量子暗号鍵配付システム
【課題】現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能を、装置実装上の工夫により改善する。
【解決手段】伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有する。
【解決手段】伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子伝送により暗号秘密鍵を共有する量子暗号鍵配付を行う量子暗号装置に関し、特に、ペア光子パルス列の位相シフトに直交鍵情報を符号化する方式の量子暗号鍵配付システムにおいて、無条件安全な秘密鍵を、より効率よく、かつ、より長距離の正規利用者間で生成することが可能な量子暗号鍵配付システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。
【０００３】
現在、DES（データ暗号化規格：Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やRAS（R. Rivest、A. Shamir、L. Adelman）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。
【０００４】
つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に、銀行間のトランザクションや、軍事・外交にかかわる情報などの、極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式が実用になれば、そのインパクトは大きい。
【０００５】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。
【０００６】
非特許文献1で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的な量子暗号鍵配付プロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。
【０００７】
量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では、一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、単一光子の状態は精度良く操作可能であり、かつ、光子にエンコードされた情報は環境による擾乱に強いという事情による。
【０００８】
理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態と、それに相補的な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。
【０００９】
盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、数学的にはスピン１／２系と等価である。
【００１０】
量子ビットに載せられた量子情報は、１ビットデータ（０か１か）、および、その基底を指定することによってのみ特定される。光子を量子ビット担体として用いる暗号鍵配布では、空間を伝搬する光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装（非特許文献１）や２連単一光子パルス間の相対位相シフト値に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号鍵配付システムの実装（非特許文献２−４）が知られている。
【００１１】
偏波コーディングは空間伝送用量子暗号システムに適した方式として知られ、位相コーディングは既存の光ファイバー通信網用量子暗号システムに適した方式として知られている。本発明の量子暗号鍵配付システムは、主に後者の位相コーディングによる量子暗号鍵配付システムに関する。
【００１２】
図２は、非特許文献２−４に示された、位相コーディングを行う量子暗号鍵配付システムの標準的な構成を示すブロック図である。
【００１３】
図２に示したシステムは、パルス光子源２１、非対称マッハツェンダー干渉系２２，２７、位相変調器２３，２８、乱数発生器２４，２９、伝送路２５、光子検出器２Ｃ、ゲート信号発生器２Ｄ、時間記録装置２Ｅ、および、非対称マッハツェンダー干渉系２７の出力ポート２Ｆ，２Ｇから構成されている。
【００１４】
パルス光子源２１、非対称マッハツェンダー干渉系２２、位相変調器２３、乱数発生器２４は量子暗号鍵を送信する送信者が使用する送信装置を構成する。
【００１５】
非対称マッハツェンダー干渉系２７、位相変調器２８、乱数発生器２９、光子検出器２Ｃ、ゲート信号発生器２Ｄ、時間記録装置２Ｅは、伝送路２５を伝送する量子暗号鍵を受信する受信者が使用する受信装置を構成する。
【００１６】
図２に示したシステムにおいて、パルス光子源２１は周期的に光子パルスを生成し、生成された光子パルスは、非対称マッハツェンダー干渉系２２に入射される。非対称マッハツェンダー干渉系２２の作用により、光子パルスはペア光子パルス２６となって伝送路２５上に出射される。
【００１７】
非対称マッハツェンダー干渉系２２の一方の腕には位相変調器２３が内包されており、位相変調器２３は、乱数発生器２４で発生した２ビット乱数に基づいてペア光子パルス２６の相対位相シフトを４値ランダム変調する。
【００１８】
ペア光子パルス２６は、第二の非対称マッハツェンダー干渉系２７に入射される。非対称マッハツェンダー干渉系２７の一方の腕には、位相変調器２８が内包されている。位相変調器２８は、乱数発生器２９で発生した１ビット乱数に基づいてペア光子パルスに対して２値ランダム変調を行う。このペア光子パルスは、２つの出力ポート２Ｆ、２Ｇに出射される。
【００１９】
