(57)【要約】【課題】ホモダイン検波を用いずに秘密鍵を供給するための量子暗号通信装置を提供すること。【解決手段】送信機３１０は±δ又はπ/2±δ でランダムに位相変調した一定間隔の光パルス列を送出する。受信機３２０は、光分岐手段３２１と、分岐した一方の伝播位相を変調する変調手段３２２と、２×２光カップラー３２３と、光検出器３２４及び３２５とを備える。受信機３２０へ入力された光は、光分岐手段３２１により２分岐され、一方に遅延時間を与えられた後、光カップラー３２３により再び合波される。ここで、遅延時間は入力されたパルス列のパルス間隔に等しい。また、２分岐された一方の経路上には位相を変調する変調手段３２２が設けられ、これにより伝播光の位相が0またはπ/2で変調される。光カップラー３２３の出力端子にはそれぞれ光検出器３２４及び３２５が接続され、光検出器３２４及び３２５からの出力は差動検波される。【選択図】図３
2010283694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記送信機からの前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐手段と、
前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、
前記第１及び第２の経路のいずれかの伝播位相を０またはπ／２で変調する変調手段と、
２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第１及び第２の経路が接続された光カップラーと、
前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段と
を有することを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項２】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記光パルス列の各パルスの位相を０またはπ／２で変調する変調手段と、
位相変調された前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐手段と、
前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、
２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第１及び第２の経路が接続された光カップラーと、
前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段と
を有することを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項３】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、
前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機と
を備える量子暗号通信装置であって、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択され、
前記受信機は、
前記送信機からの前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する第１の光分岐手段と、
前記第１の光分岐手段により分岐された一方の光パルス列を第３及び第４の経路に２分岐する第２の光分岐手段と、
前記第３の経路と前記第４の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第１の遅延手段と、
前記第３及び第４の経路のいずれかの伝播位相を０とする第１の変調手段と、
２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第３及び第４の経路が接続された第１の光カップラーと、
前記第１の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第１の差動検波手段と、
前記第１の差動検波手段が生成した復調信号に対して閾値処理を行なう第１の閾値処理手段と、
前記第１の光分岐手段により分岐された他方の光パルス列を第５及び第６の経路に２分岐する第３の光分岐手段と、
前記第５の経路と前記第６の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第２の遅延手段と、
前記第５及び第６の経路のいずれかの伝播位相をπ／２とする第２の変調手段と、
２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第５及び第６の経路が接続された第２の光カップラーと、
前記第２の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第３および第４の光検出手段と、
前記第３及び第４の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第２の差動検波手段と、
前記第２の差動検波手段が生成した復調信号に対して閾値処理を行なう第２の閾値処理手段と
