量子通信システム
【課題】ビット誤りとは異なる方法で、なりすまし盗聴を判別する量子通信システムを提供する。
【解決手段】ゼロまたはπで位相変調された一定の時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満で、少なくとも２つ以上連続する光子数ゼロのパルスを含む光パルス列として送信する送信機３００と、光パルス列を受信し、長経路３１６および短経路３１７の光パルス列に分岐し、長経路３１６の光パルス列を一定の時間間隔Ｔだけ遅延させた後、分岐した光パルス列を合波する合波カップラ３１２を含む受信機３１０と、送信機３００と受信機３１０の間で光パルス列を伝送する伝送路３２０を備えた量子通信システムであって、合波カップラ３１２により合波された光パルス列は、光子数ゼロのパルスを少なくとも１つ以上含み、その存在により盗聴の有無を検出できる量子通信システム。
【解決手段】ゼロまたはπで位相変調された一定の時間間隔Ｔの光パルス列をパルス当り平均１光子未満で、少なくとも２つ以上連続する光子数ゼロのパルスを含む光パルス列として送信する送信機３００と、光パルス列を受信し、長経路３１６および短経路３１７の光パルス列に分岐し、長経路３１６の光パルス列を一定の時間間隔Ｔだけ遅延させた後、分岐した光パルス列を合波する合波カップラ３１２を含む受信機３１０と、送信機３００と受信機３１０の間で光パルス列を伝送する伝送路３２０を備えた量子通信システムであって、合波カップラ３１２により合波された光パルス列は、光子数ゼロのパルスを少なくとも１つ以上含み、その存在により盗聴の有無を検出できる量子通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子通信システムに関する。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検知して、盗聴を発見する量子通信システムに関する。
【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も分かる究極の暗号技術として知られている。
【０００４】
量子通信の分野では、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。
【０００５】
量子鍵配送システムには、各種方式が存在するが、本明細書では従来技術として、「差動位相シフト量子鍵配送システム」（非特許文献１参照）について説明する。
【０００６】
図１は、従来技術の「差動位相シフト量子鍵配送システム」の基本構成を示す。
【０００７】
送信機１００は、０またはπで任意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１２０を介して、受信機１１０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。
【０００８】
このような光パルス列から光子を検出する場合、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。
【０００９】
図１に示すように、送信機１００より送出された光パルス列は、伝送路１２０を介して受信機１１０に到達する。まず、受信機１１０は、光分岐手段１１１を使用して、送信機１００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１１５および短経路１１６に送出する。長経路１１５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１１５および短経路１１６を通った光パルス列は、２×２合波カップラ１１２にて再び合波する。２×２合波カップラ１１２は、２つの入力端子（長経路１１５および短経路１１６にそれぞれ接続されている）を備え、長経路１１５および短経路１１６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１１２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１（１１３）、および光子検出器２（１１４）に接続される。
【００１０】
上記長経路１１５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１００から伝送路１２０を介して受信機１１０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１１２では、前後のパルスが重なり合って合波される。
【００１１】
受信機１１０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１１０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。
【００１２】
２×２合波カップラ１１２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２（１１４）が光子を検出し、位相差πなら光子検出器１（１１３）が光子を検出する。
【００１３】
上記構成を用いて、送信機１００と受信機１１０は、以下の手順により秘密鍵を得る。
【００１４】
まず、受信機１１０は、上記構成により送信機１００より送出され、伝送路１２０を経たパルスから光子を検出する。この際、受信機１１０は、光子を検出した時刻と検出器を記録する。所定の数の光子が受信された後、受信機１１０は送信機１００に対して光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。
【００１５】
送信機１００は、通知された光子検出時刻と送信機自身の有する位相変調データとから、受信機１１０が光子検出器１（１１３）または光子検出器２（１１４）のいずれかで光子を検出したかを知ることができる。
【００１６】
そこで、光子検出器１（１１３）で光子を検出した場合をビット「０」、光子検出器２（１１４）で光子を検出した場合をビット「１」と予め取り決めておけば、送信機１００と受信機１１０は、双方で同じビット列を得ることができる。
【００１７】
上記手順においては、受信機１１０から送信機１００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１００の外部に出ることはなく、盗聴されることはない。
【００１８】
また、他の従来技術について説明すると、さらに高度な盗聴法である、なりすまし法と呼ばれる方法がある。
【００１９】
図２は、従来技術である、なりすまし盗聴の説明図である。
【００２０】
盗聴者は、伝送路２２０の途中で、送信機２００によって送出された伝送信号を本来の受信機２１０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２１０に光送信機２３１を用いて送信する。盗聴者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、受信機２１０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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２１０が検出した際、送信機２００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。つまり、孤立した連続する２つのパルスを受信機２１０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）。
【００２５】
図２を参照して説明すると、図２では、光分岐手段２１１にて分岐された光パルス列のうち、遅延されない光パルス列（受信機２１０内の光パルス列のうち、下に記載されている光パルス列）と遅延された光パルス列（受信機２１０内の光パルス列のうち、上に記載されている光パルス列）を時系列的（右側が時間的に先）に図示する。
【００２６】
図２において、両光パルス列が重なる時刻は３つ示されているが、そのうちの真ん中の時刻（第２の時刻と呼ぶ）で光子が検出された場合には、その検出結果は２つのパルスの位相差に従っており、送信機２００が意図した通りの検出器で光子が検出される。
