal indicating a detection result of a quantum signal, converts the current signal to a voltage signal, and outputs an output signal obtained by analog-digital conversion of the voltage signal. performing predetermined signal processing on the output signal, outputting a detection signal indicating the detection result of the quantum signal, outputting the current signal, a reference timing determined based on a clock signal, If the time difference between is not within the judgment range, the detection signal is not output.
  • wiretapping in quantum key distribution can be prevented.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a quantum key distribution system
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a receiving device according to Embodiment 1
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration example of a receiving device according to Embodiment 1
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a photon detection device according to Embodiment 1
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a synchronization signal receiving apparatus according to Embodiment 1
  • FIG. 5 is a diagram showing the flow of signals in wiretapping prevention operation in the photon detection device according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart of wiretapping prevention operation in the photon detection device according to the first embodiment
  • 5 is a diagram showing the flow of signals in wiretapping prevention operation in the photon detection device according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart of wiretapping prevention operation in the photon detection device according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the timing of voltage application to the APD and the time dependence of photon detection efficiency
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of dependence of photon detection efficiency of a plurality of photon detectors on incident timing.
  • Embodiment 1 A quantum key distribution system 1000 according to the first embodiment will be described.
  • the quantum key distribution system 1000 is configured, for example, to which the BB84 protocol of phase encoding or polarization encoding is applied.
  • Fig. 1 shows a schematic configuration of the quantum key distribution system 1000.
  • Quantum key distribution system 1000 has transmitting device 110 , receiving device 100 , and transmission paths 120 and 130 .
  • Transmitting device 110 outputs to receiving device 100, via transmission path 120, quantum signal Q used for assigning an encryption key to receiving device 100 and synchronization signal S used for controlling the detection timing of quantum signal Q. do.
  • the transmitting device 110 and the receiving device 100 can transmit and receive signals including, for example, base information, test bits, error correction information, etc., via the transmission path 130, which is a public communication path.
  • Quantum signal Q is an optical signal transmitted as an optical pulse consisting of a single photon or a number of photons sufficient to produce a quantum effect.
  • the synchronization signal S is an optical signal transmitted through the transmission line 120 used for transmission of the quantum signal Q.
  • the quantum signal Q and the synchronization signal S are, for example, optical signals with different wavelengths, and may be wavelength-multiplexed and transmitted to the receiver 100 .
  • FIG. 2 schematically shows the basic configuration of the receiving device 100 according to the first embodiment.
  • the receiver 100 has a photon detector 10 , a synchronization signal receiver 20 and a clock signal generator 30 .
  • a quantum signal Q and a synchronization signal S are input to the receiving device 100 , the quantum signal Q is detected by the photon detection device 10 , and the synchronization signal S is received by the synchronization signal receiving device 20 .
  • the clock signal generation unit 30 is configured, for example, as a phase locked loop (PLL), generates a clock signal CLK, and outputs it to the photon detection device 10 and the synchronization signal reception device 20 .
  • the clock signal generation unit 30 adjusts the timing of the clock signal CLK according to the reference signal REF that notifies the reception timing of the synchronization signal S and is given from the synchronization signal receiving device 20 .
  • the clock signal CLK is generated as a high-speed clock signal having higher time accuracy than the reverse bias pulse timing signal and the output voltage signal, which will be described later.
  • FIG. 3 schematically shows a configuration example of the receiving apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the receiver 100 is provided with, for example, a wavelength separation unit 40 that separates the quantum signal Q and the synchronization signal S by wavelength.
  • the quantum signal Q can be detected by the photon detector 10 and the synchronization signal S can be received by the synchronization signal receiver 20 .
  • the wavelength separating section 40 can be configured as arbitrary wavelength separating means such as a WDM coupler, for example.
  • the photon detection device 10 will be explained.
  • the photon detection device is provided with a plurality of circuit configurations shown in FIG. 4 below according to the basis used in quantum key distribution.
  • a configuration for distributing photons to multiple photon detectors (avalanche photodiodes) according to the encoding scheme (phase encoding, polarization encoding, etc.) applied to the quantum signal to be transmitted (not required for simplification). shown) is also provided.
  • FIG. 4 schematically shows the configuration of the photon detection device 10 according to the first embodiment.
  • the photon detection device 10 according to the first embodiment has a timing generator 11 , a power supply 12 , an avalanche photodiode (APD) 13 , a current-voltage converter 14 , a sampling unit 15 and a signal processor 16 .
