量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法
【課題】なりすまし盗聴を良好に判別可能な量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法を提供すること。
【解決手段】送信機３１１は、時間間隔Ｔのパルスからなり、０またはπで位相変調され、４つ連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列であって、４つの連続した空パルスを含む光パルス列３２４を受信機３１２に送信する。受信機３１２は、光パルス列３２４を受信し、分岐手段３１７にて分岐し、一方の光パルス列に時間間隔Ｔだけ遅延を施して合波し、位相差に応じて光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂにて光子を検出する。受信機３１２は、パルス４と、パルス５とが重なる時間スロットｔ4に対する、所定期間内の検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。
【解決手段】送信機３１１は、時間間隔Ｔのパルスからなり、０またはπで位相変調され、４つ連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列であって、４つの連続した空パルスを含む光パルス列３２４を受信機３１２に送信する。受信機３１２は、光パルス列３２４を受信し、分岐手段３１７にて分岐し、一方の光パルス列に時間間隔Ｔだけ遅延を施して合波し、位相差に応じて光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂにて光子を検出する。受信機３１２は、パルス４と、パルス５とが重なる時間スロットｔ4に対する、所定期間内の検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法に関し、より詳細には、位相変調した光パルス列の相対的位相差を利用して、安全な暗号鍵を供給する量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、暗号技術としては数式の数学的な計算困難性（例えば、解読のための計算に膨大な時間がかかる）を基礎にした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子１個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。
【０００３】
量子暗号は、量子力学の理論を用いた暗号技術であって、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。量子暗号通信の分野では、互いに離れた地点に存在する２者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。
【０００４】
量子鍵配送には、各種方式が存在するが、その中に差動位相シフト量子鍵配送方式（非特許文献１参照）と呼ばれる方式がある。このような差動位相シフト量子鍵配送方式においては、送信機から受信機に送信される送信信号は、パルス当り平均1光子未満（例えば０．１光子／パルス）のパルス列である。送信機は、信号送信の際に、上記パルス列に対して、０またはπで位相変調する。このときの位相変調データを各パルスの送出時刻に対応付けて第１の記憶手段に記憶する。
【０００５】
このような送信信号を受信した受信機は、受信パルス列を２つに分岐し、一方のパルス列に１パルス分の遅延を加えた後、再び２×２の合波器にて合波する。該２×２合波器の出力端には２つの光子検出器が配置されており、光子を検出した光子検出器の位置に基づいて、秘密鍵を作成する。すなわち、２つの光子検出器の一方で検出された場合にはビット「０」を割り当て、他方の光子検出器で検出された場合はビット「１」を割り当てる。
【０００６】
このとき、受信機は、光子を検出した時刻と光子検出器とを第２の記憶手段に記憶し、必要な数だけ光子が送受信された後、受信機は、送信機に光子が検出された時刻を知らせる。送信機は、知らされた時刻に対応した位相変調データを第１の記憶手段から読み出し、該位相変調データから所定の時刻ではどちらの光子検出器で検出されたかを知ることができ、上記光子検出器とビット「０」、「１」との関係に応じて、受信機と同じビット列を取得することができる。
【０００７】
このような差動位相シフト量子鍵配送方式に対して、なりすまし法と呼ばれる盗聴が行われる可能性がある。
上記なりすまし法においては、盗聴者は、送信機と受信機とを結ぶ伝送路の途中で、送信機によって送出された送信信号を本来の受信機と同様の機器構成で受信し、その受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機に送信する。盗聴者が送信信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、「差動位相シフト量子鍵配送システム」においては、送信信号はパルス当り平均１光子未満（例えば０．１光子／パルス）の光パルス列であるため、このような送信信号を受信しても、１０パルスあたり１回しか光子は検出されない。
【０００９】
したがって、盗聴者は、光子を検出した時刻に対応する２つのパルスの位相差は分かるが、それ以外の場合の位相差は検出できない。
【００１０】
盗聴者がこのような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差が検出できなかったパルスについては、当て推量で選んだ位相を割り振って再送するか（なりすまし盗聴１）、何も信号を出さないか（なりすまし盗聴２）、のいずれかの方法を採るしかない。
【００１１】
前者の場合（なりすまし盗聴１）、当て推量で選んだ位相差を受信機が検出した際、送信機が送った信号と異なる信号となる可能性が高い。後者の場合（なりすまし盗聴２）、やはり信号の不一致が生じる。その理由は、この場合に盗聴者が送るのは光子を検出した時刻に対応する連続する２パルスを含む光パルス列であるが、孤立した連続する２つのパルス以外は空のパルスだからである。
【００１２】
このように、なりすまし盗聴が行われると送信機および受信機間でビットの不一致（ビット誤り）が生じる。そこで、送信機および受信機は、通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットを用いて照合検査をする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが発生する。不一致ビットがある場合、システムは盗聴されていると判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。
【００１３】
このように、従来、なりすまし盗聴を受けたとしても、送信信号が１パルスあたり１光子未満であることにより、盗聴者は正確なダミー信号を送信できず、送受信機間でビット誤りが生じ、盗聴を判別することができた。
【００１４】
【非特許文献１】K.Inoue, E.Waks, Y.Yamamoto, 「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light」,２００３年,Physical Review A, vol.68, paper number 022317
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の説明では、送受信機の性能が完全であることを前提として、得られた秘密鍵が安全であることを説明した。しかし、実際には送受信機の性能の不完全さのためにシステム元来のビット誤りが発生する。かかる場合、そのビット誤りに紛れて、鍵の一部が盗聴される可能性がある。
【００１６】
例えば、システム元来のビット誤り率がｅであったと仮定する。これに対して盗聴者は、伝送信号の一部に対してだけ、上述のなりすまし盗聴２を行うとする。盗聴する割合をｘとすると、それにより発生するビット誤り率は、ｘ×１／４＝ｘ／４である。
【００１７】
ここで、ｘ／４＜ｅ、すなわち、システム元来のビット誤り率の方が盗聴により発生するビット誤り率よりも高い場合、送信機および受信機では、このシステム元来のビット誤りによる揺らぎと盗聴による誤り増加との区別がつかず、盗聴に気づくことが困難である。すなわち、割合ｘに該当する分の鍵情報は、送信機および受信機が気付くことなく盗聴者によって盗まれる可能性がある。
【００１８】
実際の装置では、送信機および受信機の不完全さによるビット誤りの発生は避けられない。特に、量子鍵配送システムの場合、１光子が情報伝播の担い手であるため、通常のデジタル光通信系のように光子の多寡により「０」「１」を判別するという手法をとることもできず、ビット誤りが起きやすい。
【００１９】
したがって、上述のように盗聴によるビット誤りと、このシステム元来のビット誤りが区別できない場合、盗聴に気づきにくいため、なりすまし盗聴により鍵の一部が盗まれる可能性が高い。これを防ぐには、ビット誤りに頼らずに、なりすまし盗聴を発見できるシステムが望まれる。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、なりすまし盗聴を良好に判別可能な量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、送信機、および受信機を備える量子暗号通信システムであって、前記送信機は、一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、前記位相変調された光パルス列を、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報を記憶する第１の記憶手段とを備え、前記受信機は、前記減衰手段より送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、入力された前記情報を記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得手段と、前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記送信機は、前記第１の記憶手段に記憶された前記情報を、前記受信機に対して送信する送信手段をさらに備え、前記受信機は、前記送信された情報を受信する受信手段をさらに備え、前記受信機は、前記受信した情報を前記第２の記憶手段に記憶することを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明は、盗聴検知方法であって、入力された、一定の時間間隔のパルスからなり、０またはπで位相変調され、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列を、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐工程と、前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延工程と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波工程と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に第１の光子検出手段にて光子を検出し、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に第２の光子検出手段にて光子を検出する検出工程と、記憶手段に記憶された、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得工程と、前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記情報を入力する入力工程と、前記入力された情報を前記記憶手段に記憶する記憶工程とをさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、装置の不完全性による誤り検出がある場合でも、特定の時間スロットにおける光子検出の有無から、なりすまし盗聴を発見することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２７】
（本発明を実施するにあたって行った検討事項）
本発明の一実施形態では、なりすまし盗聴の検知のために、ビット誤り率から盗聴を発見する形態ではない方法として、２連続の空パルスを用いる方法を検討した。
図１は、本発明の一実施形態に係る、２連続空パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システム（量子暗号通信システム）の基本構成を示す図である。
なお、本明細書において、「空パルス」とは、光子数ゼロであるパルスのことを指す。
【００２８】
送信機１１１は、０またはπで任意にランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均１光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で伝送路１１９に送出する。平均光子数１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現することができる。このとき、送信機１１１は、光パルス列の際に、上記光パルス列に対して、０またはπで位相変調する。このときの位相変調データを各パルスの送出時刻に対応付けて、送信機１１１が備える、メモリ等の第１の記憶手段（不図示）に記憶する。
【００２９】
さらに送信機１１１は、任意にランダムに２連続の空パルスを、上記光パルス列に挿入して伝送路に送出する。この空パルスを挿入した送出時刻（時間位置）も第１の記憶手段に記憶される。図１では、第３と第４の時間位置に空パルスが挿入されている場合を例示してある。
【００３０】
このような光パルス列を光子検出する場合、あるパルスでは光子が検出され、あるパルスでは何も検出されないという検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかは、測定するまで不確定である。
【００３１】
図１に示すように、送信機１１１より送出された光パルス列は、伝送路１１９を経て受信機１１２に到達する。まず、受信機１１２は、光分岐手段１１６を使用して、送信機１１１より受信した光パルス列をエネルギー的に等分になるよう２つに分岐し、分岐した各光パルス列を長経路１２０および短経路１２１に送出する。長経路１２０では、光パルス列に一定の遅延（本明細書では、時間Ｔ）を加える。その後、長経路１２０および短経路１２１を通った光パルス列は、２×２合波カップラ１１７にて再び合波する。２×２合波カップラ１１７は、２つの入力端子（長経路１２０および短経路１２１にそれぞれ接続されている）を備え、長経路１２０および短経路１２１を通った光パルス列を受け入れる。また、２×２合波カップラ１１７は、２つの出力端子も備え、それぞれの出力端子は、光子検出器１１８ａ、および光子検出器１１８ｂに接続される。
【００３２】
上記長経路１２０で一方の光パルス列に与えられる一定の遅延時間Ｔは、送信機１１１から伝送路１１９を介して受信機１１２に入力される光パルス列の一定間隔Ｔに等しいものと仮定すると（図１においてＴで示す）、２×２合波カップラ１１７では、前後のパルスが重なり合って合波される。パルスが重なり合う様子は、短経路１２１を通過した光パルス列１２３と長経路を通過した光パルス列１２２とを用いて、図１の受信機１１２の下に図示している。
