効果的なデコイ状態機能を有するＱＫＤステーション
【課題】ＱＫＤシステム（１０）の一部として、量子信号（ＱＳ）にランダムに組み込まれたデコイ信号（ＤＳ）を形成する機能を有する量子鍵配送ステーション（アリス）を開示する。
【解決手段】ＱＫＤステーションは、可変光減衰器としての使用に適合された偏光無依存光速光学スイッチ（ＯＳ）を有する。高速光学スイッチは、平均光子数μＱを有する量子信号の態様の第１出力光学信号を生じる第１減衰レベルと、平均光子数μＤを有するデコイ信号としての第２出力光学信号を生じる第２減衰レベルとを有する。減衰レベルは、ＱＫＤシステム動作中にランダムに設定セットされ、これにより、デコイ信号が量子信号にランダムに組み込まれる。
【解決手段】ＱＫＤステーションは、可変光減衰器としての使用に適合された偏光無依存光速光学スイッチ（ＯＳ）を有する。高速光学スイッチは、平均光子数μＱを有する量子信号の態様の第１出力光学信号を生じる第１減衰レベルと、平均光子数μＤを有するデコイ信号としての第２出力光学信号を生じる第２減衰レベルとを有する。減衰レベルは、ＱＫＤシステム動作中にランダムに設定セットされ、これにより、デコイ信号が量子信号にランダムに組み込まれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号に関し、量子暗号に関連する産業上の有用性を有している。本発明は、特に、デコイ状態の使用によってＱＫＤシステムのセキュリティを向上するシステムおよび方法に関し、そのシステムおよび方法に関連する産業上の有用性を有している。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、“量子チャネル”を通して伝送される弱い（例えば、１パルス当たり１光子）光学信号（量子信号）を用いることにより、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間の鍵を確立することを含んでいる。量子鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子システムのどのような測定もその状態を変えてしまうという量子力学的原理に基づいている。その結果、量子信号を傍受あるいは測定することを試みる盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを与え、イブの存在を明らかにする。
量子暗号法の概略的な原理は、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ共著論文（非特許文献１）において述べられている。具体的なＱＫＤシステムは、Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔらの出版物（非特許文献２）や、Ｂｅｎｎｅｔｔに付与された米国特許第５，３０７，４１０号（特許文献１）（‘４１０特許）に説明されている。ＱＫＤの動作の一般的な流れについては、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらによる書籍（非特許文献３）に説明されている。
【０００３】
‘４１０特許に記載されているＱＫＤシステムは、信号が一方のＱＫＤステーション（すなわちアリス）から他方のＱＫＤステーション（ボブ）へ送信される、いわゆる、「ワンウェイ」システムである。Ｒｉｂｏｒｄｙらによる論文（非特許文献４）、および、米国特許第６，１８８，７６８号（特許文献２）は、それぞれ、量子信号が、第１ＱＫＤステーション（ボブ）から第２ＱＫＤステーション（アリス）へと送信され、そして、第１ＱＫＤステーション（ボブ）へ戻ってくる、いわゆる、「ツーウェイ」システムについて記載している。一般に、第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションへ送信される量子信号は、比較的強く（例えば、平均で、１パルス当たり数百あるいは数千もの光子）、また、第１ＱＫＤステーションに戻ってくる前には、第２ＱＫＤステーションで量子レベル（つまり、平均で、１パルス当たり１光子あるいはそれ以下）まで減衰される。ツーウェイＱＫＤシステムは、ドイツのＪｏａｃｈｉｍ Ｍｅｉｅｒ博士によって発明され、１９９５年に（ドイツで）“Ｓｔａｂｉｌｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ ｄｅｓ ｎｉｃｈｔｌｉｎｅａｒｅｎ Ｂｒｅｃｈｚａｈｌ−Ｋｏｅｆｆｉｚｉｅｎｔｅｎ ｖｏｎ Ｑｕａｒｚｇｌａｓｆａｓｅｒｎ ｄｅｒ ｏｐｔｉｓｃｈｅｎ Ｎａｃｈｒｉｃｈｔｅｎｔｅｃｈｎｉｋ”（Ｊｏａｃｈｉｍ Ｍｅｉｅｒ．−Ａｌｓ Ｍｓ． ｇｅｄｒ．．−Ｄuｓｓｅｌｄｏｒｆ：ＶＤＩ−Ｖｅｒｌ．， Ｎｒ．４４３， １９９５（ＩＳＢＮ３−１８−３４４３０８−２））として発表されたタイプの自動補償干渉計を用いている。Ｍｅｉｅｒの干渉計は自動的に補償されるので、それに基づくツーウェイシステムは、当然、ワンウェイシステムよりも環境の影響を受けにくい。
【０００４】
最も一般的なＱＫＤシステムは、レーザなどの複数光子源を使用し、単一光子量子信号（パルス）、つまり、平均光子数μ≦１の光パルスを達成するよう複数光子パルスを減衰させる。これは、「微弱コヒーレント光」、あるいは、ＷＣＰ ＱＫＤと呼ばれている。他のＱＫＤシステムは、量子信号を生成するために単一光子源を用いている。単一光子源を用いる従来技術ＱＫＤシステムでは、単一光子源によって生成される複数光子信号を抑制する、あるいは、なくす努力がなされている。もし、イブが大きなチャネルロスを利用することができる場合には、複数光子パルスに対する攻撃は、イブにとって非常に効果的であることが分かる。このように、ロスが存在する場合において、アリスからボブまでの複数光子パルスと単一光子パルスとの効率を変えるイブを検出する能力は、システムセキュリティを維持する非常に重要な要素である。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，１８８，７６８号公報
【非特許文献１】“Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｉｎ ｔｏｓｓｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １０−１２， １９８４，ｐｐ．１７５−１７９
【非特許文献２】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，” Ｊ． Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ ５： ３−２８ （１９９２）
【非特許文献３】“Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，” Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ ２００１， ｉｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ ２．３， ｐａｇｅｓ ２７−３３
【非特許文献４】“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘Ｐｌｕｇ ａｎｄ ｐｌａｙ” ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，” Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ３４， Ｎｏ． ２２ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２９， １９９８ （“ｔｈｅ Ｒｉｂｏｒｄｙ ｐａｐｅｒ”）
