(57)【要約】【課題】乱数発生器を必要とせず、また、単一光子検出器が２台で動作する、量子鍵配送用受信器を提供する。【解決手段】入力される光子は、ハーフミラー２０から第１の単一光子検出器４１に至る第１及び第２の経路と、ハーフミラーから第２の単一光子検出器４２に至る第３及び第４の経路のいずれか１つの経路を経て、第１及び第２の単一光子検出器のいずれか一方で検出され、第１の経路と第２の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）の遅延時間差が与えられ、第３の経路と第４の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎの遅延時間差が与えられる。【選択図】図１
2014171165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハーフミラーと、
偏光変換器と、
第１〜４の偏光ビームスプリッタと、
第１及び第２の単一光子検出器と
を備え、
入力される光子は、前記ハーフミラーから前記第１の単一光子検出器に至る、それぞれ２つの偏光ビームスプリッタを経由する第１及び第２の経路と、前記ハーフミラーから前記第２の単一光子検出器に至る、それぞれ２つの偏光ビームスプリッタを経由する第３及び第４の経路のいずれか１つの経路を経て、第１及び第２の単一光子検出器のいずれか一方で検出され、
前記第１の経路と前記第２の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）の遅延時間差が与えられ、
前記第３の経路と前記第４の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎの遅延時間差が与えられる。
ことを特徴とする量子鍵配送用受信器。
【請求項２】
前記ハーフミラーは第１〜３の入出力端を備え、
前記第１〜４の偏光ビームスプリッタは、それぞれ第１〜３の入出力端を備え、第１の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第２の入出力端から出力し、前記規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第３の入出力端から出力し、前記第２の入出力端に入力された前記規定偏波光と、前記第３の入出力端に入力された前記直交偏波光を第１の入出力端から出力し、
前記ハーフミラーの第２の入出力端は、前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端と接続され、
前記ハーフミラーの第３の入出力端は、前記偏光変換器を経て、前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端に接続され、
前記第１の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端と前記第２の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端、前記第１の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端と前記第３の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、前記第２の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端と前記第４の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、及び、前記第３の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端と前記第４の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端が、それぞれ接続され、
前記第２の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端が前記第１の単一光子検出器に接続され、
前記第３の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端が前記第２の単一光子検出器に接続されていて、
前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第１又は第２の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第１及び第２の単一光子検出器に入力されるまでの光路長は、全て等しく、
前記ハーフミラーの第２の入出力端から前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端までの光路長と、前記ハーフミラーの第３の入出力端から前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端までの光路長との間に、Ｔ／ｎの遅延時間差に対応する光路長差がある
ことを特徴とする請求項１に記載の量子鍵配送用受信器。
【請求項３】
前記ハーフミラーは第１〜３の入出力端を備え、
前記第１〜４の偏光ビームスプリッタは、それぞれ第１〜３の入出力端を備え、第１の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第２の入出力端から出力し、前記規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第３の入出力端から出力し、前記第２の入出力端に入力された前記規定偏波光と、前記第３の入出力端に入力された前記直交偏波光を第１の入出力端から出力し、
前記ハーフミラーの第２の入出力端は、前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端と接続され、
前記ハーフミラーの第３の入出力端は、前記偏光変換器を経て、前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端に接続され、
