(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の光子パルスを受信するための量子暗号受信器であって、少なくとも１つの光子検出器と、前記受信器を周期的にゲート作動するためのゲート信号を発生するゲート手段とを備えた量子暗号受信器において、前記ゲート手段は、第１のタイミング信号を発生するための第１の電子クロックを含み、そして前記ゲート信号は、前記第１のタイミング信号から導出され、
前記ゲート手段は、第１のタイミング信号からゲート信号を発生するための位相調整器を備え、この位相調整器は、ゲート信号と第１のタイミング信号との間に可変位相遅れを与えるように構成されており、
所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックが先行する一連の光子パルスを受信するように構成され、前記位相調整器は、前記ヘッダブロックに関連した検出事象を使用して、ゲート信号の絶対的位相を、一連の光子パルスの検出から生じる検出事象の位相と同期させるように構成されていることを特徴とする量子暗号受信器。
【請求項２】
前記ゲート信号は、前記受信器における次々の光子パルスの到着間の時間インターバルに実質的に等しい周期を有する、請求項１に記載の受信器。
【請求項３】
前記ゲート信号は、一連のゲートパルスで構成され、前記受信器は、ゲートパルス中に生じる光子検出事象のみを受け容れるように構成された、請求項２に記載の受信器。
【請求項４】
前記ゲート信号の周期は、各ゲートパルスの巾より少なくとも１０倍は大きい、請求項３に記載の受信器。
【請求項５】
前記位相調整器は、ゲート信号の位相と、前記少なくとも１つの検出器への光子パルスの到着に関連した検出事象の位相との間の差を最小にするように構成された、請求項１に記載の受信器。
【請求項６】
前記位相調整器は、位相固定ループを含む、請求項５に記載の受信器。
【請求項７】
少なくとも２対の光子検出器を備え、各対の光子検出器は、それに関連した偏光フィルタを含む、請求項１から６のいずれかに記載の受信器。
【請求項８】
受信器に到着する各光子パルスを、前記少なくとも２対の光子検出器の１つに関連した偏光フィルタへ向けるためにビーム操向素子を更に備えた、請求項７に記載の受信器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光子検出器は、単一光子検出器である、請求項１から８のいずれかに記載の受信器。
【請求項１０】
前記ゲート信号は、少なくとも１つの単一光子検出器に直接的に付与される、請求項１から９のいずれかに記載の受信器。
【請求項１１】
検出事象の発生を指示する出力信号を与えるためのデータ出力手段を備えた、請求項１から１０のいずれかに記載の受信器。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の受信器と、送信器とを備えた量子暗号装置であって、前記送信器は、光子パルス発生モジュール及び第２の電子クロックを含み、この光子パルス発生モジュールは、前記第２の電子クロックによって発生された第２のタイミング信号から導出されたインターバルだけ分離された一連の光子パルスを発生するように構成された、量子暗号装置。
【請求項１３】
前記第２の電子クロックにより発生される第２のタイミング信号の周波数は、前記第１の電子クロックにより発生される第１のタイミング信号の周波数に実質的に等しい、請求項１２に記載の量子暗号装置。
【請求項１４】
前記光子パルス発生モジュールは、少なくとも２つの偏光ベースのいずれか１つで偏光された光子パルスを発生するように構成された、請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記送信器は、ランダム番号ジェネレータを含む、請求項１２から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記送信器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックが先行する一連の光子パルスを発生するように構成された、請求項１２から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
送信器及び受信器をリンクするために標準的な通信リンクが設けられる、請求項１２から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
（ｉ）少なくとも１つの光子検出器を準備するステップと、（ii）前記少なくとも１つの光子検出器をゲート作動するためのゲート信号を発生するステップと、（iii）前記少なくとも１つの光子検出器を使用して一連の受信した光子パルスを検出するステップとを備えた、量子暗号信号を受信する方法において、前記ステップ（ii）は、第１の電子クロックから導出された第１のタイミング信号から前記ゲート信号を発生する段階を含み、
