(57)【要約】【課題】ビット誤り率を抑制することにより、量子暗号通信の長距離化及び鍵生成速度の向上を可能にする方法及び装置を提供する。【解決手段】送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理方法は、（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送するステップと、（ｅ）受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送するステップと、を含む。【選択図】図２
2010251976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理方法であって、
（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、
（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、
（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、
（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送するステップと、
（ｅ）受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送するステップと
を含むことを特徴とする量子暗号通信データ処理方法。
【請求項２】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、前記周期時間を予め定められた時間間隔に基づいて分割することによって生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記復号化ビットを受信した時刻が前記ｉ番目の周期内の前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、
それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T)にさらに分解し、
２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数１】
2010251976.tif 000014
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記受信器から伝送された前記集合
【数２】
2010251976.tif 000015
に含まれている前記Ｂi,k(r)と前記Ｂi(s)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数３】
2010251976.tif 000016
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記受信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数４】
2010251976.tif 000017
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項３】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号強度に基づいて生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記ステップ（ａ）で測定された復号化ビットの信号強度が前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、
それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T) にさらに分解し、
２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数５】
2010251976.tif 000018
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記受信器から伝送された前記集合
【数６】
2010251976.tif 000019
に含まれている前記Ｂi,k(r)と前記Ｂi(s)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数７】
2010251976.tif 000020
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記受信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数８】
2010251976.tif 000021
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項４】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号波形パターンに基づいて生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記ステップ（ａ）で測定された復号化ビットの信号波形パターンが前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、
それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T)にさらに分解し、
２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数９】
2010251976.tif 000022
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記受信器から伝送された前記集合
【数１０】
2010251976.tif 000023
に含まれている前記Ｂi,k(r)と前記Ｂi(s)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数１１】
2010251976.tif 000024
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記受信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記送信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数１２】
2010251976.tif 000025
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項５】
送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理方法であって、
（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、
（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、
（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、
（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送するステップと、
（ｅ）受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送するステップと、
（ｆ）送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送するステップと
を含むことを特徴とする量子暗号通信データ処理方法。
【請求項６】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、前記周期時間を予め定められた時間間隔に基づいて分割することによって生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記復号化ビットを受信した時刻が前記ｉ番目の周期内の前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、
それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T)にさらに分解し、
２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数１３】
2010251976.tif 000026
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記送信器から伝送された集合
【数１４】
2010251976.tif 000027
に対応するビット値情報
【数１５】
2010251976.tif 000028
を前記チャネルを介して前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｆ）は、前記送信器から伝送された前記集合
【数１６】
2010251976.tif 000029
に含まれている前記Ｂi(s)と前記Ｂi,k(r)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数１７】
2010251976.tif 000030
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記送信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数１８】
2010251976.tif 000031
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項７】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号強度に基づいて生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記ステップ（ａ）で測定された復号化ビットの信号強度が前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）はビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i
に分解し、それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T) にさらに分解し、２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数１９】
2010251976.tif 000032