前記第１の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端と前記第３の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端、前記第１の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端と前記第３の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、前記第２の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端と前記第４の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、及び、前記第２の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端と前記第４の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端が、それぞれ接続され、
前記第２の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端が前記第１の単一光子検出器に接続され、
前記第３の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端が第２の前記単一光子検出器に接続されていて、
前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第１の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、前記第３の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端を経て前記第２の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第１の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第１の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端、前記第３の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端を経て前記第２の単一光子検出器に入力されるまでの光路長との間に、Ｔ／ｎの遅延時間差に対応する光路長差があり、
前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第４の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端、前記第２の偏光ビームスプリッタの第３の入出力端を経て第１の単一光子検出器に入力されるまでの光路長と、前記第４の偏光ビームスプリッタの第１の入出力端から、前記第４の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端、前記第２の偏光ビームスプリッタの第２の入出力端を経て前記第１の単一光子検出器に入力されるまでの光路長との間に、Ｔ／ｎの遅延時間差に対応する光路長差がある
ことを特徴とする請求項１に記載の量子鍵配送用受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子もつれ光子対を用いた量子鍵配送システムで用いられる、暗号鍵を作成するための光子を受信する量子鍵配送用受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報漏洩の無い安全な暗号通信を実現するためには、情報の暗号化及び復号化に利用する鍵を、盗聴者などの第三者に知られることなく、送信者と受信者のみが共有することが必須である。
【０００３】
量子鍵配送システムは、物理法則に則って究極の無条件安全性が保障された暗号鍵配送システムとして注目され、将来の高セキュリティ情報通信システムへの応用を目指した研究開発が近年活発化している（例えば、特許文献１又は２参照）。
【０００４】
ここで、光子の偏光状態を利用した量子鍵配送システムについて簡単に説明する。
【０００５】
光子の偏光状態を利用した量子鍵配送システムにおいては、送信者は、光子の偏光状態として、例えば、縦（Ｖ）偏光、横（Ｈ）偏光、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光のいずれかをランダムに選んで送信する。縦偏光又は横偏光を選んで送信した場合をＨ／Ｖ送信基底と称し、右斜め４５度偏光又は左斜め４５度偏光を選んで送信した場合をＤｉａｇｏｎａｌ送信基底と称する。
【０００６】
受信者は、送信された光子が縦偏光又は横偏光であるかを測定するＨ／Ｖ受信基底か、
右斜め４５度偏光又は左斜め４５度偏光であるかを測定するＤｉａｇｏｎａｌ受信基底をランダムに選んで、到来した光子の偏光測定を行う。この測定系は、偏光ビームスプリッタと波長板を用いた光学系で実現できる。
【０００７】
ここで、Ｈ／Ｖ基底とＤｉａｇｏｎａｌ基底とは非直交である。このため、縦偏光又は横偏光の光をＨ／Ｖ受信基底で測定すれば、縦偏光又は横偏光のいずれであるか、確定的な測定結果が得られる。しかし、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底で測定すれば、縦偏光又は横偏光のいずれであったかは、それぞれ確率５０％でしか知ることができず、確定的な結果は得られない。
【０００８】
例えば、送信者がＨ／Ｖ送信基底で光子を送り、受信者がＨ／Ｖ受信基底を選んで測定すれば、受信者は送信者が送信した光子の偏光状態を確定的に知ることができる。このとき、例えば、縦偏光状態をビット「１」、横偏光状態をビット「０」とすれば、送受信者はランダムなビット列を共有できる。
【０００９】
一方、送信者がＨ／Ｖ送信基底で光子を送り、受信者がＤｉａｇｏｎａｌ受信基底を選んで測定すれば、受信者は送信者が送信した光子の偏光状態を確率的にしか知ることができない。このとき、送受信者はランダムなビット列を共有できない。
【００１０】