を有することを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項４】
前記復調信号は、受信光振幅をＡとして、｛0、±Ａsin(2δ)、±Ａcos(2δ)、±Ａ｝の７値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の量子暗号通信装置。
【請求項５】
前記閾値処理は、Ａsin(2δ)より大きな値に第１の閾値を設定し、- Ａsin(2δ)より小さな値に第２の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第１の閾値より大きいか又は前記第２の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする請求項４に記載の量子暗号通信装置。
【請求項６】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、
前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐ステップと、
前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、
前記第１及び第２の経路のいずれかの伝播位相を０またはπ／２で変調する変調ステップと、
前記第１及び第２の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする量子暗号通信方法。
【請求項７】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、
前記光パルス列の各パルスの位相を０またはπ／２で変調する変調ステップと、
位相変調された前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐ステップと、
前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、
前記第１及び第２の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、
前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする量子暗号通信方法。
【請求項８】
±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、
前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する第１の光分岐ステップと、
前記第１の光分岐ステップにより光分岐された一方の光パルス列を第３及び第４の経路に２分岐する第２の光分岐ステップと、
前記第３の経路と前記第４の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第１の遅延ステップと、
前記第３及び第４の経路のいずれかの伝播位相を０とする第１の変調ステップと、
前記第３及び第４の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第１の合波ステップと、
前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第１の差動検波ステップと、
前記第１の差動検波ステップにより生成された復調信号に対して閾値処理を行なう第１の閾値処理ステップと、
前記第１の光分岐ステップにより光分岐された他方の光パルス列を第５及び第６の経路に２分岐する第３の光分岐ステップと、
前記第５の経路と前記第６の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第２の遅延ステップと、
前記第５及び第６の経路のいずれかの伝播位相をπ／２とする第２の変調ステップと、
前記第５及び第６の経路を通過した光パルス列を合波して第３及び第４の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第２の合波ステップと、
前記第５及び第６の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第２の差動検波ステップと、
前記第２の差動検波ステップにより生成された復調信号に対して閾値処理を行なう第２の閾値処理ステップと
を含み、
前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする量子暗号通信方法。
【請求項９】
前記復調信号は、受信光振幅をＡとして、｛0、±Ａsin(2δ)、±Ａcos(2δ)、±Ａ｝の７値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の量子暗号通信方法。
【請求項１０】
