光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法
【課題】信号処理速度を犠牲にせずに、使用する乱数量を削減して、低廉簡易なシステム構成とする。
【解決手段】この量子暗号鍵配付システムは、Ａlice（送信機）１とＢob（受信機）３との双方に設けられ、予め決められたブロック（空間的時間的範囲）内の複数の光パルスには同じ値の変調を施す位相変調器（変調器）１４、３１と、Ｂob３に設けられ、ビットとして暗号鍵情報を付与された光パルスを検出するための光パルス検出器３５、３６と、Ａlice１とＢob３との双方に設けられ、光パルス検出器３５、３６にて同一のブロック内で複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与されたビットの全部又は一部を破棄する鍵情報破棄手段プロセッサ（鍵情報破棄手段）１７、３７とを備えている。
【解決手段】この量子暗号鍵配付システムは、Ａlice（送信機）１とＢob（受信機）３との双方に設けられ、予め決められたブロック（空間的時間的範囲）内の複数の光パルスには同じ値の変調を施す位相変調器（変調器）１４、３１と、Ｂob３に設けられ、ビットとして暗号鍵情報を付与された光パルスを検出するための光パルス検出器３５、３６と、Ａlice１とＢob３との双方に設けられ、光パルス検出器３５、３６にて同一のブロック内で複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与されたビットの全部又は一部を破棄する鍵情報破棄手段プロセッサ（鍵情報破棄手段）１７、３７とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ量子暗号鍵を配布する光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットトラフィックの急激な成長が継続している現状において、伝送帯域を向上させることは最重点課題の一つである。このことは、基幹系光ネットワークにおいても例外ではなく、伝送路や中継器を増設することなく既存のインフラを利用して伝送容量を拡大するために、様々な研究機関が１搬送波当たりの信号速度の高速化に取り組み、実際の商用伝送システムでも信号速度は高速化し続けている。
【０００３】
一般的な光通信技術では、主として２値振幅変調(Amplitude Shift Keying、以下、ＡＳＫという)方式が採用されているため、１ビット当たりのタイムスロットを短くすることによって１搬送波当たりの信号速度を向上させるアプローチが主流であった。しかしながら、１搬送波当たりの信号速度が１０Gb/sを超える頃から、ＡＳＫのみに依存する高速化開発は超え難き壁に直面した感がある。
【０００４】
ＡＳＫ方式による高速化を阻む要因の一つとして、光伝送路特有の波長分散による波形劣化を挙げることができる。波長分散とは、伝送路で生じる伝播遅延時間が信号光波長によって異なる現象のことである。信号光スペクトルは特定の波長範囲を有しているため、同一信号光内の短波長成分と長波長成分とが伝送中に異なる波長分散値を蓄積し、伝送後にはこの蓄積分散によって伝播遅延差、つまり波形歪みが生じるのである。ＡＳＫ信号について考察すると、信号光スペクトルは変調速度に比例するため、信号速度が速くなる程、波長分散による波形歪みが大きくなる。一方、信号速度が速くなる程、１タイムスロットが短くなるため、同一量の波形歪み(伝播遅延差)を受ける場合でも、高速信号である程、この影響を大きく受けることになる。それゆえ、ＡＳＫ方式では、伝送特性は信号速度の２乗に比例して劣化する、という問題を抱えている。
【０００５】
そこで、ＡＳＫ方式に代わる別のアプローチとして、１タイムスロットで表す状態を多値化して伝送帯域を向上させて、高速化を実現する技術も注目を集めている。例えば、非特許文献１の技術では、光の位相を４値変調することで伝送帯域を向上させ、また、非特許文献２、３の技術では、光の強度及び位相の両方を変調する振幅移送変調(ＡＰＳＫ: Amplitude Phase Shift Keying)方式を用いて１シンボル(１搬送波及び１タイムスロット)で多くのデジタルビット数を表現している。
【０００６】
ここで、光信号の位相を変調する場合、光信号をフォトダイオード(Photo Diode)等の光電変換モジュールで直接検波するだけでは位相情報が抽出できないため、受信側で参照光と信号光を干渉させた後に干渉後の光強度を読み取る等の検出方法を採る必要がある。
図７は、第１の関連技術として、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(Differential Phase Shift、以下、ＤＰＳという)方式を説明するための概念図で、特に、ＤＰＳ信号の復号化を示している。このＤＰＳ方式では、受信側に、１ビット遅延の関係を有する二光線束を干渉させるためのマッハ・ツエンダー（Mach-Zehnder）干渉計７１と、該マッハ・ツエンダー干渉計７１の遅延量を温度で制御する温度調整器７２とを設け、連続する２ビットの光信号パルスＰａ（同図の枠Ａ）を干渉させて「０」又は「π」の位相情報を取り出すようにしている。ここで、前後２ビットの光信号パルスＰａの位相差が０なら、干渉後は、同図の枠Ｂに示すように、光信号パルスＰｂとしてポート０に出力され、一方、前後２ビットの光信号パルスＰａの位相差がπなら、干渉後は、同図の枠Ｃに示すように、光信号パルスＰｃとしてポート１に出力される。
【０００７】
光信号の位相変調を利用する通信システムとして、量子暗号鍵配付(ＱＫＤ：Quantum Key Distribution、量子暗号通信ともいう)技術を挙げることもできる（特許文献１、２、３）。量子暗号鍵配付方式では一般に通信媒体として単一光子を用い、光子の量子状態に情報を載せて伝送を行う。このとき、伝送路の盗聴者が伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見したとする。ところで、光子の量子状態は、１度観測（盗聴）されると、ハイゼンベルグの不確定性原理により、必ず、別の量子状態に変化するので、正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。それゆえ、この変化を検出することにより、受信者は、盗聴の有無を確実に検出することができる。
【０００８】
量子暗号鍵配付（ＱＫＤ）方法では、例えば、送信者Ａliceと受信者Ｂobとで光学干渉計を組織し、各々の光子に、送信者Ａlice及び受信者Ｂobとでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって「０」又は「１」の出力データを得、この後、出力データを測定したときの条件の一部分を、送信者Ａliceと受信者Ｂobとで照合することによって、最終的に、送信者Ａlice-受信者Ｂob間で、同一ビット列を量子鍵として共有することができる。
【０００９】
図８は、第２の関連技術として、単一方向型の量子暗号鍵配布システムの概略構成とその動作原理を示す模式図である。
このシステムでは、同図に示すように、送信機であるＡlice８ａと、光伝送路９と、該光伝送路７ａを介してＡlice８ａから量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob９ａとから概略構成されている。
上記Ａlice８ａは、パルス光源８１と、１ビット遅延干渉計８２と、温度調整器（ＴＥＣ）８３と、位相変調器（Ｍｏｄ）８４と、２系統の乱数源（ＲＮＤ）８５、８６と、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）８７とから概略構成されている。また、Ｂob９ａは、位相変調器（Ｍｏｄ）９１と、１ビット遅延干渉計９２と、温度調整器（ＴＥＣ）９３と、光子検出器（ＰＤ）９４、９５と、乱数源（ＲＮＤ）９６とから概略構成されている。
【００１０】
Ａlice８ａとＢob９ａとの双方が備える１ビット遅延干渉計８２、９２は、一方向型の光干渉計であり、例えば、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計８１３から構成されている。温度調整器（ＴＥＣ）８３、９３は、１ビット遅延干渉計８２、９２を温度制御して、遅延量を１ビットに設定する。このような構成により、Ａlice８ａからＢob９ａへに対して、光伝送路７ａを介して、一方向通信が可能となっている（特許文献２）。第２の関連技術では、図８に示すように、Ａlice８ａ側も１ビット遅延干渉計８２を備えるようにしたのは、ＤＰＳ方式を採用する第１の関連技術のように、隣接ビット間に情報を載せる方式では、ローカルオシレータを準備した盗聴者によって盗聴される虞があり、そうなると、暗号鍵配付の安全性が損なわれるためである。
【００１１】
Ａlice８ａでは、図８に示すように、パルス光源８１が光パルス列(ΔＴ間隔)Ｐｄを発生する。この光パルス列(ΔＴ間隔)Ｐｄは、１ビット遅延干渉計８２によって遅延量ΔＴの２連パルス列Ｐｅへと変換され、位相変調器８４によって各々のパルス対の間にφＡの位相差を与えるように変調Ｐｆを施される。例えば、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる量子暗号鍵配付（ＱＫＤ）アルゴリズムでは、位相差φＡは０、π、π/２、３π/２の４値の値を採り、各パルス対に対して、この４値がランダムに割り当てられる。各パルス対に対して、π、π/２、３π/２の４値をランダムに割り当てるために、上記したように、Ａlice８ａ内には２系統の乱数源８５、８６と、これらの乱数を足し合わせるＤＡＣ８７が設けられている。
【００１２】
Ｂob９ａでは、光伝送路７ａを介して、Ａlice８ａから送られてきた光信号パルスＰｆに対し、位相変調器９１によって再びパルス対の間にφＢの位相差を与えるように変調Ｐｇを施し、遅延量ΔＴの１ビット遅延干渉計９３を用いてパルス対を干渉させ、干渉結果Ｐｈ，Ｐｉを光子検出器９４、９５で読み取る構成となっている。Ｂob９ａ側の位相変調は０、π/２の２値をランダムに割り当てて行われ、上記したように、このための乱数源９６を備えている。パルス対Ｐｇの位相差Δφ（＝φＡ＋φＢ）が０なら、干渉後の光信号パルスＰｈは、光子検出器９４に出力され、パルス対の位相差Δφがπなら、干渉後の光信号パルスＰｉは、光子検出器９５に出力される。
【００１３】
しかしながら、第２の関連技術では、現在のところ、光子検出器（ＰＤ）９４、９５の動作速度制限から、システムの繰り返し周波数(１/ΔＴ)は１GHz程度までの高速化が実現されているものの、この動作速度に対応する１ビット遅延干渉計の遅延量は〜５００pｓ(〜１０ｃｍ)と非常に長く、安定した特性を得るためには干渉計の温度制御を０.０１Ｋ単位で行う必要がある、等の問題を抱えている。
【００１４】
また、非特許文献４には、第３の関連技術として、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる量子暗号鍵配布アルゴリズムが示されている。
図９は、第３の関連技術としてのＢＢ８４プロトコル（量子暗号鍵配布アルゴリズム）を説明するための説明図である。
この方法では、４通りの量子状態を利用する。Ａlice８ｂが、乱数１を発生する図示せぬ第１の乱数源と乱数２を発生する図示せぬ第２の乱数源とを持ち、乱数１で「０」又は「１」の暗号鍵データを表し、乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法（基底）を決定するようにしている。
コヒーレントな２パルス間の位相差を利用して４状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法では、図９に示すように、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組（コーディングセット）を表す基底（該基底を「Ｘ基底」と称する）と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す基底(該基底を「Ｙ基底」と称する)との２組の基底を乱数２で選択する。
つまり、Ａlice８ｂは、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路７ｂ経由でＢob９ｂへ送信する。一方、Ｂob９ｂでは、同図に示すように、基底に対応する乱数３を発生する図示せぬ乱数源を持ち、Ａlice８ｂから送られてきた光子に対してデコードを行う。
【００１５】
Ｂob９ｂでは、乱数３の値が「０」であるときは、光子に対して位相０(Ｘ基底)の変調を施す一方、乱数３の値が「１」であるときには、位相π/２(Ｙ基底)の変調を施す構成とされている。Ｂob９ｂの乱数４には、Ｂob９ｂの光学干渉計出力として得られる乱数が例示されている。Ａlice８ｂ/Ｂob９ｂの両方が施した変調の基底が同一であるときは(Ａlice８ｂ側の乱数２＝Ｂob９ｂ側の乱数３)、同図に示されるように、乱数１の値をＢob９ｂは正しく検出することができる(Ａlice８ｂ側の乱数１＝Ｂob９ｂ側の乱数４)。これに対して、Ａlice８ｂ/Ｂob９ｂの両者が施した変調の基底が異なるときは(Ａlice８ｂ側の乱数２≠Ｂob９ｂ側の乱数３)、Ａlice８ｂ側の乱数１の値に依らず、Ｂob９ｂは乱数４として「０」又は「１」の値をランダムに得る。
【００１６】
乱数１、２、３は、共に、１ビット毎に変化する乱数であるため、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となるが、後段の基底照合(Basis Reconciliation)の処理によって、基底が不一致となるビットを削除するため、Ａlice８ｂとＢob９ｂとは、乱数１に対応する０/１ビット列を量子鍵として共有することができる。ここで、基底不一致ビットを削除する前の暗号鍵を「生鍵」と呼び、基底不一致ビットを削除した後の暗号鍵を「シフト鍵」と呼ぶ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−２２９６０８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８６５５１号公報
