(57)【要約】【課題】複数の端末の任意の端末間で量子鍵配送が可能であって、複数の端末間で同時に量子鍵配送を可能とする。【解決手段】量子もつれ光子対発生装置1と、光周波数分割フィルタ2と、2N入力-2N出力光スイッチ3と、2N個の量子鍵受信装置D1〜D2Nと、光伝送路4と、制御ユニット5とを備える。量子もつれ光子対発生装置は量子もつれ光子対を発生する。光周波数分割フィルタは量子もつれ光子対が入力されて光周波数領域を2N分割して出力する。2N入力-2N出力光スイッチは2N個の光周波数領域の光子を2N個の任意の出力ポートに割り当てて出力する。2N個の量子鍵受信装置のそれぞれは光子検出を行うと共に、当該量子鍵受信装置が備える信号処理回路によって、量子暗号鍵を生成するための測定基底情報を発信し、かつ、他の量子鍵受信装置から送られてくる測定基底情報を受信し、更に、誤り訂正及び秘匿増幅を実行する。【選択図】図１
2014086802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Nを2以上の整数とし、f bit/sを量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートとし、
量子もつれ光子対発生装置と、光周波数分割フィルタと、2N入力-2N出力光スイッチと、2N個の量子鍵受信装置と、制御ユニットとを備え、
前記量子もつれ光子対発生装置は、2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生し、
前記光周波数分割フィルタは、2N個の出力ポートを有し、前記量子もつれ光子対発生装置から出力される前記量子もつれ光子対が入力されて、前記光周波数領域を2N分割して、2N個の光周波数領域の光子を前記2N個の出力ポートから出力し、
前記2N入力-2N出力光スイッチは、前記光周波数分割フィルタの前記2N個の出力ポートから出力された前記2N個の光周波数領域の光子が入力されて、当該2N個の光周波数領域の光子を、2N個の任意の出力ポートのいずれかにそれぞれ割り当てて出力し、
前記2N個の量子鍵受信装置のそれぞれは、信号処理回路を備えており、前記2N入力-2N出力光スイッチから出力される前記2N個の光周波数領域の光子のそれぞれの光子検出を行うとともに、前記信号処理回路が、他の量子鍵受信装置から古典チャンネルを介して送られてくる測定基底情報を受信して、かつ、該測定基底情報を古典チャンネルによって他の量子鍵受信装置に送り、また送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別して古典チャンネルを介して他の量子鍵受信装置に送り、測定基底が合致している時間に観測した光子のビットのみを残して篩鍵を生成し、
前記制御ユニットは、前記2N入力-2N出力光スイッチの動作を制御し、古典チャンネルを通じて前記量子鍵受信装置のそれぞれにおける篩鍵を生成するプロセスを制御する
ことを特徴とする多端末量子鍵配送システム。
【請求項２】
前記量子もつれ光子対発生装置は、
ループ光路と光分岐入出力部とを備え、
前記ループ光路中に、非線形光学媒質と、該ループ光路に入力される励起光子に基づいて該非線形光学媒質中で発生し該ループ光路を伝播するシグナル光子及びアイドラー光子の、該ループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分との間の光位相差を調整する偏波面及び光位相調整部とが配置されており、
前記光分岐入出力部は、前記ループ光路に該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように前記励起光子を入力し、かつ該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播する前記シグナル光子及び前記アイドラー光子からなる相関光子対を前記量子もつれ光子対として出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項３】
前記光周波数分割フィルタは、アレイ導波路型回折格子を利用した波長選択フィルタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の多端末量子鍵配送システム。
【請求項４】
前記量子鍵受信装置は、ハーフミラー、第1偏光分離素子、第(1-1)単一光子検出器、第(1-2)単一光子検出器、第2偏光分離素子、第(2-1)単一光子検出器、第(2-2)単一光子検出器、1/2波長板、及び信号処理回路を備え、