【非特許文献５】“Ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｌｏｓｓ： ｔｏｗａｒｄ ｇｌｏｂａｌ ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”（ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２１１１５３ ｖ５、２００３年５月１９日発表）
【非特許文献６】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｃｏｙ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｖｅｒ １５ ｋｍ，”（２００５年３月２５日発表、ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ＰＳ ｃａｃｈｅ／ｑｕａｎｔ−ｐｈ／ｐｄｆ／０５０３／０５０３１９２ｖ２．ｐｄｆ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数光子パルスの盗聴に対するセキュリティ対策の一つとして、デコイ（おとり）状態方式がある。そのような１方法は、Ｈｗａｎｇによる論文（非特許文献５）の中で提案されている。そのデコイ状態方式では、アリスは、平均光子数を、２つの値（０．５と０．２５など）の間で、ランダムに変調し、それらの一つがデコイ状態を表す。デコイ状態によって、アリスは、イブがチャネルロスを利用しているかどうか、そして、あるタイプの攻撃−つまり、例えば、ＰＮＳ攻撃、あるいは、明白状態識別（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｓｔａｔｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）（ＵＳＤ）攻撃−を行っているかどうかを、デコイ状態信号のロス（つまりビット誤り率）を量子信号のそれと比較することによって判定できる。概して、平均光子数の異なる２つの値は、二つの状態に最良の統計をもたらすために、ＱＫＤシステムパラメータに基づいて選択される。
【０００６】
Ｚｈａｏらは、論文（非特許文献６）の中で、微弱コヒーレント（「量子状態」）パルスと共にデコイ状態パルスの生成を可能にするツーウェイＱＫＤシステムに対する改良について発表している。Ｚｈａｏの論文について、図２に示すように、その改良は、「デコイ生成器」によって駆動される２つの音響光学変調器（ＡＯＭＳ）−「デコイ」ＡＯＭ−と、「補償生成器」によって駆動される上流側の補償ＡＯＭとを加えることを含んでいる。デコイ発生器は、通常の光検出器に連結され、その結果、デコイＡＯＭを位相変調器（ＰＭ）およびファラデーミラー（ＦＭ）に接続する光ファイバーに光学的に連結される。補償ＡＯＭおよび関連する補償発生器は、アリスおよびボブの干渉計の間のアラインメントを維持する信号の周波数をシフトするよう用いられる。Ｚｈａｏの改良は、デコイ状態プロトコルを研究する論文の実験の目的には適っていたが、商用ＱＫＤシステムには過度に複雑で扱いにくい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、デコイ信号が組み込まれた量子信号を形成することが可能なＱＫＤステーションである。ＱＫＤステーションは、通過する光学信号を位相変調あるいは偏光変調するように適合された変調器を有する。ＱＫＤステーションは、また、可変光減衰器として使用するのに適合された偏光無依存光学スイッチを有する。光学スイッチは、変調器に光学的に連結されるとともに、光学スイッチを通過する光学信号を、入力された駆動信号に基づいて選択量だけ減衰するように適合されている。ＱＫＤステーションは、また、光学スイッチに機能的に連結されるとともに、駆動信号を光学スイッチに出力するように適合された光学スイッチドライバを有する。
【０００８】
本発明の第２の態様は、ＱＫＤステーションにおいてデコイ信号がランダムに組み込まれている量子信号を生成する方法である。この方法は、ランダムに変調された光学パルスを、可変光減衰器として使用するのに適合された高速光学スイッチを通過させる工程を含む。この方法は、また、平均光子数μＤを有するデコイ信号が組み込まれた平均光子数μＱを有する量子信号を生成し、光学パルスの第１および第２レベルの減衰を与えるために、光学スイッチをランダムに駆動する工程を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るＱＫＤステーションによれば、駆動信号により、光学スイッチは、量子信号に関連している第１平均光子数μＱ、あるいは、デコイ信号に関連している第２平均光子数μＤのいずれかを有する出力光学パルスを生じる第１および第２レベルの減衰をランダムに与える。駆動信号をランダムに出力することにより、デコイ信号が量子信号の中にランダムに組み込まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、光ファイバーリンクＦＬによって機能的に連結された「アリス」と呼ばれる第１ＱＫＤステーションと、「ボブ」と呼ばれる第２ＱＫＤステーションと、を含む汎用ＱＫＤシステム１０の概略図である。アリスとボブとは、ＱＫＤステーションのそれぞれの動作を制御し、ＱＫＤシステム動作の全体的な同期を調整するように通信し、最終的に安全な量子鍵を確立するために、情報（例えば、シフティング、プライバシー増幅など）を交換し処理する、それぞれのコントローラＣＡ，ＣＢを有する。光ファイバーリンクＦＬは、微弱光学パルスをアリスからボブまで量子チャネル上で伝送するように適合されている。ここで、微弱光学パルスとは、平均光子数μ≦１を有する光学パルスとして定義する。共有の量子鍵を確立するために用いられる量子信号ＱＳは、量子チャネル上で交換される微弱光学パルスである。後述のように生成されるデコイ状態信号ＤＳ（以下「デコイ信号」）は、また、量子信号ＱＳとは異なる平均光子数μを有する微弱光学パルスとすることができる。デコイ状態信号ＤＳも、量子チャネル上で交換される。
【００１１】
光ファイバーリンクＦＬは、また、アリスとボブとの動作を鍵交換プロセスにおいてコントローラＣＡ，ＣＢを介して同期させる同期チャネルに関連する同期信号ＳＳなどの他のチャネルに関連する光学信号を伝送することができる。さらに、光ファイバーリンクＦＬは、複数光子デコイ信号ＤＳ等の複数光子光学信号（パルス）を伝送することが可能である。他の実施形態では、ＱＫＤシステム１０は、光ファイバーリンクＦＬ上で必ずしも伝送される必要がない、機能的にコントローラＣＡ，ＣＢを接続している独立した公共のチャネルを有する。公共のチャネルは、例えば、同期信号ＳＳを介した同期情報の通信および／または公共情報信号ＰＩを介した公共情報の交換の通信を可能にする。一例では、公共情報信号ＰＩは、安全な共有量子鍵を得るプロセスの一部として交換された量子信号およびデコイ信号の性質およびタイプに関連する公共情報を含む。
【００１２】
（ツーウェイシステムの例示的な実施形態）
図２は、本発明に係るＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、ツーウェイＱＫＤシステムにおいて、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳにランダムに組み込むことが可能である。図２のアリスは、従来技術のツーウェイシステムのアリスにおいて見られる通常のエレメントを有する、つまり、ファラデーミラーＦＭと、位相変調器ＰＭと、可変光減衰器ＶＯＡと、位相変調器および可変光減衰器に機能的に連結されたコントローラＣＡとを有する。なお、システムにおける光減衰器の位置は重要でないことを記載しておく。実際、光学スイッチＯＳが十分な減衰を与えることができる例示的な実施形態においては、光減衰器は、システムの一部として必要ではない。
