(57)【要約】【課題】おとり光の光強度を極端に低下させることなく効率よく安全な鍵生成を行う。直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成し、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づける。【解決手段】量子暗号鍵配付装置１００は、送信装置１０、受信装置１５、伝送路１５を含む。送信装置１０は、伝送路１５に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部１１、コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部１２、コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部１３を有する。受信装置１５は、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部１Ｂ、伝送路１４より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部１８を含む。【選択図】図１
2014232989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、
前記送信装置は、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、
前記受信装置は、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
量子暗号鍵配付装置。
【請求項２】
前記減衰部は、平均光子数をμＡ（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、又は０（真空場）のいずれかになるようにランダムに減衰する
請求項１記載の量子暗号鍵配付装置。
【請求項３】
前記変調部は、偏波状態をＢＢ８４偏波状態（水平、垂直、４５度、又は１３５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
請求項１又は２記載の量子暗号鍵配付装置。
【請求項４】
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
請求項３記載の量子暗号鍵配付装置。
【請求項５】
前記変調部は、偏波状態をＢ９２偏波状態（水平、又は４５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
請求項１又は２記載の量子暗号鍵配付装置。
【請求項６】
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
請求項５記載の量子暗号鍵配付装置。
【請求項７】
伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有する
送信装置。
【請求項８】
伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
受信装置。
【請求項９】
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法を、前記送信装置又は前記受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムに関し、効率よく安全な鍵生成を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的なニーズが高まっており、光通信技術を用いて遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、量子暗号鍵配付技術が注目されている。
【０００３】
図４は従来の一般的量子暗号鍵配付装置を、盗聴装置を含めて図示したブロック図である。従来の量子暗号鍵配付装置は、送信装置６１は光子を発生する光源６２、２ビットの乱数発生器６３、およびこれに基づき鍵データ及び変調基底状態を光子の状態にコーディングするエンコーダー６４からなる。一方、受信装置６８は１ビットの乱数発生器６９、およびこれに基づき観測基底状態を光子に変調するデコーダー６Ａ、鍵データとなる信号を生成する光子検出器６Ｂからなる。送信装置６１と受信装置６８とは光伝送路６６によって結ばれている。盗聴装置６７は光伝送路６６の途中に挿入され、光伝送路６６およびこれにより伝搬されるあらゆる信号に自由にアクセスできる。
【０００４】