到来した光子を、前記ハーフミラーによって確率的に二つの光路に分け、一方の光路を進む光子を前記第1偏光分離素子に入力し、他方の光路を進む光子を1/2波長板を通過させて前記第2偏光分離素子に入力し、
前記第1偏光分離素子に入力された光子を、確率的に偏光分離してs偏光の光子を前記第(1-1)単一光子検出器に入力し、p偏光の光子を前記第(1-2)単一光子検出器に入力し、
前記第2偏光分離素子に入力された光子を、確率的に偏光分離してp偏光の光子を前記第(2-1)単一光子検出器に入力し、s偏光の光子を前記第(2-2)単一光子検出器に入力することにより、
前記2N入力-2N出力光スイッチから出力され当該量子鍵受信装置が受信した光周波数領域の光子の光子検出を行い、前記第(1-1)〜第(2-2)単一光子検出器のいずれが光子を検出するかに従って測定基底情報を取得する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多端末量子鍵配送システム。
【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に関し、複数の端末のうち任意の2端末間での量子鍵配送を可能とし、また、これを複数の2端末間で同時に実行することを可能とする多端末量子鍵配送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信システムは究極の秘匿通信の実現が期待でき、将来の高セキュリティー情報通信システムへの応用が期待される。そこで、情報漏洩のない安全な通信を実現するためには、情報の暗号化・復号化に利用する暗号化鍵を、盗聴者などの第三者に知られることなく送信者・受信者が共有することが必須である。
【０００３】
量子鍵配送システムは、量子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ー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あるいは２参照）。
【０００４】
実用的な量子鍵配送システムは、1パルスあたり1個の光子を発生する単一光子発生装置、あるいは1パルスあたり1組の量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置を用いて実現される。
【０００５】
単一光子発生装置を用いる場合、送信者が単一光子を発生させ、受信者がそれを単一光子検出器で受信する。その後、送信者と受信者は、測定基底情報の交換や誤り訂正、秘匿増幅のプロセスを経て最終的な暗号化鍵を共有する。秘匿増幅とは、盗聴者に部分的に知られたビット列を適宜捨てて短くすることで、情報理論的に安全な秘密鍵を生成する技術である。
【０００６】
一方、量子もつれ光子対発生装置を用いる場合、送信者及び受信者（以後、両者をまとめて送受信者と表記することもある）がそれぞれ量子もつれ光子対の一方ずつを単一光子検出器で受信することにより暗号化鍵を共有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−０４９８９０号公報
【特許文献２】特開２０１２−００４９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、暗号化鍵を共有したい送信者及び受信者が複数存在する場合を想定する。これら複数の送受信者が任意の組み合わせで、しかも異なる送受信者の組が同時に暗号化鍵を共有するための鍵共有セッション(暗号化鍵を共有するための一連の通信プロセス)を行うことを考える。
【０００９】
単一光子発生装置を用いた量子鍵配送システムにおいて、上述のセッションを実行することは可能である。すなわち、暗号化鍵を共有する送受信者は、単一光子発生装置と単一光子検出器の両方を含んだ送受信端末を用意する。そして送受信者は、暗号化鍵の共有セッションごとに、単一光子発生もしくは受信のどちらかの役割を担いながら各セッションを行う。このとき、対となる送受信者は単一光子受信もしくは単一光子発生の役割を果たせばよい。送受信者は、セッションごとに送信者あるいは受信者のいずれかの役割を担うことになるので、単一光子発生装置と単一光子検出器の両方を備えた送受信端末が必要となる。
【００１０】
しかしながら、上述の量子暗号通信システムにおいては、それぞれの端末が単一光子発生装置と単一光子検出器の両方を備える必要があり、システムは高コスト化し、またそのサイズも大きなものとなる。
【００１１】