  • APD avalanche photodiode
  • the timing generation section 11 generates a reverse bias pulse timing signal S11 according to the clock signal CLK and outputs it to the power supply section 12 .
  • the clock signal CLK is supplied from the synchronizing signal receiving device 20 as will be described later.
  • the power supply unit 12 generates a reverse bias voltage VB1 and applies it to the APD 13 according to the reverse bias pulse timing signal S11.
  • the reverse bias voltage VB1 includes a DC component below the breakdown voltage of the APD 13 and a reverse bias pulse component above the breakdown voltage.
  • the APD 13 when a photon, that is, a quantum signal Q is incident on the light receiving surface at the timing when the reverse bias pulse component is applied to the APD 13, the electron is multiplied by the avalanche (electron avalanche) effect of the generated photoelectron. As a result, the APD 13 outputs the output current I1. Note that dark noise exists even when no photons are incident, and the output current I1 is detected as a current of a constant value.
  • the current-voltage conversion section 14 converts the output current I1 (also referred to as a current signal) into an output voltage signal S12 that is a voltage signal, and outputs the output voltage signal S12 to the sampling section 15 .
  • a transimpedance amplifier TIA hereinafter or the like is used as the current-voltage converter 14 .
  • the sampling unit 15 samples the output voltage signal S12 according to the clock signal CLK, and outputs the output voltage signal S13 having discrete values, that is, a digital signal, to the signal processing unit 16.
  • the sampling unit 15 may output a binary digital signal, or may output a multi-value digital signal generated by analog-digital (AD) conversion.
  • AD analog-digital
  • ADC analog-digital converter
  • the signal processing unit 16 performs predetermined signal processing on the output voltage signal S13, which is a digital signal, according to the clock signal CLK, and outputs a photon detection signal OUT indicating the photon reception result.
  • FIG. 5 schematically shows the configuration of the synchronization signal receiver 20 according to the first embodiment.
  • the synchronization signal receiver 20 has a power supply section 21 , a photodiode 22 , a current-voltage conversion section 23 and a reference signal generation section 24 .
  • the power supply unit 21 generates a reverse bias voltage VB2 and applies it to the photodiode 22 .
  • the reverse bias voltage VB2 is output as a DC voltage of several volts, for example.
  • the photodiode 22 outputs an output current I2 corresponding to the intensity of the incident light when a synchronizing signal S (in this example, a synchronizing signal Sd described later) is incident on the light-receiving surface while a reverse bias voltage VB2 is being applied.
  • a synchronizing signal S in this example, a synchronizing signal Sd described later
  • the synchronizing signal S has a higher optical intensity than the quantum signal Q, so the type of the photodiode 22 that receives the synchronizing signal S is not particularly limited, and various photodiodes including APDs can be used.
  • the current-voltage converter 23 converts the output current I2 into an output voltage signal S21, which is a voltage signal, and outputs the output voltage signal S21 to the reference signal generator .
  • a transimpedance amplifier TIA hereinafter or the like is used as the current-voltage converter 23 .
  • the reference signal generator 24 outputs the reference signal REF, which is a digital signal, to the clock signal generator 30 according to the output voltage signal S21.
  • the reference signal generator 24 may output a binary digital signal, or may output a multi-valued digital signal generated by analog-digital (A/D) conversion.
  • the reference signal generator 24 may be configured as, for example, a clock data recovery (CDR) circuit.
  • FIG. 6 shows the signal flow in the wiretapping prevention operation in the photon detection device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a flow chart of wiretapping prevention operation in the photon detection device 10 according to the first embodiment.
  • the clock signal CLK is generated according to the received synchronization signal S, so it can be considered an accurate timing signal.
  • a false quantum signal QF transmitted by the eavesdropper may enter the receiver 100 .
  • the time difference ⁇ t (also referred to as a first time difference) between the timing of the incidence of the clock signal CLK and the quantum signal, that is, the timing at which the output current I1 is output from the APD 13 is detected. , discard the information related to the received quantum signal. This makes it possible to prevent eavesdropping.
  • ⁇ t also referred to as a first time difference
  • the sampling unit 15 samples the output voltage signal S12, which is an analog signal, according to the clock signal CLK, and converts it into the output voltage signal S13, which is a digital signal.
  • the time when the quantum signal Q is incident on the APD 13 (the time when the output current I1 is output) is t
  • the time from the time t until the output voltage signal S12 reaches the sampling unit 15 is ⁇ t d1
  • the clock signal CLK is The reference timing based on is defined as T ref .