量子暗号鍵配付プロトコルは、安全性が証明可能であるという現代暗号にない特徴を持つが、その安全性の証明においては、送受信装置が信頼でき、鍵データやエンコード及びデコード基底情報を漏洩する、あるいはこれらを外部から制御するサイドチャンネルがないことが、アプリオリに仮定される。しかるに、量子暗号鍵配付装置は、鍵伝送のための伝送路を有するため、伝送路への入出力チャンネルが必然的に存在する。この伝送路への入出力チャンネルはセキュリティ上のリスクになり得る。問題となるのは、この伝送路を経由するサイドチャンネルがあり得ることであり、送信側では鍵データやエンコード及びデコード基底情報を漏洩するサイドチャンネル６５が、受信側ではこれらを外部から制御するサイドチャンネル６Ｃが、セキュリティ上、重要な問題となる。
【０００５】
理論的モデルでは理想的な構成要素デバイスを仮定するのに対して、現実に用いられるデバイスは理想とは異なる様々な特性を持ち、セキュリティ上の脆弱性の要因となる。このような脆弱性を突いた量子暗号鍵配付装置の量子ハッキングが提案されている。量子ハッキングに利用される送信側サイドチャンネルとしては、光源の非理想性により情報のキャリアとなる光子パルスの状態空間が拡大されることによって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、光源は単一光子のみを生成すると仮定されている。しかしながら、現実の量子暗号鍵配付装置では、微弱レーザー光源や疑似単一光子光源が用いられる。これらの非理想光源は、単一光子状態以外の状態（バキューム状態とマルチフォトン状態）を含み、これを利用するサイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。具体的な攻撃として光子数分割攻撃が問題提起されたが（非特許文献１）、これらのセキュリティホールは囮光子の使用や、単一光子光源の使用によりクローズされたと考えられている（非特許文献２、３）。
【０００６】
一方、量子ハッキングに利用される受信側サイドチャンネルとしては、デコーダーの不適切な使用（非特許文献４）や、光子検出器の非理想性によって生じるものが知られている。スタンダードな安全性証明においては、スレッショルドデテクタと呼ばれる、理想的光子検出器の使用が仮定されている。スレショルドデテクタは、単一光子状態以外に多光子状態にも反応し、光子の有無に応じた２値検出信号を生成する光子検出器であり、その安全性証明においては、光子数に依存せず、どの光子数状態に対しても等しい反応確率を持つ理想的光子検出器の使用が仮定されている（非特許文献５、６）。しかしながら、現実の光子検出器の反応確率は光子数状態に依存する。この想定特性との乖離を利用することにより、サイドチャンネルアタックの可能性がオープンする。様々なタイプのサイドチャンネルアタック（ｔｉｍｅ−ｓｈｉｆｔアタック、ｂｌｉｎｄｉｎｇアタックなど）が具体的な攻撃法として例示され、一部は実験により実証されている（非特許文献７乃至１０）。
【０００７】
サイドチャンネルの問題のポイントは、量子暗号鍵配布プロトコルにおいて想定された信号量子状態以外のキャリアの量子状態を第３者が利用できる可能性があることにある。キャリアの利用において、そのような想定外の量子状態の生成、観測、エンコードならびにデコードをなくす、あるいはその存在を検知可能にすることが、このようなリスクをなくすために是非とも必要である。
【０００８】
特に、受信側サイドチャンネルの問題は送信側のものより深刻であると思われる。これは、用いられる光子検出器の特性は定量的モデル化が著しく困難かつ、デバイス毎にばらつきがあるため、一般的な安全性証明を行うことが困難であることによる。受信装置の安全性が検出器特性に依存すること自体、実用的量子暗号鍵配付装置の信頼性を揺るがせる大きな原因となっている。
【０００９】
受信側サイドチャンネルの問題については、その対策を考えても、また新たにセキュリティホールが指摘され、いたちごっこから抜け出せない状況にある。仮に知られた攻撃に対する対策をとることができるとしても、実用的量子暗号鍵配付装置が安全と証明されるわけではない。量子暗号鍵配付装置のセキュリティホールは、インプリメントの改良と、改良されたデバイスをモデル化して安全性証明を改良することによって、首尾一貫してつぶすことが重要である。これが実用的量子暗号鍵配付装置が現代暗号に勝るという証明可能安全性を獲得しうる唯一の方法であり、首尾一貫した安全性証明を行うことが可能な受信装置の開発が望まれている。
【００１０】
近年、この受信側サイドチャンネルアタックを本質的に解決する方法として、測定デバイスに独立な安全性を持つ量子鍵配付（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ＱＫＤ：ＭＤＩ−ＱＫＤ）という方法が提案された。この方法では、正規ユーザーが共に信頼おける光源を持つことだけを要請し、セキュリティホールが指摘された光子検出器の動作について一切の仮定を置くこと無しに、正規ユーザー間に無条件安全な共有秘密鍵を生成できるという優れた特徴を持つ。
【００１１】