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記送信器から伝送された集合
【数２０】
2010251976.tif 000033
に対応するビット値情報
【数２１】
2010251976.tif 000034
を前記チャネルを介して前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｆ）は、前記送信器から伝送された前記集合
【数２２】
2010251976.tif 000035
に含まれている前記Ｂi(s)と前記Ｂi,k(r)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数２３】
2010251976.tif 000036
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記送信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数２４】
2010251976.tif 000037
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項８】
前記送信器及び前記受信器は、前記送信器の動作クロックの周期時間Ｔで同期がとられており、
前記ステップ（ａ）の前に、前記送信器がｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内に符号化したランダムなビット値Ｂi(s)を含んだシグナル光を前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記グループは、予め定められた信号波形パターンに基づいて生成されており、
前記ステップ（ｂ）は、前記ステップ（ａ）で測定された復号化ビットの信号波形パターンが前記グループのうちｋ番目（k∈{1,2,...,N}）のグループに属する場合、前記復号化ビットの値をビット値Ｂi,k(r)として求めるステップをさらに含み、
前記ステップ（ｄ）は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、
それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T)にさらに分解し、
２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算し、Ｓ(T)の部分集合
【数２５】
2010251976.tif 000038
を前記チャネルを介して前記送信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｅ）は、前記送信器から伝送された集合
【数２６】
2010251976.tif 000039
に対応するビット値情報
【数２７】
2010251976.tif 000040
を前記チャネルを介して前記受信器に伝送するステップをさらに含み、
前記ステップ（ｆ）は、前記送信器から伝送された前記集合
【数２８】
2010251976.tif 000041
に含まれている前記Ｂi(s)と前記Ｂi,k(r)を比較し、各ｋに対してビット誤り率Ｅｋを以下の式に基づいて計算し、
【数２９】
2010251976.tif 000042
Ｅkをｋについて取捨選択し、選択したｋの集合Ｆを前記送信器に前記チャネルを介して伝送するステップをさらに含み、
前記方法は、
前記受信器から伝送された集合Ｆを使用して、集合
【数３０】
2010251976.tif 000043
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項９】
前記信号波形パターンは、復号化ビットを測定開始する時刻を０とし、測定終了する時刻をＴとする、時間の関数Ａｉ（ｔ）（０≦ｔ≦Ｔ）であり、
前記グループのそれぞれに対応する信号波形パターンａk（ｔ）と前記Ａｉ（ｔ）の波形の近さを、
【数３１】
2010251976.tif 000044
に基づいて求めることを特徴とする請求項４または請求項８に記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項１０】
前記取捨選択は、ビット誤り率Ｅｋが秘密鍵を生成可能な長さを有しているか否かに基づいて行われることを特徴とする請求項２乃至４または請求項６乃至８のいずれかに記載の量子暗号通信データ処理方法。
【請求項１１】
送信器と受信器を含む量子暗号通信装置であって、
（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、
（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、
（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、
（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送する手段と、
（ｅ）受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送する手段と
を含むことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項１２】
送信器と受信器を含む量子暗号通信装置であって、
（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、
（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、
（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、
（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送する手段と、
（ｅ）受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送する手段と、
（ｆ）送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送する手段と
を含むことを特徴とする量子暗号通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に量子暗号通信分野における暗号通信に用いる秘密鍵配送技術に関する。より詳細には、本発明は、量子暗号通信におけるビット誤りを抑制し、量子鍵の生成効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、秘密鍵暗号方式に必要な秘密鍵を安全に配布するための有望な方法として、量子暗号通信が注目されている。代表的な量子暗号通信方式として、量子鍵配送プロトコルのＢＢ８４と呼ばれる方式（非特許文献１参照）とＢ９２（非特許文献２参照）と呼ばれる方式が知られている。
【０００３】
図１は、量子暗号通信方式の構成を概略的に説明する図であり、ＢＢ８４やＢ９２などの方式を含め全ての量子暗号通信方式は、図１で示される構成を有している。
【０００４】
図１を参照すると、送信器１００は、ビット値をランダムに発生させ、その値に応じてレーザー光源や単一光子源から生成される光パルスを変調（つまり、ビット値の符号化）した後、受信器１１０に対して光ファイバー１２０などの伝送路を用いて光パルス１３０を送信する。
【０００５】
一方、受信器１１０は、送信器１００が行った変調、つまり送信器１００が符号化したビット値を読み取るような測定（つまりビット値の復号化）を行う。ビット値の復号化は、変調器１１１及び光子検出器１１２、並びに光子検出器１１２から出力される信号を読み取る電子機器で行われる。復号化の後、公開通信チャネルを併用することにより、送信器１００と受信器１１０は、それぞれ生ビット列を得ることができる。一般にこの生ビット列は雑音や盗聴の影響により、安全でない可能性があり、送信器１００と受信器１１０が得た生ビット列にはビット誤りが含まれることがある。ここで「ビット誤り」とは、送信器１００の送ったビット値と受信器１１０の受信したビット値が異なる事象を指す。
【０００６】
上記で説明したステップは、量子通信と一般的に呼ばれているが、秘密鍵を蒸留するためには以下に説明する更なるステップを行う必要がある。
【０００７】
まず、生ビット列のうちのいくつかのビット値を公開する。この公開したビット列はテストビットと呼ばれている。このテストビット中の誤り率を計算することにより、テストビット以外のビット列（コードビット列と呼ばれる）のビット誤り率を推定する。
【０００８】
次に、推定したビット誤り率をもとに、まずビットエラー訂正プロトコルをコードビット列に対して行い、受信器と送信器のビット列を同一のビット列に変換する。変換したビット列に対して更に秘匿性増強プロトコルを行うことにより盗聴者が持つ情報が無視できるほど小さい安全な秘密鍵を生成する。
【０００９】
秘密鍵を蒸留するための一連のステップの中で、「ビット誤り率」というパラメータが重要な役割を果たす。このビット誤り率から盗聴者に漏れている情報量を推定でき、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなる、という性質がある。そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなる。この『ある値』とは、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。
【００１０】
一般に長距離になるほど信号のＳＮ比（ＳＮＲ）の悪化が原因でビット誤り率が上昇するので、長距離に渡って安全な通信を達成するためにはビット誤り率をできるだけ小さくする必要がある。更に、秘密鍵が蒸留できるビット誤り率の領域でも、ビット誤り率が大きくなると、ビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルが消費する通信量が大きくなるため鍵生成速度が低下する、という性質がある。従って、量子暗号通信において長距離化を達成する為、及び鍵生成速度の向上の為にはビット誤り率を小さくする必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】C.H.Bennett, and G.Brassard,“Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing”, Proceedings of IEEE International Conference of Computer Systems and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York) 175-179(1984).