この仕組みを使って、送受信者は必要なビット数の測定結果を得た後で、互いに選んだ基底を教えあい、基底が一致した場合のビット値のみを使用することで、送受信者は、同じランダムなビット列を共有できる。このビット列を暗号鍵として利用するのが量子鍵配送システムである。
【００１１】
ここで、暗号鍵の盗聴を許さないためには、ビットごとに１個以下の光子を用いる必要がある。このため、光子を用いた量子鍵配送システムを実現するためには、単一光子レベルの光子を検出できる単一光子検出器が必要となる。この単一光子検出器としては、半導体アバランシェフォトダイオードや超伝導体を利用した検出器などが報告されている。
【００１２】
このような単一光子検出器を利用した量子鍵配送用受信器として、アクティブモジュレーションと呼ばれるものと、パッシブモジュレーションと呼ばれるものが知られている。
【００１３】
図５を参照して、アクティブモジュレーション方式の受信器と、パッシブモジュレーション方式の受信器について説明する。図５（Ａ）は、アクティブモジュレーション方式の受信器の模式図である。また、図５（Ｂ）は、パッシブモジュレーション方式の受信器の模式図である。
【００１４】
アクティブモジュレーション方式の受信器１４では、偏光変調器５０と乱数発生器５２を用いて受信基底をランダムに選択する。偏光変調器５０として、光学軸可変な１／２波長板が利用される。偏光変調器５０は、乱数発生器５２で発生した乱数に応じて、２つの光学軸を縦偏光方向と横偏光方向に合致させた状態と、２２．５度回転させた状態との切換を行う。
【００１５】
偏光変調器５０の後段に偏光ビームスプリッタ３０が配置され、その２つの出力端に第１の単一光子検出器４１及び第２の単一光子検出器４２が配置される。
【００１６】
このアクティブモジュレーション方式の受信器１４では、偏光変調器５０の光学軸が、縦偏光方向と横偏光方向に合致した状態は、Ｈ／Ｖ受信基底が選択されたことに対応し、２２．５度回転した状態は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底が選択されたことに対応する。
【００１７】
また、パッシブモジュレーション方式の受信器１６では、偏光変調器と乱数発生器の代わりにハーフミラー２０を用いる。到来する光子は基本的に１個なので、ハーフミラー２０の第１の入出力端２０ａに入力された光子は、第２の入出力端２０ｂ及び第３の入出力端２０ｃのどちらかにしか出力されない。
【００１８】
ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された光子は、第１の偏光ビームスプリッタ３１に送られる。この第１の偏光ビームスプリッタ３１に光子が到達する場合は、Ｈ／Ｖ受信基底が選択されたことに対応する。第１の偏光ビームスプリッタ３１は、縦偏光の光を第１の単一光子検出器４１に送り、横偏光の光を第２の単一光子検出器４２に送る。
【００１９】
一方、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された光子は、偏光変換器２２を経て第２の偏光ビームスプリッタ３２に送られる。偏光変換器２２では、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光の光が縦偏光又は横偏光に変換される。この第２の偏光ビームスプリッタ３２に光子が到達する場合は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底が選択されたことに対応する。第２の偏光ビームスプリッタ３２は、縦偏光の光子を第３の単一光子検出器４３に送り、横偏光の光子を第４の単一光子検出器４４に送る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１２−０４９８９０号公報
【特許文献２】特開２０１２−００４９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
アクティブモジュレーション方式の受信器の場合、必要とされる単一光子検出器は２台であり、パッシブモジュレーション方式の受信器の半分で済むが、乱数発生器が必要である。乱数発生器の乱数情報が第三者に知られると盗聴が可能になるので、この絶対の秘匿性が必要である。また、同じ乱数を繰り返し使用すると、盗聴者が受信基底を推定することが可能となり、盗聴の可能性が生じる。より複雑な乱数発生器を用いれば、システムの高コスト化、大型化をもたらす。
【００２２】
一方、パッシブモジュレーション方式の受信器の場合、乱数発生器をもたないため、より簡便な装置構成が可能であり、秘匿性も保たれる。しかし、４台の単一光子検出器を必要とするため、システムの高コスト化、大型化をもたらす。
【００２３】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、乱数発生器を必要とせず、また、単一光子検出器が２台で動作する、量子鍵配送用受信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述した目的を達成するために、この発明の量子鍵配送用受信器は、第１〜３の入出力端を備えるハーフミラーと、偏光変換器と、それぞれ第１〜３の入出力端を備え、第１の入出力端に入力された、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を第２の入出力端から出力し、規定偏波光に直交する偏光方向の直交偏波光を第３の入出力端から出力し、第２の入出力端に入力された規定偏波光と、第３の入出力端に入力された直交偏波光を第１の入出力端から出力する第１〜４の偏光ビームスプリッタと、第１及び第２の単一光子検出器とを備えて構成される。
【００２５】
