WO2023188855A1 - 暗号鍵共有システム - Google Patents

Abstract

暗号鍵共有システム（１）は、低軌道衛星（３Ａ）と、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により低軌道衛星（３Ａ）及び地上局（３Ｂ）の鍵（Ｋ_１，Ｋ_２）を共有し、低軌道衛星（３Ａ）の鍵（Ｋ_１）を復号するための計算データを鍵（Ｋ_１，Ｋ_２）の排他的論理和で求め、認証付き公開通信路（５）を介して、計算データを地上局（３Ｂ）に送信する静止衛星（２）と、受信した計算データと地上局（３Ｂ）の鍵（Ｋ_２）との排他的論理和で低軌道衛星（３Ａ）の鍵（Ｋ_１）を復号する地上局（３Ｂ）とを備える。

Description

暗号鍵共有システム

　本発明は、暗号鍵共有システムに関する。

　量子鍵配送では、情報理論的に安全な暗号鍵の共有が可能であり、ワンタイムパッドに基づく正しい使い方をしている限り、暗号鍵の安全性は物理法則によって保証される。また、量子鍵配送では、光の伝送路として、光ファイバの他、自由空間における光ビームの伝搬も想定されている。なお、情報理論的に安全とは、情報理論に基づいて、盗聴者が無限の計算能力を持っていると仮定した場合でも暗号文の解読が不可能であることが数学的に証明されていることを意味する。

　ここで、光ファイバを用いた量子鍵配送では、光の伝送に伴う損失のために、暗号鍵の共有が可能な距離が１００ｋｍ程度に制限されてしまう。従って、地上の量子鍵配送では、数百ｋｍから数千ｋｍ離れてしまうと、暗号鍵の共有が困難であった。

　そこで、低軌道衛星を利用した量子鍵配送に関する従来技術が提案されている（例えば、特許文献１，２及び非特許文献１～４）。これら従来技術では、第１地上局と低軌道衛星との間で第１暗号鍵の共有を行い（第１ステップ）、第２地上局と当該低軌道衛星との間で第２暗号鍵の共有を行う（第２ステップ）。そして、これら従来技術では、例えば、低軌道衛星が再び第１地上局の視野に入ったときに、通常のデータ通信回線を利用して、低軌道衛星から第１地上局に対して、第２暗号鍵を第１暗号鍵で秘匿化（排他的論理和を計算）したデータを送信する（第３ステップ）。このようにして、これら従来技術では、離れた距離にある第１地上局及び第２地上局との間で、第２暗号鍵を最終的に共有できる。

中国特許出願公開第１１２０５４８５２号明細書 中国特許出願公開第１１１４３１６２３号明細書

J. Yin, et al.,"Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers" , Science 356, pp. 1140-1144, 2017. S. K. Liao, et al., "Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication", Nat. Photon. 11, 509, 2017. S. K. Liao, et al., "Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network", Phys. Rev. Lett., 120(3), 030501, 2018. Y. A. Chen, et al., "Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model", Nature 589, pp. 214-219, 2021.

　しかし、前記した従来技術では、低軌道衛星が上空を高速で移動するため、地上局との間の１回あたりの交信時間が最長でも１０分程度に制限されてしまう。このため、前記した従来技術では、暗号鍵を生成するために充分な交信時間を確保できず、共有できる暗号鍵の量（暗号鍵のビット数）が極めて少なくなってしまう。

　そこで、本発明は、暗号鍵を共有可能な距離が長く、かつ、多量の暗号鍵を共有できる暗号鍵共有システムを提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明に係る暗号鍵共有システムは、静止衛星によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第１ノードと第２ノードとの間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有システムであって、静止衛星は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第１ノードと第２ノードとの間でそれぞれ第１暗号鍵及び第２暗号鍵を共有し、第１暗号鍵と第２暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路を介して第２ノードに送信し、第２ノードは、計算結果と第２暗号鍵との排他的論理和を計算することで、第１暗号鍵を復号する構成とした。

　かかる構成によれば、暗号鍵共有システムは、静止衛星を介した見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号を利用することで、静止衛星と各ノードとの間での暗号鍵の共有を可能にする。これにより、暗号鍵の共有が可能な距離、すなわち、第１ノードと第２ノードとの距離を長くすることができる。ここで、静止衛星とノードとの間で充分に長い交信時間を確保できるため、共有可能な暗号鍵の量が多くなる。

　本発明によれば、暗号鍵を共有可能な距離が長く、かつ、多量の暗号鍵を共有できる。

（ａ）～（ｃ）は第１実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。 第１実施形態において、暗号鍵共有システムの第１のサブシステムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態において、（ａ）は受信光学部の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は送信光学部の構成を示すブロック図である。 第１実施形態において、暗号鍵共有システムの第２のサブシステムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 （ａ）～（ｃ）は第２実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。 第２実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 （ａ）及び（ｂ）は第３実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。 第３実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 第３実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 （ａ）～（ｃ）は第４実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。 第４実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 第４実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。 第５実施形態に係る暗号鍵共有システムの概要図である。 第５実施形態において、暗号鍵共有システムの第３のサブシステムの構成を示すブロック図である。 第５実施形態に係る暗号鍵共有システムの動作を示すシーケンス図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。例えば、静止衛星と、低軌道衛星や地上局等の各ノードを、見通し通信の受信側として利用するか、それとも送信側として利用するかについては、実際の状況に依存してあらゆる可能な組み合わせが想定される。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
［暗号鍵共有システムの概要］
　図１を参照し、第１実施形態に係る暗号鍵共有システム１の概要について説明する。
　暗号鍵共有システム１は、静止衛星２によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で暗号鍵を共有するものである。図１（ａ）に示すように、暗号鍵共有システム１は、静止衛星２と、ノード３として、低軌道衛星３Ａ（第１ノード）と、地上局３Ｂ（第２ノード）とを備える。また、図１には、見通し通信路４と、認証付き公開通信路５と、地球Ｅとを図示した。