【００２７】
ところが、２つの光パルス列が重なる時刻のうちの第２の時刻の前後である第１または第３の時刻で光子が検出される場合には、干渉する相手がいないため、一方のパルスの位相（０またはπ）にしたがって、光子検出器１または光子検出器２で光子が検出される。
【００２８】
したがって、受信機２１０が第１または第３の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信機２００が意図したものとは異なるものになる。
【００２９】
このように、なりすまし盗聴が行われると送信機２００および受信機２１０間でビットの不一致（ビット誤り）が生じる。そこで、送信機２００および受信機２１０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。
【００３０】
より具体的には、受信機２１０が第１または第３の時刻で光子検出する確率は１／２であり、そしてこの光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその１／２であることから、１／４の割合でビット不一致（ビット誤り）となる。ビット誤りがある場合、システムは正常に稼動していないと判断され、その秘密鍵は廃棄される。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。
【００３１】
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。
【００３２】
【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】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、ビット誤りとは異なる方法で、なりすまし盗聴を判別する量子通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
上記の課題を解決するため、本発明の量子通信システムは、送信機、および受信機を備える量子通信システムであって、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、光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、位相変調された光パルス列を、少なくとも２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、少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を送信する送信手段とを備え、受信機は、送信機の減衰手段より送出された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、第１の光パルス列を、一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列を合波し、合波後の光パルス列を生成する合波手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列の相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列の相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を受信する受信手段と、合波後の光パルス列のうち、送信手段を介して送信機から受信した時間位置に該当する時間スロットにおいて、光子が検出されたか否かを判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【００４２】
また、送信機、および受信機を備える量子通信システムにおける通信方法は、０またはπで位相変調された一定の時間間隔の光パルス列であって、少なくとも２つ以上連続する空パルスを含む、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ステップと、第１の光パルス列を一定の時間間隔と等しい時間遅延させた後、第２の光パルス列と合波し、合波後の光パルス列を生成するステップと、送信機から少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置の情報を受信するステップと、合波後の光パルス列の各時間スロットから光子を検出するステップと、受信した少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置では光子が検出されないことに基づいて、合波後の光パルス列の該当する時間スロットから光子を検出したか否かを判定するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、特定の時間スロットにおける光子検出の有無から、なりすまし盗聴の有無を発見することができる。従来技術のように、ビット誤り率から盗聴を発見する仕組みではないので、装置の不完全さによるビット誤りによって気付きにくい一部盗聴を防ぐ効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図３は、本発明の実施例に係る量子通信システムの構成図である。
【００４５】
図３において、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、減衰手段３０３、および制御部ＣＰＵ３０４を備える。
【００４６】
光源３０１は、位相変調器３０２に接続されている。また、位相変調器３０２は、減衰手段３０３に接続されている。すなわち、光源３０１と減衰手段３０３の間には、位相変調器３０２が存在する。
【００４７】
制御部ＣＰＵ３０４は、送信機３００全体の主制御を行うＣＰＵである。また、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、減衰手段３０３、および制御部ＣＰＵ３０４の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）の他、各種データを保管し、また一時ワークエリアとして利用するＲＡＭ等のメモリ（図示せず）も備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３０４は、送信機３００全体の主制御を行うことができる。
【００４８】
光源３０１は、一定の時間間隔Ｔで光パルス列を送出し、該光パルス列は位相変調器３０２に入力される。
【００４９】
位相変調器３０２は、光源３０１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３０３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。
【００５０】
減衰手段３０３は、例えば、ＮＤフィルタ（Neutral 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手段を用いても構わない。本発明では、パルス当り１光子未満の光パルス列を送信機３００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個未満という状態を実現することができる。
【００５１】
より詳細に説明すると、「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、２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の数よりも少ない状態のことを指す。
【００５２】
また、本明細書では、「空パルス」とは、光子数ゼロであるパルスのことを指す。光源３０１は、一定の時間間隔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３０３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。
【００５３】