【００３３】
なお、図１〜５において、符号が付された光パルス列が示されているが、各図中の光パルス列の各々では、光パルス列を構成する光パルスが時系列的（右側が時間的に先）に図示されている。
【００３４】
受信機１１２に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されている。したがって、受信機１１２内の分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。
【００３５】
２×２合波カップラ１１７での合波の結果、両パルスは干渉し、位相差が０なら光子検出器１１８ｂが光子を検出し、位相差πなら光子検出器１１８ａが光子を検出することになる。ただし、送信機１１１が２連続で送った空パルスのひとつが、受信機１１２内の分岐・合波回路を経て、光子が存在し得るパルスと重なり合った結果、光子検出される場合は、干渉が起きないため、光子検出器１１８ａで光子が検出されるか光子検出器１１８ｂで光子検出されるかは、全くのランダムとなる。図１の例示では、光パルス列１２２の２番目のパルスと光パルス列１２３の３番目とが重なり合った場合、および光パルス列１２２の４番目と光パルス列１２３の５番目のパルスとが重なり合った場合が、これに相当する。
さらに、空パルス同士が重なり合った場合には、何も検出されない。図１の例示では、光パルス列１２２の３番目と光パルス列１２３の４番目のパルスが重なり合う場合が、これに相当する。
【００３６】
以上の構成を用いて、送信機１１１と受信機１１２とは以下の手順により秘密鍵を得る。
まず、受信機１１２は、上記構成により送信機１１１より送出され、伝送路１１９を経たパルスから光子を、光子検出器１１８ａおよび１１８ｂのいずれかで検出する。この際、受信機１１２は、光子を検出した時刻と検出器とを受信機１１２が備える、メモリ等の第２の記憶手段（不図示）に記録する。所定の数だけ光子が送受信された後、受信機１１２は送信機１１１に対して、第２の記憶手段に記憶された、光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。
【００３７】
送信機１１１は、通知された光子検出時刻と、第１の記憶手段に記憶された、送信機１１１自身の有する位相変調データとから、受信機１１２が光子検出器１１８ａまたは光子検出器１１８ｂのいずれかで光子を検出したかを知ることができる。
【００３８】
そこで、光子検出器１１８ａにて光子が検出される場合をビット「０」、光子検出器１１８ｂにて光子が検出される場合をビット「１」と取り決めておけば、送信機１１１と受信機１１２とは同じビット列を得ることができる。これを、暗号通信のための秘密鍵とする。
【００３９】
ただし、上記のように、空パルスが関与した時刻での光子検出については、いずれの光子検出器で光子検出したか、送信機１１１には分からない。図１の例示では、光パルス列１２２の２番目のパルスと光パルス列１２３の３番目のパルスとが重なり合った時間スロット、および光パルス列１２２の４番目と光パルス列１２３の５番目のパルスとが重なり合った時間スロットでの光子検出がこれに相当する。
【００４０】
この光子検出によるビット不一致を避けるため、送信機１１１は、いずれの光子検出器で光子検出したか分からないビットを廃棄するとともに、廃棄ビットを受信機１１２に通知する。そして、通知を受けた受信機１１２も該当するビットを廃棄する。これにより、不明なビットは除去される。
【００４１】
上記手順においては、受信機１１２から送信機１１１へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機１１２の外部に出ることはなく、盗聴されることはない。
【００４２】
また、送られているのはパルスあたり平均１光子未満の光なので、盗聴者が信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、光子が２分割されることはないので、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機１１２には届かず、送信機１１１と受信機１１２のビット列にはならないからである。
【００４３】
図２は、図１に示す差動位相シフト量子鍵配送システムにおけるなりすまし盗聴の説明図である。
盗聴者は、伝送路１１９の途中で、送信機１１１によって送出された伝送信号を本来の受信機１１２と同様の機器構成（盗聴受信機２１１）で受信し、その受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機１１２に光送信機２１２を用いて送信する。盗聴受信機２１１が伝送信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、本来の受信機１１２に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。
【００４４】
しかしながら、図１に示す「２連続空パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システム」においては、送信信号はパルス当り平均１光子未満（例えば０．１光子／パルス）の光パルス列であるため、このような送信信号を受信しても、平均１０パルスに１回しか光子は検出されない。さらに、送信される光パルス列には２連続の空パルス（図２中のパルス３、４）が挿入されており、盗聴受信機２１１が平均１０パルスに１回光子を検出した時に、光子が存在し得る２パルスの干渉の結果の光子検出なのか（真の光子検出）、一方は空である２パルスの重なり合いの結果の光子検出なのか（ダミーの光子検出）、区別できない（図２参照）。
【００４５】
このような状況では、盗聴受信機２１１は、検出信号は全て真の光子検出であるものとしてダミー信号を送るしかない。より具体的には、盗聴受信機２１１は、光子を検出した光子検出器に基づき位相差が０であるかπであるかを判定し、その位相差を付与した２パルスを本来の受信機１１２に送信する。
【００４６】
このような２パルスを受信機１１２が受信すると、本来、光子が検出されるはずのない時刻で光子が検出され得る。このことを、図２を参照して詳しく説明する。
【００４７】
説明のため、１から６まで番号を付けた６つの光パルスからなる光パルス列２１３が送信機１１１から送信され、そのうちパルス３とパルス４とは空パルスであるとする。図２において、符号２１４は、盗聴受信機２１１の短経路１２１を通過した光パルス列であり、符号２１５は、盗聴受信機２１１の長経路１２０を通過した光パルス列である。
【００４８】
盗聴受信機２１１がこの６パルスを分岐・合波すると、光パルス列２１４のパルス２と光パルス列２１５のパルス３とが重なり合う時刻（時間スロット）で光子を検出する場合がある。盗聴受信機２１１はこれがダミー検出だとは分からないため、真の検出であるものとして、検出結果に従って位相差を付与したパルス２とパルス３とを、本来の受信機１１２に送信する。この２パルスは、光子が存在し得るパルスである。すなわち、送信機１１１から送信された時点では、空パルスであったパルス３においても光子が存在し得るようになり、光送信機２１２から送信された光パルス列２１６のパルス２およびパルス３には光子が存在しうることになる。
【００４９】
上記のようなパルス２とパルス３とを含む光パルス列２１６を受信機１１２が受信すると、分岐・合波回路から出力される段階では３つの時刻で光子が検出され得る（図２参照）。図２において、符号２１７は、受信機１１２の短経路１２１を通過した光パルス列であり、符号２１８は、受信機１１２の長経路１２０を通過した光パルス列である。すなわち、図２では、受信機１１２の光分岐手段１１６にて分岐された２パルスのうち、遅延されない２パルス（光パルス列２１８に含まれる）と遅延された２パルス（光パルス列２１７に含まれる）を時系列的（右側が時間的に先）に図示している。この図からもわかるように、光子は、第１の時刻；パルス２が短経路１２１を通って光子検出器に到達する時刻、第２の時刻；パルス３が短経路１２１を通るか、パルス２が長経路１２０を通って光子検出器に到達する時刻、第３の時刻；パルス３が長経路１２０を通って光子検出器に到達する時刻、の３つの時刻で検出され得る。
【００５０】
これらのうち第３の時刻は、本来は、短経路１２１を通ったパルス４と長経路１２０を通ったパルス３が重なり合う時刻である。ところで、盗聴されていない正常時には、パルス３とパルス４とは空パルスである。したがって、本来は、上記第３の時刻で光子が検出されることはあり得ない。
【００５１】
ところが、上で説明したように、なりすまし盗聴されると、本来は光子検出されない時刻に光子が検出されることがある。そこで、信号伝送後に、送信機１１１は、受信機１１２に、第１の記憶手段に記憶された空パルスの送出時刻を通知する。受信機１１２は、その送出時刻から正常であれば光子が検出されないはずの時刻を特定し、その時刻に光子が検出されたか否かをチェックする。そして、光子が検出されていれば、なりすまし盗聴されたと判断する。
【００５２】
以上のようにして、「２連続空パルス付き差動位相シフト鍵配送システム」は盗聴を発見する。
【００５３】
上記「２連続空パルス付き差動位相シフト鍵配送システム」では、本来は光子を検出するはずのない時刻に光子が検出されるか否かにより、盗聴を発見する。ところが、実際のシステムでは、例えば、送信パルスのオンオフ比が１００％でなかったり、光子検出器に雑音が伴っていたりするため、信号光子がないはずの時間スロットで検出信号（光子検出器からの出力信号）が出力されることがある。
【００５４】
そのような装置の不完全さによる誤り計数があると、盗聴者はそれを利用して、以下のようにして鍵情報の一部を盗むことができる。まず盗聴者は、何らかの手段を使って装置の不完全性による誤り計数を減少させる。そして、その減少分が、なりすまし盗聴により発生する空スロット計数と同じとなる割合だけ、伝送信号に対して盗聴を行う。式で表わすと、
ΔＣerror＝αＣeve
ということである。ここで、ΔＣerrorは盗聴者が減少させた誤り計数確率、Ｃeveは全ての伝送信号をなりすまし盗聴したときに発生する空スロット計数確率、αは盗聴する割合、である。これにより盗聴者は、α分の盗聴に成功する。
【００５５】
量子鍵配送等の量子暗号通信システムにおいて、一部の盗聴も許さないことが望まれる。本発明は、上記により説明した検討事項に鑑みてなされたものであり、盗聴者が装置の不完全性による誤り計数を減少させた場合の一部なりすまし盗聴をも検知可能とすることが本発明の目的の１つである。
【００５６】
（本発明の実施形態）
図３は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【００５７】
図３において、送信機３１１は光源３１３、位相変調器３１４、減衰手段３１５、および制御部ＣＰＵ３１６を備える。
【００５８】
光源３１３は、位相変調器３１４に接続されている。また、位相変調器３１４は、減衰手段３１５に接続されている。すなわち、光源３１３と減衰手段３１５の間には、位相変調器３１４が存在する。
【００５９】
制御部ＣＰＵ３１６は、送信機３１１全体の主制御を行うＣＰＵである。また、送信機３１１は、制御ＣＰＵ３１６の制御プログラムを格納したＲＯＭおよび各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用されるＲＡＭを有する送信機記憶手段（不図示）を備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３１６は、送信機３１１の各構成を統合して制御し、送信機３１１全体の主制御を行うことができる。
【００６０】
光源３１３は、一定の時間間隔Ｔのパルスからなる光パルス列を送出し、該光パルス列は位相変調器３１４に入力される。
【００６１】
位相変調器３１４は、光源３１３から入力された光パルス列に含まれる各パルスを０またはπで位相変調した後、減衰手段３１５に該光パルス列を受け渡す。すなわち、光パルス列に含まれるパルスのそれぞれの位相は、０またはπである。この位相変調に用いた位相変調データは、各パルスの送出時刻（時間位置）に対応付けて送信機記憶手段に記憶される。
【００６２】
減衰手段３１５は、例えば、ＮＤフィルタ（Neutrral Density Filter)等、レーザ光などの光源から入射される光を大きく減衰させるための手段であればいずれのものを用いても構わない。後述する空パルスを任意に挿入するためには、光強度変調器を組み合わせて利用することも有効である。本実施形態では、パルス当り１光子未満の光パルス列を送信機３１１から送出するが、パルス当り１光子未満の光パルス列は、通常のレーザ光を大きく減衰させ、平均光子数１未満という状態を実現することができる。
【００６３】
本明細書において、「パルス当り１光子未満の光パルス列」とは、所定の数の光パルス列であって、少なくとも４連続の空パルスを含み、かつ、光パルス列に含まれている光子の数がパルス数よりも少ない状態のことを指す。すなわち、光パルス列３２４に示すように、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列である。光パルス列３２４では、光パルス３〜６が空パルスである。
【００６４】
光源３１３は、一定間隔Ｔで光パルス列を送出するが（この時点では、各パルスに、光子は含まれている可能性がある）、減衰手段３１５を通ることにより、光子が含まれていないパルスが生成される。このようなパルスは、何も含まれていない、つまり、単なる空であることを示すため、「空パルス」と定義する。
【００６５】
上記減衰手段３１５は、位相変調器３１４から入力された光パルス列を、４つの空パルス３〜６を含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列３２４として送出する。すなわち、送信機３１１は、減衰手段３１５を通った光パルス列３２４を、光伝送路３２３を介して受信機３１２に対して送出する。
【００６６】
光検出装置としての受信機３１２は、光分岐手段３１７、２×２合波カップラ３１８、光子検出器３１９ａ、光子検出器３１９ｂ、制御部ＣＰＵ３２２、長経路３２０、および短経路３２１を備える。
【００６７】
光分岐手段３１７の入力端は光伝送路３２３に接続され、２つの出力端はそれぞれ長経路３２０および短経路３２１に接続されている。光分岐手段３１７としては、例えば、ビームスプリッタ、方向性結合器、光カップラ等、入力された光を適切に分岐して出力できる手段であればいずれのものを用いても良い。
【００６８】
２×２合波カップラ３１８は、入力端子および出力端子がそれぞれ２つずつ備わっている。該２つの入力端子のそれぞれは長経路３２０および短経路３２１に接続されており、該２つの出力端子のそれぞれは光子検出器３１９ａおよび光子検出器３１９ｂに接続されている。
【００６９】
２×２合波カップラ３１８は、一方の入力端子で長経路３２０からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路３２１からの光パルス列を受信する。すなわち、２×２光合波カップラ３１８では、送信機３１１から送信された光パルス列の前後のパルスが重なり合って合波される。その後、２×２合波カップラ３１８は、２つの光パルス列の位相差がπの場合には一方の出力端子から光子検出器３１９ａに光子を出力し、位相差が０の場合には他方の出力端子から光子検出器３１９ｂに光子を出力する特性を有する。