　静止衛星２は、赤道上の高度３６，０００ｋｍの静止軌道を周回する通信衛星である。ここで、静止衛星２は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第１ノードと第２ノードとの間でそれぞれ第１暗号鍵及び第２暗号鍵を共有する。また、静止衛星２は、第１暗号鍵と第２暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路５を介して第２ノードに送信する。

　第１ノード及び第２ノードは、第１暗号鍵を共有した後で、第１暗号鍵を用いて、データを秘匿化して通信を行う。このとき、第２ノードは、静止衛星２からの計算結果と第２暗号鍵との排他的論理和を計算することで、第１暗号鍵を復号する。例えば、一般に、ノード３としては、１機以上の地上局３Ｂ、低軌道衛星３Ａ、後記する海上局又は航空局の何れかがあげられる。

　低軌道衛星３Ａは、例えば、高度４００～１２００ｋｍ程度の低軌道を周回する通信衛星であり、ノード３としての機能を有する。
　地上局３Ｂは、地上に配置されたノード３である。例えば、地上局３Ｂは、地上の所定位置に固定された固定局、又は、移動する車両などに搭載された移動局である。

　見通し通信路４は、見通し通信を行うための通信路である。ここで、見通し通信とは、静止衛星２及びノード３の間に遮蔽物がなく、互いに見通せる状態の通信のことである。例えば、見通し通信としては、低軌道衛星－地上局間光通信、高高度の静止軌道衛星－地上局間光通信などがあげられる。

　見通し通信路４では指向性の高いレーザ光が用いられるため、送受信者から発見されることなく、盗聴者が光ビームの中心に盗聴装置を設置し、すべての光信号を受信後になんらかの処理を施して再送信するというような能動的な攻撃を行うことは、実質的には極めて困難である。また、見通し通信量子鍵配送や物理レイヤ暗号は、自由空間における見通し通信路４を伝搬する光ビームを利用し、情報理論的に安全な暗号鍵を共有するものであり、量子鍵配送に比べて、暗号鍵の生成速度が速く、遠距離への暗号鍵の配送が可能という利点を有する。

　認証付き公開通信路５は、認証付きの公開通信路である。例えば、認証付き公開通信路５は、見通し通信路４の状態、鍵蒸留処理の結果、暗号鍵同士の排他的論理和の計算データ、及び、有意情報に対する秘匿化データを送受信するために利用する。

　なお、物理レイヤ暗号については、一般的なものであるため、詳細な説明を省略する（参考文献１～４）。
　参考文献１：Z. Pan et al., “Secret-key distillation across a quantum wiretap channel under restricted eavesdropping,” Phys. Rev. Applied, vol. 14, no. 2, 024044, 2020.
　参考文献２：H.Endo, et al., OSA Continuum 3 pp. 2525-2543, 2020.
　参考文献３：欧州特許第３３３７０６３号
　参考文献４：国際公開第２０１９／１３９５４４号

　以下、暗号鍵共有システム１での暗号通信について説明する。
　まず、図１（ａ）に示すように、暗号鍵共有システム１は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星２と低軌道衛星３Ａとの間で鍵Ｋ_１（第１暗号鍵）を生成して共有する。また、暗号鍵共有システム１は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星２と地上局３Ｂとの間で鍵Ｋ_２（第２暗号鍵）を生成して共有する。つまり、静止衛星２は、見通し通信路４を介して、鍵Ｋ_１，Ｋ_２を共有する。

　次に、図１（ｂ）に示すように、暗号鍵共有システム１は、静止衛星２において、鍵Ｋ_１，Ｋ_２の排他的論理和を計算し、認証付き公開通信路５を介して、計算データαとして地上局３Ｂに送信する。そして、暗号鍵共有システム１は、地上局３Ｂにおいて、計算データαと地上局３Ｂの鍵Ｋ_２との排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１を復号する。これにより、暗号鍵共有システム１は、低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で鍵Ｋ_１を共有できる。その結果、図１（ｃ）に示すように、暗号鍵共有システム１は、この鍵Ｋ_１を暗号鍵として用いて、低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で暗号通信を行うことができる。

［暗号鍵共有システムの構成］
＜静止衛星＞
　図２～図４を参照し、暗号鍵共有システム１の構成について説明する。なお、図２では、静止衛星２と低軌道衛星３Ａとの組を暗号鍵共有サブシステム１０として抜粋した。
　図２に示すように、静止衛星２は、見通し通信部２０と、鍵管理部２１と、データ通信部２２とを備える。

　見通し通信部２０は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、第１暗号鍵及び第２暗号鍵を共有する一般的なものである。本実施形態では、見通し通信部２０は、低軌道衛星３Ａとの間で鍵Ｋ_１を共有し、地上局３Ｂとの間で鍵Ｋ_２を共有する。また、見通し通信部２０は、受信光学部２００と、鍵蒸留部２１０と、通信路状態モニタリング部２２０とを備える。

　受信光学部２００は、見通し通信路４を介して、送信光学部３００から光信号４０を受信し、受信した光信号４０から乱数ビットを復号する。図３（ａ）に示すように、受信光学部２００は、光信号４０を受光する受光部２０１と、光信号を電気信号に変換する光電気２０２と、電気信号を復号する復号部２０３とを備える。