Ｚｈａｏによる方法のように、２つ以上のＶＯＡやそれに付随するドライバをシステムに付加するのではなく、本発明にかかる図２のアリスは、単に、光学スイッチドライバＯＳＤによって駆動される偏光無依存高速光学スイッチＯＳを付加している。適当な光学スイッチＯＳの一例は、ＥＯＳＰＡＣＥ社（８７１１ １４８ｔｈ Ａｖｅｎｕｅ Ｎ．Ｅ．， Ｒｅｄｍｏｎｄ， ＷＡ ９８０５２）から、ｍｏｄｅｌ ｎｏ．ＳＷ ２ｘ２−Ｄ００−ＳＦＵ−ＳＦＵとして入手可能である。
【００１３】
光学スイッチドライバＯＳＤは、光学スイッチＯＳと、コントローラＣＡに機能的に連結される乱数発生器ＲＮＧとに機能的に連結される。光学スイッチＯＳは、本発明において、偏光無依存可変光減衰器として使用するように適合されている。減衰量は、光学スイッチドライバＯＳＤからの駆動信号ＳＤによって与えられる。例えば、駆動信号ＳＤ＝０ボルトの場合、光学スイッチＯＳは非作動であり、最小の減衰（〜０ｄＢ）を与える。一方、ＳＤ＝１５ボルトの場合、減衰は最大（例えば、〜２３ｄＢ）となる。その間では、減衰は、駆動信号ＳＤの電圧に対応する定義された方法で変化する。従って、アリスに入ってくる、また、アリスから離れていく光学信号に対する減衰のセットレベルを、光学スイッチに適当な電圧を有する駆動信号ＳＤを出力することにより、光学スイッチＯＳにより与えることができる。これにより、高出力ＲＦドライバを必要とするとともに、補償を要する周波数シフトを生じる音響光学変調器を用いる複雑さを回避する。
【００１４】
図２のアリスは、図１のＱＫＤシステム１０のツーウェイの実施形態の一部である。そのため、ボブからの比較的強い光学信号ＢＳが、アリスに送信される。光学信号ＢＳは、２つの比較的強い（つまり、非量子的な）直交偏光光学パルスを含んでいる。２つの比較的強い直交偏光光学パルスは、単一光学パルスとして発信されるものであり、そして、ボブで位相符号化され再結合されて位相符号化情報を有する単一光学パルスを形成するものである。
詳細には、光学信号ＢＳは、パルスの一方を位相変調器ＰＭでコントローラＣＡによる位相変調のランダムな選択によって変調するアリスによって受信される。ファラデーミラーＦＭは、それぞれのパルスの偏光を９０°変化させ、そして、パルスは、可変光減衰器ＶＯＡおよび光学スイッチＯＳを通過した後ボブへと戻る。アリスとボブとの間で量子信号ＱＳを交換するとき、可変光減衰器ＶＯＡおよび光学スイッチＯＳは、入力信号ＢＳにおけるパルスが減衰されて、そのパルスがボブに戻ったとき選択平均光子数μＱを有する量子信号ＱＳを形成するようにセットされる。
【００１５】
平均光子数μＤを有するデコイ信号ＤＳを平均光子数μＱの量子信号ＱＳにランダムに割り込ませるために、コントローラＣＡは、ＱＫＤシステム動作中に、制御信号ＳＡを乱数発生器ＲＮＧへ送信する。これにより、乱数発生器が、乱数を表す乱数信号Ｓ１を生成し、そして、その信号を光学スイッチドライバＯＳＤへ出力する。乱数信号Ｓ１に応じて、光学スイッチドライバＯＳＤは、対応する駆動信号ＳＤを光学スイッチＯＳへ出力し、光学スイッチを選択減衰に設定する。信号ＳＡ，Ｓ１，ＳＤは、タイミングが合わされ、これにより、ボブからの光学信号ＢＳがアリスに到達したとき、および／または、反射されたパルスがアリスから離れたとき、光学スイッチＯＳは選択減衰に設定される。なお、乱数信号Ｓ１は、また、システムの動作中に乱数信号によって表わされる乱数を記録するコントローラＣＡへ出力されることを記載しておく。例示的な実施形態では、乱数は、シングルビット乱数である。
【００１６】
光学スイッチドライバＯＳＤは、乱数信号Ｓ１を受信するよう、そして、それに応じて対応する駆動信号ＳＤを生成するようにプログラムされている。例えば、乱数信号Ｓ１は、２つの可能な値、つまり、０と１とを有する１ビットの乱数を表わすことができる。光学スイッチドライバＯＳＤは、０を表す信号Ｓ１に応じて０ボルトの駆動信号ＳＤを生成することができ、その結果、光学スイッチＯＳおよび可変光減衰器ＶＯＡによって与えられた合成の減衰により、アリスから離れていく平均光子数、例えば、μＱ＝０．５を有する量子信号ＱＳとなる。
一方、１の値を表わす信号Ｓ１に応じて、光学スイッチドライバＯＳＤは、出力パルスを減衰するようタイミングが合わされた５ボルトの駆動信号ＳＤを生成する。５ボルトの駆動信号ＳＤにより、光学スイッチＯＳは、３ｄＢの減衰を与える。μＱ＝０．５を有する量子信号に対する３ｄＢの減衰により、μＤ＝０．２５を有するデコイ信号ＤＳとなる。その結果、ＱＫＤシステム動作中に、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳにランダムに組み込ませることになる。
【００１７】
さらに、量子信号ＱＳおよびデコイ信号ＤＳを生成するよう用いられる乱数のコントローラＣＡにおけるアリスの記録により、ボブおよびアリスが両方のタイプの信号のボブの検出の結果を比較することができる。乱数発生器ＲＮＧによって生成される乱数の適当な選択と、それに応じた光学スイッチドライバＯＳＤに対する適当な設定とによって、デコイ状態信号ＤＳの数に対する量子信号ＱＳの数の比率が、所望のレベルへ設定可能となる。また、ボブからの信号がアリスを通って往復するので、光学スイッチＯＳを、信号が光学スイッチを通る２つの行程を行き来するのに十分に長い期間作動させることができる。この場合、上記の例を用いて、光学スイッチＯＳの減衰レベルを、１．５ｄＢ（１回の通過のセッティングが３ｄＢに対して）にセットできる。
適当な数の微弱光学信号（ＱＳとＤＳとの両方）が、アリスとボブとの間で交換されると、アリスとボブとは、どの信号が量子信号であったか、そして、どの信号がデコイ信号であったかに関連する情報を共有する。そして、それぞれの信号タイプの統計が分析され、これにより、鍵交換プロセスの際に盗聴者が存在していたかどうかを確かめることができる。
【００１８】
なお、他の例示的な実施形態においては、例えば、光学スイッチドライバＯＳＤの適切なプログラミングによって、μＱ＜μＤとし、これにより、量子信号ＱＳをデコイ信号ＤＳよりも減衰することができることを付言しておく。
（ワンウェイシステムの例示的な実施形態）
図３は、本発明に係るＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、ワンウェイＱＫＤシステムにおいては、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳに効果的にランダムに組み込むことが可能である。図３のアリスは、従来技術のワンウェイのアリスにおいて見られる通常のエレメントを有する。つまり、レーザ源ＬＳと、変調器Ｍ（例えば、偏光あるいは位相変調器）と、可変光減衰器ＶＯＡと、レーザ源、位相変調器および可変光減衰器に機能的に連結されたコントローラＣＡと、を有する。また、可変光減衰器の位置は重要でない。実際、光学スイッチＯＳが十分な減衰を与えることができる例示的な実施形態においては、光減衰器は、システムの一部として必要ではない。
【００１９】
本発明に係る図３のアリスは、先の例示的な実施形態において説明したとおり、光学スイッチドライバＯＳＤおよび乱数発生器ＲＮＧに加えて、可変減衰器ＶＯＡの下流側に配置される偏光無依存高速光学スイッチＯＳをさらに含んでいる。
図３のアリスの動作は、ボブから強い信号ＢＳを受信する代わりに、アリスが、レーザ源ＬＳを用いて、アリス自身の強い光学信号（パルス）Ｐ０を生成することを除いて、基本的に図２のアリスと同じである。信号Ｐ０は、変調器Ｍを通過し、ランダムに偏光変調あるいは位相変調され、これにより、ランダムに変調された光学信号Ｐ１を生成する。そして、光学信号Ｐ１は、可変光減衰器ＶＯＡによって減衰され、これにより、減衰された光学信号Ｐ２を生成する。例示的な実施形態では、減衰された光学信号Ｐ２は平均光子数μ２＝μＱを有しており、したがって、光学信号Ｐ２は量子信号ＱＳと同じである。
