(57)【要約】      （修正有）【課題】より高い古典的データレートまたはより多くのデータチャネルが利用でき長距離伝送可能な量子／古典的多重化信号伝送システムを提供する。【解決手段】多重化信号のための入力と、前記多重化信号を個別の要素に分岐するデマルチプレクサと、分岐された前記要素のうちの第１要素を受信し、該第１要素が受信されたのよりも高いパワーで、前記受信した第１要素を再送信するように構成される再送信器ユニットと、前記デマルチプレクサによって分岐された前記要素のうちの第２要素を受信するように構成されるバイパスチャネルと、前記第１要素及び前記第２要素を多重化するマルチプレクサと、を具備し、前記再送信器は、前記マルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、前記第１要素の前記パワーを調整する、信号マニピュレータを備える。【選択図】図２
2014225865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重化信号のための入力と、
前記多重化信号を個別の要素に分岐するデマルチプレクサと、
分岐された前記要素のうちの第１要素を受信し、該第１要素が受信されたのよりも高いパワーで、前記受信した第１要素を再送信するように構成される再送信器ユニットと、
前記デマルチプレクサによって分岐された前記要素のうちの第２要素を受信するように構成されるバイパスチャネルと、
前記第１要素及び前記第２要素を多重化するマルチプレクサと、
を具備し、前記再送信器は、前記マルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、前記第１要素の前記パワーを調整するように構成される、信号マニピュレータ。
【請求項２】
前記再送信器ユニットは、前記デマルチプレクサから複数の要素を受信するように構成され、前記再送信器ユニットは、前記マルチプレクサから出る前記多重化信号の前記パワーが−５ｄＢｍ以下になるように、前記受信した複数の要素の前記パワーを調整するように構成される請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項３】
前記第２要素は、符号化された弱い光パルスの形態で送信される信号を含み、前記弱い光パルスの各々における光子の平均数は、５００以下である請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項４】
前記第１要素は、−５ｄＢｍから−４０ｄＢｍの範囲内の再送信パワーを有し、前記第２要素は、−５０ｄＢｍ以下のパワーを有する請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項５】
前記再送信器は、送信のために前記第１要素を再生成するように構成される請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項６】
前記再送信器は、送信のために前記第１要素を増幅するように構成される請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項７】
第１方向及び第２方向に移動する信号を処理するように構成される請求項１に記載の信号マニピュレータであって、前記第１方向は前記第２方向と反対であり、前記再送信器は、前記第１要素が前記第１方向又は前記第２方向のいずれに移動するかに関わらず、前記第１要素の前記パワーを調整するように構成され、前記デマルチプレクサは、第１方向に移動する多重化信号を分岐し、それらを前記再送信器に渡すように構成され、前記デマルチプレクサは、第２方向に移動する、前記再送信器及び前記バイパスチャネルから受信される信号を多重化するように構成され、前記マルチプレクサは、第１方向に移動する、前記再送信器及び前記バイパスチャネルから受信される信号を多重化し、第２方向に移動する多重化信号を分岐し、それらを前記再送信器に渡すように構成される、請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項８】
前記再送信器は、各要素が各自の再送信ユニットに割り当てられるように、並列に配置された複数の再送信ユニットを含む請求項３に記載の信号マニピュレータ。
【請求項９】
前記マルチプレクサ、前記デマルチプレクサ、前記再送信器、及び前記バイパスチャネルは、前記マルチプレクサから出る前記多重化信号の前記パワーが−５ｄＢｍ以下になるように、前記第１要素の前記パワーを調整するように構成される再構成可能アドドロップマルチプレクサによって提供される請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項１０】
前記多重化信号の入力パワーを決定するための検出器と、前記マルチプレクサから出る前記多重化信号の前記パワーが−５ｄＢｍ以下になるように、前記第１要素の前記パワーを調整するように構成されるプロセッサと、をさらに具備する請求項１に記載の信号マニピュレータ。
【請求項１１】
ソースユニットと、請求項１に記載の信号マニピュレータと、を具備し、
前記ソースユニットは、
量子信号のソースと、
古典的信号のソースと、
前記量子信号及び前記古典的信号を多重化信号へと多重化するように構成される多重化ユニットと、
を含み、
前記ソースユニットから前記信号マニピュレータに前記多重化信号を伝送するように構成される光ファイバをさらに具備する量子通信システム。
【請求項１２】
前記ソースユニットは、−５ｄＢｍ以下のパワーで前記多重化信号を出力するように構成される請求項１１に記載の量子通信システム。
【請求項１３】
前記信号マニピュレータの前記マルチプレクサによって出力される信号のための受信器をさらに具備する請求項１１に記載の量子通信システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の信号マニピュレータを複数具備する請求項１３に記載の量子通信システム。
【請求項１５】
前記信号マニピュレータは、隣接する信号マニピュレータとの間に１００ｋｍ以下の間隔を空けて配置される請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項１６】
前記信号マニピュレータは、隣接する信号マニピュレータとの間に１０ｋｍ以上の間隔を空けて配置される請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項１７】