　鍵蒸留部２１０は、認証付き公開通信路５を介した鍵蒸留処理により、受信光学部２００の乱数ビット系列から暗号鍵を生成する。本実施形態では、鍵蒸留部２１０は、鍵蒸留処理により鍵Ｋ_１，Ｋ_２を生成し、生成した鍵Ｋ_１，Ｋ_２を鍵管理部２１に出力する。

　なお、鍵蒸留処理とは、受信光学部２００及び送信光学部３００のビット列から相等しく安全な暗号鍵を生成するために、認証付き公開通信路５で情報を交換しながら実施する
処理のことである。この鍵蒸留処理自体は、一般的なものであるため、これ以上の説明を省略する。

　通信路状態モニタリング部２２０は、見通し通信路４の状態（例えば、図４の大気ゆらぎ４２）を測定する一般的なものである。ここで、通信路状態モニタリング部２２０は、後記する通信路状態モニタリング部３２０が照射した十分な強度のレーザビーム（プローブ光４１）を観測することで、見通し通信路４の状態を測定する。また、通信路状態モニタリング部２２０は、プローブ光を通信路状態モニタリング部３２０に照射してもよい。

　鍵管理部２１は、第１暗号鍵と第２暗号鍵との排他的論理和の計算データを求める。本実施形態では、鍵管理部２１は、鍵蒸留部２１０から入力された鍵Ｋ_１，Ｋ_２を記憶し、鍵Ｋ_１，Ｋ_２の排他的論理和を計算する。そして、鍵管理部２１は、その計算結果である計算データαをデータ通信部２２に出力する。

　データ通信部２２は、認証付き公開通信路５を介して、鍵管理部２１が求めた計算データαを第２ノード（地上局３Ｂ）に送信する。

＜低軌道衛星＞
　図２に示すように、低軌道衛星３Ａは、見通し通信部３０と、鍵管理部３１と、データ通信部３２とを備える。

　見通し通信部３０は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星２との間で第１暗号鍵（低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１）を共有する一般的なものである。また、見通し通信部３０は、送信光学部３００と、鍵蒸留部３１０と、通信路状態モニタリング部３２０とを備える。

　送信光学部３００は、乱数ビットを光信号４０に符号化し、見通し通信路４を介して、符号化した光信号４０を予め設定した強度で送信する。図３（ｂ）に示すように、送信光学部３００は、発光する発光部３０１と、光信号４０の強度を調整する光強度調整部３０２と、乱数ビットを光信号４０に符号化する符号化部３０３と、光信号４０を送光する送光部３０４とを備える。

　鍵蒸留部３１０は、認証付き公開通信路５を介した鍵蒸留処理により、送信光学部３００の乱数ビット系列から第１暗号鍵（低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１）を生成する。また、鍵蒸留部３１０は、生成した第１暗号鍵を送信光学部３００及び鍵管理部３１に出力する。

　通信路状態モニタリング部３２０は、プローブ光４１を通信路状態モニタリング部２２０に照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部３２０は、通信路状態モニタリング部２２０が照射したプローブ光を観測することで、見通し通信路４の状態を測定してもよい。

　鍵管理部３１は、鍵蒸留部３１０から入力された鍵Ｋ_１を記憶する。例えば、鍵管理部３１は、図示を省略したメモリに鍵Ｋ_１を記憶する。

　データ通信部３２は、認証付き公開通信路５を介して、静止衛星２から計算データαを受信する。

＜地上局＞
　図４に示すように、地上局３Ｂは、低軌道衛星３Ａと同様の構成であり、見通し通信部３０Ｂと、鍵管理部３１Ｂと、データ通信部３２とを備える。なお、図４では、静止衛星
２と地上局３Ｂとの組を暗号鍵共有サブシステム１１として抜粋した。

　見通し通信部３０Ｂは、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、静止衛星２との間で第２暗号鍵（地上局３Ｂの鍵Ｋ_２）を共有する一般的なものである。また、見通し通信部３０は、送信光学部３００と、鍵蒸留部３１０Ｂと、通信路状態モニタリング部３２０とを備える。

　鍵蒸留部３１０Ｂは、認証付き公開通信路５を介した鍵蒸留処理により、送信光学部３００の乱数ビット系列から第２暗号鍵（地上局３Ｂの鍵Ｋ_２）を生成する。また、鍵蒸留部３１０は、生成した暗号鍵を送信光学部３００及び鍵管理部３１に出力する。

　鍵管理部３１Ｂは、第２暗号鍵、すなわち、鍵蒸留部３１０Ｂから入力された鍵Ｋ_２を記憶する。また、鍵管理部３１Ｂは、データ通信部３２が受信した計算データと第２暗号鍵との排他的論理和を計算することによって、第１暗号鍵を復号する。本実施形態では、鍵管理部３１Ｂは、計算データαと地上局３Ｂの鍵Ｋ_２との排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１を復号する。

［暗号鍵共有システムの動作］
　図５を参照し、暗号鍵共有システム１の動作について説明する。
　図５に示すように、ステップＳ１において、低軌道衛星３Ａは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２に送信する。なお、図５のステップＳ１は、見通し通信路４を利用していることを表すため、太線矢印で図示した。
　ステップＳ２において、静止衛星２及び低軌道衛星３Ａは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_１を生成、共有する。
　ステップＳ３において、低軌道衛星３Ａは、鍵Ｋ_１を記憶する。
　ステップＳ４において、静止衛星２は、鍵Ｋ_１を記憶する。