【特許文献３】特開２００８−２９４９４６号公報
【非特許文献１】「Gb/s Optical Differential Quadrature Phase Shift Key (DQPSK) Transmission using GaAs/AlGaAs Integration」, R. A. Griffin et al., OFC2002, PD-FD6
【非特許文献２】「Proposal of 8-state Symbol (Binary ASK and QPSK) 30-bit/s Optical Modulation /Demodulation Scheme」, S. Hayase et al., ECOC2003, Th.2.6.4
【非特許文献３】「Quaternary Optical ASK-DPSK and Receivers With Direct Detection」, M. Ohm et al.,IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.1, p.159
【非特許文献４】「Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing」, IEEE Int. Conf.on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p.1７５, Bennet, Brassard
【非特許文献５】「Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication」, W. Y. Hwang, Physical Review Letters, Vol.91, 057901
【非特許文献６】「Reduced randomness in quantum cryptography with sequences of qubits encoded in the same basis」, L.-P. Lamoureux et al., Physical Review A, Vol.73, 032304
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、量子暗号鍵配付の鍵生成速度向上は、光子信号を送信するパルス繰り返し周波数を高くしたり、波長分割多重(ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing)技術等を利用して複数の光子伝送を並列に送る等の方法を採ることにより実現できるが、これに伴い使用する乱数の量が増加する、という問題が生じる。一例として光パルスの繰り返し周波数をＦ[Hz]とすると、図９に示すように、Ａlice側には２*Ｆ[Hz]、Ｂob側にはＦ[Hz]の乱数発生器が必要となる。非特許文献５に記載のデコイ（Decoy）法を適用すると、必要となる乱数量はさらに増加する。デコイ法では、４値の強度(平均光子数)を表すためには、最低でも２ビットの乱数が必要となるため、Ａlice側に必要な乱数量は４*Ｆ[Hz]となる。一方、これらの乱数は事前に予測可能なものではあってはならないため、疑似乱数は望ましくなく、完全乱数であることが望ましい。しかしながら、完全乱数源として、熱雑音や光子検出を利用した物理乱数モジュールが市販されているものの、その速度は数MHzに留まっているため、光パルスの繰り返し周波数Ｆが数GHzに至るような高速システムを実現することは難しく、それゆえ、使用する乱数量を削減する方法が要望されている。
【００１９】
非特許文献６では、ビット列をブロック毎に区切り(Ｎビットを１ブロックとする)、ブロック毎に基底変調を一定値とすることによって乱数量を削減する方法が提唱されている。しかしながら、非特許文献６の方法では、信号処理を行う際の符号長(Ｍビットを符号長とする)に対してＮビットが十分小さい場合を想定しており、換言すると、充分長い符号長での信号処理が必要となる。一方、信号処理の中には、第４の関連技術として、図１０に示すようなランダムパーミュテーションや、第５の関連技術として、図１１に示すような秘匿性増強といった、符号長に応じて飛躍的に処理時間が長くなる処理があるため、符号長は可能な限り短くする必要がある。また、この際のＮビットとＭビットの関係が満たすべき条件に関しては、非特許文献６中には言及されていない。それゆえ、非特許文献６の技術では、乱数量を削減できるものの、その分、ランダムパーミュテーションや秘匿性増強処理に過大の時間を要し、全体として、高速システムを実現することが困難である。
【００２０】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、信号処理の際の符号長の増大を招くことなく（したがって、信号処理時間を長くすることなく）、加えて、システム性能も落とさずに、使用する乱数量を削減でき、もって、低廉コストかつ簡易に具現できる光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法、並びにプログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、この発明の第１の構成は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムに係り、前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、予め決められた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴としている。
【００２２】
この発明の第２の構成は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法に係り、前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、予め決めた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、前記受信機にて、前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄処理とを含んでなることを特徴としている。
【００２３】
この発明の第３の構成は、受信機が、前記光通信システムを構成する前記変調器と、前記光パルス検出器と、前記破棄手段とを備えてなることを特徴としている。
【００２４】
この発明の第４の構成は、送信機が、前記光通信システムを構成する前記変調器と、前記受信機の前記破棄手段の動作結果に基づいて、動作する前記破棄手段を備えてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の構成によれば、複数の光子パルスに対して同じ基底変調を施すことで使用する乱数量を大幅に削減する構成としたので、乱数源モジュールの搭載量や構成部品数を削減することができる。とりわけ、量子暗号鍵配付（量子暗号通信）システムにＷＤＭ技術を適用する際には、安価な構成でシステムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同システムで、ブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
【図３】この発明の第２の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、同システムで、波長毎に光子が独立に検出される様子を説明するための概念図である。
【図５】この発明の第３の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の第４の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図７】第１の関連技術として、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(ＤＰＳ)方式を説明するための図で、特に、ＤＰＳ信号の復号化を示す概念図である。
【図８】第２の関連技術として、単一方向型の量子暗号鍵配布システムの概略構成とその動作原理を示す模式図である。
【図９】第３の関連技術として、ＢＢ８４プロトコル（量子暗号鍵配布アルゴリズム）を説明するための説明図である。
【図１０】第４の関連技術の説明として、量子暗号鍵配付方法に伴う信号処理のうち、ランダムパーミュテーションの説明を行う概念図である。
【図１１】第５の関連技術の説明として、量子暗号鍵配付方法に伴う信号処理のうち、秘匿性増強の説明を行う概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の好適な実施形態（その１）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、複数のビット時間からなるブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調（好適には、基底変調）を施す変調器を設け、前記受信機に、暗号鍵情報を付与された前記光パルス（光子）を検出するための光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
この発明の好適な実施形態（その２）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、複数のビット時間からなるブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記光パルス（光子）を検出するための光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００２８】
この発明の好適な実施形態（その３）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、同一のタイムスロット（ビット時間）内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調（好適には、基底変調）を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記複数波長の光パルス（光子）をそれぞれ検出するための複数の光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００２９】
この発明の好適な実施形態（その４）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記複数波長の光パルス（光子）をそれぞれ検出するための複数の光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００３０】
前記送信機には、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子からなる光パルスを生成する光減衰器を備えるのが好ましい。
【実施形態１】
【００３１】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図、また、図２は、同システムで、ブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
この実施形態は、ＢＢ８４プロトコル対応のシステムに係り、受信機（Ｂob３）側で、時間軸の長さで画定されたブロック内の複数の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光子パルスを検出する光パルス検出器（ゲートモード光子検出器３５、３６）が、同一のブロック内で複数の光子パルスを検出すると、当該ブロックを破棄する構成となっている。以下の説明を容易とするため、この実施形態では、１０ビットを１ブロックとして、ブロック内での基底変調が固定される。
【００３２】
この実施形態の量子暗号鍵配付システムは、図１に示すように、送信機であるＡlice１と、光伝送路２と、該光伝送路２を介してＡlice１から量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob３とから概略構成されている。
Ａlice１は、同図に示すように、光子パルスの生成を行うレーザダイオード(ＬＤ: Laser Diode)１１と、図示せぬ光減衰器と、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計１２と、温度調整器１３と、位相変調器１４と、レーザダイオード１１を駆動するクロック源１５と、乱数源１６と、量子暗号鍵配付プログラム（以下、簡単に、処理プログラムという）と、信号処理を行うプロセッサ１７とから構成されている。
上記光減衰器は、レーザダイオード１１から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子パルスを生成する。マッハ・ツエンダー干渉計１２は、光減衰器によって減衰された光子パルスを時間分離して２連光子パルスを出力する。上記温度調整器１３は、マッハ・ツエンダー干渉計１２の遅延量の温度制御を行う。位相変調器１４は、２つに時間分離した２連光子パルスに所定の位相差を加える機能を備えている。
【００３３】
乱数源１６は、この実施形態では、４通りのランダムな量子状態を利用するため、「０」又は「１」の暗号鍵データを表す乱数１と、基底を決定する乱数２とを発生する。乱数２によって、例えば、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組を表す「Ｘ基底」と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す「Ｙ基底」との２組の基底とが選択的に決定される（図９参照）。