前記ステップ（ii）は、位相調整器により第１のタイミング信号からゲート信号を発生することを含み、この位相調整器は、ゲート信号と第１のタイミング信号との間に可変位相遅れを与えるように構成されており、
前記光子検出器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックが先行する一連の光子パルスを受信するように構成され、前記位相調整器は、前記ヘッダブロックに関連した検出事象を使用して、ゲート信号の絶対的位相を、一連の光子パルスの検出から生じる検出事象の位相と同期させるように構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１９】
ゲート信号を発生する前記ステップ（ii）は、前記第１のタイミング信号に遅延を与える段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ステップ（ii）は、位相固定フィードバックループを形成して、少なくとも１つの光子検出器のゲート作動を、少なくとも１つの光子検出器への光子パルスの到着と同期させる段階を含む、請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップ（iii）の前に、前記少なくとも１つの光子検出器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックを検出するように構成された、請求項１８から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップ（iii）は、少なくとも２つの偏光ベースの１つを使用して一連の光子パルスの各々を検出することを含む、請求項１８から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
第１のタイミング信号からゲート信号を発生する前記ステップ（ii）は、適当にプログラムされたコンピュータを使用して遂行される、請求項１８から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）一連の光子パルスを含むＱＣ信号を送信するステップと、（ｂ）請求項１８から２３のいずれかに記載の方法を使用してＱＣ信号を受信するステップとを備えた、ＱＣ通信の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号（ＱＣ）装置、及びこのような装置を動作する方法に係る。より詳細には、本発明は、ＱＣシステムの送信器及び受信器部分を同期するための装置及び方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
暗号化の目的は、情報へのアクセスを意図された受信者（１人又は複数）に完全に限定する仕方で情報を送信することである。従って、暗号化は、送信それ自体が他人によって受信された場合でも、微妙な情報をインターネットや移動電話ネットワークのような公衆チャンネルを経て安全に送信できるようにする。
【０００３】
暗号化の初期には、暗号化情報のセキュリティは、暗号化及び解読手順の機密性に依存するものであった。しかしながら、現在の通常のやり方は、暗号化されるべき情報（しばしば「平易テキスト」と称される）及び「キー」が暗号化アルゴリズムへ供給される暗号法を使用することである。このような機密キー構成では、暗号化及び解読アルゴリズムが公然と通知され、システムのセキュリティは、キーの機密性に完全に依存する。機密キーシステムに関連した主たる実際的な問題は、キーの安全な配布である。
【０００４】
量子暗号法も知られており、ＱＣシステムは、一般的に、送信器及び受信器を備え、これらは、典型的に「アリス(Alice)」及び「ボブ(Bob)」と各々呼称され、量子チャンネル及び因習的（例えば、公衆）チャンネルによりリンクされる。量子チャンネルは、送信器及び受信器に同一のランダム番号キーを確立するのに使用され、ハイセンベルグの不確実性原理に基づき、量子状態の測定が一般的にその状態を妨げるという事実の利点を取り入れるものである。量子チャンネルを使用して機密キーが配布されると、アリスとボブとの間で公衆チャンネルを経て暗号化情報を安全に通過させることができる。
【０００５】