出射された光子パルスは、非対称マッハツェンダー干渉系２２および非対称マッハツェンダー干渉系２７における光子パルスの通過経路の組合せに対応した３つの時間成分から構成される。このうち、位相変調器２３および位相変調器２８における位相変調に依存する干渉成分は時間的に２番目のパルスであり、センターパルス２Ａと呼ばれる。これ以外の光子パルス成分はサテライトパルス２Ｂと呼ばれる。
【００２０】
図２に示した量子暗号鍵配付システムでは、ゲート信号発生器２Ｄにより駆動された光子検出器２Ｃにより、センターパルス２Ａ中の到着光子のみが選択的に検出され、その光子到着時間が時間記録装置２Ｅにより記録される。光子検出記録を基に正規利用者は通信を行いながら分析を行い、鍵の候補であるシフト鍵が抽出される。
【００２１】
シフト鍵中のエラーは正規利用者間で通信を行い、エラー訂正処理により消去される。正規利用者間で通信を行い、シフト鍵中のエラー率を基に秘匿性増強処理を実行して鍵を短縮することにより、盗聴者への情報漏洩の可能性は消去され、セキュアな秘密鍵が得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）
【非特許文献２】ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ
【非特許文献３】エカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、 「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ
【非特許文献４】ジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」 レビュー・オブ・モダン・フジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
以下、本発明に関わる量子暗号鍵配付システムに用いられている受信装置に共通の特徴とその問題点について説明する。
【００２４】
単一光子をキャリアとした実装においては、量子暗号鍵配付プロトコルにより共有された暗号秘密鍵の安全性は、理論的に厳密に証明可能である。この場合、鍵の安全性は到着光子から抽出されるシフト鍵中に含まれるエラーのみに依存する。
【００２５】
しかるに、現実の量子暗号鍵配付システムの実装において用いられる光源は厳密な単一光子光源ではない。例えば、最も簡便な実装では、レーザー光をパルス中の平均光子数が１以下になるように十分に減衰した光パルスが用いられる。この光源の光子分布統計はポアソン光子統計であり、０または１つの光子が含まれる（真空ならびに単一光子と記す）パルスが多数であるが、２つ以上の光子が含まれる（以下多光子と記す）パルスが有限の確率で発生する。
【００２６】
また、オンデマンド型やヘラルディッド型単一光子光源など、より将来的な単一光子光源の実装においては、多光子パルスの生成確率はポアソン光子統計に比べてかなり小さくできるが、それがゼロであることを保証することは容易ではない。
【００２７】
このような条件下では、盗聴者による光子抜き取り攻撃の危険性を排除できないため、より慎重な秘匿性増強を行う必要があり、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離が減少することが当業者によく知られている。
【００２８】
量子暗号鍵配付においては、盗聴者は物理法則に反しない限り、その盗聴戦略にはいかなる条件も課せられないというルールの下で、鍵の安全性評価を行う。光子抜き取り攻撃により、ＢＢ８４プロトコルの下では、盗聴者は多光子パルス中の１光子から完全な情報を得、残りの光子を受信者に届けることが可能である。これにより、多光子パルスについては、到着光子に証拠を残すことなく、完全な鍵情報を獲得できる。このように、盗聴が発生してもこのことを検知することができず、エラーなしとしてしまうエラーなし攻撃の危険性が高まる。
【００２９】
上記のようなエラーなし攻撃の可能性を考えると、暗号秘密鍵の安全性を厳密に証明することができず、あらゆる攻撃の可能性が考えられ、たとえば、盗聴者は回線並びに受信装置の光学ロスおよび光子検出効率をコントロールしうると考えざるを得ない。盗聴者はこのアドバンテージを最大限利用し、パルス中の光子数に依存した光学ロスをそれぞれのパルスに与えることにより、正規利用者に関知されることなく、危険多光子パルス成分の受信者への到着割合を増加させることができる。すなわち、盗聴者は単一光子パルス成分の光学ロスを増加させ、多光子パルス成分の光学ロスを減少させる。
【００３０】
結果として、正規利用者が単一光子伝送モデルに基づき秘匿性増強を行う限り、盗聴者はより多くの鍵情報量を獲得しうる。従って、正規利用者は鍵の安全性を保証するため、光子抜き取り攻撃のシナリオに基づいて対策を講じるなど、より厳しい基準で秘匿性増強を行う必要が生じる。
【００３１】
以上に示した光子抜き取り戦略のポイントをまとめると以下の通りである。
【００３２】
標準的なＢＢ８４プロトコルの下では、正規利用者は多光子に対して同一の１ビット直交情報を符号化するため、盗聴者にエラーなし攻撃のアドバンテージを与えてしまっていること、および、盗聴者は回線並びに受信装置の光学ロスおよび光子検出効率を正規利用者に関知されることなくコントロールしうるというアドバンテージを持つということにある。
【００３３】
盗聴者によりコントロールされうる受信装置の光学ロスおよび光子検出効率はアクセシブルロスと呼ばれ、セキュア秘密鍵の生成確率および生成可能距離はアクセシブルロスに依存する。アクセシブルロスが小さいほどセキュア秘密鍵の抽出効率は大きく、生成可能距離は長くなる。従って、アクセシブルロスを低減することが量子暗号鍵配付システムの性能向上に直結する。
【００３４】
アクセシブルロスは、受信装置の光学系の物理的な光学ロスを小さくすることや、光子検出器の物理的な検出効率を高めることにより低減することが可能であることはもちろんのことであるが、盗聴者によってアクセス不可能なロスを増やすことによっても可能である。このようなアクセス不可能なロスの代表例として、シフト鍵の抽出効率をあげることができる。