図５はＬｏらによって提案されたＭＤＩ−ＱＫＤシステムの一例を示している。この例では、正規ユーザーが共に信頼の置ける微弱コヒーレント光源を持ち、おとり光子法を併用して、遠隔（≧５ｋｍ）に位置する正規ユーザー間に無条件安全な共有秘密鍵を生成できる。正規ユーザーは、そのテリトリー７１の内部に校正済みレーザー光源７２、偏波変調器７３および強度変調器７４を持つ。これらのデバイスは、信頼できるものと仮定する。安全性上で問題となる光子検出器７８は協力者Ｃｈａｒｌｉｅのテリトリーに属しており、Ｃｈａｒｌｉｅ自身およびそのテリトリーにあるデバイスに、何らの信頼性も仮定しない。Ｃｈａｒｌｉｅは盗聴者Ｅｖｅと共謀して盗聴行為に加担しても良い。Ａｌｉｃｅ、ＢｏｂおよびＣｈａｒｌｉｅ間には公開の公衆回線が引かれており、任意の情報開示が可能である。ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂは、それぞれ独立に同一発光周波数の微弱コヒーレント光源から時間同期して出射される光パルスを、偏波変調器７３により偏波変調し、強度変調器７４により十分な減衰を経ることにより、ＢＢ８４偏波状態（水平（Ｈ）、垂直（Ｖ）、４５°（Ｄ）、１３５°（Ｘ）直線偏波状態）のいずれかに変調された出力光パルスを得る。ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂの出力光パルスは外部光リンクを経由してＣｈａｒｌｉｅに送られる。Ｃｈａｒｌｉｅのテリトリー７７内には、対称ビームスプリッター（ＢＳ）７５、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）７６からなる線形光学回路が構成され、ＡｌｉｃｅとＢｏｂから到着した光子の偏波状態に関する部分ベル状態測定が行われる。４つの光子検出器｛Ｄ１Ｈ，Ｄ１Ｖ，Ｄ２Ｈ，Ｄ２Ｖ｝７８のうち、同一の出力ポートに配置されたＤ１ＨとＤ１Ｖ、またはＤ２ＨとＤ２Ｖで光子が同時検出されたときトリプレット二光子状態
【数１】
2014232989.tif 000003
の、また異なる出力ポートに配置されたＤ１ＨとＤ２Ｖ、またはＤ１ＶとＤ２Ｈで光子が同時検出されたときシングレット二光子状態
【数２】
2014232989.tif 000004
の部分空間への射影測定成功事象として利用し、これ以外の同時検出イベントは廃棄する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送出光子の偏波状態の相関に関して以下の判定が可能になる。
【００１２】
Ａ．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送出光子の偏波状態が共に直線偏波基底ｒ＝｛Ｈ，Ｖ｝から選ばれ、かつＣｈａｒｌｉｅによってＢｅｌｌ状態測定結果｜Ψ＋＞または｜Ψ−＞が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。
【００１３】
Ｂ．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送出光子の偏波状態が共に対角偏波基底ｄ＝｛Ｄ，Ｘ｝から選ばれ、かつＣｈａｒｌｉｅによってＢｅｌｌ状態測定結果｜Ψ＋＞が得られた場合、彼らの偏波状態は一致し、Ｂｅｌｌ状態測定結果｜Ψ−＞が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。
【００１４】
Ｂｅｌｌ状態測定の結果は、ＡｌｉｃｅとＢｏｂの偏波状態の量子力学的相関関係のみを示しているため、ＣｈａｒｌｉｅはＢｅｌｌ状態測定の結果とＡｌｉｃｅとＢｏｂの偏波基底の情報だけを基に、彼らのそれぞれの偏波状態を推測することはできない。
【００１５】
Ａ、Ｂの事実を利用すれば、以下のプロトコルを実行することにより、ＡｌｉｃｅとＢｏｂ間に安全な秘密鍵を共有できる。
【００１６】
１．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、それぞれ独立に真性乱数発生器からの４値ランダム数列に基づいて、偏波変調器７３によりレーザー光パルスを任意のＢＢ８４偏波状態に変調する。その後、真性乱数発生器からの３値ランダム数列に基づいて、それぞれの出力光パルスの平均光子数を｛μＡ（＜１），μＢ（＜１）｝（信号光）、｛νＡ（＜μＡ），νＢ（＜μＢ）｝（おとり光）、０（真空場）（下付きＡはＡｌｉｃｅの、下付きＢはＢｏｂの選択値を意味する）のいずれかになるように強度変調器７４により減衰する。位置タグ、偏波状態と平均光子数を記録した各々の光パルスを、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは外部光リンクを経由して協力者Ｃｈａｒｌｉｅに送りこむ。
【００１７】