前記閾値処理は、Ａsin(2δ)より大きな値に第１の閾値を設定し、- Ａsin(2δ)より小さな値に第２の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第１の閾値より大きいか又は前記第２の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする請求項９に記載の量子暗号通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信装置および量子暗号通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の量子力学的性質を利用することにより、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。量子暗号は、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方式であり、量子鍵配送とも呼ばれている。ここで秘密鍵は、実体としてはランダムな「０」又は「１」のビット列である。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは従来技術として、４つのコヒーレント状態をホモダイン検波する量子鍵配送方式（非特許文献１参照）について説明する。
【０００３】
図１は、従来のコヒーレント/ホモダイン検波量子鍵配送システムの基本構成を示す図である。送信機は、｛0, π｝及び｛π/2, 3π/2｝のいずれかの位相のコヒーレント光を極微弱なパワーで送出する。受信機は、受信した光を受信光と同一周波数の局発光と合波し、合波光の強度を２つの光検出器により検出する。そして、２つの検出信号を差動検波することにより、復調信号を得る。ここで、局発光の位相は0またはπ/2のいずれかとする。なおこの受信機構成は、光ホモダイン検波と呼ばれる構成である。
【０００４】
以上の構成における受信機の復調信号は、次のようになる。まず、
【０００５】
【数１】
2010283694.tif 000003
【０００６】
と表わす。Ａは振幅、ωは角周波数、θは位相で、添え字により受信信号光（Ｓ）か局発光（Ｌ）かを表わす。この表式を用いると、信号光と局発光とを合波した後の光電場は、光検出器１に対しては
【０００７】
【数２】
2010283694.tif 000004
【０００８】
光検出器２に対しては
【０００９】
【数３】
2010283694.tif 000005
【００１０】
であり、それぞれの光強度Ｉは、
【００１１】
【数４】
2010283694.tif 000006
【００１２】
【数５】
2010283694.tif 000007
【００１３】
となる。なおここで、ωS ＝ ωL、とした。
【００１４】
光検出器からは光強度に比例した信号が出力され、それが差動検波される。式(1)(2)より、差動検波後の復調信号Ｓは、次のように表わされる。
【００１５】
【数６】
2010283694.tif 000008
【００１６】
ここで、信号光の位相はθS ＝ ｛0, π｝｛π/2, 3π/2｝、局発光の位相はθL＝ ｛0,π/2｝である。したがって、復調信号Ｓのとり得る値は、表１に示すように各位相値に応じて0または±2ＡSＡLとなる。
【００１７】
【表１】
2010283694.tif 000009
【００１８】
以上は、信号光と局発光に全く揺らぎが無いとしたときの受信特性である。しかしながらコヒーレント光の場合、不確定性原理を源として量子力学的に不可避の揺らぎが存在する。そのため、復調信号は上記の３値を中心に揺らぐことになり、その分布は図２のようになる。今の場合、信号光パワーは極微弱としているのでＡSは非常に小さく、そのためＳ ＝ 0を中心とする信号分布とＳ ＝ ±2ＡSＡLを中心とする分布は一部重なり合っている。この信号分布に対して、受信機は、d > 2ＡSＡLである閾値dと-d < 2ＡSＡLである閾値-dを設定する。なお、Ｓ ＝ 0の分布のピークが他の２つより高いのは、位相の組み合わせの数の違いを反映させたためである。
【００１９】
以上の構成を用いて、送信機と受信機は以下の手順により秘密鍵ビットを得る。まず受信機は、上記受信構成により送信機より送出され伝送路を経た信号光を検出する。この際、復調信号が閾値d以上または閾値-d以下である場合に、局発光位相がd以上であったか-d以下であったか、を記録する。上記送受信を必要な回数だけ行った後、受信機は送信機に、復調信号が閾値を越えた時間スロット及びそのときの局発光位相を通知する。ただし、d以上であったか-d以下であったかは教えない。送信機は受信機に対して、知らされた時間スロットの信号光位相が｛0, π｝であったか｛π/2, 3π/2｝のどちらであったかを知らせる。ただし、知らせるのはどちらの組かだけで、位相値そのものは教えない。次に受信機は、信号光位相がθS ＝ ｛0, π｝かつ局発光位相がθL ＝ π/2である場合に、閾値d以上であった時間スロットに対しビット「１」を、閾値-d以下であった時間スロットにビット「０」を、それぞれ割り当てる。また、信号光位相がθS ＝ ｛π/2, 3π/2｝かつ局発光位相がθL ＝ 0である場合に、閾値d以上であった時間スロットに対しビット「１」を、閾値-d以下であった時間スロットにビット「０」を、それぞれ割り当てる。一方、送信機は、閾値を超えた時間スロットについて、自身の位相変調データと受信機の局発光位相から、ビット生成する。具体的には、｛θL ＝ 0かつθS ＝ π/2｝または｛θL ＝ π/2かつθS ＝ π｝のときにビット「１」、｛θL ＝ 0かつθS ＝ -π/2｝または｛θL ＝ π/2かつθS ＝ 0｝のときにビット「０」、とする。このようにして生成したビットは、送信機と受信機とでほぼ同一となる。信号分布のすそ引きにより多少の不一致もあるが、少数のビット不一致は、誤り訂正という手続きにより除去することができ、誤り訂正後のビット列を秘密鍵とすることができる。