同様に、量子もつれ光子対発生装置を用いた量子鍵配送システムにおいても、量子もつれ光子対発生装置と、量子もつれ光子対の一方ずつを受信する単一光子検出装置の両方を備えた送受信端末が必要となる。
【００１２】
従って、量子暗号通信システムを実現するにあっては、単純な構成であって簡便かつ低コストで、複数の端末の任意の端末間で量子鍵配送を可能とすることが求められる。また、複数の端末間で同時に量子鍵配送を可能とする多端末量子鍵配送システムの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この出願の発明者は、2Nf Hz以上の光周波数領域にわたる量子もつれ光子対発生装置を用意し、この量子もつれ光子対発生装置から出力される光子対を周波数分割フィルタで波長の異なる2N個の周波数領域に分割し、2N個の入力ポートと2N個の出力ポートを備える光スイッチの2N個の入力ポートからこれら分割された周波数領域の光子対を入力し、2N個の出力ポートを適宜選択してこれらの出力ポートから出力させる構成とすれば、2N個の量子鍵受信装置にそれぞれ送信される仕組みを構成することが可能であり、複数の端末の任意の端末間で量子鍵配送が可能となることに着目した。そして、複数の端末間で同時に量子鍵配送することが可能であることを確信した。
【００１４】
更に、この出願の発明者が鋭意研究を行った結果、量子暗号鍵を共有する送受信者を2N個の量子鍵受信装置のいずれかを共有するものとし、量子鍵受信装置を有する2Nユーザ間の任意の2者間で量子暗号鍵を共有することができるシステムを実現することが可能であることを見出した。
【００１５】
従って、この発明の目的は、複数の端末の任意の端末間で量子鍵配送が可能であって、複数の端末間で同時量子鍵配送を可能とする多端末量子鍵配送システムを提供することにある。
【００１６】
そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の多端末量子鍵配送システムが提供される。以下、Nは2以上の整数であり、f bit/sは量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートである。
【００１７】
この発明の多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光子対発生装置と、光周波数分割フィルタと、2N入力-2N出力光スイッチと、2N個の量子鍵受信装置と、制御ユニットとを備える。
【００１８】
量子もつれ光子対発生装置は、2Nf Hz以上の光周波数領域を有する量子もつれ光子対を発生する。
【００１９】
光周波数分割フィルタは、2N個の出力ポートを有し、量子もつれ光子対発生装置から出力される量子もつれ光子対が入力されて光周波数領域を2N分割して、2N個の出力ポートから出力する。
【００２０】
2N入力-2N出力光スイッチは、光周波数分割フィルタの2N個の出力ポートから出力された2N個の光周波数領域の光子が入力されて、当該2N個の光周波数領域の光子を、2N個の任意の出力ポートのいずれかにそれぞれ割り当てて出力する。
【００２１】
2N個の量子鍵受信装置のそれぞれは、2N入力-2N出力光スイッチから出力される2N個の光周波数領域の光子のそれぞれの光子検出を行う。また、2N個の量子鍵受信装置のそれぞれは、信号処理回路を備えており、この信号処理回路は、2N入力-2N出力光スイッチから出力される2N個の光周波数領域の光子のそれぞれの光子検出を行うとともに、信号処理回路が、他の量子鍵受信装置から古典チャンネルを介して送られてくる測定基底情報を受信して、かつ、測定基底情報を古典チャンネルによって他の量子鍵受信装置に送り、また送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別して古典チャンネルを介して他の量子鍵受信装置に送り、測定基底が合致している時間に観測した光子のビットのみを残して篩鍵(Sifted key)を生成する。
【００２２】
制御ユニットは、2N入力-2N出力光スイッチの動作を制御し、古典チャンネルを通じて前記量子鍵受信装置のそれぞれにおける篩鍵生成するプロセスを制御する。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の多端末量子鍵配送システムによれば、量子もつれ光子対発生装置によって2Nf Hz以上の光周波数領域にわたる量子もつれ光子対が提供される。量子もつれ光子対発生装置から出力される量子もつれ光子対は、光周波数分割フィルタによって、量子もつれ光子対の光周波数領域が2N分割される。2N分割された量子もつれ光子対のそれぞれは、2N入力-2N出力光スイッチによって2N個の任意の出力ポートのいずれかにそれぞれ割り当てられて出力される。