【非特許文献２】C.H.Bennett, “Quantum cryptography using any two nonorthogonal states”, Physical. Review, Letters, 68, 3121(1992).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、量子暗号通信において長距離化を達成する為、及び鍵生成速度の向上の為にはビット誤り率を小さくしなければならない。多くの量子暗号通信では、このビット誤りの主原因は検出器における暗計数であることが知られている。ここで、暗計数とは、光信号の入力がないのにもかかわらず検出器が電気信号を発する事象のことをいう。この暗計数は時間的にランダムに起こると考えられているのに対し、本来の光子信号からくる電気信号は時刻ｔiに非常に近いところほど高確率で起こる。ここで、ｔiはｉ番目のシグナルを受信器が受信すると思われる時刻を表す。
【００１３】
従って、時刻ｔiに非常に近いところの信号のみを選択すればビット誤り率が低いことが期待されるが、従来の方法では電気信号を計測した時刻をそれほど正確に記録しておらず、ｔi±Δｔ以内（Δｔは、検出器や電気信号解析機の性質に依存して決まる定数）に受け取った信号をｉ番目のパルスによる信号と記録していた。このため、ビット誤り率が高くなり、鍵生成速度の低下や通信距離の縮小といった問題が生じていた。
【００１４】
このような問題は時刻のみならず、信号の強度領域や信号の波形などの他のパラメータにおいても存在する。
【００１５】
信号の強度領域については、例えば、暗計数が起きた時に、ある特定の信号強度を出力してしまう電気信号解析機があったと仮定する。この場合、その特定の信号強度を生んだシグナルのビット誤り率が高いことが明らかなので、そのビット値は捨てるべきであるが、従来の方法では信号強度によるビット値の選抜は行っていなかった。このため、やはりビット誤り率が高くなり、鍵生成速度の低下や通信距離の縮小といった問題が生じていた。
【００１６】
信号の波形についても同様に、暗計数が起きた時にある特定の信号波形を出力してしまう電気信号解析機があったと仮定すると、同様の問題が起きてしまっていた。
【００１７】
本発明は、上記のようなデータ処理の粗視化によって生じる鍵生成速度の低下や通信距離の縮小という課題を改善するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理の第一の方法は、（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送するステップと、（ｅ）受信器から伝送されたビット値集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、上記の課題を解決するために、本発明に係る送信器と受信器間における量子暗号通信データ処理の第二の方法は、（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定するステップと、（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求めるステップと、（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求めるステップと、（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送するステップと、（ｅ）受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送するステップと、（ｆ）送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送するステップと、を含むことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る送信器と受信器を含む第一の量子暗号通信装置は、（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、（ｃ）同一のグループに属する前記復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値を含む部分集合を前記送信器へ伝送する手段と、（ｅ）受信器から伝送されたビット値を含む部分集合と送信器自身が当初伝送したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を受信器へ伝送する手段と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る送信器と受信器を含む第二の量子暗号通信装置は、（ａ）送信器から伝送されたシグナル光から復号化ビットを測定する手段と、（ｂ）所定のパラメータに従って生成されたグループのうちいずれのグループに前記復号化ビットが属するのかを求める手段と、（ｃ）同一のグループに属する復号化ビット値の情報を含む集合を求める手段と、（ｄ）前記集合を二つに分割して一方の集合の内のビット値の位置の情報を前記送信器へ伝送する手段と、（ｅ）受信器から伝送されたビット値の位置に対応するビット値集合を前記受信器へ伝送する手段と、（ｆ）送信器から伝送されたビット値集合と受信器自身が当初受信したビット値を比較してビット誤り率を計算し、鍵蒸留処理を行うビット値集合を選択して該ビット値集合を送信器へ伝送する手段と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、受信器が復号したビットデータを、ビット値以外のあるパラメータ（例えば、時間、信号強度、信号パターン等）を基に適切にグループ分けすることにより、ビット誤り率を抑制することができる。