その後、送信機３００は、減衰手段３０３を通った光パルス列を受信機３１０に対して送出する。
【００５４】
光子検出装置としての受信機３１０は、光分岐手段Ｃ１（３１１）、２×２合波カップラＣ２（３１２）、光子検出器１（３１３）、光子検出器２（３１４）、制御部ＣＰＵ３１５、長経路３１６、および短経路３１７を備える。
【００５５】
光分岐手段Ｃ１（３１１）は、長経路３１６および短経路３１７に接続される。
【００５６】
２×２合波カップラＣ２（３１２）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。該入力端子は長経路３１６および短経路３１７に接続されており、該出力端子は光子検出器１（３１３）および光子検出器２（３１４）に接続されている。
【００５７】
２×２合波カップラＣ２（３１２）は、一方の入力端子で長経路３１６からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路３１７からの光パルス列を受信する。その後、２×２合波カップラＣ２（３１２）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１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２に光子を出力する特性を有する。
【００５８】
受信機３１０については、制御部ＣＰＵ３１５が受信機３１０全体の主制御を行う。制御部ＣＰＵ３１５の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）や送信機３００の有するメモリと同様の機能を果たすメモリ（図示せず）を有する点も送信機３００と同様である。
【００５９】
受信機３１０へ入力された光は、光分岐手段Ｃ１（３１１）により長経路３１６および短経路３１７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３１６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合波カップラＣ２（３１２）で短経路３１７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。
【００６０】
以上の構成の下、送信機３００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の光パルス列を、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。
【００６１】
また、送信機３００は、光パルス列のコヒーレンス時間をパルス間隔Ｔより充分長くし、光パルス列の中に、任意の時間位置で、空パルスを２連続で混ぜておく。
【００６２】
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。
【００６３】
図３では、３番目と４番目のパルスが空パルスである例を示す。
【００６４】
受信機３１０は、光伝送路３２０を経て送信機３００より伝送されてきた光パルス列を、光分岐手段Ｃ１（３１１）にて受け取る。
【００６５】
光分岐手段Ｃ１（３１１）にて長経路３１６および短経路３１７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Ｃ２（３１２）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１（３１３）、または光子検出器２（３１４）にて検出される。
【００６６】
上記のような受信機３１０の回路を構成すると、受信機３１０の２×２合波カップラＣ２（３１２）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３００から送出された光パルス列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３１６を通った光パルス列は一定の遅延時間Ｔだけ遅延しているので、長経路３１６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３１７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。
【００６７】
上記２×２合波カップラＣ２（３１２）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２（３１４）が光子を検出し、πなら光子検出器１（３１３）が光子を検出する。
【００６８】
ただし、送信機３００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。
【００６９】
光子を検出した場合、制御部ＣＰＵ３１５は、受信機３１０が備えるメモリなど（図示せず）に、光子を検出した時刻（光子検出時刻）を格納する。
【００７０】
図４では、図３で説明した空パルスが２連続で送信される場合（３番目と４番目のパルスが空パルス）の受信パルスの重なり具合を示す。
【００７１】
図４では、斜線長方形（１、２、５、６）と空白長方形（３、４）のパルスが示されているが、斜線長方形（１、２、５、６）は、光子が存在し得るパルス（以後、信号パルスと呼ぶ）を表し、一方、空白長方形（３、４）は、空パルスを表す。
【００７２】
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（ｔ２、ｔ４）と、両方とも空パルスである場合（ｔ３）が生じる。
【００７３】
前者の場合（ｔ２、ｔ４）、干渉する相手がいないため、光子は、信号パルスの位相がπの場合には光子検出器１（３１３）で検出され、または信号パルスの位相が０の場合には光子検出器２（３１４）で検出される。一方、後者の場合（ｔ３）、光子は全く検出されない。
【００７４】
上記構成および動作特性を利用して、以下の手順により、送信機３００および受信機３１０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ＣＰＵ３０４および３１５が、送信機３００および受信機３１０をそれぞれ制御して行う。
（１）送信機３００は、受信機３１０に所定の長さの光パルス列を送信する。
（２）受信機３１０は、光子を検出した時間スロット（光子検出時刻）を送信機３００に通知する。
（３）送信機３００は、空パルスの時間位置（上記の例では、３番目と４番目のパルスの時間位置）を受信機３１０に通知する。
（４）送信機３００は、自身の位相変調データと受信機３１０から受信した光子検出時刻から、受信機３１０において光子検出器１または光子検出器２のいずれ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ｔ２およびｔ４）、上述したように信号パルス自身の位相にしたがって光子検出器１または光子検出器２のいずれかが光子を検出する。
（５）受信機３１０は、送信機３００から送信された空パルスの時間位置の情報に基づいて、光子を検出した事象が、信号パルス同士の干渉の結果によるものなのか、信号パルスと空パルスが重なった結果によるものなのかを判定する。より詳細に説明すると、受信機３１０の制御部ＣＰＵ３１５は、受信機３１０内のメモリ（図示せず）から判定用のプログラムを読み出し、該時間位置の情報と光子を検出した事象とから判定を行う。
（６）送信機３００と受信機３１０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１（３１３）によるものであればビット「０」を、光子検出器２（３１４）によるものであればビット「１」を付与する。この場合、光子を検出した検出器は確定しているので、送信機３００と受信機３１０は、同一のビット値を得ることになる。これを秘密鍵ビットとする。
【００７５】
なお、上記（２）（３）における送信機３００および受信機３１０は、それぞれ空パルスの時間位置および光子検出時刻を互いに通知するが、盗聴者の存在を考慮して、かかる通知を伝送路３２０とは異なる伝送路（図示せず）を介して行うことができる。
【００７６】