【００２０】
そして、光学信号Ｐ２は、図２のアリスに関して上に説明したように制御される光学スイッチＯＳを通過する。したがって、光学スイッチＯＳが「オフ」状態にあるとき、光学信号Ｐ２は、光学スイッチをそのまま通過し、平均光子数μＱの量子信号ＱＳとしてアリスを離れる。一方、光学スイッチＯＳが作動されているとき、光学信号Ｐ２はさらに減衰され、μＱのデコイ信号ＤＳを形成する。また、他の例示的な実施形態においては、例えば、光学スイッチドライバＯＳＤの適切なプログラミングによって、μＱ＜μＤとし、これにより、量子信号ＱＳをデコイ信号ＤＳよりも減衰することができることを付言しておく。
適切な数の光学信号（ＱＳとＤＳの両方）が、アリスとボブとの間で交換されると、アリスとボブは、どの信号が量子信号であったか、そして、どの信号がデコイ信号であったかに関連する情報を共有する。そして、それぞれの信号タイプの統計が比較され、これにより、鍵交換プロセスの際に盗聴者が存在していたかどうかを確かめることができる。
【００２１】
なお、図面に示した種々のエレメントは、単に、表示的なもので、必ずしもスケールに合わせて描かれてはいない。ある部分が誇張されていることもあり、また、他の部分が極小化されていることもある。図面は、当業者によって理解され適切に実行することができる本発明の種々の実施例を例示するよう意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、光ファイバーリンクによって光学的に連結されたＱＫＤステーション「アリス」および「ボブ」を有する汎用ＱＫＤシステムの概略図であって、アリスとボブとの間で交換される光学信号の異なるタイプを示している。
【図２】本発明にかかるＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、図１におけるツーウェイＱＫＤシステムの量子信号がランダムに組み込まれたデコイ信号を効率的に生成することが可能である。
【図３】本発明にかかるＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、図１におけるワンウェイＱＫＤシステムの量子信号がランダムに割り込まれたデコイ信号を効率的に生成することが可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号に関し、量子暗号に関連する産業上の有用性を有している。本発明は、特に、デコイ状態の使用によってＱＫＤシステムのセキュリティを向上するシステムおよび方法に関し、そのシステムおよび方法に関連する産業上の有用性を有している。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、“量子チャネル”を通して伝送される弱い（例えば、１パルス当たり１光子）光学信号（量子信号）を用いることにより、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間の鍵を確立することを含んでいる。量子鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子システムのどのような測定もその状態を変えてしまうという量子力学的原理に基づいている。その結果、量子信号を傍受あるいは測定することを試みる盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを与え、イブの存在を明らかにする。
量子暗号法の概略的な原理は、ＢｅｎｎｅｔｔおよびＢｒａｓｓａｒｄ共著論文（非特許文献１）において述べられている。具体的なＱＫＤシステムは、Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔらの出版物（非特許文献２）や、Ｂｅｎｎｅｔｔに付与された米国特許第５，３０７，４１０号（特許文献１）（‘４１０特許）に説明されている。ＱＫＤの動作の一般的な流れについては、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらによる書籍（非特許文献３）に説明されている。
【０００３】
‘４１０特許に記載されているＱＫＤシステムは、信号が一方のＱＫＤステーション（すなわちアリス）から他方のＱＫＤステーション（ボブ）へ送信される、いわゆる、「ワンウェイ」システムである。Ｒｉｂｏｒｄｙらによる論文（非特許文献４）、および、米国特許第６，１８８，７６８号（特許文献２）は、それぞれ、量子信号が、第１ＱＫＤステーション（ボブ）から第２ＱＫＤステーション（アリス）へと送信され、そして、第１ＱＫＤステーション（ボブ）へ戻ってくる、いわゆる、「ツーウェイ」システムについて記載している。一般に、第１ＱＫＤステーションから第２ＱＫＤステーションへ送信される量子信号は、比較的強く（例えば、平均で、１パルス当たり数百あるいは数千もの光子）、また、第１ＱＫＤステーションに戻ってくる前には、第２ＱＫＤステーションで量子レベル（つまり、平均で、１パルス当たり１光子あるいはそれ以下）まで減衰される。ツーウェイＱＫＤシステムは、ドイツのＪｏａｃｈｉｍ Ｍｅｉｅｒ博士によって発明され、１９９５年に（ドイツで）“Ｓｔａｂｉｌｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ ｄｅｓ ｎｉｃｈｔｌｉｎｅａｒｅｎ Ｂｒｅｃｈｚａｈｌ−Ｋｏｅｆｆｉｚｉｅｎｔｅｎ ｖｏｎ Ｑｕａｒｚｇｌａｓｆａｓｅｒｎ ｄｅｒ ｏｐｔｉｓｃｈｅｎ Ｎａｃｈｒｉｃｈｔｅｎｔｅｃｈｎｉｋ”（Ｊｏａｃｈｉｍ Ｍｅｉｅｒ．−Ａｌｓ Ｍｓ． ｇｅｄｒ．．−Ｄuｓｓｅｌｄｏｒｆ：ＶＤＩ−Ｖｅｒｌ．， Ｎｒ．４４３， １９９５（ＩＳＢＮ３−１８−３４４３０８−２））として発表されたタイプの自動補償干渉計を用いている。Ｍｅｉｅｒの干渉計は自動的に補償されるので、それに基づくツーウェイシステムは、当然、ワンウェイシステムよりも環境の影響を受けにくい。
【０００４】
最も一般的なＱＫＤシステムは、レーザなどの複数光子源を使用し、単一光子量子信号（パルス）、つまり、平均光子数μ≦１の光パルスを達成するよう複数光子パルスを減衰させる。これは、「微弱コヒーレント光」、あるいは、ＷＣＰ ＱＫＤと呼ばれている。他のＱＫＤシステムは、量子信号を生成するために単一光子源を用いている。単一光子源を用いる従来技術ＱＫＤシステムでは、単一光子源によって生成される複数光子信号を抑制する、あるいは、なくす努力がなされている。もし、イブが大きなチャネルロスを利用することができる場合には、複数光子パルスに対する攻撃は、イブにとって非常に効果的であることが分かる。このように、ロスが存在する場合において、アリスからボブまでの複数光子パルスと単一光子パルスとの効率を変えるイブを検出する能力は、システムセキュリティを維持する非常に重要な要素である。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，１８８，７６８号公報
【非特許文献１】“Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｉｎ ｔｏｓｓｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １０−１２， １９８４，ｐｐ．１７５−１７９
【非特許文献２】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，” Ｊ． Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ ５： ３−２８ （１９９２）