【００７０】
制御部ＣＰＵ３２２は、受信機３１２全体の主制御を行うＣＰＵである。また、受信機３１２は、制御ＣＰＵ３２２の制御プログラムを格納したＲＯＭおよび各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用されるＲＡＭを有する受信機記憶手段（不図示）を備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３２２は、受信機３１２の各構成を統合して制御し、受信機３１２全体の主制御を行うことができる。
【００７１】
受信機３１２へ入力された光パルス列は、光分岐手段３１７により長経路３２０および短経路３２１にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐される。長経路３２０に分岐された光パルス列は、一定の遅延時間Ｔだけ遅延させられた後、２×２光合波カップラ３１８で短経路３２１を通った光パルス列と再び合波される。ここで、一定の遅延時間Ｔは、図３に示すように、入力された光パルス列のパルス間隔Ｔに等しいものとする。
【００７２】
受信機３１２に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されている。したがって、受信機３１２内の分岐・合波回路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。
【００７３】
光分岐手段３１７で２つに分岐された光パルス列が、２×２合波カップラ３１８にて合波された結果、両パルスは干渉し、２つのパルス列の相対的位相差が０なら光子検出器３１９ｂが光子を検出し、相対的位相差πなら光子検出器３１９ａが光子を検出する。
【００７４】
以上の構成の下、送信機３１１は、０またはπで任意に位相変調した一定間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列３２４を、４つの空パルスを含み、パルス当り平均１個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で送出する。
【００７５】
以下の説明では、説明の便宜上、上記条件で説明するが、本発明を上記条件に限定するという意図ではない。
【００７６】
図３では、光パルス列３２４のうち、３番目から６番目までのパルスが空パルスである例を示す。
受信機３１２は、光伝送路３２３を経て送信機３１１より伝送されてきた光パルス列３２４を、光分岐手段３１７にて受け取る。光分岐手段３１７にて長経路３２０および短経路３２１にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐された光パルス列は、２×２合波カップラ３１８で合波され、合波された光パルス列は、後述するようにパルス間の位相差にしたがって光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂにて検出される。
【００７７】
上記のような受信機３１２の回路を構成すると、受信機３１２の２×２合波カップラ３１８では、前後のパルスが重なり合い、干渉を起こす。すなわち、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の各パルスは一定の時間間隔Ｔで送出されており、また長経路３２０を通った光パルス列は一定の時間間隔Ｔだけ遅延しているので、長経路３２０を通った光パルス列はちょうど１パルス分遅延した状態で、短経路３２１を通った光パルス列と合波される。かかる状態については、図４に詳細に示す。
【００７８】
上記２×２合波カップラ３１８での合波による干渉の結果、パルス間の位相差が０なら光子検出器３１９ｂが光子を検出し、πなら光子検出器３１９ａが光子を検出する。
【００７９】
ただし、送信機３１１から送信された光は、パルス当り平均１個光子未満なので、光子が検出されるのは稀である。
【００８０】
光子を検出したという信号を得た場合、制御部ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段に、光子を検出した時刻（光子検出時刻）、どの光子検出器にて検出されたかを示す格子検出器情報を記憶する。さらに、制御ＣＰＵ３２２は、光子を検知した検知信号の数を、時間スロット毎に累積する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、各時間スロットについて、検知信号を１つ検知する毎に、カウント値を１つずつ累積し、該累積されたカウント値を受信機記憶手段に記憶する。このようにして、受信機記憶手段には、時間スロット（図４では、時間スロットｔ1〜ｔ7）毎に、検知された検知信号の数が記憶されることになる。
【００８１】
図４では、図３で説明した空パルスが４連続で送信された場合（３番目から６番目までのパルスが空パルス）の受信パルスの重なり具合を示す。図４において、符号４１１は長経路３２０を通り時間間隔Ｔだけ遅延された光パルス列であり、符号４１２は短経路３２１を通った光パルス列である。
【００８２】
図４では、斜線長方形（１、２、７、８）と空白長方形（３、４、５、６）のパルスが示されているが、斜線長方形（１、２、７、８）は、光子が存在し得るパルス（以後、信号パルスと呼ぶ）を表わし、一方、空白長方形（３、４、５、６）は、空パルスを表わす。
【００８３】
図示するように、空パルスが存在するために、重なり合うパルスの一方が信号パルスで他方が空パルスである場合（時間スロットｔ2、ｔ6）と、両方とも空パルスである場合（時間スロットｔ3、ｔ4、ｔ5）と、が生じる。前者の場合、干渉する相手がいないので、光子は光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂでランダムに検出される。後者の場合、理想的には光子は全く検出されない。ただし、例えば、受信機にて生じるノイズなどの、装置の不完全性のため、光子検出器から誤って検出信号が出力されることがある。
【００８４】
上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機３１１と受信機３１２は共通のビットを得る。なお、共通のビットを得る手順についても、上述したように、制御部ＣＰＵ３１６および３２２が、送信機３１１および受信機３１２をそれぞれ制御して行う。
【００８５】
ステップ１；送信機３１１は、受信機３１２に、０またはπでランダムに位相変調された、所定の長さの光パルス列３２４（４つ連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列）を送信する。このとき、制御ＣＰＵ３１６は、上記位相変調に用いた位相変調データを、各パルスの送出時刻に対応付けて送信機記憶手段に記憶する。さらに、制御ＣＰＵ３１６は、空パルスを挿入した時間位置についても、送信機記憶手段に記憶する。
【００８６】
ステップ２；受信機３１２は、光伝送路３２３を経て送信機３１１より伝送された光パルス列３２４から光子検出し、光子検出時刻（時間スロット）と光子検出器情報とを受信機記憶手段に記録する。次いで、受信機３１２は、受信機記憶手段に記憶された、光子を検出した時間スロットを送信機３１１に通知する。このような通知の方法としては、例えば電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて、送信者または送信機３１１に伝える。送信者に伝える場合は、送信者は、知らされた光子検出時刻を送信機３１１に入力し、送信機記憶手段にその情報を記録する。
【００８７】
ステップ３；送信機３１１は、送信機記憶手段に記憶された空パルスの時間位置（上記の例では、３番目から６番目までのパルスの時間位置）を示す空パルス時間位置情報を受信機３１２に送信する。このような送信方法としては、例えば電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて受信機３１２に伝える。受信機３１２は、送信機３１１から送信された空パルス時間位置情報を受信し、該受信した情報を受信機記憶手段に記憶する。
【００８８】
なお、上記空パルス時間位置情報は、送信機３１１または送信者が、電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて受信者に伝えるようにしても良い。この場合、受信者は、知らされた空パルス時間位置情報を受信機３１２に入力し、受信機記憶手段にその情報を記録する。また、ＣＤなどの可搬メディアに空パルス時間位置情報を記憶し、受信機３１２が上記可搬メディアから空パルス時間位置情報を読み出し、該読み出した空パルス時間位置情報を受信機記憶手段に記憶するようにしても良い。
【００８９】
このように、本実施形態では、受信機３１２が空パルス時間位置情報を取得できればいずれの方法を用いても良く、受信機３１２は、送信機から受信したり、ユーザにより入力されたり、可搬メディアから読み込むなどして入力された空パルス時間位置情報を受信機記憶手段に記憶する。
【００９０】
ステップ４；送信機３１１は、送信機記憶手段に記憶された位相変調データと、受信機３１２から受信した光子検出時刻とに基づいて、所定のパルスについて、光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂのいずれかが光子を検出したかを判定する。ただし、信号パルスと空パルスが重なった場合（図４の時間スロットｔ2およびｔ6）には、上述したように、光子は光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂでランダムに検出されるので、どちらが光子を検出したかは判定できない。さらに、空パルス同士が重なった時間スロット（図４の時間スロットｔ3、ｔ4、ｔ5）で受信機３１２が誤って検出信号を得た場合も、どちらの光子検出器が検出信号を出したかは判定できない。
【００９１】
ステップ５；受信機３１２は、送信機３１１から送信された空パルス時間位置情報に基づいて、光子を検出したとみなした事象が、（ａ）信号パルス同士が重なり合った時間スロットのものなのか、（ｂ）信号パルスと空パルスとが重なった時間スロットのものなのか、（ｃ）空パルス同士が重なった時間スロットで、かつ、後述のなりすまし盗聴をされた場合に光子を検出し得る時間スロットのものなのか、（ｄ）空パルス同士が重なって時間スロットで、かつ、後述のなりすまし盗聴をされた場合でも光子は検出しないはずの時間スロットのものなのか、を判定する。
【００９２】
詳細に説明すると、受信機３１２の制御部ＣＰＵ３２２は、受信機内のメモリ（図示せず）から判定用のプログラム（盗聴検知プログラム）を読み出し、該時間位置の情報と光子検出信号を得た事象とから判定を行う。すなわち、制御部ＣＰＵ３２２は、盗聴検知プログラムを実行して、なりすまし盗聴などの盗聴検知を行う。この盗聴検知方法については後述する。
【００９３】
ステップ６；送受信機３１１と受信機３１２とは、信号パルス同士の干渉から起こった光子を検出した事象について、光子検出器３１９ａによるものであればビット「０」を、光子検出器３１９ｂによるものであればビット「１」を、付与する。この場合、光子を検出する検出器は確定しているので、送信機３１１および受信機３１２は同じビット値を得ることになる。これを秘密鍵ビットとする。
【００９４】
以下、図５を参照しながら、上述の構成・手順によるシステムにおいて、なりすまし盗聴を発見するメカニズムについて説明する。
【００９５】
なりすまし盗聴では、盗聴者は、通常、光伝送路３２３の途中で受信機３１２と同様の受信回路である盗聴受信機５１１により光子を検出する（光子を検出する流れについては、上述の説明を重なるので省略する）。そして、光子検出結果に基づき、正規の受信機３１２における検出結果が同じとなるようにダミー信号を送出し、受信機３１２が盗聴に気付かないようにする。
【００９６】
しかしながら、本実施形態では、送信機３１１が送出しているのは、送信レベルがパルス当り平均１個光子未満（例えば０．１個光子／パルス）であるパルス列である。この場合、盗聴受信機５１１は平均１０スロットに１回しか光子を検出しない。
【００９７】
盗聴受信機５１１は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機３１２が光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂで光子を検出するように位相が設定された２連続パルスを送出することができる。一方、光子検出しないスロットについては光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂのいずれの光子検出器で検出できるようにしたら良いのか分からないため、何も送らない。これにより、孤立した２連続パルスが受信機に送られる。
【００９８】
より詳細に説明すると、光パルス列３２４中の４連続空パルス３、４、５、６が送信機３１１から盗聴受信機５１１に入ってくる。すると盗聴受信機５１１では、信号パルス２と空パルス３とが重なった時間スロット（図５の矢印Ａ１）、または空パルス６と信号パルス７とが重なった時間スロット（図５の矢印Ａ２）で光子を検出する場合がある。ここで、図５において、符号５１３は、盗聴受信機５１１の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５１４は、盗聴受信機５１１の長経路３２０を通過した光パルス列である。
【００９９】
しかし、盗聴受信機５１１には、これが信号パルス同士の干渉によるものなのか、一方が信号パルスのみの検出結果なのか区別がつかない。そこで、盗聴受信機５１１は、前者の場合は、パルス２、３間の位相を測定したものとして、符号５１５に示すように時間位置２、３に２連続パルスを発生させて正規の受信機３１２にパルス列を送信する。後者の場合は、パルス６、７間の位相を測定したものとして、符号５１６に示すように時間位置６、７に２連続パルスを発生させて正規の受信機３１２にパルス列を送信する。
【０１００】
なお、光パルス列５１５、５１６は、盗聴受信機５１１から送信される光パルス列３２４に対応する光パルス列に含まれる光パルス列であるが、本実施形態に係る盗聴検知方法の説明を容易にするために用いる光パルス列である。光パルス列５１５、５１６において、黒塗り長方形（２、３、６、７）には光子が存在し得る。これに対して、空白長方形（１、４、５、８）は空パルスであることを示しているわけではなく、上述のような盗聴受信機５１１が、信号パルス同士の干渉によるものなのか、一方が信号パルスのみの検出結果なのかの区別がつかず、位相を測定したものとして送信したパルス列を強調するために空白にしている。
【０１０１】
このような光パルス列５１５、５１６が受信機３１２に入力されると、光分岐手段３１７にて２つに分岐し、分岐された一方の光パルス列には遅延時間Ｔだけ遅延が施されて、２×２合波カップラ３１８にて合波される。符号５１８は、光パルス列５１５について、受信機３１２の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５１９は、光パルス列５１５について、受信機５１２の長経路３２０を通過した光パルス列である。また、符号５２０は、光パルス列５１６について、受信機３１２の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５２１は、光パルス列５１６について、受信機５１２の長経路３２０を通過した光パルス列である。