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。
【００７７】
なりすまし盗聴では、盗聴者は、通常、光伝送路３２０の途中で受信機３１０と同様の受信回路により光子を検出する（光子を検出する流れについては、上述の説明と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３１０が同じ検出結果となるようにダミー信号を送出し、受信機３１０が盗聴に気付かないようにする。
【００７８】
しかしながら、本実施例では、送信機３００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）である光パルス列である。この場合、盗聴者は平均１０回のスロットに１回しか光子を検出しない。
【００７９】
盗聴者は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機３１０が光子検出器１、または光子検出器２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１、または光子検出器２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。
【００８０】
より詳細に説明すると、２連続空パルス３、４が送信機３００から盗聴者２３０の受信回路に入ってくる。すると盗聴者２３０の受信回路では、信号パルス２と空パルス３が重なった時間スロット（図５の矢印Ａ）で光子を検出する場合がある。
【００８１】
しかし、盗聴者には、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、盗聴者２３０は、パルス２、３間の位相を測定したものとして、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３１０にパルス列を送信する。
【００８２】
時間位置２、３の２連続パルスが受信機３１０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Ｂ）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３００から送出された光パルス列の３番目と４番目が空パルスであった場合には、受信機３１０では３番目と４番目のパルスが重なりあう時間スロットでは光子は検出されない。
【００８３】
つまり、図５の例は、盗聴がない場合に光子が必ず検出されないと送信機側で分かっている時間スロットで光子が検出されたことを示す。
【００８４】
そこで、そのような光子検出があれば、本発明による量子通信システムは、なりすまし盗聴があったということを知る。
【００８５】
すなわち、本発明の量子通信システムは、送信機３００側から送出する光パルス列中のどの時間位置に空パルスを２連続で発生させておくかを制御することにより、受信機３１０側での合波後の光パルス列のうち、該空パルスを発生させた時間スロットで光子が検出されたか否かによって、盗聴の有無を判定することができる。
【００８６】
また、従来技術である「差動位相シフト量子鍵配送システム」との差異を明確にするために詳細に説明する。「差動位相シフト量子鍵配送システム」で通常送信するのは、「平均光子数が約０．１／パルスのコヒーレント光パルス列」である。例えば、１番から１０番までの時間スロットを考えた場合、光子数を測定する前にはどの時間スロットにも光子が「存在する可能性」があるが、光子数を測定すると、どれか１個のスロットにおいてのみ光子が検出され、他のスロットは単に空と観測される。受信機側から考えた場合、本発明と従来技術の「差動位相シフト量子鍵配送システム」は同じように見えるが、逆に、送信機側から考えた場合には、「空パルス」はその時間スロットでは光子が検出されるはずはないと送信機側では分かっており、その時間スロットで光子が検出されたか否かの情報を盗聴の発見に役立てるという点で従来技術とは異なる。
【００８７】
これにより、本発明の課題であるビット誤りに頼ることなく、なりすまし盗聴を発見することができるようになる。
【００８８】
上記実施例の説明にあたり、説明の便宜上、空パルスを３番目と４番目で２連続する場合について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることはない。
【００８９】
すなわち、本発明の量子通信システムが盗聴を検出するためには、受信機３１０の２×２合波カップラＣ２（３１２）で合波された際に、合波後の光パルス列のうち光子が検出されることのない時間スロット（図４の例では、３番目と４番目のパルスが重なりあう時間スロット）ができており、該時間スロットは送信機側が空パルスを発生させた時間位置に合致していればよい。
【００９０】
そのため、例えば、３連続の空パルスであってもよいし、それ以上連続する空パルスであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】従来技術である差動位相シフト量子鍵配送システムの構成を示す図である。
【図２】従来技術であるなりすまし盗聴法を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る量子通信システムの構成を示す図である。
【図４】図３の受信機におけるパルスの重なり方を示す図である。上は、長経路を通ったパルス列を示し、下は、短経路を通ったパルス列を示す。
【図５】本発明におけるなりすまし盗聴発見のメカニズムの説明する図である。
【符号の説明】
【００９２】
１００、２００、３００ 送信機
１１０、２１０、３１０ 受信機
１１１、２１１、３１１ 光分岐手段
１１２、３１２ ２×２合波カップラ
１１３、３１３ 光子検出器１
１１４、３１４ 光子検出器２
１１５、３１６ 長経路
１１６、３１７ 短経路
１２０、２２０、３２０ 伝送路
２３０ 盗聴者
２３１ 光送信機
３０１ 光源
３０２ 位相変調器
３０３ 減衰手段
３０４、３１５ 制御部ＣＰＵ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子通信システムに関する。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検知して、盗聴を発見する量子通信システムに関する。
【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も分かる究極の暗号技術として知られている。
【０００４】
量子通信の分野では、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。
【０００５】
量子鍵配送システムには、各種方式が存在するが、本明細書では従来技術として、「差動位相シフト量子鍵配送システム」（非特許文献１参照）について説明する。
【０００６】
図１は、従来技術の「差動位相シフト量子鍵配送システム」の基本構成を示す。
【０００７】
送信機１００は、０またはπで任意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１２０を介して、受信機１１０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。
【０００８】
このような光パルス列から光子を検出する場合、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。
【０００９】
図１に示すように、送信機１００より送出された光パルス列は、伝送路１２０を介して受信機１１０に到達する。まず、受信機１１０は、光分岐手段１１１を使用して、送信機１００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１１５および短経路１１６に送出する。長経路１１５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１１５および短経路１１６を通った光パルス列は、２×２合波カップラ１１２にて再び合波する。２×２合波カップラ１１２は、２つの入力端子（長経路１１５および短経路１１６にそれぞれ接続されている）を備え、長経路１１５および短経路１１６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１１２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１（１１３）、および光子検出器２（１１４）に接続される。
