WO2023032082A1 - 量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法並びに量子鍵配送プログラム - Google Patents

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WO2023032082A1
WO2023032082A1 PCT/JP2021/032144 JP2021032144W WO2023032082A1 WO 2023032082 A1 WO2023032082 A1 WO 2023032082A1 JP 2021032144 W JP2021032144 W JP 2021032144W WO 2023032082 A1 WO2023032082 A1 WO 2023032082A1
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WO
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unit
synchronization signal
photons
subframe
quantum key
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Application number
PCT/JP2021/032144
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English (en)
French (fr)
Inventor
篤 谷口
宏和 高橋
秀樹 西沢
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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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
    • 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
    • H04L9/12—Transmitting and receiving encryption devices synchronised or initially set up in a particular manner

Definitions

  • the present invention relates to a quantum key distribution system, a quantum key distribution method, and a quantum key distribution program.
  • QKD Quantum Key Distribution
  • the transmitter modulates single photons or weak coherent light at the single photon level with a random data pattern and transmits it to the receiver via the transmission line.
  • the receiving unit removes bits that may have been intercepted from the bits of the received random data pattern and generates a key from the remaining bits, thereby providing a secure key that cannot be intercepted between the transmitting unit and the receiving unit. can be shared. Since the key rate is proportional to the clock frequency, the key rate can be increased by increasing the clock frequency (see Non-Patent Document 1).
  • a method using a frame synchronization signal is known as a method for identifying the head of a random data pattern. Since most of the bits transmitted from the transmitter reach the receiver in the case of existing communication methods, the synchronization signal can be extracted from the transmitted signal. In contrast, in quantum key distribution, most of the photons are annihilated during fiber propagation due to loss in the fiber, so the frame synchronization signal cannot be extracted. For this reason, the frame synchronization signal is transmitted at a wavelength (another wavelength) different from that of the modulated signal described above (see Non-Patent Document 2).
  • TC-SPC time-correlated single-photon counting method
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to reliably detect the data pattern and generate a quantum key even if the data pattern length is long.
  • the purpose of the present invention is to provide a quantum key distribution system, a quantum key distribution method, and a quantum key distribution program capable of generating a unique quantum key.
  • a quantum key distribution system is a quantum key distribution system that distributes a quantum key between a transmitting device and a receiving device, wherein the transmitting device transforms photons output from a light source into predetermined data.
  • a modulation unit that modulates with a pattern
  • a synchronization signal generation unit that generates a frame synchronization signal indicating the position of a frame of the random number pattern
  • a subframe identification signal that divides the frame into a plurality of subframes and generates a subframe identification signal that indicates the subframe.
  • an identification signal generation unit and a transmission unit that transmits the photons modulated by the modulation unit, the frame synchronization signal, and the subframe identification signal, wherein the reception device receives the photons transmitted from the transmission unit, a receiver that receives the frame synchronization signal and the subframe identification signal; a decoder that decodes a data pattern from the photons received by the receiver; and a photon from the subframe identification signal in each subframe.
  • a time measuring unit for measuring elapsed time until detection, and a detection time calculating unit for calculating photon detection time from the frame synchronization signal to photon detection in one frame based on the elapsed time.
  • a quantum key distribution method is a quantum key distribution method for distributing a quantum key between a transmitting device and a receiving device, wherein the transmitting device converts photons output from a light source into predetermined data. modulating with a pattern; generating a frame synchronization signal indicating the position of a frame of the random data pattern; dividing the frame into a plurality of subframes and generating a subframe identification signal indicating the subframes; transmitting the modulated photons, the frame synchronization signal and the subframe identification signal; and receiving the photons, the frame synchronization signal and the subframe identification signal transmitted from the transmission device at the receiving device. decoding a data pattern from the received photons; measuring the elapsed time from the subframe identification signal to detecting the photon in each subframe; and calculating a photon detection time from the synchronization signal to photon detection in one frame.
  • One aspect of the present invention is a quantum key distribution program for causing a computer to function as the quantum key distribution system.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a timing chart showing each data delivered from the transmitter to the receiver according to the first embodiment, (a) is a frame synchronization signal, (b) is a subframe identification signal, and (c) is a photon signal. It shows the timing of occurrence.
  • FIG. 3 is a timing chart showing data delivered from the transmitter to the receiver when subframes are not used, where (a) shows the frame synchronization signal and (b) shows the timing of photon generation.
  • FIG. 4 is a flow chart showing the processing procedure of the quantum key distribution system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the hardware configuration of this embodiment.
  • QKD quantum key distribution
  • Quantum key distribution requires minimizing errors in error rate estimation and reducing the number of sample bits 't' to 'n>>t'. In order to secure a certain number of sample bits and generate a secure key, it is necessary to set the bit string to 10 6 or more. Therefore, it is required to lengthen the data pattern length.
  • one frame is divided into a plurality of subframes, and the elapsed time from the subframe identification signal indicating the start of the subframe to photon detection is measured within the period of each subframe. Furthermore, by combining the elapsed times in each subframe, the data pattern length can be increased, improving the accuracy of the error estimation.
  • embodiments will be described in detail.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system according to the first embodiment.
  • a quantum key distribution system 100 according to the first embodiment includes a transmitter 1 and a receiver 2 .
  • solid lines connecting blocks indicate optical signals
  • broken lines indicate electrical signals.
  • the transmission device 1 includes a light source section 11, a synchronization signal generation section 12, an identification signal generation section 13, a modulation section 14, and a first electrical/optical conversion section 15 (hereinafter abbreviated as “conversion section 15"). , a second electrical/optical converter 16 (hereinafter abbreviated as “converter 16 ”), and a transmitter 17 .
  • the light source unit 11 generates photons and outputs the generated photons to the modulation unit 14 .
  • a photon string which is a string of a certain number of photons, may be used instead of the photons.
  • photons and “photon arrays” are collectively referred to as "photons”.
  • weak coherent light may be used.
  • the synchronizing signal generator 12 generates a frame synchronizing signal indicating the position of the frame for each predetermined frame.
  • a “frame” is a fixed-length random number data pattern transmitted by the transmitting device 1 .
  • the frame synchronization signal is a signal indicating the repeat position of the data pattern, and may be a signal of 1 bit only at the head of the data pattern and 0 bits for the rest, or may be 1 bit for the middle bits and 0 bits for the rest.
  • the synchronization signal generator 12 outputs the frame synchronization signal to the identification signal generator 13 , the modulator 14 and the converter 15 .
  • FIG. 2 is a timing chart showing each data delivered from the transmitting device 1 to the receiving device 2.
  • FIG. FIG. 2(a) shows a frame synchronization signal.
  • Synchronization signal generator 12 outputs a frame synchronization signal for each frame. Specifically, the frame synchronization signal d1 is output at time t0, and the frame synchronization signal d2 is output at time t14. That is, one frame is from time t0 to t14 shown in FIG. 2(a).
  • the identification signal generator 13 divides a frame into a plurality of subframes and generates subframe identification signals indicating subframes.
  • a subframe identification number is a signal that identifies a subframe, and may be one bit at the beginning of the subframe, or may contain information for identifying the subframe in several bits at the beginning of the subframe. . Information may be included at the end of the subframe instead of at the beginning.
  • the identification signal generator 13 divides one frame into a plurality of subframes and generates a subframe identification signal for identifying each subframe.
  • FIG. 2(b) shows the subframe identification signal.