【００３５】
シフト鍵の抽出効率は、標準のＢＢ８４プロトコルでは１／２であり、このことは図２に示された標準的実装のシステムの動作中に確認することが可能である。
【００３６】
このためには、時間記録装置２Ｅに残された光子検出記録からシフト鍵として抽出された残りのデータを分析し、それぞれのデータ数を分析し、それぞれの割合が１／２になっていることを確認すればよい。
【００３７】
これによって、正規利用者はシフト鍵の抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行することが可能である。また、その抽出効率が正確に１／２になっていない場合は、鍵の一部を犠牲にすることによりセキュア秘密鍵を保証することが可能である。
【００３８】
図２に示された位相コーディング方式の標準的量子暗号鍵配付システムでは、秘密鍵生成に利用可能なセンターパルス成分中の光子だけではなく、サテライトパルス成分中に含まれる光子があるが、これらは光子検出器のゲート動作や時間記録の段階で無条件に除去されていた。
【００３９】
このため、全体の光子到着に対するサテライトパルス中に含まれる光子到着からなるミーニングフル鍵の比率を確認する方法を持たず、センターパルス成分の抽出効率１／２はアクセシブルロスとして扱わざるを得なかった。これにより、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離などの性能において、３ｄＢに相当するディスアドバンテージを甘受せざるをえなかった。
【００４０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能を、装置実装上の工夫により改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明の量子暗号鍵配付システムは、伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、
前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、
前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有することを特徴とする。
【００４２】
本発明の量子暗号鍵配付方法は、伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムで行われる量子暗号鍵配付方法において、
前記送信装置では、パルス光子源が前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射し、
前記受信装置では、到着光子記録機構が全ての光子到着を記録することを特徴とする。
【００４３】
上記課題を解決するため、従来の量子暗号鍵配付システムでは無条件に棄却していたサテライトパルス中の光子到着も含め、全ての光子到着を時間記録装置により記録する。
【００４４】
これにより、正規利用者はシフト鍵抽出効率と同様にサテライトパルス中のミーニングフル鍵抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行する事が可能になる。
【００４５】
しかしながら、盗聴者はセンターパルスとサテライトパルスの光子到着時間が異なることを利用し、サテライトパルスに光子を挿入し、アクセシブルロスを小さく見せる攻撃を行う余地がある。
【００４６】
これによって、正規利用者はセキュアな秘密鍵を得るために犠牲とすべき鍵長を過小評価し、秘密鍵中に盗聴者に漏洩した鍵情報が残される可能性がある。
【００４７】
本発明では、さらに、構成要素の非対称マッハツェンダー干渉系中の光学遅延路の遅延時間の２倍の繰り返し周期でパルス光子光源を駆動することにより、この攻撃を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によると、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離などの性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態の動作を示す図である。
【図２】本発明が行われる量子暗号鍵配付システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
次に、本発明による実施形態について図面を参照して説明する。
【００５１】
本発明による実施形態のシステム構成は、図２に示したシステムと基本的に同じ構成である。本実施形態においては、パルス光子源２１における駆動周期および時間記録装置２Ｅにおける光子の記録状態を変えたものである。このため、本発明の実施形態について、その動作を示す図１とともに、図２を参照して説明する。
【００５２】
図２に示されるシステムにおいて、パルス光子源２１は、非対称マッハツェンダー干渉系２２、２７にビルドインされた光学遅延路の遅延時間ΔTの２倍周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成する。
【００５３】
位相変調器２３、乱数発生器２４は、パルス光子源２１が生成した光子パルスに時間同期して、ペア光子パルス２６の相対位相シフトに変調を与える。光子検出器２Ｃは、ΔT周期でゲート信号発生器２Ｄからゲート信号が印可されており、ΔT周期でアクティベートされ、全ての光子到着信号が時間記録装置２Ｅにより記録される。
【００５４】
これにより、センターパルス中の光子のみならず、サテライトパルス中の光子も含めた全ての光子の到着時間が記録する機構が付加される。サテライトパルス中の光子到着ポートは、位相変調器２３および位相変調器２８における位相変調に依存しない。従って、ノーマルな状況において、正規利用者による基底公開に基づき、センターパルス中からミーニングフル鍵の抽出は可能である。
【００５５】