  • the sampling unit 15 monitors the time difference ⁇ t between the time t+ ⁇ t d1 at which the output voltage signal S12 reaches the sampling unit 15 and the reference timing Tref, and the time difference ⁇ t is within a predetermined range (first determination (also called range). It can be understood that the sampling unit 15 indirectly monitors the timing at which the output current I1 is output from the APD 13 by monitoring the time difference ⁇ t.
  • the sampling unit 15 monitors the time difference ⁇ t, for example, and determines whether the time difference ⁇ t is greater than or equal to a first threshold TH1 (also referred to as a lower threshold) and less than or equal to a second threshold TH2 (also referred to as an upper threshold). (step ST1 in FIG. 7).
  • a first threshold TH1 also referred to as a lower threshold
  • a second threshold TH2 also referred to as an upper threshold
  • the sampling unit 15 When the time difference ⁇ t is greater than or equal to the first threshold TH1 and less than or equal to the second threshold TH2, that is, when the time difference ⁇ t falls within the determination range defined by the first threshold TH1 and the second threshold TH2 , the sampling unit 15 outputs the output voltage signal S13, which is the result of A/D conversion, assuming that the received quantum signal Q is a true quantum signal (step ST2 in FIG. 7).
  • the sampling unit 15 determines that the received quantum signal Q is false. Assuming that it is a quantum signal, the signal is discarded without outputting the output voltage signal S13, which is the result of A/D conversion described above (step ST3 in FIG. 7).
  • the timing of the output current from the photon detector in other words, the information on the photons entering the photon detector with a time lag of a certain amount or more can be discarded. It is possible to suitably prevent eavesdropping by a time shift attack that utilizes incident timing dependence.
  • FIG. 8 shows the signal flow in the wiretapping prevention operation in the photon detection device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a flow chart of wiretapping prevention operation in the photon detection device 10 according to the first embodiment.
  • the signal processing section 16 performs predetermined signal processing on the output voltage signal S13 according to the clock signal CLK.
  • the time from the time t when the quantum signal Q enters the APD 13 until the output voltage signal S13 reaches the signal processing section 16 is defined as ⁇ t d2 .
  • the signal processing unit 16 monitors the time difference ⁇ t between the time t+ ⁇ t d2 at which the output voltage signal S13 reaches the signal processing unit 16 and the reference timing T ref . , time difference determination may be performed. Even in this case, it can be understood that the sampling unit 15 indirectly monitors the timing at which the output current I1 is output from the APD 13 by monitoring the time difference ⁇ t, as described above.
  • the signal processing unit 16 monitors the time difference ⁇ t (also referred to as a second time difference) and determines whether the time difference ⁇ t is greater than or equal to the first threshold TH1 and less than or equal to the second threshold TH2 (see FIG. 9 step ST4).
  • ⁇ t also referred to as a second time difference
  • the signal processing unit 16 determines that the received quantum signal Q is true. , the signal processing unit 16 performs the above-described signal processing (step ST5 in FIG. 9).
  • the signal processing unit 16 does not perform the above-described signal processing and discards the output voltage signal S13 (FIG. 9 step ST6).
  • an avalanche photodiode is used as a single photon detector.
  • a single photon detector may be applied.
  • the time difference falls within the determination range when it is equal to or greater than the lower threshold of the determination range and equal to or less than the upper threshold of the determination range, but this is merely an example. For example, if the time difference is greater than the lower limit threshold of the determination range and smaller than the upper limit threshold, it may be determined to be within the determination range.