複数の前記信号マニピュレータは、直列に配置される請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項１８】
当該システムは、円形ネットワークである請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項１９】
当該システムは、少なくとも５００ｋｍの長さの長距離伝送リンクを具備する請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項２０】
信号を中継する方法であって、
多重化信号を受信することと、
前記多重化信号を個別の要素に分岐することと、
分岐された前記信号のうちの第１要素を受信し、該第１要素が受信されたのよりも高いパワーで、前記受信した第１要素を再送信することと、
デマルチプレクサによって分岐された前記要素のうちの第２要素を受信し、該第２要素をバイパスチャネルに導くことと、
多重化出力信号を生成するために前記第１要素及び前記第２要素を多重化することと、
を具備し、前記第１要素が再送信されるパワーは、マルチプレクサから出るときの前記多重化出力信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように制御される、方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本出願は、２０１３年５月１４日に出願された英国特許出願第１３０８６４９．１号の優先権の利益に基づいており、この優先権の利益を主張する。この英国特許出願の全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明の実施形態は、量子通信システムの分野に関連する。
【背景技術】
【０００３】
量子通信システムでは、符号化された、単一光子などの単一量子は、送信器と受信器との間で送信される。各光子は、偏光、位相、エネルギ、又は時間などの光子の特性で符号化された１ビットの情報を運ぶ。
【０００４】
量子鍵分配（ＱＫＤ）は、量子通信システムの一例である。光子は、二者間で、すなわち、送信器「アリス」と受信器「ボブ」との間で暗号鍵を共有するために使用される。量子力学の原理により、イブによる光子の観測が光子のいくつかの状態に変化をもたらすので、この技術は、鍵の任意の部分が盗聴者「イブ」に知られているかどうかの検証を提供する利点を有する。
【０００５】
古典的信号と異なり、量子信号は、量子信号伝送に対する検出可能な外乱を引き起こすことなく、傍受されることはできない。例えば、単一光子の場合では、２つの非直交基底の等しい重みを用いて、測定によって各単一量子を傍受しそれを他の光子に取り替えることは、平均で２５％の量子ビット誤り率をもたらすだろう。
【０００６】
単一光子に加えて、量子通信システムは、量子連続変数で情報を符号化することに基づいていることもできる。対応するＱＫＤプロトコルは、連続変数ＱＫＤ（ＣＶ−ＱＫＤ）と称される。単一光子プロトコルと同様に、光子を傍受し再送信することはチャネル雑音を増大させ、それによって、チャネル誤りを増加させる。
【０００７】
量子チャネルが古典的チャネルと共存することが望ましい。実際に、量子鍵分配の技術は、量子信号とともに古典的信号を使用して通信することをアリス及びボブに要求する。他の例は、データトラフィックが存在し且つ高い安全性が必要とされる専用の銀行間ネットワーク及びメトロポリタンネットワークを含む。
【０００８】
古典的チャネル及び量子チャネルは、多重化のプロセスを使用して単一光ファイバに沿ってともに送信されることができる。多重化は、送信のために、双方向信号（双方向信号に限定されない）を含む複数の信号を結合して単一信号にするプロセスである。異なる波長の光が異なる信号を送信するために使用される波長分割多重は、１種類の多重化の一例である。
【０００９】
量子チャネル及び古典的チャネルがともに多重化される場合、光子のラマン散乱は、古典的信号を送信するために使用される高出力の古典的レーザによって生成される。このラマン散乱は、射出パワーに比例し、光ファイバ伝送距離とともに増加する。古典的レーザの最小射出パワーは受信器感度及び伝送距離によって決まり、射出パワーが伝送距離に対して小さすぎる場合、受信信号は誤りのないデータ通信には低すぎるだろう。従って、ある距離を越えると、要求される最小射出パワーは量子チャネル信号を破損するのに充分なラマン雑音を生成するので、ラマン散乱は量子／古典的チャネル共存を制限する。光ファイバ中で古典的レーザによって生成されるラマン雑音を抑制する従来技術は、スペクトルフィルタリング及びデータレーザ出力制御を含む。さらに、ラマン散乱は広帯域の現象である。ラマン散乱の分光幅は２００ｎｍより広い幅である。ラマン散乱は、古典的チャネルの２００ｎｍ以内で量子チャネルを動作するために制御される必要がある。
【００１０】
近年、量子／古典的多重化信号伝送の最大距離は、１．２５ＧＢ／ｓの信号と共存するＱＫＤ信号の場合では、９０ｋｍに制限されている。この距離は、より高い古典的データレート又はより多くのデータチャネルが使用される場合に低減されるだろう。
【００１１】
以下、次の図を参照しながら実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、双方向古典的データチャネルとともに多重化された量子チャネルを備える量子通信システムの概略図である。
【図２】図２は、実施形態に従う信号マニピュレータを含む量子通信システムの概略図である。
【図３】図３は、ファイバ長の関数としてデータレーザ射出パワーを示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は、実施形態に従う単一チャネル信号マニピュレータの概略図であり、図４（ｂ）は、実施形態に従う古典的信号を再送信することに関与する単一チャネル信号マニピュレータの一部の概略図である。
【図５】図５（ａ）は、実施形態に従う２チャネル双方向信号マニピュレータの概略図であり、図５（ｂ）は、実施形態に従う古典的信号を再送信することに関与する２チャネル双方向信号マニピュレータの一部の概略図である。
【図６】図６（ａ）は、実施形態に従う多チャネル信号マニピュレータの概略図であり、図６（ｂ）は、実施形態に従う古典的信号を再送信することに関与する多チャネル信号マニピュレータの一部の概略図である。