  • FIG. 2B shows an example in which one frame is divided into two subframes F1 and F2.
  • the identification signal generator 13 outputs subframe identification signals d11 and d12 indicating the start of the subframe at the beginning of each subframe F1 and F2.
  • the hatched pulse indicates 1 bit
  • the outlined pulse indicates 0 bit.
  • FIG. 2(c) shows photons received by the receiving device 2.
  • the photon p1 is included in the measurement time of the subframe F1
  • the photon p2 is included in the measurement time of the subframe F2.
  • FIG. 3 is a timing chart showing each data delivered from the transmitting device 1 to the receiving device 2 when one frame is not divided into subframes.
  • 3(a) shows a frame synchronization signal
  • FIG. 3(b) shows photons received by the receiver 2.
  • FIG. 3B photons p1 and p2 are received within the period T2 of one frame.
  • Photon p1 is included within measurement time T1 with reference to frame synchronization signal d1. Therefore, the time from the generation time t0 of the frame synchronization signal d1 to the detection time t1 of the photon p1 can be measured.
  • the photon p2 is not included in the measurement time T1, the time until the photon p2 is generated cannot be measured.
  • the subframe identification signal is generated by the identification signal generator 13, and the measurement time is set based on the subframe identification signal. It can be included in the measurement time based on the frame identification signals d11 and d12.
  • the modulation unit 14 shown in FIG. 1 modulates the photons output from the light source unit 11 with a predetermined data pattern. That is, the modulator 14 synchronizes with the frame synchronization signal generated by the synchronization signal generator 12 and modulates the photons with a predetermined data pattern. The modulating unit 14 outputs the modulated photons to the transmitting unit 17 .
  • the conversion unit 15 converts the frame synchronization signal generated by the synchronization signal generation unit 12 into an optical signal, and outputs the optical signal to the transmission unit 17 .
  • the converter 16 converts the subframe identification signal generated by the identification signal generator 13 into an optical signal, and outputs the optical signal to the transmitter 17 .
  • the conversion unit 15 may set the frame synchronization signal to the same wavelength as the photons modulated by the modulation unit 14, or to a different wavelength. Similarly, the conversion unit 16 may use the same wavelength as the wavelength for transmitting the photons modulated by the modulation unit 14 or the same wavelength as the modulator 15 for the subframe identification signal. may be converted into optical signals of different wavelengths.
  • the signals may be transmitted on separate fibers, or the signals may be transmitted on different cores of a multi-core fiber. It may be transmitted by multiplexing into orthogonal polarized waves. Alternatively, the same signal may be superimposed and transmitted as in a second embodiment and a third embodiment, which will be described later.
  • the same signal may be superimposed and transmitted as in a second embodiment and a third embodiment, which will be described later.
  • they may be wavelength-multiplexed and transmitted. In that case, it is possible to apply dispersion compensation because the dispersion differs depending on the wavelength.
  • the transmitter 17 transmits the photons modulated by the modulator 14, the frame synchronization signal, and the subframe identification signal to the receiver 2.
  • the transmitter 17 transmits the frame synchronization signal and the subframe identification signal to the receiver 2 as optical signals having a wavelength different from that of photons.
  • the receiving device 2 includes a receiving unit 30, a decoding unit 21, a photon/electric conversion unit 22 (hereinafter abbreviated as “conversion unit 22”), and a first optical/electric conversion unit 23 (hereinafter, “conversion unit 23 ), a second optical/electrical conversion unit 24 (hereinafter abbreviated as “conversion unit 24”), a pulse determination unit 25, a time measurement unit 26, a detection time calculation unit 27, and a storage device switch A unit 28 and a storage device 29 are provided.
  • the receiving unit 30 receives photons, frame synchronization signals, and subframe identification signals transmitted from the transmitting unit 17 .
  • the decoding unit 21 decodes the data pattern from the photons transmitted from the transmission unit 17. That is, the decoding unit 21 acquires the photons modulated by the modulation unit 14 and transmitted from the transmission unit 17, and decodes the data contained in the photons. Spatial, polarization, phase, time, etc. can be applied to the data modulation/decoding method.
  • the conversion unit 22 converts the photons decoded by the decoding unit 21 into electrical signals.
  • the converting section 22 outputs the converted electric signal to the pulse determining section 25 .
  • the conversion unit 23 converts the frame synchronization signal transmitted from the transmission unit 17 into an electrical signal.
  • the conversion unit 23 outputs the electric signal after conversion to the pulse determination unit 25 and the storage device switching unit 28 .
  • the conversion unit 24 converts the subframe identification signal transmitted from the transmission unit 17 into an electrical signal.
  • the conversion unit 23 outputs the converted electric signal to the storage device switching unit 28 .
  • the pulse determination unit 25 detects the rise time of the pulse of the frame synchronization signal. Specifically, the generation times of the frame synchronization signals d1 and d2 shown in FIG. 2(a) are detected. The pulse determination section 25 outputs the generation time of the frame synchronization signal to the time measurement section 26 .
  • the time measurement unit 26 measures the elapsed time from the subframe identification signal until the photon is detected in each subframe.
  • the time measurement unit 26 measures the elapsed time from the detection of the frame synchronization signal transmitted from the transmission unit 17 to the detection of the photon based on the ramp signal.
  • the time measurement unit 26 when the pulse determination unit 25 detects the frame synchronization signal, the time measurement unit 26 generates a ramp signal from this detection time. The time measurement unit 26 stops increasing the ramp signal when a photon is detected. The time measurement unit 26 measures the voltage value of the lamp signal when it stops, and calculates the elapsed time from the subframe identification signal until the photon is detected based on this voltage value. Specifically, as shown in FIG. 2C, for the subframe F1, the elapsed time T11 from the detection of the subframe identification signal d11 to the detection of the photon p1 within the detection period is calculated. For the subframe F2, an elapsed time T12 from the detection of the subframe identification signal d12 to the detection of the photon p2 within the detection period is calculated.
  • the quantum key distribution system 100 may include a storage device 29.
  • Storage device 29 stores the elapsed time measured by time measuring unit 26 .
  • the storage device 29 includes a first storage section 291 and a second storage section 292 .
  • the first storage unit 291 and the second storage unit 292 store the time from detection of the subframe identification signal to detection of photons within a certain detection period.
  • the elapsed times T11 and T12 shown in FIG. 2(c) are stored in the first and second storage units 291 and 292, respectively.
  • the storage device switching unit 28 switches between the first storage unit 291 and the second storage unit 292 provided in the storage device 29 based on the subframe identification signal transmitted from the transmission unit 17, and selects the storage destination storage. select the part.
  • the storage device switching unit 28 selects the first storage unit 291 when receiving the subframe identification signal of the subframe F1. Therefore, the elapsed time measured in subframe F ⁇ b>1 by the time measurement unit 26 is stored in the first storage unit 291 .
  • the storage device switching unit 28 selects the second storage unit 292 when receiving the subframe identification signal of the subframe F2. Therefore, the elapsed time measured in subframe F ⁇ b>2 by the time measurement unit 26 is stored in the second storage unit 292 .
  • the detection time calculator 27 calculates the photon detection time from the frame synchronization signal to photon detection in one frame based on the elapsed time.
  • the detection time calculator 27 reads the elapsed time stored in the storage device 29 and calculates the photon detection time. That is, the detection time calculator 27 combines the elapsed times until the photon detection detected within the measurement period in each of the subframes F1 and F2, thereby calculating the time from the generation of the frame synchronization signal to the detection of the photon data. Calculate the time (photon detection time).