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Abstract

量子鍵配送における盗聴を防止することを目的とする。ＡＰＤ（１３）は、量子信号（Ｑ）の検出結果を示す出力電流（Ｉ１）を出力する。電流電圧変換部（１４）は、出力電流（Ｉ１）を出力電圧信号（Ｓ１２）に変換する。サンプリング部（１５）は、出力電圧信号（Ｓ１２）をアナログ－デジタル変換した出力電圧信号（Ｓ１３）を出力する。信号処理部（１６）は、出力電圧信号（Ｓ１３）に所定の信号処理を行って、量子信号（Ｑ）の検出結果を示す光子検出信号（ＯＵＴ）を出力する。量子信号（Ｑ）がＡＰＤ（１３）に入射するタイミングと、クロック信号（ＣＬＫ）に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差（Δｔ）が判定範囲に収まらない場合には、光子検出信号（ＯＵＴ）は信号処理部（１６）から出力されない。

Description

光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法
　本発明は、光子検出装置、受信装置、量子鍵配送システム及び量子信号の検出方法に関する。
　インターネットの普及が進むにつれて、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的なニーズが益々高まっている。こうした背景から、通信のセキュリティを確保するため、遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、原理的に盗聴が困難とされる、量子鍵配送技術の利用が注目されている（特許文献１～５）。
　量子鍵配送においては、一般に、送信装置から受信装置へ量子信号が送信され、受信装置に設けられた複数の光子検出器を用いて量子信号を検出する。この場合、光子検出器の検出効率にばらつき（偏り）が有ると、盗聴に利用されるおそれが有る。暗号技術においては、こうした情報の偏りを利用した盗聴が広く知られている。そのため、盗聴を好適に防止するには、光子検出器の検出効率が均一であることが望ましいことが知られている。
　量子鍵配送においては、量子鍵を用いた量子暗号通信に対し、サイドチャネル攻撃などの様々な盗聴の試みがなされている。その中で、量子信号を検出する光子検出器の脆弱性を利用して、盗聴者が直接量子信号を盗聴することなく、光子検出器への量子信号の到達時間を操作することで盗聴を行う、タイムシフト攻撃と称する盗聴手法（非特許文献１）が知られている。
特開２０１１－７５５７７号公報 特開２０１９－１２５９６１号公報 特表２０１９－５２２４３４号公報 特表２０１３－５３９３２７号公報 特開２０１０－１６６２８５号公報
Bing Qi, et. Al.,"TIME-SHIFT ATTACK IN PRACTICAL QUANTUM CRYPTOSYSTEMS", 2007, Quantum Information and Computation, vol. 7, pp. 073-082
　一般に、量子鍵配送においては、量子信号の検出するために複数の光子検出器が用いられる。量子信号を担う光子は理想的には１つが望ましいものの、実際には２個以上の光子である場合もある。しかし、いずれにしても量子信号の強度は微弱であるため、光子検出器には受信した微弱な信号を増幅して出力することができる、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche PhotoDiode）が用いられる。
　ＡＰＤは、ブレークダウン電圧を超える逆バイアスを印加した状態において光子が入射したときに生じる電子をきっかけとして電子雪崩現象が生じ、これにより信号を増幅することができる。そのため、量子鍵配送においては、量子信号の光子の入射タイミングと同期するように、ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を高くする（例えば、特許文献１）。図１０に、ＡＰＤへの電圧印加のタイミングと、光子検出効率の時間依存性を模式的に示す。ＡＰＤへの逆バイアス印加のタイミングと光子の入射タイミングとが一致したとき、ＡＰＤの光子の検出効率は最大となる。しかし、ＡＰＤへの逆バイアス印加のタイミングと光子の入射タイミングとの間には時間差が有る場合、時間差が大きくなるにつれてＡＰＤの検出効率が低下することが知られている。つまり、ＡＰＤの光子の検出効率には、光子の入射タイミング依存性が存在する。
　量子鍵配送では複数の光子検出器（ＡＰＤ）を用いるが、高い安全性を保証するためには、各光子検出器での光子の検出効率が等しいことが望ましい。しかし、光子検出器が有する光子の検出効率の入射タイミング依存性は個体差が存在する。図１１に、複数の光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の例を示す。図１１では、Ｘ基底の０及び１ビット、Ｚ基底の０及び１ビットを４つの光子検出器で検出する例を示した。図１１に示すように、同じタイミング（例えば、図１１のタイミングＴ）で光子が入射したとしても、複数の光子検出器の間では、光子の検出効率がばらついてしまう。　
　複数の光子検出器のそれぞれは、量子信号のいずれかの基底の各ビットに割り当てられるため、光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性にばらつきが有ると、例えば各基底の各ビットの検出効率が解析され、結果として盗聴を許す事態が生じ得る。そのため、光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の影響を防止ないしは抑制することが求められる。
　本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、量子鍵配送における盗聴を防止することを目的とする。