【００１０】
上記長経路１１５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１００から伝送路１２０を介して受信機１１０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１１２では、前後のパルスが重なり合って合波される。
【００１１】
受信機１１０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１１０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。
【００１２】
２×２合波カップラ１１２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２（１１４）が光子を検出し、位相差πなら光子検出器１（１１３）が光子を検出する。
【００１３】
上記構成を用いて、送信機１００と受信機１１０は、以下の手順により秘密鍵を得る。
【００１４】
まず、受信機１１０は、上記構成により送信機１００より送出され、伝送路１２０を経たパルスから光子を検出する。この際、受信機１１０は、光子を検出した時刻と検出器を記録する。所定の数の光子が受信された後、受信機１１０は送信機１００に対して光子が検出された時刻（光子検出時刻）を通知する。
【００１５】
送信機１００は、通知された光子検出時刻と送信機自身の有する位相変調データとから、受信機１１０が光子検出器１（１１３）または光子検出器２（１１４）のいずれかで光子を検出したかを知ることができる。
【００１６】
そこで、光子検出器１（１１３）で光子を検出した場合をビット「０」、光子検出器２（１１４）で光子を検出した場合をビット「１」と予め取り決めておけば、送信機１００と受信機１１０は、双方で同じビット列を得ることができる。
【００１７】
上記手順においては、受信機１１０から送信機１００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１００の外部に出ることはなく、盗聴されることはない。
【００１８】
また、他の従来技術について説明すると、さらに高度な盗聴法である、なりすまし法と呼ばれる方法がある。
【００１９】
図２は、従来技術である、なりすまし盗聴の説明図である。
【００２０】
盗聴者は、伝送路２２０の途中で、送信機２００によって送出された伝送信号を本来の受信機２１０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２１０に光送信機２３１を用いて送信する。盗聴者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、受信機２１０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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２１０が検出した際、送信機２００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。つまり、孤立した連続する２つのパルスを受信機２１０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）。
【００２５】
図２を参照して説明すると、図２では、光分岐手段２１１にて分岐された光パルス列のうち、遅延されない光パルス列（受信機２１０内の光パルス列のうち、下に記載されている光パルス列）と遅延された光パルス列（受信機２１０内の光パルス列のうち、上に記載されている光パルス列）を時系列的（右側が時間的に先）に図示する。
【００２６】
図２において、両光パルス列が重なる時刻は３つ示されているが、そのうちの真ん中の時刻（第２の時刻と呼ぶ）で光子が検出された場合には、その検出結果は２つのパルスの位相差に従っており、送信機２００が意図した通りの検出器で光子が検出される。
【００２７】
ところが、２つの光パルス列が重なる時刻のうちの第２の時刻の前後である第１または第３の時刻で光子が検出される場合には、干渉する相手がいないため、一方のパルスの位相（０またはπ）にしたがって、光子検出器１または光子検出器２で光子が検出される。
【００２８】
したがって、受信機２１０が第１または第３の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信機２００が意図したものとは異なるものになる。
【００２９】
このように、なりすまし盗聴が行われると送信機２００および受信機２１０間でビットの不一致（ビット誤り）が生じる。そこで、送信機２００および受信機２１０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。
【００３０】
より具体的には、受信機２１０が第１または第３の時刻で光子検出する確率は１／２であり、そしてこの光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその１／２であることから、１／４の割合でビット不一致（ビット誤り）となる。ビット誤りがある場合、システムは正常に稼動していないと判断され、その秘密鍵は廃棄される。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。
【００３１】
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。
【００３２】
【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】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、ビット誤りとは異なる方法で、なりすまし盗聴を判別する量子通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
上記の課題を解決するため、本発明の量子通信システムは、送信機、および受信機を備える量子通信システムであって、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、光パルス列を０またはπで位相変調する位相変調器と、位相変調された光パルス列を、少なくとも２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、少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を送信する送信手段とを備え、受信機は、送信機の減衰手段より送出された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、第１の光パルス列を、一定の時間間隔と等しい時間遅延させる遅延手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列を合波し、合波後の光パルス列を生成する合波手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列の相対的位相差が０である場合に光子を検出する第１の光子検出手段と、遅延させられた第１の光パルス列と第２の光パルス列の相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を受信する受信手段と、合波後の光パルス列のうち、送信手段を介して送信機から受信した時間位置に該当する時間スロットにおいて、光子が検出されたか否かを判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【００４２】