  • the detection time calculator 27 outputs the data of the calculated photon detection time to an arithmetic device (not shown) provided in the subsequent stage.
  • the computing device generates a raw key based on the photon detection time data and preset basic information. The generated raw key is shared between the transmitting device 1 and the receiving device 2 and used for quantum cryptography communication.
  • step S11 the modulation unit 14 of the transmission device 1 modulates photons output from the light source unit 11 with a predetermined data pattern.
  • the transmitter 17 transmits the modulated photons to the receiver 2 .
  • the synchronization signal generator 12 generates a frame synchronization signal. Specifically, as shown in FIG. 2(a), the period from t0 to t14 is set to one frame, and frame synchronization signals d1 and d2 indicating the start of each frame are generated.
  • the converter 15 converts the frame synchronization signal into an optical signal.
  • the transmitter 17 transmits this optical signal to the receiver 2 .
  • step S13 the identification signal generator 13 generates a subframe identification signal synchronized with the frame synchronization signal. Specifically, as shown in FIG. 2B, one frame is divided into a plurality of (two in this example) subframes F1 and F2, and a subframe identification signal indicating the start of each subframe F1 and F2 is used. Generate d11 and d12.
  • the conversion unit 16 converts the subframe identification signal into an optical signal.
  • the transmitter 17 transmits the optical signal output from the converter 16 to the receiver 2 . Steps S11, S12, and S13 described above may be processed in parallel.
  • step S14 the pulse determination unit 25 of the receiving device 2 measures the rising pulse of the frame synchronization signal.
  • step S15 the pulse determination unit 25 determines whether or not a frame synchronization signal has been detected. If detected (S15; YES), the process proceeds to step S16, otherwise (S15; NO ), and the process returns to step S14.
  • step S16 the storage device switching unit 28 detects the subframe identification signal. Specifically, the storage device switching unit 28 determines whether or not the subframe identification signals d11 and d12 shown in FIG. 2(b) have been detected.
  • step S17 the storage device switching unit 28 selects one of the first and second storage units 291 and 292 provided in the storage device 29 when the subframe identification signal is detected. Specifically, the storage device switching unit 28 selects the first storage unit 291 when the subframe identification signal d11 indicating the start of the subframe F1 is detected as shown in FIG. 2(b). . The storage device switching unit 28 selects the second storage unit 292 when the subframe identification signal d12 indicating the start of the subframe F2 is detected.
  • step S18 the decoding unit 21 determines whether or not a photon has been detected. If photons are detected (S18; YES), the process proceeds to step S19.
  • step S19 the time measurement unit 26 measures the elapsed time from the time when the subframe identification signal is detected to the time when the photon is detected. For example, the time measurement unit 26 measures the elapsed time T11 from the rising time t0 of the subframe identification signal d11 shown in FIG. 2(b) to the time t11 when the photon p1 shown in FIG. 2(c) is detected.
  • the time measuring unit 26 generates a ramp signal when the subframe identification signal d11 is detected, and measures the voltage value of the ramp signal when the photon is detected.
  • the time measurement unit 26 calculates the elapsed time from the detection of the subframe identification signal to the detection of the photon based on the measured voltage value.
  • the time measurement unit 26 stores the calculated elapsed time in the storage unit selected by the storage device switching unit 28 . Specifically, the storage device switching unit 28 selects the first storage unit 291 when the subframe identification signal d11 shown in FIG. 2(b) is detected. The time measurement unit 26 stores the elapsed time T11 (t0 to t11) until the photon is detected in the subframe F1 in the first storage unit 291.
  • FIG. 1 The time measurement unit 26 stores the calculated elapsed time in the storage unit selected by the storage device switching unit 28 . Specifically, the storage device switching unit 28 selects the first storage unit 291 when the subframe identification signal d11 shown in FIG. 2(b) is detected. The time measurement unit 26 stores the elapsed time T11 (t0 to t11) until the photon is detected in the subframe F1 in the first storage unit 291.
  • the storage device switching unit 28 selects the second storage unit 292 when the subframe identification signal d12 is detected.
  • the time measurement unit 26 stores in the second storage unit 292 the elapsed time T12 (t12 to t13) until the photon is detected within the subframe F2.
  • step S20 the detection time calculation unit 27 combines the elapsed time T11 stored in the first storage unit 291 and the elapsed time T12 stored in the second storage unit 292, A photon detection time until photons p1 and p2 are detected is calculated.
  • step S21 an arithmetic device (not shown) provided after the detection time calculation unit 27 generates a raw key based on the time calculated by the detection time calculation unit 27 and preset base information. be.
  • the generated raw key undergoes key distillation processing (eg, shift processing, error correction, and confidential amplification processing) to become a secure key.
  • key distillation processing eg, shift processing, error correction, and confidential amplification processing
  • a secure key can be generated between the transmitting device 1 and the receiving device 2 in this way.
  • the time to the photon can be detected with high accuracy by using the subframe identification signal.
  • the number of subframes is not limited to two.
  • the number of subframes may be determined by the transmitting device 1 and notified to the receiving device 2 side before communication.
  • the receiving device 2 may automatically determine the number of subframes based on the interval between subframe identification signals and the photon reception interval and accuracy obtained by histogram measurement of photon measurement.
  • the storage device switching unit 28 may switch the storage device physically, switch the address space on software, or simply change the header information. For example, a memory space may be created for each subframe identification signal and the time may be recorded therein, or the subframe identification signal and the photon detection time may be stored together.
  • the quantum key distribution system 100 is a quantum key distribution system that distributes quantum keys between the transmission device 1 and the reception device 2, and the transmission device 1 outputs from the light source unit 11 a modulation unit 14 for modulating the received photons with a predetermined data pattern; a synchronization signal generation unit 12 for generating a frame synchronization signal indicating the frame position of the random number data pattern; and a transmission unit 17 for transmitting the photons modulated by the modulation unit 14, the frame synchronization signal, and the subframe identification signal.
  • the receiver 2 also includes a receiver 30 that receives the photons, the frame synchronization signal, and the subframe identification signal transmitted from the transmitter 17, and a decoder 21 that decodes the data pattern from the photons received by the receiver 30. , a time measuring unit 26 for measuring the elapsed time from the subframe identification signal to the detection of photons in each subframe, and the photon detection time from the frame synchronization signal to the photon detection in one frame based on the elapsed time. and a detection time calculation unit 27 that calculates the
  • photons can be detected with high accuracy by dividing one frame into a plurality of subframes.
  • each subframe identification signal may be a sequential number. In that case, communication may be interrupted and the frame synchronization signal may not be detected. Therefore, it is possible to include information that can identify the frame synchronization information in the subframe identification signal.
  • a storage device 29 is provided for storing the elapsed time measured by the time measurement unit 26, and the detection time calculation unit 27 reads the elapsed time stored in the storage device 29 and performs photon detection. Calculate time. Therefore, the photon detection time can be calculated with high accuracy using the elapsed time detected in each subframe.
  • the transmission unit 17 transmits the frame synchronization signal and the subframe identification signal as optical signals. Therefore, it is possible to avoid problems such as the frame synchronization signal and the subframe identification signal interfering with the transmission of photons.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system 100a according to the second embodiment.