【００２０】
上記の構成および手順により生成した秘密鍵の安全性は、以下の理由により確保される。もっとも基本的な盗聴方法は、伝送信号の一部を分岐/保存し、受信機が送信機へ通知する局発光位相を盗み聞いた後に、保存していた信号を受信機と同じ局発光位相によりホモダイン測定する方法である。しかしながら、受信機と同様に閾値を設定してビット値を得ようとしても、量子雑音のため受信機の揺らぎと盗聴者の揺らぎには相関がなく、同じ信号が受信機/盗聴者ともに閾値を超える確率は小さい。そのため、盗聴者が受信機と同一のビット値を得る確率は小さく、わずかな情報漏洩は秘匿性増強と呼ばれるデータ圧縮処理により除去される。あるいは、信号レベル＝０に閾値を設定して、それより大ならビット「１」/小ならビット「０」、として盗聴ビットを生成する方法も考えられるが、図２のように信号分布が拡がっているため、送受信機とは異なるビット値を生成する場合がある。すると送受信機は、盗聴者のビット誤り率を見積もり、秘匿性増強により誤りを拡張して安全な秘密鍵を生成することができる。すなわち、上記いずれの盗聴ビット生成手段によっても、盗聴者が秘密鍵を得ることはできない。
【００２１】
さらに高度な盗聴法としては、なりすまし法と呼ばれる方法がある。なりすまし盗聴とは、盗聴者が伝送信号を全て受信し、受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機に光送信器を用いて送信する盗聴方法である。盗聴者が伝送信号を正しく認識できれば、元の送信信号と同一のダミー信号を送ることができ、受信機に気付かれずに秘密鍵を得ることができる。ここで完全なダミー信号を送るためには、信号光位相θSが｛0, π/2, π, 3π/2｝のいずれであるかを正しく識別しなくではならない。この４つの位相値を識別するためには、盗聴者は、受信信号を２分岐し、一方に対して局発光位相θL ＝ 0のホモダイン検波を、他方に対してθL ＝ π/2のホモダイン検波をそれぞれ行ない、両者の結果を総合して判断することになる。しかしながら、伝送信号には量子雑音による揺らぎに加えて上記２分岐により信号対雑音比が劣化するため、４位相値を常に正しく識別することはできない。そのため、受信機がダミー信号から鍵ビットを生成すると、送信機の鍵ビットとの間に不一致が生じる。
【００２２】
そこで送受信機は、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について答え合わせをする。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不一致ビットが出てくる。不一致ビットがある場合、盗聴の可能性ありと判断し、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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ryo Namiki and Takuya Hirano, “Security of quantum cryptography using balanced homodyne detection,” Physical Review A, vol. 67, 022308 (2003).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上記従来技術では、受信機は極微弱光をホモダイン検波することにより秘密鍵ビットを生成した。しかしながら、正しくホモダイン検波をするためには、局発光の周波数及び位相が安定かつ精密に制御されていなければならない。光周波数の領域でこれを実現するのは非常の困難であり、このことが上記従来技術を実装するうえでの課題となっている。
【００２５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、ホモダイン検波を用いずに秘密鍵を供給するための量子暗号通信装置および量子暗号通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択される。前記受信機は、前記送信機からの前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐手段と、前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、前記第１及び第２の経路のいずれかの伝播位相を０またはπ／２で変調する変調手段と、２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第１及び第２の経路が接続された光カップラーと、前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の第２の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択される。