(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度多値変調を用いた光量子暗号を送信する光伝送装置において、
送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵として第１の擬似乱数列を生成する第１の擬似乱数生成部と、
該第１の擬似乱数生成部で生成された第１の擬似乱数列から基底を選択する基底選択部と、
送信すべき２値データと該基底選択部で選択された基底から多値レベルへの基底割付けに合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択部と、
送信装置が持つシード鍵から第２の擬似乱数列を生成する第２の擬似乱数生成部と、
該第２の擬似乱数生成部で生成された第２の擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成部と、
該変調レベル選択部から出力される信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成部で生成した擬似乱数により上下の信号レベルへ変動させる拡散部と、
該拡散部から出力される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調部と、を有し、
前記重み付き擬似乱数生成部は、前記拡散部で変動させる量が大きい程その生起確率が大きくなるような重みを、前記第２の擬似乱数生成部で生成される第２の擬似乱数列に付加することにより、同じ変動量が量子雑音のみで発生する場合の確率を補償し、量子雑音の影響度を均一にすること、を特徴とする光伝送装置。
【請求項２】
光強度多値変調を用いた光量子暗号を送信する光伝送装置において、
送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵として第１の擬似乱数列を生成する第１の擬似乱数生成部と、
該第１の擬似乱数生成部で生成された第１の擬似乱数列から基底を選択する基底選択部と、
送信すべき２値データと該基底選択部で選択された基底から多値レベルへの基底割付けに合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択部と、
送信装置が持つシード鍵から第２の擬似乱数列を生成する第２の擬似乱数生成部と、
該第２の擬似乱数生成部で生成された第２の擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成部と、
該変調レベル選択部から出力される信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成部で生成した擬似乱数により上下の信号レベルへ変動させる拡散部と、
該拡散部から出力される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調部と、を有し、
前記重み付き擬似乱数生成部は、入力される乱数を２進データに変換する２進変換部と、該２進変換部からの２進データに関連して疑似乱数列を生成するものであって、量子ショット雑音の拡散量が大きくなるほど重み付けを大きくするように、第２の擬似乱数列の入出力特性を非線形に変更するデータをテーブル化して保持する補正テーブルを備えること、を特徴とする光伝送装置。
【請求項３】
前記重み付き擬似乱数生成部は、入力される乱数を２進データに変換する２進変換部と、該２進変換部からの２進データに関連して疑似乱数列を生成するものであって、量子ショット雑音の拡散量が大きくなるほど重み付けを大きくするように、第２の擬似乱数列の入出力特性を非線形に変更するデータをテーブル化して保持する補正テーブルを備えること、
を特徴とする請求項１に記載の光伝送装置。
【請求項４】
前記重み付き擬似乱数生成部の複雑度を向上するための雑音発生部を更に有し、
前記拡散部は、該変調レベル選択部から出力される信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成部で生成した擬似乱数と該雑音発生部で発生した雑音信号により上下の信号レベルへ変動させること、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項記載の光伝送装置。
【請求項５】
光強度多値変調を用いた光量子暗号を送信する光伝送方法において、
送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵として第１の擬似乱数列を生成する第１の擬似乱数生成ステップと、
該生成された第１の擬似乱数列から基底を選択する基底選択ステップと、
送信すべき２値データと、基底選択によって選択された基底から多値レベルへの基底割付けに合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択ステップと、
送信装置が持つシード鍵を用いて第２の擬似乱数列を生成する第２の擬似乱数生成ステップと、
該第２の擬似乱数生成ステップで生成された第２の擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成ステップと、
該変調レベル選択から送られる信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成ステップで生成した擬似乱数により上下の信号レベルへ変動させる拡散ステップと、
該拡散によって生成される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調ステップを有し、