入力される光子は、ハーフミラーから第１の単一光子検出器に至る第１及び第２の経路と、ハーフミラーから第２の単一光子検出器に至る第３及び第４の経路のいずれか１つの経路を経て、第１〜２の単一光子検出器のいずれか一方で検出され、第１の経路と第２の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）の遅延時間差が与えられる。また、第３の経路と第４の経路を通る光子の間には、Ｔ／ｎの遅延時間差が与えられる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明の量子鍵配送用受信器によれば、乱数発生器を必要とせず、また、単一光子検出器が２台で動作する。このため、システムの小型化や低コスト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の受信器の概略構成図である。
【図２】第１の受信器の動作を説明するための模式図である。
【図３】第２の受信器の概略構成図である。
【図４】第２の受信器の動作を説明するための模式図である。
【図５】従来の受信器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２９】
なお、ここでは、規定の偏光方向の直線偏波光である規定偏波光を縦（Ｖ）偏光とし、規定偏波光であるＶ偏光に直交する偏光方向の直交偏波光を横（Ｈ）偏光として説明する。
【００３０】
（第１の受信器の構成）
図１を参照して、この発明に係る量子鍵配送用受信器の第１の実施形態（以下、第１の受信器とも称する。）について説明する。図１は、第１の受信器の概略構成図である。
【００３１】
第１の受信器１０は、ハーフミラー２０、偏光変換器２２、第１〜４の偏光ビームスプリッタ３１〜３４、光遅延回路２４、第１の単一光子検出器４１及び第２の単一光子検出器４２を備えて構成される。
【００３２】
ハーフミラー２０は第１〜３の入出力端２０ａ〜２０ｃを備えている。ハーフミラー２０の第１の入力端２０ａに入力された光は、第２の入出力端２０ｂ及び第３の入出力端２０ｃのいずれか一方から出力される。
【００３３】
第１〜４の偏光ビームスプリッタ３１〜３４は、それぞれ、第１〜３の入出力端を備えている。第１の入出力端３１ａ〜３４ａに入力されたＶ偏光の光は、第２の入出力端３１ｂ〜３４ｂから出力される。また、第１の入出力端３１ａ〜３４ａに入力されたＨ偏光の光は、第３の入出力端３１ｃ〜３４ｃから出力される。この入出力特性は可逆的である。すなわち、第２の入出力端３１ｂ〜３４ｂに入力されたＶ偏光の光は第１の入出力端３１ａ〜３４ａから出力され、第３の入出力端３１ｃ〜３４ｃに入力されたＨ偏光の光は第１の入出力端３１ａ〜３４ａから出力される。
【００３４】
ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂは、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａと接続されている。また、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃは、偏光変換器２２及び光遅延回路２４を経て、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａに接続されている。
【００３５】
第１の偏光ビームスプリッタ３１の第２の入出力端３１ｂと第２の偏光ビームスプリッタ３２の第２の入出力端３２ｂ、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第３の入出力端３１ｃと第３の偏光ビームスプリッタ３３の第３の入出力端３３ｃ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第３の入出力端３２ｃと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第３の入出力端３４ｃ、及び、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第２の入出力端３３ｂと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第２の入出力端３４ｂが、それぞれ接続されている。また、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第１の入出力端３２ａが第１の単一光子検出器４１に接続され、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第１の入出力端３３ａが第２の単一光子検出器４２に接続されている。
【００３６】
偏光変換器２２として、２つの光学軸がＨ偏光及びＶ偏光から２２．５度回転した、１／２波長板を用いることができる。１／２波長板は、右斜め４５度偏光をＶ偏光に、左斜め４５度偏光をＨ偏光に変換する。
【００３７】
なお、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光のかわりに、右回り円偏光及び左回り円偏光を用いる場合は、偏光変換器２２として、１／４波長板を用いることができる。この場合、１／４波長板の光学軸は、右回り円偏光を縦偏光に、左回り円偏光を横偏光に変換するように設定される。
【００３８】
第１の単一光子検出器４１には、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された光と、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された光の両者が入力される。また、第２の単一光子検出器４２にも、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された光と、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された光の両者が入力される。このハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂと第３の入出力端２０ｃのそれぞれから出力された光の間に所定の時間差を与えるために、光遅延回路２４が用いられる。なお、光経路の長さの違いにより、所定の時間差が与えられる場合は、光遅延回路２４を備えない構成にしても良い。
【００３９】
（第１の受信器の動作）
図１及び図２を参照して、第１の受信器の動作を説明する。図２は、第１の受信器の動作を説明するための図であり、横軸に時間を取って示している。