【００２４】
この出力された量子もつれ光子対は、2N個の量子鍵受信装置に送信され、量子もつれ光子対を受信した量子鍵受信装置を含んだ送受信端末を有する送受信者が、量子暗号鍵を共有し暗号通信セッションを実行する送受信者となる。また、量子鍵受信装置が備える信号処理回路は、他の量子鍵受信装置から古典チャンネルを介して送られてくる測定基底情報を受信して、かつ、測定基底情報を古典チャンネルによって他の量子鍵受信装置に送り、また送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別して古典チャンネルを介して他の量子鍵受信装置に送り、測定基底が合致している時間に観測した光子のビットのみを残して篩鍵(Sifted key)を生成する。従って、この発明の多端末量子鍵配送システムによれば、同時量子鍵配送が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の多端末量子鍵配送システムの基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図２】偏波量子もつれ光子対発生装置の概略的構成とその動作について説明に供する図である。
【図３】量子鍵受信装置の光子検出を行う機能部分の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図1〜図3を参照してこの発明の実施形態につき説明する。以下の説明において、特定の素子および動作条件などを取り上げることがあるが、これら素子および動作条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００２７】
＜多端末量子鍵配送システムの基本構成＞
図1を参照してこの発明の多端末量子鍵配送システムの基本構成について説明する。多端末量子鍵配送システムは、量子もつれ光子対発生装置1と、光周波数分割フィルタ（WDMフィルタ）2と、2N入力-2N出力光スイッチ3と、2N個の量子鍵受信装置D1〜D2Nと、光伝送路（量子チャンネル）4と、制御ユニット5とを備える。
【００２８】
量子もつれ光子対発生装置1は、量子もつれ光子対を発生する。この光子対の光周波数帯域は、生成する量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートをf bit/s、量子暗号鍵を共有する端末数を2Nとすれば、2Nf Hz以上である。ここで、2N個の端末から2端末を選んで形成される2端末間接続の組は全部でN組であり、このN組で鍵共有セッションを実行することができる。
【００２９】
量子暗号鍵の想定最大鍵生成レートとは、量子もつれ光子対を生成するために利用される励起光パルス光源の繰り返し周波数と、光子を受信する単一光子検出器にかかる周期的ゲートの繰り返し周波数とのいずれか小さいほうの値を意味する。これはすなわち、量子もつれ光子をなんら損失なく全て単一光子検出器で検出できた場合の光子の検出レートを1パルス当たりの平均光子数で除した値に相当する。
【００３０】
量子もつれ光子対発生装置1からは、2Nf Hz以上の光周波数領域にわたる量子もつれ光子対が出力されるが、その光周波数領域は少なくとも、[(-f/2)+FN’]〜[(f/2)+F1’]の領域と、[(-f/2)+F1]〜[(f/2)+FN]の領域を含んでいるものとする。
【００３１】
このような量子もつれ光子対発生装置は、現状の光デバイス技術を用いて実現可能である。例えば、長さ6 cmの周期的分極反転ニオブ酸リチウム（PPLN: Periodically Poled LiNbO3）導波路からは、1550 nm帯で波長領域にして60 nm程度のパラメトリック下方変換光を発生させることができる（非特許文献：S. Arahira, et al., “Generation of polarization entangled photon pairs at telecommunication wavelength using cascaded χ(2) processes in a periodically poled LiNbO3 ridge waveguide”, Optics Express vol. 19, No. 17, pp. 16032-16043, 2011参照）。
【００３２】
