説明

量子鍵配布システムと送信装置、量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法

【課題】 ランダムに光子が発生するCWの伝令型量子鍵配付システムにおいて、伝令信号と量子信号が時間的に重なってしまうことによるクロストーク雑音を低減する。
【解決手段】 エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、送信装置は、エンタングル光子対を発生する光子対発生源と、エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、光検出器が検出することにより伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、伝令信号発生手段により発生した伝令信号と、遅延調整器により遅延した量子信号とを波長多重して伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、遅延調整器における遅延時間が、伝送路内での量子信号に対する伝令信号の遅れを、光子検出器のデッドタイム以下とするものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は量子鍵配付システムにおける同期方法に関し、特にエンタングル光子対を用いた量子鍵配付における低雑音な同期方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、盗聴行為に対する絶対安全性を持つ暗号化通信を実現する方法として非特許文献1に開示されるような量子鍵配付(Quantum Key Distribution: QKD)が盛んに研究され、実用化開発が進んでいる。
【0003】
QKDの実装方法の1つとして、非特許文献2に開示されるようなエンタングル光子対を用いた方法が提案されている。
【0004】
エンタングル光子対とは、量子力学的な相関を持った1組の光子であり、特定の非線形光学結晶内で1つの光子が2つに分裂することによって生成される。
【0005】
エンタングル光子対を2者に1つずつ分配し、両者で独立に測定する。エンタングル光子対が持つ量子相関によって両者の測定結果には相関が現れる。これを利用して両者は暗号鍵を共有することができる。エンタングル光子対を利用した方法ではQKDの長距離化や安全性の保証が容易になることなどの利点がある。
【0006】
前述のように、エンタングル光子対は、1つの光子が分割されて2つの光子が生成されることによって得ることができる。したがって、この2つの光子の発生時刻は必ず同時刻であるため、2人の受信者がそれぞれの光子を観測する場合、一方の受信者(Alice)の光子検出時刻からもう一方の受信者(Bob)に光子が到着する時刻を知ることができる。伝送路の長さは短い時間スケールではほぼ一定と考えられるため、Aliceの検出時刻とBobの検出時刻との差は常にほぼ一定の値となるからである。
【0007】
このことを利用して、Aliceが光子対の発信源に近い地点で先に光子検出を行い、光子を検出した際にはBobにそれを知らせるための信号(伝令信号)を送信する「伝令型」と呼ばれる方法がある。これによるとBobはAliceからの伝令信号をもとに光子の到着時刻を知ることができ、光子が到着する瞬間のみ光子検出器をONにすること(ゲート動作)によって雑音を大幅に減らすことができる。
【0008】
図2に、伝令型システムの一例を示し、以下にその動作について説明する。
【0009】
Aliceが利用する送信装置では、ポンプ光源201から発生したレーザー光は内部に非線形結晶を含む光子対発生源202に入射し、1つの光子が2つに分割されてエンタングル光子対となる。エンタングル光子対の一方は、光子対発生源202に近い場所に設置されている単一光子検出器203により検出され、その結果をもとに伝令用レーザー光源204から伝令信号205が光パルスとして出力される。この伝令信号205と、エンタングル光子対の他方となるエンタングル光子(量子信号206)とをWDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)フィルタ207によって波長多重したのちファイバ伝送路208へと送出する。
【0010】
Bobが利用する受信装置では受け取った光信号を再びWDMフィルタ209で伝令信号210と量子信号211に分離する。伝令信号210は通常の光検出器212によって検出され、その検出信号は遅延調整回路213で適切なタイミングに調整されたのち、Bobの光子検出器214をONにするための信号(ゲート信号)として利用される。一方、量子信号211はファイバ遅延線215によって固定時間の遅延を受けたのちに光子検出器214へと入射する。これは量子信号が直接光子検出器に向かってしまうと、通常はゲート信号よりも先に量子信号が検出器に到着してしまうからである。
【0011】
以上のような伝令型システムによって量子信号が到着する瞬間のみ光子検出器214をONにすることができ、雑音を大幅に低減することが可能となる。
【非特許文献1】ベネット(Bennett)、ブラサール(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】エカート(Ekert)著 Physical Review Letters 67, 661−663 (1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
図2に示したような伝令型システムにおける問題点は、伝令信号は量子信号に比べて非常に大きな強度を持つため、WDMフィルタを利用した場合でも波長分離の不完全性から伝令信号が量子信号側に漏れこみ、クロストーク雑音が発生してしまうことである。この問題は光源が周期的なクロックに従ったパルス光源の場合には光子が発生していない時間帯に伝令信号を送信する時分割多重(TDM)によって解決することができる。しかし光源が連続発振光(CW)の場合には光子の発生時刻はランダムになるため、ある光子対から生成された伝令信号と別の光子対の量子信号とがある確率で重なってしまうことが避けられなかった。
【0013】
本発明の目的は、ランダムに光子が発生するCWの伝令型量子鍵配付システムにおいて、伝令信号と量子信号が時間的に重なってしまうことによるクロストーク雑音を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明の量子鍵配付システムは、伝送路により結ばれた送信装置と受信装置とを備え、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、
前記送信装置は、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする。
【0015】
本発明の送信装置は、伝送路により結ばれた受信装置とともに、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置であって、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする。
【0016】
本発明の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法は、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置で行われ、伝送路により結ばれた受信装置に対して伝送信号を送出する際の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法であって、
光子対発生源が、ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生し、
光検出器が、前記エンタングル光子対の一方を検出し、
伝令用レーザー光源が、前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生し、
遅延調整器が、前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させ、
波長多重フィルタが、前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出し、
前記遅延調整器は、前記遅延時間により、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
光子検出器は一度光子を検出した後再び光子検出できるようになるまでにタイムラグを持ち、これを光子検出器のデッドタイムと呼ぶ。Si製の光子検出器の場合、典型的なデッドタイムは50ns程度である。本発明では量子信号に対する伝令信号の遅れがAliceの光子検出器のデッドタイム以下となるよう、Alice内部の量子信号の経路に適切な遅延調整器(光ファイバによる遅延線など)を設ける。
【0018】
本発明によれば、Aliceの光子検出器のデッドタイムにより量子信号の直後(典型的には約50ns以内)には新たな量子信号が発生しない(正確には、発生している可能性はあるが、これと対になる光子はデッドタイムにより検出できないためもともとQKDに用いることができない)ことを利用することで、伝令信号と量子信号とが時間的に重ならないようにしている。これにより大きな強度を持つ伝令信号からのクロストーク雑音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明による一実施形態の構成を示す図である。
【図2】従来技術の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、本発明による一実施形態の構成を示すブロック図である。
【0022】
Aliceが利用する送信装置は、ポンプ光源101、光子対発生源102、単一光子検出器103、伝令用レーザー光源104、遅延調整器116、および、WDMフィルタ107より構成されている。
【0023】
Bobが利用する受信装置は、WDMフィルタ109、光検出器112、遅延調整回路113、光子検出器114、および、ファイバ遅延線115より構成されている。送信装置と受信装置間はファイバ伝送路108により結ばれている。
【0024】
ポンプ光源101から発生したレーザー光は内部に非線形結晶を含む光子対発生源102に入射し、1つの光子が2つに分割されてエンタングル光子対となる。エンタングル光子対の一方は光子対発生源102に近い場所に設置されている単一光子検出器103により検出され、その結果をもとに伝令用レーザー光源104から伝令信号105が光パルスとして出力される。
【0025】
エンタングル光子対の他方となるエンタングル光子(量子信号106)は、光ファイバなどによる遅延調整器116を通った後、WDMフィルタ(波長多重フィルタ)107によって伝令信号105と波長多重され、ファイバ伝送路108へと送出される。このときファイバ伝送路108内で量子信号に対して伝令信号がAliceの光子検出器103のデッドタイム以下の遅れとなるように、遅延調整器116を調節する。Si製光子検出器の場合の典型的なデッドタイムは50ns程度であるため、両信号間の時間差は約20nsが妥当である。
【0026】
Bobでは受け取った光信号を再びWDMフィルタ(波長分離フィルタ)109で伝令信号110と量子信号111に分離する。伝令信号110は通常の光検出器112によって検出され、その検出信号は遅延調整回路113で適切なタイミングに調整されたのち、Bobの光子検出器114をONにするための信号(ゲート信号)として利用される。一方、量子信号111はファイバ遅延線115によって固定時間の遅延を受けたのちに光子検出器114へと入射する。これは量子信号が直接光子検出器に向かってしまうと、通常はゲート信号よりも先に量子信号が検出器に到着してしまうからである。
【0027】
本発明のようにAlice内部の遅延調整器116を用いて量子信号に対する伝令信号の遅れを光子検出器103のデッドタイム以下に調整することにより、伝令信号と重なるような量子信号が発生していたとしてもそれと対になる光子は光子検出器103のデッドタイムにより検出されないようにしているため、QKDに利用する光子対に限っては伝令信号からの漏れ込みを防ぐことができる。
【符号の説明】
【0028】
101 ポンプ光源
102 光子対発生源
103 単一光子検出器
104 伝令用レーザー光源
105 伝令信号
106 量子信号
107 WDMフィルタ
108 ファイバ伝送路
109 WDMフィルタ
110 伝令信号
111 量子信号
112 光検出器
113 遅延調整回路
114 光子検出器
115 ファイバ遅延線
116 遅延調整器