【非特許文献３】“Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，” Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ ２００１， ｉｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ ２．３， ｐａｇｅｓ ２７−３３
【非特許文献４】“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ‘Ｐｌｕｇ ａｎｄ ｐｌａｙ” ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，” Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ３４， Ｎｏ． ２２ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２９， １９９８ （“ｔｈｅ Ｒｉｂｏｒｄｙ ｐａｐｅｒ”）
【非特許文献５】“Ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｌｏｓｓ： ｔｏｗａｒｄ ｇｌｏｂａｌ ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”（ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２１１１５３ ｖ５、２００３年５月１９日発表）
【非特許文献６】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｃｏｙ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｖｅｒ １５ ｋｍ，”（２００５年３月２５日発表、ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ＰＳ ｃａｃｈｅ／ｑｕａｎｔ−ｐｈ／ｐｄｆ／０５０３／０５０３１９２ｖ２．ｐｄｆ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数光子パルスの盗聴に対するセキュリティ対策の一つとして、デコイ（おとり）状態方式がある。そのような１方法は、Ｈｗａｎｇによる論文（非特許文献５）の中で提案されている。そのデコイ状態方式では、アリスは、平均光子数を、２つの値（０．５と０．２５など）の間で、ランダムに変調し、それらの一つがデコイ状態を表す。デコイ状態によって、アリスは、イブがチャネルロスを利用しているかどうか、そして、あるタイプの攻撃−つまり、例えば、ＰＮＳ攻撃、あるいは、明白状態識別（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｓｔａｔｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）（ＵＳＤ）攻撃−を行っているかどうかを、デコイ状態信号のロス（つまりビット誤り率）を量子信号のそれと比較することによって判定できる。概して、平均光子数の異なる２つの値は、二つの状態に最良の統計をもたらすために、ＱＫＤシステムパラメータに基づいて選択される。
【０００６】
Ｚｈａｏらは、論文（非特許文献６）の中で、微弱コヒーレント（「量子状態」）パルスと共にデコイ状態パルスの生成を可能にするツーウェイＱＫＤシステムに対する改良について発表している。Ｚｈａｏの論文について、図２に示すように、その改良は、「デコイ生成器」によって駆動される２つの音響光学変調器（ＡＯＭＳ）−「デコイ」ＡＯＭ−と、「補償生成器」によって駆動される上流側の補償ＡＯＭとを加えることを含んでいる。デコイ発生器は、通常の光検出器に連結され、その結果、デコイＡＯＭを位相変調器（ＰＭ）およびファラデーミラー（ＦＭ）に接続する光ファイバーに光学的に連結される。補償ＡＯＭおよび関連する補償発生器は、アリスおよびボブの干渉計の間のアラインメントを維持する信号の周波数をシフトするよう用いられる。Ｚｈａｏの改良は、デコイ状態プロトコルを研究する論文の実験の目的には適っていたが、商用ＱＫＤシステムには過度に複雑で扱いにくい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、デコイ信号が組み込まれた量子信号を形成することが可能なＱＫＤステーションである。ＱＫＤステーションは、通過する光学信号を位相変調あるいは偏光変調するように適合された変調器を有する。ＱＫＤステーションは、また、可変光減衰器として使用するのに適合された偏光無依存光学スイッチを有する。光学スイッチは、変調器に光学的に連結されるとともに、光学スイッチを通過する光学信号を、入力された駆動信号に基づいて選択量だけ減衰するように適合されている。ＱＫＤステーションは、また、光学スイッチに機能的に連結されるとともに、駆動信号を光学スイッチに出力するように適合された光学スイッチドライバを有する。
【０００８】
本発明の第２の態様は、ＱＫＤステーションにおいてデコイ信号がランダムに組み込まれている量子信号を生成する方法である。この方法は、ランダムに変調された光学パルスを、可変光減衰器として使用するのに適合された高速光学スイッチを通過させる工程を含む。この方法は、また、平均光子数μＤを有するデコイ信号が組み込まれた平均光子数μＱを有する量子信号を生成し、光学パルスの第１および第２レベルの減衰を与えるために、光学スイッチをランダムに駆動する工程を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るＱＫＤステーションによれば、駆動信号により、光学スイッチは、量子信号に関連している第１平均光子数μＱ、あるいは、デコイ信号に関連している第２平均光子数μＤのいずれかを有する出力光学パルスを生じる第１および第２レベルの減衰をランダムに与える。駆動信号をランダムに出力することにより、デコイ信号が量子信号の中にランダムに組み込まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、光ファイバーリンクＦＬによって機能的に連結された「アリス」と呼ばれる第１ＱＫＤステーションと、「ボブ」と呼ばれる第２ＱＫＤステーションと、を含む汎用ＱＫＤシステム１０の概略図である。アリスとボブとは、ＱＫＤステーションのそれぞれの動作を制御し、ＱＫＤシステム動作の全体的な同期を調整するように通信し、最終的に安全な量子鍵を確立するために、情報（例えば、シフティング、プライバシー増幅など）を交換し処理する、それぞれのコントローラＣＡ，ＣＢを有する。光ファイバーリンクＦＬは、微弱光学パルスをアリスからボブまで量子チャネル上で伝送するように適合されている。ここで、微弱光学パルスとは、平均光子数μ≦１を有する光学パルスとして定義する。共有の量子鍵を確立するために用いられる量子信号ＱＳは、量子チャネル上で交換される微弱光学パルスである。後述のように生成されるデコイ状態信号ＤＳ（以下「デコイ信号」）は、また、量子信号ＱＳとは異なる平均光子数μを有する微弱光学パルスとすることができる。デコイ状態信号ＤＳも、量子チャネル上で交換される。
【００１１】
光ファイバーリンクＦＬは、また、アリスとボブとの動作を鍵交換プロセスにおいてコントローラＣＡ，ＣＢを介して同期させる同期チャネルに関連する同期信号ＳＳなどの他のチャネルに関連する光学信号を伝送することができる。さらに、光ファイバーリンクＦＬは、複数光子デコイ信号ＤＳ等の複数光子光学信号（パルス）を伝送することが可能である。他の実施形態では、ＱＫＤシステム１０は、光ファイバーリンクＦＬ上で必ずしも伝送される必要がない、機能的にコントローラＣＡ，ＣＢを接続している独立した公共のチャネルを有する。公共のチャネルは、例えば、同期信号ＳＳを介した同期情報の通信および／または公共情報信号ＰＩを介した公共情報の交換の通信を可能にする。一例では、公共情報信号ＰＩは、安全な共有量子鍵を得るプロセスの一部として交換された量子信号およびデコイ信号の性質およびタイプに関連する公共情報を含む。