図2を参照して、量子もつれ光子対発生装置1の一例として、偏波量子もつれ光子対発生装置の概略的構成とその動作について説明する。図2に示す偏波量子もつれ光子対発生装置は、偏波分離合成器101とその2つの入出力端とを含んで構成されるサニャック型干渉計のループ光路20と、励起光をループ光路20に入力し、またこのループ光路20から出力される偏波量子もつれ光子対波長成分を空間分離して出力する光分岐入出力部10を備えている。
【００３３】
ループ光路20は、非線形光学媒質102と偏波面及び光位相調整部104と90度偏波面回転部103とが光ファイバで直列に配置接続されており、この光ファイバの両端を、第1入出力端101-1、第2入出力端101-2、及び第3入出力端101-3を備える偏波分離合成器101の第2入出力端101-2及び第3入出力端101-3に接続することによって構成されている。
【００３４】
光分岐入出力部10は、第1入出力端105-1、第2入出力端105-2及び第3入出力端105-3を備えるバンドパス光フィルタ105、ローパス光フィルタ106を備えて構成されている。波長λpである励起光は第1入出力端105-1からバンドパス光フィルタ105に入力され、このバンドパス光フィルタ105を介して偏波分離合成器101の第1入出力端101-1からループ光路20に入力される。
【００３５】
光分岐入出力部10を介してループ光路20に、このループ光路20を時計回り及び反時計回りに伝播するように励起光が入力されると、この励起光に基づく非線形光学媒質102中で非線形光学効果によって、ループ光路20を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対が生成される。この相関光子対は、ループ光路20を構成する偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力されて、バンドパス光フィルタ105の第2入出力端105-2から入力され、第3入出力端105-3から光分岐入出力部10が備えるローパス光フィルタ106を介して量子もつれ光子対として出力される。
【００３６】
ローパス光フィルタ106は、非線形光学媒質102で発生したSHG(Second Harmonic Generation)光の波長成分を除去する働きをする。非線形光学媒質102は、PPLN等の2次非線形光学効果を効果的に発現する非線形光学媒質、もしくは光ファイバ等の3次非線形光学効果を効果的に発現する非線形光学媒質とする。いずれにしても励起光によってパラメトリック蛍光を発生する非線形光学媒質を採用する。
【００３７】
非線形光学媒質102に2次非線形光学媒質を採用した場合、カスケードSHG/SPDC (Second Harmonic Generation/Spontaneous parametric down-conversion)過程によって相関光子対を発生させることが可能である。すなわち、波長λpの励起光を用いると、2次非線形光学媒質中で波長λp/2のSHG光が発生し、このSHG光を種光としたSPDC過程によって、波長λsのシグナル光及び波長λiのアイドラー光の相関光子対が同時に空間的に同一箇所で、すなわち同時空間的に発生する。量子もつれ光子対発生装置1から出力された量子もつれ光子対は光周波数分割フィルタ2に送られる。
【００３８】
光周波数分割フィルタ2について説明する。光周波数分割フィルタ2は、量子もつれ光子対発生装置1からの光出力を、2N個の光周波数領域に分割して出力するフィルタである。
【００３９】
ここで、2N個に分割されて出力される出力光の中心波長を、波長の短い順にλN、λN-1、…λ2、λ1、λ1’、λ2’、…λN-1’、λN’とする。また、それぞれの中心波長に相当する光周波数をFN、FN-1、…F2、F1、F1’、F2’、…F N-1’、F N’とする。分割された各周波数領域はそれぞれ同じ光周波数帯域幅を持つことが、各鍵共有セッションで生成される最終的な量子暗号化鍵の生成レートを均一化するためには最も望ましいが、この発明の多端末量子鍵配送システムを構築するにあたっては、この条件を満たすことは必須要件ではない。ただし、各周波数領域の光周波数帯域幅は光周波数で表してf Hz以上であるとする。また、分割されて出力される出力光の中心波長及び中心光周波数は、次式(1-1)及び(1-2)を満足するように設定されている。
【００４０】
【数１】
2014086802.tif 000003
【００４１】