前記該重み付き擬似乱数生成ステップにおいて、量子ショット雑音の拡散量が大きくなるほど重み付けを大きくして、量子ショット雑音の分布形状に平坦部を形成するように、擬似乱数列の入出力特性を変更し、
かつ、前記重み付き擬似乱数生成は、前記拡散で変動させる量が大きい程その生起確率が大きくなるような重みを、前記第２の擬似乱数生成で生成される擬似乱数列に付加することにより、同じ変動量が量子雑音のみで発生する場合の確率を補償し、量子雑音の影響度を均一にすること、を特徴とする光伝送方法。
【請求項６】
該重み付き擬似乱数生成ステップの複雑度を向上するための雑音発生ステップを更に有し、
前記拡散ステップは、該変調レベル選択から送られる信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成ステップで生成した擬似乱数および該雑音発生ステップで発生した雑音信号により上下の信号レベルへ変動させること、
を特徴とする請求項５に記載の光伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送装置及び方法に係り、特にＹｕｅｎ量子暗号に代表される光強度多値変調を用いた光量子暗号の送信装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙｕｅｎ量子暗号は光通信量子暗号（Ｙ−００）通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を１つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、何れの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。
【０００３】
正規の送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができる。量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。Ｙｕｅｎ量子暗号を用いた通信の原理、及び送受信装置の構成については、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３０３９２７公報
【特許文献２】特開２０１０−１１４６６２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光通信量子暗号は光の量子ショット雑音を積極的に利用して、近接した複数の光信号レベルを盗聴者が検出する際に誤りを起こさせることで盗聴を防止する。この場合、受信時に発生する雑音の量や分布形状が安全性に大きく影響する。自然に得られる量子ショット雑音は、図１に示すように、雑音量が小さく、雑音振幅と発生確率の分布は釣鐘状をしている。そのため、複数の光信号レベルに均一に誤りを生じさせることは困難である。そこで、雑音量を拡大し、かつ量子ショット雑音を均一に分布させるように補正することが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、量子ショット雑音の分布形状を補正し、真の光信号レベルからの距離によらず量子雑音の影響度を均一に保つことを可能とし、光信号レベル間隔を広げることにより正規受信者への影響を抑え、安全性を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光伝送装置は、好ましくは、光強度多値変調を用いた光量子暗号を送信する光伝送装置において、
送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵として第１の擬似乱数列を生成する第１の擬似乱数生成部と、
該第１の擬似乱数生成部で生成された第１の擬似乱数列から基底を選択する基底選択部と、
送信すべき２値データと該基底選択部で選択された基底から多値レベルへの基底割付けに合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択部と、
送信装置が持つシード鍵から第２の擬似乱数列を生成する第２の擬似乱数生成部と、
該第２の擬似乱数生成部で生成された第２の擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成部と、
該変調レベル選択部から出力される信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成部で生成した擬似乱数により上下の信号レベルへ変動させる拡散部と、
該拡散部から出力される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調部と、を有することを特徴とする光伝送装置として構成される。
【０００８】
好ましい例では、前記重み付き擬似乱数生成部は、前記拡散部で変動させる量が大きい程その生起確率が大きくなるような重みを、前記第２の擬似乱数生成部で生成される第２の擬似乱数列に付加することにより、同じ変動量が量子雑音のみで発生する場合の確率を補償し、量子雑音の影響度を均一にする。
【０００９】
また、好ましくは、前記重み付き擬似乱数生成部は、入力される乱数を２進データに変換する２進変換部と、該２進変換部からの２進データに関連して疑似乱数列を生成するものであって、量子ショット雑音の拡散量が大きくなるほど重み付けを大きくするように、第２の擬似乱数列の入出力特性を非線形に変更するデータをテーブル化して保持する補正テーブルを備える。
【００１０】
また、好ましくは、前記重み付き擬似乱数生成部の複雑度を向上するための雑音発生部を更に有し、前記拡散部は、該変調レベル選択部から出力される信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成部で生成した擬似乱数と該雑音発生部で発生した雑音信号により上下の信号レベルへ変動させる。