　本発明の一態様である光子検出装置は、量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。
　本発明の一態様である受信装置は、量子信号を検出する光子検出装置を備え、前記光子検出装置は、前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。
　本発明の一態様である量子鍵配送システムは、量子信号を送信する送信装置と、前記量子信号を検出する光子検出装置を備える受信装置と、を備え、前記光子検出装置は、前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されないものである。
　本発明の一態様である量子信号の検出方法は、量子信号の検出結果を示す電流信号を出力し、前記電流信号を電圧信号に変換し、前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力し、前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力し、前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は出力されないものである。
　本発明によれば、量子鍵配送における盗聴を防止することができる。
量子鍵配送システムの概要構成を示す図である。 実施の形態１にかかる受信装置の基本構成を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる受信装置の構成例を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる光子検出装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる同期信号受信装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作における信号の流れを示す図である。 実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作のフローチャートである。 実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作における信号の流れを示す図である。 実施の形態１にかかる光子検出装置での盗聴防止動作のフローチャートである。 ＡＰＤへの電圧印加のタイミングと、光子検出効率の時間依存性を模式的に示す図である。 複数の光子検出器の光子の検出効率の入射タイミング依存性の例を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
　実施の形態１
　実施の形態１にかかる量子鍵配送システム１０００について説明する。量子鍵配送システム１０００は、例えば、位相エンコード又は偏波エンコードのＢＢ８４プロトコルが適用されたものとして構成される。
　図１に、量子鍵配送システム１０００の概要構成を示す。量子鍵配送システム１０００は、送信装置１１０、受信装置１００、伝送路１２０及び１３０を有する。送信装置１１０は、伝送路１２０を介して、受信装置１００への暗号鍵の付与に用いる量子信号Ｑと、量子信号Ｑの検出タイミングの制御に用いられる同期信号Ｓと、を受信装置１００へ出力する。また、送信装置１１０及び受信装置１００は、公開通信路である伝送路１３０を介して、例えば基底情報、テストビット、誤り訂正の情報などを含む信号を送受信することができる。
　量子信号Ｑは、単一光子、又は、量子効果が発現する程度の数の光子からなる光パルスとして送信される光信号である。
　本実施の形態では、同期信号Ｓは、量子信号Ｑの伝送に用いられる伝送路１２０によって送信される光信号である。量子信号Ｑと同期信号Ｓは、例えば異なる波長の光信号であり、波長多重されて受信装置１００へ送信されてもよい。
　図２に、実施の形態１にかかる受信装置１００の基本構成を模式的に示す。受信装置１００は、光子検出装置１０、同期信号受信装置２０及びクロック信号生成部３０を有する。受信装置１００には、量子信号Ｑ及び同期信号Ｓが入力され、量子信号Ｑは光子検出装置１０により検出され、同期信号Ｓは同期信号受信装置２０により受信される。
　クロック信号生成部３０は、例えば位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）として構成され、クロック信号ＣＬＫを生成して、光子検出装置１０及び同期信号受信装置２０へ出力する。本構成では、クロック信号生成部３０は、同期信号受信装置２０から与えられる、同期信号Ｓの受信タイミングを通知する基準信号ＲＥＦに応じて、クロック信号ＣＬＫのタイミングを調整する。クロック信号ＣＬＫは、後述する逆バイアスパルスタイミング信号及び出力電圧信号よりも高い時間精度を有する高速クロック信号として生成される。
　次いで、受信装置１００について更に説明する。図３に、実施の形態１にかかる受信装置１００の構成例を模式的に示す。受信装置１００には、例えば、量子信号Ｑ及び同期信号Ｓを波長分離する波長分離部４０が設けられる。これにより、量子信号Ｑは光子検出装置１０により検出し、同期信号Ｓは同期信号受信装置２０により受信することが可能となる。波長分離部４０は、例えばＷＤＭカプラなどの任意の波長分離手段として構成することができる。
　次いで、光子検出装置１０について説明する。ここでは、光子検出装置１０の構成の理解を容易にするため、光子検出器であるアバランシェフォトダイオードが１つと、この１つのアバランシェフォトダイオードの出力電流を用いて、入射した光子を検出するための回路構成について説明する。なお、言うまでもないが、量子鍵配送において用いられる基底などに応じて、以下の図４に示す回路構成が光子検出装置に複数設けられる。また、送信される量子信号に適用されるエンコード方式（位相エンコードや偏波エンコードなど）に応じて、複数の光子検出器（アバランシェフォトダイオード）に光子を分配するための構成（簡略化のため不図示）が設けられることも、言うまでも無い。