このように入力光を分割して出力する光周波数分割フィルタとしては、例えば、アレイ導波路型回折格子（AWG: Arrayed Waveguide Grating）を利用した波長選択(WDM)フィルタを適宜利用することができる。AWGは、N×Nスターカップラを２個並べ，その間を０，ΔL，2ΔL，…，(N-1)ΔLというように光路長差をつけたN本の導波路を結んだ構成とし，その多光束干渉によりN波長多重された光波長多重光信号を波長ごとに一度に分波することができる光デバイスである。
【００４２】
2N入力-2N出力光スイッチ3について説明する。2N入力-2N出力光スイッチ3は、2N個の入力ポートIN、IN-1、…I2、I1、I1’、I2’、…I N-1’、I N’及び2N個の出力ポートO1、O2、…ON-2、ON-1、ON、ON+1、ON+2、ON+3、…O2Nを備えた光スイッチである。ここで、入力ポートIN、IN-1、…I2、I1、I1’、I2’、…I N-1’、I N’は、光周波数分割フィルタ2のそれぞれの中心波長がλN、λN-1、…λ2、λ1、λ1’、λ2’、…λN-1’、λN’である出力ポートに量子チャンネルを介して接続されている。また、入力ポートIN、IN-1、…I2、I1、I1’、I2’、…I N-1’、I N’から入力される入力光のそれぞれは、適宜この2N入力-2N出力光スイッチ3のスイッチング機能によって適宜出力ポートを選択して出力ポートO1、O2、…O2Nから出力される。このような機能を有する光スイッチとしては、市販の光スイッチから好適なものを選択して利用することができる。
【００４３】
出力ポートO1、O2、…ON-2、ON-1、ON、ON+1、ON+2、ON+3、…O2Nから出力される出力光は、適宜、自由空間、光ファイバ伝送網などの光伝送路4を伝播後、単一光子検出器を備える量子鍵受信装置D1、D2、…DN-2、DN-1、DN、DN+1、DN-2、DN+3、…D2Nで受信される。
【００４４】
制御ユニット5について説明する。制御ユニット5は、2N入力-2N出力光スイッチ3の切り替え動作や、量子鍵受信装置D1、D2、…D2Nにおける基底選択情報やその後の誤り訂正プロセスを実行する制御ユニットである。
【００４５】
＜多端末量子鍵配送システムの動作原理＞
いま、一般的な光分割多重光通信の波長グリッドを想定し、f＝50 GHz(波長に換算して0.4 nm)とすると、長さ6 cmのPPLN導波路を用いて、1550 nm帯で波長領域にして60 nm程度のパラメトリック下方変換光を発生させれば、N＝60 nm/(2×0.4 nm)＝75組程度のユーザを収納することが可能である。
【００４６】
上述の非特許文献に開示されているように、例えば、長さ6 cmのPPLN導波路と、AWG型の波長選択フィルタ等を利用してサニャック干渉計型の光干渉計を構成することによって、PPLN導波路の有する広いパラメトリック下方変換光スペクトル成分をもつ量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生装置を作成することができる。
【００４７】
次に、量子もつれ光子対発生装置1から出力される量子もつれ光子対を光周波数分割フィルタ2に入力することで、光周波数分割フィルタ2の各出力ポートからは、それぞれ、中心光周波数がFN、FN-1、…F2、F1、F1’、F2’、…F N-1’、F N’であり、かつ、各帯域がf Hz以上である光周波数(波長)分割された量子もつれ光子対が出力される。
【００４８】
これら、光周波数分割フィルタ2から出力される2N個の波長分割出力光は、それぞれ2N入力-2N出力光スイッチ3の2N個の入力ポートIN、IN-1、…I2、I1、I1’、I2’、…I N-1’、I N’に入力され、2N個の出力ポートO1、O2、…ON-2、ON-1、ON、ON+1、ON+2、ON+3、…O2Nから出力される。これらの出力光は、光伝送路4を伝送後、単一光子検出器を備えた量子鍵受信装置D1、D2、…DN-2、DN-1、DN、DN+1、DN+2、DN+3、…D2Nで受信される。そして、量子鍵受信装置D1、D2、…D2Nのいずれかを備え、量子もつれ光子対を受信した量子鍵受信装置を含んだ送受信端末を有する送受信者は、量子暗号鍵を共有し鍵共有セッションを実行する送受信者となる。
【００４９】
ここで、量子もつれ光子対発生装置1は、自然四光波混合や自然パラメトリック下方変換などのパラメトリック蛍光過程を利用して量子もつれ光子対を発生させているものとする。そして、その際の励起光の波長(周波数)をλp(Fp)として、
（I）自然四光波混合及びカスケード自然パラメトリック下方変換の場合は、次式(2-1)及び(2-2)を満足するように
（II）自然パラメトリック下方変換の場合は、次式(3-1)及び(3-2)を満足するように    励起光の波長や光周波数分割フィルタ2の波長分割特性が設計されているものとする。