前記受信機は、前記光パルス列の各パルスの位相を０またはπ／２で変調する変調手段と、位相変調された前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐手段と、前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延手段と、２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第１及び第２の経路が接続された光カップラーと、前記光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波手段と、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理手段とを有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の第３の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列を送信する送信機と、前記光パルス列から前記秘密鍵を復調する受信機とを備える量子暗号通信装置であって、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択される。前記受信機は、前記送信機からの前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する第１の光分岐手段と、前記第１の光分岐手段により分岐された一方の光パルス列を第３及び第４の経路に２分岐する第２の光分岐手段と、前記第３の経路と前記第４の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第１の遅延手段と、前記第３及び第４の経路のいずれかの伝播位相を０とする第１の変調手段と、２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第３及び第４の経路が接続された第１の光カップラーと、前記第１の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第１および第２の光検出手段と、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第１の差動検波手段と、前記第１の差動検波手段が生成した復調信号に対して閾値処理を行なう第１の閾値処理手段とを有することを特徴とする。さらに、前記第１の光分岐手段により分岐された他方の光パルス列を第５及び第６の経路に２分岐する第３の光分岐手段と、前記第５の経路と前記第６の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第２の遅延手段と、前記第５及び第６の経路のいずれかの伝播位相をπ／２とする第２の変調手段と、２×２の入出力端子を有し、各入力端子に前記第５及び第６の経路が接続された第２の光カップラーと、前記第２の光カップラーの出力端子にそれぞれ接続された第３および第４の光検出手段と、前記第３及び第４の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第２の差動検波手段と、前記第２の差動検波手段が生成した復調信号に対して閾値処理を行なう第２の閾値処理手段とを有することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、前記復調信号は、受信光振幅をＡとして、｛0、±Ａsin(2δ)、±Ａcos(2δ)、±Ａ｝の７値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記閾値処理は、Ａsin(2δ)より大きな値に第１の閾値を設定し、- Ａsin(2δ)より小さな値に第２の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第１の閾値より大きいか又は前記第２の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の第６の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐ステップと、前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、前記第１及び第２の経路のいずれかの伝播位相を０またはπ／２で変調する変調ステップと、前記第１及び第２の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の第７の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、前記光パルス列の各パルスの位相を０またはπ／２で変調する変調ステップと、位相変調された前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する光分岐ステップと、前記第１の経路と前記第２の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える遅延ステップと、前記第１及び第２の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する合波ステップと、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する差動検波ステップと、前記復調信号に対して閾値処理を行なう閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の第８の態様は、±δまたはπ/2±δの位相で各パルスが位相変調された、秘密鍵を表す一定時間間隔の光パルス列から前記秘密鍵を復調する量子暗号通信方法であって、前記光パルス列を第１及び第２の経路に２分岐する第１の光分岐ステップと、前記第１の光分岐ステップにより光分岐された一方の光パルス列を第３及び第４の経路に２分岐する第２の光分岐ステップと、前記第３の経路と前記第４の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第１の遅延ステップと、前記第３及び第４の経路のいずれかの伝播位相を０とする第１の変調ステップと、前記第３及び第４の経路を通過した光パルス列を合波して第１及び第２の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第１の合波ステップと、前記第１及び第２の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第１の差動検波ステップと、前記第１の差動検波ステップにより生成された復調信号に対して閾値処理を行なう第１の閾値処理ステップとを含むことを特徴とする。さらに、前記第１の光分岐ステップにより光分岐された他方の光パルス列を第５及び第６の経路に２分岐する第３の光分岐ステップと、前記第５の経路と前記第６の経路との間に前記光パルス列のパルス間隔に等しい時間差を与える第２の遅延ステップと、前記第５及び第６の経路のいずれかの伝播位相をπ／２とする第２の変調ステップと、前記第５及び第６の経路を通過した光パルス列を合波して第３及び第４の光検出手段に合波した光パルス列を出力する第２の合波ステップと、前記第５及び第６の光検出手段の出力から差動検波により復調信号を生成する第２の差動検波ステップと、前記第２の差動検波ステップにより生成された復調信号に対して閾値処理を行なう第２の閾値処理ステップとを含み、前記光パルス列の光パワーレベル及びδは、量子雑音により±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合い、π/2±δの位相で位相変調されたパルス同士の一部が重なり合うように選択されていることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の第９の態様は、第６から第８の態様のいずれかにおいて、前記復調信号は、受信光振幅をＡとして、｛0、±Ａsin(2δ)、±Ａcos(2δ)、±Ａ｝の７値を中心にその分布が拡がっていることを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の第１０の態様は、第９の態様において、前記閾値処理は、Ａsin(2δ)より大きな値に第１の閾値を設定し、- Ａsin(2δ)より小さな値に第２の閾値を設定し、前記復調信号が、前記第１の閾値より大きいか又は前記第２の閾値より小さいかを判定する処理であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、直接光強度を検出する光検出器を用いて、暗号通信用の秘密鍵を安全に供給することができる。従来技術のように、極微弱光をホモダイン検出する必要がないので、実用性の高い量子暗号通信装置および量子暗号通信方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のコヒーレント/ホモダイン検波量子鍵配送システムの基本構成を示す図である。
【図２】従来技術における復調信号分布を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る量子暗号通信装置の構成図である。
【図４】第１の実施形態における送信光の状態を説明するための図である。
【図５】（ａ）は、θb＝０の場合の第１の実施形態における復調信号分布、（ｂ）は、θb＝π／２の場合の第１の実施形態における復調信号分布を示す図である。
【図６】第１の実施形態における閾値の設定を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る量子暗号通信装置の受信機を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る量子暗号通信装置の受信機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
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。
【００３９】
（第１の実施形態）  
図３は、本発明の第１の実施形態に係る量子暗号通信装置の構成図である。図３において、送信機３１０は、光源３１１及び位相変調器３１２を備える。光源３１１は、一定間隔のコヒーレント光パルス列を出力する。位相変調器３１２は各パルスの位相を、-δ若しくは δ、又は (π/2 - δ) 若しくは (π/2 + δ)、で変調する。ここで、光パワーレベル（後述の実数振幅Ａの２乗）と位相δは、次に述べる関係を満たしているものとする。
【００４０】