【０１０２】
さて、時間位置２、３の２連続パルス（光パルス列５１５）が受信機３１２に入力されると、パルス３、４が重なり合う時間スロット（図５の矢印Ｂ１）で光子が検出される可能性がある。しかしながら、図４で説明したように、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の３番目から６番目までが空パルスであった場合には、受信機３１２では３番目と４番目のパルスが重なり合う時間スロットでは光子は検出されない。
【０１０３】
あるいは、時間位置６、７の２連続パルス（光パルス列５１６）が受信機３１２に入力されると、パルス５、６が重なり合う時間スロット（図５の矢印Ｂ２）で光子が検出される可能性がある。しかしながら、図４で説明したように、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の３番目から６番目までが空パルスであった場合には、受信機３１２では５番目と６番目のパルスが重なり合う時間スロットでは光子は検出されない。
【０１０４】
つまり、光子検出されないはずの時間スロットで光子が検出されることになる。そこで、そのような光子検出があれば、なりすまし盗聴ありと判定する。ただし、装置の不完全性のため、盗聴されていない場合でも該時間スロットで検出信号が出力されることがあると、その検出信号がなりすまし盗聴によるものなのか、装置の不完全性によるものなのか判別できない。これが、本発明の検討事項に対する課題であった。
【０１０５】
そこで、本実施形態では、盗聴受信機５１１において、空パルス４と空パルス５とが重なった時間スロット（図５のＡ３）、すなわち、光分岐手段にて分岐され、長経路３２０と短経路３２１とを通過した光パルス列が２×２合波カップラ３１８にて合波された際の、空パルス同士が干渉する時間スロットを利用する。盗聴受信機５１１が、この時間スロット（Ａ３）で光子を検出することはない。したがって、盗聴受信機５１１から正規の受信機３１２へ送られるパルス４とパルス５とは、必ず空パルスである。
【０１０６】
時間位置４、５が空パルスである２連続パルスが受信機３１２に入力されると、パルス４、５が重なり合う時間スロットで光子が検出されることはない。ただし、装置の不完全性のため、誤って検出信号が出力されることはある。言い換えると、この時間スロットでの検出信号は、装置の不完全性によるもののみで、なりすまし盗聴による光子検出信号は発生しない。
【０１０７】
そこで、受信機３１２は、パルス４、５が重なり合う時間スロットにて検知された検知信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。すなわち、受信機３１２は、ステップ５において、パルス４、５が重なり合う時間スロットでの検出信号の数と、パルス３、４が重なり合う時間スロットまたはパルス５、６が重なり合う時間スロットでの検出信号の数とを比較し、該比較結果に基づいて盗聴があったか否かを判断する。
【０１０８】
上述のように、前者は装置の不完全性によるもののみ、後者はなりすまし盗聴による光子検出と装置の不完全性による検出信号が足し合わさったものである。したがって、両者を比べることにより、なりすまし盗聴による光子検出の数を抽出することができる。これにより、なりすまし盗聴を発見することができる。
【０１０９】
より詳細に説明すると、ステップ５において、制御ＣＰＵ３２２は、所定期間内にパルス４、５が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ4）にて検出された検出信号の数を取得する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段に記憶された空パルス時間位置情報に基づき、受信機記憶手段を参照して、時間スロットｔ4に対する、上記所定期間内の検知信号の数を判定値として取得する。
【０１１０】
次いで、制御ＣＰＵ３２２は、上記所定期間内にパルス３、４が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ3）にて検出された検出信号の数、または上記所定期間内にパルス５、６が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ5）にて検出された検出信号の数の一方を取得する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段を参照して、時間スロットｔ3またはｔ5の一方に対する、上記所定期間内の検知信号の数を比較対象値として取得する。
【０１１１】
制御ＣＰＵ３２２は、上記判定値と比較対象値とを取得すると、上記判定値と比較対象値とを比較し、上記判定値と比較対象値とが同じ値である場合、比較対象値の取得対象となる時間スロット（時間スロットｔ3およびｔ5の少なくとも一方）には、なりすまし盗聴による光子検知信号が無いと判断する。すなわち、なりすまし盗聴がされていないと判断する。
【０１１２】
一方、上記判定値と比較対象値とが異なる場合、制御ＣＰＵ３２２は、比較対象値の取得対象となる時間スロットに、なりすまし盗聴による光子検知信号があると判断し、なりすまし盗聴がありと判断する。このような判断がされると、制御ＣＰＵ３２２は、「なりすまし盗聴あり」という旨の警告メッセージを受信機３１２が備える表示部（不図示）に表示する。この警告メッセージを送信機３１１に送信しても良い。また、上記判断に応じて、受信機３１２が備えるスピーカから警告音を出力してユーザに知らせるようにしても良いし、受信機３１２が備えるＬＥＤから所定のパターンで発光させてユーザに知らせるようにしても良い。
【０１１３】
以上のなりすまし盗聴の発見方法は、盗聴者が、何らかの手段により装置の不完全性による検出信号数を減少させ、減少分を一部なりすまし盗聴による光子検出に置き換えようとした場合でも有効である。なぜなら、受信機３１２は、パルス４、５が重なり合う時間スロットでの検出信号を利用して、パルス３、４（または５、６）が重なり合う時間スロットでの検出信号数が、装置の不完全性によるものなのかなりすまし盗聴によるものなのか判定しているので、そのような置き換えを発見することが可能である。これにより、本発明の検討事項で問題であった、装置の不完全性を利用した一部なりすまし盗聴を防ぐことができる。
【０１１４】
さて、本実施形態において重要なことは、光パルス列を２つに分岐し、分岐された光パルス列の一方をパルス間隔だけ遅延させ、該遅延された一方の光パルス列と、遅延されていない他方の光パルス列とを合波する際に、光子が存在するはずがないパルスが重なり合う時間スロットを存在させることである。このような時間スロットでは、装置の不完全性による検出信号は検出されても、なりすまし盗聴による検出信号が検出されるはずが無いからである。本実施形態では、より高度ななりすまし盗聴を発見するために、この性質を活用するのである。
【０１１５】
つまり、図５にて説明したように、なりすまし盗聴があると、光パルス列５１５に示されるように、空パルスであるはずのパルス３に光子が存在し得るようになる。このような光パルス列５１５を受信機３１２が受信すると、光パルス列５１８、５１９に示されるように、なりすまし盗聴が無ければ光子が検出されるはずの無い時間スロットＢ１において、光子が検出される場合が生じる。
【０１１６】
ここで、なりすまし盗聴が無く、装置の不完全性による検出信号が検出される場合、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットと、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットとでは、上記装置の不完全性による検出信号が検出されることになるので、所定期間内の検出信号の数は同じになる。
【０１１７】
これに対して、なりすまし盗聴があり、装置の不完全性による検出信号が検出される場合、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットにおいては、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットでも検出される装置の不完全性による検出信号に加えて、なりすまし盗聴による検出信号も検出されることがある。よって、なりすまし盗聴が行われることにより、所定期間内の検出信号の数が、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットと、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットとにおいて異なることになる。よって、所定期間内の検出信号の数を比較することにより、なりすまし盗聴を検出することができるのである。
【０１１８】
なお、本実施形態では、検出信号の数の比較の際に統計的性質を用いているので、検出信号の数としては十分な量を検出する必要がある。よって、上記所定期間は、統計的に正確な事象（検出信号の数）を検出するのに十分な期間である。ただし、この十分な期間とは、システム、各装置の構成や、本盗聴検知方法を用いる使用者が要求する検知精度に基づいて決定されるものである。
【０１１９】
このように、パルス４、５が重なり合う時間スロットのように、盗聴されたとしても、光子が存在するはずがないパルスが重なり合う時間スロットを存在させるために、光パルス列に少なくとも４つ以上の連続した空パルスを含ませる必要があるのである。
【０１２０】
上述したように、４つ以上の連続した空パルスにおいて、光パルス列３２４の時間軸の最初の空パルス（図４においてはパルス３）は、盗聴により、受信機３１２が受信する際には光子が存在し得るようになる。これについては、４つ以上の連続した空パルスの、時間軸の最後の空パルス（図４においてはパルス６）についても同様のことが言える。従って、盗聴発見処理の比較となる時間スロットは、盗聴により光子が存在し得ることになる空パルスとその時間軸ですぐ次の空パルスとが重なる時間スロット、すなわち、４つ以上の連続した空パルスにおいて、時間軸の最初の空パルス（図４においてはパルス３）とそのすぐ次の空パルス（図４においてはパルス４）とが重なる時間スロット（図４においては時間スロットｔ3）となる。また、盗聴により光子が存在し得ることになる空パルスとその時間軸ですぐ前の空パルスとが重なる時間スロット、すなわち、４つ以上の連続した空パルスにおいて、時間軸の最後の空パルス（図４においてはパルス６）とそのすぐ前の空パルス（図４においてはパルス５）とが重なる時間スロットも、上記盗聴発見処理の比較となる時間スロット（図４においては時間スロットｔ5）になり得る。
【０１２１】
また、４つ以上の連続した空パルスの最初から２番目以降であって、最後から２番目よりも前の空パルス（図４においてはパルス４）と、該空パルスの時間軸で次の空パルス（図４においてはパルス５）とが重なる時間スロットが、盗聴発見処理の基準となる時間スロット（図４においては時間スロットｔ4）となる。
【０１２２】
受信機３１２は、受信機記憶手段に記憶された空パルス時間位置情報に基づいて、盗聴発見処理の比較となる時間スロットに関る空パルス、および盗聴発見処理の基準となる時間スロットに関る空パルスをそれぞれ特定する。
【０１２３】
本実施形態では、受信機３１２は、上記盗聴発見処理の基準となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。すなわち、受信機３１２は、上記盗聴発見処理の基準となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数と、上記盗聴発見処理の比較となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数とを比較し、該比較結果に基づいて盗聴があったか否かを判断する。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の比較例に係る、２連続パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システムの構成図である。
【図２】図１に示す差動位相シフト量子鍵配送システムにおけるなりすまし盗聴の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【図４】図３に示す受信機におけるパルスの重なり方を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るなりすまし盗聴発見のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【０１２５】
３１１ 送信機
３１２ 受信機
３１３ 光源
３１４ 位相変調器
３１５ 減衰手段
３１６、３２２ 制御ＣＰＵ
３１７ 光分岐手段
３１８ ２×２合波カップラ
３１９ａ、３１９ｂ 光子検出器
３２０ 長経路
３２１ 短経路
３２３ 光伝送路
３２４ 光パルス列
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法に関し、より詳細には、位相変調した光パルス列の相対的位相差を利用して、安全な暗号鍵を供給する量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、暗号技術としては数式の数学的な計算困難性（例えば、解読のための計算に膨大な時間がかかる）を基礎にした暗号方式が使用されてきたが、最近では、光子１個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。
【０００３】
量子暗号は、量子力学の理論を用いた暗号技術であって、盗聴しても内容が無意味なものになってしまい、かつ盗聴されたことが分かる究極の暗号技術として知られている。量子暗号通信の分野では、互いに離れた地点に存在する２者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムが知られており、そのシステムは、量子鍵配送システムとも呼ばれている。
【０００４】
量子鍵配送には、各種方式が存在するが、その中に差動位相シフト量子鍵配送方式（非特許文献１参照）と呼ばれる方式がある。このような差動位相シフト量子鍵配送方式においては、送信機から受信機に送信される送信信号は、パルス当り平均1光子未満（例えば０．１光子／パルス）のパルス列である。送信機は、信号送信の際に、上記パルス列に対して、０またはπで位相変調する。このときの位相変調データを各パルスの送出時刻に対応付けて第１の記憶手段に記憶する。
【０００５】
このような送信信号を受信した受信機は、受信パルス列を２つに分岐し、一方のパルス列に１パルス分の遅延を加えた後、再び２×２の合波器にて合波する。該２×２合波器の出力端には２つの光子検出器が配置されており、光子を検出した光子検出器の位置に基づいて、秘密鍵を作成する。すなわち、２つの光子検出器の一方で検出された場合にはビット「０」を割り当て、他方の光子検出器で検出された場合はビット「１」を割り当てる。
【０００６】