  • the quantum key distribution system 100a shown in FIG. 1 The difference is that the receiving device 2a includes one optical/electrical conversion unit 23a (hereinafter abbreviated as "conversion unit 23a").
  • conversion unit 23a optical/electrical conversion unit
  • the leading few bits of the frame synchronization signal generated by the synchronization signal generator 12 are transmitted as the subframe identification signal.
  • the conversion unit 15a of the transmission device 1a converts the subframe identification signal including the first few bits of the frame synchronization signal into an optical signal. That is, the transmitting unit 17 transmits a subframe identification signal including a predetermined number of bits at the beginning of the frame synchronization signal.
  • the conversion unit 23 a of the receiving device 2 a splits the subframe identification signal transmitted from the transmitting device 1 a into two systems, and outputs one branch to the pulse determination unit 25 .
  • the other branch is output to the storage device switching unit 28 .
  • the pulse determination section 25 may have a function of extracting only the leading pulse of the subframe identification signal.
  • the first few bits of the frame synchronization signal can be included in the subframe identification signal and transmitted from the transmitting device 1a to the receiving device 2a. It is possible to simplify the configuration.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system 100b according to the third embodiment.
  • a quantum key distribution system 100b shown in FIG. 6 differs from the quantum key distribution system 100 shown in FIG. is provided with a separating portion 31.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a quantum key distribution system 100b according to the third embodiment.
  • a quantum key distribution system 100b shown in FIG. 6 differs from the quantum key distribution system 100 shown in FIG. is provided with a separating portion 31.
  • the superimposition unit 18 superimposes the subframe identification signal generated by the identification signal generation unit 13 on the frame synchronization signal.
  • the superimposing unit 18 modulates, for example, the frame synchronization signal with a low frequency and superimposes it on the subframe identification signal.
  • the superimposing unit 18 superimposes, for example, a frame synchronization signal on the subframe identification signal using phase modulation and polarization information.
  • the electric/optical converter 15b (hereinafter abbreviated as "converter 15b") converts the superimposed signal into an optical signal.
  • the second modulating section 19 modulates the optical signal output from the converting section 15 b and outputs the modulated signal to the transmitting section 17 .
  • the modulated optical signal is transmitted from the transmitter 17 to the receiver 2b.
  • the demultiplexer 31 demultiplexes the optical signal transmitted from the transmitter 1b into a frame synchronization signal and a subframe identification signal. Separating section 31 outputs the frame synchronization signal to converting section 23 and outputs the subframe identification signal to converting section 24 . Subsequent processing is the same as that of the first embodiment described above, and detailed description thereof will be omitted.
  • the transmission unit 17 superimposes the subframe identification signal on the frame synchronization signal and transmits it. Therefore, it is possible to reduce the amount of data transmitted from the transmitting device 1 to the receiving device 2 and reduce the interference of transmission signals.
  • the quantum key distribution system 100 of the embodiment described above includes, for example, a CPU (Central Processing Unit, processor) 901, a memory 902, and a storage 903 (HDD: Hard Disk Drive, SSD: Solid State Drive ), a communication device 904, an input device 905, and an output device 906, a general-purpose computer system can be used.
  • Memory 902 and storage 903 are storage devices.
  • each function of the quantum key distribution system 100 is realized by the CPU 901 executing a predetermined program loaded on the memory 902 .