　図４に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０の構成を模式的に示す。実施の形態１にかかる光子検出装置１０は、タイミング生成部１１、電源部１２、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１３、電流電圧変換部１４、サンプリング部１５及び信号処理部１６を有する。
　タイミング生成部１１は、クロック信号ＣＬＫに応じて逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１を生成し、電源部１２へ出力する。クロック信号ＣＬＫは、後述するように、同期信号受信装置２０から供給される。
  電源部１２は、逆バイアス電圧ＶＢ１を生成して、逆バイアスパルスタイミング信号Ｓ１１に応じてＡＰＤ１３に印加する。逆バイアス電圧ＶＢ１は、ＡＰＤ１３のブレークダウン電圧以下の直流成分と、ブレークダウン電圧以上の逆バイアスパルス成分とを含む。
  ＡＰＤ１３では、逆バイアスパルス成分がＡＰＤ１３に印加されているタイミングで受光面に光子、すなわち量子信号Ｑが入射すると、生成された光電子によるアバランシェ（電子雪崩）効果によって電子が増倍される。これにより、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力される。なお、光子が入射しない場合でもダークノイズが存在しており、出力電流Ｉ１は一定の値の電流として検出される。
  電流電圧変換部１４は、出力電流Ｉ１（電流信号とも称する）を電圧信号である出力電圧信号Ｓ１２に変換し、サンプリング部１５へ出力する。ここでは、電流電圧変換部１４として、トランスインピーダンスアンプ（以下ＴＩＡ）などを用いる。
  サンプリング部１５は、クロック信号ＣＬＫに応じて、出力電圧信号Ｓ１２をサンプリングし、離散的な値を有する、すなわちデジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３を信号処理部１６へ出力する。サンプリング部１５は、２値のデジタル信号を出力してもよいし、アナログ－デジタル（ＡＤ）変換により生成した多値のデジタル信号を出力してもよい。ここでは、サンプリング部１５として、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）を用いる。
  信号処理部１６は、クロック信号ＣＬＫに応じて、デジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３に所定の信号処理を行い、光子の受信結果を示す光子検出信号ＯＵＴを出力する。
　次に、同期信号受信装置２０について説明する。図５に、実施の形態１にかかる同期信号受信装置２０の構成を模式的に示す。同期信号受信装置２０は、電源部２１、フォトダイオード２２、電流電圧変換部２３及び基準信号生成部２４を有する。
  電源部２１は、逆バイアス電圧ＶＢ２を生成して、フォトダイオード２２に印加する。逆バイアス電圧ＶＢ２は、例えば、数ボルト程度の直流電圧として出力される。
  フォトダイオード２２は、逆バイアス電圧ＶＢ２が印加されている状態で受光面に同期信号Ｓ（この例では後述する同期信号Ｓｄ）が入射すると、入射光の強度に応じた出力電流Ｉ２を出力する。一般に、同期信号Ｓは量子信号Ｑと比べて光強度が強いため、同期信号Ｓを受信するフォトダイオード２２の種類は特に限られず、ＡＰＤを含む各種のフォトダイオードを用いることができる。
  電流電圧変換部２３は、出力電流Ｉ２を電圧信号である出力電圧信号Ｓ２１に変換し、基準信号生成部２４へ出力する。ここでは、電流電圧変換部２３として、トランスインピーダンスアンプ（以下ＴＩＡ）などを用いる。
  基準信号生成部２４は、出力電圧信号Ｓ２１に応じて、デジタル信号である基準信号ＲＥＦをクロック信号生成部３０へ出力する。基準信号生成部２４は、２値のデジタル信号を出力してもよいし、アナログ－デジタル（Ａ／Ｄ）変換により生成した多値のデジタル信号を出力してもよい。基準信号生成部２４は、例えば、クロック・データ・リカバリ（Clock Data Recovery：CDR）回路として構成されてもよい。
　次いで、盗聴を防止するための光子検出装置１０の動作について説明する。図６に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作における信号の流れを示す。図７は、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作のフローチャートである。
　上記したように、クロック信号ＣＬＫは、受信した同期信号Ｓに応じて生成されるため、正確なタイミング信号であると考え得る。これに対し、例えば盗聴者がタイムシフト攻撃を用いた盗聴を試みると、盗聴者が送信した偽の量子信号ＱＦが受信装置１００に入射することがある。
　偽の量子信号ＱＦは、正しい量子信号Ｑよりも入射タイミングが早くなったり遅くなったりするので、量子信号の入射タイミングを検出することで、量子信号の真偽を判別することが可能である。そこで、本構成では、クロック信号ＣＬＫと量子信号の入射タイミング、すなわちＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングとの時間差Δｔ（第１の時間差とも称する）を検出し、時間差Δｔが所定範囲の外である場合には、受信した量子信号にかかる情報を破棄する。これにより、盗聴を防止することができる。以下、具体的に説明する。