乱数源１６の駆動により、Ａlice１は、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路２経由でＢob３へ送信する。
【００３４】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ１７に読み込まれ、プロセッサ１７の動作を制御する。
上記プロセッサ１７は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＳ１１と、（Ｂob３側の）光子検出器３５、３６がブロック内に複数ビット（光子パルス）を検出すると、当該ブロックを破棄するステップＳ１２（ブロック破棄処理）と、基底照合を行うステップＳ１３と、誤り訂正を行うステップＳ１４と、秘匿性増強を行うステップＳ１５とを実行する。
【００３５】
Ｂob３は、同図に示すように、位相変調器３１と、マッハ・ツエンダー干渉計３２と、温度調整器３３と、乱数源３４と、２つのゲートモード光子検出器（以下、簡単に光子検出器という）３５、３６と、図示せぬ処理プログラムと、信号処理を行うプロセッサ３７とから構成されている。上記乱数源３４は、基底に対応する乱数３を発生し、Ａlice１から送られてきた光子パルスに対してデコードを行う（図９参照）。
上記位相変調器３１は、乱数源３４の駆動に基づいて光伝送路２を介してＡlice１から送られてきた２連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計３２は、位相変調器３１によって再度位相差を与えられた２連光子パルスを合波する。温度調整器３３は、マッハ・ツエンダー干渉計３２の遅延量の温度制御を行う。光子検出器３５、３６は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode、）からなっている。
【００３６】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ３７に読み込まれ、プロセッサ３７の動作を制御する。
上記プロセッサ３７は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＰ１１と、光子検出器３５、３６がブロック内に複数ビット（光子パルス）を検出すると、当該ブロックを破棄するステップＰ１２（ブロック破棄処理）と、基底照合を行うステップＰ１３と、誤り訂正を行うステップＰ１４と、秘匿性増強を行うステップＰ１５とを実行する。
【００３７】
次に、図１及び図２を参照して、上記構成の動作について説明する。
Ａlice１では、図１に示すように、６２５MHzのクロック源１５に同期した光子パルスがレーザダイオード１１によって生成され、２入力２出力の非対称二光線束干渉計であるマッハ・ツエンダー干渉計１２によって、時間分離された２連光子パルスへと変換される。この後、この２連光子パルスの片側の光位相を位相変調器１４で変調することで、２連光子パルスの相対位相差(φＡ)をランダムに生成し、光伝送路２へと送り出す。
【００３８】
２連光子パルスは、光伝送路２を通過してＢob３へと到達し、その片側の光位相が位相変調器３１によって変調される。ここでの位相変調は、乱数源３４の駆動に基づいて、２連光子パルスの相対位相差(φＢ)が０、π/２となるようにランダムに変調を行う。この２連光子パルスを２入力２出力の非対称二光線束干渉計であるマッハ・ツエンダー干渉計３２を用いて合波させることで、Ａlice１及びＢob３で施した変調位相に従って、光子検出器３５、３６において検出される。具体的には、乱数源３４の駆動に基づいて、位相変調器３１によって再度与えられた２連光子パルスの位相差Δφが０なら、干渉後の光子パルスは、光子検出器３５で検出され、２連光子パルスの位相差Δφがπなら、干渉後の光子パルスは、光子検出器３６で検出される。
【００３９】
ここで乱数源３４では、図２に示すように、１０ビットを１ブロックとして、ブロック毎に異なる基底変調を行う。つまり、この実施形態では、ブロック内では、基底変調が固定される。実際には、光伝送路２上の要因により、光子を検出できる確率は１/１０００程度となるが、この実施形態では、説明の簡単のため、１/１０程度の確率で光子を検出できるものとする。受信側では、１０ビットを１ブロックとして基底変調を行い、光子検出を行うが、検出確率が１/１０程度であるため、図２（ａ）に示すように、平均的に１ブロックに１ビットの検出を行うことができる。しかしながら、検出確率はあくまでも平均確率であるため、図２（ｂ）の２ブロック目に示すように、１ブロック中に複数のビットを検出することも起こり得る。
【００４０】
このとき、盗聴者が２ブロック目の情報を集中的に保有していると、安全性の劣化がその分増すので、ブロック破棄処理(図１のステップＰ１２、Ｓ１２)において、（実際に盗聴が検出されていると否とを問わず）この２ブロック目を破棄する。上記の通り、実際には、光子を検出できる確率は１/１０００程度であるため、あるビットを検出できたブロック中に別のビットも検出できる確率は１/１００程度になり、ここでの破棄分は、鍵生成速度に大きな劣化をもたらさないので、支障はない。
【００４１】
このように、この実施形態によれば、ブロック内では、基底変調が固定されるので、使用する乱数量を大幅に削減でき、それゆえ、乱数源モジュールの搭載量や構成部品数を削減することができる。このため、安価で簡易な量子暗号通信システムを構築できる。
【実施形態２】
【００４２】
図３は、この発明の第２の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図、また、図４は、同システムで、波長毎のブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
この実施形態は、波長分割多重(ＷＤＭ)方式採用で、ＢＢ８４プロトコル対応のシステムに係り、受信機（Ｂob６ａ）側で、同一のタイムスロット（ビット時間）内では複数波長の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８が、複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄する構成となっている。
説明の便宜のため、８波長を波長分割多重(ＷＤＭ)技術によって合波して伝送する場合を取り扱う。
【００４３】
この実施形態の量子暗号鍵配付システムは、図３に示すように、送信機であるＡlice４ａと、光伝送路５ａと、該光伝送路５ａを介してＡlice４ａから量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob６ａとから概略構成されている。
Ａlice４ａは、同図に示すように、互いに異なる波長λ１、λ２、…λ８を有する８波長の光子パルスの生成を行う、８個のレーザダイオード(ＬＤ)４１１、４１２、…、４１８と、図示せぬ８個の光減衰器と、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計４２と、温度調整器（ＴＥＣ）４３と、８個の位相変調器（Ｍｏｄ）４４１、４４２、…、４４８と、クロック源４５１、４５２、…、４５８と、可変遅延器４６１、４６２、…、４６８と、位相変調器４４１、４４２、…、４４８を駆動する乱数源４７と、例えば、ＷＤＭフィルタからなる光合波器４８１、４８２と、ＷＤＭフィルタからなる光分波器４８３と、量子暗号鍵配付プログラム（以下、簡単に、処理プログラムという）と、信号処理をおこなうプロセッサ４９とから構成されている。
【００４４】
上述の各レーザダイオード(ＬＤ)４１１、４１２、…、４１８は、対応する波長の光子パルスを生成する。各クロック源４５１、４５２、…、４５８は、対応するレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８を駆動する。各可変遅延器４６１、４６２、…、４６８は、対応するクロック源４５１、４５２、…、４５８からの駆動信号に遅延を与えてレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８に供給する。各光減衰器は、対応するレーザダイオードから出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子パルスを生成する。上記光合波器４８１は、各光減衰器によって減衰された８波長λ１、λ２、…λ８の光子パルスを合波してマッハ・ツエンダー干渉計４２に向けて出力する。
【００４５】
上記マッハ・ツエンダー干渉計４２は、光減衰器によって減衰生成された単一光子の光子パルスを時間分離して、８波長の２連光子パルスを出力する。上記温度調整器４３は、マッハ・ツエンダー干渉計４２の遅延量の温度制御を行う。上記光分波器４８３は、マッハ・ツエンダー干渉計４２から入力される多重化された２連光子パルスを８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスに分岐して、対応する位相変調器４４１、４４２、…、４４８に向けて出力する。各位相変調器（Ｍｏｄ）４４１、４４２、…、４４８は、乱数源４７の駆動に従って、８波長の２連光子パルスに所定の位相差を加える機能を備えている。
【００４６】
乱数源４７は、この実施形態では、４通りのランダムな量子状態を利用するため、「０」又は「１」の暗号鍵データを表す乱数１と、基底を決定する乱数２とを発生する。乱数２によって、例えば、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組を表す「Ｘ基底」と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す「Ｙ基底」との２組の基底とが選択的に決定される（図９参照）。
乱数源１６の駆動により、Ａlice４ａは、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路５経由でＢob６ａに送信する。
上記光合波器４８２は、位相変調器４４１、４４２、…、４４８から入力される８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスを合波して、光伝送路５ａを介してＢob６ａに送信する。
【００４７】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ４９に読み込まれ、プロセッサ４９の動作を制御する。
上記プロセッサ４９は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＳ２１と、（Ｂob６ａ側の）光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８が複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄するステップＳ２２（同時計測ビット破棄処理）と、基底照合を行うステップＳ２３と、誤り訂正を行うステップＳ２４と、秘匿性増強を行うステップＳ２５とを実行する。
【００４８】
Ｂob６ａは、位相変調器６１と、該位相変調器６１を駆動する乱数源６２と、マッハ・ツエンダー干渉計６３と、温度調整器６４と、ＡＰＤを使用した２つの光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８と、ＷＤＭフィルタからなる光分波器６７１、６７２と、図示せぬ処理プログラムと、信号処理を行うプロセッサ６８とから構成されている。上記乱数源６２は、基底に対応する乱数３を発生し、Ａlice４ａから送られてきた光子パルスに対してデコードを行う（図９参照）。
上記位相変調器６１は、乱数源６２の駆動に従って、光伝送路５ａを介してＡlice４ａから送られてきた多重２連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計６３は、位相変調器６１によって再度位相差を与えられた多重２連光子パルスを合波して単一の光子パルスを生成する。温度調整器６４は、マッハ・ツエンダー干渉計６３の遅延量の温度制御を行う。上記光分波器６７１、６７２は、マッハ・ツエンダー干渉計６３から入力される多重光子パルスを８波長λ１、λ２、…λ８の単一光パルスに分岐して、対応する光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８に向けて出力する。上記光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなっている。
【００４９】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ６８に読み込まれ、プロセッサ６８の動作を制御する。
上記プロセッサ６８は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＰ２１と、光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８が、全体として、複数波長の光子パルスを同時スロットで検出すると、当該ブビットを破棄するステップＰ２２（同時計測ビット破棄処理）と、基底照合を行うステップＰ２３と、誤り訂正を行うステップＰ２４と、秘匿性増強を行うステップＰ２５とを実行する。
ここで、この実施形態において、Ａlice４ａ側のマッハ・ツエンダー干渉計４２とＢob６ａ側のマッハ・ツエンダー干渉計６３とは、長短両経路の位相差が、波長単位の精度で一致しているものを用いるのが好ましい。
【００５０】
次に、この実施形態の動作について説明する。