【図７】図７は、ネットワークシナリオにおいて実施形態に従う信号マニピュレータの適用を示す。
【図８】図８は、長距離伝送リンクシナリオにおいて実施形態に従う信号マニピュレータの適用例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施形態では、多重化信号のための入力と、多重化信号を個別の要素（components）に分岐するデマルチプレクサと、分岐された要素のうちの第１要素を受信し、この第１要素が受信されたのよりも高いパワーで、受信した第１要素を再送信するように構成される再送信器ユニットと、デマルチプレクサによって分岐された要素のうちの第２要素を受信するように構成されるバイパスチャネルと、第１要素及び第２要素を多重化するマルチプレクサと、を具備し、再送信器は、マルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、第１要素のパワーを調整するように構成される、信号マニピュレータが提供される。
【００１４】
再送信プロセスは、光学的又は電気的手段或いはそれらの両方によって実現されることができる。例えば、光信号は、光検出によって電気的信号に変換されることができる。その後、それは、トランスポンダによって光信号に変換されることができる。代替の実施形態では、再送信は、受信された第１要素の単純な増幅である。
【００１５】
さらなる実施形態では、マルチプレクサから出る多重化信号のパワーは、−１０ｄＢｍ以下であり、さらに他の実施形態では、−２０ｄＢｍ以下である。
【００１６】
一実施形態では、第１要素は、古典的情報プロトコルに従って情報を運ぶように構成され、第２要素は、量子通信プロトコルに従って情報を運ぶように構成される。ここで、第１要素は、第２要素より高いパワーを有する。典型的に、量子情報キャリアとして単一光子を使用するＱＫＤスキームにおいては、第２要素は、−７０ｄＢｍ以下のパワーを有することができ、ＣＶ−ＱＫＤなどの他の多光子数ＱＫＤスキームにおいては、典型的なパワーは、−５０ｄＢｍ以下である。いずれの場合にも、第１要素は、−４０ｄＢｍ以上のパワーを有することができる。第２要素は、１パルス当たりの光子の平均数が１未満である信号光パルスの形態で送信される。第２信号は、ＣＶ−ＱＫＤスキームでは、数百までの光子を含む信号光パルスの形態で送信されることができる。いずれの場合にも、量子信号を傍受し再送信することは、安全な鍵転送を中止するチャネル誤りの増加をもたらす。
【００１７】
第１信号は、古典的情報を運ぶ。第１信号は、任意の情報の損失なしに、送信器と受信器との間の中間位置において中継される（repeated）ことができる。第１信号の中継は、信号を受信及び再送信することによって或いは信号増幅によって、実現されることができる。中間中継の場合には、第１信号は、信号マニピュレータなしで送信される信号の射出パワーよりはるかに低いパワーで射出され再送信されることができる。第１信号の射出パワーは、誤りのないデータ操作を保証するように選択されることができる。第１信号の射出パワーは、従来の古典的通信プロトコルによって許容可能である誤り率、例えば、１Ｅ−０９以下のビット誤り率を保証するように選択されてもよい。
【００１８】
第１信号は、複数の信号の混合を含んでいてもよい。そのような実施形態では、再送信器ユニットは、デマルチプレクサから複数の要素を受信するように構成され、再送信器ユニットは、マルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、受信した複数の要素のパワーを調整するように構成される。
【００１９】
さらなる実施形態では、再送信器は、各要素が各自の再送信ユニットに割り当てられるように、並列に配置された複数の再送信ユニットを含む。各再送信ユニットは、受信器及び送信器を含むことができる。さらなる実施形態では、再送信器は、１又は複数の受信器を含む。再送信器は１又は複数の送信器を含んでいてもよい。再送信器ユニットは、分割器及び再結合器を含んでいてもよい。
【００２０】
第１信号の要素信号は、同じ方向又は反対の方向に移動することができる。第２信号は、第１信号と同じ方向に移動するものであってもよく、反対の方向に移動するものであってもよい。実施形態では、信号マニピュレータは、第１方向及び第２方向に移動する信号を処理するように構成され、第１方向は第２方向と反対であり、再送信器は、第１要素が第１方向又は第２方向のいずれに移動するかにかかわらず、第１要素のパワーを調整するように構成され、デマルチプレクサは、第１方向に移動する多重化信号を分岐し、それらを再送信器に渡すように構成され、デマルチプレクサは、第２方向に移動する、再送信器及びバイパスチャネルから受信される信号を多重化するように構成され、マルチプレクサは、第１方向に移動する、再送信器及びバイパスチャネルから受信される信号を多重化し、第２方向に移動する多重化信号を分岐し、それらを再送信器に渡すように構成される。
【００２１】
信号中継は、なおも同じ伝送距離を達成しながら、より低い射出パワーが第１信号を送信するために使用されることを可能にする。より低い射出パワーは、ラマン散乱を低減させる。しかしながら、量子情報を運ぶ第２信号は、情報に誤りを導入することなしに、中継又は増幅されることができない。従って、従来の信号リピータは、量子信号及び古典的信号がともに多重化される場合に直接使用されることができない。その代わりに、第１信号及び第２信号の異なる処理を可能にするように設計された信号マニピュレータが必要とされる。
【００２２】
実施形態では、再送信パワーは、次のセクションファイバの伝送損失及び次の光子受信器の感度によって決定される。例えば、ファイバの次のセクションが１０ｄＢの損失を有し且つ次の光子受信器の光感度が−３０ｄＢｍである場合、再送信パワーは、少なくとも−２０ｄＢｍでなければならない。
【００２３】
信号マニピュレータは、第２信号と反対の方向に移動している第１信号の要素を再生成する。再生成（re-generation）プロセスは、信号増幅、波形整形（re-shaping）、及びクロック再生（re-timing）を含むことができるが、これらに限定されない。信号増幅は、光増幅器、例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）を使用して実行することができる。光増幅器は、当技術分野において周知であり、ここではさらなる説明はしない。