２．  ＣｈａｒｌｉｅはＡｌｉｃｅとＢｏｂから到着した光パルスの偏波状態に関する部分ベル状態測定を行う。彼は公衆回線を通じて、対称状態｜Ψ＋＞および反対称状態｜Ψ−＞なる測定結果が得られた光子の位置タグと測定結果をＡｌｉｃｅ、Ｂｏｂにアナウンスする。
【００１８】
３．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、Ｃｈａｒｌｉｅからアナウンスされた位置タグの光パルスの偏波状態と平均光子数のデータと対応するＣｈａｒｌｉｅの測定結果（｜Ψ＋＞か｜Ψ−＞か）をマージして記録し、それ以外のデータを廃棄する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、残されたデータセットについて彼らの選択した偏波基底（直線か対角か）を照合し、基底が合致したデータセットのみを残し、残りを廃棄する。
【００１９】
４．  ＡｌｉｃｅまたはＢｏｂのどちらか一方は、それぞれのデータについてＣｈａｒｌｉｅの測定結果と上記ケースＡ、Ｂの判定基準を照らし合わせて、相手方の偏波状態を推定し、推定結果を自らの偏波状態データと置きかえて、生鍵データセットを得る。
【００２０】
５．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、生鍵データセットを、彼らの選択偏波基底ｉ（＝ｒ，ｄ）、選択平均光子数α（＝μＡ，νＡ，０）、β（＝μＢ，νＢ，０）に応じて１８のサブアンサンブルに分別する。また、
ａ．  それぞれのサブアンサンブルの要素数から、彼らの選択偏波基底がｉ、選択平均光子数が（α，β）の場合に対するサブアンサンブルの生鍵生成確率＝ゲインＱｉ（α，β）
ｂ．  それぞれのサブアンサンブルからランダムサンプリングして、４による推定偏波を公開することにより、それぞれのサブアンサンブルにおける４の推定の誤り率＝量子ビットエラーレート（ＱＢＥＲ）Ｅｉ（α，β）
の統計的評価を行う。
【００２１】
６．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、残った信号光サブアンサンブル（α＝μＡ、β＝μＢのサブアンサンブル）の直線偏波基底ｉ＝ｒに関する偏波状態データ列（Ｈ＝論理０、Ｖ＝論理１とみなす）を鍵候補とし、これに対してＥｒ（μＡ，μＢ）の値に応じた論理的誤り訂正を行い、彼らの鍵候補データ列を完全相関させる。
【００２２】
７．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、おとり手法に基づき、信号光出射事象サブアンサンブル中の単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのゲインの下限：
2014232989.tif 000005
およびＱＢＥＲの上限
2014232989.tif 000006
を評価する。彼らはこれらの値に応じて鍵候補データ列に論理的秘匿性増強を行い、盗聴者との相関情報を消去する。
【００２３】
８．  残った鍵候補データ列を秘密鍵とする。
【００２４】
以上のプロトコルのポイントを以下にまとめる。
【００２５】
（１）  ケースＢの対角偏波基底入力時の部分ベル状態測定はＨｏｎｇ−Ｏｕ−Ｍａｎｄｅｌの二光子干渉（ＨＯＭ干渉）に依存し、理想的にはＣｈａｒｌｉｅへの到着光パルスが０個または単一光子を含み、その周波数、時間波形、コヒーレンス長や検出器への到着時間などから、両者の由来が識別不能である必要がある。例えば、同じ対角偏波状態（Ｄ，Ｄ）または（Ｘ，Ｘ）の単一光子がそれぞれの入射ポートに入射された場合、｜Ψ−＞の測定結果（ＢＳの異なる出力ポートに光子が出力される）が得られる確率は、ＨＯＭ干渉により理想的には０である。理想的条件が満たされない場合、例えば異なる波長を持つフェイク光子や、多光子が入射された場合、対角偏波基底に関するＢの判定結果にはエラーが生じるが、直線偏波基底に関するＡの判定結果にはエラーは生じない。エラー増加に基づく多光子照射の検出は、ケースＢによってのみ可能である。
【００２６】
（２）  盗聴行為によって単一光子成分の偏波状態が乱された場合には、Ａ、Ｂいずれの判定結果にもエラーが生じる。単一光子成分のエラー増加によって、盗聴行為検出は可能である。
【００２７】