このとき、受信機は、光子を検出した時刻と光子検出器とを第２の記憶手段に記憶し、必要な数だけ光子が送受信された後、受信機は、送信機に光子が検出された時刻を知らせる。送信機は、知らされた時刻に対応した位相変調データを第１の記憶手段から読み出し、該位相変調データから所定の時刻ではどちらの光子検出器で検出されたかを知ることができ、上記光子検出器とビット「０」、「１」との関係に応じて、受信機と同じビット列を取得することができる。
【０００７】
このような差動位相シフト量子鍵配送方式に対して、なりすまし法と呼ばれる盗聴が行われる可能性がある。
上記なりすまし法においては、盗聴者は、送信機と受信機とを結ぶ伝送路の途中で、送信機によって送出された送信信号を本来の受信機と同様の機器構成で受信し、その受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機に送信する。盗聴者が送信信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、「差動位相シフト量子鍵配送システム」においては、送信信号はパルス当り平均１光子未満（例えば０．１光子／パルス）の光パルス列であるため、このような送信信号を受信しても、１０パルスあたり１回しか光子は検出されない。
【０００９】
したがって、盗聴者は、光子を検出した時刻に対応する２つのパルスの位相差は分かるが、それ以外の場合の位相差は検出できない。
【００１０】
盗聴者がこのような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差が検出できなかったパルスについては、当て推量で選んだ位相を割り振って再送するか（なりすまし盗聴１）、何も信号を出さないか（なりすまし盗聴２）、のいずれかの方法を採るしかない。
【００１１】
前者の場合（なりすまし盗聴１）、当て推量で選んだ位相差を受信機が検出した際、送信機が送った信号と異なる信号となる可能性が高い。後者の場合（なりすまし盗聴２）、やはり信号の不一致が生じる。その理由は、この場合に盗聴者が送るのは光子を検出した時刻に対応する連続する２パルスを含む光パルス列であるが、孤立した連続する２つのパルス以外は空のパルスだからである。
【００１２】
このように、なりすまし盗聴が行われると送信機および受信機間でビットの不一致（ビット誤り）が生じる。そこで、送信機および受信機は、通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットを用いて照合検査をする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが発生する。不一致ビットがある場合、システムは盗聴されていると判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。
【００１３】
このように、従来、なりすまし盗聴を受けたとしても、送信信号が１パルスあたり１光子未満であることにより、盗聴者は正確なダミー信号を送信できず、送受信機間でビット誤りが生じ、盗聴を判別することができた。
【００１４】
【非特許文献１】K.Inoue, E.Waks, Y.Yamamoto, 「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light」,２００３年,Physical Review A, vol.68, paper number 022317
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の説明では、送受信機の性能が完全であることを前提として、得られた秘密鍵が安全であることを説明した。しかし、実際には送受信機の性能の不完全さのためにシステム元来のビット誤りが発生する。かかる場合、そのビット誤りに紛れて、鍵の一部が盗聴される可能性がある。
【００１６】
例えば、システム元来のビット誤り率がｅであったと仮定する。これに対して盗聴者は、伝送信号の一部に対してだけ、上述のなりすまし盗聴２を行うとする。盗聴する割合をｘとすると、それにより発生するビット誤り率は、ｘ×１／４＝ｘ／４である。
【００１７】
ここで、ｘ／４＜ｅ、すなわち、システム元来のビット誤り率の方が盗聴により発生するビット誤り率よりも高い場合、送信機および受信機では、このシステム元来のビット誤りによる揺らぎと盗聴による誤り増加との区別がつかず、盗聴に気づくことが困難である。すなわち、割合ｘに該当する分の鍵情報は、送信機および受信機が気付くことなく盗聴者によって盗まれる可能性がある。
【００１８】
実際の装置では、送信機および受信機の不完全さによるビット誤りの発生は避けられない。特に、量子鍵配送システムの場合、１光子が情報伝播の担い手であるため、通常のデジタル光通信系のように光子の多寡により「０」「１」を判別するという手法をとることもできず、ビット誤りが起きやすい。
【００１９】
したがって、上述のように盗聴によるビット誤りと、このシステム元来のビット誤りが区別できない場合、盗聴に気づきにくいため、なりすまし盗聴により鍵の一部が盗まれる可能性が高い。これを防ぐには、ビット誤りに頼らずに、なりすまし盗聴を発見できるシステムが望まれる。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、なりすまし盗聴を良好に判別可能な量子暗号通信システムおよび盗聴検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、送信機、および受信機を備える量子暗号通信システムであって、前記送信機は、一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、前記位相変調された光パルス列を、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報を記憶する第１の記憶手段とを備え、前記受信機は、前記減衰手段より送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、入力された前記情報を記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得手段と、前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記送信機は、前記第１の記憶手段に記憶された前記情報を、前記受信機に対して送信する送信手段をさらに備え、前記受信機は、前記送信された情報を受信する受信手段をさらに備え、前記受信機は、前記受信した情報を前記第２の記憶手段に記憶することを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明は、盗聴検知方法であって、入力された、一定の時間間隔のパルスからなり、０またはπで位相変調され、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列を、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐工程と、前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延工程と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波工程と、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に第１の光子検出手段にて光子を検出し、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に第２の光子検出手段にて光子を検出する検出工程と、記憶手段に記憶された、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得工程と、前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記情報を入力する入力工程と、前記入力された情報を前記記憶手段に記憶する記憶工程とをさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、装置の不完全性による誤り検出がある場合でも、特定の時間スロットにおける光子検出の有無から、なりすまし盗聴を発見することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２７】
（本発明を実施するにあたって行った検討事項）
本発明の一実施形態では、なりすまし盗聴の検知のために、ビット誤り率から盗聴を発見する形態ではない方法として、２連続の空パルスを用いる方法を検討した。
図１は、本発明の一実施形態に係る、２連続空パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システム（量子暗号通信システム）の基本構成を示す図である。
なお、本明細書において、「空パルス」とは、光子数ゼロであるパルスのことを指す。
【００２８】
送信機１１１は、０またはπで任意にランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均１光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で伝送路１１９に送出する。平均光子数１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現することができる。このとき、送信機１１１は、光パルス列の際に、上記光パルス列に対して、０またはπで位相変調する。このときの位相変調データを各パルスの送出時刻に対応付けて、送信機１１１が備える、メモリ等の第１の記憶手段（不図示）に記憶する。
【００２９】
さらに送信機１１１は、任意にランダムに２連続の空パルスを、上記光パルス列に挿入して伝送路に送出する。この空パルスを挿入した送出時刻（時間位置）も第１の記憶手段に記憶される。図１では、第３と第４の時間位置に空パルスが挿入されている場合を例示してある。
【００３０】
このような光パルス列を光子検出する場合、あるパルスでは光子が検出され、あるパルスでは何も検出されないという検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかは、測定するまで不確定である。
【００３１】
図１に示すように、送信機１１１より送出された光パルス列は、伝送路１１９を経て受信機１１２に到達する。まず、受信機１１２は、光分岐手段１１６を使用して、送信機１１１より受信した光パルス列をエネルギー的に等分になるよう２つに分岐し、分岐した各光パルス列を長経路１２０および短経路１２１に送出する。長経路１２０では、光パルス列に一定の遅延（本明細書では、時間Ｔ）を加える。その後、長経路１２０および短経路１２１を通った光パルス列は、２×２合波カップラ１１７にて再び合波する。２×２合波カップラ１１７は、２つの入力端子（長経路１２０および短経路１２１にそれぞれ接続されている）を備え、長経路１２０および短経路１２１を通った光パルス列を受け入れる。また、２×２合波カップラ１１７は、２つの出力端子も備え、それぞれの出力端子は、光子検出器１１８ａ、および光子検出器１１８ｂに接続される。
【００３２】
上記長経路１２０で一方の光パルス列に与えられる一定の遅延時間Ｔは、送信機１１１から伝送路１１９を介して受信機１１２に入力される光パルス列の一定間隔Ｔに等しいものと仮定すると（図１においてＴで示す）、２×２合波カップラ１１７では、前後のパルスが重なり合って合波される。パルスが重なり合う様子は、短経路１２１を通過した光パルス列１２３と長経路を通過した光パルス列１２２とを用いて、図１の受信機１１２の下に図示している。
【００３３】
なお、図１〜５において、符号が付された光パルス列が示されているが、各図中の光パルス列の各々では、光パルス列を構成する光パルスが時系列的（右側が時間的に先）に図示されている。
【００３４】
受信機１１２に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されている。したがって、受信機１１２内の分岐・合波経路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。
【００３５】
２×２合波カップラ１１７での合波の結果、両パルスは干渉し、位相差が０なら光子検出器１１８ｂが光子を検出し、位相差πなら光子検出器１１８ａが光子を検出することになる。ただし、送信機１１１が２連続で送った空パルスのひとつが、受信機１１２内の分岐・合波回路を経て、光子が存在し得るパルスと重なり合った結果、光子検出される場合は、干渉が起きないため、光子検出器１１８ａで光子が検出されるか光子検出器１１８ｂで光子検出されるかは、全くのランダムとなる。図１の例示では、光パルス列１２２の２番目のパルスと光パルス列１２３の３番目とが重なり合った場合、および光パルス列１２２の４番目と光パルス列１２３の５番目のパルスとが重なり合った場合が、これに相当する。
さらに、空パルス同士が重なり合った場合には、何も検出されない。図１の例示では、光パルス列１２２の３番目と光パルス列１２３の４番目のパルスが重なり合う場合が、これに相当する。
【００３６】
以上の構成を用いて、送信機１１１と受信機１１２とは以下の手順により秘密鍵を得る。
まず、受信機１１２は、上記構成により送信機１１１より送出され、伝送路１１９を経たパルスから光子を、光子検出器１１８ａおよび１１８ｂのいずれかで検出する。この際、受信機１１２は、光子を検出した時刻と検出器とを受信機１１２が備える、メモリ等の第２の記憶手段（不図示）に記録する。所定の数だけ光子が送受信された後、受信機１１２は送信機１１１に対して、第２の記憶手段に記憶された、光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。
【００３７】
送信機１１１は、通知された光子検出時刻と、第１の記憶手段に記憶された、送信機１１１自身の有する位相変調データとから、受信機１１２が光子検出器１１８ａまたは光子検出器１１８ｂのいずれかで光子を検出したかを知ることができる。
【００３８】
そこで、光子検出器１１８ａにて光子が検出される場合をビット「０」、光子検出器１１８ｂにて光子が検出される場合をビット「１」と取り決めておけば、送信機１１１と受信機１１２とは同じビット列を得ることができる。これを、暗号通信のための秘密鍵とする。
【００３９】
ただし、上記のように、空パルスが関与した時刻での光子検出については、いずれの光子検出器で光子検出したか、送信機１１１には分からない。図１の例示では、光パルス列１２２の２番目のパルスと光パルス列１２３の３番目のパルスとが重なり合った時間スロット、および光パルス列１２２の４番目と光パルス列１２３の５番目のパルスとが重なり合った時間スロットでの光子検出がこれに相当する。
【００４０】
この光子検出によるビット不一致を避けるため、送信機１１１は、いずれの光子検出器で光子検出したか分からないビットを廃棄するとともに、廃棄ビットを受信機１１２に通知する。そして、通知を受けた受信機１１２も該当するビットを廃棄する。これにより、不明なビットは除去される。
【００４１】
上記手順においては、受信機１１２から送信機１１１へ通知されるのは光子検出時刻のみであるため、ビット情報は受信機１１２の外部に出ることはなく、盗聴されることはない。
【００４２】