  • quantum key distribution system 100 may be implemented by one computer, or may be implemented by multiple computers. Also, the quantum key distribution system 100 may be a virtual machine implemented on a computer.
  • the program for the quantum key distribution system 100 can be stored in computer-readable recording media such as HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), It can also be delivered over a network.
  • computer-readable recording media such as HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), It can also be delivered over a network.

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Abstract

送信装置（１）は、光子を所定のデータパターンで変調する変調部（１４）と、乱数データパターンのフレーム同期信号を生成する同期信号生成部（１２）と、フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成する識別信号生成部（１３）と、変調部（１４）で変調された光子とフレーム同期信号及び前記サブフレーム識別信号を送信する送信部（１７）と、を備える。受信装置（２）は、送信部（１７）より送信された光子と、フレーム同期信号及びサブフレーム識別信号を受信する受信部（３０）と、光子からデータパターンを検出して復号する復号部（２１）と、各サブフレームにて、サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定する時間測定部（２６）と、経過時間に基づいて、フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出する検出時間算出部（２７）と、を備える。

Description

量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法並びに量子鍵配送プログラム
　本発明は、量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法並びに量子鍵配送プログラムに関する。
　秘匿性が高く安全な通信を実現するために、送信部と受信部の双方において、他者による盗聴が困難な秘密鍵を共有する量子鍵配送（ＱＫＤ：Quantum Key Distribution）が、非特許文献１、２、３、４にて提案されている。
　量子鍵配送では、送信部にて単一の光子、または、単一光子レベルの微弱コヒーレント光に対してランダムなデータパターンで変調を施し、伝送路を介して受信部に送信する。受信部では、受信したランダムなデータパターンのビットから、盗聴された可能性のあるビットを取り除き、残りのビットから鍵を生成することにより、盗聴されない安全鍵を送信部と受信部との間で共有することが可能になる。鍵レートはクロック周波数に比例するため、クロック周波数を上げることによって鍵レートを上げることができる（非特許文献１参照）。
　ランダムなデータパターンの先頭を識別する方法として、フレーム同期信号を用いる方法が知られている。既存の通信方法の場合では送信部から送信されたほとんどのビットが受信部に届くので、送信された信号から同期信号を取り出すことができる。これに対して、量子鍵配送では、ファイバ伝搬中に、ファイバ中の損失に起因してほとんどの光子が消滅するため、フレーム同期信号を取り出せない。このため、フレーム同期信号を、上述した変調信号とは異なる波長（別波長）で送信することが行われている（非特許文献２参照）。
　フレーム同期信号から光子検出までの時間を計測する方法として、時間相関単一光子計数法（ＴＣ-ＳＰＣ）がある（非特許文献４参照）。ＴＣ-ＳＰＣでは、同期信号の発生時刻からランプ信号を発生させ、ランプ信号の電圧値に基づいて経過時間を測定し、データパターンを記録している。
Takesue, Hiroki, et al. "Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors." Nature photonics 1.6 (2007): 343-348. Sasaki, Masahide, et al. "Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network." Optics express 19.11 (2011): 10387-10409. Yuan, Zhiliang, et al. "10-Mb/s quantum key distribution." Journal of Lightwave Technology 36.16 (2018): 3427-3433. Wolfgang Becker "The bh TCSPC Handbook", Eighth Edition
　クロック周波数を上げると装置のジッタによるシンボル間干渉がエラーの主要因となる。ジッタを小さく光子を計測するためには高精度な時間測定が必要となる。しかし、上述したＴＣ-ＳＰＣを採用する場合には、ランプ信号の電圧値（電圧の増加幅）により長いデータ長を測定することができない。光子を計数する際の測定時間がデータパターン長よりも短くなった場合には、測定時間外の光子を検出することができず、鍵レートが低下してしまう。一方で、安全な鍵を生成するためにはデータパターンを１０６以上にする必要がある（非特許文献３参照）。
　更に、装置の時間精度にも誤差があるため、差分計測では同期信号から離れたビットでは誤差が多くなってしまう可能性がある。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、データパターン長が長い場合であっても、確実にこのデータパターンを検出して量子鍵を生成することが可能な量子鍵を生成することが可能な量子鍵配送システム及び量子鍵配送方法並びに量子鍵配送プログラムを提供することにある。
　本発明の一態様の量子鍵配送システムは、送信装置と受信装置との間で量子鍵を配送する量子鍵配送システムであって、前記送信装置は、光源部より出力される光子を所定のデータパターンで変調する変調部と、乱数パターンのフレームの位置を示すフレーム同期信号を生成する同期信号生成部と、前記フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成する識別信号生成部と、前記変調部で変調された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を送信する送信部と、を備え、前記受信装置は、前記送信部より送信された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された光子からデータパターンを復号する復号部と、各サブフレームにて、前記サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定する時間測定部と、前記経過時間に基づいて、前記フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出する検出時間算出部と、を備える。
　本発明の一態様の量子鍵配送方法は、送信装置と受信装置との間で量子鍵を配送する量子鍵配送方法であって、前記送信装置において、光源部より出力される光子を所定のデータパターンで変調するステップと、乱数データパターンのフレームの位置を示すフレーム同期信号を生成するステップと、前記フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成するステップと、変調された光子と、前記フレーム同期信号及び前記サブフレーム識別信号を送信するステップと、前記受信装置において、前記送信装置から送信された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を受信するステップと、受信した光子からデータパターンを復号するステップと、各サブフレームにて、前記サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定するステップと、前記経過時間に基づいて、前記フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出するステップと、を備える。
　本発明の一態様は、上記量子鍵配送システムとしてコンピュータを機能させるための量子鍵配送プログラムである。
　本発明によれば、データパターン長が長い場合でも確実に光子を検出して量子鍵を生成することが可能になる。
図１は、第１実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係る送信装置から受信装置に配送する各データを示すタイミングチャートであり、（ａ）はフレーム同期信号、（ｂ）はサブフレーム識別信号、（ｃ）は光子の発生タイミングを示している。 図３は、サブフレームを用いない場合の、送信装置から受信装置に配送する各データを示すタイミングチャートであり、（ａ）はフレーム同期信号、（ｂ）は光子の発生タイミングを示している。 図４は、第１実施形態に係る量子鍵配送システムの処理手順を示すフローチャートである。 図５は、第２実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 図６は、第３実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。 図７は、本実施形態のハードウェア構成を示すブロック図である。