一般に光電場の状態は、複素振幅空間上の点で表わされる。ただし、従来技術の説明においても述べたように、コヒーレント光には必然的に量子雑音が伴っているため、厳密にはある点を中心として拡がった円で表わされる。いまの場合、出力されるのは、Ａ×exp[-ｉδ]、Ａ×exp[ｉδ]、Ａ×exp[ｉ(π/2 - δ)]、Ａ×exp[ｉ(π/2 + δ)]、の４状態であるが（Ａは実数振幅を表わす定数）、これらが図４に示す関係を満たしているものとする。すなわち、Ａ×exp[-ｉδ]とＡ×exp[ｉδ]は量子雑音のため状態の一部が重なり合い、Ａ×exp[ｉ(π/2 - δ)]とＡ×exp[ｉ(π/2 + δ)]は量子雑音のため状態の一部が重なり合っている。ここで、４状態は図４のように重なり合っていればよく、δを適切に選べば、従来技術のように極微弱光である必要はない。
【００４１】
受信機３２０は、光分岐手段３２１と、分岐した一方の伝播位相を変調する変調手段３２２と、２×２光カップラー３２３と、２つの光検出器３２４及び３２５とを備える。受信機３２０へ入力された光は、光分岐手段３２１により２分岐され、一方に遅延時間を与えられた後、光カップラー３２３により再び合波される。一方の経路は遅延手段として機能しているとも言える。ここで、遅延時間は入力されたパルス列のパルス間隔に等しいものとする。また、２分岐された一方の経路上には位相を変調する変調手段３２２が設けられ、これにより伝播光の位相が0またはπ/2で変調される。光分岐手段３２１により分岐された２つの経路が入力端子に接続された光カップラー３２３の２つの出力端子には、それぞれ光検出器３２４及び３２５が接続されている。２つの光検出器３２４及び３２５からの出力は、差動検波手段３２６により差動検波される。
【００４２】
以上の構成により、送信機３１０は-δ 若しくは δ又は(π/2 - δ) 若しくは (π/2 + δ)でランダムに位相変調した一定間隔（パルス間隔）の光パルス列を送出する。受信機３２０は、光伝送路を経て送信機３１０より伝送されてきたパルス列を、光分岐手段３２１に入力する。分岐された光パルス列は、光カップラー３２３で再び合波され、光子検出器３２４及び３２５にてそれぞれ検出される。
【００４３】
このように受信回路を構成すると、受信機３２０の光カップラー３２３では、前後のパルスが重なり合い、干渉を起こす。干渉の様子は、次のように記述される。
【００４４】
いま、長経路を通る光パルス１と短経路を通る光パルス２を考え、光カップラー３２１入力前の光電場をそれぞれ
【００４５】
【数７】
2010283694.tif 000010
【００４６】
と表わす。光パルス１は、長経路から光カップラー３２３を経て光検出器３２４および光検出器３２５へ到達する。光パルス１の光検出器３２４における光電場E1(D1)および光検出器３２５における光電場E1(D2)は、次のように表わされる。
【００４７】
【数８】
2010283694.tif 000011
【００４８】
ここで、θbは長経路上で印加される位相である。一方、光パルス２は、短経路から光カップラー３２３を経て光検出器３２４および光検出器３２５へ到達する。光パルス２の光検出器３２４における光電場E2(D1)および光検出器３２５における光電場E2(D2)は、次のように表わされる。
【００４９】
【数９】
2010283694.tif 000012
【００５０】
以上より、光検出器３２４へ入力される光電場E(D1)は、
【００５１】
【数１０】
2010283694.tif 000013
【００５２】
光検出器３２５へ入力される光電場E(D2)は、
【００５３】
【数１１】
2010283694.tif 000014
【００５４】
となる。なおここで、Δθ ＝ θ1 - θ2とした。
【００５５】
式（３）及び（４）より、光検出器３２４からの出力Ｉ1および光検出器３２５からの出力Ｉ2は、それぞれ次のように表わされる。
【００５６】
【数１２】
2010283694.tif 000015
【００５７】
さらに、これの差動検波出力Ｓは、
【００５８】
【数１３】
2010283694.tif 000016
【００５９】
となる。
【００６０】
上記のように、差動検出出力（＝復調信号）の値はΔθおよびθbによって決まる。いまの場合、θ1,2  ＝ ｛-δ, δ, π/2 - δ, π/2 + δ｝なので、Δθは｛0, ±2δ, -π/2, -π/2±2δ, π/2, π/2±2δ｝のいずれかである。ここで、Δθがどの値となるかの確率はθ1とθ2の組み合わせの数によって決まる。表２に各値の出現比率をまとめておく。また、θbは｛0, π/2｝のいずれかであり、その比率は1：1である。これらより、Ｓは｛0, ±Ａsin(2δ), ±Ａcos(2δ), ±Ａ｝のいずれかとなる。Ｓを与えるΔθとθbの組み合わせを表３にまとめておく。
【００６１】
【表２】
2010283694.tif 000017
【００６２】
【表３】
2010283694.tif 000018
【００６３】
上記Ｓ ＝ ｛0, ±Ａsin(2δ), ±Ａcos(2δ), ±Ａ｝は揺らぎが無いとしたときの受信特性であり、実際には、量子雑音により、復調信号分布はこれらの値を中心に拡がることになる。図５(ａ)は、θb ＝ 0の場合の復調信号分布、図５(b)は、θb ＝ π/2の場合の復調信号分布である。図４のように｛Ａ, δ｝が設定されているため、0及び±Ａsin(2δ)を中心とする信号分布は、その一部が重なり合っている。