【００１２】
（ツーウェイシステムの例示的な実施形態）
図２は、本発明に係るＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、ツーウェイＱＫＤシステムにおいて、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳにランダムに組み込むことが可能である。図２のアリスは、従来技術のツーウェイシステムのアリスにおいて見られる通常のエレメントを有する、つまり、ファラデーミラーＦＭと、位相変調器ＰＭと、可変光減衰器ＶＯＡと、位相変調器および可変光減衰器に機能的に連結されたコントローラＣＡとを有する。なお、システムにおける光減衰器の位置は重要でないことを記載しておく。実際、光学スイッチＯＳが十分な減衰を与えることができる例示的な実施形態においては、光減衰器は、システムの一部として必要ではない。
Ｚｈａｏによる方法のように、２つ以上のＶＯＡやそれに付随するドライバをシステムに付加するのではなく、本発明にかかる図２のアリスは、単に、光学スイッチドライバＯＳＤによって駆動される偏光無依存高速光学スイッチＯＳを付加している。適当な光学スイッチＯＳの一例は、ＥＯＳＰＡＣＥ社（８７１１ １４８ｔｈ Ａｖｅｎｕｅ Ｎ．Ｅ．， Ｒｅｄｍｏｎｄ， ＷＡ ９８０５２）から、ｍｏｄｅｌ ｎｏ．ＳＷ ２ｘ２−Ｄ００−ＳＦＵ−ＳＦＵとして入手可能である。
【００１３】
光学スイッチドライバＯＳＤは、光学スイッチＯＳと、コントローラＣＡに機能的に連結される乱数発生器ＲＮＧとに機能的に連結される。光学スイッチＯＳは、本発明において、偏光無依存可変光減衰器として使用するように適合されている。減衰量は、光学スイッチドライバＯＳＤからの駆動信号ＳＤによって与えられる。例えば、駆動信号ＳＤ＝０ボルトの場合、光学スイッチＯＳは非作動であり、最小の減衰（〜０ｄＢ）を与える。一方、ＳＤ＝１５ボルトの場合、減衰は最大（例えば、〜２３ｄＢ）となる。その間では、減衰は、駆動信号ＳＤの電圧に対応する定義された方法で変化する。従って、アリスに入ってくる、また、アリスから離れていく光学信号に対する減衰のセットレベルを、光学スイッチに適当な電圧を有する駆動信号ＳＤを出力することにより、光学スイッチＯＳにより与えることができる。これにより、高出力ＲＦドライバを必要とするとともに、補償を要する周波数シフトを生じる音響光学変調器を用いる複雑さを回避する。
【００１４】
図２のアリスは、図１のＱＫＤシステム１０のツーウェイの実施形態の一部である。そのため、ボブからの比較的強い光学信号ＢＳが、アリスに送信される。光学信号ＢＳは、２つの比較的強い（つまり、非量子的な）直交偏光光学パルスを含んでいる。２つの比較的強い直交偏光光学パルスは、単一光学パルスとして発信されるものであり、そして、ボブで位相符号化され再結合されて位相符号化情報を有する単一光学パルスを形成するものである。
詳細には、光学信号ＢＳは、パルスの一方を位相変調器ＰＭでコントローラＣＡによる位相変調のランダムな選択によって変調するアリスによって受信される。ファラデーミラーＦＭは、それぞれのパルスの偏光を９０°変化させ、そして、パルスは、可変光減衰器ＶＯＡおよび光学スイッチＯＳを通過した後ボブへと戻る。アリスとボブとの間で量子信号ＱＳを交換するとき、可変光減衰器ＶＯＡおよび光学スイッチＯＳは、入力信号ＢＳにおけるパルスが減衰されて、そのパルスがボブに戻ったとき選択平均光子数μＱを有する量子信号ＱＳを形成するようにセットされる。
【００１５】
平均光子数μＤを有するデコイ信号ＤＳを平均光子数μＱの量子信号ＱＳにランダムに割り込ませるために、コントローラＣＡは、ＱＫＤシステム動作中に、制御信号ＳＡを乱数発生器ＲＮＧへ送信する。これにより、乱数発生器が、乱数を表す乱数信号Ｓ１を生成し、そして、その信号を光学スイッチドライバＯＳＤへ出力する。乱数信号Ｓ１に応じて、光学スイッチドライバＯＳＤは、対応する駆動信号ＳＤを光学スイッチＯＳへ出力し、光学スイッチを選択減衰に設定する。信号ＳＡ，Ｓ１，ＳＤは、タイミングが合わされ、これにより、ボブからの光学信号ＢＳがアリスに到達したとき、および／または、反射されたパルスがアリスから離れたとき、光学スイッチＯＳは選択減衰に設定される。なお、乱数信号Ｓ１は、また、システムの動作中に乱数信号によって表わされる乱数を記録するコントローラＣＡへ出力されることを記載しておく。例示的な実施形態では、乱数は、シングルビット乱数である。
【００１６】
光学スイッチドライバＯＳＤは、乱数信号Ｓ１を受信するよう、そして、それに応じて対応する駆動信号ＳＤを生成するようにプログラムされている。例えば、乱数信号Ｓ１は、２つの可能な値、つまり、０と１とを有する１ビットの乱数を表わすことができる。光学スイッチドライバＯＳＤは、０を表す信号Ｓ１に応じて０ボルトの駆動信号ＳＤを生成することができ、その結果、光学スイッチＯＳおよび可変光減衰器ＶＯＡによって与えられた合成の減衰により、アリスから離れていく平均光子数、例えば、μＱ＝０．５を有する量子信号ＱＳとなる。
一方、１の値を表わす信号Ｓ１に応じて、光学スイッチドライバＯＳＤは、出力パルスを減衰するようタイミングが合わされた５ボルトの駆動信号ＳＤを生成する。５ボルトの駆動信号ＳＤにより、光学スイッチＯＳは、３ｄＢの減衰を与える。μＱ＝０．５を有する量子信号に対する３ｄＢの減衰により、μＤ＝０．２５を有するデコイ信号ＤＳとなる。その結果、ＱＫＤシステム動作中に、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳにランダムに組み込ませることになる。
【００１７】
さらに、量子信号ＱＳおよびデコイ信号ＤＳを生成するよう用いられる乱数のコントローラＣＡにおけるアリスの記録により、ボブおよびアリスが両方のタイプの信号のボブの検出の結果を比較することができる。乱数発生器ＲＮＧによって生成される乱数の適当な選択と、それに応じた光学スイッチドライバＯＳＤに対する適当な設定とによって、デコイ状態信号ＤＳの数に対する量子信号ＱＳの数の比率が、所望のレベルへ設定可能となる。また、ボブからの信号がアリスを通って往復するので、光学スイッチＯＳを、信号が光学スイッチを通る２つの行程を行き来するのに十分に長い期間作動させることができる。この場合、上記の例を用いて、光学スイッチＯＳの減衰レベルを、１．５ｄＢ（１回の通過のセッティングが３ｄＢに対して）にセットできる。
適当な数の微弱光学信号（ＱＳとＤＳとの両方）が、アリスとボブとの間で交換されると、アリスとボブとは、どの信号が量子信号であったか、そして、どの信号がデコイ信号であったかに関連する情報を共有する。そして、それぞれの信号タイプの統計が分析され、これにより、鍵交換プロセスの際に盗聴者が存在していたかどうかを確かめることができる。
【００１８】
なお、他の例示的な実施形態においては、例えば、光学スイッチドライバＯＳＤの適切なプログラミングによって、μＱ＜μＤとし、これにより、量子信号ＱＳをデコイ信号ＤＳよりも減衰することができることを付言しておく。
（ワンウェイシステムの例示的な実施形態）
図３は、本発明に係るＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、ワンウェイＱＫＤシステムにおいては、デコイ信号ＤＳを量子信号ＱＳに効果的にランダムに組み込むことが可能である。図３のアリスは、従来技術のワンウェイのアリスにおいて見られる通常のエレメントを有する。つまり、レーザ源ＬＳと、変調器Ｍ（例えば、偏光あるいは位相変調器）と、可変光減衰器ＶＯＡと、レーザ源、位相変調器および可変光減衰器に機能的に連結されたコントローラＣＡと、を有する。また、可変光減衰器の位置は重要でない。実際、光学スイッチＯＳが十分な減衰を与えることができる例示的な実施形態においては、光減衰器は、システムの一部として必要ではない。