Ａlice４ａでは、６２５MHzのクロック源４５１、４５２、…、４５８に同期した８波長の光子パルスがレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８によって生成され、マッハ・ツエンダー干渉計４２によって時間分離されて、８波長の２連光子パルスへと変換される。この後、乱数源１６の駆動に基づいて、波長毎の２連光子パルスの片側の光位相を位相変調器４４１、４４２、…、４４８で変調することで、波長毎の２連光子パルスの相対位相差(φＡ)を０、π/２、π、３π/２の４通りにランダムに生成する。上記光合波器４８２は、位相変調器４４１、４４２、…、４４８から入力される８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスを合波して、光伝送路５ａを介してＢob６ａに送信する。
【００５１】
多重２連光子パルスは伝送路５を通過してＢob６ａへと到達し、その片側の光位相が位相変調器６１によって変調される。ここでの位相変調は、乱数源６２の駆動に基づいて、多重２連光子パルスの相対位相差(φＢ)が０、π/２となるようにランダムに変調を行う。次に、多重２連光子パルスをマッハ・ツエンダー干渉計６３を用いて合波させることで、Ａlice４ａ及びＢob６ａで施した変調位相に従って、光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８によって検出される。
【００５２】
Ｂob６ａでは、図４に示すように、乱数源６２に従って位相変調器６１によって、８波長の信号全てに同じ値の基底変調が施される。実際には光子を検出できる確率は、光伝送路上の要因から、１/１０００程度となるが、この実施形態では、簡単のため、１/１０程度の確率で光子パルスを検出できるものとする。図３に示すように、各波長独立に１/１０の確率で受信できるため、殆んどのビット時間では、１波長の光子パルスしか受信されないが、例えば、図３の１３ビット目に示すように、同一ビット時間に複数波長の光子パルスが検出されることも起こり得る。
【００５３】
このとき、盗聴者が１３ビット目の情報を集中的に保有していると、安全性の劣化がその分増すので、同時計測ビット破棄（ステップＰ２２、Ｓ２２）において、（実際に盗聴が検出されていると否とを問わず）この１３ビット目を破棄する。Ａlice４ａのプロセッサ４９は、Ｂob６ａのプロセッサ６８の動作結果（ステップＰ２２）に基づいて、同時計測ビット破棄を実行する（ステップＳ２２）。
上記の通り、実際には光子を検出できる確率は１/１０００程度であるため、ある波長の光子を検出できたビットに別の波長の光子も検出できる確率は１/１００程度になり、ここでの破棄分は、鍵生成速度に大きな劣化をもたらさないので、支障はない。
【００５４】
この実施形態によれば、上述の第１の実施形態で述べたと略同様の効果を得ることができる。加えて、送信機側で、可変遅延器４６１、４６２、…、４６８でレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８から出力される光子パルスのタイミングを制御できる構成であるので、各波長光子パルスを伝送後に、受信機側で単一の位相変調器６１で同時変調できる。それゆえ、受信側では、複数波長の光子パルスに対して（位相変調器の増加を招くことなく）単一の位相変調器６１を使用して基底変調を同時に行う構成であるので、安価で簡易な量子暗号通信システムを構築できる。
【実施形態３】
【００５５】
図５は、この発明の第３の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
量子暗号システムにＷＤＭを適用する場合には、図５に示すような構成も採ることができる。この実施形態でも複数波長の信号に対して同じ基底変調を行うが、第２の実施形態との違いは、Ｂob６ｂ内の位相変調器６１１、６１２、…、６１８を複数設けることによって、Ａlice４ｂ内での光パルスのタイミング制御を不要としている点である。図５のような構成でも使用する乱数量（乱数源モジュールの搭載量や構成部品数）を削減できる。
【実施形態４】
【００５６】
また、上記実施形態では、送信機と受信機が保有する干渉計の遅延量の差が波長単位で一致していることを前提としていたが、図６に示すように、Ａlice４ｃとＢob６ｃとに、波長毎にマッハ・ツエンダー干渉計４２１、４２２、…、４２８、６３１、６３２、…、６３８を準備することで、干渉計の遅延量がモジュール毎に異なるような場合でもこの発明を適用することは可能である。
【００５７】
以上、この発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述の実施形態では、１ビット遅延二光線束干渉計として、マッハ・ツエンダー干渉計を用いたが、これに限らず、マイケルソン（Michelson）干渉計を用いても良い。
【００５８】
また、上述の第１の実施形態では、１０ビットを１ブロックとして基底変調を固定するようにしたが、基底変調を固定するブロック長は１０ビットに限らず、必要に応じて、増減できる。また、上述の第１の実施形態では、受信側の基底変調のみをブロック単位で固定するようにしたが、これに代えて、送信側の基底変調のみをブロック単位で固定するようにしても良く、あるいは、受信側と送信側の双方の基底変調をブロック単位で固定するようにしても良い。
また、上述の第１の実施形態では、複数ビットが検出されたブロックを全て破棄したが、これに代えて、１ビットのみを残して残りのビットを破棄しても良い。すなわち、１ブロック中に２ビット検出したブロックからは１ビットを破棄、１ブロック中に３ビット検出したブロックからは２ビットを破棄となる。
【００５９】
また、上述の第２の実施形態では、８波長の光子パルスを束ねるようにしたが、これに限らず、必要に応じて、波長数を増減できる。また、上述の第２の実施形態では、受信側の基底変調のみを同時変調するようにしたが、これに代えて、送信側の基底変調のみを同時変調しても良く、あるいは、受信側と送信側の双方の基底変調を同時変調するようにしても良い。
また、上述の第２の実施形態では、複数波長が同時に検出されたビットを全て破棄したが、これに代えて、１波長分のみを残して残りの波長分を破棄してもよい。すなわち、１ビットで２波長検出したビットでは１波長分破棄、１ビットで３波長検出したビットでは２波長分破棄、というようにビット破棄を行う。
【００６０】
上述の実施形態では、光子信号の位相に情報を載せて鍵共有を行う量子暗号システムについて述べたが、これに代えて、偏光等の他のパラメータを利用することによって、この発明を適用できることは勿論である。また、上述の実施例では、光子パルスを用いる量子暗号鍵配布システムについて述べたが、これに限らず、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムに広く適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
量子暗号鍵配付技術に代表される位相変調及び偏光変調を利用する光干渉通信システムに適用可能である。量子暗号鍵配付方法は往復型、一方向型を問わず、そのプロトコルも問わない。
【符号の説明】
【００６２】
１、４ａ、４ｂ、４ｃ 送信機（Ａlice）
１１、４１１、４１２、…、４１８ レーザダイオード(ＬＤ、光源)
１２、４２、４２１、４２２、…、４２８ マッハ・ツエンダー干渉計
１３、４３、４３１、４３２、…、４３８ 温度調整器
１４、４４１、４４２、…、４４８ 位相変調器（変調器）
１５、４５１、４５２、…、４５８ クロック源
１６、４７ 乱数源
４６１、４６２、…、４６８ 可変遅延器
４８１、４８２ 光合波器（ＷＤＭフィルタ）
４８３ 光分波器（ＷＤＭフィルタ）
１７、４９ プロセッサ（鍵情報破棄手段）
Ｓ１１、Ｓ２１ フレーム同期
Ｓ１２ ブロック破棄
Ｓ２２ 同時計測ビット破棄
Ｓ１３、Ｓ２３ 基底照合
Ｓ１４、Ｓ２４ 誤り訂正
Ｓ１５、Ｓ２５ 秘匿性増強
２、５ 光伝送路
３、６ａ、６ｂ、６ｃ 受信機（Ｂob）
３２、６３、６４１、６４２、…、６４８ マッハ・ツエンダー干渉計
３３、６４、６４１、６４２、…、６４８ 温度調整器
３１、６１、６１１、６１２、…、６１８ 位相変調器（変調器）
３５、３６、６５１、６６１、…、６５８、６６８ ゲートモード光子検出器（光子検出器）
３４、６２ 乱数源
６７１、６７２、６７３、６７５ 光分波器（ＷＤＭフィルタ）
６７４ 光合波器（ＷＤＭフィルタ）
３７、６８ プロセッサ（鍵情報破棄手段）
Ｐ１１、Ｐ２１ フレーム同期
Ｐ１２ ブロック破棄
Ｐ２２ 同時計測ビット破棄
Ｐ１３、Ｐ２３ 基底照合
Ｐ１４、Ｐ２４ 誤り訂正
Ｐ１５、Ｐ２５ 秘匿性増強
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ量子暗号鍵を配布する光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットトラフィックの急激な成長が継続している現状において、伝送帯域を向上させることは最重点課題の一つである。このことは、基幹系光ネットワークにおいても例外ではなく、伝送路や中継器を増設することなく既存のインフラを利用して伝送容量を拡大するために、様々な研究機関が１搬送波当たりの信号速度の高速化に取り組み、実際の商用伝送システムでも信号速度は高速化し続けている。
【０００３】
一般的な光通信技術では、主として２値振幅変調(Amplitude Shift Keying、以下、ＡＳＫという)方式が採用されているため、１ビット当たりのタイムスロットを短くすることによって１搬送波当たりの信号速度を向上させるアプローチが主流であった。しかしながら、１搬送波当たりの信号速度が１０Gb/sを超える頃から、ＡＳＫのみに依存する高速化開発は超え難き壁に直面した感がある。
【０００４】
ＡＳＫ方式による高速化を阻む要因の一つとして、光伝送路特有の波長分散による波形劣化を挙げることができる。波長分散とは、伝送路で生じる伝播遅延時間が信号光波長によって異なる現象のことである。信号光スペクトルは特定の波長範囲を有しているため、同一信号光内の短波長成分と長波長成分とが伝送中に異なる波長分散値を蓄積し、伝送後にはこの蓄積分散によって伝播遅延差、つまり波形歪みが生じるのである。ＡＳＫ信号について考察すると、信号光スペクトルは変調速度に比例するため、信号速度が速くなる程、波長分散による波形歪みが大きくなる。一方、信号速度が速くなる程、１タイムスロットが短くなるため、同一量の波形歪み(伝播遅延差)を受ける場合でも、高速信号である程、この影響を大きく受けることになる。それゆえ、ＡＳＫ方式では、伝送特性は信号速度の２乗に比例して劣化する、という問題を抱えている。
【０００５】
そこで、ＡＳＫ方式に代わる別のアプローチとして、１タイムスロットで表す状態を多値化して伝送帯域を向上させて、高速化を実現する技術も注目を集めている。例えば、非特許文献１の技術では、光の位相を４値変調することで伝送帯域を向上させ、また、非特許文献２、３の技術では、光の強度及び位相の両方を変調する振幅移送変調(ＡＰＳＫ: Amplitude Phase Shift Keying)方式を用いて１シンボル(１搬送波及び１タイムスロット)で多くのデジタルビット数を表現している。
【０００６】
ここで、光信号の位相を変調する場合、光信号をフォトダイオード(Photo Diode)等の光電変換モジュールで直接検波するだけでは位相情報が抽出できないため、受信側で参照光と信号光を干渉させた後に干渉後の光強度を読み取る等の検出方法を採る必要がある。
図７は、第１の関連技術として、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(Differential Phase Shift、以下、ＤＰＳという)方式を説明するための概念図で、特に、ＤＰＳ信号の復号化を示している。このＤＰＳ方式では、受信側に、１ビット遅延の関係を有する二光線束を干渉させるためのマッハ・ツエンダー（Mach-Zehnder）干渉計７１と、該マッハ・ツエンダー干渉計７１の遅延量を温度で制御する温度調整器７２とを設け、連続する２ビットの光信号パルスＰａ（同図の枠Ａ）を干渉させて「０」又は「π」の位相情報を取り出すようにしている。ここで、前後２ビットの光信号パルスＰａの位相差が０なら、干渉後は、同図の枠Ｂに示すように、光信号パルスＰｂとしてポート０に出力され、一方、前後２ビットの光信号パルスＰａの位相差がπなら、干渉後は、同図の枠Ｃに示すように、光信号パルスＰｃとしてポート１に出力される。
【０００７】
光信号の位相変調を利用する通信システムとして、量子暗号鍵配付(ＱＫＤ：Quantum Key Distribution、量子暗号通信ともいう)技術を挙げることもできる（特許文献１、２、３）。量子暗号鍵配付方式では一般に通信媒体として単一光子を用い、光子の量子状態に情報を載せて伝送を行う。このとき、伝送路の盗聴者が伝送中の光子をタッピングする等して情報を盗み見したとする。ところで、光子の量子状態は、１度観測（盗聴）されると、ハイゼンベルグの不確定性原理により、必ず、別の量子状態に変化するので、正規の受信者が検出する受信データの統計値に変化が生じる。それゆえ、この変化を検出することにより、受信者は、盗聴の有無を確実に検出することができる。
【０００８】
量子暗号鍵配付（ＱＫＤ）方法では、例えば、送信者Ａliceと受信者Ｂobとで光学干渉計を組織し、各々の光子に、送信者Ａlice及び受信者Ｂobとでそれぞれランダムに位相変調を施す。この変調位相深さの差によって「０」又は「１」の出力データを得、この後、出力データを測定したときの条件の一部分を、送信者Ａliceと受信者Ｂobとで照合することによって、最終的に、送信者Ａlice-受信者Ｂob間で、同一ビット列を量子鍵として共有することができる。
【０００９】
図８は、第２の関連技術として、単一方向型の量子暗号鍵配布システムの概略構成とその動作原理を示す模式図である。