　ステップＳ５において、地上局３Ｂは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２に送信する。
　ステップＳ６において、静止衛星２及び地上局３Ｂは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_２を生成、共有する。
　ステップＳ７において、静止衛星２は、鍵Ｋ_２を記憶する。
　ステップＳ８において、地上局３Ｂは、鍵Ｋ_２を記憶する。

　ステップＳ９において、静止衛星２は、ステップＳ４，Ｓ７で記憶した鍵Ｋ_１，Ｋ_２の排他的論理和を計算データαとして求める。
　ステップＳ１０において、静止衛星２は、認証付き公開通信路５を介して、計算データαを地上局３Ｂに送信する。なお、静止衛星２がステップＳ１０の処理で動作を終了するので、“×”を図示した。
　ステップＳ１１において、地上局３Ｂは、計算データαとステップＳ８で記憶した鍵Ｋ_２との排他的論理和を計算することによって、低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１を復号する。
　ステップＳ１２において、地上局３Ｂは、低軌道衛星３Ａの鍵Ｋ_１を記憶する。
　ステップＳ１３において、地上局３Ｂは、鍵Ｋ_１の共有完了を低軌道衛星３Ａに通知する。

　その後、暗号鍵共有システム１では、低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で、鍵Ｋ_１を用いてデータを秘匿化して暗号通信を行うことができる。

［作用・効果］
　以上のように、暗号鍵共有システム１は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号を
利用することによって、赤道上の高度３６，０００ｋｍの静止衛星２と、低軌道衛星３Ａ又は地上局３Ｂとの間で暗号鍵を共有できる。ここで、暗号鍵共有システム１は、充分に長い交信時間を確保できるので、静止衛星２と低軌道衛星３Ａ又は地上局３Ｂとの間で、多くの暗号鍵を共有することができる。このため、暗号鍵共有システム１は、静止衛星２を中継点として、低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で共有可能な暗号鍵の量を増やすことができる。

　すなわち、暗号鍵共有システム１は、１回の通過当り最大でも１０分程度に限られていた従来技術の制約を緩和し、長時間にわたって安定的に多くの鍵を低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で共有できる。これによって、暗号鍵共有システム１は、地球Ｅの表面から静止衛星軌道までを含む広い範囲において、暗号鍵を容易に共有できる。

　なお、暗号鍵共有システム１では、低軌道衛星３Ａが共有される暗号鍵の送り手（第１ノード）であり、地上局３Ｂが共有される暗号鍵の受け手（第２ノード）であることとして説明したが、これに限定されない。つまり、暗号鍵共有システム１では、低軌道衛星３Ａが共有される暗号鍵の受け手であり、地上局３Ｂが共有される暗号鍵の送り手であってもよい。

（第２実施形態）
［暗号鍵共有システムの概要］
　図６を参照し、第２実施形態に係る暗号鍵共有システム１Ｂの概要について、第１実施形態と異なる点を説明する。
　図６（ａ）に示すように、暗号鍵共有システム１Ｂは、共有される暗号鍵の受け手として、図１の地上局３Ｂの代わりに低軌道衛星３Ｄを備える点が、第１実施形態と異なる。つまり、暗号鍵共有システム１Ｂは、静止衛星２と、低軌道衛星３Ｃと、低軌道衛星３Ｄとを備える。

　ここで、低軌道衛星３Ｃの暗号鍵を鍵Ｋ_３とし、低軌道衛星３Ｄの暗号鍵を鍵Ｋ_４と記載する。なお、暗号鍵共有システム１Ｂでの暗号通信は、鍵Ｋ_１の代わりに鍵Ｋ_３を利用し、鍵Ｋ_２の代わりに鍵Ｋ_４を利用する以外、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。また、低軌道衛星３Ｃの構成は図２の低軌道衛星３Ａと同様であり、低軌道衛星３Ｄの構成は図４の地上局３Ｂと同様のため、説明を省略する。

［暗号鍵共有システムの動作］
　図７を参照し、暗号鍵共有システム１Ｂの動作について説明する。
　なお、図７では、静止衛星２と低軌道衛星３Ｄとの組を暗号鍵共有サブシステム１０Ｂとして図示した。

　図７に示すように、ステップＳ２０において、低軌道衛星３Ｃは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２に送信する。
　ステップＳ２１において、静止衛星２及び低軌道衛星３Ｃは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_３を生成、共有する。
　ステップＳ２２において、低軌道衛星３Ｃは、鍵Ｋ_３を記憶する。
　ステップＳ２３において、静止衛星２は、鍵Ｋ_３を記憶する。

　ステップＳ２４において、低軌道衛星３Ｄは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２に送信する。
　ステップＳ２５において、静止衛星２及び低軌道衛星３Ｄは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_４を生成、共有する。
　ステップＳ２６において、静止衛星２は、鍵Ｋ_４を記憶する。
　ステップＳ２７において、低軌道衛星３Ｄは、鍵Ｋ_４を記憶する。

　ステップＳ２８において、静止衛星２は、ステップＳ２３，Ｓ２６で記憶した鍵Ｋ_３，Ｋ_４の排他的論理和を計算データαとして求める。
　ステップＳ２９において、静止衛星２は、認証付き公開通信路５を介して、計算データαを低軌道衛星３Ｄに送信する。
　ステップＳ３０において、低軌道衛星３Ｄは、計算データαとステップＳ２７で記憶した鍵Ｋ_４との排他的論理和を求め、低軌道衛星３Ｃの鍵Ｋ_３を復号する。
　ステップＳ３１において、低軌道衛星３Ｄは、低軌道衛星３Ｃの鍵Ｋ_３を記憶する。
　ステップＳ３２において、低軌道衛星３Ｄは、鍵Ｋ_３の共有完了を低軌道衛星３Ｃに通知する。