その結果、本発明によれば、従来の方式では鍵が生成できなかった距離においても鍵生成が可能になり、量子暗号通信の長距離化が可能になり、あるいはエラー訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコルに必要な通信量の節約によって鍵生成速度の向上が可能になるという２つの効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】量子暗号方式の構成を概略的に説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係る量子暗号通信データ処理方法の流れを示す２つのフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るデータ処理の一例のフローを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る時間に基づくグループ分けの一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る信号強度に基づくグループ分けの一例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る信号波形に基づくグループ分けの一例を示す図である。
【実施例１】
【００２４】
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信データ処理方法の概略を説明するフロー図である。図２（ａ）の説明では、送信器１００の動作クロックの周期時間はＴであり、当該周期時間Ｔで受信器１１０と同期がとれていることを前提に説明する。
【００２５】
ステップＳ２１０では、送信器１００は、図１で説明したように、ｉ番目（i=1,2,・・・,N）の周期内にランダムなビット値Ｂi(s)を符号化したシグナル光を送信器１００と受信器１１０の間のチャネル（光ファイバー１２０など）を通じて受信器１１０に送信する。
【００２６】
ステップＳ２２０では、受信器１１０は、受信したシグナル光からビット情報を得た時刻に対応する周期のｉ番目（ここで、ｉ∈Ｄ⊆｛1,2,・・・,N｝）を求める。本実施形態では、ｉ番目のパルスを受信した時刻を出来る限り正確に測定する。この時刻は、例えば、ＴＩＡ（Time Interval Analyzer）などを用いて測定される。この測定した時刻をｔｉ＋Δｔｉとする。ここで、ｔｉはｉ番目のシグナルを受信器１１０が受信すると思われる時刻、Δｔｉはｔｉからのずれを表す。
【００２７】
ステップＳ２３０では、測定後、受信器１１０は、図３に示すようにΔｔｉの値に応じて受信したビット値を複数のグループに分類する。すなわち、周期時間Ｔを複数のグループに分割できるように定数ａ０,・・・,ａＮを予め決めておき、ａk≦Δｔｉ＜ａk+1であればｉ番目に受信したビット値をグループｋに含める処理を行う。
【００２８】
ステップＳ２４０では、受信器１１０は、ステップＳ２２０で求めた各ｉ番目の周期内に対して時間領域を分割した小区間のｋ番目（k∈{1,2,...,N}）を求めた後、ｉ番目の周期及びｋ番目の小区間内に得られたビット値Ｂi,k(r)を求める。
【００２９】
ステップＳ２５０では、受信器１１０は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T) にさらに分解し、２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算する。その後、受信器１１０は、Ｓ(T)の部分集合
【００３０】
【数１】
2010251976.tif 000003
【００３１】
を公開チャネルを通じて送信器１００に送信する。
【００３２】
ステップＳ２６０では、各グループｋに対して個別にビット誤り率Ｅｋの推定を行う。具体的に説明すると、各グループに属するビット値と、そのビット値を得たシグナルに対して送信器１００が符号化したビット値を比べ、ビット値が異なっている割合をグループごとに計算する。
【００３３】
つまり、送信器１００は、まず受信した
【００３４】
【数２】
2010251976.tif 000004
【００３５】
の要素に含まれているＢi,k(r)とＢi(s)を比較する。そして、各ｋに対して、以下の式で求められるビット誤り率Ｅｋを計算する。
【００３６】
【数３】
2010251976.tif 000005