　以下、本実施形態について説明する。初めに、量子暗号通信装置で採用される量子鍵配送（ＱＫＤ）の概略について説明する。
　量子鍵配送では、生鍵を生成した後にサンプルビットを交換することにより、誤り率を推定する。推定した誤り率に基づいて、秘匿性増強を行い、生鍵からより安全性の高いビットを選択する。秘匿性増幅の理論から安全鍵の長さ「ｒ」は、下記（１）式で示される。
　ｒ＝ｎ－ｔ－ｓ　　　…（１）
　（１）式において、「ｎ」はデータパターン長、「ｔ」はエラー訂正で交換するサンプルビット数、「ｓ」は情報漏洩の可能性を示すセキュリティパラメータである。
　量子鍵配送では、誤り率推定の誤差を最小化し、且つ、サンプルビット数「ｔ」を削減して「ｎ＞＞ｔ」にすることが求められる。サンプルビット数をある程度確保し、かつ安全鍵を生成するためにはビット列を１０６以上にすることが必要である。従って、データパターン長を長くすることが求められる。
　本実施形態では、１フレームを複数のサブフレームに分割し、各サブフレームの期間内において、サブフレームの開始を示すサブフレーム識別信号から光子検出までの経過時間を測定する。更に、各サブフレームにおける経過時間を結合することにより、データパターン長を長くでき、エラー推定の精度を向上させる。以下、実施形態について詳細に説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る量子鍵配送システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１実施形態に係る量子鍵配送システム１００は、送信装置１、及び受信装置２を備えている。なお、図１において、各ブロック間を接続する実線は光信号を示し、破線は電気信号を示している。
　送信装置１は、光源部１１と、同期信号生成部１２と、識別信号生成部１３と、変調部１４と、第１の電気／光変換部１５（以下、「変換部１５」と略す）と、第２の電気／光変換部１６（以下、「変換部１６」と略す）と、送信部１７と、を備えている。
　光源部１１は、光子を生成し、生成した光子を変調部１４に出力する。なお、光子の代わりに一定数の光子の列である光子列としてもよい。本実施形態では、「光子」及び「光子列」を総称して「光子」として説明する。また、微弱コヒーレント光としてもよい。
　同期信号生成部１２は、所定のフレームごとに、フレームの位置を示すフレーム同期信号を生成する。「フレーム」とは、送信装置１が送信する一定長の乱数のデータパターンである。フレーム同期信号は、データパターンの繰り返しの位置を示す信号で、データパターンの先頭のみ１ビットにし、他は０ビットの信号でもよいし、中間のビットを１ビットにし、他は０ビットでもよい。同期信号生成部１２は、フレーム同期信号を識別信号生成部１３、変調部１４、及び変換部１５に出力する。
　図２は、送信装置１から受信装置２に配送する各データを示すタイミングチャートである。図２（ａ）は、フレーム同期信号を示している。同期信号生成部１２は、１フレームごとにフレーム同期信号を出力する。具体的には、時刻ｔ０においてフレーム同期信号ｄ１が出力され、時刻ｔ１４においてフレーム同期信号ｄ２が出力されている。即ち、図２（ａ）に示す時刻ｔ０～ｔ１４間が１フレームである。
　識別信号生成部１３は、フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成する。サブフレーム識別番号とは、サブフレームを識別する信号で、サブフレームの先頭を１ビットにしたものでもよいし、サブフレームの先頭の数ビットにサブフレームを識別する情報が含まれていてもよい。先頭ではなくサブフレームの最後に情報が含まれていてもよい。
　即ち、識別信号生成部１３は、１つのフレームを複数のサブフレームに分割し、各サブフレームを識別するためのサブフレーム識別信号を生成する。図２（ｂ）は、サブフレーム識別信号を示している。図２（ｂ）では、１フレームを２つのサブフレームＦ１、Ｆ２に分割した例を示している。識別信号生成部１３は、各サブフレームＦ１、Ｆ２の先頭に、サブフレームの開始を示すサブフレーム識別信号ｄ１１、ｄ１２を出力する。図２（ｂ）において、斜線で示したパルスは１ビットを示し、白抜きのパルスは０ビットを示している。
　図２（ｃ）は、受信装置２で受信される光子を示している。即ち、送信装置１から送信された光子は、ファイバ伝搬中において、ファイバの損失によって光子及び光子列のほとんどが消失する。従って、図２（ｃ）に示すように、一部の光子のみが存在しており、１フレーム中の光子も少なくなる。
　図２（ｃ）に示す例では、サブフレームＦ１による測定時間内に光子ｐ１が含まれており、サブフレームＦ２による測定時間内に光子ｐ２が含まれている。
　図３は、１つのフレームをサブフレームに分割しない場合の、送信装置１から受信装置２に配送する各データを示すタイミングチャートである。図３（ａ）はフレーム同期信号を示し、図３（ｂ）は受信装置２で受信される光子を示している。図３（ｂ）に示すように、１フレームの期間Ｔ２内に光子ｐ１、ｐ２が受信されている。光子ｐ１はフレーム同期信号ｄ１を基準とした測定時間Ｔ１内に含まれている。従って、フレーム同期信号ｄ１の発生時刻ｔ０から光子ｐ１の検出時刻ｔ１までの時間を測定することができる。しかし、光子ｐ２は測定時間Ｔ１内に含まれないので、光子ｐ２が発生するまでの時間を測定することができない。
　識別信号生成部１３により、サブフレーム識別信号を生成し、該サブフレーム識別信号を基準として測定時間を設定することにより、図２（ｃ）に示すように、それぞれの光子ｐ１、ｐ２を、サブフレーム識別信号ｄ１１、ｄ１２を基準とした測定時間内に含めることができる。
　図１に示す変調部１４は、光源部１１より出力される光子を、所定のデータパターンで変調する。即ち、変調部１４は、同期信号生成部１２で生成されたフレーム同期信号に同期させ、所定のデータパターンで光子を変調する。変調部１４は、変調後の光子を送信部１７に出力する。
　変換部１５は、同期信号生成部１２で生成されたフレーム同期信号を光信号に変換し、送信部１７に出力する。変換部１６は、識別信号生成部１３で生成されたサブフレーム識別信号を光信号に変換し、送信部１７に出力する。変換部１５は、フレーム同期信号を、変調部１４で変調された光子を送信する波長と同じにしてもよいし、別の波長にしてもよい。変換部１６も同様に、サブフレーム識別信号を、変調部１４で変調された光子を送信する波長と同じ波長でもよいし、変調器１５と同じ波長でもよいし、変調部１４、変換部１５とは異なる波長の光信号に変換してもよい。
　同じ波長の場合は別々のファイバで信号を送信してもよいし、もしくは、多コアファイバの別のコアで信号を送信してもよい。直交する偏波に多重して送信してもよい。もしくは後述する第２実施形態、第３実施形態のように同じ信号を重畳させて送信してもよい。別波長の場合は波長多重して送信してもよい。その場合は波長によって分散が異なるため分散補償を適用することも可能である。
　送信部１７は、変調部１４で変調された光子、フレーム同期信号、及びサブフレーム識別信号を、受信装置２に送信する。送信部１７は、フレーム同期信号、及びサブフレーム識別信号を、光子とは異なる波長の光信号で、受信装置２に送信する。
　受信装置２は、受信部３０と、復号部２１と、光子／電気変換部２２（以下、「変換部２２」と略す）と、第１の光／電気変換部２３（以下、「変換部２３」と略す）と、第２の光／電気変換部２４（以下、「変換部２４」と略す）と、パルス判定部２５と、時間測定部２６と、検出時間算出部２７と、記憶装置切替部２８と、記憶装置２９と、を備えている。
　受信部３０は、送信部１７より送信された光子、フレーム同期信号、及びサブフレーム識別信号を受信する。
　復号部２１は、送信部１７より送信された光子からデータパターンを復号する。即ち、復号部２１は、変調部１４で変調されて送信部１７から送信された光子を取得し、該光子に含まれるデータを復号する。データの変調・復号方法は、空間、偏波、位相、時間等が適用可能である。
　変換部２２は、復号部２１で復号された光子を電気信号に変換する。変換部２２は、変換後の電気信号をパルス判定部２５に出力する。
　変換部２３は、送信部１７より送信されたフレーム同期信号を電気信号に変換する。変換部２３は、変換後の電気信号をパルス判定部２５、及び記憶装置切替部２８に出力する。
　変換部２４は、送信部１７より送信されたサブフレーム識別信号を、電気信号に変換する。変換部２３は、変換後の電気信号を記憶装置切替部２８に出力する。
　パルス判定部２５は、フレーム同期信号のパルスの立ち上がり時刻を検出する。具体的には、図２（ａ）に示したフレーム同期信号ｄ１、ｄ２の発生時刻を検出する。パルス判定部２５は、フレーム同期信号の発生時刻を、時間測定部２６に出力する。
　時間測定部２６は、各サブフレームにて、サブフレーム識別信号から光子が検出されるまでの経過時間を測定する。時間測定部２６は、送信部１７から送信されたフレーム同期信号が検出されてから、光子が検出されるまでの経過時間を、ランプ信号に基づいて計測する。
　即ち、時間測定部２６は、パルス判定部２５においてフレーム同期信号を検出すると、この検出時刻からランプ信号を発生させる。時間測定部２６は、光子が検出されると、ランプ信号の増加を停止させる。時間測定部２６は、停止したときのランプ信号の電圧値を計測し、この電圧値に基づいて、サブフレーム識別信号から光子が検出されるまでの経過時間を算出する。具体的には、図２（ｃ）に示すように、サブフレームＦ１について、サブフレーム識別信号ｄ１１が検出されてから、検出期間内に光子ｐ１が検出されるまでの経過時間Ｔ１１を算出する。サブフレームＦ２について、サブフレーム識別信号ｄ１２が検出されてから、検出期間内に光子ｐ２が検出されるまでの経過時間Ｔ１２を算出する。