【００２４】
信号波形整形は、送信されたパルスの波形を変更するプロセスである。これは、送信された信号をその通信チャネルにより適するようにするためのものである。過度のジッターがある状態では、信号クロック再生技術は、時間的に（in time）パルスを再調整するために使用されることができる。これは、信号波形整形器（signal re-shaper）及び光スイッチを使用する技術などの標準的な技術で行われることができる。これらの技術は、当技術分野において周知であり、ここではさらなる説明はしない。
【００２５】
信号マニピュレータの使用は、第１信号が古典的信号であり且つ第２信号が量子信号である場合において、ラマン散乱を抑制することを促進する。光子のラマン散乱の影響は、散乱が「逆」方向にある場合に、すなわち、古典的信号及び量子信号が反対方向に送信される場合に、最も顕著である。量子信号が古典的信号と逆の方向に送信される場合には、高いラマン後方散乱は、量子信号が最も弱くなる領域で、すなわち、量子信号検出器（「ボブ」）の近くで起こる。
【００２６】
一実施形態では、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、再送信器、及びバイパスチャネルは、マルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、第１要素のパワーを調整するように構成される再構成可能アドドロップマルチプレクサ（ＲＯＡＤｍ；reconfigurable add/drop multiplexer）によって提供される。
【００２７】
さらなる実施形態では、マニピュレータは、必要に応じて、パワーを外部から調整するように構成される。さらなる実施形態では、マニピュレータは、出力信号のパワーを自動調整するように構成される。そのような信号マニピュレータは、多重化信号の入力パワーを決定するための検出器、及びマルチプレクサから出る多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、第１要素のパワーを調整するように構成されるプロセッサをさらに含んでいてもよい。
【００２８】
他の実施形態では、ソースユニット及び上述したような信号マニピュレータを備える量子通信システムであって、ソースユニットは、量子信号のソース（source）と、古典的信号のソースと、量子信号及び古典的信号を多重化信号へと多重化するように構成される多重化ユニットと、を含み、ソースユニットから信号マニピュレータに多重化信号を伝送するように構成される光ファイバをさらに備える量子通信システムが提供される。
【００２９】
ソースユニットは、−５ｄＢｍ以下のパワーで多重化信号を出力するように構成されることができる。
【００３０】
実施形態では、信号マニピュレータのマルチプレクサによって出力される信号のための受信器をさらに備える。
【００３１】
システムのさらなる実施形態は、複数の信号マニピュレータを含むことができる。信号マニピュレータは、隣接する信号マニピュレータとの間に１００ｋｍ以下の間隔を空けて配置されることができる。信号マニピュレータは、隣接する信号マニピュレータとの間に１０ｋｍ以上の間隔を空けて配置されることができる。実施形態では、信号マニピュレータは、直列に配置される。
【００３２】
システムは、円形ネットワーク（circular network）に設けられてもよい。システムも、少なくとも５００ｋｍの長さを有する長距離ネットワークにおいて使用されてもよい。
【００３３】
さらに他の実施形態では、本発明は、信号を中継する方法であって、多重化信号を受信することと、多重化信号を個別の要素に分岐することと、分岐された信号のうちの第１要素を受信し、この第１要素が受信されたのよりも高いパワーで、受信した第１要素を再送信することと、デマルチプレクサによって分岐された要素のうちの第２要素を受信し、この第２要素をバイパスチャネルに導く（direct）ことと、多重化出力信号を生成するために第１要素及び第２要素を多重化することと、を具備し、第１要素が再送信されるパワーは、マルチプレクサから出るときの多重化出力信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように制御される、方法を提供する。
【００３４】
図１は、量子チャネル及び古典的チャネルが共存する通信システムを示す。我々は、第三者によるいかなる傍受が情報を不可避的に変更しそれ故に検出を可能にするように、符号化された弱い光パルスによって信号が送信される経路を量子チャネルと称する。情報の各ビットは、偏光などのパルスの特性で符号化される。単一光子スキームを展開するＱＫＤスキームにおいては、各パルスは、平均して１より非常に小さい数の光子を含む。実施形態では、量子信号のパワーは−７０ｄＢｍ以下である。ＣＶ−ＱＫＤなどのＱＫＤスキームにおいては、各パルスに数百までの光子があり得る。我々は、データを含み得る信号が光放射として古典的に送信される経路を古典的データチャネルと称する。古典的信号は、より多くの光子を含み、従って、量子信号より高いパワーを有する。古典的信号は、検出可能な誤りを生成することなく、傍受及び再送信されることができる。実施形態では、古典的信号は−４０ｄＢｍ以上のパワーで射出される。さらなる実施形態では、古典的信号のデータレートは１.２５Ｇｂ／ｓである。
【００３５】
システムは、データ１６を古典的信号として送信する双方向古典的データチャネル１０及び１１と、量子信号１７を送信する単方向量子チャネル１２と、２つのスペクトルカプラ（spectral coupler）１３及び１５と、を備える。スペクトルカプラ１３及び１５は、スペクトルカプラ１３及び１５間で単一多重化信号１４だけが送信されるように、信号１０、１１、１２をともに多重化し、信号１０、１１、１２を分岐する（demultiplex）。信号１４は、３つの信号１０、１１及び１２をすべて含む。多重化チャネル１４の典型例は、低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ；Coarse Wavelength Division Multiplex）及び高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ；Dense Wavelength Division Multiplex）を含む。
【００３６】