また、送られているのはパルスあたり平均１光子未満の光なので、盗聴者が信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、光子が２分割されることはないので、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機１１２には届かず、送信機１１１と受信機１１２のビット列にはならないからである。
【００４３】
図２は、図１に示す差動位相シフト量子鍵配送システムにおけるなりすまし盗聴の説明図である。
盗聴者は、伝送路１１９の途中で、送信機１１１によって送出された伝送信号を本来の受信機１１２と同様の機器構成（盗聴受信機２１１）で受信し、その受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機１１２に光送信機２１２を用いて送信する。盗聴受信機２１１が伝送信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、本来の受信機１１２に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。
【００４４】
しかしながら、図１に示す「２連続空パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システム」においては、送信信号はパルス当り平均１光子未満（例えば０．１光子／パルス）の光パルス列であるため、このような送信信号を受信しても、平均１０パルスに１回しか光子は検出されない。さらに、送信される光パルス列には２連続の空パルス（図２中のパルス３、４）が挿入されており、盗聴受信機２１１が平均１０パルスに１回光子を検出した時に、光子が存在し得る２パルスの干渉の結果の光子検出なのか（真の光子検出）、一方は空である２パルスの重なり合いの結果の光子検出なのか（ダミーの光子検出）、区別できない（図２参照）。
【００４５】
このような状況では、盗聴受信機２１１は、検出信号は全て真の光子検出であるものとしてダミー信号を送るしかない。より具体的には、盗聴受信機２１１は、光子を検出した光子検出器に基づき位相差が０であるかπであるかを判定し、その位相差を付与した２パルスを本来の受信機１１２に送信する。
【００４６】
このような２パルスを受信機１１２が受信すると、本来、光子が検出されるはずのない時刻で光子が検出され得る。このことを、図２を参照して詳しく説明する。
【００４７】
説明のため、１から６まで番号を付けた６つの光パルスからなる光パルス列２１３が送信機１１１から送信され、そのうちパルス３とパルス４とは空パルスであるとする。図２において、符号２１４は、盗聴受信機２１１の短経路１２１を通過した光パルス列であり、符号２１５は、盗聴受信機２１１の長経路１２０を通過した光パルス列である。
【００４８】
盗聴受信機２１１がこの６パルスを分岐・合波すると、光パルス列２１４のパルス２と光パルス列２１５のパルス３とが重なり合う時刻（時間スロット）で光子を検出する場合がある。盗聴受信機２１１はこれがダミー検出だとは分からないため、真の検出であるものとして、検出結果に従って位相差を付与したパルス２とパルス３とを、本来の受信機１１２に送信する。この２パルスは、光子が存在し得るパルスである。すなわち、送信機１１１から送信された時点では、空パルスであったパルス３においても光子が存在し得るようになり、光送信機２１２から送信された光パルス列２１６のパルス２およびパルス３には光子が存在しうることになる。
【００４９】
上記のようなパルス２とパルス３とを含む光パルス列２１６を受信機１１２が受信すると、分岐・合波回路から出力される段階では３つの時刻で光子が検出され得る（図２参照）。図２において、符号２１７は、受信機１１２の短経路１２１を通過した光パルス列であり、符号２１８は、受信機１１２の長経路１２０を通過した光パルス列である。すなわち、図２では、受信機１１２の光分岐手段１１６にて分岐された２パルスのうち、遅延されない２パルス（光パルス列２１８に含まれる）と遅延された２パルス（光パルス列２１７に含まれる）を時系列的（右側が時間的に先）に図示している。この図からもわかるように、光子は、第１の時刻；パルス２が短経路１２１を通って光子検出器に到達する時刻、第２の時刻；パルス３が短経路１２１を通るか、パルス２が長経路１２０を通って光子検出器に到達する時刻、第３の時刻；パルス３が長経路１２０を通って光子検出器に到達する時刻、の３つの時刻で検出され得る。
【００５０】
これらのうち第３の時刻は、本来は、短経路１２１を通ったパルス４と長経路１２０を通ったパルス３が重なり合う時刻である。ところで、盗聴されていない正常時には、パルス３とパルス４とは空パルスである。したがって、本来は、上記第３の時刻で光子が検出されることはあり得ない。
【００５１】
ところが、上で説明したように、なりすまし盗聴されると、本来は光子検出されない時刻に光子が検出されることがある。そこで、信号伝送後に、送信機１１１は、受信機１１２に、第１の記憶手段に記憶された空パルスの送出時刻を通知する。受信機１１２は、その送出時刻から正常であれば光子が検出されないはずの時刻を特定し、その時刻に光子が検出されたか否かをチェックする。そして、光子が検出されていれば、なりすまし盗聴されたと判断する。
【００５２】
以上のようにして、「２連続空パルス付き差動位相シフト鍵配送システム」は盗聴を発見する。
【００５３】
上記「２連続空パルス付き差動位相シフト鍵配送システム」では、本来は光子を検出するはずのない時刻に光子が検出されるか否かにより、盗聴を発見する。ところが、実際のシステムでは、例えば、送信パルスのオンオフ比が１００％でなかったり、光子検出器に雑音が伴っていたりするため、信号光子がないはずの時間スロットで検出信号（光子検出器からの出力信号）が出力されることがある。
【００５４】
そのような装置の不完全さによる誤り計数があると、盗聴者はそれを利用して、以下のようにして鍵情報の一部を盗むことができる。まず盗聴者は、何らかの手段を使って装置の不完全性による誤り計数を減少させる。そして、その減少分が、なりすまし盗聴により発生する空スロット計数と同じとなる割合だけ、伝送信号に対して盗聴を行う。式で表わすと、
ΔＣerror＝αＣeve
ということである。ここで、ΔＣerrorは盗聴者が減少させた誤り計数確率、Ｃeveは全ての伝送信号をなりすまし盗聴したときに発生する空スロット計数確率、αは盗聴する割合、である。これにより盗聴者は、α分の盗聴に成功する。
【００５５】
量子鍵配送等の量子暗号通信システムにおいて、一部の盗聴も許さないことが望まれる。本発明は、上記により説明した検討事項に鑑みてなされたものであり、盗聴者が装置の不完全性による誤り計数を減少させた場合の一部なりすまし盗聴をも検知可能とすることが本発明の目的の１つである。
【００５６】
（本発明の実施形態）
図３は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【００５７】
図３において、送信機３１１は光源３１３、位相変調器３１４、減衰手段３１５、および制御部ＣＰＵ３１６を備える。
【００５８】
光源３１３は、位相変調器３１４に接続されている。また、位相変調器３１４は、減衰手段３１５に接続されている。すなわち、光源３１３と減衰手段３１５の間には、位相変調器３１４が存在する。
【００５９】
制御部ＣＰＵ３１６は、送信機３１１全体の主制御を行うＣＰＵである。また、送信機３１１は、制御ＣＰＵ３１６の制御プログラムを格納したＲＯＭおよび各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用されるＲＡＭを有する送信機記憶手段（不図示）を備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３１６は、送信機３１１の各構成を統合して制御し、送信機３１１全体の主制御を行うことができる。
【００６０】
光源３１３は、一定の時間間隔Ｔのパルスからなる光パルス列を送出し、該光パルス列は位相変調器３１４に入力される。
【００６１】
位相変調器３１４は、光源３１３から入力された光パルス列に含まれる各パルスを０またはπで位相変調した後、減衰手段３１５に該光パルス列を受け渡す。すなわち、光パルス列に含まれるパルスのそれぞれの位相は、０またはπである。この位相変調に用いた位相変調データは、各パルスの送出時刻（時間位置）に対応付けて送信機記憶手段に記憶される。
【００６２】
減衰手段３１５は、例えば、ＮＤフィルタ（Neutrral Density Filter)等、レーザ光などの光源から入射される光を大きく減衰させるための手段であればいずれのものを用いても構わない。後述する空パルスを任意に挿入するためには、光強度変調器を組み合わせて利用することも有効である。本実施形態では、パルス当り１光子未満の光パルス列を送信機３１１から送出するが、パルス当り１光子未満の光パルス列は、通常のレーザ光を大きく減衰させ、平均光子数１未満という状態を実現することができる。
【００６３】
本明細書において、「パルス当り１光子未満の光パルス列」とは、所定の数の光パルス列であって、少なくとも４連続の空パルスを含み、かつ、光パルス列に含まれている光子の数がパルス数よりも少ない状態のことを指す。すなわち、光パルス列３２４に示すように、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列である。光パルス列３２４では、光パルス３〜６が空パルスである。
【００６４】
光源３１３は、一定間隔Ｔで光パルス列を送出するが（この時点では、各パルスに、光子は含まれている可能性がある）、減衰手段３１５を通ることにより、光子が含まれていないパルスが生成される。このようなパルスは、何も含まれていない、つまり、単なる空であることを示すため、「空パルス」と定義する。
【００６５】
上記減衰手段３１５は、位相変調器３１４から入力された光パルス列を、４つの空パルス３〜６を含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列３２４として送出する。すなわち、送信機３１１は、減衰手段３１５を通った光パルス列３２４を、光伝送路３２３を介して受信機３１２に対して送出する。
【００６６】
光検出装置としての受信機３１２は、光分岐手段３１７、２×２合波カップラ３１８、光子検出器３１９ａ、光子検出器３１９ｂ、制御部ＣＰＵ３２２、長経路３２０、および短経路３２１を備える。
【００６７】
光分岐手段３１７の入力端は光伝送路３２３に接続され、２つの出力端はそれぞれ長経路３２０および短経路３２１に接続されている。光分岐手段３１７としては、例えば、ビームスプリッタ、方向性結合器、光カップラ等、入力された光を適切に分岐して出力できる手段であればいずれのものを用いても良い。
【００６８】
２×２合波カップラ３１８は、入力端子および出力端子がそれぞれ２つずつ備わっている。該２つの入力端子のそれぞれは長経路３２０および短経路３２１に接続されており、該２つの出力端子のそれぞれは光子検出器３１９ａおよび光子検出器３１９ｂに接続されている。
【００６９】
２×２合波カップラ３１８は、一方の入力端子で長経路３２０からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路３２１からの光パルス列を受信する。すなわち、２×２光合波カップラ３１８では、送信機３１１から送信された光パルス列の前後のパルスが重なり合って合波される。その後、２×２合波カップラ３１８は、２つの光パルス列の位相差がπの場合には一方の出力端子から光子検出器３１９ａに光子を出力し、位相差が０の場合には他方の出力端子から光子検出器３１９ｂに光子を出力する特性を有する。
【００７０】
制御部ＣＰＵ３２２は、受信機３１２全体の主制御を行うＣＰＵである。また、受信機３１２は、制御ＣＰＵ３２２の制御プログラムを格納したＲＯＭおよび各種データを保管し、また一時ワークステーションとして利用されるＲＡＭを有する受信機記憶手段（不図示）を備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３２２は、受信機３１２の各構成を統合して制御し、受信機３１２全体の主制御を行うことができる。
【００７１】
受信機３１２へ入力された光パルス列は、光分岐手段３１７により長経路３２０および短経路３２１にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐される。長経路３２０に分岐された光パルス列は、一定の遅延時間Ｔだけ遅延させられた後、２×２光合波カップラ３１８で短経路３２１を通った光パルス列と再び合波される。ここで、一定の遅延時間Ｔは、図３に示すように、入力された光パルス列のパルス間隔Ｔに等しいものとする。
【００７２】
受信機３１２に入力された光パルス列は、０またはπで位相変調されている。したがって、受信機３１２内の分岐・合波回路の伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。
【００７３】
光分岐手段３１７で２つに分岐された光パルス列が、２×２合波カップラ３１８にて合波された結果、両パルスは干渉し、２つのパルス列の相対的位相差が０なら光子検出器３１９ｂが光子を検出し、相対的位相差πなら光子検出器３１９ａが光子を検出する。
【００７４】
以上の構成の下、送信機３１１は、０またはπで任意に位相変調した一定間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列３２４を、４つの空パルスを含み、パルス当り平均１個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）で送出する。
【００７５】
以下の説明では、説明の便宜上、上記条件で説明するが、本発明を上記条件に限定するという意図ではない。
【００７６】
図３では、光パルス列３２４のうち、３番目から６番目までのパルスが空パルスである例を示す。
受信機３１２は、光伝送路３２３を経て送信機３１１より伝送されてきた光パルス列３２４を、光分岐手段３１７にて受け取る。光分岐手段３１７にて長経路３２０および短経路３２１にエネルギー的に等分（例えば、５０対５０）にそれぞれ分岐された光パルス列は、２×２合波カップラ３１８で合波され、合波された光パルス列は、後述するようにパルス間の位相差にしたがって光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂにて検出される。
【００７７】
上記のような受信機３１２の回路を構成すると、受信機３１２の２×２合波カップラ３１８では、前後のパルスが重なり合い、干渉を起こす。すなわち、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の各パルスは一定の時間間隔Ｔで送出されており、また長経路３２０を通った光パルス列は一定の時間間隔Ｔだけ遅延しているので、長経路３２０を通った光パルス列はちょうど１パルス分遅延した状態で、短経路３２１を通った光パルス列と合波される。かかる状態については、図４に詳細に示す。
【００７８】
上記２×２合波カップラ３１８での合波による干渉の結果、パルス間の位相差が０なら光子検出器３１９ｂが光子を検出し、πなら光子検出器３１９ａが光子を検出する。
【００７９】
ただし、送信機３１１から送信された光は、パルス当り平均１個光子未満なので、光子が検出されるのは稀である。
【００８０】