【００４０】
ここでは、周期Ｔで、Ｖ偏光、Ｈ偏光、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光のいずれかの光子が受信器に到来する例を説明する。ここで、周期Ｔ／２の時間スロットを設定し、光子は偶数番目の時間スロットで受信器に到来するものとする（図２（Ａ））。
【００４１】
ハーフミラー２０の第１の入出力端２０ａに入力された光子は、確率的に第２及び第３の入出力端２０ｂ及び２０ｃのいずれか一方から出力される。ここで、第２の入出力端２０ｂから光子が出力された場合は、受信基底としてＨ／Ｖ基底が選択されたことに対応する。一方、第３の入出力端２０ｃから光子が出力された場合は、受信基底としてｄｉａｇｏｎａｌ基底が選択されたことに対応する。
【００４２】
ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力されたＶ偏光は、第３の経路（ＩＩＩ）として、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａ及び第２の入出力端３４ｂ、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第２の入出力端３３ｂ及び第１の入出力端３３ａを経て、第２の単一光子検出器４２に入力される。一方、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力されたＨ偏光は、第１の経路（Ｉ）として、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａ及び第３の入出力端３４ｃ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第３の入出力端３２ｃ及び第１の入出力端３２ａを経て、第１の単一光子検出器４１に入力される。
【００４３】
また、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光は、第４の偏光ビームスプリッタ３４において確率的に偏光分離されて、第１及び第２の単一光子検出器４１及び４２のいずれかに入力される。第１の単一光子検出器４１で光子を検出した場合は、Ｖ偏光の光子が第１の受信器１０に到来したものとして観測され、第２の単一光子検出器４２で光子が検出された場合は、Ｈ偏光の光子が第１の受信器１０に到来したものとして観測される。
【００４４】
ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された右斜め４５度偏光は、第２の経路（ＩＩ）として、偏光変換器２２でＶ偏光に変換された後、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａ及び第２の入出力端３２ｂ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第２の入出力端３２ｂ及び第１の入出力端３２ａを経て、第１の単一光子検出器４１に入力される。一方、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された左斜め４５度偏光は、第４の経路（ＩＶ）として、偏光変換器２２でＨ偏光に変換された後、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａ及び第３の入出力端３１ｃ、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第３の入出力端３３ｃ及び第１の入出力端３３ａを経て、第２の単一光子検出器４２に入力される。
【００４５】
また、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力されたＶ偏光及びＨ偏光は、偏光変換器２２で右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光に変換される。その後、第１の偏光ビームスプリッタ３１において確率的に偏光分離されて、第１及び第２の単一光子検出器のいずれかに入力される。第１の単一光子検出器４１で光子を検出した場合は、右斜め４５度偏光の光子が第１の受信器１０に到来したものとして観測され、第２の単一光子検出器４２で光子が検出された場合は、左斜め４５度偏光の光子が第１の受信器１０に到来したものとして観測される。
【００４６】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａから、第１及び第２の単一光子検出器４１及び４２に入力されるまでの光路長と、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａから、第１及び第２の単一光子検出器４１及び４２に入力されるまでの光路長は、全て等しく設定されているものとする。また、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１入出力端３４ａまでの経路を通る光子と、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１入出力端３１ａまでの経路を通る光子との間に、所定の遅延時間差としてＴ／２の遅延時間差が与えられる。
【００４７】
この結果、第１の単一光子検出器４１で検出される光子について、第１の経路（Ｉ）を通る光子と第２の経路（ＩＩ）を通る光子との間に、Ｔ／２の遅延時間差が与えられる。同様に、第２の単一光子検出器４２で検出される光子について、第３の経路（ＩＩＩ）を通る光子と第４の経路（ＩＶ）を通る光子との間に、Ｔ／２の遅延時間差が与えられる。
【００４８】
従って、例えば、偶数番目の時間スロットにおける、第１の単一光子検出器４１で検出された光子は、第１の経路（Ｉ）を通る光子であり、この光子の検出は、Ｈ／Ｖ受信基底を選択し、Ｈ偏光の光子を観測したことに対応する（図２（Ｂ））。このとき、偶数番目の時間スロットにおいて、第２の単一光子検出器４２で検出された光子は、第３の経路（ＩＩＩ）を通る光子であり、この光子の検出は、Ｈ／Ｖ受信基底を選択し、Ｖ偏光の光子を観測したことに対応する（図２（Ｄ））。