　その後、暗号鍵共有システム１Ｂでは、鍵Ｋ_３を暗号鍵として用いて、低軌道衛星３Ｃ，３Ｄの間で暗号通信を行うことができる。

［作用・効果］
　以上のように、暗号鍵共有システム１Ｂは、距離の離れた２機の低軌道衛星３Ｃ，３Ｄの間で、多量の暗号鍵を共有できる。すなわち、暗号鍵共有システム１Ｂは、通信成立条件が限定的であった低軌道衛星３Ｃ，３Ｄの間でも安定的に暗号鍵を共有できる。これにより、暗号鍵共有システム１Ｂは、多くの低軌道衛星間で暗号鍵を共有でき、衛星コンステレーション上での大容量の秘匿通信が可能となる。

（第３実施形態）
［暗号鍵共有システムの概要］
　図８を参照し、第３実施形態に係る暗号鍵共有システム１Ｃの概要について説明する。
　図８に示すように、暗号鍵共有システム１Ｃは、前記した暗号鍵共有サブシステム１１Ｂを組み合わせたものである。なお、低軌道衛星３Ａは、暗号鍵共有サブシステム１１Ｂで共用することとする。また、図８では、図面を見やすくするため、２機の静止衛星２（２Ａ，２Ｂ）の図示を省略した。

　つまり、暗号鍵共有システム１Ｃでは、図８（ａ）に示すように、まず低軌道衛星３Ａと地上局３Ｂとの間で静止衛星２Ａを介して鍵Ｋ_１を共有し、次に低軌道衛星３Ａ，３Ｃの間で静止衛星２Ｂを介して鍵Ｋ_３を共有する。これによって、暗号鍵共有システム１Ｃは、図８（ｂ）に示すように、鍵Ｋ_３を用いて、所望の送信データＳ（例えば、センサによる観測データ）を低軌道衛星３Ｃから低軌道衛星３Ａまで秘匿送信する。次に、暗号鍵共有システム１Ｃは、鍵Ｋ_１を用いて、送信データＳを低軌道衛星３Ａから地上局３Ｂまで秘匿送信できる。

［暗号鍵共有システムの動作］
　図９，図１０を参照し、暗号鍵共有システム１Ｃの動作について説明する。
　ステップＳ２０，Ｓ２１の処理は、図７と同様のため、説明を省略する。
　ステップＳ１，Ｓ２の処理は、図５と同様のため、説明を省略する。

　ステップＳ２２～Ｓ３２の処理は、図７と同様のため、説明を省略する。なお、図９，図１０では、鍵Ｋ_３，Ｋ_４の排他的論理和で求めた計算データをα_１として図示した。
　ステップＳ３～Ｓ１３の処理は、図５と同様のため、説明を省略する。なお、鍵Ｋ_１，Ｋ_２の排他的論理和で求めた計算データをα_２として図示した。

　ステップＳ３３において、低軌道衛星３Ｃは、送信データＳと鍵Ｋ_３との排他的論理和で秘匿化データβ_１を求める。
　ステップＳ３４において、低軌道衛星３Ｃは、秘匿化データβ_１を低軌道衛星３Ａに送信する。

　ステップＳ３５において、低軌道衛星３Ａは、秘匿化データβ_１とステップＳ３１で記憶した鍵Ｋ_３との排他的論理和を求め、送信データＳを復号する。さらに、低軌道衛星３Ａは、送信データＳと鍵Ｋ_１との排他的論理和で秘匿化データβ_２を求める。

　ステップＳ３６において、低軌道衛星３Ａは、秘匿化データβ_２を地上局３Ｂに送信する。
　ステップＳ３７において、地上局３Ｂは、秘匿化データβ_２とステップＳ１２で記憶した鍵Ｋ_１との排他的論理和を求め、送信データＳを復号する。

［作用・効果］
　このように、暗号鍵共有システム１Ｃでは、２つの低軌道衛星３Ａ，３Ｃ及び地上局３Ｂの間で安定的に鍵を共有できるので、衛星コンステレーションと地上局３Ｂとの間で大容量の秘匿通信が可能となる。その結果、暗号鍵共有システム１Ｃでは、観測・監視衛星上の大量のセンサデータを秘匿に地上局へ送信できる。すなわち、暗号鍵共有システム１Ｃでは、暗号通信によるデータ中継を低軌道衛星コンステレーション上で行うことで、地上局３Ｂに安全なデータ通信を行うことができる。

　さらに、暗号鍵共有システム１Ｃでは、衛星コンステレーション上において、光通信を用いることでＲＦ通信よりも高速でデータ中継を行うことができる。
また、暗号鍵共有システム１Ｃでは、低軌道衛星３Ａ，３Ｃと地上局３Ｂとの間において、気象条件の影響を受けにくいＲＦ通信を行うことで、可用性の高いデータダウンリンクを実現できる。

　なお、暗号鍵共有システム１Ｃでは、低軌道衛星の台数を３機以上に増やすこともできる。また、図９，図１０では、暗号鍵共有サブシステム１１Ｂそれぞれの静止衛星２Ａ，２Ｂを図示したが、１機の静止衛星２を共用してもよい。