上記説明では、ゲートモード動作する光子検出器を前提としたが、非ゲートモード動作の光子検出器に置きかえることが可能であることはもちろんのことである。
【００５６】
以下、本実施形態の動作について説明する。図１は、本実施形態の動作を示す図である。
【００５７】
図２に示したシステムにおいて、パルス光子源２１は、非対称マッハツェンダー干渉系２２、２７にビルドインされた光学遅延路の遅延時間ΔTの２倍周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成する。
【００５８】
非対称マッハツェンダー干渉系２２の作用により、伝送路２５上に時間間隔ΔTで、ペア光子パルス２６が準備される。位相変調器２３は時間同期して、ペア光子パルス２６の相対位相シフトに変調を与える。
【００５９】
伝送路２５を伝送し、非対称マッハツェンダー干渉系２７に入射直前のペア光子パルス２６の状況が図１左側部分に示されている。
【００６０】
パルス光子源２１が周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成するため、隣り合うペア光子パルスの間隔はΔTである。すなわち、伝送路２５上には周期ΔTで光子パルス列が伝送される状況になる。
【００６１】
これらのパルス列は、２つのペアでひとつの見分けのつかない光子を構成し、隣り合うペア光子パルスとは位相相関がなく、見分けがつく状況である。図１には、３つの隣り合うペア光子パルスに場合分けして、非対称マッハツェンダー干渉系２７へ入射した後の干渉状況が示されている。
【００６２】
図２の右側部分には、非対称マッハツェンダー干渉系２７の短尺伝送路Ｓ、長尺導波路Ｌを伝送した後のペア光子パルスが、光子検出器２Cの出力側カップラで結合される直前の状況が示されている。
【００６３】
長尺導波路Lを伝送したペア光子パルスは、伝送路Ｓを伝送したものに比べて、ΔT時間遅延している。破線で示した時間領域内のパルスは、光子検出器２Cの出力側カップラ上で干渉する光子パルス、すなわちセンターパルス成分を示している。そのほかのパルスは、サテライトパルス成分である。
【００６４】
サテライト成分に着目すると、これらの成分は入射ペア光子パルス列の前方パルスあるいは後方パルスから生じていることがわかる。このとき、盗聴者がサテライトパルス成分に光子を挿入するためには、前後の入射ペア光子パルス列を構成する前方パルスあるいは後方パルスに光子を挿入する以外に方法はない。
【００６５】
しかしながら、このようにして挿入した光子は、前後の入射ペア光子パルス列によって生じる出射パルスの干渉成分に影響を与えるため、光子挿入攻撃を関知することができる。
【００６６】
従って、正規利用者は従来棄却していたサテライトパルス成分を含む全ての光子到着を記録し、センターパルス成分の割合とそのビットエラーレートを評価することにより、センターパルス成分の抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行することが可能である。
【００６７】
また、その抽出効率が正確に１／２になっていない場合は、鍵の一部を犠牲にすることによりセキュア秘密鍵を保証することが可能である。これにより、鍵のセキュリティ評価上、センターパルス成分の抽出効率は盗聴者によってアクセス不可能なロスとして評価可能になり、その結果インセキュアなアクセシブルロスを低減することができ、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能向上が可能になる。
【００６８】
以上説明した構成を備え、動作を行う本実施形態の特徴は、次の通りである。
【００６９】
本発明の量子暗号鍵配付システムによれば、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能を、装置実装上の工夫により改善することができる。
【符号の説明】
【００７０】
２１ パルス光子源
２２ 非対称マッハツェンダー干渉系
２３ 位相変調器
２４ 乱数発生器
２５ 伝送路
２６ ペア光子パルス
２７ 非対称マッハツェンダー干渉系
２８ 位相変調器
２９ 乱数発生器
２Ａ センターパルス
２Ｂ サテライトパルス
２Ｃ 光子検出器
２Ｄ ゲート信号発生器
２Ｅ 時間記録装置
２Ｆ 出力ポート
２Ｇ 出力ポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子伝送により暗号秘密鍵を共有する量子暗号鍵配付を行う量子暗号装置に関し、特に、ペア光子パルス列の位相シフトに直交鍵情報を符号化する方式の量子暗号鍵配付システムにおいて、無条件安全な秘密鍵を、より効率よく、かつ、より長距離の正規利用者間で生成することが可能な量子暗号鍵配付システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。
【０００３】
現在、DES（データ暗号化規格：Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やRAS（R. Rivest、A. Shamir、L. Adelman）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。
【０００４】
つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に、銀行間のトランザクションや、軍事・外交にかかわる情報などの、極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式が実用になれば、そのインパクトは大きい。
【０００５】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。
【０００６】
非特許文献1で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的な量子暗号鍵配付プロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。