以上のプロトコルの無条件安全性は、Ｌｏらにより議論されている。ＨＯＭ干渉の利用により、大強度光照射攻撃の量子ビットエラー観察による検出が可能となるが、光子検出器の不完全性を突くあらゆる攻撃に対して、この方法の無条件安全性は証明可能であるとされる。キーポイントは、次の通りである。おとり手法によって秘匿性増強後に得られた秘密鍵データは、単一光子によって生成された鍵データと置きかえて考えて良い。原理的に直線偏波基底および対角偏波基底に関するデータセットから同時に有限の鍵データを生成することができるならば、これらの鍵データに関しては、２つの非直交な偏波基底に関して観測データは完全相関している。２つの非直交な偏波基底に関して観測データが完全相関するのは、Ｃｈａｒｌｉｅの行う測定がベル状態測定であるからに他ならない。このとき、プロトコル全体は量子エンタングルメントをベースにしたプロトコルと等価（その時間反転）であり、Ｃｈａｒｌｉｅを含めた第３者が鍵情報を共有できる余地はないとされる。（非特許文献１１）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】"Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ"，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，Ｎ．Ｌｕｔｋｅｎｈａｕｓ，Ｔ．Ｍｏｒ，Ｂ．Ｃ．Ｓａｎｄｅｒｓ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．１３３０，７  Ａｕｇｕｓｔ  ２０００．
【非特許文献２】"Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｌｏｓｓ：Ｔｏｗａｒｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｅｃｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ"，Ｗ．−Ｙ．Ｈｗａｎｇ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．５，１  Ａｕｇｕｓｔ  ２００３．
【非特許文献３】"Ｗｈａｔ  ａｒｅ  ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｓ  ｇｏｏｄ  ｆｏｒ？"，Ｎｉｃｏｌａｓ  Ｓａｎｇｏｕａｒｄ，Ｈｕｇｏ  Ｚｂｉｎｄｅｎ，ａｒＸｉｖ：１２０２．０４９３，２  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２０１２．
【非特許文献４】"Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ"，Ｒ．Ｇｅｌｌｅｓ，Ｔ．Ｍｏｒ，ａｒＸｉｖ：１１１０．６５７３，３０  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２０１１．
【非特許文献５】"Ｓｑｕａｓｈｉｎｇ  Ｍｏｄｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ"，Ｎ．Ｊ．Ｂｅａｕｄｒｙ，Ｔ．Ｍｏｒｏｄｅｒ，Ｎ．Ｌｕｔｋｅｎｈａｕｓ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＰＲＬ１０１，０９３６０１，２９  Ａｕｇｕｓｔ  ２００８．
【非特許文献６】"Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  ｐｒｏｏｆ  ｆｏｒ  ｑｕａｎｔｕｍ−ｋｅｙ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"，Ｔ．Ｔｓｕｒｕｍａｒｕ，Ｋ．Ｔａｍａｋｉ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ａ，７８，０３２３０２，２００８．
【非特許文献７】"Ｓｕｐｅｒｌｉｎｅａｒ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ"，Ｌ．Ｌｙｄｅｒｓｅｎ  ｅｔ．ａｌ．，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ａ，８４，０３２３２０，２０１１．
【非特許文献８】"Ｔｉｍｅ−ｓｈｉｆｔ  ａｔｔａｃｋ  ｉｎ  ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍｓ"，Ｂ．Ｑｉ，Ｃ．−Ｈ．Ｆ．Ｆｕｎｇ，Ｈ．−Ｋ．Ｌｏ，Ｘ．Ｍａ，Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，７，７３，２００７．
【非特許文献９】"Ｈａｃｋｉｎｇ  ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｂｙ  ｔａｉｌｏｒｅｄ  ｂｒｉｇｈｔ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ"，Ｌ．Ｌｙｄｅｒｓｅｎ，Ｃ．Ｗｉｅｃｈｅｒｓ，Ｃ．Ｗｉｔｔｍａｎｎ，Ｄ．Ｅｌｓｅｒ，Ｊ．Ｓｋａａｒ，Ｖ．Ｍａｋａｒｏｖ，ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，４，６８６，２９  Ａｕｇｕｓｔ  ２０１０．