（第４実施形態）
［暗号鍵共有システムの概要］
　図１１を参照し、第４実施形態に係る暗号鍵共有システム１Ｄの概要について説明する。
　この暗号鍵共有システム１Ｄは、図８の暗号鍵共有システム１Ｃによる鍵共有をさらに応用したものである。図１１に示すように、暗号鍵共有システム１Ｄは、静止衛星２と、１機の第１ノード（ノード３_１）と、ｎ－１機でグループを構成する第２ノード（ノード３_２～３_ｎ）とを備える（但し、ｎは２以上の自然数）。本実施形態では、ノード３_１が低軌道衛星であり、ノード３_２が地上局であり、ノード３_３が海上局であり、ノード３_ｎが航空局であることとする。なお、ノード３の構成は、同一であることとする（図２，図４参照）。

　海上局とは、海上に配置されたノード３である。例えば、海上局は、海上の所定位置に固定された固定局、又は、移動する船舶などに搭載された移動局である。
　航空局とは、飛行機や気球に搭載されたノード３である。

　図１１（ａ）に示すように、暗号鍵共有システム１Ｄは、静止衛星２とノード３_１～３_ｎとの間で、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、ノード３_１～３_ｎの鍵Ｋ_１～Ｋ_ｎをそれぞれ共有する。

　次に、図１１（ｂ）に示すように、暗号鍵共有システム１Ｄは、静止衛星２において、乱数Ｒを生成し、生成した乱数Ｒをｎ－１個複製する。また、暗号鍵共有システム１Ｄは、それぞれの乱数Ｒを鍵Ｋ_２～Ｋ_ｎで秘匿化（例えば、ワンタイムパッド暗号化）し、グループを構成するノード３_２～３_ｎに送信する。ノード３_２～３_ｎは、乱数Ｒをグループ鍵として共有する。

　次に、図１１（ｃ）に示すように、暗号鍵共有システム１Ｄは、ノード３_１において、送信データＳを鍵Ｋ_１で秘匿化（例えば、ワンタイムパッド暗号化）し、静止衛星２に送信する。また、暗号鍵共有システム１Ｄは、静止衛星２において、受信した送信データＳを復号した後、グループ鍵Ｒで秘匿化し、ノード３_２～３_ｎにマルチキャストで送信する。

［暗号鍵共有システムの動作］
　図１２，図１３を参照し、暗号鍵共有システム１Ｄの動作について説明する。
　ステップＳ４０～Ｓ４３の処理は、及び、ステップＳ４４～Ｓ４７の処理は、それぞれ、図５のステップＳ１～Ｓ４と同様のため、説明を省略する。

　ステップＳ４８において、静止衛星２の鍵管理部２１は、グループ鍵Ｒを乱数で生成する。
　ステップＳ４９において、静止衛星２の鍵管理部２１は、生成したグループ鍵Ｒとノード３_ｎの鍵Ｋ_ｎとの排他的論理和で計算データα_ｎを求める。
　ステップＳ５０において、静止衛星２は、認証付き公開通信路５を介して、計算データα_ｎをノード３_ｎに送信する。

　ステップＳ５１において、ノード３_ｎは、計算データα_ｎとステップＳ４７で記憶した鍵Ｋ_ｎとの排他的論理和を求め、グループ鍵Ｒを復号する。
　ステップＳ５２において、ノード３_ｎは、グループ鍵Ｒの共有完了を静止衛星２に通知する。

　ステップＳ５３において、ノード３_１は、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、鍵Ｋ_１で送信データＳを秘匿化する。なお、鍵Ｋ_１で秘匿化した送信データＳを秘匿化データβ_３とする。
　ステップＳ５４において、ノード３_１は、認証付き公開通信路５を介して、秘匿化データβ_３を静止衛星２に送信する。

　ステップＳ５５において、静止衛星２の鍵管理部２１は、秘匿化データβ_３とステップＳ４３で記憶した鍵Ｋ_１との排他的論理和を求め、送信データＳを復号する。さらに、静止衛星２の鍵管理部２１は、送信データＳとステップＳ４８で記憶したグループ鍵Ｒとの排他的論理和で秘匿化データβ_４を求める。

　ステップＳ５６において、静止衛星２は、認証付き公開通信路５を介して、秘匿化データβ_４をノード３_ｎに送信する。
　ステップＳ５７において、ノード３_ｎは、計算データα_ｎとグループ鍵Ｒとの排他的論理和を求め、送信データＳを復号する。

［作用・効果］
　以上のように、暗号鍵共有システム１Ｄは、第１実施形態と同様、暗号鍵を共有可能な距離が長く、多量の暗号鍵を共有できる。さらに、暗号鍵共有システム１Ｄは、ノード３_１が有する送信データＳをノード３_２～３_ｎで安全に共有できる。

（第５実施形態）
［暗号鍵共有システムの概要］
　図１４を参照し、第５実施形態に係る暗号鍵共有システム１Ｅについて説明する。
　図１４に示すように、暗号鍵共有システム１Ｅは、３機の静止衛星２（２Ａ，２Ｃ，２Ｂ）を中継することで、全地球規模で鍵共有を実現したものである。具体的には、暗号鍵共有システム１Ｅは、見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって地上局３Ｅ，３Ｆの間を複数の静止衛星２Ａ，２Ｃ，２２Ｂで中継し、静止衛星２Ａ～２Ｃの間でも鍵Ｋ_１を秘匿化して送受信するための鍵鍵Ｋ_２，Ｋ_３を共有することで、地上局３Ｆにおいて、鍵Ｋ_１を復号する。

　地球Ｅの反対側に位置する地上局３Ｅ，３Ｆの間では、海底光ケーブルを介した通信が必要となるが、中継増幅器を備えているために光の量子状態が破壊されてしまい、量子鍵配送が機能しない。また、量子中継器が実現できれば、海底光ケーブルを介した鍵共有が可能になるが、量子中継器の実用化時期は見通せていない。