【００６４】
この復調信号分布に対し、受信機は、閾値処理手段（図示せず）により図６に示すように閾値±dを設定する。すなわち、Ａsin(2δ)より大きくかつＡsin(2δ)を中心とする信号が分布している範囲内の値に閾値dを、-Ａsin(2δ)より小さくかつ-Ａsin(2δ)を中心とする信号が分布している範囲内の値に閾値-dを、それぞれ設定する。
【００６５】
上記構成及び動作特性を利用して、以下の手順により、送信機と受信機は共通のビットを得る。（１）送信機３１０と受信機３２０は、必要な長さの光パルス列を送受信する。（２）受信機３２０は送信機３１０に、復調信号が閾値dより大きいかまたは閾値-dより小さかったときの時間スロット、および遅延経路上の変調位相θbが0であったかπ/2であったか、を通知する。（３）送信機３１０は受信機３２０に、受信機３２０から通知された時間スロットに関わるパルスの位相差が（ａ）｛±2δ｝であったか、（ｂ）｛±π/2±2δ｝であったか、（ｃ）それ以外であったか、を通知する。ただし、（ａ）〜（ｃ）の３パターンのうちのどれかを通知するのみで、さらに詳細な値（例えば、2δか-2δか）は教えない。（４）受信機３２０は、送信機３１０の位相差がパターン（ａ）かつ復調信号が閾値d以上、または、送信機３１０の位相差がパターン（ｂ）かつ復調信号が閾値-d以下、の時間スロットに対してビット「０」を割り当てる。また、送信機３１０の位相差がパターン（ａ）かつ復調信号が閾値-d以下、または、送信機３１０の位相差がパターン（ｂ）かつ復調信号が閾値d以上、の時間スロットに対してビット「１」を割り当てる。（５）送信機３１０は、受信機３２０から通知された時間スロットについて、干渉計位相差が0かつ送信位相差が±π/2 - 2d、または干渉計位相差がπ/2かつ送信位相差が-2d、ならばビット「０」を割り当てる。また、干渉計位相差が0かつ送信位相差が±π/2 + 2d、または干渉計位相差がπ/2かつ送信位相差が2d、ならばビット「１」を割り当てる。以上の手順で生成したビット値は、送受信機でほぼ同一となる。これを秘密鍵ビットとする。
【００６６】
以上により生成した秘密鍵の安全性は、従来技術と同様に考えることができる。
【００６７】
伝送信号の一部を分岐/保存する盗聴方法の場合、盗聴者はＡsin(2δ)を中心とする信号とＡsin(2δ) を中心とする信号を識別することになるが、図６に示すように両者の分布は一部重なり合っているため識別誤りが起こり、正しい秘密鍵は得られない。
【００６８】
なりすまし盗聴の場合、盗聴者は図４に示す４状態を識別する必要があるが、ホモダイン検波でこれを行なうとすると、信号を２分岐したうえで、それぞれを局発光位相θL ＝ 0とθL ＝π/2で測定することになり、量子雑音及び分岐による信号対雑音比劣化のため、４状態を常に正しく識別することはできない。そのため、受信機３２０がダミー信号から鍵ビットを生成すると、送信機３１０の鍵ビットとの間に不一致が生じ、これより盗聴が発覚する。
【００６９】
上記のように、本実施形態においては、従来技術と同様のメカニズムにより、安全な秘密鍵が生成される。ただし、実装上の大きな違いは、従来技術が極微弱光をホモダイン受信していたのに対し、本実施形態では、ある程度のパワーレベルの信号光を直接強度検出している点である。そのため、高度なホモダイン検出技術が必要ではなく、より実用性の高い方式であるといえる。
【００７０】
（第２の実施形態）  
第１の実施形態では、受信機３２０は遅延経路上の位相θbにより前後のパルス間の位相差に｛0, π/2｝の変調を加えていたが、同様の機能は、図７の構成によっても実現できる。第２の実施形態の受信機７２０は、干渉計の前段で、各パルスに対して｛0, π/2｝の位相変調を加えるように構成されている。受信機３２０の位相変調の目的は、前後のパルスの位相差に0またはπ/2の位相差を付与することにあるので、このような構成によっても第１の実施形態と同様の機能を得ることができる。
【００７１】
（第３の実施形態）  
第１及び第２の実施形態と同様の受信機の機能は、図８の構成によっても実現できる。本実施形態の受信機８２０は、伝送されてきた信号を光カップラー又は光スイッチで２分岐し、それぞれ、位相差0の干渉計と位相差π/2の干渉計を透過するように構成されている。このように構成すると、位相差0の干渉計出力で復調信号が閾値を越えることと、第１の実施形態においてθb ＝ 0かつ閾値越えとなったことと等価となり、また、位相差π/2の干渉計出力で復調信号が閾値を超えることと、第１の実施形態においてθb ＝ π/2かつ閾値越えとなったことと等価となる。したがって、本実施形態によっても第１の実施形態と同様にして安全な秘密鍵を得ることができる。
【符号の説明】
【００７２】
３１０  送信機
３１１  光源
３１２  位相変調器
３２０  受信機
３２１  光分岐手段
３２２  変調手段
３２３  ２×２光カップラー（光カップラーに対応）
３２４、３２５  光検出器（光検出手段に対応）
３２６  差動検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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