このシステムでは、同図に示すように、送信機であるＡlice８ａと、光伝送路９と、該光伝送路７ａを介してＡlice８ａから量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob９ａとから概略構成されている。
上記Ａlice８ａは、パルス光源８１と、１ビット遅延干渉計８２と、温度調整器（ＴＥＣ）８３と、位相変調器（Ｍｏｄ）８４と、２系統の乱数源（ＲＮＤ）８５、８６と、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）８７とから概略構成されている。また、Ｂob９ａは、位相変調器（Ｍｏｄ）９１と、１ビット遅延干渉計９２と、温度調整器（ＴＥＣ）９３と、光子検出器（ＰＤ）９４、９５と、乱数源（ＲＮＤ）９６とから概略構成されている。
【００１０】
Ａlice８ａとＢob９ａとの双方が備える１ビット遅延干渉計８２、９２は、一方向型の光干渉計であり、例えば、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計８１３から構成されている。温度調整器（ＴＥＣ）８３、９３は、１ビット遅延干渉計８２、９２を温度制御して、遅延量を１ビットに設定する。このような構成により、Ａlice８ａからＢob９ａへに対して、光伝送路７ａを介して、一方向通信が可能となっている（特許文献２）。第２の関連技術では、図８に示すように、Ａlice８ａ側も１ビット遅延干渉計８２を備えるようにしたのは、ＤＰＳ方式を採用する第１の関連技術のように、隣接ビット間に情報を載せる方式では、ローカルオシレータを準備した盗聴者によって盗聴される虞があり、そうなると、暗号鍵配付の安全性が損なわれるためである。
【００１１】
Ａlice８ａでは、図８に示すように、パルス光源８１が光パルス列(ΔＴ間隔)Ｐｄを発生する。この光パルス列(ΔＴ間隔)Ｐｄは、１ビット遅延干渉計８２によって遅延量ΔＴの２連パルス列Ｐｅへと変換され、位相変調器８４によって各々のパルス対の間にφＡの位相差を与えるように変調Ｐｆを施される。例えば、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる量子暗号鍵配付（ＱＫＤ）アルゴリズムでは、位相差φＡは０、π、π/２、３π/２の４値の値を採り、各パルス対に対して、この４値がランダムに割り当てられる。各パルス対に対して、π、π/２、３π/２の４値をランダムに割り当てるために、上記したように、Ａlice８ａ内には２系統の乱数源８５、８６と、これらの乱数を足し合わせるＤＡＣ８７が設けられている。
【００１２】
Ｂob９ａでは、光伝送路７ａを介して、Ａlice８ａから送られてきた光信号パルスＰｆに対し、位相変調器９１によって再びパルス対の間にφＢの位相差を与えるように変調Ｐｇを施し、遅延量ΔＴの１ビット遅延干渉計９３を用いてパルス対を干渉させ、干渉結果Ｐｈ，Ｐｉを光子検出器９４、９５で読み取る構成となっている。Ｂob９ａ側の位相変調は０、π/２の２値をランダムに割り当てて行われ、上記したように、このための乱数源９６を備えている。パルス対Ｐｇの位相差Δφ（＝φＡ＋φＢ）が０なら、干渉後の光信号パルスＰｈは、光子検出器９４に出力され、パルス対の位相差Δφがπなら、干渉後の光信号パルスＰｉは、光子検出器９５に出力される。
【００１３】
しかしながら、第２の関連技術では、現在のところ、光子検出器（ＰＤ）９４、９５の動作速度制限から、システムの繰り返し周波数(１/ΔＴ)は１GHz程度までの高速化が実現されているものの、この動作速度に対応する１ビット遅延干渉計の遅延量は〜５００pｓ(〜１０ｃｍ)と非常に長く、安定した特性を得るためには干渉計の温度制御を０.０１Ｋ単位で行う必要がある、等の問題を抱えている。
【００１４】
また、非特許文献４には、第３の関連技術として、ＢＢ８４プロトコルと呼ばれる量子暗号鍵配布アルゴリズムが示されている。
図９は、第３の関連技術としてのＢＢ８４プロトコル（量子暗号鍵配布アルゴリズム）を説明するための説明図である。
この方法では、４通りの量子状態を利用する。Ａlice８ｂが、乱数１を発生する図示せぬ第１の乱数源と乱数２を発生する図示せぬ第２の乱数源とを持ち、乱数１で「０」又は「１」の暗号鍵データを表し、乱数２で乱数１の情報をコーディングする方法（基底）を決定するようにしている。
コヒーレントな２パルス間の位相差を利用して４状態のコーディングを行う量子暗号鍵配付方法では、図９に示すように、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組（コーディングセット）を表す基底（該基底を「Ｘ基底」と称する）と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す基底(該基底を「Ｙ基底」と称する)との２組の基底を乱数２で選択する。
つまり、Ａlice８ｂは、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路７ｂ経由でＢob９ｂへ送信する。一方、Ｂob９ｂでは、同図に示すように、基底に対応する乱数３を発生する図示せぬ乱数源を持ち、Ａlice８ｂから送られてきた光子に対してデコードを行う。
【００１５】
Ｂob９ｂでは、乱数３の値が「０」であるときは、光子に対して位相０(Ｘ基底)の変調を施す一方、乱数３の値が「１」であるときには、位相π/２(Ｙ基底)の変調を施す構成とされている。Ｂob９ｂの乱数４には、Ｂob９ｂの光学干渉計出力として得られる乱数が例示されている。Ａlice８ｂ/Ｂob９ｂの両方が施した変調の基底が同一であるときは(Ａlice８ｂ側の乱数２＝Ｂob９ｂ側の乱数３)、同図に示されるように、乱数１の値をＢob９ｂは正しく検出することができる(Ａlice８ｂ側の乱数１＝Ｂob９ｂ側の乱数４)。これに対して、Ａlice８ｂ/Ｂob９ｂの両者が施した変調の基底が異なるときは(Ａlice８ｂ側の乱数２≠Ｂob９ｂ側の乱数３)、Ａlice８ｂ側の乱数１の値に依らず、Ｂob９ｂは乱数４として「０」又は「１」の値をランダムに得る。
【００１６】
乱数１、２、３は、共に、１ビット毎に変化する乱数であるため、基底が一致する確率と不一致である確率は共に５０％となるが、後段の基底照合(Basis Reconciliation)の処理によって、基底が不一致となるビットを削除するため、Ａlice８ｂとＢob９ｂとは、乱数１に対応する０/１ビット列を量子鍵として共有することができる。ここで、基底不一致ビットを削除する前の暗号鍵を「生鍵」と呼び、基底不一致ビットを削除した後の暗号鍵を「シフト鍵」と呼ぶ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−２２９６０８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８６５５１号公報
【特許文献３】特開２００８−２９４９４６号公報
【非特許文献１】「Gb/s Optical Differential Quadrature Phase Shift Key (DQPSK) Transmission using GaAs/AlGaAs Integration」, R. A. Griffin et al., OFC2002, PD-FD6
【非特許文献２】「Proposal of 8-state Symbol (Binary ASK and QPSK) 30-bit/s Optical Modulation /Demodulation Scheme」, S. Hayase et al., ECOC2003, Th.2.6.4
【非特許文献３】「Quaternary Optical ASK-DPSK and Receivers With Direct Detection」, M. Ohm et al.,IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.1, p.159
【非特許文献４】「Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing」, IEEE Int. Conf.on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p.1７５, Bennet, Brassard
【非特許文献５】「Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication」, W. Y. Hwang, Physical Review Letters, Vol.91, 057901
【非特許文献６】「Reduced randomness in quantum cryptography with sequences of qubits encoded in the same basis」, L.-P. Lamoureux et al., Physical Review A, Vol.73, 032304
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、量子暗号鍵配付の鍵生成速度向上は、光子信号を送信するパルス繰り返し周波数を高くしたり、波長分割多重(ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing)技術等を利用して複数の光子伝送を並列に送る等の方法を採ることにより実現できるが、これに伴い使用する乱数の量が増加する、という問題が生じる。一例として光パルスの繰り返し周波数をＦ[Hz]とすると、図９に示すように、Ａlice側には２*Ｆ[Hz]、Ｂob側にはＦ[Hz]の乱数発生器が必要となる。非特許文献５に記載のデコイ（Decoy）法を適用すると、必要となる乱数量はさらに増加する。デコイ法では、４値の強度(平均光子数)を表すためには、最低でも２ビットの乱数が必要となるため、Ａlice側に必要な乱数量は４*Ｆ[Hz]となる。一方、これらの乱数は事前に予測可能なものではあってはならないため、疑似乱数は望ましくなく、完全乱数であることが望ましい。しかしながら、完全乱数源として、熱雑音や光子検出を利用した物理乱数モジュールが市販されているものの、その速度は数MHzに留まっているため、光パルスの繰り返し周波数Ｆが数GHzに至るような高速システムを実現することは難しく、それゆえ、使用する乱数量を削減する方法が要望されている。
【００１９】
非特許文献６では、ビット列をブロック毎に区切り(Ｎビットを１ブロックとする)、ブロック毎に基底変調を一定値とすることによって乱数量を削減する方法が提唱されている。しかしながら、非特許文献６の方法では、信号処理を行う際の符号長(Ｍビットを符号長とする)に対してＮビットが十分小さい場合を想定しており、換言すると、充分長い符号長での信号処理が必要となる。一方、信号処理の中には、第４の関連技術として、図１０に示すようなランダムパーミュテーションや、第５の関連技術として、図１１に示すような秘匿性増強といった、符号長に応じて飛躍的に処理時間が長くなる処理があるため、符号長は可能な限り短くする必要がある。また、この際のＮビットとＭビットの関係が満たすべき条件に関しては、非特許文献６中には言及されていない。それゆえ、非特許文献６の技術では、乱数量を削減できるものの、その分、ランダムパーミュテーションや秘匿性増強処理に過大の時間を要し、全体として、高速システムを実現することが困難である。
【００２０】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、信号処理の際の符号長の増大を招くことなく（したがって、信号処理時間を長くすることなく）、加えて、システム性能も落とさずに、使用する乱数量を削減でき、もって、低廉コストかつ簡易に具現できる光通信システム及び方法、送信機及び受信機、量子暗号鍵配付システム及び方法、並びにプログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、この発明の第１の構成は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムに係り、前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、予め決められた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴としている。
【００２２】
この発明の第２の構成は、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法に係り、前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、予め決めた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、前記受信機にて、前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄処理とを含んでなることを特徴としている。
【００２３】
この発明の第３の構成は、受信機が、前記光通信システムを構成する前記変調器と、前記光パルス検出器と、前記破棄手段とを備えてなることを特徴としている。
【００２４】
この発明の第４の構成は、送信機が、前記光通信システムを構成する前記変調器と、前記受信機の前記破棄手段の動作結果に基づいて、動作する前記破棄手段を備えてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の構成によれば、複数の光子パルスに対して同じ基底変調を施すことで使用する乱数量を大幅に削減する構成としたので、乱数源モジュールの搭載量や構成部品数を削減することができる。とりわけ、量子暗号鍵配付（量子暗号通信）システムにＷＤＭ技術を適用する際には、安価な構成でシステムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同システムで、ブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