【非特許文献１０】"Ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｅｒ  ｏｎ  ａ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｓｙｓｔｅｍ"，Ｉ．Ｇｅｒｈａｒｄｔ，Ｑ．Ｌｉｕ，Ａ．Ｌａｍａｓ−Ｌｉｎａｒｅｓ，Ｊ．Ｓｋａａｒ，Ｃ．Ｋｕｒｔｓｉｅｆｅｒ，Ｖ．Ｍａｋａｒｏｖ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２，３４９，１４  Ｊｕｎｅ  ２０１１．
【非特許文献１１】"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ−Ｄｅｖｉｃｅ−Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ"，Ｈｏｉ−Ｋｗｏｎｇ  Ｌｏ，Ｍａｒｃｏｓ  Ｃｕｒｔｙ，Ｂｉｎｇ  Ｑｉ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＰＲＬ１０８，１３０５０３，３０  Ｍａｒｃｈ  ２０１２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
Ｌｏらの提案のＭＤＩ−ＱＫＤセットアップでは、測定装置として選択偏波基底に関する非対称性を持つセットアップが採用されている。これは、部分ベル状態測定を構成する偏波光学系において直線偏波状態ｄを分離するようにＰＢＳがセットされていることに依存する。Ｌｏらはあえて非対称となるセットアップを提案している。これは、Ｌｏらの提案では、マルチフォトンが含まれる、微弱コヒーレント光をキャリアとして用いるためである。知られているように、微弱コヒーレント光のＨＯＭ干渉の干渉度は高々５０％である。これは、微弱コヒーレント光に含まれるマルチフォトン成分による自己相関信号が干渉信号に重畳し、信号にオフセットが発生するためである。状態識別にＨＯＭ干渉を利用した場合、このノイズオフセットのため観測にかかる対角偏波信号光出射事象のサブアンサンブルのＱＢＥＲは２５％以上となり、誤り訂正によるペナルティが大きい。このため、Ｌｏらは、ＨＯＭ干渉を利用しない直線偏波基底を鍵生成のためだけに、ＨＯＭ干渉を利用する対角偏波基底を盗聴検知のためだけに用いることを提案した。これによって、理想的には直線偏波基底から誤り訂正によるロス無く鍵を生成できる（反面、対角偏波基底のデータの大半を放棄するというペナルティ（最大５０％のロス）がある）。
【００３０】
おとり光手法を用いることで、これらのノイズオフセットは相殺され、秘匿増強の際に必要な、対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するＱＢＥＲを低減できる。図６は、ＣｈａｒｌｉｅがＡｌｉｃｅとＢｏｂの中間地点に配置され（ηＡ＝ηＢ）、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが同一平均光子数のおとり光を用いる（νＡ＝νＢ＝ν）、典型的な状況において対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するＱＢＥＲの下限ｅＬを計算した結果である。図から明らかなように、ｅＬはおとり光強度に依存し、その強度が小さいほど低下する。その原因は、相殺されるのはノイズオフセットの一部のみであり、その相殺の度合いはおとり光強度に依存するためである。Ｌｏらの方法では秘匿性増強を効率的に行うために、ＱＢＥＲ評価において、可能な限り強度の小さなおとり光を用いてノイズオフセット成分の相殺を行う必要があるが、反面、これはおとり光事象アンサンブルの生成速度を低下させ、データ収集時間やエラー評価における系統誤差の拡大につながるため望ましいことではない。特に、ＭＤＩ−ＱＫＤでは、おとり光事象アンサンブルの生成速度はＡｌｉｃｅとＢｏｂのおとり光強度の積で決まるため、おとり光強度を小さくとることの副作用としてのアンサンブル生成速度の低下は深刻なものとなる可能性がある。
【００３１】
また、この方法では誤り訂正により課せられる大きなペナルティのために、対角偏波信号光出射事象サブアンサンブルから鍵生成を行うことは現実的に困難である。そこで彼らは、対角偏波直線基底の状態識別がＨＯＭ干渉に依存し、直線偏波基底の状態識別は依存しない非対称的光学セットアップをＣｈａｒｌｉｅの部分ベル状態測定に用いることを提案した。この非対称セットアップでは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂからどのような光子数が入射されても、それが直線偏波状態であればＣｈａｒｌｉｅは正しい偏波相関結果を得ることができる。このため、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが微弱コヒーレント光を用いたとしても、直線偏波信号光出射事象のサブアンサンブルについては小さなＱＢＥＲを得ることができ、誤り訂正のペナルティを減らすことができる。