　本実施形態に係る量子鍵配送システム１００は、記憶装置２９を備えてもよい。記憶装置２９は、時間測定部２６で測定された経過時間を記憶する。記憶装置２９は、第１の記憶部２９１及び第２の記憶部２９２を備える。第１の記憶部２９１、第２の記憶部２９２は、サブフレーム識別信号が検出されてから、一定の検出期間内において光子が検出されるまでの時間を記憶する。具体的には、図２（ｃ）に示した経過時間Ｔ１１、Ｔ１２をそれぞれ第１、第２の記憶部２９１、２９２に記憶する。
　記憶装置切替部２８は、送信部１７より送信されるサブフレーム識別信号に基づいて、記憶装置２９に設けられる第１の記憶部２９１、第２の記憶部２９２を切り替えて、格納先となる記憶部を選択する。
　記憶装置切替部２８は、サブフレームＦ１のサブフレーム識別信号を受信した場合には、第１の記憶部２９１を選択する。従って、時間測定部２６によりサブフレームＦ１にて測定された経過時間は、第１の記憶部２９１に記憶される。記憶装置切替部２８は、サブフレームＦ２のサブフレーム識別信号を受信した場合には、第２の記憶部２９２を選択する。従って、時間測定部２６によりサブフレームＦ２にて測定された経過時間は、第２の記憶部２９２に記憶される。
　検出時間算出部２７は、経過時間に基づいてフレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出する。検出時間算出部２７は、記憶装置２９に記憶されている経過時間を読み取って、光子検出時間を算出する。即ち、検出時間算出部２７は、各サブフレームＦ１、Ｆ２における測定期間内に検出された光子検出までの経過時間を結合することにより、フレーム同期信号の発生時刻から光子データが検出されるまでの時間（光子検出時間）を算出する。検出時間算出部２７は、算出した光子検出時間のデータを後段に設けられている演算装置（図示省略）に出力する。演算装置は、光子検出時間のデータ、及び予め設定されている基底情報に基づいて生鍵を生成する。生成された生鍵を送信装置１と受信装置２の間で共有され、量子暗号通信に用いられる。
　次に、第１実施形態に係る量子鍵配送システム１００の動作を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
　初めにステップＳ１１において、送信装置１の変調部１４は、光源部１１より出力される光子を所定のデータパターンで変調する。送信部１７は、変調後の光子を受信装置２に送信する。
　ステップＳ１２において、同期信号生成部１２は、フレーム同期信号を生成する。具体的には、図２（ａ）に示すように、ｔ０～ｔ１４の期間を１フレームに設定し、各フレームの開始を示すフレーム同期信号ｄ１、ｄ２を生成する。変換部１５は、フレーム同期信号を光信号に変換する。送信部１７は、この光信号を受信装置２に送信する。
　ステップＳ１３において、識別信号生成部１３は、フレーム同期信号に同期したサブフレーム識別信号を生成する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、１フレームを複数（この例では２つ）のサブフレームＦ１、Ｆ２に分割し、各サブフレームＦ１、Ｆ２の開始を示すサブフレーム識別信号ｄ１１、ｄ１２を生成する。
　変換部１６は、サブフレーム識別信号を光信号に変換する。送信部１７は、変換部１６より出力される光信号を受信装置２に送信する。上述したステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３は、並行して処理してもよい。
　ステップＳ１４において、受信装置２のパルス判定部２５は、フレーム同期信号の立ち上がりパルスを測定する。
　ステップＳ１５において、パルス判定部２５は、フレーム同期信号が検出されたか否かを判定し、検出された場合には（Ｓ１５；ＹＥＳ）、ステップＳ１６に処理を進め、そうでなければ（Ｓ１５；ＮＯ）、ステップＳ１４に処理を戻す。
　ステップＳ１６において、記憶装置切替部２８は、サブフレーム識別信号を検出する。具体的には、記憶装置切替部２８は、図２（ｂ）に示すサブフレーム識別信号ｄ１１、ｄ１２が検出されたか否かを判定する。
　ステップＳ１７において、記憶装置切替部２８は、サブフレーム識別信号が検出された際に、記憶装置２９に設けられている第１、第２の記憶部２９１、２９２のうちの一方を選択する。具体的には、記憶装置切替部２８は、図２（ｂ）に示すようにサブフレームＦ１の開始を示すサブフレーム識別信号ｄ１１が検出された際には、第１の記憶部２９１を選択する。記憶装置切替部２８は、サブフレームＦ２の開始を示すサブフレーム識別信号ｄ１２が検出された際には、第２の記憶部２９２を選択する。
　ステップＳ１８おいて、復号部２１は、光子を検出したか否かを判定する。光子を検出した場合には（Ｓ１８；ＹＥＳ）、ステップＳ１９に処理を進める。
　ステップＳ１９において、時間測定部２６は、サブフレーム識別信号を検出した時刻から、光子を検出した時刻までの経過時間を測定する。例えば、時間測定部２６は、図２（ｂ）に示すサブフレーム識別信号ｄ１１の立ち上がり時刻ｔ０から、図２（ｃ）に示す光子ｐ１を検出した時刻ｔ１１までの経過時間Ｔ１１を測定する。
　時間測定部２６は、サブフレーム識別信号ｄ１１が検出された時点においてランプ信号を発生させ、光子が検出された時点でのランプ信号の電圧値を測定する。時間測定部２６は、測定した電圧値に基づいて、サブフレーム識別信号が検出されてから光子が検出されるまでの経過時間を算出する。
　時間測定部２６は、算出した経過時間を記憶装置切替部２８にて選択されている記憶部に記憶する。具体的には、記憶装置切替部２８は、図２（ｂ）に示すサブフレーム識別信号ｄ１１が検出された際には、第１の記憶部２９１を選択する。時間測定部２６は、サブフレームＦ１内において光子が検出されるまでの経過時間Ｔ１１（ｔ０～ｔ１１）を第１の記憶部２９１に記憶する。
　記憶装置切替部２８は、サブフレーム識別信号ｄ１２が検出された際には、第２の記憶部２９２を選択する。時間測定部２６は、サブフレームＦ２内において光子が検出されるまでの経過時間Ｔ１２（ｔ１２～ｔ１３）を第２の記憶部２９２に記憶する。
　ステップＳ２０において、検出時間算出部２７は、第１の記憶部２９１に記憶されている経過時間Ｔ１１と、第２の記憶部２９２に記憶されている経過時間Ｔ１２を結合し、フレーム同期信号から各光子ｐ１、ｐ２が検出されるまでの光子検出時間を算出する。
　ステップＳ２１において、検出時間算出部２７の後段に設けられる演算装置（図示省略）により、検出時間算出部２７で算出された時間、及び予め設定されている基底情報に基づいて、生鍵が生成される。生成された生鍵は、鍵蒸留処理（例えば、シフト処理、エラー訂正、秘匿増幅処理）を得て、安全鍵となる。このようにして送信装置１と受信装置２との間で安全鍵を生成することができる。
　こうして、サブフレーム識別信号により、フレーム同期信号から光子検出までの時間が長い場合であっても、光子までの時間を高精度に検出することができるのである。
　なお、図２に示したタイミングチャートでは、１フレームを２つのサブフレームＦ１、Ｆ２に分割する例について説明したが、サブフレームの数は２つに限定されない。サブフレームの数を送信装置１が決定し、通信を行う前に受信装置２側に通知するようにしてもよい。また、受信装置２がサブフレーム識別信号の間隔と光子測定のヒストグラム測定による光子の受信間隔と精度から自動で判断して、サブフレームの数を設定してもよい。また、記憶装置切替部２８は物理的に記憶装置を切り替えてもよいし、ソフトウェア上でアドレス空間を切り替えてもよいし、ヘッダ情報を変えるだけでもよい。例えば、サブフレーム識別信号毎のメモリー空間を作成し、そこに時間を記録するでもよいし、サブフレーム識別信号と光子検出時間を合わせて記憶してもよい。
　このように、本実施形態に係る量子鍵配送システム１００は、送信装置１と受信装置２との間で量子鍵を配送する量子鍵配送システムであって、送信装置１は、光源部１１より出力される光子を所定のデータパターンで変調する変調部１４と、乱数データパターンのフレームの位置を示すフレーム同期信号を生成する同期信号生成部１２と、フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成する識別信号生成部１３と、変調部１４で変調された光子とフレーム同期信号及びサブフレーム識別信号を送信する送信部１７と、を備える。また、受信装置２は、送信部１７より送信された光子とフレーム同期信号及びサブフレーム識別信号を受信する受信部３０と、受信部３０で受信された光子からデータパターンを復号する復号部２１と、各サブフレームにて、サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定する時間測定部２６と、経過時間に基づいて、フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出する検出時間算出部２７と、を備える。
　従って、本実施形態では、データパターン長が長い場合であっても、確実にこのデータパターンを検出して量子鍵を生成することが可能になる。その結果、送信可能なサンプル数を多くすることができ、統計的な不確かさを低減した量子鍵を配送することが可能になる。
　即ち、１フレームを複数のサブフレームに分割しない場合には、図３に示したように、フレーム同期信号ｄ１が検出されてからランプ信号を発生させると、一定の時間Ｔ１内の光子ｐ１を検出できるものの、時間Ｔ１を経過した後の光子ｐ２を検出することができない。本実施形態に係る量子鍵配送システム１００では、１フレームを複数のサブフレームに分割することにより、光子を高精度に検出することが可能になる。
　なお、各サブフレーム識別信号はシーケンシャルな番号にしてもよい。その場合、通信が途切れ、フレーム同期信号を検出できない可能性もあるため、サブフレーム識別信号にフレーム同期情報を特定できる情報が含めることも可能である。