【図３】この発明の第２の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、同システムで、波長毎に光子が独立に検出される様子を説明するための概念図である。
【図５】この発明の第３の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の第４の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
【図７】第１の関連技術として、隣接ビット間の位相差に情報を載せる差動位相シフト(ＤＰＳ)方式を説明するための図で、特に、ＤＰＳ信号の復号化を示す概念図である。
【図８】第２の関連技術として、単一方向型の量子暗号鍵配布システムの概略構成とその動作原理を示す模式図である。
【図９】第３の関連技術として、ＢＢ８４プロトコル（量子暗号鍵配布アルゴリズム）を説明するための説明図である。
【図１０】第４の関連技術の説明として、量子暗号鍵配付方法に伴う信号処理のうち、ランダムパーミュテーションの説明を行う概念図である。
【図１１】第５の関連技術の説明として、量子暗号鍵配付方法に伴う信号処理のうち、秘匿性増強の説明を行う概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の好適な実施形態（その１）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、複数のビット時間からなるブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調（好適には、基底変調）を施す変調器を設け、前記受信機に、暗号鍵情報を付与された前記光パルス（光子）を検出するための光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
この発明の好適な実施形態（その２）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、複数のビット時間からなるブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記光パルス（光子）を検出するための光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００２８】
この発明の好適な実施形態（その３）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、同一のタイムスロット（ビット時間）内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調（好適には、基底変調）を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記複数波長の光パルス（光子）をそれぞれ検出するための複数の光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００２９】
この発明の好適な実施形態（その４）として、送信機及び受信機の一方又は双方に、乱数源によって駆動され、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器を設け、受信機に、ビットとして暗号鍵情報を付与された前記複数波長の光パルス（光子）をそれぞれ検出するための複数の光パルス（光子）検出器を設け、送信機及び受信機の双方に、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する鍵情報破棄手段を設けるようにすることで、この発明の目的を実現した。
【００３０】
前記送信機には、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子からなる光パルスを生成する光減衰器を備えるのが好ましい。
【実施形態１】
【００３１】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図、また、図２は、同システムで、ブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
この実施形態は、ＢＢ８４プロトコル対応のシステムに係り、受信機（Ｂob３）側で、時間軸の長さで画定されたブロック内の複数の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光子パルスを検出する光パルス検出器（ゲートモード光子検出器３５、３６）が、同一のブロック内で複数の光子パルスを検出すると、当該ブロックを破棄する構成となっている。以下の説明を容易とするため、この実施形態では、１０ビットを１ブロックとして、ブロック内での基底変調が固定される。
【００３２】
この実施形態の量子暗号鍵配付システムは、図１に示すように、送信機であるＡlice１と、光伝送路２と、該光伝送路２を介してＡlice１から量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob３とから概略構成されている。
Ａlice１は、同図に示すように、光子パルスの生成を行うレーザダイオード(ＬＤ: Laser Diode)１１と、図示せぬ光減衰器と、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計１２と、温度調整器１３と、位相変調器１４と、レーザダイオード１１を駆動するクロック源１５と、乱数源１６と、量子暗号鍵配付プログラム（以下、簡単に、処理プログラムという）と、信号処理を行うプロセッサ１７とから構成されている。
上記光減衰器は、レーザダイオード１１から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子パルスを生成する。マッハ・ツエンダー干渉計１２は、光減衰器によって減衰された光子パルスを時間分離して２連光子パルスを出力する。上記温度調整器１３は、マッハ・ツエンダー干渉計１２の遅延量の温度制御を行う。位相変調器１４は、２つに時間分離した２連光子パルスに所定の位相差を加える機能を備えている。
【００３３】
乱数源１６は、この実施形態では、４通りのランダムな量子状態を利用するため、「０」又は「１」の暗号鍵データを表す乱数１と、基底を決定する乱数２とを発生する。乱数２によって、例えば、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組を表す「Ｘ基底」と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す「Ｙ基底」との２組の基底とが選択的に決定される（図９参照）。
乱数源１６の駆動により、Ａlice１は、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路２経由でＢob３へ送信する。
【００３４】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ１７に読み込まれ、プロセッサ１７の動作を制御する。
上記プロセッサ１７は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＳ１１と、（Ｂob３側の）光子検出器３５、３６がブロック内に複数ビット（光子パルス）を検出すると、当該ブロックを破棄するステップＳ１２（ブロック破棄処理）と、基底照合を行うステップＳ１３と、誤り訂正を行うステップＳ１４と、秘匿性増強を行うステップＳ１５とを実行する。
【００３５】
Ｂob３は、同図に示すように、位相変調器３１と、マッハ・ツエンダー干渉計３２と、温度調整器３３と、乱数源３４と、２つのゲートモード光子検出器（以下、簡単に光子検出器という）３５、３６と、図示せぬ処理プログラムと、信号処理を行うプロセッサ３７とから構成されている。上記乱数源３４は、基底に対応する乱数３を発生し、Ａlice１から送られてきた光子パルスに対してデコードを行う（図９参照）。
上記位相変調器３１は、乱数源３４の駆動に基づいて光伝送路２を介してＡlice１から送られてきた２連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計３２は、位相変調器３１によって再度位相差を与えられた２連光子パルスを合波する。温度調整器３３は、マッハ・ツエンダー干渉計３２の遅延量の温度制御を行う。光子検出器３５、３６は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode、）からなっている。
【００３６】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ３７に読み込まれ、プロセッサ３７の動作を制御する。
上記プロセッサ３７は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＰ１１と、光子検出器３５、３６がブロック内に複数ビット（光子パルス）を検出すると、当該ブロックを破棄するステップＰ１２（ブロック破棄処理）と、基底照合を行うステップＰ１３と、誤り訂正を行うステップＰ１４と、秘匿性増強を行うステップＰ１５とを実行する。
【００３７】
次に、図１及び図２を参照して、上記構成の動作について説明する。
Ａlice１では、図１に示すように、６２５MHzのクロック源１５に同期した光子パルスがレーザダイオード１１によって生成され、２入力２出力の非対称二光線束干渉計であるマッハ・ツエンダー干渉計１２によって、時間分離された２連光子パルスへと変換される。この後、この２連光子パルスの片側の光位相を位相変調器１４で変調することで、２連光子パルスの相対位相差(φＡ)をランダムに生成し、光伝送路２へと送り出す。
【００３８】
２連光子パルスは、光伝送路２を通過してＢob３へと到達し、その片側の光位相が位相変調器３１によって変調される。ここでの位相変調は、乱数源３４の駆動に基づいて、２連光子パルスの相対位相差(φＢ)が０、π/２となるようにランダムに変調を行う。この２連光子パルスを２入力２出力の非対称二光線束干渉計であるマッハ・ツエンダー干渉計３２を用いて合波させることで、Ａlice１及びＢob３で施した変調位相に従って、光子検出器３５、３６において検出される。具体的には、乱数源３４の駆動に基づいて、位相変調器３１によって再度与えられた２連光子パルスの位相差Δφが０なら、干渉後の光子パルスは、光子検出器３５で検出され、２連光子パルスの位相差Δφがπなら、干渉後の光子パルスは、光子検出器３６で検出される。
【００３９】
ここで乱数源３４では、図２に示すように、１０ビットを１ブロックとして、ブロック毎に異なる基底変調を行う。つまり、この実施形態では、ブロック内では、基底変調が固定される。実際には、光伝送路２上の要因により、光子を検出できる確率は１/１０００程度となるが、この実施形態では、説明の簡単のため、１/１０程度の確率で光子を検出できるものとする。受信側では、１０ビットを１ブロックとして基底変調を行い、光子検出を行うが、検出確率が１/１０程度であるため、図２（ａ）に示すように、平均的に１ブロックに１ビットの検出を行うことができる。しかしながら、検出確率はあくまでも平均確率であるため、図２（ｂ）の２ブロック目に示すように、１ブロック中に複数のビットを検出することも起こり得る。
【００４０】
このとき、盗聴者が２ブロック目の情報を集中的に保有していると、安全性の劣化がその分増すので、ブロック破棄処理(図１のステップＰ１２、Ｓ１２)において、（実際に盗聴が検出されていると否とを問わず）この２ブロック目を破棄する。上記の通り、実際には、光子を検出できる確率は１/１０００程度であるため、あるビットを検出できたブロック中に別のビットも検出できる確率は１/１００程度になり、ここでの破棄分は、鍵生成速度に大きな劣化をもたらさないので、支障はない。
【００４１】
このように、この実施形態によれば、ブロック内では、基底変調が固定されるので、使用する乱数量を大幅に削減でき、それゆえ、乱数源モジュールの搭載量や構成部品数を削減することができる。このため、安価で簡易な量子暗号通信システムを構築できる。
【実施形態２】
【００４２】
図３は、この発明の第２の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図、また、図４は、同システムで、波長毎のブロック毎に平均１光子が検出される様子を説明するための概念図である。
この実施形態は、波長分割多重(ＷＤＭ)方式採用で、ＢＢ８４プロトコル対応のシステムに係り、受信機（Ｂob６ａ）側で、同一のタイムスロット（ビット時間）内では複数波長の光子パルスには同じ値の基底変調を施すと共に、光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８が、複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄する構成となっている。
説明の便宜のため、８波長を波長分割多重(ＷＤＭ)技術によって合波して伝送する場合を取り扱う。
【００４３】
この実施形態の量子暗号鍵配付システムは、図３に示すように、送信機であるＡlice４ａと、光伝送路５ａと、該光伝送路５ａを介してＡlice４ａから量子暗号鍵の配付を受ける受信機であるＢob６ａとから概略構成されている。
Ａlice４ａは、同図に示すように、互いに異なる波長λ１、λ２、…λ８を有する８波長の光子パルスの生成を行う、８個のレーザダイオード(ＬＤ)４１１、４１２、…、４１８と、図示せぬ８個の光減衰器と、２入力２出力のマッハ・ツエンダー干渉計４２と、温度調整器（ＴＥＣ）４３と、８個の位相変調器（Ｍｏｄ）４４１、４４２、…、４４８と、クロック源４５１、４５２、…、４５８と、可変遅延器４６１、４６２、…、４６８と、位相変調器４４１、４４２、…、４４８を駆動する乱数源４７と、例えば、ＷＤＭフィルタからなる光合波器４８１、４８２と、ＷＤＭフィルタからなる光分波器４８３と、量子暗号鍵配付プログラム（以下、簡単に、処理プログラムという）と、信号処理をおこなうプロセッサ４９とから構成されている。