このような構成においてラマン散乱を抑制するために、信号１０及び１１を送信するために使用される古典的レーザパワーは制限される。そして、この制限は、多重化信号１４の最大伝送距離を制限する。
【００３７】
再送信するパワーは、ファイバの次のセクションの伝送損失又は減衰及び次の光子受信器の感度によって決定される。例えば、ファイバの次のセクションの減衰が１０ｄＢの損失をもたらし且つ次の光子受信器の光感度が−３０ｄＢｍである場合、再送信パワーは、少なくとも−２０ｄＢｍでなければならない。
【００３８】
図２は、本発明の実施形態に従う共存する量子及び古典的チャネルを備える通信システムを示す。システムは、データ１６を古典的信号として送信する双方向古典的データチャネル１０及び１１と、信号１７を符号化された単一量子として送信する単方向量子チャネル１２と、２つのスペクトルカプラ１３及び１５と、本発明の実施形態に従う信号マニピュレータ（signal manipulator）と、を備える。スペクトルカプラ１３及び１５は、スペクトルカプラ１３及び１５間で単一多重化信号１４だけが送信されるように、信号１０、１１、１２をともに多重化し、信号１０、１１、１２を分岐する。信号１４は、３つの信号１０、１１及び１２をすべて含む。
【００３９】
図２の実施形態では、量子チャネル１２及び古典的チャネル１０、１１は、典型的に光ファイバである。これらは、典型的には低密度波長分割マルチプレクサ（coarse wavelength division multiplexer）又は高密度波長分割マルチプレクサ（dense wavelength division multiplexer）であるスペクトルフィルタ１３及び１５と直接に接続する（interface）。スペクトルフィルタ１３及び１５はまた、典型的には光ファイバである多重化チャネル１４と直接に接続する。
【００４０】
チャネル１４は、スペクトルカプラ１３及び１５間での伝送中に多重化信号が信号マニピュレータ２０へ導かれるように、信号マニピュレータと直接にさらに接続する。信号マニピュレータ２０は、多重化信号１４を構成する古典的信号／要素１０及び１１を、これらを再送信する前に処理する（manipulate）。
【００４１】
実施形態では、マニピュレータは、マニピュレータによって出力された多重化信号のパワーが−５ｄＢｍ以下になるように、古典的信号のパワーを調整する。
【００４２】
マニピュレータは、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び波形整形の１以上を含むことができる。マニピュレータは、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び波形整形に限定されないことができる。続いて、信号マニピュレータは、処理された古典的信号を多重化信号１４に再挿入する。そして、多重化信号１４は、信号マニピュレータから導かれる。
【００４３】
実施形態では、信号マニピュレータは、信号がそれぞれのチャネルの終端で受信されることを可能にするがラマン散乱を制限するのに充分に低いレーザ射出パワーで、古典的信号１０及び１１を再送信する。さらなる実施形態では、信号マニピュレータは、古典的信号１０及び１１が受信されたパワーより高いパワーでそれらが再送信されるように、古典的信号１０及び１１を増幅する。しかしながら、信号は、マニピュレータによって出力された信号の最大パワーが−５ｄＢｍになるように、調整される。
【００４４】
各古典的信号は信号マニピュレータによって再送信されるので、チャネル１０及び１１を通じたデータの伝送に必要な最初のレーザ射出パワーは、信号マニピュレータで受信されるのに充分なものである。これは、チャネル１０及び１１を通じたデータの伝送に必要な最初の射出パワーがそれぞれのチャネルの終端で受信されるのに充分でなければならない図１の従来例と対照的である。信号マニピュレータが、古典的信号がチャネルの終端で受信される地点よりも古典的信号の伝送地点に近接して位置する場合、同じ構成であるが信号マニピュレータを備えないシステムでのものよりも小さい最初のレーザ射出パワーが要求される。同等に、同じレーザ射出パワーで同じ構成であるが信号マニピュレータを備えないシステムに対して、より長い伝送距離を達成することができる。
【００４５】
このように、量子通信システムにおける本発明の実施形態に従う信号マニピュレータの包含は、量子／古典的信号共存に関して古典的信号１０及び１１のレーザ射出パワーの最適化を可能にし、ラマン散乱を抑制するのに充分に低いレーザ射出パワーを使用してより長い伝送距離を達成することができる。実施形態では、第１信号／要素は、古典的データチャネルが誤りのない又は従来の古典的通信プロトコルによって決められた必要条件内で許容可能な誤り率を有する、例えば、１Ｅ−０９のビット誤り率を有することを保証する射出パワーで信号マニピュレータによって再送信される。実施形態では、使用される古典的プロトコルに応じて、１Ｅ−０９の許容可能な誤り率は、順方向誤り訂正符号を用いて１Ｅ−０３に改善され得る。
【００４６】
図２の実施形態は、量子通信システム中に単一の信号マニピュレータを備える。さらなる実施形態では、量子通信システムは、直列に配置された複数の信号マニピュレータを含み、それにより量子古典共存距離をさらに最適化することができる。実施形態では、各信号マニピュレータは、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び再生成の１以上によって古典的信号を処理する。信号マニピュレータは、増幅、信号のクロック再生、波形整形以外の方法を使用して、信号を処理してもよい。信号は、信号が誤りなしで又は隣接する信号マニピュレータにおいて（又は隣接する信号マニピュレータがない場合、信号チャネルの終端において）従来の古典的通信プロトコルによって許容可能である誤り率で、受信されることを可能にするレーザ射出パワーで、各信号マニピュレータによって再送信される。例えば、ビット誤り率は１Ｅ−０９以下であり得る。さらなる実施形態では、各信号マニピュレータの射出パワーは、ラマン雑音を制限するのに充分に低い。
【００４７】