【００１１】
本発明に係る光伝送装置は、好ましくは、光強度多値変調を用いた光量子暗号を送信する光伝送方法において、
送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵として第１の擬似乱数列を生成する第１の擬似乱数生成ステップと、
該生成された第１の擬似乱数列から基底を選択する基底選択ステップと、
送信すべき２値データと、基底選択によって選択された基底から多値レベルへの基底割付けに合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択ステップと、
送信装置が持つシード鍵を用いて第２の擬似乱数列を生成する第２の擬似乱数生成ステップと、
該第２の擬似乱数生成ステップで生成された第２の擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成ステップと、
該変調レベル選択から送られる信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成ステップで生成した擬似乱数により上下の信号レベルへ変動させる拡散ステップと、
該拡散によって生成される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調ステップを有し、
前記該重み付き擬似乱数生成ステップにおいて、量子ショット雑音の拡散量が大きくなるほど重み付けを大きくして、量子ショット雑音の分布形状に平坦部を形成するように、擬似乱数列の入出力特性を変更することを特徴とする光伝送方法として構成される。
【００１２】
好ましい例では、前記重み付き擬似乱数生成は、前記拡散で変動させる量が大きい程その生起確率が大きくなるような重みを、前記第２の擬似乱数生成で生成される擬似乱数列に付加することにより、同じ変動量が量子雑音のみで発生する場合の確率を補償し、量子雑音の影響度を均一にする。
【００１３】
また、好ましくは、該重み付き擬似乱数生成ステップの複雑度を向上するための雑音発生ステップを更に有し、前記拡散ステップは、該変調レベル選択から送られる信号レベルを、該重み付き擬似乱数生成ステップで生成した擬似乱数および該雑音発生ステップで発生した雑音信号により上下の信号レベルへ変動させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一定の安全性を保ったまま光信号レベル間隔を広げることができ、同一の光信号レベル数での伝送距離を伸ばすことが可能となる（正規受信者への影響低減）。また、一定の安全性を保ったまま光信号レベル間隔を広げることができ、伝送距離を変えずに光信号レベル数を低減することが可能となる（構成の簡略化）。また、雑音の分布形状が平坦なため、光信号レベル間隔の変動に対する安全性の変化を抑圧することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的な量子ショット雑音の分布状態を示す図。
【図２】一実施例により補正された量子ショット雑音の分布状態を示す図。
【図３】一実施例によるＹ−００送信装置の構成例を示すブロック図。
【図４】一実施例による重み付け擬似乱数生成部３６の構成例を示すブロック図。
【図５】実施例１における重み付け擬似乱数生成の例を示す図。
【図６】実施例１における重み付け擬似乱数生成部３６の補正データテーブルの構成例を示す図。
【図７】実施例２における重み付け擬似乱数生成の例を示す図。
【図８】実施例２における重み付け擬似乱数生成部３６の補正データテーブルの構成例を示す図。
【図９】一実施例によるＹ−００送信装置の雑音発生部３８の構成例を示すブロック図。
【図１０】他の実施例によるＹ−００送信装置の構成例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図１は、Ｙ−００通信における、一般的な量子ショット雑音の分布状態を示す。レーザ光を測定した場合に検出される光子数は、釣鐘状の検出確率（ポアソン分布）に従うため、検出確率は検出の期待値近傍ほど高く、離れるに従って低下する。従って、信号光からの距離が離れた信号レベルほど識別誤りが発生し難いという問題がある。
【００１７】
図２は、本発明により補正された量子ショット雑音の分布状態を示す。本発明によれば、釣鐘状の従来の分布（点線）を、矩形状（或いは台形状）の分布（実線）に補正する。即ち、所定の変換則に基づいて光レベルを変調することで、量子ショット雑音を拡散し、分布形状に平坦部（Ｗで示す部分）を形成する。これにより、一定の範囲Ｗで信号光からの距離によらず均一に識別誤りが発生することができる。
【００１８】
このように、釣鐘状を成した通常の量子ショット雑音（図１）では、期待値近傍の狭い部分で一定の影響度を示し、この範囲が全体の光信号レベル間隔を支配する。一方、本発明は、量子ショット雑音の分布形状の補正を行うことにより、図２に示すように、光信号レベル間隔を広げることが可能となる。伝送距離は光信号振幅に依存し、仮に光信号レベル間隔が１０倍になれば、同一の光信号レベル数では光信号振幅も１０倍になり伝送距離を伸ばすことができる。
【００１９】
次に、量子ショット雑音の分布形状を平坦形状に補正する具体的な構成について説明する。図３は、一実施例によるＹ−００送信装置の暗号化部の構成ブロックを示す。