光子を検出したという信号を得た場合、制御部ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段に、光子を検出した時刻（光子検出時刻）、どの光子検出器にて検出されたかを示す格子検出器情報を記憶する。さらに、制御ＣＰＵ３２２は、光子を検知した検知信号の数を、時間スロット毎に累積する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、各時間スロットについて、検知信号を１つ検知する毎に、カウント値を１つずつ累積し、該累積されたカウント値を受信機記憶手段に記憶する。このようにして、受信機記憶手段には、時間スロット（図４では、時間スロットｔ1〜ｔ7）毎に、検知された検知信号の数が記憶されることになる。
【００８１】
図４では、図３で説明した空パルスが４連続で送信された場合（３番目から６番目までのパルスが空パルス）の受信パルスの重なり具合を示す。図４において、符号４１１は長経路３２０を通り時間間隔Ｔだけ遅延された光パルス列であり、符号４１２は短経路３２１を通った光パルス列である。
【００８２】
図４では、斜線長方形（１、２、７、８）と空白長方形（３、４、５、６）のパルスが示されているが、斜線長方形（１、２、７、８）は、光子が存在し得るパルス（以後、信号パルスと呼ぶ）を表わし、一方、空白長方形（３、４、５、６）は、空パルスを表わす。
【００８３】
図示するように、空パルスが存在するために、重なり合うパルスの一方が信号パルスで他方が空パルスである場合（時間スロットｔ2、ｔ6）と、両方とも空パルスである場合（時間スロットｔ3、ｔ4、ｔ5）と、が生じる。前者の場合、干渉する相手がいないので、光子は光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂでランダムに検出される。後者の場合、理想的には光子は全く検出されない。ただし、例えば、受信機にて生じるノイズなどの、装置の不完全性のため、光子検出器から誤って検出信号が出力されることがある。
【００８４】
上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機３１１と受信機３１２は共通のビットを得る。なお、共通のビットを得る手順についても、上述したように、制御部ＣＰＵ３１６および３２２が、送信機３１１および受信機３１２をそれぞれ制御して行う。
【００８５】
ステップ１；送信機３１１は、受信機３１２に、０またはπでランダムに位相変調された、所定の長さの光パルス列３２４（４つ連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当たり平均１光子未満の光パルス列）を送信する。このとき、制御ＣＰＵ３１６は、上記位相変調に用いた位相変調データを、各パルスの送出時刻に対応付けて送信機記憶手段に記憶する。さらに、制御ＣＰＵ３１６は、空パルスを挿入した時間位置についても、送信機記憶手段に記憶する。
【００８６】
ステップ２；受信機３１２は、光伝送路３２３を経て送信機３１１より伝送された光パルス列３２４から光子検出し、光子検出時刻（時間スロット）と光子検出器情報とを受信機記憶手段に記録する。次いで、受信機３１２は、受信機記憶手段に記憶された、光子を検出した時間スロットを送信機３１１に通知する。このような通知の方法としては、例えば電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて、送信者または送信機３１１に伝える。送信者に伝える場合は、送信者は、知らされた光子検出時刻を送信機３１１に入力し、送信機記憶手段にその情報を記録する。
【００８７】
ステップ３；送信機３１１は、送信機記憶手段に記憶された空パルスの時間位置（上記の例では、３番目から６番目までのパルスの時間位置）を示す空パルス時間位置情報を受信機３１２に送信する。このような送信方法としては、例えば電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて受信機３１２に伝える。受信機３１２は、送信機３１１から送信された空パルス時間位置情報を受信し、該受信した情報を受信機記憶手段に記憶する。
【００８８】
なお、上記空パルス時間位置情報は、送信機３１１または送信者が、電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて受信者に伝えるようにしても良い。この場合、受信者は、知らされた空パルス時間位置情報を受信機３１２に入力し、受信機記憶手段にその情報を記録する。また、ＣＤなどの可搬メディアに空パルス時間位置情報を記憶し、受信機３１２が上記可搬メディアから空パルス時間位置情報を読み出し、該読み出した空パルス時間位置情報を受信機記憶手段に記憶するようにしても良い。
【００８９】
このように、本実施形態では、受信機３１２が空パルス時間位置情報を取得できればいずれの方法を用いても良く、受信機３１２は、送信機から受信したり、ユーザにより入力されたり、可搬メディアから読み込むなどして入力された空パルス時間位置情報を受信機記憶手段に記憶する。
【００９０】
ステップ４；送信機３１１は、送信機記憶手段に記憶された位相変調データと、受信機３１２から受信した光子検出時刻とに基づいて、所定のパルスについて、光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂのいずれかが光子を検出したかを判定する。ただし、信号パルスと空パルスが重なった場合（図４の時間スロットｔ2およびｔ6）には、上述したように、光子は光子検出器３１９ａまたは光子検出器３１９ｂでランダムに検出されるので、どちらが光子を検出したかは判定できない。さらに、空パルス同士が重なった時間スロット（図４の時間スロットｔ3、ｔ4、ｔ5）で受信機３１２が誤って検出信号を得た場合も、どちらの光子検出器が検出信号を出したかは判定できない。
【００９１】
ステップ５；受信機３１２は、送信機３１１から送信された空パルス時間位置情報に基づいて、光子を検出したとみなした事象が、（ａ）信号パルス同士が重なり合った時間スロットのものなのか、（ｂ）信号パルスと空パルスとが重なった時間スロットのものなのか、（ｃ）空パルス同士が重なった時間スロットで、かつ、後述のなりすまし盗聴をされた場合に光子を検出し得る時間スロットのものなのか、（ｄ）空パルス同士が重なって時間スロットで、かつ、後述のなりすまし盗聴をされた場合でも光子は検出しないはずの時間スロットのものなのか、を判定する。
【００９２】
詳細に説明すると、受信機３１２の制御部ＣＰＵ３２２は、受信機内のメモリ（図示せず）から判定用のプログラム（盗聴検知プログラム）を読み出し、該時間位置の情報と光子検出信号を得た事象とから判定を行う。すなわち、制御部ＣＰＵ３２２は、盗聴検知プログラムを実行して、なりすまし盗聴などの盗聴検知を行う。この盗聴検知方法については後述する。
【００９３】
ステップ６；送受信機３１１と受信機３１２とは、信号パルス同士の干渉から起こった光子を検出した事象について、光子検出器３１９ａによるものであればビット「０」を、光子検出器３１９ｂによるものであればビット「１」を、付与する。この場合、光子を検出する検出器は確定しているので、送信機３１１および受信機３１２は同じビット値を得ることになる。これを秘密鍵ビットとする。
【００９４】
以下、図５を参照しながら、上述の構成・手順によるシステムにおいて、なりすまし盗聴を発見するメカニズムについて説明する。
【００９５】
なりすまし盗聴では、盗聴者は、通常、光伝送路３２３の途中で受信機３１２と同様の受信回路である盗聴受信機５１１により光子を検出する（光子を検出する流れについては、上述の説明を重なるので省略する）。そして、光子検出結果に基づき、正規の受信機３１２における検出結果が同じとなるようにダミー信号を送出し、受信機３１２が盗聴に気付かないようにする。
【００９６】
しかしながら、本実施形態では、送信機３１１が送出しているのは、送信レベルがパルス当り平均１個光子未満（例えば０．１個光子／パルス）であるパルス列である。この場合、盗聴受信機５１１は平均１０スロットに１回しか光子を検出しない。
【００９７】
盗聴受信機５１１は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機３１２が光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂで光子を検出するように位相が設定された２連続パルスを送出することができる。一方、光子検出しないスロットについては光子検出器３１９ａ、または光子検出器３１９ｂのいずれの光子検出器で検出できるようにしたら良いのか分からないため、何も送らない。これにより、孤立した２連続パルスが受信機に送られる。
【００９８】
より詳細に説明すると、光パルス列３２４中の４連続空パルス３、４、５、６が送信機３１１から盗聴受信機５１１に入ってくる。すると盗聴受信機５１１では、信号パルス２と空パルス３とが重なった時間スロット（図５の矢印Ａ１）、または空パルス６と信号パルス７とが重なった時間スロット（図５の矢印Ａ２）で光子を検出する場合がある。ここで、図５において、符号５１３は、盗聴受信機５１１の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５１４は、盗聴受信機５１１の長経路３２０を通過した光パルス列である。
【００９９】
しかし、盗聴受信機５１１には、これが信号パルス同士の干渉によるものなのか、一方が信号パルスのみの検出結果なのか区別がつかない。そこで、盗聴受信機５１１は、前者の場合は、パルス２、３間の位相を測定したものとして、符号５１５に示すように時間位置２、３に２連続パルスを発生させて正規の受信機３１２にパルス列を送信する。後者の場合は、パルス６、７間の位相を測定したものとして、符号５１６に示すように時間位置６、７に２連続パルスを発生させて正規の受信機３１２にパルス列を送信する。
【０１００】
なお、光パルス列５１５、５１６は、盗聴受信機５１１から送信される光パルス列３２４に対応する光パルス列に含まれる光パルス列であるが、本実施形態に係る盗聴検知方法の説明を容易にするために用いる光パルス列である。光パルス列５１５、５１６において、黒塗り長方形（２、３、６、７）には光子が存在し得る。これに対して、空白長方形（１、４、５、８）は空パルスであることを示しているわけではなく、上述のような盗聴受信機５１１が、信号パルス同士の干渉によるものなのか、一方が信号パルスのみの検出結果なのかの区別がつかず、位相を測定したものとして送信したパルス列を強調するために空白にしている。
【０１０１】
このような光パルス列５１５、５１６が受信機３１２に入力されると、光分岐手段３１７にて２つに分岐し、分岐された一方の光パルス列には遅延時間Ｔだけ遅延が施されて、２×２合波カップラ３１８にて合波される。符号５１８は、光パルス列５１５について、受信機３１２の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５１９は、光パルス列５１５について、受信機５１２の長経路３２０を通過した光パルス列である。また、符号５２０は、光パルス列５１６について、受信機３１２の短経路３２１を通過した光パルス列であり、符号５２１は、光パルス列５１６について、受信機５１２の長経路３２０を通過した光パルス列である。
【０１０２】
さて、時間位置２、３の２連続パルス（光パルス列５１５）が受信機３１２に入力されると、パルス３、４が重なり合う時間スロット（図５の矢印Ｂ１）で光子が検出される可能性がある。しかしながら、図４で説明したように、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の３番目から６番目までが空パルスであった場合には、受信機３１２では３番目と４番目のパルスが重なり合う時間スロットでは光子は検出されない。
【０１０３】
あるいは、時間位置６、７の２連続パルス（光パルス列５１６）が受信機３１２に入力されると、パルス５、６が重なり合う時間スロット（図５の矢印Ｂ２）で光子が検出される可能性がある。しかしながら、図４で説明したように、送信機３１１から送出された光パルス列３２４の３番目から６番目までが空パルスであった場合には、受信機３１２では５番目と６番目のパルスが重なり合う時間スロットでは光子は検出されない。
【０１０４】
つまり、光子検出されないはずの時間スロットで光子が検出されることになる。そこで、そのような光子検出があれば、なりすまし盗聴ありと判定する。ただし、装置の不完全性のため、盗聴されていない場合でも該時間スロットで検出信号が出力されることがあると、その検出信号がなりすまし盗聴によるものなのか、装置の不完全性によるものなのか判別できない。これが、本発明の検討事項に対する課題であった。
【０１０５】
そこで、本実施形態では、盗聴受信機５１１において、空パルス４と空パルス５とが重なった時間スロット（図５のＡ３）、すなわち、光分岐手段にて分岐され、長経路３２０と短経路３２１とを通過した光パルス列が２×２合波カップラ３１８にて合波された際の、空パルス同士が干渉する時間スロットを利用する。盗聴受信機５１１が、この時間スロット（Ａ３）で光子を検出することはない。したがって、盗聴受信機５１１から正規の受信機３１２へ送られるパルス４とパルス５とは、必ず空パルスである。
【０１０６】
時間位置４、５が空パルスである２連続パルスが受信機３１２に入力されると、パルス４、５が重なり合う時間スロットで光子が検出されることはない。ただし、装置の不完全性のため、誤って検出信号が出力されることはある。言い換えると、この時間スロットでの検出信号は、装置の不完全性によるもののみで、なりすまし盗聴による光子検出信号は発生しない。
【０１０７】
そこで、受信機３１２は、パルス４、５が重なり合う時間スロットにて検知された検知信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。すなわち、受信機３１２は、ステップ５において、パルス４、５が重なり合う時間スロットでの検出信号の数と、パルス３、４が重なり合う時間スロットまたはパルス５、６が重なり合う時間スロットでの検出信号の数とを比較し、該比較結果に基づいて盗聴があったか否かを判断する。
【０１０８】
上述のように、前者は装置の不完全性によるもののみ、後者はなりすまし盗聴による光子検出と装置の不完全性による検出信号が足し合わさったものである。したがって、両者を比べることにより、なりすまし盗聴による光子検出の数を抽出することができる。これにより、なりすまし盗聴を発見することができる。
【０１０９】
より詳細に説明すると、ステップ５において、制御ＣＰＵ３２２は、所定期間内にパルス４、５が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ4）にて検出された検出信号の数を取得する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段に記憶された空パルス時間位置情報に基づき、受信機記憶手段を参照して、時間スロットｔ4に対する、上記所定期間内の検知信号の数を判定値として取得する。
【０１１０】
次いで、制御ＣＰＵ３２２は、上記所定期間内にパルス３、４が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ3）にて検出された検出信号の数、または上記所定期間内にパルス５、６が重なり合う時間スロット（図４の時間スロットｔ5）にて検出された検出信号の数の一方を取得する。すなわち、制御ＣＰＵ３２２は、受信機記憶手段を参照して、時間スロットｔ3またはｔ5の一方に対する、上記所定期間内の検知信号の数を比較対象値として取得する。