図３は、古典的信号に関して、伝送距離の関数として、要求されるレーザ射出パワーを示す。リピータ（repeater）がないシステムに関する結果は、本発明の実施形態に従う１つの信号マニピュレータを備えるシステムのもの、及び本発明の実施形態に従う直列に配置された２つの信号マニピュレータを備えるさらなるシステムのものと比較される。０.２５ｄＢ／ｋｍの過度のファイバ損失及び−３０ｄＢｍの標準テレコム（standard telecom）受信器感度を仮定すると、最小の要求される射出パワーは、リピータがない場合（ｎ＝０；実線）には１００ｋｍにおいて−５ｄＢｍである。古典的信号が単一の信号マニピュレータによって再送信される場合（ｎ＝１；破線）については、データは、５０ｋｍの後で信号マニピュレータによって再送信され、それにより１００ｋｍの合計伝送距離において−１７.５ｄＢｍの最小の射出パワーを要求するだけである。同様に、本発明の実施形態に従う２つの信号マニピュレータが存在する場合（ｎ＝２；点線）には、再送信の前の伝送距離は３３ｋｍに低減され、それにより−２１.７ｄＢｍだけの射出パワーが１００ｋｍの合計伝送距離に関して要求される。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態に従う信号マニピュレータ２０の概略図を示す。信号マニピュレータ２０は、２つのスペクトルカプラ２０３及び２０４と、古典的信号１０を受信及び再送信するためのコンポーネント２０２と、を備える。
【００４９】
１つの量子信号を含む１以上の他の信号２０１とともに多重化された古典的信号１０を含む多重化信号１４は、信号マニピュレータ２０を経由して導かれる。信号１４が信号マニピュレータ２０を通過する時は、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、スペクトルカプラ２０３及び２０５間で信号が分岐されるように、信号１０及び残りの信号２０１を分岐し、信号１０及び残りの信号２０１をともに再多重化する。
【００５０】
スペクトルカプラ２０３及び２０５間の伝送中に、信号１０は、それが受信及び再送信されるコンポーネント２０２を経由してさらに導かれる。一方、信号２０１はコンポーネント２０２へ導かれない。
【００５１】
図４（ａ）の実施形態では、多重化チャネル１４は、典型的に、スペクトルカプラ２０３及び２０４と直接に接続する光ファイバである。実施形態では、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、アドドロップマルチプレクサ（add/drop multiplexer）である。さらなる実施形態では、それらは、低密度波長分割マルチプレクサ又は高密度波長分割マルチプレクサである。スペクトルカプラ２０３及び２０４は、典型的には光ファイバである古典的データチャネル１０及びチャネル２０１と直接にさらに接続する。データチャネル１０は、典型的には標準テレコム送受信器であるコンポーネント２０２と直接に接続する。
【００５２】
実施形態では、量子信号は古典的信号１０と反対の方向に送信される。
【００５３】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される本発明の実施形態に従うコンポーネント２０２の概略図を示す。コンポーネント２０２は、受信器２０２１及び送信器２０２２を備える。古典的信号１０は、コンポーネント２０２へ導かれ、受信器２０２１によって受信される。これは、次に、古典的信号１０を送信するために送信器２０２２を駆動する。再送信される信号１０は、コンポーネント２０２から導かれる。
【００５４】
実施形態では、コンポーネント２０２は、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び再生成の１以上によって古典的信号１０を処理する。それは、信号が受信されたパワーより高いパワーで信号を再送信する。さらなる実施形態では、送信器２０２２の射出パワーは、ラマン雑音を制限するのに充分に低い。実施形態では、射出パワーは、−５ｄＢｍ以下である。
【００５５】
図４（ｂ）の実施形態では、古典的データチャネル１０は、典型的に、コンポーネント２０２と直接に接続する光ファイバである。コンポーネント２０２は、典型的に、標準テレコム受信器２０２１及び標準テレコム送信器２０２２を含む標準テレコム送受信器である。
【００５６】
実施形態では、コンポーネント２０２は、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び再生成の１以上によって信号を処理する光信号マニピュレータである。信号マニピュレータはまた、増幅、信号のクロック再生、波形整形、又は再生成以外のプロセスによって信号を処理してもよい。受信器２０２１は、光信号１０及び１１を受信し、この光信号を電気的信号に変換する。送信器２０２２は、この電気的信号を受信し、それを光信号に変換する。
【００５７】
図５（ａ）は、本発明のさらなる実施形態に従う信号マニピュレータ２０の概略図を示す。信号マニピュレータ２０は、２つのスペクトルカプラ２０３及び２０４と、反対の方向性で古典的信号１０及び１１を受信及び再送信するためのコンポーネント２０２と、を備える。
【００５８】
量子信号を含む１以上の他の信号２０１とともに多重化された古典的信号１０及び１１を含む多重化信号１４は、信号マニピュレータ２０を経由して導かれる。信号１４が信号マニピュレータを通過する時は、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、スペクトルカプラ２０３及び２０５間で３つの信号が分岐されるように、信号１０、１１及び残りの信号２０１を分岐し、信号１０、１１及び残りの信号２０１をともに再多重化する。
【００５９】
スペクトルカプラ２０３及び２０５間の伝送中に、信号１０及び１１は、それらが受信及び再送信されるコンポーネント２０２を経由してさらに導かれる。一方、信号２０１は、コンポーネント２０２へ導かれない。
【００６０】
図５（ａ）の実施形態では、多重化チャネル（１４）は、典型的に、スペクトルカプラ２０３及び２０４と直接に接続する光ファイバである。実施形態では、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、アドドロップマルチプレクサである。さらなる実施形態では、それらは、低密度波長分割マルチプレクサ又は高密度波長分割マルチプレクサである。スペクトルカプラ２０３及び２０４は、典型的には光ファイバであるチャネル１０、１１及び２０１と直接にさらに接続する。データチャネル１０及び１１は、典型的には標準テレコム送受信器であるコンポーネント２０２と直接に接続する。