また、送信機、および受信機を備える量子通信システムにおける通信方法は、０またはπで位相変調された一定の時間間隔の光パルス列であって、少なくとも２つ以上連続する空パルスを含む、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ステップと、第１の光パルス列を一定の時間間隔と等しい時間遅延させた後、第２の光パルス列と合波し、合波後の光パルス列を生成するステップと、送信機から少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置の情報を受信するステップと、合波後の光パルス列の各時間スロットから光子を検出するステップと、受信した少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置では光子が検出されないことに基づいて、合波後の光パルス列の該当する時間スロットから光子を検出したか否かを判定するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、特定の時間スロットにおける光子検出の有無から、なりすまし盗聴の有無を発見することができる。従来技術のように、ビット誤り率から盗聴を発見する仕組みではないので、装置の不完全さによるビット誤りによって気付きにくい一部盗聴を防ぐ効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図３は、本発明の実施例に係る量子通信システムの構成図である。
【００４５】
図３において、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、減衰手段３０３、および制御部ＣＰＵ３０４を備える。
【００４６】
光源３０１は、位相変調器３０２に接続されている。また、位相変調器３０２は、減衰手段３０３に接続されている。すなわち、光源３０１と減衰手段３０３の間には、位相変調器３０２が存在する。
【００４７】
制御部ＣＰＵ３０４は、送信機３００全体の主制御を行うＣＰＵである。また、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、減衰手段３０３、および制御部ＣＰＵ３０４の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）の他、各種データを保管し、また一時ワークエリアとして利用するＲＡＭ等のメモリ（図示せず）も備える。このような構成により、制御部ＣＰＵ３０４は、送信機３００全体の主制御を行うことができる。
【００４８】
光源３０１は、一定の時間間隔Ｔで光パルス列を送出し、該光パルス列は位相変調器３０２に入力される。
【００４９】
位相変調器３０２は、光源３０１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３０３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。
【００５０】
減衰手段３０３は、例えば、ＮＤフィルタ（Neutral 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手段を用いても構わない。本発明では、パルス当り１光子未満の光パルス列を送信機３００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個未満という状態を実現することができる。
【００５１】
より詳細に説明すると、「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、２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の数よりも少ない状態のことを指す。
【００５２】
また、本明細書では、「空パルス」とは、光子数ゼロであるパルスのことを指す。光源３０１は、一定の時間間隔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３０３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。
【００５３】
その後、送信機３００は、減衰手段３０３を通った光パルス列を受信機３１０に対して送出する。
【００５４】
光子検出装置としての受信機３１０は、光分岐手段Ｃ１（３１１）、２×２合波カップラＣ２（３１２）、光子検出器１（３１３）、光子検出器２（３１４）、制御部ＣＰＵ３１５、長経路３１６、および短経路３１７を備える。
【００５５】
光分岐手段Ｃ１（３１１）は、長経路３１６および短経路３１７に接続される。
【００５６】
２×２合波カップラＣ２（３１２）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。該入力端子は長経路３１６および短経路３１７に接続されており、該出力端子は光子検出器１（３１３）および光子検出器２（３１４）に接続されている。
【００５７】
２×２合波カップラＣ２（３１２）は、一方の入力端子で長経路３１６からの光パルス列を受信し、他方の入力端子で短経路３１７からの光パルス列を受信する。その後、２×２合波カップラＣ２（３１２）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１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２に光子を出力する特性を有する。
【００５８】
受信機３１０については、制御部ＣＰＵ３１５が受信機３１０全体の主制御を行う。制御部ＣＰＵ３１５の制御プログラム等を格納したＲＯＭ（図示せず）や送信機３００の有するメモリと同様の機能を果たすメモリ（図示せず）を有する点も送信機３００と同様である。
【００５９】
受信機３１０へ入力された光は、光分岐手段Ｃ１（３１１）により長経路３１６および短経路３１７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３１６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合波カップラＣ２（３１２）で短経路３１７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。
【００６０】
以上の構成の下、送信機３００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の光パルス列を、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。
【００６１】
また、送信機３００は、光パルス列のコヒーレンス時間をパルス間隔Ｔより充分長くし、光パルス列の中に、任意の時間位置で、空パルスを２連続で混ぜておく。
【００６２】
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。
【００６３】
図３では、３番目と４番目のパルスが空パルスである例を示す。
【００６４】
受信機３１０は、光伝送路３２０を経て送信機３００より伝送されてきた光パルス列を、光分岐手段Ｃ１（３１１）にて受け取る。
【００６５】
光分岐手段Ｃ１（３１１）にて長経路３１６および短経路３１７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Ｃ２（３１２）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１（３１３）、または光子検出器２（３１４）にて検出される。
【００６６】
上記のような受信機３１０の回路を構成すると、受信機３１０の２×２合波カップラＣ２（３１２）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３００から送出された光パルス列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３１６を通った光パルス列は一定の遅延時間Ｔだけ遅延しているので、長経路３１６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３１７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。