【００５０】
【数２】
2014086802.tif 000004
【００５１】
【数３】
2014086802.tif 000005
【００５２】
このとき、エネルギー保存則の関係から、中心波長（λk-λk’）の組は量子もつれ光子対として一組となっている一方、中心波長（λk-λm’）の組は量子もつれ光子対ではなく、EPR（Einstein-Podolsky-Rozen）相関のない光子ペアとなっている。ここで、k＝1、2、…、Nであり、m＝1、2、…、Nである。そして、k≠mである。
【００５３】
したがって、中心波長（λk-λk’）の組を受信する送受信者は暗号化鍵の生成が可能である一方、中心波長（λk-λm’）の組を受信した場合は、暗号化鍵の生成ができない。
【００５４】
最終的に暗号化鍵を共有する送受信者は、量子鍵受信装置D1、D2、…D2Nのいずれかを備える送受信者である。したがって、このうちの二人が暗号化鍵を共有するには、中心波長（λk-λk’）の組を受信するように光信号を送信すればよい。このようなことは2N入力-2N出力光スイッチ3を制御し、例えば、波長λ1の光子を量子鍵受信装置D1に、波長λ1’の光子を量子鍵受信装置DNに送信するようにすれば、量子鍵受信装置D1、DNを備える送受信者は量子鍵を共有できる。同様に、2N入力-2N出力光スイッチ3の動作設定によって、波長λ1の光子を量子鍵受信装置D1に、波長λ1’の光子を量子鍵受信装置D2に送信するようにすれば、量子鍵受信装置D1、D2を備える送受信者は量子鍵を共有できる。すなわち、この発明の多端末量子鍵配送システムによれば、量子鍵送受信装置を備える2Nのユーザ間の任意の二者間で量子鍵を共有することができる。
【００５５】
一方、波長（λ1-λ1’）の組以外の組み合わせで量子鍵を共有することも2N入力-2N出力光スイッチ3の動作設定の仕方によって可能である。波長（λ1-λ1’）の組の量子もつれ光子対は、それ以外の組の量子もつれ光子対と何らの相関関係も持たないので、結果として、N組のユーザ間で互いに情報漏洩のない量子鍵を共有することが可能である。
【００５６】
制御ユニット5は、量子鍵を共有するユーザの組み合わせを決定すべく2N入力-2N出力光スイッチ3の動作を制御する。また、制御ユニット5を利用して、古典チャンネルを通じて量子鍵受信装置D1、D2、…D2Nにおける基底選択情報を収集し、篩鍵の生成やその後の誤り訂正プロセスを制御する。
【００５７】
偏波量子もつれ光子対を受信する場合を想定して、量子鍵受信装置の光子検出を行う機能部分の構成例につき図3を参照して説明する。この光子検出を行う機能部分は、ハーフミラー201、第1偏光分離素子203、第(1-1)単一光子検出器205、第(1-2)単一光子検出器206、第2偏光分離素子204、第(2-1)単一光子検出器207、第(2-2)単一光子検出器208、1/2波長板202、及び信号処理回路209を備えている。
【００５８】
到来した光子は、ハーフミラー201によって確率的に二つの光路に分けられ、一方の光路を進む光子は第1偏光分離素子203に入力され、他方の光路を進む光子は1/2波長板202を通過して第2偏光分離素子204に入力される。
【００５９】
第1偏光分離素子203に入力された光子は、確率的に偏光分離されてs偏光の光子が第(1-1)単一光子検出器205に入力され、p偏光の光子が第(1-2)単一光子検出器206に入力される。一方、第2偏光分離素子204に入力された光子は、確率的に偏光分離されてp偏光の光子は第(2-1)単一光子検出器207に入力され、s偏光の光子は第(2-2)単一光子検出器208に入力される。すなわち、到来した光子は、最終的に第(1-1)単一光子検出器205、第(1-2)単一光子検出器206、第(2-1)単一光子検出器207、第(2-2)単一光子検出器208のいずれかに入力される。
【００６０】
量子鍵受信装置を図3に示す構造とすることによって、ハーフミラー201と1/2波長板202とで、測定基底が自動的に選択される。すなわち、第(1-1)単一光子検出器205もしくは第(1-2)単一光子検出器206が光子を検出した場合は、測定基底は縦・横偏波基底である。一方、第(2-1)単一光子検出器207もしくは第(2-2)単一光子検出器208が光子を検出した場合は、測定基底は斜め45度基底である。すなわち、量子鍵受信装置は、第(1-1)〜第(2-2)単一光子検出器205〜208のいずれが光子を検出するかに従って測定基底情報を取得することができる。
【００６１】