【００３７】
次に、送信器１００は、Ｅkをｋについて取捨選択、つまり、鍵蒸留処理を行っても鍵を生成できない程大きなビット誤り率Ｅｋを持つグループを捨てる。この取捨選択を行う基準となる閾値（上記『ある値』）は、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。つまり、［背景技術］の欄で説明したように、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなり、そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなるため、鍵を生成できない程大きなビット誤り率のグループを捨てる処理を行う。この選択後、残ったグループの集合をＦとする。その後、送信器１００は、採択することにしたｋの集合Ｆを受信器１１０に公開チャネルを通じて送信する。
【００３８】
そして、図３に示すように、Ｆ内のグループごとに鍵蒸留処理、すなわちビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルを行い、
【００３９】
【数４】
2010251976.tif 000006
【００４０】
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成する。
【００４１】
本実施形態を別の観点から言うと、図４にグループ構成の例を示したように最終的に生成する秘密鍵の和が最大になるように、各グループの長さ、すなわち定数ａ０,・・・,ａＮを定める。つまり、鍵生成率が最大化されるように、各グループの時間領域での長さを定める。なお、図４に示したグループ分けは単なる概念図であり、図４に示した長さは具体的な実験結果によって決めることができる。図４では、１番目と２番目のパルスを受信すると思われる時刻をそれぞれｔ１、ｔ２と書いており、グループは６つ構成してある。
【００４２】
このように本実施形態によれば、ビット誤り率を単純な粗視化によって求める代わりに、各グループからエリート選別、つまり鍵生成率がより高いものを選別することができ、量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。
【実施例２】
【００４３】
図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係る量子暗号通信データ処理方法の概略を説明するフロー図である。上記実施形態と本実施形態との違いは、図２におけるステップＳ２５０で受信器１１０が送信器１００へ送る情報の種類と、この情報を受信後送信器１００がビット情報を受信器１１０へ送り、受信器１１０がビット誤り率を計算しエリート選抜を行うことであり、それ以外は同じである。従って、以下ではステップＳ２４０以降を説明する。
【００４４】
ステップＳ２５０ｂでは、受信器１１０は、ビット値を含む集合｛(Ｂi,k(r), i, k)｝i,kを同一のｋの値をもつ要素(Ｂi,k(r), i, k)ごとにまとめた集合Ｓk=｛(Ｂi,k(r), i, k)｝iに分解し、それぞれのＳkの要素をランダムに２つの集合Ｓk(C)とＳk(T) にさらに分解し、２つの集合Ｓ(C)={Sk (C)}k=1,2,…nとＳ(T)={Sk (T)}k=1,2,…nを計算する。その後、受信器１１０は、集合
【００４５】
【数５】
2010251976.tif 000007
【００４６】
を公開チャネルを通じて送信器１００に送信する。
【００４７】
ステップＳ２６０ｂでは、受信器１１０から受け取った集合
【００４８】
【数６】
2010251976.tif 000008
【００４９】
に対応するビット情報
【００５０】
【数７】
2010251976.tif 000009
【００５１】
を送信器１００が公開チャネルを通じて受信器１１０に送信する。
【００５２】
ステップＳ２７０ｂでは各グループｋに対して個別にビット誤り率Ｅｋの推定を行う。具体的に説明すると、各グループに属するビット値と、そのビット値を得たシグナルに対して送信器１００が符号化したビット値を比べ、ビット値が異なっている割合をグループごとに計算する。
【００５３】
つまり、受信器１１０は、まず受信した
【００５４】
【数８】
2010251976.tif 000010
【００５５】
の要素に含まれているＢi(s)とＢi,k(r)を比較する。そして、各ｋに対して、以下の式で求められるビット誤り率Ｅｋを計算する。
【００５６】
【数９】
2010251976.tif 000011
【００５７】
次に、受信器１１０は、Ｅkをｋについて取捨選択、つまり、鍵蒸留処理を行っても鍵を生成できない程大きなビット誤り率Ｅｋを持つグループを捨てる。この取捨選択を行う基準となる閾値（上記『ある値』）は、具体的なビット誤り訂正プロトコルや秘匿性増強プロトコル等に依存する値である。つまり、［背景技術］の欄で説明したように、ビット誤り率が大きいと最終的に生成される秘密鍵の長さが短くなり、そして、ビット誤り率がある値を超えると秘密鍵を全く生成できなくなるため、鍵を生成できない程大きなビット誤り率のグループを捨てる処理を行う。この選択後、残ったグループの集合をＦとする。その後、受信器１１０は、採択することにしたｋの集合Ｆを送信器１００に公開チャネルを通じて送信する。