【特許請求の範囲】
【請求項1】
伝送路により結ばれた送信装置と受信装置とを備え、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムであって、
前記送信装置は、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする量子鍵配付システム。
【請求項2】
伝送路により結ばれた受信装置とともに、エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置であって、
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生する光子対発生源と、
前記エンタングル光子対の一方を検出する光検出器と、
前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生する伝令用レーザー光源と、
前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させる遅延調整器と、
前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出する波長多重フィルタと、を備え、
前記遅延調整器における遅延時間が、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とするものであることを特徴とする送信装置。
【請求項3】
エンタングル光子対の一方をエンタングル光子対の他方の到着を知らせる伝令信号として用いる量子鍵配布システムを構成する送信装置で行われ、伝送路により結ばれた受信装置に対して伝送信号を送出する際の量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法であって、
光子対発生源が、ポンプ光源が発生したポンプ光が入射されたときにエンタングル光子対を発生し、
光検出器が、前記エンタングル光子対の一方を検出し、
伝令用レーザー光源が、前記光検出器が前記エンタングル光子対の一方を検出することにより前記伝令信号を発生し、
遅延調整器が、前記エンタングル光子対の他方である量子信号を遅延させ、
波長多重フィルタが、前記伝令信号発生手段により発生した前記伝令信号と、前記遅延調整器により遅延した前記量子信号とを波長多重して前記伝送路へ送出し、
前記遅延調整器は、前記遅延時間により、前記伝送路内での前記量子信号に対する前記伝令信号の遅れを、前記光子検出器のデッドタイム以下とすることを特徴とする量子鍵配布システムにおける伝送信号生成方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2012−182715(P2012−182715A)
【公開日】平成24年9月20日(2012.9.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−44971(P2011−44971)
【出願日】平成23年3月2日(2011.3.2)
【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22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)」、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)】