　そこで、暗号鍵共有システム１Ｅは、中継用の静止衛星２Ｃをさらに配置し、第３実施形態と同様、２つの暗号鍵共有システム１を組み合わせることで、全地球規模で鍵共有を実現している。図１４に示すように、暗号鍵共有システム１Ｅは、静止衛星２Ａ～２Ｃと、地上局３Ｅ，３Ｆとを備える。

［暗号鍵共有システムの構成］
　図１５を参照し、暗号鍵共有システム１Ｅの構成について説明する。なお、図１５では、中継用の静止衛星２Ｃと静止衛星２Ａ，２Ｂとの組を暗号鍵共有サブシステム１２として抜粋した。なお、地上局３Ｅ，３Ｆの構成は、図４の地上局３Ｂと同様のため、説明を省略する。

＜中継用の静止衛星＞
　図１５に示すように、静止衛星２Ｃは、図４の地上局３Ｂと同様の構成であり、見通し通信部３０Ｅと、鍵管理部３１Ｂと、データ通信部３２とを備える。
　また、見通し通信部３０Ｅは、送信光学部３００と、鍵蒸留部３１０Ｂと、通信路状態モニタリング部３２０Ｅとを備える。

　通信路状態モニタリング部３２０Ｅは、プローブ光４１を通信路状態モニタリング部２２０に照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部３２０Ｅは、通信路状態モニタリング部２２０Ｅが照射したプローブ光４１Ｅを観測することで、見通し通信路４の状態を測定する。

＜静止衛星＞
　図１５に示すように、静止衛星２Ａ，２Ｂは、図２の静止衛星２と同様の構成であり、見通し通信部２０Ｅと、鍵管理部２１と、データ通信部２２とを備える。
　また、見通し通信部３０Ｅは、受信光学部２００と、鍵蒸留部２１０と、通信路状態モニタリング部２２０Ｅとを備える。

　通信路状態モニタリング部２２０Ｅは、プローブ光４１Ｅを通信路状態モニタリング部３２０Ｅに照射する一般的なものである。また、通信路状態モニタリング部２２０Ｅは、通信路状態モニタリング部２２０Ｅが照射したプローブ光４１を観測することで、見通し通信路４の状態を測定する。

［暗号鍵共有システムの動作］
　図１６を参照し、暗号鍵共有システム１Ｅの動作について説明する。
　図１６に示すように、ステップＳ６０において、静止衛星２Ｃは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２Ａに送信する。
　ステップＳ６１において、静止衛星２Ａ，２Ｃは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_２を生成、共有する。
　ステップＳ６２において、静止衛星２Ａは、鍵Ｋ_２を記憶する。
　ステップＳ６３において、静止衛星２Ｃは、鍵Ｋ_２を記憶する。

　ステップＳ６４において、地上局３Ｆは、見通し通信路４により乱数ビットを静止衛星２Ｂに送信する。
　ステップＳ６５において、静止衛星２Ｂ及び地上局３Ｆは、鍵蒸留処理により安全な鍵Ｋ_４を生成、共有する。
　ステップＳ６６において、静止衛星２Ｂは、鍵Ｋ_４を記憶する。
　ステップＳ６７において、地上局３Ｆは、鍵Ｋ_４を記憶する。

　ステップＳ６８～Ｓ７１の処理は、ステップＳ６４～Ｓ６７の処理と同様のため、説明を省略する。なお、静止衛星２Ａと地上局３Ｅとの間で共有する暗号鍵を鍵Ｋ_１とする。
　ステップＳ７２～Ｓ７５の処理は、ステップＳ６０～Ｓ６２の処理と同様のため、説明を省略する。なお、静止衛星２Ｂ，２Ｃの間で共有する暗号鍵を鍵Ｋ_３とする。

　ステップＳ７６において、静止衛星２Ａは、ステップＳ６２，Ｓ７１で記憶した鍵Ｋ_１，Ｋ_２の排他的論理和を計算データＫ_Ａとして求める。
　ステップＳ７７において、静止衛星２Ａは、認証付き公開通信路５を介して、計算データＫ_Ａを静止衛星２Ｃに送信する。

　ステップＳ７８において、静止衛星２Ｃは、計算データＫ_ＡとステップＳ６３で記憶した鍵Ｋ_２との排他的論理和を計算することによって、地上局３Ｅの鍵Ｋ_１を復号する。さらに、静止衛星２Ｃは、鍵Ｋ_１とステップＳ７４で記憶した鍵Ｋ_３の排他的論理和を計算データＫ_Ｂとして求める。
　ステップＳ７９において、静止衛星２Ｃは、認証付き公開通信路５を介して、計算データＫ_Ｂを静止衛星２Ｂに送信する。

　ステップＳ８０において、静止衛星２Ｂは、計算データＫ_ＢとステップＳ７５で記憶した鍵Ｋ_３との排他的論理和を計算することによって、地上局３Ｅの鍵Ｋ_１を復号する。さらに、静止衛星２Ｃは、鍵Ｋ_１とステップＳ６６で記憶した鍵Ｋ_４の排他的論理和を計算データＫ_Ｃとして求める。
　ステップＳ８１において、静止衛星２Ｂは、認証付き公開通信路５を介して、計算データＫ_Ｃを地上局３Ｆに送信する。