　また、本実施形態では、時間測定部２６で測定された経過時間を記憶する記憶装置２９備えており、検出時間算出部２７は、記憶装置２９に記憶されている経過時間を読み取って、光子検出時間を算出する。このため、各サブフレームで検出される経過時間を用いて光子検出時間を高精度に算出することが可能になる。
　更に、送信部１７は、フレーム同期信号及びサブフレーム識別信号を、光信号で送信する。このため、フレーム同期信号及びサブフレーム識別信号が光子の送信に干渉するなどの問題の発生を回避することができる。
　［第２実施形態］
　次に、第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る量子鍵配送システム１００ａの構成を示すブロック図である。図５に示す量子鍵配送システム１００ａは、図１に示した量子鍵配送システム１００と対比して、送信装置１ａが一つの電気／光変換部１５ａ（以下、「変換部１５ａ」と略す）を備えている点、及び、受信装置２ａが一つの光／電気変換部２３ａ（以下、「変換部２３ａ」と略す）を備えている点で相違している。それ以外の構成は、図１に示した量子鍵配送システム１００と同様である。
　第２実施形態では、同期信号生成部１２で生成されるフレーム同期信号の先頭の数ビットを、サブフレーム識別信号として送信する。送信装置１ａが有する変換部１５ａは、フレーム同期信号の先頭の数ビットを含むサブフレーム識別信号を光信号に変換する。即ち、送信部１７は、フレーム同期信号の先頭の所定数のビットを、サブフレーム識別信号に含めて送信する。
　受信装置２ａが有する変換部２３ａは、送信装置１ａから送信されたサブフレーム識別信号を２系統に分岐し、一方の分岐はパルス判定部２５に出力する。他方の分岐は、記憶装置切替部２８に出力する。パルス判定部２５では、サブフレーム識別信号の先頭のパルスのみを切り出す機能を備えるようにしてもよい。
　このように、第２実施形態に係る量子鍵配送システム１００ａでは、フレーム同期信号の先頭の数ビットをサブフレーム識別信号に含ませて、送信装置１ａから受信装置２ａに送信することができ、システム構成を簡素化することが可能となる。
　［第３実施形態］
　次に、第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る量子鍵配送システム１００ｂの構成を示すブロック図である。図６に示す量子鍵配送システム１００ｂは、図１に示した量子鍵配送システム１００と対比して、送信装置１ｂが重畳部１８、及び第２の変調部１９を備えている点、受信装置２ｂが分離部３１を備えている点で相違する。
　重畳部１８は、識別信号生成部１３にて生成されたサブフレーム識別信号を、フレーム同期信号に重畳する。重畳部１８は、例えばフレーム同期信号を低周波で変調してサブフレーム識別信号に重畳する。重畳部１８は、例えばフレーム同期信号を、位相変調、及び偏波情報を用いてサブフレーム識別信号に重畳する。
　電気／光変換部１５ｂ（以下、「変換部１５ｂ」と略す）は、重畳した信号を光信号に変換する。第２の変調部１９は、変換部１５ｂより出力される光信号を変調して送信部１７に出力する。変調された光信号は、送信部１７から受信装置２ｂに送信される。
　分離部３１は、送信装置１ｂから送信された光信号を、フレーム同期信号、及びサブフレーム識別信号に分離する。分離部３１は、フレーム同期信号を変換部２３に出力し、サブフレーム識別信号を変換部２４に出力する。その後の処理は、前述した第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
　このように、第３実施形態に係る量子鍵配送システム１００ｂでは、送信部１７は、フレーム同期信号に、サブフレーム識別信号を重畳して送信する。このため、送信装置１から受信装置２に送信するデータ量を削減することができ、送信信号の干渉を低減することが可能になる。
　上記説明した本実施形態の量子鍵配送システム１００には、図７に示すように例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：HardDisk Drive、SSD：SolidState Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。メモリ９０２およびストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、量子鍵配送システム１００の各機能が実現される。
　なお、量子鍵配送システム１００は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また、量子鍵配送システム１００は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。
　なお、量子鍵配送システム１００用のプログラムは、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＣＤ (Compact Disc)、ＤＶＤ (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配送することもできる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
　１、１ａ、１ｂ　送信装置
　２、２ａ、２ｂ　受信装置
　１１　光源部
　１２　同期信号生成部
　１３　識別信号生成部
　１４　変調部
　１４ａ　第１の変調部
　１５　第１の電気／光変換部
　１５ａ、１５ｂ　電気／光変換部
　１６　第２の電気／光変換部
　１７　送信部
　１８　重畳部
　１９　第２の変調部
　２１　復号部
　２２　光子／電気変換部
　２３　第１の光／電気変換部
　２３ａ　光／電気変換部
　２４　第２の光／電気変換部
　２５　パルス判定部
　２６　時間測定部
　２７　検出時間算出部
　２８　記憶装置切替部
　２９　記憶装置
　３０　受信部
　３１　分離部
　１００、１００ａ、１００ｂ　量子鍵配送システム
　２９１　第１の記憶部
　２９２　第２の記憶部

Claims (7)

  1. 　送信装置と受信装置との間で量子鍵を配送する量子鍵配送システムであって、
    　前記送信装置は、
    　光源部より出力される光子を所定のデータパターンで変調する変調部と、
    　乱数データパターンのフレームの位置を示すフレーム同期信号を生成する同期信号生成部と、
    　前記フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成する識別信号生成部と、
    　前記変調部で変調された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を送信する送信部と、を備え、
    　前記受信装置は、
    　前記送信部より送信された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を受信する受信部と、
    　前記受信部で受信された光子からデータパターンを復号する復号部と、
    　各サブフレームにて、前記サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定する時間測定部と、
    　前記経過時間に基づいて、前記フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出する検出時間算出部と、
    　を備えた量子鍵配送システム。
  2. 　前記受信装置は、前記時間測定部で測定された経過時間を記憶する記憶装置、を更に備え、
    　前記検出時間算出部は、前記記憶装置に記憶されている前記経過時間を読み取って、前記光子検出時間を算出する
    　請求項１に記載の量子鍵配送システム。
  3. 　前記送信部は、前記フレーム同期信号及び前記サブフレーム識別信号を、前記光子とは異なる波長の光信号で送信する
    　請求項１または２に記載の量子鍵配送システム。
  4. 　前記送信部は、前記フレーム同期信号の先頭の所定数のビットを、サブフレーム識別信号に含めて送信する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の量子鍵配送システム。
  5. 　前記送信部は、前記フレーム同期信号に、サブフレーム識別信号を重畳して送信する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の量子鍵配送システム。
  6. 　送信装置と受信装置との間で量子鍵を配送する量子鍵配送方法であって、
    　前記送信装置において、光源部より出力される光子を所定のデータパターンで変調するステップと、
    　乱数データパターンのフレームの位置を示すフレーム同期信号を生成するステップと、
    　前記フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームを示すサブフレーム識別信号を生成するステップと、
    　変調された光子と、前記フレーム同期信号及び前記サブフレーム識別信号を送信するステップと、
    　前記受信装置において、前記送信装置から送信された光子、前記フレーム同期信号、及び前記サブフレーム識別信号を受信するステップと、
    　受信した光子からデータパターンを復号するステップと、
    　各サブフレームにて、前記サブフレーム識別信号から光子を検出するまでの経過時間を測定するステップと、
    　前記経過時間に基づいて、前記フレーム同期信号から１フレーム中の光子検出までの光子検出時間を算出するステップと、
    　を備えた量子鍵配送方法。
  7. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の量子鍵配送システムとしてコンピュータを機能させる量子鍵配送プログラム。
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