【０００７】
量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では、一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、単一光子の状態は精度良く操作可能であり、かつ、光子にエンコードされた情報は環境による擾乱に強いという事情による。
【０００８】
理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態と、それに相補的な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。
【０００９】
盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、数学的にはスピン１／２系と等価である。
【００１０】
量子ビットに載せられた量子情報は、１ビットデータ（０か１か）、および、その基底を指定することによってのみ特定される。光子を量子ビット担体として用いる暗号鍵配布では、空間を伝搬する光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装（非特許文献１）や２連単一光子パルス間の相対位相シフト値に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号鍵配付システムの実装（非特許文献２−４）が知られている。
【００１１】
偏波コーディングは空間伝送用量子暗号システムに適した方式として知られ、位相コーディングは既存の光ファイバー通信網用量子暗号システムに適した方式として知られている。本発明の量子暗号鍵配付システムは、主に後者の位相コーディングによる量子暗号鍵配付システムに関する。
【００１２】
図２は、非特許文献２−４に示された、位相コーディングを行う量子暗号鍵配付システムの標準的な構成を示すブロック図である。
【００１３】
図２に示したシステムは、パルス光子源２１、非対称マッハツェンダー干渉系２２，２７、位相変調器２３，２８、乱数発生器２４，２９、伝送路２５、光子検出器２Ｃ、ゲート信号発生器２Ｄ、時間記録装置２Ｅ、および、非対称マッハツェンダー干渉系２７の出力ポート２Ｆ，２Ｇから構成されている。
【００１４】
パルス光子源２１、非対称マッハツェンダー干渉系２２、位相変調器２３、乱数発生器２４は量子暗号鍵を送信する送信者が使用する送信装置を構成する。
【００１５】
非対称マッハツェンダー干渉系２７、位相変調器２８、乱数発生器２９、光子検出器２Ｃ、ゲート信号発生器２Ｄ、時間記録装置２Ｅは、伝送路２５を伝送する量子暗号鍵を受信する受信者が使用する受信装置を構成する。
【００１６】
図２に示したシステムにおいて、パルス光子源２１は周期的に光子パルスを生成し、生成された光子パルスは、非対称マッハツェンダー干渉系２２に入射される。非対称マッハツェンダー干渉系２２の作用により、光子パルスはペア光子パルス２６となって伝送路２５上に出射される。
【００１７】
非対称マッハツェンダー干渉系２２の一方の腕には位相変調器２３が内包されており、位相変調器２３は、乱数発生器２４で発生した２ビット乱数に基づいてペア光子パルス２６の相対位相シフトを４値ランダム変調する。
【００１８】
ペア光子パルス２６は、第二の非対称マッハツェンダー干渉系２７に入射される。非対称マッハツェンダー干渉系２７の一方の腕には、位相変調器２８が内包されている。位相変調器２８は、乱数発生器２９で発生した１ビット乱数に基づいてペア光子パルスに対して２値ランダム変調を行う。このペア光子パルスは、２つの出力ポート２Ｆ、２Ｇに出射される。
【００１９】
出射された光子パルスは、非対称マッハツェンダー干渉系２２および非対称マッハツェンダー干渉系２７における光子パルスの通過経路の組合せに対応した３つの時間成分から構成される。このうち、位相変調器２３および位相変調器２８における位相変調に依存する干渉成分は時間的に２番目のパルスであり、センターパルス２Ａと呼ばれる。これ以外の光子パルス成分はサテライトパルス２Ｂと呼ばれる。
【００２０】
図２に示した量子暗号鍵配付システムでは、ゲート信号発生器２Ｄにより駆動された光子検出器２Ｃにより、センターパルス２Ａ中の到着光子のみが選択的に検出され、その光子到着時間が時間記録装置２Ｅにより記録される。光子検出記録を基に正規利用者は通信を行いながら分析を行い、鍵の候補であるシフト鍵が抽出される。
【００２１】
シフト鍵中のエラーは正規利用者間で通信を行い、エラー訂正処理により消去される。正規利用者間で通信を行い、シフト鍵中のエラー率を基に秘匿性増強処理を実行して鍵を短縮することにより、盗聴者への情報漏洩の可能性は消去され、セキュアな秘密鍵が得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著 IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）
【非特許文献２】ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental Quantum Cryptography」、「INTRODUCTION TO QUANTUM COMPUTATION AND INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ
【非特許文献３】エカート（Ekert）ほか著「Quantum Cryptography」、 「The Physics of Quantum Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ
【非特許文献４】ジサン（Gisin）ほか著「Quantum Cryptography」 レビュー・オブ・モダン・フジックス（Rev. Mod. Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