　ステップＳ８２において、地上局３Ｆは、計算データＫ_ＣとステップＳ６７で記憶した鍵Ｋ_４との排他的論理和を計算することによって、地上局３Ｅの鍵Ｋ_１を復号する。
　ステップＳ８３において、地上局３Ｆは、鍵Ｋ_１を記憶する。
　ステップＳ８４において、地上局３Ｆは、鍵Ｋ_１の共有完了を地上局３Ｅに通知する。

［作用・効果］
　以上のように、暗号鍵共有システム１Ｅでは、鍵Ｋ_２～Ｋ_４を用いて、地上局３Ｅの鍵Ｋ_１を秘匿化して３ホップでリレーすることで、地球Ｅの反対側に位置する地上局３Ｆまで送信できる。これにより、暗号鍵共有システム１Ｅでは、地上局３Ｅ，３Ｆの間で鍵Ｋ_１を共有できる。低軌道衛星を暗号鍵リレーする場合に比べて、暗号鍵共有システム１Ｅは、地球Ｅの反対側にある地上局３Ｅ，３Ｆの間でも、はるかに安定的に大量の鍵を配送できる。

　各実施形態に係る暗号鍵共有システム１～１Ｅによれば、様々な軌道上の衛星からなる衛星コンステレーションと、地上局、海上局、航空局などからなるグローバルネットワーク上において、特に効果を発揮する。各実施形態に係る暗号鍵共有システム１～１Ｄを各衛星本体に適用することで、衛星本体のＴＴＣ（Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ，Ｔｒａｃｋｉｎｇ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ）や宇宙からの観測データ、宇宙での保管データ、宇宙経由のデータの安全な秘匿通信のための鍵共有を、打ち上げ後においてもセキュリティレベルに応じて柔軟に設定できる。さらに、機能を集約的に管理する静止衛星を用いて、様々な軌道上の衛星からなる衛星コンステレーションのＴＴＣや各種データの安全な秘匿通信のための鍵共有も統括できる。

　さらに、前記の宇宙からの観測データには、地球観測データの他、惑星観測データ、宇宙状況監視データが含まれるものとしてもよい。また前記の安全な秘匿通信の対象となる各種データには、宇宙からの観測データの他、宇宙での保管データ、宇宙経由のデータが含まれるものとしてもよい。

１　暗号鍵共有システム
２　静止衛星
３　ノード
３Ａ　低軌道衛星
３Ｂ　地上局
４　見通し通信路
５　認証付き公開通信路
２０　見通し通信部
２１　鍵管理部
２２　データ通信部
３０　見通し通信部
３１　鍵管理部
３２　データ通信部

Claims (6)

1. 　静止衛星によって中継された見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号によって、第１ノードと第２ノードとの間で暗号鍵を共有するための暗号鍵共有システムであって、
   　前記静止衛星は、前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間でそれぞれ第１暗号鍵及び第２暗号鍵を共有し、前記第１暗号鍵と第２暗号鍵との排他的論理和で計算し、計算結果を、認証付き公開通信路を介して前記第２ノードに送信し、
   　前記第２ノードは、前記計算結果と前記第２暗号鍵との排他的論理和を計算することで、前記第１暗号鍵を復号することを特徴とする暗号鍵共有システム。
2. 　前記第１ノード及び前記第２ノードのそれぞれは、１機以上の地上局、低軌道衛星、海上局、航空局の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の暗号鍵共有システム。
3. 　前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって前記第１ノードと前記第２ノードとの間を複数の前記静止衛星で中継し、前記静止衛星の間でも前記第１暗号鍵を秘匿化して送受信するための暗号鍵を共有することで、前記第２ノードにおいて、前記第１暗号鍵を復号することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の暗号鍵共有システム。
4. 　前記第１ノードは、前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号によって前記静止衛星との間で共有した暗号鍵を用いて送信データを秘匿化して、前記静止衛星に送信し、
   　前記静止衛星は、前記暗号鍵を用いて前記送信データを復号し、グループ鍵を乱数で生成し、復号された前記送信データを前記グループ鍵で秘匿化して、前記認証付き公開通信路を介して、グループを構成する各第２ノードに送信し、
   　前記静止衛星は、前記各第２ノードとの間で共有された前記第２暗号鍵を用いて前記グループ鍵を秘匿化し、秘匿化されたグループ鍵を、前記認証付き公開通信路を介して前記各第２ノードに送信し、
   　前記各第２ノードは、前記秘匿化されたグループ鍵と前記第２暗号鍵との排他的論理和を用いて前記グループ鍵を復号し、復号した前記グループ鍵と秘匿化された前記送信データとの排他的論理和で前記送信データを復号することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の暗号鍵共有システム。
5. 　前記静止衛星は、
   　前記見通し通信量子鍵配送又は前記物理レイヤ暗号により、前記第１暗号鍵及び前記第２暗号鍵を共有する見通し通信部と、
   　前記第１暗号鍵と前記第２暗号鍵との排他的論理和の計算データを求める鍵管理部と、
   　前記認証付き公開通信路を介して、前記鍵管理部が求めた計算データを前記第２ノードに送信するデータ通信部と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の暗号鍵共有システム。
6. 　前記第２ノードは、
   　見通し通信量子鍵配送又は物理レイヤ暗号により、前記静止衛星との間で前記第２暗号鍵を共有する見通し通信部と、
   　前記認証付き公開通信路を介して、前記第１暗号鍵と前記第２暗号鍵との排他的論理和の計算データを前記静止衛星から受信するデータ通信部と、
   　前記データ通信部が受信した計算データと前記第２暗号鍵との排他的論理和で前記第１暗号鍵を復号する鍵管理部と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の暗号鍵共有システム。

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