　図６に示すように、本構成では、サンプリング部１５が、クロック信号ＣＬＫに応じて、アナログ信号である出力電圧信号Ｓ１２をサンプリングし、デジタル信号である出力電圧信号Ｓ１３に変換している。ここで、ＡＰＤ１３に量子信号Ｑが入射する時刻（出力電流Ｉ１が出力される時刻）をｔ、時刻ｔから出力電圧信号Ｓ１２がサンプリング部１５に到達するまでの時間をΔｔｄ１、クロック信号ＣＬＫに基づいた基準タイミングをＴｒｅｆと定義する。この場合、サンプリング部１５が、出力電圧信号Ｓ１２がサンプリング部１５に到達する時刻ｔ＋Δｔｄ１と、基準タイミングＴｒｅｆと、の間の時間差Δｔをモニタして、時間差Δｔが所定範囲（第１の判定範囲とも称する）の外であるかを判定すればよい。サンプリング部１５は、時間差Δｔをモニタすることで、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングを間接的にモニタしていることが理解できる。
　サンプリング部１５は、例えば、時間差Δｔをモニタし、時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１（下限閾値とも称する）以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２（上限閾値とも称する）以下であるかを判定する（図７のステップＳＴ１）。
　時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である場合、すなわち時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１及び第２の閾値ＴＨ２で規定される判定範囲に収まっている場合、サンプリング部１５は、受信した量子信号Ｑは真の量子信号であるものとして、Ａ／Ｄ変換結果である出力電圧信号Ｓ１３を出力する（図７のステップＳＴ２）。
　時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１よりも小さい、又は、第２の閾値ＴＨ２よりも大きい場合には、すなわち時間差Δｔが判定範囲外である場合、サンプリング部１５は、受信した量子信号Ｑは偽の量子信号であるものとして、上述したＡ／Ｄ変換結果である出力電圧信号Ｓ１３を出力せずに信号を破棄する（図７のステップＳＴ３）。
　以上、本構成によれば、サンプリング部１５での時間差判定によって、クロック信号ＣＬＫからタイミングが所定値だけずれた量子信号の情報を破棄することができる。これにより、上述したとおり、盗聴を好適に防止することができる。
　特に、本構成によれば、光子検出器からの出力電流のタイミング、換言すれば光子検出器へ一定以上時間的にずれて入射する光子の情報を破棄することができるので光子検出器への光子入射タイミング依存性を利用するタイムシフト攻撃による盗聴を好適に防止することができる。
　また、上述の時間差判定は、サンプリング部１５の代わりに、信号処理部１６で行ってもよい。以下、信号処理部１６で時間差判定を行う場合の光子検出装置１０の盗聴防止動作について説明する。図８に、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作における信号の流れを示す。図９は、実施の形態１にかかる光子検出装置１０での盗聴防止動作のフローチャートである。
　図８に示すように、本構成では、信号処理部１６が、クロック信号ＣＬＫに応じて、出力電圧信号Ｓ１３に所定の信号処理を行う。ここで、ＡＰＤ１３に量子信号Ｑが入射する時刻ｔから出力電圧信号Ｓ１３が信号処理部１６に到達するまでの時間をΔｔｄ２と定義する。この場合、信号処理部１６が、出力電圧信号Ｓ１３が信号処理部１６に到達する時刻ｔ＋Δｔｄ２と、基準タイミングＴｒｅｆと、の間の時間差Δｔをモニタして、サンプリング部１５の場合と同様に、時間差判定を行えばよい。この場合でも、上述と同様に、サンプリング部１５は、時間差Δｔをモニタすることで、ＡＰＤ１３から出力電流Ｉ１が出力されるタイミングを間接的にモニタしていることが理解できる。
　信号処理部１６は、例えば、時間差Δｔ（第２の時間差とも称する）をモニタし、時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１以上であり、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下であるかを判定する（図９のステップＳＴ４）。
　時間差Δｔが第１の閾値ＴＨ１及び第２の閾値ＴＨ２で規定される判定範囲（第２の判定範囲とも称する）に収まっている場合には、信号処理部１６は、受信した量子信号Ｑは真の量子信号であるものとして、信号処理部１６は、上述した信号処理を行う（図９のステップＳＴ５）。
　時間差Δｔが判定範囲外である場合には、受信した量子信号Ｑは偽の量子信号であるものとして、信号処理部１６は、上述した信号処理を行わず、出力電圧信号Ｓ１３を破棄する（図９のステップＳＴ６）。
　以上、本構成によれば、信号処理部１６での時間差判定によって、クロック信号ＣＬＫからタイミングが所定値だけずれた量子信号の情報を破棄することができる。これにより、サンプリング部１５における場合と同様に、盗聴を好適に防止することができる。
　その他の実施の形態
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、単一光子検出器としてアバランシェフォトダイオードを用いるものとして説明したが、光子検出効率が光子の入射タイミングに依存する単一光子検出器であるかぎり、他の構成の単一光子検出器を適用してもよい。
　上述の実施の形態では、時間差が判定範囲の下限の閾値以上かつ上限の閾値以下である場合に判定範囲に収まるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、時間差が判定範囲の下限の閾値よりも大きく、かつ、上限の閾値よりも小さい場合に判定範囲に収まるものとして判定してもよい。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０２１年１月２９日に出願された日本出願特願２０２１－１３９８６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１０　光子検出装置