【００６１】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示される本発明の実施形態に従うコンポーネント２０２の概略図を示す。２０２は、２つの送信器２０２２及び２０２３と、２つの受信器２０２１及び２０２４と、を備える。古典的信号１０は、コンポーネント２０２へ導かれ、受信器２０２１によって受信される。これは、次に、古典的信号１０を送信するために送信器２０２２を駆動する。そして、再送信された信号１０は、コンポーネント２０２から導かれる。同様にして、古典的信号１１は、コンポーネント２０２へ導かれ、受信器２０２３によって受信される。これは、次に、古典的信号１１を送信するために送信器２０２４を駆動する。そして、再送信された信号１１は、コンポーネント２０２から導かれる。
【００６２】
実施形態では、コンポーネント２０２は、増幅、信号のクロック再生、波形整形、及び再生成の１以上によって古典的信号１０及び１１を処理する。信号マニピュレータはまた、増幅、信号のクロック再生、波形整形、又は再生成以外のプロセスによって信号を処理してもよい。信号は、それらが再送信されるパワーが、それらが受信されたものより高くなるように、再送信される。さらなる実施形態では、送信器２０２２及び２０２３の射出パワーは、ラマン散乱を制限するのに充分に低い。実施形態では、送信器２０２２及び２０２３の射出パワーは、−５ｄＢｍ以下である。
【００６３】
図５（ｂ）の実施形態では、古典的データチャネル１０及び１１は、コンポーネント２０２と直接に接続する光ファイバであり得る。実施形態では、コンポーネント２０２は、標準テレコム受信器２０２１及び２０２４並びに標準テレコム送信器２０２２及び２０２３を含む標準テレコム送受信器であり得る。
【００６４】
実施形態では、コンポーネント２０２は、光信号マニピュレータである。受信器２０２１及び２０２４は、光信号１０及び１１を受信し、これらの光信号を電気的信号に変換する。送信器２０２２及び２０２３は、これらの電気的信号を受信し、これらを光信号に変換する。
【００６５】
図６（ａ）は、本発明のさらに他の実施形態に従う信号マニピュレータ２０の概略図を示す。信号マニピュレータ２０は、２つのスペクトルカプラ２０３及び２０４と、古典的信号２０５を受信及び再送信するためのコンポーネント２０２と、を備える。
【００６６】
量子チャネル１２とともに多重化された、複数の古典的チャネル１０及び１１を含む双方向古典的信号２０５を含む多重化信号１４は、信号マニピュレータ２０を経由して導かれる。実施形態では、古典的信号２０５は、４０以上の古典的要素の混合を含む。実施形態では、古典的信号は、ＤＷＤＭチャネル又は再構成可能光アドドロップマルチプレクサ（ＲＯＡＤＭ；reconfigurable optical add-drop multiplexer）チャネルである。ＲＯＡＤＭチャネルは、当技術分野において周知であり、ここでは説明しない。
【００６７】
信号１４が信号マニピュレータ２０を通過する時は、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、スペクトルカプラ２０３及び２０４間で２つの信号が分岐されるように、古典的信号２０５及び量子信号１２を分岐し、古典的信号２０５及び量子信号１２をともに再多重化する。
【００６８】
スペクトルカプラ２０３及び２０５間の伝送中に、古典的信号２０５は、そのコンポーネント古典的信号が受信及び再送信されるコンポーネント２０２を通じてさらに導かれる。一方、量子信号１２はコンポーネント２０２へ導かれない。
【００６９】
図６（ａ）の実施形態では、多重化チャネル１４は、典型的に、スペクトルカプラ２０３及び２０４と直接に接続する光ファイバである。実施形態では、スペクトルカプラ２０３及び２０４は、アドドロップマルチプレクサである。さらなる実施形態では、それらは、低密度波長分割マルチプレクサである。スペクトルカプラ２０３及び２０４は、典型的には光ファイバであるチャネル２０５及び１２と直接にさらに接続する。チャネル２０５は、コンポーネント２０２と直接に接続する。
【００７０】
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される本発明の実施形態に従うコンポーネント２０２の概略図を示す。２０２は、スペクトルカプラ２０２５及び２０２６と、複数の送信器２０２２及び２０２３と、複数の受信器２０２１及び２０２４と、を備える。
【００７１】
複数の古典的信号１０及び１１を含む古典的信号２０５は、コンポーネント２０２を経由して導かれる。信号２０５がコンポーネント２０２を通過する時は、スペクトルカプラ２０２５及び２０２６は、スペクトルカプラ２０２５及び２０２６間で信号が分岐されるように、複数の古典的信号１０及び１１を分岐し、複数の古典的信号１０及び１１をともに再多重化する。
【００７２】
スペクトルカプラ２０２５及び２０２６間の伝送中に、複数の古典的信号１０が複数の受信器２０２１によって受信される。これは、次に、古典的信号１０を送信するために複数の送信器２０２２を駆動する。同様にして、複数の古典的信号１１が受信器２０２３によって受信される。これは、次に、古典的信号１１を送信するために送信器２０２４を駆動する。
【００７３】
実施形態では、コンポーネント２０２は、複数の古典的信号１０及び１１が受信されたものより高いパワーでそれらが再送信されるように、複数の古典的信号１０及び１１を増幅する。さらなる実施形態では、複数の送信器２０２２及び２０２４の射出パワーは、ラマン散乱を制限するのに充分に低い。
【００７４】
図６（ｂ）の実施形態では、古典的データチャネル２０５は、典型的に、スペクトルカプラ２０２５及び２０２６と直接に接続する光ファイバである。実施形態では、スペクトルカプラ２０２５及び２０２６は、アドドロップマルチプレクサである。さらなる実施形態では、それらは、高密度波長分割マルチプレクサである。スペクトルカプラ２０２５及び２０２６は、典型的には光ファイバであるチャネル１０及び１１と直接にさらに接続する。チャネル１０及び１１はそれぞれ、典型的には標準テレコム送受信器である送受信器と直接に接続する。
【００７５】
実施形態では、コンポーネント２０２は、光信号マニピュレータである。受信器２０２１及び２０２４は、光信号１０及び１１を受信し、これらの光信号を電気的信号に変換する。送信器２０２２及び２０２３は、これらの電気的信号を受信し、これらを光信号に変換する。