【０１１１】
制御ＣＰＵ３２２は、上記判定値と比較対象値とを取得すると、上記判定値と比較対象値とを比較し、上記判定値と比較対象値とが同じ値である場合、比較対象値の取得対象となる時間スロット（時間スロットｔ3およびｔ5の少なくとも一方）には、なりすまし盗聴による光子検知信号が無いと判断する。すなわち、なりすまし盗聴がされていないと判断する。
【０１１２】
一方、上記判定値と比較対象値とが異なる場合、制御ＣＰＵ３２２は、比較対象値の取得対象となる時間スロットに、なりすまし盗聴による光子検知信号があると判断し、なりすまし盗聴がありと判断する。このような判断がされると、制御ＣＰＵ３２２は、「なりすまし盗聴あり」という旨の警告メッセージを受信機３１２が備える表示部（不図示）に表示する。この警告メッセージを送信機３１１に送信しても良い。また、上記判断に応じて、受信機３１２が備えるスピーカから警告音を出力してユーザに知らせるようにしても良いし、受信機３１２が備えるＬＥＤから所定のパターンで発光させてユーザに知らせるようにしても良い。
【０１１３】
以上のなりすまし盗聴の発見方法は、盗聴者が、何らかの手段により装置の不完全性による検出信号数を減少させ、減少分を一部なりすまし盗聴による光子検出に置き換えようとした場合でも有効である。なぜなら、受信機３１２は、パルス４、５が重なり合う時間スロットでの検出信号を利用して、パルス３、４（または５、６）が重なり合う時間スロットでの検出信号数が、装置の不完全性によるものなのかなりすまし盗聴によるものなのか判定しているので、そのような置き換えを発見することが可能である。これにより、本発明の検討事項で問題であった、装置の不完全性を利用した一部なりすまし盗聴を防ぐことができる。
【０１１４】
さて、本実施形態において重要なことは、光パルス列を２つに分岐し、分岐された光パルス列の一方をパルス間隔だけ遅延させ、該遅延された一方の光パルス列と、遅延されていない他方の光パルス列とを合波する際に、光子が存在するはずがないパルスが重なり合う時間スロットを存在させることである。このような時間スロットでは、装置の不完全性による検出信号は検出されても、なりすまし盗聴による検出信号が検出されるはずが無いからである。本実施形態では、より高度ななりすまし盗聴を発見するために、この性質を活用するのである。
【０１１５】
つまり、図５にて説明したように、なりすまし盗聴があると、光パルス列５１５に示されるように、空パルスであるはずのパルス３に光子が存在し得るようになる。このような光パルス列５１５を受信機３１２が受信すると、光パルス列５１８、５１９に示されるように、なりすまし盗聴が無ければ光子が検出されるはずの無い時間スロットＢ１において、光子が検出される場合が生じる。
【０１１６】
ここで、なりすまし盗聴が無く、装置の不完全性による検出信号が検出される場合、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットと、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットとでは、上記装置の不完全性による検出信号が検出されることになるので、所定期間内の検出信号の数は同じになる。
【０１１７】
これに対して、なりすまし盗聴があり、装置の不完全性による検出信号が検出される場合、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットにおいては、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットでも検出される装置の不完全性による検出信号に加えて、なりすまし盗聴による検出信号も検出されることがある。よって、なりすまし盗聴が行われることにより、所定期間内の検出信号の数が、パルス３とパルス４とが重なる時間スロットと、パルス４とパルス５とが重なる時間スロットとにおいて異なることになる。よって、所定期間内の検出信号の数を比較することにより、なりすまし盗聴を検出することができるのである。
【０１１８】
なお、本実施形態では、検出信号の数の比較の際に統計的性質を用いているので、検出信号の数としては十分な量を検出する必要がある。よって、上記所定期間は、統計的に正確な事象（検出信号の数）を検出するのに十分な期間である。ただし、この十分な期間とは、システム、各装置の構成や、本盗聴検知方法を用いる使用者が要求する検知精度に基づいて決定されるものである。
【０１１９】
このように、パルス４、５が重なり合う時間スロットのように、盗聴されたとしても、光子が存在するはずがないパルスが重なり合う時間スロットを存在させるために、光パルス列に少なくとも４つ以上の連続した空パルスを含ませる必要があるのである。
【０１２０】
上述したように、４つ以上の連続した空パルスにおいて、光パルス列３２４の時間軸の最初の空パルス（図４においてはパルス３）は、盗聴により、受信機３１２が受信する際には光子が存在し得るようになる。これについては、４つ以上の連続した空パルスの、時間軸の最後の空パルス（図４においてはパルス６）についても同様のことが言える。従って、盗聴発見処理の比較となる時間スロットは、盗聴により光子が存在し得ることになる空パルスとその時間軸ですぐ次の空パルスとが重なる時間スロット、すなわち、４つ以上の連続した空パルスにおいて、時間軸の最初の空パルス（図４においてはパルス３）とそのすぐ次の空パルス（図４においてはパルス４）とが重なる時間スロット（図４においては時間スロットｔ3）となる。また、盗聴により光子が存在し得ることになる空パルスとその時間軸ですぐ前の空パルスとが重なる時間スロット、すなわち、４つ以上の連続した空パルスにおいて、時間軸の最後の空パルス（図４においてはパルス６）とそのすぐ前の空パルス（図４においてはパルス５）とが重なる時間スロットも、上記盗聴発見処理の比較となる時間スロット（図４においては時間スロットｔ5）になり得る。
【０１２１】
また、４つ以上の連続した空パルスの最初から２番目以降であって、最後から２番目よりも前の空パルス（図４においてはパルス４）と、該空パルスの時間軸で次の空パルス（図４においてはパルス５）とが重なる時間スロットが、盗聴発見処理の基準となる時間スロット（図４においては時間スロットｔ4）となる。
【０１２２】
受信機３１２は、受信機記憶手段に記憶された空パルス時間位置情報に基づいて、盗聴発見処理の比較となる時間スロットに関る空パルス、および盗聴発見処理の基準となる時間スロットに関る空パルスをそれぞれ特定する。
【０１２３】
本実施形態では、受信機３１２は、上記盗聴発見処理の基準となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する。すなわち、受信機３１２は、上記盗聴発見処理の基準となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数と、上記盗聴発見処理の比較となる時間スロットにて所定期間内に検出された検出信号の数とを比較し、該比較結果に基づいて盗聴があったか否かを判断する。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の比較例に係る、２連続パルス付き差動位相シフト量子鍵配送システムの構成図である。
【図２】図１に示す差動位相シフト量子鍵配送システムにおけるなりすまし盗聴の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【図４】図３に示す受信機におけるパルスの重なり方を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るなりすまし盗聴発見のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【０１２５】
３１１ 送信機
３１２ 受信機
３１３ 光源
３１４ 位相変調器
３１５ 減衰手段
３１６、３２２ 制御ＣＰＵ
３１７ 光分岐手段
３１８ ２×２合波カップラ
３１９ａ、３１９ｂ 光子検出器
３２０ 長経路
３２１ 短経路
３２３ 光伝送路
３２４ 光パルス列
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機、および受信機を備える量子暗号通信システムであって、
前記送信機は、
一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、
前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、
前記位相変調された光パルス列を、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、
前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報を記憶する第１の記憶手段とを備え、
前記受信機は、
前記減衰手段より送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、
前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、
入力された前記情報を記憶する第２の記憶手段と、
前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得手段と、
前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項２】
前記送信機は、
前記第１の記憶手段に記憶された前記情報を、前記受信機に対して送信する送信手段をさらに備え、
前記受信機は、前記送信された情報を受信する受信手段をさらに備え、
前記受信機は、前記受信した情報を前記第２の記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１記載の量子暗号通信システム。
【請求項３】
入力された、一定の時間間隔のパルスからなり、０またはπで位相変調され、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列を、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐工程と、
前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延工程と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波工程と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に第１の光子検出手段にて光子を検出し、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に第２の光子検出手段にて光子を検出する検出工程と、
記憶手段に記憶された、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得工程と、
前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断工程と
を有することを特徴とする盗聴検知方法。
【請求項４】
前記情報を入力する入力工程と、
前記入力された情報を前記記憶手段に記憶する記憶工程と
をさらに有することを特徴とする請求項３記載の盗聴検知方法。
【請求項１】
送信機、および受信機を備える量子暗号通信システムであって、
前記送信機は、
一定の時間間隔のパルスからなる光パルス列を送出する光源と、
前記光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、
前記位相変調された光パルス列を、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列として送出する減衰手段と、
前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報を記憶する第１の記憶手段とを備え、
前記受信機は、
前記減衰手段より送出された前記光パルス列を受信し、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐手段と、
前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、
入力された前記情報を記憶する第２の記憶手段と、
前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得手段と、
前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項２】
前記送信機は、
前記第１の記憶手段に記憶された前記情報を、前記受信機に対して送信する送信手段をさらに備え、
前記受信機は、前記送信された情報を受信する受信手段をさらに備え、
前記受信機は、前記受信した情報を前記第２の記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１記載の量子暗号通信システム。
【請求項３】
入力された、一定の時間間隔のパルスからなり、０またはπで位相変調され、少なくとも４つ以上連続する時間位置に空パルスを含む、パルス当り平均１光子未満の光パルス列を、第１の光パルス列と第２の光パルス列に分岐する分岐工程と、
前記第１の光パルス列を、前記一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延工程と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とを合波する合波工程と、
前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差が０である場合に第１の光子検出手段にて光子を検出し、前記遅延させられた第１の光パルス列と前記第２の光パルス列との相対的位相差がπである場合に第２の光子検出手段にて光子を検出する検出工程と、
記憶手段に記憶された、前記少なくとも４つ以上連続する時間位置の情報に基づいて、前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列とが合波する際の、空パルス同士が干渉する時間スロットに対する、所定期間内の、前記第１の光子検出手段および第２の光子検出手段からの検出信号の数を取得する検出信号数取得工程と、
前記検出信号の数に基づいて、盗聴があったか否かを判断する判断工程と
を有することを特徴とする盗聴検知方法。
【請求項４】
前記情報を入力する入力工程と、
前記入力された情報を前記記憶手段に記憶する記憶工程と
をさらに有することを特徴とする請求項３記載の盗聴検知方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２９４９３４（Ｐ２００８−２９４９３４Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４０５７６（Ｐ２００７−１４０５７６）
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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