【００４４】
上述の各レーザダイオード(ＬＤ)４１１、４１２、…、４１８は、対応する波長の光子パルスを生成する。各クロック源４５１、４５２、…、４５８は、対応するレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８を駆動する。各可変遅延器４６１、４６２、…、４６８は、対応するクロック源４５１、４５２、…、４５８からの駆動信号に遅延を与えてレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８に供給する。各光減衰器は、対応するレーザダイオードから出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、単一光子パルスを生成する。上記光合波器４８１は、各光減衰器によって減衰された８波長λ１、λ２、…λ８の光子パルスを合波してマッハ・ツエンダー干渉計４２に向けて出力する。
【００４５】
上記マッハ・ツエンダー干渉計４２は、光減衰器によって減衰生成された単一光子の光子パルスを時間分離して、８波長の２連光子パルスを出力する。上記温度調整器４３は、マッハ・ツエンダー干渉計４２の遅延量の温度制御を行う。上記光分波器４８３は、マッハ・ツエンダー干渉計４２から入力される多重化された２連光子パルスを８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスに分岐して、対応する位相変調器４４１、４４２、…、４４８に向けて出力する。各位相変調器（Ｍｏｄ）４４１、４４２、…、４４８は、乱数源４７の駆動に従って、８波長の２連光子パルスに所定の位相差を加える機能を備えている。
【００４６】
乱数源４７は、この実施形態では、４通りのランダムな量子状態を利用するため、「０」又は「１」の暗号鍵データを表す乱数１と、基底を決定する乱数２とを発生する。乱数２によって、例えば、位相０が暗号鍵「０」、位相πが暗号鍵「１」の組を表す「Ｘ基底」と、位相π/２が暗号鍵「０」、位相３π/２が暗号鍵「１」を表す「Ｙ基底」との２組の基底とが選択的に決定される（図９参照）。
乱数源１６の駆動により、Ａlice４ａは、１つの光子に対して、０、π/２、π、３π/２の４通りの変調をランダムに施して、光伝送路５経由でＢob６ａに送信する。
上記光合波器４８２は、位相変調器４４１、４４２、…、４４８から入力される８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスを合波して、光伝送路５ａを介してＢob６ａに送信する。
【００４７】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ４９に読み込まれ、プロセッサ４９の動作を制御する。
上記プロセッサ４９は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＳ２１と、（Ｂob６ａ側の）光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８が複数波長の光子パルスを同時検出すると、これらの光子パルスに付与された全てのビットを破棄するステップＳ２２（同時計測ビット破棄処理）と、基底照合を行うステップＳ２３と、誤り訂正を行うステップＳ２４と、秘匿性増強を行うステップＳ２５とを実行する。
【００４８】
Ｂob６ａは、位相変調器６１と、該位相変調器６１を駆動する乱数源６２と、マッハ・ツエンダー干渉計６３と、温度調整器６４と、ＡＰＤを使用した２つの光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８と、ＷＤＭフィルタからなる光分波器６７１、６７２と、図示せぬ処理プログラムと、信号処理を行うプロセッサ６８とから構成されている。上記乱数源６２は、基底に対応する乱数３を発生し、Ａlice４ａから送られてきた光子パルスに対してデコードを行う（図９参照）。
上記位相変調器６１は、乱数源６２の駆動に従って、光伝送路５ａを介してＡlice４ａから送られてきた多重２連光子パルスに再度位相差を与える。上記マッハ・ツエンダー干渉計６３は、位相変調器６１によって再度位相差を与えられた多重２連光子パルスを合波して単一の光子パルスを生成する。温度調整器６４は、マッハ・ツエンダー干渉計６３の遅延量の温度制御を行う。上記光分波器６７１、６７２は、マッハ・ツエンダー干渉計６３から入力される多重光子パルスを８波長λ１、λ２、…λ８の単一光パルスに分岐して、対応する光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８に向けて出力する。上記光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなっている。
【００４９】
処理プログラムは、ＲＯＭ等の内部記憶装置や磁気ディスク等の外部記憶装置からプロセッサ６８に読み込まれ、プロセッサ６８の動作を制御する。
上記プロセッサ６８は、処理プログラムの制御の下で、フレーム同期を行うステップＰ２１と、光子検出器６５１、６５２、…、６５８、６６１、６６２、…、６６８が、全体として、複数波長の光子パルスを同時スロットで検出すると、当該ブビットを破棄するステップＰ２２（同時計測ビット破棄処理）と、基底照合を行うステップＰ２３と、誤り訂正を行うステップＰ２４と、秘匿性増強を行うステップＰ２５とを実行する。
ここで、この実施形態において、Ａlice４ａ側のマッハ・ツエンダー干渉計４２とＢob６ａ側のマッハ・ツエンダー干渉計６３とは、長短両経路の位相差が、波長単位の精度で一致しているものを用いるのが好ましい。
【００５０】
次に、この実施形態の動作について説明する。
Ａlice４ａでは、６２５MHzのクロック源４５１、４５２、…、４５８に同期した８波長の光子パルスがレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８によって生成され、マッハ・ツエンダー干渉計４２によって時間分離されて、８波長の２連光子パルスへと変換される。この後、乱数源１６の駆動に基づいて、波長毎の２連光子パルスの片側の光位相を位相変調器４４１、４４２、…、４４８で変調することで、波長毎の２連光子パルスの相対位相差(φＡ)を０、π/２、π、３π/２の４通りにランダムに生成する。上記光合波器４８２は、位相変調器４４１、４４２、…、４４８から入力される８波長λ１、λ２、…λ８の２連光子パルスを合波して、光伝送路５ａを介してＢob６ａに送信する。
【００５１】
多重２連光子パルスは伝送路５を通過してＢob６ａへと到達し、その片側の光位相が位相変調器６１によって変調される。ここでの位相変調は、乱数源６２の駆動に基づいて、多重２連光子パルスの相対位相差(φＢ)が０、π/２となるようにランダムに変調を行う。次に、多重２連光子パルスをマッハ・ツエンダー干渉計６３を用いて合波させることで、Ａlice４ａ及びＢob６ａで施した変調位相に従って、光パルス検出器６５１、６６１、…、６５８、６６８によって検出される。
【００５２】
Ｂob６ａでは、図４に示すように、乱数源６２に従って位相変調器６１によって、８波長の信号全てに同じ値の基底変調が施される。実際には光子を検出できる確率は、光伝送路上の要因から、１/１０００程度となるが、この実施形態では、簡単のため、１/１０程度の確率で光子パルスを検出できるものとする。図３に示すように、各波長独立に１/１０の確率で受信できるため、殆んどのビット時間では、１波長の光子パルスしか受信されないが、例えば、図３の１３ビット目に示すように、同一ビット時間に複数波長の光子パルスが検出されることも起こり得る。
【００５３】
このとき、盗聴者が１３ビット目の情報を集中的に保有していると、安全性の劣化がその分増すので、同時計測ビット破棄（ステップＰ２２、Ｓ２２）において、（実際に盗聴が検出されていると否とを問わず）この１３ビット目を破棄する。Ａlice４ａのプロセッサ４９は、Ｂob６ａのプロセッサ６８の動作結果（ステップＰ２２）に基づいて、同時計測ビット破棄を実行する（ステップＳ２２）。
上記の通り、実際には光子を検出できる確率は１/１０００程度であるため、ある波長の光子を検出できたビットに別の波長の光子も検出できる確率は１/１００程度になり、ここでの破棄分は、鍵生成速度に大きな劣化をもたらさないので、支障はない。
【００５４】
この実施形態によれば、上述の第１の実施形態で述べたと略同様の効果を得ることができる。加えて、送信機側で、可変遅延器４６１、４６２、…、４６８でレーザダイオード４１１、４１２、…、４１８から出力される光子パルスのタイミングを制御できる構成であるので、各波長光子パルスを伝送後に、受信機側で単一の位相変調器６１で同時変調できる。それゆえ、受信側では、複数波長の光子パルスに対して（位相変調器の増加を招くことなく）単一の位相変調器６１を使用して基底変調を同時に行う構成であるので、安価で簡易な量子暗号通信システムを構築できる。
【実施形態３】
【００５５】
図５は、この発明の第３の実施形態である量子暗号鍵配付システムの構成を示すブロック図である。
量子暗号システムにＷＤＭを適用する場合には、図５に示すような構成も採ることができる。この実施形態でも複数波長の信号に対して同じ基底変調を行うが、第２の実施形態との違いは、Ｂob６ｂ内の位相変調器６１１、６１２、…、６１８を複数設けることによって、Ａlice４ｂ内での光パルスのタイミング制御を不要としている点である。図５のような構成でも使用する乱数量（乱数源モジュールの搭載量や構成部品数）を削減できる。
【実施形態４】
【００５６】
また、上記実施形態では、送信機と受信機が保有する干渉計の遅延量の差が波長単位で一致していることを前提としていたが、図６に示すように、Ａlice４ｃとＢob６ｃとに、波長毎にマッハ・ツエンダー干渉計４２１、４２２、…、４２８、６３１、６３２、…、６３８を準備することで、干渉計の遅延量がモジュール毎に異なるような場合でもこの発明を適用することは可能である。
【００５７】
以上、この発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述の実施形態では、１ビット遅延二光線束干渉計として、マッハ・ツエンダー干渉計を用いたが、これに限らず、マイケルソン（Michelson）干渉計を用いても良い。
【００５８】
また、上述の第１の実施形態では、１０ビットを１ブロックとして基底変調を固定するようにしたが、基底変調を固定するブロック長は１０ビットに限らず、必要に応じて、増減できる。また、上述の第１の実施形態では、受信側の基底変調のみをブロック単位で固定するようにしたが、これに代えて、送信側の基底変調のみをブロック単位で固定するようにしても良く、あるいは、受信側と送信側の双方の基底変調をブロック単位で固定するようにしても良い。
また、上述の第１の実施形態では、複数ビットが検出されたブロックを全て破棄したが、これに代えて、１ビットのみを残して残りのビットを破棄しても良い。すなわち、１ブロック中に２ビット検出したブロックからは１ビットを破棄、１ブロック中に３ビット検出したブロックからは２ビットを破棄となる。
【００５９】
また、上述の第２の実施形態では、８波長の光子パルスを束ねるようにしたが、これに限らず、必要に応じて、波長数を増減できる。また、上述の第２の実施形態では、受信側の基底変調のみを同時変調するようにしたが、これに代えて、送信側の基底変調のみを同時変調しても良く、あるいは、受信側と送信側の双方の基底変調を同時変調するようにしても良い。
また、上述の第２の実施形態では、複数波長が同時に検出されたビットを全て破棄したが、これに代えて、１波長分のみを残して残りの波長分を破棄してもよい。すなわち、１ビットで２波長検出したビットでは１波長分破棄、１ビットで３波長検出したビットでは２波長分破棄、というようにビット破棄を行う。
【００６０】
上述の実施形態では、光子信号の位相に情報を載せて鍵共有を行う量子暗号システムについて述べたが、これに代えて、偏光等の他のパラメータを利用することによって、この発明を適用できることは勿論である。また、上述の実施例では、光子パルスを用いる量子暗号鍵配布システムについて述べたが、これに限らず、微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムに広く適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
量子暗号鍵配付技術に代表される位相変調及び偏光変調を利用する光干渉通信システムに適用可能である。量子暗号鍵配付方法は往復型、一方向型を問わず、そのプロトコルも問わない。
【符号の説明】
【００６２】
１、４ａ、４ｂ、４ｃ 送信機（Ａlice）
１１、４１１、４１２、…、４１８ レーザダイオード(ＬＤ、光源)
１２、４２、４２１、４２２、…、４２８ マッハ・ツエンダー干渉計
１３、４３、４３１、４３２、…、４３８ 温度調整器
１４、４４１、４４２、…、４４８ 位相変調器（変調器）
１５、４５１、４５２、…、４５８ クロック源
１６、４７ 乱数源
４６１、４６２、…、４６８ 可変遅延器
４８１、４８２ 光合波器（ＷＤＭフィルタ）
４８３ 光分波器（ＷＤＭフィルタ）
１７、４９ プロセッサ（鍵情報破棄手段）
Ｓ１１、Ｓ２１ フレーム同期
Ｓ１２ ブロック破棄
Ｓ２２ 同時計測ビット破棄
Ｓ１３、Ｓ２３ 基底照合
Ｓ１４、Ｓ２４ 誤り訂正
Ｓ１５、Ｓ２５ 秘匿性増強
２、５ 光伝送路
３、６ａ、６ｂ、６ｃ 受信機（Ｂob）
３２、６３、６４１、６４２、…、６４８ マッハ・ツエンダー干渉計
３３、６４、６４１、６４２、…、６４８ 温度調整器
３１、６１、６１１、６１２、…、６１８ 位相変調器（変調器）
３５、３６、６５１、６６１、…、６５８、６６８ ゲートモード光子検出器（光子検出器）