以下、本発明に関わる量子暗号鍵配付システムに用いられている受信装置に共通の特徴とその問題点について説明する。
【００２４】
単一光子をキャリアとした実装においては、量子暗号鍵配付プロトコルにより共有された暗号秘密鍵の安全性は、理論的に厳密に証明可能である。この場合、鍵の安全性は到着光子から抽出されるシフト鍵中に含まれるエラーのみに依存する。
【００２５】
しかるに、現実の量子暗号鍵配付システムの実装において用いられる光源は厳密な単一光子光源ではない。例えば、最も簡便な実装では、レーザー光をパルス中の平均光子数が１以下になるように十分に減衰した光パルスが用いられる。この光源の光子分布統計はポアソン光子統計であり、０または１つの光子が含まれる（真空ならびに単一光子と記す）パルスが多数であるが、２つ以上の光子が含まれる（以下多光子と記す）パルスが有限の確率で発生する。
【００２６】
また、オンデマンド型やヘラルディッド型単一光子光源など、より将来的な単一光子光源の実装においては、多光子パルスの生成確率はポアソン光子統計に比べてかなり小さくできるが、それがゼロであることを保証することは容易ではない。
【００２７】
このような条件下では、盗聴者による光子抜き取り攻撃の危険性を排除できないため、より慎重な秘匿性増強を行う必要があり、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離が減少することが当業者によく知られている。
【００２８】
量子暗号鍵配付においては、盗聴者は物理法則に反しない限り、その盗聴戦略にはいかなる条件も課せられないというルールの下で、鍵の安全性評価を行う。光子抜き取り攻撃により、ＢＢ８４プロトコルの下では、盗聴者は多光子パルス中の１光子から完全な情報を得、残りの光子を受信者に届けることが可能である。これにより、多光子パルスについては、到着光子に証拠を残すことなく、完全な鍵情報を獲得できる。このように、盗聴が発生してもこのことを検知することができず、エラーなしとしてしまうエラーなし攻撃の危険性が高まる。
【００２９】
上記のようなエラーなし攻撃の可能性を考えると、暗号秘密鍵の安全性を厳密に証明することができず、あらゆる攻撃の可能性が考えられ、たとえば、盗聴者は回線並びに受信装置の光学ロスおよび光子検出効率をコントロールしうると考えざるを得ない。盗聴者はこのアドバンテージを最大限利用し、パルス中の光子数に依存した光学ロスをそれぞれのパルスに与えることにより、正規利用者に関知されることなく、危険多光子パルス成分の受信者への到着割合を増加させることができる。すなわち、盗聴者は単一光子パルス成分の光学ロスを増加させ、多光子パルス成分の光学ロスを減少させる。
【００３０】
結果として、正規利用者が単一光子伝送モデルに基づき秘匿性増強を行う限り、盗聴者はより多くの鍵情報量を獲得しうる。従って、正規利用者は鍵の安全性を保証するため、光子抜き取り攻撃のシナリオに基づいて対策を講じるなど、より厳しい基準で秘匿性増強を行う必要が生じる。
【００３１】
以上に示した光子抜き取り戦略のポイントをまとめると以下の通りである。
【００３２】
標準的なＢＢ８４プロトコルの下では、正規利用者は多光子に対して同一の１ビット直交情報を符号化するため、盗聴者にエラーなし攻撃のアドバンテージを与えてしまっていること、および、盗聴者は回線並びに受信装置の光学ロスおよび光子検出効率を正規利用者に関知されることなくコントロールしうるというアドバンテージを持つということにある。
【００３３】
盗聴者によりコントロールされうる受信装置の光学ロスおよび光子検出効率はアクセシブルロスと呼ばれ、セキュア秘密鍵の生成確率および生成可能距離はアクセシブルロスに依存する。アクセシブルロスが小さいほどセキュア秘密鍵の抽出効率は大きく、生成可能距離は長くなる。従って、アクセシブルロスを低減することが量子暗号鍵配付システムの性能向上に直結する。
【００３４】
アクセシブルロスは、受信装置の光学系の物理的な光学ロスを小さくすることや、光子検出器の物理的な検出効率を高めることにより低減することが可能であることはもちろんのことであるが、盗聴者によってアクセス不可能なロスを増やすことによっても可能である。このようなアクセス不可能なロスの代表例として、シフト鍵の抽出効率をあげることができる。
【００３５】
シフト鍵の抽出効率は、標準のＢＢ８４プロトコルでは１／２であり、このことは図２に示された標準的実装のシステムの動作中に確認することが可能である。
【００３６】
このためには、時間記録装置２Ｅに残された光子検出記録からシフト鍵として抽出された残りのデータを分析し、それぞれのデータ数を分析し、それぞれの割合が１／２になっていることを確認すればよい。
【００３７】
これによって、正規利用者はシフト鍵の抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行することが可能である。また、その抽出効率が正確に１／２になっていない場合は、鍵の一部を犠牲にすることによりセキュア秘密鍵を保証することが可能である。
【００３８】
図２に示された位相コーディング方式の標準的量子暗号鍵配付システムでは、秘密鍵生成に利用可能なセンターパルス成分中の光子だけではなく、サテライトパルス成分中に含まれる光子があるが、これらは光子検出器のゲート動作や時間記録の段階で無条件に除去されていた。
【００３９】
このため、全体の光子到着に対するサテライトパルス中に含まれる光子到着からなるミーニングフル鍵の比率を確認する方法を持たず、センターパルス成分の抽出効率１／２はアクセシブルロスとして扱わざるを得なかった。これにより、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離などの性能において、３ｄＢに相当するディスアドバンテージを甘受せざるをえなかった。
