(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置であって、
光源から出力された光パルスをサニャック干渉計に出力するビームスプリッターと、
前記サニャック干渉計の光行路に挿入され、前記光パルスのうちいずれか一方向の光パルスに位相変調を施す位相変調器と、
前記サニャック干渉計の光行路に挿入され、位相変調された光パルスを出力する光カップラーと、
前記光カップラーから出力された前記位相変調された光パルスを、単一光子レベルにまで減衰させて伝送路に出力するアッテネーターと、
前記光源と前記ビームスプリッターとの間に挿入されたサーキュレーターであって、前記ビームスプリッターから出力され、前記サニャック干渉計の光行路を周回して干渉した光パルスを分岐するサーキュレーターと、
前記サーキュレーターから出力された干渉後の光パルスを電気信号に変換する光検出器とを備え、
前記光検出器で検出される光パルスの強度から位相変調の値を算出することを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項２】
前記光検出器で検出される光パルスの強度Ｗは、
0005475837.tif 000008
で与えられ、ここで、δは位相変調の値、Ｔは前記ビームスプリッターの透過率、ｔは前記光カップラーの前記サニャック干渉計の光行路の透過率、αは前記光源からの光パルスの平均光子数を表すことを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項３】
前記光カップラーの２つの出力ポートに、２本の光行路を介して接続されたビームスプリッターと、
前記２本の光行路の一方に挿入された可変遅延線と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光パルス発生装置。
【請求項４】
量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置であって、
光源から出力された光パルスを異なる光路長を有する２つの光行路に出力する第１のビームスプリッターと、
前記２つの光行路が入力ポートに接続された第２のビームスプリッターと、
前記第２のビームスプリッターの出力に接続され、前記２つの光行路のうちいずれか一方の光行路を通った光パルスに位相変調を施す位相変調器と、
前記位相変調器の出力に接続された第３のビームスプリッターと、
前記第３のビームスプリッターの一方の出力に接続されたミラーと、
前記第３のビームスプリッターの他方の出力から出力された前記位相変調された光パルスを、単一光子レベルにまで減衰させて伝送路に出力するアッテネーターと、
前記光源と前記第１のビームスプリッターとの間に挿入されたサーキュレーターであって、前記ミラーにおいて反射して、前記第１のビームスプリッターから出力された干渉した光パルスを分岐するサーキュレーターと、
前記サーキュレーターから出力された干渉後の光パルスを電気信号に変換する光検出器とを備え、
前記光検出器で検出される光パルスの強度から位相変調の値を算出することを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項５】
量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置であって、
光源から出力された光パルスを異なる光路長を有する２つの光行路に出力する第１のビームスプリッターと、
前記２つの光行路が入力ポートに接続された第２のビームスプリッターと、
前記２つの光行路のうちいずれか一方の光行路に挿入され、光パルスに位相変調を施す位相変調器と、
前記第２のビームスプリッターの出力に接続された第３のビームスプリッターと、
前記第３のビームスプリッターの一方の出力に接続されたミラーと、
前記第３のビームスプリッターの他方の出力から出力された前記位相変調された光パルスを、単一光子レベルにまで減衰させて伝送路に出力するアッテネーターと、
前記光源と前記第１のビームスプリッターとの間に挿入されたサーキュレーターであって、前記ミラーにおいて反射して、前記第１のビームスプリッターから出力された干渉した光パルスを分岐するサーキュレーターと、
前記サーキュレーターから出力された干渉後の光パルスを電気信号に変換する光検出器とを備え、
前記光検出器で検出される光パルスの強度から位相変調の値を算出することを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項６】
前記光検出器で検出される干渉光の強度Ｗは、
0005475837.tif 000009
で与えられ、ここで、δは位相変調の値、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３はそれぞれ前記第１、第２および第３ビームスプリッターの透過率、αは前記光源からの光パルスの平均光子数を表すことを特徴とする請求項４または５に記載の光パルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス発生装置に関し、より詳細には、量子暗号通信に用いる位相変調器において、位相変調の値を測定することができる光パルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報を盗聴者に漏らすことなく、正規の通信者間のみで秘密裏にデータのやり取りを行うことができる暗号技術は、現代の通信技術の核の１つである。既存の暗号方式として、公開鍵暗号方式と秘密鍵暗号方式とが知られている。公開鍵暗号方式は、計算速度の非常に速い計算機により破られてしまうことが知られている。また、公開鍵暗号方式は、非常に巧妙な数学のアルゴリズムにより破られてしまう可能性もある。その一方で、秘密鍵暗号方式は、送信者と受信者が盗聴者に知られていないビット値の乱数表、つまり秘密鍵を共有していれば安全であることが知られている。ここでは、如何にして秘密鍵を共有するかが問題となる。この問題を解決する方法として、量子暗号通信が最近注目されている。