典型的な量子通信技術において、アリスは、多数の偏光状態（例えば、０、４５、９０又は１３５）の１つにランダムに変調される単一光子のストリームを発生するように構成される。従って、各光子は、しばしばキュビット(qubit)と称される量子情報のビットを搬送することができる。ボブは、偏光ベース（例えば、直線ベース及び対角線ベース）のランダムシーケンスを使用してアリスから受け取った光子を測定するように構成される。次いで、ボブは、測定に使用するベースを、公衆チャンネルを経てアリスに通知し、次いで、アリスは、正しく選択されたベースを、再び公衆チャンネルを経てボブに通知する。次いで、ボブは、受け取った光子を測定するために彼が使用する偏光ベースが、光子を変調するためにアリスによって使用される偏光ベースに一致しない場合には、全ての測定を破棄することができる。このように、ボブとアリスは、各測定に使用される偏光ベースだけを開示し、そして測定結果を開示せずに完全に一致するビットストリングが残される。
【０００６】
アリスからボブへ送信される光子を傍受することによりキーに関する情報を得ようと試みる典型的にイブ(Eve)と称する盗聴者は、アリスにより各光子に適用された偏光状態を知るすべがない。それ故、イブは、自分の測定のためのベースをランダムに選択しなければならず、アリスによって送信された光子の偏光状態を知るすべがなく、従って、それを正確に再生することはできない。従って、盗聴者は、アリスにより送信された光子の偏光を測定する行為によりボブに通される情報を駄目にしてしまうことが不可避である。従って、アリスとボブは、チェックとして、ランダムに幾つかのビットを選択して互いに見せ合うことができる。ビットが一致する場合には、残りのビットを、それらが傍受されていないという自信をもって使用することができる。しかしながら、実質的な数の食い違いが見つかった場合には、盗聴者の存在が指示され、キーが破棄される。従って、量子通信の使用は、機密キーを完全なセキュリティで通信できるようにする。
【０００７】
以上のことから明らかなように、ＱＣシステムが有効に動作するためには、各検出事象が、それに対応する送信事象に一致するのが好ましい。換言すれば、システムは、単一光子パルスがアリスから到着することが予想されるときがボブに分かるように構成されねばならない。従って、ノイズから生じる偽の検出の影響を減少するために、ＱＣシステムの受信器は、典型的に、送信器からの光子の受信が予想される時間周期内に検出事象が生じない限り検出事象が破棄されるようにゲート作動される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまで、受信器のゲート作動は、いわゆる「明パルス(bright pulse)」機構を使用することにより達成されている。このような機構では、単一光子パルスが、異なる波長の明パルスと混合される。受信器は、単一光子パルスから明パルスを分離するために二色性フィルタを備えている。明パルスは、検出器（弱パルスを検出するのに使用される単一光子検出器とは全く別のものである）へ通され、明パルスの到着を利用して、弱パルスの予想到着時間が決定される。しかしながら、このような機構を具現化すると、ＱＣシステムの送信器及び受信器の両部分の複雑さ及びコストが増大する。
【０００９】
本発明の目的は、ＱＣ装置及びこのような装置を動作する方法を提供することである。本発明の更に別の目的は、上述した形式のＱＣシステムに関連した欠点の少なくとも幾つかを軽減する改良されたＱＣ装置、及びこのような装置を動作する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、一連の光子パルスを受信するための量子暗号受信器であって、少なくとも１つの光子検出器と、前記受信器を周期的にゲート作動するためにゲート信号を発生するゲート手段とを備えた量子暗号受信器において、前記ゲート手段は、第１のタイミング信号を発生するための第１の電子クロックを含み、そして前記ゲート信号は、前記第１のタイミング信号から導出されることを特徴とする量子暗号受信器が提供される。
【００１１】
従って、関連ＱＣ送信器からの光子パルスの到着が予想される時間インターバル中にのみ光子検出を受け容れるように受信器をゲート作動できるＱＣ受信器が提供される。これは、電子（例えば、クオーツ）クロックから導出されるタイミング信号を使用して達成され、従って、各単一光子パルスに付随するための明パルスを必要とせず、即ち上述した形式の従来の「明パルス」機構の使用が回避される。明パルス機構の使用が回避されることは、ＱＣ送信器及び受信器の両方の複雑さを低減し、これにより、ＱＣシステムの製造をより安価にし、且つ複雑さを少なくするという効果を奏する。
【００１２】
ゲート信号は、受信器における次々の光子パルスの到着間の時間インターバルに実質的に等しい周期を有するのが好ましい。ゲート信号は、一連のゲートパルスで構成されるのが便利であり、前記受信器は、ゲートパルス中に生じる光子検出事象のみを受け容れるように構成される。換言すれば、受信器は、ゲートパルスが付与されたときに受信器に到着する光子のみを感知する。ここで使用する「ゲートパルス」という語は、ゲート信号が特定の電圧トリガーレベルに保持される時間インターバルを意味し、従って、ゲートパルスは、ゲート信号電圧の上昇又は降下で構成される。