【００４９】
また、奇数番目の時間スロットにおいて、第１の単一光子検出器４１で検出された光子は、第２の経路（ＩＩ）を通る光子であり、この光子の検出は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底を選択し、右斜め４５度偏光の光子を観測したことに対応する（図２（Ｃ））。同様に、奇数番目の時間スロットにおいて、第２の単一光子検出器４２で検出された光子は、第４の経路（ＩＶ）を通る光子であり、この光子の検出は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底を選択し、左斜め４５度偏光の光子を観測したことに対応する（図２（Ｅ））。
【００５０】
（第２の受信器の構成）
図３を参照して、この発明に係る量子鍵配送用受信器の第２の実施形態（以下、第２の受信器とも称する。）について説明する。図３は、第２の受信器の概略構成図である。
【００５１】
第２の受信器１２は、ハーフミラー２０、偏光変換器２２、第１〜４の偏光ビームスプリッタ３１〜３４、第１の単一光子検出器４１及び第２の単一光子検出器４２を備えて構成される。
【００５２】
第２の受信器１２は第１の受信器１０と各構成要素間の接続関係が異なっており、各構成要素については、第１の受信器１０と同様に構成できる。従って、各構成要素についての重複する説明を省略する。
【００５３】
ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂは、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａと接続されている。また、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃは、偏光変換器２２を経て、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａに接続されている。
【００５４】
第１の偏光ビームスプリッタ３１の第２の入出力端３１ｂと第３の偏光ビームスプリッタ３３の第２の入出力端３３ｂ、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第３の入出力端３１ｃと第３の偏光ビームスプリッタ３３の第３の入出力端３３ｃ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第３の入出力端３２ｃと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第３の入出力端３４ｃ、及び、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第２の入出力端３２ｂと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第２の入出力端３４ｂが、それぞれ接続されている。また、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第１の入出力端３２ａが第１の単一光子検出器４１に接続され、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第１の入出力端３３ａが第２の単一光子検出器４２に接続されている。
【００５５】
第１の単一光子検出器４１には、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された光のうち、Ｈ偏光とＶ偏光の両者が入力される。ここで、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第２の入出力端３２ｂと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第２の入出力端３４ｂを結ぶ光路と、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第３の入出力端３２ｃと第４の偏光ビームスプリッタ３４の第３の入出力端３４ｃを結ぶ光路との間には、所定の光遅延時間差に対応する光路長差がある。
【００５６】
また、第２の単一光子検出器４２には、ハーフミラー２０の第３の入出力端から出力された光のうち、右斜め４５度偏光と左斜め４５度偏光の両者が入力される。ここで、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第２の入出力端３１ｂと第３の偏光ビームスプリッタ３３の第２の入出力端３３ｂを結ぶ光路と、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第３の入出力端３１ｃと第３の偏光ビームスプリッタ３３の第３の入出力端３３ｃを結ぶ光路との間には、所定の光遅延時間差に対応する光路長差がある。
【００５７】
（第２の受信器の動作）
図３及び図４を参照して、第２の受信器の動作を説明する。図４は、第２の受信器の動作を説明するための図であり、横軸に時間を取って示している。
【００５８】
ここでは、周期Ｔで、Ｖ偏光、Ｈ偏光、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光のいずれかの光子が受信器に到来する例を説明する。ここで、周期Ｔ／２の時間スロットを設定し、光子は偶数番目の時間スロットで受信器に到来するものとする（図４（Ａ））。
【００５９】
ハーフミラー２０の第１の入出力端２０ａに入力された光子は、確率的に第２及び第３の入出力端２０ｂ及び２０ｃのいずれか一方から出力される。ここで、第２の入出力端２０ｂから光子が出力された場合は、受信基底としてＨ／Ｖ基底を選択したことに対応する。一方、第３の入出力端２０ｃから光子が出力された場合は、受信基底としてｄｉａｇｏｎａｌ基底を選択したことに対応する。
【００６０】
ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力されたＶ偏光は、第２の経路（ＩＩ）として、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａ及び第２の入出力端３４ｂ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第２の入出力端３２ｂ及び第１の入出力端３２ａを経て、第１の単一光子検出器４１に入力される。一方、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力されたＨ偏光は、第１の経路（Ｉ）として、第４の偏光ビームスプリッタ３４の第１の入出力端３４ａ及び第３の入出力端３４ｃ、第２の偏光ビームスプリッタ３２の第３の入出力端３２ｃ及び第１の入出力端３２ａを経て、第１の単一光子検出器４１に入力される。
【００６１】
また、ハーフミラー２０の第２の入出力端２０ｂから出力された右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光は、第４の偏光ビームスプリッタ３４において確率的に偏光分離されて、第１及び第２の経路（Ｉ及びＩＩ）のいずれかを経て第１単一光子検出器４１に入力される。
【００６２】
ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された右斜め４５度偏光は、第４の経路（ＩＶ）として、偏光変換器２２でＶ偏光に変換された後、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａ及び第２の入出力端３２ｂ、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第２の入出力端３３ｂ及び第１の入出力端３２ａを経て、第２の単一光子検出器４２に入力される。一方、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力された左斜め４５度偏光は、第３の経路（ＩＩＩ）として、偏光変換器２２でＨ偏光に変換された後、第１の偏光ビームスプリッタ３１の第１の入出力端３１ａ及び第３の入出力端３１ｃ、第３の偏光ビームスプリッタ３３の第３の入出力端３３ｃ及び第１の入出力端３３ａを経て、第２の単一光子検出器４２に入力される。
【００６３】
また、ハーフミラー２０の第３の入出力端２０ｃから出力されたＶ偏光及びＨ偏光は、偏光変換器２２で右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光に変換される。その後、第１の偏光ビームスプリッタ３１において確率的に偏光分離されて、第３及び第４の経路（ＩＩＩ及びＩＶ）のいずれかを経て第２の単一光子検出器４２に入力される。
【００６４】
ここで、第１の経路（Ｉ）を通る光子と、第２の経路（ＩＩ）を通る光子との間に所定の遅延時間差としてＴ／２の遅延時間を与え、第３の経路（ＩＩＩ）を通る光子と、第４の経路（ＩＶ）を通る光子との間にも所定の遅延時間差としてＴ／２の遅延時間を与える。
【００６５】
この結果、第１の単一光子検出器４１で検出される光子について、第１の経路（Ｉ）を通る光子と第２の経路（ＩＩ）を通る光子との間に、Ｔ／２の遅延時間差が与えられる。同様に、第２の単一光子検出器４２で検出される光子について、第３の経路（ＩＩＩ）を通る光子と第４の経路（ＩＶ）を通る光子との間に、Ｔ／２の遅延時間差が与えられる。
【００６６】
従って、偶数番目の時間スロットにおける、第１の単一光子検出器４１での光子の検出は、Ｈ／Ｖ受信基底を選択し、Ｈ偏光の光子を観測したことに対応する（図４（Ｂ））。同様に、偶数番目の時間スロットにおける、第２の単一光子検出器４２での光子の検出は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底を選択し、左斜め４５度偏光の光子を観測したことに対応する（図４（Ｄ））。
【００６７】
また、奇数番目の時間スロットにおける、第１の単一光子検出器４１での光子の検出は、Ｈ／Ｖ受信基底を選択し、Ｖ偏光の光子を観測したことに対応する（図４（Ｃ））。同様に、奇数番目の時間スロットにおける、第２の単一光子検出器４２での光子の検出は、Ｄｉａｇｏｎａｌ受信基底を選択し、右斜め４５度偏光の光子を観測したことに対応する（図４（Ｅ））。
【００６８】
上述した、第１及び第２の受信器によれば、単一光子検出器が２台で動作し、乱数発生器を必要としない小型化や低コスト化が図れる受信器で、量子鍵の安全な共有が可能となる。
【００６９】
また、上述した第１及び第２の受信器では、Ｔ／２の時間差を与えている。この場合、各単一光子検出器では、偶数番目と奇数番目のいずれの時間スロットでも光子が検出され得る。一方、与える時間差をＴ／ｎとしてｎを２よりも大きい整数に設定すれば、光子が検出されないタイムスロットを設けることができる。従って、与える時間差としてＴ／ｎ（ｎは２以上の整数）とするのが良い。
【００７０】
なお、光子の偏光状態については、縦偏光、横偏光、右斜め４５度偏光、左斜め４５度偏光のいずれとするか、右斜め４５度偏光及び左斜め４５度偏光の代わりに、右回り円偏光及び左回り円偏光を用いるかは、設定に応じて適宜選択すればよい。また、この受信器は、偏波保持光学系で構成されることが好ましいが、偏波コントローラを適宜設けるなどして、疑似的な偏波保持光学系としても良い。また、光学結合を空間光学系を利用するか、光ファイバなどの光導波路を利用するか、あるいは、これらを併用するかも、設定に応じて適宜選択すればよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０、１２、１４、１６    受信器    
２０    ハーフミラー    
２２    偏光変換器    
２４    光遅延回路
３０、３１、３２、３３、３４    偏光ビームスプリッタ
４１、４２、４３、４４    単一光子検出器
５０    偏光変調器
５２    乱数発生器
【図１】
2014171165.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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