そして送受信者は、信号処理回路209を介して測定基底情報を制御ユニット5に古典チャンネルを介して送る。また、信号処理回路209では、送受信者の測定基底が合致している時間情報を判別して、古典チャンネルによって制御ユニット5を介して各送受信者に送る。測定基底が合致しているとき（例えば、縦・横偏波基底）には、送受信者は必ず同じ単一光子検出器（縦・横偏波基底の場合、第(1-1)単一光子検出器205もしくは第(1-2)単一光子検出器206）で光子を検出するはずであるので、例えば、第(1-1)単一光子検出器205が検出した場合はビット「1」、第(1-2)単一光子検出器206が検出した場合はビット「0」とすることでビット列を共有できる。
【００６２】
これを基にして、制御ユニット5と信号処理回路209間での古典チャンネルを介した相互通信及び信号処理により誤り訂正や秘匿増幅などの鍵蒸留プロセス（盗聴の可能性のあるビットを排除するプロセス）を経た後、最終的な量子暗号化鍵を共有することができる。もちろん、このようなプロセスは制御ユニット5を介さずに、送受信者が直接的に相互通信を行うことでも実行可能である。この場合、測定基底情報の交換などの制御ユニット5の機能の一部を信号処理回路209に担わせるようにすればよい。
【００６３】
上述の、量子もつれ光子対発生装置1、光周波数分割フィルタ2、2N入力-2N出力光スイッチ3、制御ユニット5は、中央制御ユニットのような形態で通信ネットワークの集中ノードなどに配置し、それにより多端末間での量子鍵共有プロセスを一括して管理することができる。この場合、暗号通信を行う送受信者は、量子鍵受信装置D1、D2、…D2Nのみを備えることになり、より簡便で低コストで量子鍵配送システムを構築することが可能となる。
【００６４】
以上説明したように、この発明の多端末量子鍵配送システムによれば、複数の端末の任意の2端末間での量子鍵配送を可能とし、また複数の2端末間で同時量子鍵配送が可能となる。
【００６５】
＜実施形態に関する変形例＞
上述した実施形態では、量子もつれ光子対発生装置1、光周波数分割フィルタ2、2N入力-2N出力光スイッチ3、制御ユニット5が中央制御ユニットのような形態で通信ネットワークのノードなどに一括配置された構成が想定されていた。しかしながらこの発明の多端末量子鍵配送システムは、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００６６】
例えば、2Nの全てのユーザ間で量子鍵を共有する必要がなく、ユーザ1〜Nからなる第1グループ、及びユーザ(N+1)〜2Nからなる第2グループの、二つのグループがあり、第1あるいは第2グループのそれぞれのグループ内でのみ量子鍵が共有できればよいという場合には、光周波数分割フィルタとしてそれぞれのユーザに割り当てられた波長を二通り用意して、また光スイッチもN入力-N出力のものを二通り用意して、多端末量子鍵配送システムを構築することも可能である。
【００６７】
また、図2を参照して説明した偏波量子もつれ光子対発生装置、及び図3を参照して説明した量子鍵受信装置は、この発明の多端末量子鍵配送システムを構築する場合の好適例に過ぎない。
【００６８】
また、以上説明した多端末量子鍵配送システムは偏波量子もつれ光子対を利用するシステムであるが、時間位置量子もつれ光子対を利用しても同様のシステムを構築することが可能である。時間位置量子もつれ光子対を利用してシステムを構築するには、量子もつれ光子対発生装置に代えて時間位置量子もつれ光子対発生装置を利用し、それに対応させて図3に示した量子鍵受信装置を適宜変更すればよい。
【符号の説明】
【００６９】
1：量子もつれ光子対発生装置
2：光周波数分割フィルタ
3：2N入力-2N出力光スイッチ
4：光伝送路
5：制御ユニット
D1〜D2N：量子鍵受信装置
10：光分岐入出力部
20：ループ光路
101：偏波分離合成器
102：非線形光学媒質
103：90度偏波面回転部
104：偏波面及び光位相調整部
105：バンドパス光フィルタ
106：ローパス光フィルタ
201：ハーフミラー
202：1/2波長板
203：第1偏光分離素子
204：第2偏光分離素子
205：第(1-1)単一光子検出器
206：第(1-2)単一光子検出器
207：第(2-1)単一光子検出器
208：第(2-2)単一光子検出器
209：信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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