【００１３】
ゲート信号の周期は、各ゲートパルスの巾よりも少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、又は少なくとも１０００倍は大きいのが好都合である。このように、ＱＣ送信器からの単一光子パルスの受信に関連しない検出事象を割り引いて、システムの信号対雑音比を高めることができる。しかしながら、ゲートパルスの巾が短いほど、明らかに、光子パルスの予想到着時間の予想精度が高いことを必要とする。ゲート信号の周期に対するゲートパルスの巾は、使用中に変化してもよく、即ちゲートパルス巾は、必要に応じて減少又は増加することができる。
【００１４】
ゲート手段は、タイミング信号からゲート信号を発生するための位相調整器を含むのが便利であり、この位相調整器は、ゲート信号と第１のタイミング信号との間に可変位相遅れを与えるように構成される。ゲート信号は、第１のタイミング信号の遅延形態でよい。更に、位相調整器は、ゲート信号の位相と、前記少なくとも１つの検出器における光子パルスの到着に関連した検出事象の位相との間の差を最小にするように構成される。位相調整器は、ゲート信号と、予想される光子パルス到着時間との継続した同期を保証するように、動作中に与えられる位相遅れを連続的に調整することができる。このような機構を具現化する便利な方法は、位相固定ループ構成体を含む。
【００１５】
受信器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックが先行する一連の光子パルスを受信するように構成されるのが好都合であり、前記位相調整器は、前記ヘッダブロックに関連した検出事象を使用して、ゲート信号の絶対的位相を、一連の光子パルスの検出から生じる検出事象の位相と同期させるように構成される。このようなヘッダブロックの使用は、システムにより放出される第１パルスに対応するゲートパルスを識別できるようにする。換言すれば、ヘッダブロックは、アリスからどの光子パルスを今受け取ったかボブに分かるように保証する。
【００１６】
受信器は、少なくとも２対の光子検出器を備え、各対の光子検出器は、それに関連した偏光フィルタを含むのが便利である。受信器に到着する各光子パルスを、前記少なくとも２対の光子検出器の一方に関連した偏光フィルタへ向けるためにビーム操向素子を便利に含ませることができる。このように、受け取られた光子は、偏光フィルタ（例えば、適切に配向された直線偏光ビームスプリッター）及び一対の光子検出器を含む２つ以上の受信チャンネルの１つに向けられる。従って、各受信チャンネルは、ある偏光ベース（例えば、直線、対角、円ベース、等）を使用して光子偏光を測定するように構成され、そしてビーム操向素子は、入射光子パルスを前記受信チャンネルの１つにランダムに向ける。このように、受信器は、少なくとも２つの異なる偏光ベースの１つを使用して測定を行うように構成される。
【００１７】
関連ＱＣ送信器による単一光子パルスの発生は、典型的に、受信器が単一光子検出器（即ち、単一光子事象を検出できる検出器）を含むことを必要とする。このような真の単一光子システムでは、量子機構の法則のために盗聴は物理的に困難である。しかしながら、送信器により発生される各光子パルスは、システムのセキュリティに著しく影響せずに、複数の光子を含んでもよいことに注意されたい。換言すれば、非常に低い強度を有する（即ち、少数の光子を含む）光子パルスを発生するＱＣ送信器を設けることができる。このようなケースでは、単一光子検出器が好ましいが、本質的ではない。
【００１８】
一実施形態において、少なくとも１つの検出器は、ゲート信号が印加されたときに生じる光子検出事象のみを出力するように、電子的にゲート作動可能である。従って、このケースでは、ゲート信号は、少なくとも１つの単一光子検出器に直接的に付与される。このようなケースでは、ゲート信号は、単一光子検出器が必要なときだけ入射光子を感知するようにさせる。或いは又、少なくとも１つの検出器が光子を連続的に感知するようなゲート構成体を使用できるが、ゲート信号を受信したときだけ検出器を入射放射に露出させるための機械的又は電気−光学的シャッター構成体が設けられる。当業者であれば、本発明の受信器に使用できる多数のゲート装置が明らかであろう。しかしながら、ゲート作動は、ソフトウェアで与えられるのが好ましい。従って、少なくとも１つの検出器が光子を連続的に感知し、そして全ての検出事象がそれらの到着時間と共に記録される。次いで、プロセッサは、到着時間をゲートパルスのタイミングと比較し、それらがゲート時間内に生じたかどうかに基づいて事象を受け容れ又は拒絶する。
【００１９】