３４、６２ 乱数源
６７１、６７２、６７３、６７５ 光分波器（ＷＤＭフィルタ）
６７４ 光合波器（ＷＤＭフィルタ）
３７、６８ プロセッサ（鍵情報破棄手段）
Ｐ１１、Ｐ２１ フレーム同期
Ｐ１２ ブロック破棄
Ｐ２２ 同時計測ビット破棄
Ｐ１３、Ｐ２３ 基底照合
Ｐ１４、Ｐ２４ 誤り訂正
Ｐ１５、Ｐ２５ 秘匿性増強
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、予め決められた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項３】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項４】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項５】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項６】
前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項２又は３記載の光通信システム。
【請求項７】
前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項４又は５記載の光通信システム。
【請求項８】
前記変調器は、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項９】
前記変調器は、乱数源によって駆動されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項１０】
前記送信機には、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムを構成する受信機であって、前記変調器と、前記光パルス検出器と、前記破棄手段とを備えてなることを特徴とする受信機。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムを構成する送信機であって、前記変調器と、前記受信機の前記破棄手段の動作結果に基づいて、動作する前記破棄手段を備えてなることを特徴とする送信機。
【請求項１３】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムにおいて、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【請求項１４】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、予め決めた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１５】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄するブロック破棄処理とを備えてなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１６】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１７】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する全ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１８】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１９】
前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項１５又は１６記載の光通信方法。
【請求項２０】
前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項１７又は１８記載の光通信方法。
【請求項２１】
前記変調処理では、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２２】
前記変調処理では、乱数源を用いて前記変調を施すことを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２３】
前記送信機に、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器を設けることを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２４】
請求項１４乃至２１の何れか一に記載の光通信方法において、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布方法。
【請求項２５】
コンピュータを請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムの破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２６】
コンピュータを請求項１１に記載の受信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２７】
コンピュータを請求項１２に記載の送信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２８】
コンピュータに請求項１４乃至２３の何れか一に記載の光通信方法の各処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、予め決められた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項３】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、時間の長さで画定されたブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記光パルスを検出するための光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項４】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項５】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信システムであって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方に設けられ、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調器と、
前記受信機に設けられ、前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出器と、
前記送信機及び受信機の双方に設けられ、前記光パルス検出器にて前記複数波長の光パルスが同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する破棄手段とを備えてなることを特徴とする光通信システム。
【請求項６】
前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項２又は３記載の光通信システム。
【請求項７】
前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項４又は５記載の光通信システム。
【請求項８】
前記変調器は、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項９】
前記変調器は、乱数源によって駆動されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項１０】
前記送信機には、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光通信システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムを構成する受信機であって、前記変調器と、前記光パルス検出器と、前記破棄手段とを備えてなることを特徴とする受信機。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムを構成する送信機であって、前記変調器と、前記受信機の前記破棄手段の動作結果に基づいて、動作する前記破棄手段を備えてなることを特徴とする送信機。
【請求項１３】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムにおいて、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布システム。
【請求項１４】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、予め決めた空間的時間的範囲内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記空間的時間的範囲内で前記複数の光パルスが検出されると、これらの光パルスに付与された前記ビットの全部又は一部を破棄する破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１５】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックを破棄するブロック破棄処理とを備えてなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１６】
微弱な光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、時間の長さで画定したブロック内の複数の前記光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記光パルスを検出する光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって同一の前記ブロック内で複数の前記光パルスが検出されると、当該ブロックから、１の光パルスに付与された前記ビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１７】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全てのビットを破棄する全ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１８】
共に微弱な複数波長の光パルスの位相又は偏光を変調して送信機から受信機へ情報を通信する光通信方法であって、
前記送信機及び受信機の一方又は双方にて、同一のタイムスロット内では前記複数波長の光パルスには同じ値の変調を施す変調処理と、
前記受信機にて、情報を付与された前記複数波長の光パルスをそれぞれ検出するための複数の光パルス検出処理と、
前記送信機及び受信機の双方にて、前記光パルス検出処理によって前記複数波長の光パルスを同時検出されると、これらの光パルスに付与された全ビットのうち、１波長分のビットを残して、他を破棄する部分ビット破棄処理とを含んでなることを特徴とする光通信方法。
【請求項１９】
前記ブロックは、予め決められた複数のビット時間からなることを特徴とする請求項１５又は１６記載の光通信方法。
【請求項２０】
前記タイムスロットは、予め決められたビット時間に相当することを特徴とする請求項１７又は１８記載の光通信方法。
【請求項２１】
前記変調処理では、前記変調として基底変調を施すことを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２２】
前記変調処理では、乱数源を用いて前記変調を施すことを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２３】
前記送信機に、光源から出射する波長の光強度を１光子/パルス以下に抑圧して、前記単一光子からなる前記光パルスを生成する光減衰器を設けることを特徴とする請求項１４乃至１８の何れか一に記載の光通信方法。
【請求項２４】
請求項１４乃至２１の何れか一に記載の光通信方法において、前記送信機から前記受信機に通信される情報が暗号鍵情報であることを特徴とする量子暗号鍵配布方法。
【請求項２５】
コンピュータを請求項１乃至１０の何れか一に記載の光通信システムの破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２６】
コンピュータを請求項１１に記載の受信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２７】
コンピュータを請求項１２に記載の送信機の破棄手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項２８】
コンピュータに請求項１４乃至２３の何れか一に記載の光通信方法の各処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２３３１２３（Ｐ２０１０−２３３１２３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８０６８１（Ｐ２００９−８０６８１）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／量子暗号の実用化のための研究開発課題」）は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／量子暗号の実用化のための研究開発課題」）は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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