【００１９】
本発明に係る図３のアリスは、先の例示的な実施形態において説明したとおり、光学スイッチドライバＯＳＤおよび乱数発生器ＲＮＧに加えて、可変減衰器ＶＯＡの下流側に配置される偏光無依存高速光学スイッチＯＳをさらに含んでいる。
図３のアリスの動作は、ボブから強い信号ＢＳを受信する代わりに、アリスが、レーザ源ＬＳを用いて、アリス自身の強い光学信号（パルス）Ｐ０を生成することを除いて、基本的に図２のアリスと同じである。信号Ｐ０は、変調器Ｍを通過し、ランダムに偏光変調あるいは位相変調され、これにより、ランダムに変調された光学信号Ｐ１を生成する。そして、光学信号Ｐ１は、可変光減衰器ＶＯＡによって減衰され、これにより、減衰された光学信号Ｐ２を生成する。例示的な実施形態では、減衰された光学信号Ｐ２は平均光子数μ２＝μＱを有しており、したがって、光学信号Ｐ２は量子信号ＱＳと同じである。
【００２０】
そして、光学信号Ｐ２は、図２のアリスに関して上に説明したように制御される光学スイッチＯＳを通過する。したがって、光学スイッチＯＳが「オフ」状態にあるとき、光学信号Ｐ２は、光学スイッチをそのまま通過し、平均光子数μＱの量子信号ＱＳとしてアリスを離れる。一方、光学スイッチＯＳが作動されているとき、光学信号Ｐ２はさらに減衰され、μＱのデコイ信号ＤＳを形成する。また、他の例示的な実施形態においては、例えば、光学スイッチドライバＯＳＤの適切なプログラミングによって、μＱ＜μＤとし、これにより、量子信号ＱＳをデコイ信号ＤＳよりも減衰することができることを付言しておく。
適切な数の光学信号（ＱＳとＤＳの両方）が、アリスとボブとの間で交換されると、アリスとボブは、どの信号が量子信号であったか、そして、どの信号がデコイ信号であったかに関連する情報を共有する。そして、それぞれの信号タイプの統計が比較され、これにより、鍵交換プロセスの際に盗聴者が存在していたかどうかを確かめることができる。
【００２１】
なお、図面に示した種々のエレメントは、単に、表示的なもので、必ずしもスケールに合わせて描かれてはいない。ある部分が誇張されていることもあり、また、他の部分が極小化されていることもある。図面は、当業者によって理解され適切に実行することができる本発明の種々の実施例を例示するよう意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、光ファイバーリンクによって光学的に連結されたＱＫＤステーション「アリス」および「ボブ」を有する汎用ＱＫＤシステムの概略図であって、アリスとボブとの間で交換される光学信号の異なるタイプを示している。
【図２】本発明にかかるＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、図１におけるツーウェイＱＫＤシステムの量子信号がランダムに組み込まれたデコイ信号を効率的に生成することが可能である。
【図３】本発明にかかるＱＫＤステーション、アリスの例示的な実施形態の概略図であって、アリスは、図１におけるワンウェイＱＫＤシステムの量子信号がランダムに割り込まれたデコイ信号を効率的に生成することが可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デコイ信号が組み込まれる量子信号を形成することが可能なＱＫＤステーションであって、
通過する光学信号を位相変調あるいは偏光変調するように適合された変調器と、
可変光減衰器として使用するのに適合された偏光無依存光学スイッチであって、前記変調器に光学的に連結されるとともに、入力された駆動信号に基づく選択量によって前記偏光無依存光学スイッチを通過する光学信号を減衰するように適合された前記偏光無依存光学スイッチと、
前記偏光無依存光学スイッチに機能的に連結されるとともに、前記駆動信号を前記偏光無依存光学スイッチに出力するよう適合された光学スイッチドライバであって、量子信号に関連する第１平均光子数μＱ、あるいは、前記量子信号に組み込まれるデコイ信号に関連する第２平均光子数μＤのいずれかを有する出力光学パルスを生じる第１および第２レベルの減衰をランダムに与える光学スイッチドライバと、
を備えている、ＱＫＤステーション。
【請求項２】
前記変調器は、位相変調器であるとともに、
第２ＱＫＤステーションから前記位相変調器および前記光学スイッチを通って戻ってくる入力パルスの光を反射して、前記第２ＱＫＤステーションへと戻すように配置されたファラデーミラーをさらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項３】
前記変調器の上流に配置されるとともに、前記変調器および前記偏光無依存光学スイッチを通過する前記光学信号を生成するように適合された光源を、さらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項４】
コントローラと、
前記コントローラおよび前記光学スイッチドライバに機能的に連結される乱数発生器であって、乱数を表す乱数信号を生成するように適合されるとともに、前記乱数信号を前記光学スイッチドライバおよび前記コントローラに出力する乱数発生器と、
をさらに備えている、請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項５】
μＱ＞μＤである、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項６】
μＤ＞μＱである、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項７】
前記変調器あるいは前記光学スイッチのいずれかに隣接して配置されて、前記変調器あるいは前記光学スイッチのいずれかを通過する前記光学信号を減衰する光減衰器をさらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項８】
ランダムに変調された光学パルスを、可変光減衰器として使用するのに適合された高速光学スイッチを通過させる工程と、
前記光学パルスの第１および第２の選択レベルの減衰を与え、平均光子数μＤを有するデコイ信号が組み込まれた平均光子数μＱを有する量子信号を生成するために、前記光学スイッチをランダムに駆動する工程と、
を備えている、ＱＫＤステーションにおいてデコイ信号がランダムに組み込まれる量子信号を生成する方法。
【請求項９】
前記光学パルスが前記ＱＫＤステーションを離れる前に、光減衰器を用いて前記光学パルスの第３の選択レベルの減衰を与える工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学スイッチをランダムに駆動する工程は、乱数を表す乱数信号を前記光学スイッチに機能的に連結される光学スイッチドライバへ出力する工程を含んでおり、
前記光学スイッチドライバは、前記乱数信号を受信して、前記第１および第２の選択レベルの減衰に対応する駆動信号を生成するように適合されている、
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の選択減衰レベルは、μＱ＞μＤである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ランダムに変調された光学パルスを形成する際に、前記光学パルスを１回だけ変調器に通過させる工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ランダムに変調された光学パルスを形成する際に、前記光学パルスを２回、変調器に通過させる工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＱＫＤステーションは、量子鍵交換を行なうために第２ＱＫＤステーションに機能的に連結される第１ＱＫＤステーションであって、