【０００３】
量子暗号通信の安全性を研究する理論においては、通信装置の数学的なモデルを仮定する。そして、数学モデルが正しいという仮定の下では、量子暗号が無条件に安全であることを示すことができる。通信装置の数学モデルには、装置を特徴づけるパラメータがあるため、安全な通信のためには、実際に用いる装置がどのようなパラメータの値を取っているのかを調べる必要がある。
【０００４】
光パルスを伝送することによって行う量子暗号通信においては、光パルス発生装置の位相変調器が最も重要な要素となり、位相変調エラーの値が重要なパラメータとなる。実際の位相変調器では、理論的な位相変調の値に等しくすることは不可能であり、必ず位相変調エラーが生じる。この位相変調エラーの値、言い換えると実際に施した位相変調の値が与えられれば、非特許文献１に記載された方法を用いることにより、安全な秘密鍵を生成できることが知られている。従って、実際の量子暗号通信において、位相変調の値をリアルタイムに、かつ精密に測定することは、量子暗号通信の安全性を保障するために必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Daniel Gottesman, Hoi-Kwong Lo, Norbert Lutkenhaus, John Preskill, "Security of quantum key distribution with imperfect devices", Quant. Inf. Comput. 5 (2004) 325-360
【非特許文献２】M. Sasaki, M. Fujiwara, H. Ishizuka, et. al., "Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network", Optics Express Vol.19, Iss.11, pp.10387-10409 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の量子暗号通信においては、量子暗号通信を行う前に、オフラインで光パルス発生装置の位相変調器の精度を測定しておき、その精度によって量子暗号通信が行われているという前提のもとで行われていた。すなわち、光パルス発生装置において、リアルタイムでの位相変調の値を測定することは行われていなかった（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
本発明の目的は、量子暗号通信を行う際の位相変調の値を、リアルタイムにかつ精密に監視することができる光パルス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置であって、光源から出力された光パルスをサニャック干渉計に出力するビームスプリッターと、前記サニャック干渉計の光行路に挿入され、前記光パルスのうちいずれか一方向の光パルスに位相変調を施す位相変調器と、前記サニャック干渉計の光行路に挿入され、位相変調された光パルスを出力する光カップラーと、前記光カップラーから出力された前記位相変調された光パルスを、単一光子レベルにまで減衰させて伝送路に出力するアッテネーターと、前記光源と前記ビームスプリッターとの間に挿入されたサーキュレーターであって、前記ビームスプリッターから出力され、前記サニャック干渉計の光行路を周回して干渉した光パルスを分岐するサーキュレーターと、前記サーキュレーターから出力された干渉後の光パルスを電気信号に変換する光検出器とを備え、前記光検出器で検出される光パルスの強度から位相変調の値を算出することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の実施態様は、量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置であって、光源から出力された光パルスを異なる光路長を有する２つの光行路に出力する第１のビームスプリッターと、前記２つの光行路が入力ポートに接続された第２のビームスプリッターと、前記第２のビームスプリッターの出力に接続され、前記２つの光行路のうちいずれか一方の光行路を通った光パルスに位相変調を施す位相変調器と、前記位相変調器の出力に接続された第３のビームスプリッターと、前記第３のビームスプリッターの一方の出力に接続されたミラーと、前記第３のビームスプリッターの他方の出力から出力された前記位相変調された光パルスを、単一光子レベルにまで減衰させて伝送路に出力するアッテネーターと、前記光源と前記第１のビームスプリッターとの間に挿入されたサーキュレーターであって、前記ミラーにおいて反射して、前記第１のビームスプリッターから出力された干渉した光パルスを分岐するサーキュレーターと、前記サーキュレーターから出力された干渉後の光パルスを電気信号に変換する光検出器とを備え、前記光検出器で検出される光パルスの強度から位相変調の値を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、量子暗号通信に用いる位相変調器が実際に施している位相変調の値を、リアルタイムに監視することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置の一例であり、位相変調の値を、リアルタイムにかつ精密に監視することができる。