【００４０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能を、装置実装上の工夫により改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明の量子暗号鍵配付システムは、伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、
前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、
前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有することを特徴とする。
【００４２】
本発明の量子暗号鍵配付方法は、伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムで行われる量子暗号鍵配付方法において、
前記送信装置では、パルス光子源が前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射し、
前記受信装置では、到着光子記録機構が全ての光子到着を記録することを特徴とする。
【００４３】
上記課題を解決するため、従来の量子暗号鍵配付システムでは無条件に棄却していたサテライトパルス中の光子到着も含め、全ての光子到着を時間記録装置により記録する。
【００４４】
これにより、正規利用者はシフト鍵抽出効率と同様にサテライトパルス中のミーニングフル鍵抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行する事が可能になる。
【００４５】
しかしながら、盗聴者はセンターパルスとサテライトパルスの光子到着時間が異なることを利用し、サテライトパルスに光子を挿入し、アクセシブルロスを小さく見せる攻撃を行う余地がある。
【００４６】
これによって、正規利用者はセキュアな秘密鍵を得るために犠牲とすべき鍵長を過小評価し、秘密鍵中に盗聴者に漏洩した鍵情報が残される可能性がある。
【００４７】
本発明では、さらに、構成要素の非対称マッハツェンダー干渉系中の光学遅延路の遅延時間の２倍の繰り返し周期でパルス光子光源を駆動することにより、この攻撃を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によると、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率および生成可能距離などの性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態の動作を示す図である。
【図２】本発明が行われる量子暗号鍵配付システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
次に、本発明による実施形態について図面を参照して説明する。
【００５１】
本発明による実施形態のシステム構成は、図２に示したシステムと基本的に同じ構成である。本実施形態においては、パルス光子源２１における駆動周期および時間記録装置２Ｅにおける光子の記録状態を変えたものである。このため、本発明の実施形態について、その動作を示す図１とともに、図２を参照して説明する。
【００５２】
図２に示されるシステムにおいて、パルス光子源２１は、非対称マッハツェンダー干渉系２２、２７にビルドインされた光学遅延路の遅延時間ΔTの２倍周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成する。
【００５３】
位相変調器２３、乱数発生器２４は、パルス光子源２１が生成した光子パルスに時間同期して、ペア光子パルス２６の相対位相シフトに変調を与える。光子検出器２Ｃは、ΔT周期でゲート信号発生器２Ｄからゲート信号が印可されており、ΔT周期でアクティベートされ、全ての光子到着信号が時間記録装置２Ｅにより記録される。
【００５４】
これにより、センターパルス中の光子のみならず、サテライトパルス中の光子も含めた全ての光子の到着時間が記録する機構が付加される。サテライトパルス中の光子到着ポートは、位相変調器２３および位相変調器２８における位相変調に依存しない。従って、ノーマルな状況において、正規利用者による基底公開に基づき、センターパルス中からミーニングフル鍵の抽出は可能である。
【００５５】
上記説明では、ゲートモード動作する光子検出器を前提としたが、非ゲートモード動作の光子検出器に置きかえることが可能であることはもちろんのことである。
【００５６】
以下、本実施形態の動作について説明する。図１は、本実施形態の動作を示す図である。
【００５７】
図２に示したシステムにおいて、パルス光子源２１は、非対称マッハツェンダー干渉系２２、２７にビルドインされた光学遅延路の遅延時間ΔTの２倍周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成する。
【００５８】
非対称マッハツェンダー干渉系２２の作用により、伝送路２５上に時間間隔ΔTで、ペア光子パルス２６が準備される。位相変調器２３は時間同期して、ペア光子パルス２６の相対位相シフトに変調を与える。
【００５９】
伝送路２５を伝送し、非対称マッハツェンダー干渉系２７に入射直前のペア光子パルス２６の状況が図１左側部分に示されている。
【００６０】
パルス光子源２１が周期2ΔTの繰り返し周期で周期的に光子パルスを生成するため、隣り合うペア光子パルスの間隔はΔTである。すなわち、伝送路２５上には周期ΔTで光子パルス列が伝送される状況になる。
【００６１】
これらのパルス列は、２つのペアでひとつの見分けのつかない光子を構成し、隣り合うペア光子パルスとは位相相関がなく、見分けがつく状況である。図１には、３つの隣り合うペア光子パルスに場合分けして、非対称マッハツェンダー干渉系２７へ入射した後の干渉状況が示されている。
【００６２】
図２の右側部分には、非対称マッハツェンダー干渉系２７の短尺伝送路Ｓ、長尺導波路Ｌを伝送した後のペア光子パルスが、光子検出器２Cの出力側カップラで結合される直前の状況が示されている。