【００７６】
図７は、ネットワークシナリオにおいて本発明の信号マニピュレータの実施形態の適用を示す。実施形態では、ネットワークは、メトロポリタンネットワークである。実施形態では、ネットワークは、ネットワークの４つのノードＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ間で並びにこれらの任意の組み合わせで送信する古典的データチャネル２５の円形ネットワークを含む。量子鍵は、ノードＡ（２１）からノードＣ（２２）へ１００ｋｍの距離だけ送信される。本発明の実施形態に従う信号マニピュレータ２０２は、ノードＡから５０ｋｍにあり且つノードＣから５０ｋｍにあるノードＢに位置する。ノードＡにおいて、量子鍵信号は、ネットワークに入り、ネットワークを移動している他の古典的信号と多重化される。ノードＣにおいて、量子鍵は、多重化から解除され、ネットワークから導かれる。従って、量子／古典共存を備えた多重化チャネル２４は、ノードＡとノードＣとの間に存在する。ノードＢにおいて、古典的信号又は複数の古典的信号は、多重化信号の中から信号マニピュレータによって受信され、多重化信号において再送信される。従って、ノードＢにおける信号マニピュレータの存在は、伝送距離を妥協することなしに、古典的データのレーザ射出パワーがラマン散乱を制限するのに充分に低く保たれることを可能にする。
【００７７】
実施形態では、図７のメトロポリタンネットワークは広域ネットワークである。
【００７８】
実施形態では、古典的データチャネル２５の円形ネットワークは、光ファイバである。光ファイバは、ノードＡ（２１）及びノードＣ（２３）においてマルチプレクサと直接に接続する。実施形態では、これらのマルチプレクサは、アドドロップマルチプレクサである。さらなる実施形態では、それらは、低密度波長分割マルチプレクサ又は高密度波長分割マルチプレクサである。マルチプレクサは、典型的には光ファイバである多重化チャネル２４と直接にさらに接続する。多重化チャネル２４は、ノードＢにおいて本発明の実施形態に従う信号マニピュレータと直接に接続する。
【００７９】
上記の実施形態のメトロポリタンネットワークシナリオは、既存の古典的ネットワークであってもよく、上記の実施形態は、量子ネットワークを古典的システムインフラストラクチャに基づいて設置することを可能にする。さらに、既存のＤＷＤＭシステムは、光パワーの損失を補うために中間ラインリピータ（intermediate line repeater）を使用してもよい。そのようなラインリピータは、長距離にわたって量子／古典的共存を可能にする上記の実施形態に従って直接に適用されることができる。
【００８０】
ラマン雑音のスペクトルフィルタリングの既存の方法は、高価な特別に設計され作製されたフィルタに頼っている。上記の実施形態のすべては、容易に利用可能な商品を使用して実施することができ、それにより、他のアプローチよりもコスト優位性を提供することができる。
【００８１】
図８は、長距離伝送リンクの一部として信号マニピュレータの実施形態の適用を示す。長距離伝送リンクは、当技術分野において周知であり、ここでは詳細には説明しない。長距離伝送リンクは、大きな距離にわたってデータを通信するための通信チャネルである。それらは、長さが数千キロメートルにまで及び、典型的に、光ファイバのセクションを連結する多数の中間ノードを含むことができる。従来、中間ノードは、ノードに達した信号を、それらの再送信に先立って、高めるための光増幅器を含む。
【００８２】
図８に示される長距離伝送リンクのセクションは、４つのノードを含む。ノード１及び４は、光増幅器を含む。ノード３及び４は、実施形態に従う信号マニピュレータを含む。古典的通信チャネルは、示された伝送リンクのセクションの全長にわたって送信される。ノード２とノード３との間では、量子通信チャネルは、古典的通信チャネルとともに多重化される。量子通信チャネルは、単にノード２とノード３との間の古典的通信チャネルとともに多重化されるだけであり、ノード２及び３の外側では、量子通信チャネルは、長距離伝送リンクから分岐される。
【００８３】
実施形態では、長距離伝送リンクは、光ファイバを含む。さらなる実施形態では、量子通信チャネルは、光ファイバを含む。実施形態では、長距離伝送リンクを含む光ファイバは、ノード１、２、３及び４と直接に接続する。さらなる実施形態では、量子通信チャネルを含む光ファイバは、ノード２及び３と直接に接続する。
【００８４】
従来の長距離伝送リンクでは、従来の光信号増幅器による増幅が量子信号に誤りをもたらすので、量子情報は、ノードを通じて送信されることはできない。しかしながら、図８の実施形態では、ノード２及び３は、実施形態に従う信号マニピュレータを含む。それにより、量子情報は、図８に示される構成を用いて長距離伝送リンクを通じて送信されることができる。
【００８５】
図８に示されるような構成は、ＱＫＤのために使用されてもよい。ＱＫＤは光増幅器を介して動作することができないが、実施形態に従う量子信号マニピュレータは、従来の伝送路における光増幅器に代えて、古典的信号を送る（route）／処理するために、長距離伝送路のノードに挿入されることができる。これは、ファイバリンクのセクションに関してＱＫＤ動作を可能にする。ファイバセクションに光増幅器がない限り、ＱＫＤは、長距離伝送ファイバリンクの一部において容易に使用されることができる。
【００８６】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。ここに説明した新規な方法、マニピュレータ、及びシステムは、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに説明した新規な方法、マニピュレータ、及びシステムの形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲とそれらの均等物は、発明の範囲や要旨に含まれるそのような変形や修正を含むことを意図される。
【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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【外国語明細書】
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