受信器は、検出事象の発生を指示する出力信号を与えるためのデータ出力手段を含むのが好ましい。多検出器システムのケースでは、事象を記録する特定の検出器は、受信した光子の偏光状態に関する情報を与える。
【００２０】
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による受信器と、送信器とを備えた量子暗号装置であって、送信器は、光子パルス発生モジュール及び第２の電子クロックを含み、光子パルス発生モジュールは、前記第２の電子クロックにより発生された第２のタイミング信号から導出されたインターバルで分離された一連の光子パルスを発生するように構成された、量子暗号装置が提供される。従って、この形式のＱＣ装置は、上述したように暗号キーを配布できるところの安全な量子チャンネルを２つの位置間に確立できるようにする。送信器及び受信器をリンクするために標準的な通信チャンネルが設けられてもよい。
【００２１】
第２の電子クロックにより発生される第２のタイミング信号の周波数は、第１の電子クロックにより発生される第１のタイミング信号の周波数に実質的に等しいのが好都合である。例えば、第１及び第２の電子クロックは、実質的に同一の温度安定化クオーツクロックでよい。
【００２２】
光子パルス発生モジュールは、少なくとも２つの偏光ベースのいずれか１つで偏光された光子パルスを発生するように構成されるのが便利である。このように、異なる、ランダムに選択された偏光ベースを使用してエンコードされた光子パルスのストリームを発生することができる。
【００２３】
送信器は、ランダムな暗号キーを発生するためのランダム番号ジェネレータを含むのが好都合である。例えば、出願中の特許出願ＧＢ０６０３５２３．２号に説明された形式のランダム番号ジェネレータを含んでもよい。
【００２４】
送信器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックが先行する一連の光子パルスを発生するように構成されるのが好ましい。上述したように、このようなヘッダブロックの使用は、送信器及び受信器の同期を可能にする。
【００２５】
本発明の第３の態様によれば、量子暗号システムの送信器は、少なくとも１つのレーザーより成り、この少なくとも１つのレーザーは、単一光子レーザーである。従って、弱い（例えば、単一光子）パルスを発生するためのレーザーのみを備え、「明パルス」機構を具現化するのに必要な高電力レーザーは含まない送信器が提供される。
【００２６】
本発明の第４の態様によれば、量子暗号信号を受信する方法は、（ｉ）少なくとも１つの光子検出器を準備するステップと、（ii）前記少なくとも１つの光子検出器をゲート作動するためのゲート信号を発生するステップと、（iii）前記少なくとも１つの光子検出器を使用して一連の受信した光子パルスを検出するステップとを備え、前記ステップ（ii）は、第１の電子クロックから導出された第１のタイミング信号から前記ゲート信号を発生する段階を含む、ことを特徴とする。
【００２７】
ゲート信号を発生する前記ステップ（ii）は、前記第１のタイミング信号に遅延を与える段階を含むのが便利である。例えば、必要な遅延を与えるために位相調整器を使用することができる。更に、前記ステップ（ii）は、位相固定フィードバックループを形成して、少なくとも１つの光子検出器のゲート作動を、少なくとも１つの光子検出器への光子パルスの到着と同期させる段階を含んでもよい。
【００２８】
前記ステップ（iii）の前に、前記少なくとも１つの光子検出器は、所定の疑似ランダムビットシーケンスをエンコードする光子パルスのヘッダブロックを検出するように構成されるのが好都合である。前記ステップ（iii）は、少なくとも２つの偏光ベースの１つを使用して一連の光子パルスの各々を検出することを含むのが便利である。２つ以上の異なる検出チャンネルを使用して、このような測定を行うことができる。
【００２９】
第１のタイミング信号からゲート信号を発生する前記ステップ（ii）は、適当にプログラムされたコンピュータを使用して遂行されるのが便利である。換言すれば、第１のタイミング信号と、少なくとも１つの光子検出器により出力される検出事象信号とを受信するように適当にプログラムされたコンピュータが設けられる。このコンピュータは、次いで、検出事象が予想されるときにゲート信号が検出器（１つ又は複数）をゲート作動するように位相固定ループを確立する。本発明を具現化するためのコンピュータプログラムも提供される。
【００３０】
本発明の第５の態様によれば、ＱＣ通信の方法は、（ａ）一連の光子パルスを含むＱＣ信号を送信するステップと、（ｂ）本発明の第４の態様の方法を使用してＱＣ信号を受信するステップとを備えている。
【００３１】
以下、添付図面を参照して、本発明を一例として詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のＱＣ装置を示す図である。