前記第１ＱＫＤステーションに、前記光学スイッチをランダムに駆動することに関連する情報を記憶させる工程と、
前記情報を第２ＱＫＤステーションと共有することによって、前記第２ＱＫＤステーションによって受信された前記光学信号のどれが量子信号であったか、また、どれがデコイ信号であったかを識別する工程と、
前記第１ＱＫＤステーションによって送信され前記第２ＱＫＤステーションによって検出された前記量子信号および前記デコイ信号に関連するデータを分析することによって、盗聴者が量子鍵交換に干渉したかどうか判定する工程と、
をさらに備えている、請求項８に記載の方法。
【請求項１】
デコイ信号が組み込まれる量子信号を形成することが可能なＱＫＤステーションであって、
通過する光学信号を位相変調あるいは偏光変調するように適合された変調器と、
可変光減衰器として使用するのに適合された偏光無依存光学スイッチであって、前記変調器に光学的に連結されるとともに、入力された駆動信号に基づく選択量によって前記偏光無依存光学スイッチを通過する光学信号を減衰するように適合された前記偏光無依存光学スイッチと、
前記偏光無依存光学スイッチに機能的に連結されるとともに、前記駆動信号を前記偏光無依存光学スイッチに出力するよう適合された光学スイッチドライバであって、量子信号に関連する第１平均光子数μＱ、あるいは、前記量子信号に組み込まれるデコイ信号に関連する第２平均光子数μＤのいずれかを有する出力光学パルスを生じる第１および第２レベルの減衰をランダムに与える光学スイッチドライバと、
を備えている、ＱＫＤステーション。
【請求項２】
前記変調器は、位相変調器であるとともに、
第２ＱＫＤステーションから前記位相変調器および前記光学スイッチを通って戻ってくる入力パルスの光を反射して、前記第２ＱＫＤステーションへと戻すように配置されたファラデーミラーをさらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項３】
前記変調器の上流に配置されるとともに、前記変調器および前記偏光無依存光学スイッチを通過する前記光学信号を生成するように適合された光源を、さらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項４】
コントローラと、
前記コントローラおよび前記光学スイッチドライバに機能的に連結される乱数発生器であって、乱数を表す乱数信号を生成するように適合されるとともに、前記乱数信号を前記光学スイッチドライバおよび前記コントローラに出力する乱数発生器と、
をさらに備えている、請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項５】
μＱ＞μＤである、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項６】
μＤ＞μＱである、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項７】
前記変調器あるいは前記光学スイッチのいずれかに隣接して配置されて、前記変調器あるいは前記光学スイッチのいずれかを通過する前記光学信号を減衰する光減衰器をさらに備えている、
請求項１に記載のＱＫＤステーション。
【請求項８】
ランダムに変調された光学パルスを、可変光減衰器として使用するのに適合された高速光学スイッチを通過させる工程と、
前記光学パルスの第１および第２の選択レベルの減衰を与え、平均光子数μＤを有するデコイ信号が組み込まれた平均光子数μＱを有する量子信号を生成するために、前記光学スイッチをランダムに駆動する工程と、
を備えている、ＱＫＤステーションにおいてデコイ信号がランダムに組み込まれる量子信号を生成する方法。
【請求項９】
前記光学パルスが前記ＱＫＤステーションを離れる前に、光減衰器を用いて前記光学パルスの第３の選択レベルの減衰を与える工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学スイッチをランダムに駆動する工程は、乱数を表す乱数信号を前記光学スイッチに機能的に連結される光学スイッチドライバへ出力する工程を含んでおり、
前記光学スイッチドライバは、前記乱数信号を受信して、前記第１および第２の選択レベルの減衰に対応する駆動信号を生成するように適合されている、
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の選択減衰レベルは、μＱ＞μＤである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ランダムに変調された光学パルスを形成する際に、前記光学パルスを１回だけ変調器に通過させる工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ランダムに変調された光学パルスを形成する際に、前記光学パルスを２回、変調器に通過させる工程を含んでいる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＱＫＤステーションは、量子鍵交換を行なうために第２ＱＫＤステーションに機能的に連結される第１ＱＫＤステーションであって、
前記第１ＱＫＤステーションに、前記光学スイッチをランダムに駆動することに関連する情報を記憶させる工程と、
前記情報を第２ＱＫＤステーションと共有することによって、前記第２ＱＫＤステーションによって受信された前記光学信号のどれが量子信号であったか、また、どれがデコイ信号であったかを識別する工程と、
前記第１ＱＫＤステーションによって送信され前記第２ＱＫＤステーションによって検出された前記量子信号および前記デコイ信号に関連するデータを分析することによって、盗聴者が量子鍵交換に干渉したかどうか判定する工程と、
をさらに備えている、請求項８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００９−５１０９０７（Ｐ２００９−５１０９０７Ａ）
【公表日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３３３７８（Ｐ２００８−５３３３７８）
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３４７５０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３７９２７
【国際公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【出願人】（５０５１８８９３９）マジック テクノロジーズ，インコーポレーテッド (27)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＧＩＱ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３４７５０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３７９２７
【国際公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【出願人】（５０５１８８９３９）マジック テクノロジーズ，インコーポレーテッド (27)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＧＩＱ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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