【００５８】
そして、図３に示すように、Ｆ内のグループごとに鍵蒸留処理、すなわちビット誤り訂正プロトコル及び秘匿性増強プロトコルを行い、
【００５９】
【数１０】
2010251976.tif 000012
【００６０】
の中からｋごとに個別に秘密鍵を生成する。
【００６１】
本実施形態を別の観点から言うと、図４にグループ構成の例を示したように最終的に生成する秘密鍵の和が最大になるように、各グループの長さ、すなわち定数ａ０,・・・,ａＮを定める。つまり、鍵生成率が最大化されるように、各グループの時間領域での長さを定める。なお、図４に示したグループ分けは単なる概念図であり、図４に示した長さは具体的な実験結果によって決めることができる。図４では、１番目と２番目のパルスを受信すると思われる時刻をそれぞれｔ１、ｔ２と書いており、グループは６つ構成してある。
【００６２】
このように本実施形態によれば、ビット誤り率を単純な粗視化によって求める代わりに、各グループからエリート選別、つまり鍵生成率がより高いものを選別することができ、量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。
【実施例３】
【００６３】
上記２つの実施形態と本実施形態との違いは、ステップＳ２３０で行われるグループ分けの方法だけである。つまり、上記実施形態では、時間をパラメータとしてグループ分けしていたが、本実施形態では、パルスの信号強度をパラメータとしてグループ分けを行う。以下の説明では、上述した実施形態と異なる点を重点的に説明する。
【００６４】
ステップＳ２２０では、受信器１１０は、ｉ番目のパルスの信号強度（光強度）を出来る限り正確に測定する。この測定した信号強度をＡｉとする。そして、ステップＳ２３０では、受信器１１０は、図５に示すようにＡｉの値に応じて信号を複数のグループに分ける。すなわち、定数ａ０,・・・,ａＮを予め決めておき、ａk≦Ａｉ＜ａk+1であればｉ番目の信号をグループｋに含める。なお、図５は、信号強度をもとにグループ分けを行う例を示す図であり、ｂｉはｉ番目に得られたビット値を表す。
【００６５】
その後、図２のステップＳ２６０及び図２（ｂ）のステップ２７０ｂで説明したように、各グループｋに対して個別にビット誤り率Ｅｋの推定を行い、エリート選別を行った後にグループごとに鍵蒸留処理を行うことにより、鍵生成率がより高いものを選別することができ、その結果、本実施形態によれば量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。
【実施例４】
【００６６】
上記３つの実施形態と本実施形態との違いは、ステップＳ２３０で行われるグループ分けの方法だけである。つまり、上記実施形態では、時間や信号強度をパラメータとしてグループ分けしていたが、本実施形態では、パルスの信号波形をパラメータとしてグループ分けを行う。以下の説明では、上述した実施形態と異なる点を重点的に説明する。
【００６７】
ステップＳ２２０では、受信器１１０は、ｉ番目のパルスの信号波形をまず記録する。この信号波形を時間の関数として表して、その関数をＡｉ（ｔ）とする。ここで、関数Ａｉ（ｔ）はｉ番目の信号を測定し始める時刻を０とし、測定が終わる時刻をＴとした場合、０≦ｔ≦Ｔに渡って定義されているとする。得られた信号波形を、関数形に応じて信号を複数のブロックに分ける。すなわち、信号波形ａ０（ｔ）,・・・,ａＮ（ｔ）を予め決めておき、Ａｉ（ｔ）がａ０（ｔ）からａＮ（ｔ）の信号波形の内どの波形に最も近いかを計算する。
【００６８】
この『近さ』の定義は任意の定義でよいが、一例として、Ａｉ（ｔ）とａk（ｔ）の近さｄikは、以下の式のように定義できる。
【００６９】
【数１１】
2010251976.tif 000013
【００７０】
もしＡｉ（ｔ）がａk（ｔ）に一番近ければ、ステップＳ２３０では、ｉ番目の信号をグループｋに含める処理を行う。図６に信号波形をもとにグループ分けを行う例を示す。ｂｉはｉ番目に得られたビット値を表す。
【００７１】
そして、ステップＳ２６０及び図２（ｂ）のステップ２７０ｂで説明したように、各グループｋに対して個別にビット誤り率Ｅｋの推定を行い、エリート選別を行った後にグループごとに鍵蒸留処理を行うことにより、鍵生成率がより高いものを選別することができ、その結果、本実施形態によれば量子暗号通信の長距離化や鍵生成速度の向上が可能となる。
【符号の説明】
【００７２】
１００  送信器
１１０  受信器
１１１  変調器
１１２  光子検出器
１２０  光ファイバー
１３０  光パルス
【図１】
2010251976.tif 000045
【図２】
2010251976.tif 000046
【図３】
2010251976.tif 000047
【図４】
2010251976.tif 000048
【図５】
2010251976.tif 000049
【図６】
2010251976.tif 000050