【００６７】
上記２×２合波カップラＣ２（３１２）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２（３１４）が光子を検出し、πなら光子検出器１（３１３）が光子を検出する。
【００６８】
ただし、送信機３００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。
【００６９】
光子を検出した場合、制御部ＣＰＵ３１５は、受信機３１０が備えるメモリなど（図示せず）に、光子を検出した時刻（光子検出時刻）を格納する。
【００７０】
図４では、図３で説明した空パルスが２連続で送信される場合（３番目と４番目のパルスが空パルス）の受信パルスの重なり具合を示す。
【００７１】
図４では、斜線長方形（１、２、５、６）と空白長方形（３、４）のパルスが示されているが、斜線長方形（１、２、５、６）は、光子が存在し得るパルス（以後、信号パルスと呼ぶ）を表し、一方、空白長方形（３、４）は、空パルスを表す。
【００７２】
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（ｔ２、ｔ４）と、両方とも空パルスである場合（ｔ３）が生じる。
【００７３】
前者の場合（ｔ２、ｔ４）、干渉する相手がいないため、光子は、信号パルスの位相がπの場合には光子検出器１（３１３）で検出され、または信号パルスの位相が０の場合には光子検出器２（３１４）で検出される。一方、後者の場合（ｔ３）、光子は全く検出されない。
【００７４】
上記構成および動作特性を利用して、以下の手順により、送信機３００および受信機３１０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ＣＰＵ３０４および３１５が、送信機３００および受信機３１０をそれぞれ制御して行う。
（１）送信機３００は、受信機３１０に所定の長さの光パルス列を送信する。
（２）受信機３１０は、光子を検出した時間スロット（光子検出時刻）を送信機３００に通知する。
（３）送信機３００は、空パルスの時間位置（上記の例では、３番目と４番目のパルスの時間位置）を受信機３１０に通知する。
（４）送信機３００は、自身の位相変調データと受信機３１０から受信した光子検出時刻から、受信機３１０において光子検出器１または光子検出器２のいずれ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ｔ２およびｔ４）、上述したように信号パルス自身の位相にしたがって光子検出器１または光子検出器２のいずれかが光子を検出する。
（５）受信機３１０は、送信機３００から送信された空パルスの時間位置の情報に基づいて、光子を検出した事象が、信号パルス同士の干渉の結果によるものなのか、信号パルスと空パルスが重なった結果によるものなのかを判定する。より詳細に説明すると、受信機３１０の制御部ＣＰＵ３１５は、受信機３１０内のメモリ（図示せず）から判定用のプログラムを読み出し、該時間位置の情報と光子を検出した事象とから判定を行う。
（６）送信機３００と受信機３１０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１（３１３）によるものであればビット「０」を、光子検出器２（３１４）によるものであればビット「１」を付与する。この場合、光子を検出した検出器は確定しているので、送信機３００と受信機３１０は、同一のビット値を得ることになる。これを秘密鍵ビットとする。
【００７５】
なお、上記（２）（３）における送信機３００および受信機３１０は、それぞれ空パルスの時間位置および光子検出時刻を互いに通知するが、盗聴者の存在を考慮して、かかる通知を伝送路３２０とは異なる伝送路（図示せず）を介して行うことができる。
【００７６】
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。
【００７７】
なりすまし盗聴では、盗聴者は、通常、光伝送路３２０の途中で受信機３１０と同様の受信回路により光子を検出する（光子を検出する流れについては、上述の説明と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３１０が同じ検出結果となるようにダミー信号を送出し、受信機３１０が盗聴に気付かないようにする。
【００７８】
しかしながら、本実施例では、送信機３００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）である光パルス列である。この場合、盗聴者は平均１０回のスロットに１回しか光子を検出しない。
【００７９】
盗聴者は、光子を検出したスロットについては、正規の受信機３１０が光子検出器１、または光子検出器２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１、または光子検出器２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。
【００８０】
より詳細に説明すると、２連続空パルス３、４が送信機３００から盗聴者２３０の受信回路に入ってくる。すると盗聴者２３０の受信回路では、信号パルス２と空パルス３が重なった時間スロット（図５の矢印Ａ）で光子を検出する場合がある。
【００８１】
しかし、盗聴者には、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、盗聴者２３０は、パルス２、３間の位相を測定したものとして、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３１０にパルス列を送信する。
【００８２】
時間位置２、３の２連続パルスが受信機３１０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Ｂ）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３００から送出された光パルス列の３番目と４番目が空パルスであった場合には、受信機３１０では３番目と４番目のパルスが重なりあう時間スロットでは光子は検出されない。
【００８３】
つまり、図５の例は、盗聴がない場合に光子が必ず検出されないと送信機側で分かっている時間スロットで光子が検出されたことを示す。
【００８４】
そこで、そのような光子検出があれば、本発明による量子通信システムは、なりすまし盗聴があったということを知る。
【００８５】
すなわち、本発明の量子通信システムは、送信機３００側から送出する光パルス列中のどの時間位置に空パルスを２連続で発生させておくかを制御することにより、受信機３１０側での合波後の光パルス列のうち、該空パルスを発生させた時間スロットで光子が検出されたか否かによって、盗聴の有無を判定することができる。
【００８６】
また、従来技術である「差動位相シフト量子鍵配送システム」との差異を明確にするために詳細に説明する。「差動位相シフト量子鍵配送システム」で通常送信するのは、「平均光子数が約０．１／パルスのコヒーレント光パルス列」である。例えば、１番から１０番までの時間スロットを考えた場合、光子数を測定する前にはどの時間スロットにも光子が「存在する可能性」があるが、光子数を測定すると、どれか１個のスロットにおいてのみ光子が検出され、他のスロットは単に空と観測される。受信機側から考えた場合、本発明と従来技術の「差動位相シフト量子鍵配送システム」は同じように見えるが、逆に、送信機側から考えた場合には、「空パルス」はその時間スロットでは光子が検出されるはずはないと送信機側では分かっており、その時間スロットで光子が検出されたか否かの情報を盗聴の発見に役立てるという点で従来技術とは異なる。
【００８７】
これにより、本発明の課題であるビット誤りに頼ることなく、なりすまし盗聴を発見することができるようになる。
【００８８】