【図２】本発明のＱＣ装置の量子チャンネルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１を参照すれば、送信器「アリス」２及び受信器「ボブ」４を備えたＱＣシステムが示されている。送信器２及び受信器４は、一方向性量子チャンネル６及び標準的な両方向性通信チャンネル８により接続される。
【００３４】
図２を参照すれば、図１の量子暗号装置の量子チャンネル６を形成するのに使用される装置が示されている。より詳細には、アリス２は、量子送信器１２を備え、そしてボブ４は、量子受信器１４を備えている。
【００３５】
量子送信器１２は、第１のクロック１８によりトリガー信号が供給されたときに偏光された単一光子パルスを発生するように構成された量子パルスジェネレータ１６を備えている。この量子パルスジェネレータ１６によって発生される単一光子パルスは、４つの偏光状態のうちの１つを有する。この実施例では、各単一光子パルスは、直線ベースを使用して偏光される（即ち、０°又は９０°に直線的に偏光される）か、又は対角ベースを使用して偏光される（即ち、４５°又は１３５°に直線的に偏光される）。従って、量子パルスジェネレータ１６は、適切に配向された偏光素子を各々有する４つの単一光子ソースを含む。又、量子パルスジェネレータ１６は、送信器からの光子出力が共通の光学路に沿って量子受信器１４へ通過するように４つの単一光子ソースの各々の出力を合成するための光学的構成体（図示せず）も備えている。
【００３６】
このような量子パルスジェネレータ構成体は、単一光子ストリームを発生する便利な仕方を与えるが、当業者であれば、多数の別の量子パルス発生技術も適用できることが明らかであろう。同様に、当業者であれば、この実施例で述べる直線ベース及び対角ベースではなく、２つ以上の相互に排他的な偏光ベースも使用できることが認識されよう。
【００３７】
使用中に、量子パルスジェネレータ１６は、ランダム番号ジェネレータ（図示せず）により発生されるような一連のランダムバイナリーデータビットを受信する。このようなタスクに適したランダム番号ジェネレータが本出願人のＧＢ特許出願ＧＢ０６０３５２３．２号に説明されている。量子パルスジェネレータ１６は、ランダムに選択された偏光ベースを使用して情報の各ランダムビットをエンコードし、この場合も、ベース選択のランダムさは、ランダム番号ジェネレータからの出力を使用して達成することができる。量子パルスジェネレータ１６により出力される単一光子パルスは、第１のクロック１８からトリガー信号を受信した際に規則的なインターバルで発生される。
【００３８】
一例として、バイナリーストリーム「０−１−０−１−１」の各ビットは、直線ベースをＲとし、対角ベースをＤとすれば、ランダムに選択されたベース「Ｄ−Ｒ−Ｒ−Ｄ−Ｒ」を使用してエンコードすることができる。このような例では、バイナリーストリームは、量子パルスジェネレータにより、直線偏光状態「４５°−９０°−０°−１３５°−９０°」を有する一連の単一光子パルスへと変換される。これは、バイナリー「０」が直線及び対角偏光ベースにおいて各々０°及び４５°偏光状態で表わされると仮定する。送信器のソフトウェアは、ランダム番号ジェネレータから２つのビットを読み取り、そしてそれらを使用して、４つの出力ラインのどの１つが正しいレーザーダイオードをアクチベートすべくパルス作動するか決定する。各単一光子パルスは、第１のクロック１８によって発生されるトリガー信号の周期で決定される固定時間インターバルだけ手前のパルス及び後続パルスから分離される。
【００３９】
ボブの量子受信器１４は、プロセッサ２２により与えられるゲート信号によってゲート作動される単一光子検出モジュール２０を備えている。単一光子検出モジュール２０は、受け取った光子パルスを、直線ベースチャンネル２６及び対角ベースチャンネル２８のいずれか一方に向けるためにビーム操向素子２４を備えている。プロセッサ２２は、直線ベースチャンネル２６及び対角ベースチャンネル２８の両方の単一光子検出器（図示せず）へゲート信号を付与することができる。従って、単一光子検出器は、ゲート信号が付与される周期中にのみ、入射光子を感知するようにされる。或いは又、各検出事象が単一光子検出器によって記録され、各パルスの到着時間が記録されてもよい。次いで、ゲート信号の時間内に生じる検出事象のみが受け容れられるようにゲート信号がプロセッサにより付与される。
【００４０】
プロセッサ２２は、第２のクロック３２からクロック信号を受信するように構成される。量子送信器の第１のクロック１８及び受信器の第２のクロック３２は、高精度の、温度制御型クオーツクロックで、各々、１０ＭＨｚの出力周波数を有している。これらクロックは、数十分の１ヘルツしか相違しない周波数をもつように構成される。Ｃ−ＭＡＣフリケンシープロダクツ社により製造されたＣＦＰＯ−４Ａ１高安定性オーブン制御クリスタル発振子のような高安定性発振器がクロックとして適している。