レーザー光源１０１の出力に光サーキュレーター１０２が接続され、光サーキュレーター１０２の出力に光検出器１０３およびビームスプリッター１０４が接続されている。ビームスプリッター１０４の２つの出力ポートは、ループ状の光行路によって接続されており、ループ状の光行路には、精度を測定したい位相変調器１０５および光カップラー１０６が挿入されている。ループ状の光行路は、いわゆるサニャック（Sagnac）干渉計を構成している。また、ループ状の光行路には、ビームスプリッター１０４から光カップラー１０６までの反時計回りと時計回りの光路差を設定するための可変遅延線１０７が挿入されている。可変遅延線は、例えばヒートコントローラー、電動ディレイラインなどを適用することができる。
【００１４】
レーザー光源１０１から出力された単一光子レベルではない程度の比較的大きな強度のパルス光は、光サーキュレーター１０２を通過し、ビームスプリッター１０４によって分岐される。ビームスプリッター１０４から時計回りの光パルス（いずれか一方向の光パルス）は、位相変調器１０５で位相変調を施され、光カップラー１０６を経てビームスプリッター１０４に戻る。ビームスプリッター１０４から反時計回りの光パルス（他の方向の光パルス）は、位相変調器１０５による位相変調を受けず、ビームスプリッター１０４に戻り、時計回りの光パルスと干渉する。干渉後の光パルスは、光サーキュレーター１０２を介して光検出器１０３によって検出される。
【００１５】
この光検出器に入力される光パルスの強度Ｗは、
【００１６】
【数１】
0005475837.tif 000002
【００１７】
で与えられる。ここで、δは位相変調の実際の値、Ｔはビームスプリッター１０４の透過率、ｔは光カップラー１０６のループ状の光行路の透過率、αはレーザー光源１０１からの光パルスの平均光子数を表す。
【００１８】
透過率Ｔおよびｔが既知の場合、光パルスごとに強度Ｗを測定することにより、（式１）がδのみの方程式になる。複数のδの中から尤もらしい値を選択することにより、位相変調器１０５が施す位相変調の値を求めることができる。
【００１９】
透過率Ｔおよびｔが未知の場合、位相変調値が目標としている位相変調の値の組を、
【００２０】
【数２】
0005475837.tif 000003
【００２１】
とし、その実測値の組を、
【００２２】
【数３】
0005475837.tif 000004
【００２３】
とする。ｋ＝０は、位相変調器１０５をオフにした時の値を表す。レーザー光源１０１から、ある時間間隔をおいて複数の光パルスを生成し、それぞれの光パルスの強度ゆらぎ、光検出器１０３の検出効率ゆらぎ、光サーキュレーター１０２、ビームスプリッター１０４の性能ゆらぎを統計的に処理するために、それぞれの光パルスに対してｋをランダムに選択する。
【００２４】
各ｋに対しての平均光強度Ｗｋを求め、
【００２５】
【数４】
0005475837.tif 000005
【００２６】
を計算することにより、δｋとδ０の関係式が求められる。δｋはδ０の関数として複数求まるが、その中から尤もらしい値を選択することにより、位相変調器１０５が施そうとしている位相変調の値
【００２７】
【数５】
0005475837.tif 000006
【００２８】
が、位相変調器１０５がオフの時に対してどのくらい異なるか、すなわち位相変調エラーの値として、その平均値が求まることになる。
【００２９】
一方、光カップラー１０６において、反時計回りの光パルスおよび時計回りの光パルスと全く同じ相対位相を有する光パルスが、それぞれ２つの出力ポートから出力される。目的に応じて、一方の出力ポートのみからの光パルスを用いるか、両方の出力ポートからの光パルスを用いる。また、アッテネーター１０８ａ，１０８ｂによって、出力された光パルスの強度を、単一光子レベルにまで減衰させてから伝送路へ送ることができる。さらに、出力された光パルスの偏光を調整する手段を介して伝送路へ送ることもできる。さらにまた、盗聴者からの光の侵入を阻止するために光アイソレータを導入してもよい。
【００３０】
図２に、本発明の第２の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。第１の実施形態の光パルス発生装置との相違点のみ述べる。光カップラー１０６の２つの出力ポートには、２本の光行路を介してビームスプリッター１２２が接続されている。このうち一方の光行路には、可変遅延線１２２が挿入されている。
【００３１】
この構成によれば、ループ状の光行路を反時計回りの経路をとった光パルスと時計回りの経路をとった光パルスとを、時間差をつけて１本の伝送路に送信することができる。可変遅延線１２２によって、反時計回りの光パルスと時計回りのパルスとの時間差を調整することができる。