上記実施例の説明にあたり、説明の便宜上、空パルスを３番目と４番目で２連続する場合について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることはない。
【００８９】
すなわち、本発明の量子通信システムが盗聴を検出するためには、受信機３１０の２×２合波カップラＣ２（３１２）で合波された際に、合波後の光パルス列のうち光子が検出されることのない時間スロット（図４の例では、３番目と４番目のパルスが重なりあう時間スロット）ができており、該時間スロットは送信機側が空パルスを発生させた時間位置に合致していればよい。
【００９０】
そのため、例えば、３連続の空パルスであってもよいし、それ以上連続する空パルスであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】従来技術である差動位相シフト量子鍵配送システムの構成を示す図である。
【図２】従来技術であるなりすまし盗聴法を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る量子通信システムの構成を示す図である。
【図４】図３の受信機におけるパルスの重なり方を示す図である。上は、長経路を通ったパルス列を示し、下は、短経路を通ったパルス列を示す。
【図５】本発明におけるなりすまし盗聴発見のメカニズムの説明する図である。
【符号の説明】
【００９２】
１００、２００、３００ 送信機
１１０、２１０、３１０ 受信機
１１１、２１１、３１１ 光分岐手段
１１２、３１２ ２×２合波カップラ
１１３、３１３ 光子検出器１
１１４、３１４ 光子検出器２
１１５、３１６ 長経路
１１６、３１７ 短経路
１２０、２２０、３２０ 伝送路
２３０ 盗聴者
２３１ 光送信機
３０１ 光源
３０２ 位相変調器
３０３ 減衰手段
３０４、３１５ 制御部ＣＰＵ
【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、
位相変調された光パルス列を、少なくとも２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２つ以上連続する時間位置の情報を送信する送信手段と
を備え、
前記受信機は、
前記送信機の前記減衰手段より前記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前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を合波し、合波後の光パルス列を生成する合波手段と、
前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列の相対的位相差が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前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列の相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、
前記少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を受信する受信手段と、
前記合波後の光パルス列のうち、前記送信手段を介して前記送信機から受信した前記時間位置に該当する時間スロットにおいて、光子が検出されたか否かを判定する判定手段と
を備えたことを特徴とする量子通信システム。
【請求項２】
送信機、および受信機を備える量子通信システムにおける通信方法であって、
０またはπで位相変調された一定の時間間隔の光パルス列であって、少なくとも２つ以上連続する空パルスを含む、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ステップと、
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た後、前記第２の光パルス列と合波し、合波後の光パルス列を生成するステップと、
前記送信機から少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置の情報を受信するステップと、
前記合波後の光パルス列の各時間スロットから光子を検出するステップと、
前記受信した前記少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置では光子が検出されないことに基づいて、前記合波後の光パルス列の該当する時間スロットから光子を検出したか否かを判定するステップと
を備えたことを特徴とする通信方法。
【請求項１】
送信機、および受信機を備える量子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、
位相変調された光パルス列を、少なくとも２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２つ以上連続する時間位置の情報を送信する送信手段と
を備え、
前記受信機は、
前記送信機の前記減衰手段より前記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前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列を合波し、合波後の光パルス列を生成する合波手段と、
前記遅延させられた前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列の相対的位相差が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前記第１の光パルス列と前記第２の光パルス列の相対的位相差がπである場合に光子を検出する第２の光子検出手段と、
前記少なくとも２つ以上連続する時間位置の情報を受信する受信手段と、
前記合波後の光パルス列のうち、前記送信手段を介して前記送信機から受信した前記時間位置に該当する時間スロットにおいて、光子が検出されたか否かを判定する判定手段と
を備えたことを特徴とする量子通信システム。
【請求項２】
送信機、および受信機を備える量子通信システムにおける通信方法であって、
０またはπで位相変調された一定の時間間隔の光パルス列であって、少なくとも２つ以上連続する空パルスを含む、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ステップと、
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た後、前記第２の光パルス列と合波し、合波後の光パルス列を生成するステップと、
前記送信機から少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置の情報を受信するステップと、
前記合波後の光パルス列の各時間スロットから光子を検出するステップと、
前記受信した前記少なくとも２つ以上連続する空パルスの時間位置では光子が検出されないことに基づいて、前記合波後の光パルス列の該当する時間スロットから光子を検出したか否かを判定するステップと
を備えたことを特徴とする通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−８５４８４（Ｐ２００８−８５４８４Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６１０８６（Ｐ２００６−２６１０８６）
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【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４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【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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