【００４１】
プロセッサ２２は、第２のクロック３２のタイミングパルスから導出される第３の「ソフトウェア」クロックを維持するソフトウェアを実行する。この第３のクロックは、最初は、第２のクロック３２と同期されるが、この第３のクロックを送信器の第１のクロック１８と同期できるように遅延が与えられる。このように、送信器の第１のクロックは、受信器の第３のクロックと実質的に同じ周波数で動作するが、送信器と受信器との間の送信遅延を補償する位相差、及び第１のクロック１８と第２のクロック３２との間の周波数差を伴う。
【００４２】
第３のクロックと第１のクロックを同期させるために、プロセッサは、１０ミリ秒の時間インターバルにわたり単一光子検出モジュールによって記録された単一光子検出事象を累積するように構成される。各検出事象と、第３クロックの最も近いタイミング事象との間の時間差は、「検出位相」と称され、時間インターバルにわたって平均化される。次いで、第２のクロックに対する第３のクロックの位相は、次の１０ミリ秒の時間インターバルにおける検出位相をゼロに近付ける試みにおいて変化される。このプロセスを約１０秒間繰り返すことで、第３のクロックを送信器のクロックの正確なコピーとすることができる（送信器と受信器との間の送信遅延を補償するように適当な位相シフトを伴い）。
【００４３】
上述した技術は、光子の到着時間を約１ナノ秒の精度で予想できることが分かった。この精度は、背景事象の大部分を拒絶するように単一光子検出モジュール２０をゲート作動できるようにする。特に、１００ｎｓの送信周期から選択された２つの１．４ｎｓゲートは、背景検出率を７０の係数で減少することが示された。
【００４４】
もちろん、当業者であれば、適当なコンポーネントを選択することによって他の時間巾及び周波数を使用できることが明らかであろう。例えば、本発明は、１．１ｎｓのゲート巾に関連して２０ＭＨｚの周波数をもつクロックを使用して実施された。
【００４５】
使用中に、単一光子検出モジュール２０のビーム操向素子２４は、送信器から受信された各パルスを直線ベースチャンネル２６及び対角ベースチャンネル２８の一方へ通過させるように構成される。上述した例を取り上げると、偏光ベース「Ｄ−Ｒ−Ｒ−Ｄ−Ｒ」を使用してアリスにより発生された一連の単一光子パルスは、直線ベースチャンネル２６をＲ’とし、対角ベースチャンネル２８をＤ’とすれば、ランダムに選択されたチャンネル「Ｄ’−Ｒ’−Ｄ’−Ｒ’−Ｒ’」に向けられる。次いで、アリスとボブは、両方向通信チャンネル８を使用して、光子を発生するためにアリスが使用した同じ偏光ベースを使用してボブが光子パルスをいつ測定したか決定することができる。この例では、アリスとボブの偏光ベースが、第１、第２及び第５の光子パルスに対して一致し、従って、ボブは、バイナリーデータストリームの第１、第２及び第５のデータビットを正しくデコードすることになる。
【００４６】
各検出事象が正しい送信事象と相関されることを保証するために、送信器を出る第１のパルスに対応する特定のクロックサイクルを識別することもできる。これは、通常の暗号送信の前に情報のヘッダブロックを送信することにより行われる。ヘッダブロックの強度は、４つの送信チャンネル全部を同時に使用することによって最大にされる。送信器は、疑似ランダムビットシーケンス（ＰＲＢＳ）で変調され、そして受信器は、検出事象を同じシーケンスと相関させ、送信スタート時間を決定する。ヘッダブロックは、適度な数の検出事象がその時間に受信されるよう保証するために１１０ｍｓの時間を有する。１１０ｍｓの周期で１０ＭＨｚにおいて単一ＰＲＢＳを送信するのではなく、２つの個別のシーケンスを使用するのが好ましいことが分かった。第１シーケンスは、５１．１μｓの周期を有し、そして第２シーケンスは、１０２．３μｓの周期を有する。２つのシーケンスを合成することで、ヘッダのスタートを１００ｎｓの解像度及び５２ｍｓの有効周期で識別することができる。２０４．７μｓの周期をもつ第３のＰＲＢＳを使用して、全プロセスの正しい動作をチェックする。
【符号の説明】
【００４７】
２：送信器
４：受信器
１２：量子送信器
１４：量子受信器
１６：量子パルスジェネレータ
１８：第１のクロック
２０：単一光子検出モジュール
２２：プロセッサ
２４：ビーム操向素子
２６：直線ベースチャンネル
２８：対角ベースチャンネル
３２：第２のクロック
【図１】
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【図２】
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