Ｙ−００の暗号化部は、送受信装置間で共有している共有鍵をシード鍵１として擬似乱数列を高速に生成する擬似乱数生成部３１、擬似乱数生成部３１で生成した擬似乱数列から基底を選択する基底選択部３２、送信すべき２値の平文データと基底選択部３２で選択された基底から多値レベルへの基底割付け（マッピング）に合わせて信号レベルを選択する変調レベル選択部３３、送信装置が持つシード鍵２から擬似乱数列を高速に生成する擬似乱数生成部３５、擬似乱数生成部３５で生成された擬似乱数列から一定のルールで生起確率の重み付けをした擬似乱数列を生成する重み付き擬似乱数生成部３６、重み付き擬似乱数生成部３６の複雑度を向上するための雑音発生部３８、変調レベル選択部３３から出力される信号レベルを、重み付き擬似乱数生成部３６で生成した擬似乱数および雑音発生部３８で発生した雑音信号により上下の信号レベルへ変動させる拡散部３７、拡散部３７から出力される信号レベルにより多値光変調信号を生成する多値光変調部３４を有して構成される。
ここで、重み付き擬似乱数生成部３６の構成については、図４〜図６（実施例１）、図７〜図８（実施例２）を参照し、雑音発生部３８の構成については、図９を参照して後述する。
【００２０】
上記の構成により、重み付き擬似乱数生成部３６で、例えば拡散部３７で変動させる量が大きい程その生起確率が大きくなるような重みを擬似乱数生成部３５の擬似乱数生成に付加することにより、同じ変動量が量子雑音のみで発生する場合の確率を補償し、量子雑音の影響度を均一にすることが可能となる。
【００２１】
ここで、図９を参照して雑音発生部３８の構成について説明する。
雑音発生部３８は、多値光変調部３４と独立に用意した雑音発生用光信号のパワーを制御する光パワー制御部９１と、光パワー制御部９１からの光パワー制御信号により電気信号を光信号に変換する電気/光変換部９２と、出力される光信号を電気信号に変換して雑音信号を出力する光/電気信号変換部９３と、出力される雑音信号を平均化し、光パワーを一定にするように監視するローパスフィルタ９４を有して構成される。光/電気信号変換部９３から出力される、ランダムに変動するアナログ電気信号が雑音信号として拡散部３７に与えられる。
光信号には量子揺らぎがあるため、雑音光を電気に変化した場合でも量子ショット雑音が発生し、検出電圧がランダムに変動する。これが雑音信号となる。光/電気変換部９３が送受信装置の信号速度よりも十分に広帯域の場合は、発生する雑音信号は真性の乱雑性を持つ雑音となる。
【００２２】
次に、図４を参照して重み付き擬似乱数生成部３６の構成について説明する。
重み付き擬似乱数生成部３６は、入力データ（乱数）を２進データに変換する２進変換部４１と、補正テーブル４２を備え、当該補正テーブル４２の出力が疑似乱数となる。
補正テーブル４２は、擬似乱数列の入出力特性を非線形に変更するデータをテーブル化して保持するものであり、図６にその構成例を示す。−１２８から＋１２７まで示す２進８ビットの入力データによって、テーブルを索引して、補正データが出力される。
【００２３】
[実施例１]
図５は、重み付き擬似乱数生成部３６における重み付け擬似乱数生成の例を示す。図６は、図５の重み付け疑似乱数を生成するためのテーブル構成を示す。
量子ショット雑音を拡散して、分布形状の平坦部Ｗを形成するには、拡散量が大きくなるほど（即ち±３〜４となるほど）発生確率が大きくなるように、重み付けをすればよい。
そこで、図６に示すテーブルのように、小さな拡散量（拡散量−１〜＋１）は少なく、大きな拡散量（拡散量±４）は多くなるように、テーブルの内容を構成している。
このテーブル構成により、擬似乱数列の入出力特性を非線形に変換することができる。
【００２４】
[実施例２]
図７は、重み付き擬似乱数生成部３６における重み付け擬似乱数生成の例、図８は、その重み付け疑似乱数を生成するためのテーブル構成を示す。
この例は、拡散量が０と±４だけが生成されるようにテーブルを構成している。
【００２５】
[実施例３]
図１０は、他の実施例によるＹ−００送信装置の構成例を示す。
図３に示した構成例では、重み付き疑似乱数生成部３６からの信号と、雑音発生部３８からの雑音信号とによって、平文データを含む変調レベルを拡散する。これに対して、図１０の例では、雑音発生部３８からの雑音信号を、Ａ／Ｄ変換部３９´でデジタル信号に変換して、重み付き疑似乱数生成部３６´に与える。重み付き疑似乱数生成部３６´では、疑似乱数生成部３５で生成された疑似乱数と、雑音信号発生部３８からの雑音信号を重畳させて重み付き疑似乱数を生成する。拡散部３７´では、変調信号を疑似乱数で拡散させて、多値光変調部３４における多値光の変調を制御する。
【００２６】
実施例１では重み付き擬似乱数生成器の出力を利用してデジタル拡散を施した後、雑音発生部３８から出力されるアナログ雑音信号を利用して、多値光変調部３４の直前でアナログ拡散している。このため、実施例１では広帯域のアナログ回路が必要となる。これに対して、実施例３では、雑音発生部３８で発生したアナログ雑音信号をＡ／Ｄ変換部３９´でデジタル雑音信号に変換し、これを擬似乱数生成器３５の出力と加算して重み付き擬似乱数生成部３６´に入力している。このため、一旦Ａ／Ｄ変換すれば、従来のＹ−００技術と同様な技術で実現可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
３１:疑似乱数生成部１  ３２：基底選択部  ３３：変調レベル選択部  ３４：多値信号変調部  ３５：疑似乱数生成部２  ３６：重み付き疑似乱数生成部  ３７：拡散部  ３８：雑音発生部。
【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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【図９】
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【図１０】
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