【００６３】
長尺導波路Lを伝送したペア光子パルスは、伝送路Ｓを伝送したものに比べて、ΔT時間遅延している。破線で示した時間領域内のパルスは、光子検出器２Cの出力側カップラ上で干渉する光子パルス、すなわちセンターパルス成分を示している。そのほかのパルスは、サテライトパルス成分である。
【００６４】
サテライト成分に着目すると、これらの成分は入射ペア光子パルス列の前方パルスあるいは後方パルスから生じていることがわかる。このとき、盗聴者がサテライトパルス成分に光子を挿入するためには、前後の入射ペア光子パルス列を構成する前方パルスあるいは後方パルスに光子を挿入する以外に方法はない。
【００６５】
しかしながら、このようにして挿入した光子は、前後の入射ペア光子パルス列によって生じる出射パルスの干渉成分に影響を与えるため、光子挿入攻撃を関知することができる。
【００６６】
従って、正規利用者は従来棄却していたサテライトパルス成分を含む全ての光子到着を記録し、センターパルス成分の割合とそのビットエラーレートを評価することにより、センターパルス成分の抽出効率が改変されていないことを確認しながら、鍵配付プロトコルを実行することが可能である。
【００６７】
また、その抽出効率が正確に１／２になっていない場合は、鍵の一部を犠牲にすることによりセキュア秘密鍵を保証することが可能である。これにより、鍵のセキュリティ評価上、センターパルス成分の抽出効率は盗聴者によってアクセス不可能なロスとして評価可能になり、その結果インセキュアなアクセシブルロスを低減することができ、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能向上が可能になる。
【００６８】
以上説明した構成を備え、動作を行う本実施形態の特徴は、次の通りである。
【００６９】
本発明の量子暗号鍵配付システムによれば、現実的な光子光源を用いる量子暗号鍵配付システムにおいて、セキュア秘密鍵の抽出効率や生成可能距離などの量子暗号鍵配付システムの性能を、装置実装上の工夫により改善することができる。
【符号の説明】
【００７０】
２１ パルス光子源
２２ 非対称マッハツェンダー干渉系
２３ 位相変調器
２４ 乱数発生器
２５ 伝送路
２６ ペア光子パルス
２７ 非対称マッハツェンダー干渉系
２８ 位相変調器
２９ 乱数発生器
２Ａ センターパルス
２Ｂ サテライトパルス
２Ｃ 光子検出器
２Ｄ ゲート信号発生器
２Ｅ 時間記録装置
２Ｆ 出力ポート
２Ｇ 出力ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、
前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、
前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有することを特徴とする量子暗号鍵配付システム。
【請求項２】
伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムで行われる量子暗号鍵配付方法において、
前記送信装置では、パルス光子源が前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射し、
前記受信装置では、到着光子記録機構が全ての光子到着を記録することを特徴とする量子暗号鍵配付方法。
【請求項１】
伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムにおいて、
前記送信装置は、前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射するパルス光子源を備え、
前記受信装置は、全ての光子到着を記録する到着光子記録機構を有することを特徴とする量子暗号鍵配付システム。
【請求項２】
伝送路を介して接続され、光学遅延路の遅延時間が同じである第１および第２の非対称マッハツェンダー干渉系をそれぞれ備える送信装置および受信装置と、前記送信装置と受信装置とを有する量子暗号鍵配付システムで行われる量子暗号鍵配付方法において、
前記送信装置では、パルス光子源が前記遅延時間の２倍の繰り返し周期で光子パルスを生成して前記第１の非対称マッハツェンダー干渉系に入射し、
前記受信装置では、到着光子記録機構が全ての光子到着を記録することを特徴とする量子暗号鍵配付方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−７７９９５（Ｐ２０１１−７７９９５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２９５３９（Ｐ２００９−２２９５３９）
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【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）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「量子暗号の実用化のための研究開発（課題イ量子暗号ネットワーク技術の研究開発）」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２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【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）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「量子暗号の実用化のための研究開発（課題イ量子暗号ネットワーク技術の研究開発）」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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