【００３２】
また、アッテネーター１２３によって、出力された光パルス列の強度を減衰させてから伝送路へ送ることができる。さらに、出力された光パルス列の偏光を調整する手段を介して伝送路へ送ることもできる。さらにまた、盗聴者からの光の侵入を阻止するために光アイソレータを導入してもよい。
【００３３】
図３に、本発明の第３の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置の一例であり、位相変調の値を、リアルタイムにかつ精密に監視することができる。レーザー光源１０１の出力に光サーキュレーター１０２が接続され、光サーキュレーター１０２の出力に光検出器１０３およびビームスプリッター１３１が接続されている。ビームスプリッター１３１の２つの出力ポートは、異なる光路長を有する２つの光行路を介して、ビームスプリッター１３２の２つの入力ポートに接続され、いわゆるマッハツェンダ干渉計を構成する。ビームスプリッター１３２の出力には、精度を測定したい位相変調器１３３が接続され、いずれか一方の光行路を通った光パルスにのみ位相変調を施す。位相変調器１３３の出力には、ビームスプリッター１３４が接続され、ビームスプリッター１３４の一方の出力には、ミラー１３５が接続されている。
【００３４】
レーザー光源１０１から出力された単一光子レベルではない程度の比較的大きな強度のパルス光は、光サーキュレーター１０２を通過し、ビームスプリッター１３１によって分岐される。２つの光行路を通った光パルスは、位相変調器１３３に入力され、一方の光行路を通った光パルスにのみに位相変調が施される。位相変調器１３３の出力は、ビームスプリッター１３４とミラー１３５とにより、ビームスプリッター１３２に戻る。このとき、位相変調器１３３は、どちらの光パルスにも位相変調を施さないようにする。ビームスプリッター１３２により分岐されて、合計４つの光パルス列が２つの光行路を伝播する。このとき、行きと帰りで異なる光経路を通った２つの光パルスが互いに干渉する。干渉後の光パルスは、光サーキュレーター１０２を介して光検出器１０３によって検出される。
【００３５】
この光検出器に入力される干渉光の強度Ｗは、
【００３６】
【数６】
0005475837.tif 000007
【００３７】
で与えられる。ここで、δは位相変調の実際の値、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３はそれぞれビームスプリッター１３１，１３２，１３３の透過率、αはレーザー光源１０１からの光パルスの平均光子数を表す。
【００３８】
透過率Ｔおよびｔが既知の場合、光パルスごとに強度Ｗを測定することにより、（式３）がδのみの方程式になる複数のδの中から尤もらしい値を選択することにより、位相変調器１３３が施す位相変調の値を求めることができる。透過率Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が未知の場合、位相変調の値の測定方法は、第１の実施形態と同じである。
【００３９】
ビームスプリッター１３４の出力ポートから、ビームスプリッター１３１によって分波された２つの光パルスと全く同じ相対位相を有する光パルスが出力される。目的に応じて、一方の光行路を通った光パルスを用いるか、両方の光パルスを用いる。また、アッテネーター１３６によって、出力された光パルスの強度を、単一光子レベルにまで減衰させてから伝送路へ送ることができる。さらに、出力された光パルスの偏光を調整する手段を介して伝送路へ送ることもできる。さらにまた、盗聴者からの光の侵入を阻止するために光アイソレータを導入してもよい。
【００４０】
図４に、本発明の第４の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。第３の実施形態の光パルス発生装置との相違点のみ述べる。ビームスプリッター１３１の２つの出力ポートは、異なる光路長を有する２つの光行路を介して、ビームスプリッター１３２の２つの入力ポートに接続されている。精度を測定したい位相変調器１４１は、光路長が長い方の光行路に挿入されている。位相変調器１４１の挿入位置が異なるだけで、動作原理は、第３の実施形態に同じである。
【００４１】
本実施形態によれば、量子暗号通信に用いられる光パルス発生装置の位相変調器が実際に施している位相変調の値をリアルタイムに監視することが可能となる。また、複数回位相変調を施した際の位相変調の平均を求めたい場合には、ビームスプリッター、光サーキュレーター、光カップラー、光検出器の効率などの要素の特性が未知の場合でも、位相変調の平均値を精度よく求めることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  レーザー光源
１０２  光サーキュレーター
１０３  光検出器
１０４，１２１，１３１，１３２，１３４  ビームスプリッター
１０５，１３３，１４１  位相変調器
１０６  光カップラー
１０７，１２２  可変遅延線
１０８，１２３，１３６  アッテネーター
１３５  ミラー
【図１】
0005475837.tif 000010
【図２】
0005475837.tif 000011
【図３】
0005475837.tif 000012
【図４】
0005475837.tif 000013