　１１、２１　タイミング生成部
　１２、２１　電源部
　１３　アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
　１４、２３　電流電圧変換部
　１５　サンプリング部
　１６　信号処理部
　２０　同期信号受信装置
　２２　フォトダイオード
　２４　基準電圧生成部
　３０　クロック生成部
　４０　波長分離部
　１００　受信装置
　１１０　送信装置
　１２０、１３０　伝送路
　１０００　量子鍵配送システム
　ＣＬＫ　クロック信号
　Ｉ１、Ｉ２　出力電流
　ＯＵＴ　光子検出信号
　Ｑ　量子信号
　ＲＥＦ　基準信号
　Ｓ　同期信号
　Ｓ１１　逆バイアスパルスタイミング信号
　Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ２１　出力電圧信号
　ＶＢ１、ＶＢ２　逆バイアス電圧

Claims (8)

  1. 　量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
    　前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
    　前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
    　前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
    　前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
    　光子検出装置。
  2. 　前記アナログ－デジタル変換器は、
    　前記電流信号が入力するタイミングと、前記基準タイミングと、の間の第１の時間差が第１の判定範囲に収まる場合には、前記出力信号を前記信号処理部に出力し、
    　前記第１の時間差が前記第１の判定範囲に収まらない場合には、前記出力信号を破棄する、
    　請求項１に記載の光子検出装置。
  3. 　前記信号処理部は、
    　前記出力信号が入力するタイミングと、前記基準タイミングと、の間の第２の時間差が第２の判定範囲に収まる場合には、前記検出信号を出力し、
    　前記第２の時間差が前記第２の判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号を破棄する、
    　請求項１に記載の光子検出装置。
  4. 　前記時間差が前記判定範囲の下限閾値以上かつ前記判定範囲の上限閾値以下の場合、前記時間差が前記判定範囲に収まるものと判定され、
    　前記時間差が前記判定範囲の前記下限閾値よりも小さい場合、又は、前記判定範囲の前記上限閾値よりも大きい場合、前記時間差が前記判定範囲に収まらないものと判定される、
    　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光子検出装置。
  5. 　前記時間差が前記判定範囲の下限閾値よりも大きく、かつ、前記判定範囲の上限閾値よりも小さい場合、前記時間差が前記判定範囲に収まるものと判定され、
    　前記時間差が前記判定範囲の前記下限閾値以下の場合、又は、前記判定範囲の前記上限閾値以上の場合、前記時間差が前記判定範囲に収まらないものと判定される、
    　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光子検出装置。
  6. 　量子信号を検出する光子検出装置を備え、
    　前記光子検出装置は、
    　　前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
    　　前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
    　　前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
    　　前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
    　　前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
    　受信装置。
  7. 　量子信号を送信する送信装置と、
    　前記量子信号を検出する光子検出装置を備える受信装置と、を備え、
    　前記光子検出装置は、
    　　前記量子信号の検出結果を示す電流信号を出力する光子検出器と、
    　　前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
    　　前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力するアナログ－デジタル変換器と、
    　　前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力する信号処理部と、を備え、
    　　前記光子検出器から前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は前記信号処理部から出力されない、
    　量子鍵配送システム。
  8. 　量子信号の検出結果を示す電流信号を出力し、
    　前記電流信号を電圧信号に変換し、
    　前記電圧信号をアナログ－デジタル変換した出力信号を出力し、
    　前記出力信号に所定の信号処理を行って、前記量子信号の検出結果を示す検出信号を出力し、
    　前記電流信号が出力されるタイミングと、クロック信号に基づいて決定される基準タイミングと、の間の時間差が判定範囲に収まらない場合には、前記検出信号は出力されない、
    　量子信号の検出方法。
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