相補的な対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのＱＢＥＲ評価では、上述のようにノイズオフセットの一部が相殺されるため、秘匿性増強のペナルティもある程度回避である。しかしながら、この方法では直線偏波信号光出射事象のサブアンサンブルのみから鍵生成を行うため、非直交な直線偏波および対角偏波信号光出射事象のデータセットから同時に完全相関する鍵データを生成することには成功していない。従って、このプロトコルが量子エンタングルメントをベースにしたプロトコルと等価であるという主張は、直ちには受け入れられない可能性が残る。
【００３２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、おとり光の光強度を極端に低下させることなく効率よく安全な鍵生成を行うこと、および、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが可能な量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムを提供することにある。
【００３３】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明にかかる量子暗号鍵配付装置は、送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、前記送信装置は、前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、前記受信装置は、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含むものである。
【００３５】
本発明にかかる送信装置は、伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有するものである。
【００３６】
本発明にかかる受信装置は、伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含むものである。
【００３７】
本発明にかかる量子暗号鍵配付方法は、送信装置が、伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、受信装置が、疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含むものである。
【００３８】
本発明にかかるプログラムは、上記量子暗号鍵配付方法を、前記送信装置又は前記受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００３９】
本発明により、おとり光の光強度を極端に低下させることなく効率よく安全な鍵生成を行うこと、および、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが可能な量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１の量子暗号鍵配付装置１００の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２の量子暗号鍵配付装置１００の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するＱＢＥＲの下限ｅＬのおとり光平均光子数νＡの計算例を示した図である。
【図４】従来の量子暗号鍵配付装置の構成を示す図である。
【図５】従来のＭＤＩ−ＱＫＤ装置の構成を示す図である。
【図６】従来の対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するＱＢＥＲの下限ｅＬのおとり光平均光子数νＡの計算例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
まず、図１のブロック図を用いて、本発明の実施の形態１にかかる量子暗号鍵配付装置１００の構成について説明する。量子暗号鍵配付装置１００は、送信者装置１０、受信者装置１５から構成される。
【００４２】
送信者装置１０の校正済みレーザー光源１１により生成された光パルスは、偏波変調器１２により、ＢＢ８４偏波状態（水平（Ｈ）、垂直（Ｖ）、４５°（Ｄ）、１３５°（Ｘ）直線偏波状態）のいずれかの状態に変調される。光パルスは、その平均光子数がμＡ（＜１）（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、０（真空場）のいずれかになるように強度変調器１３により減衰され、受信者装置１５に向けて外部に公開された光伝送路１４に送出される。光伝送路１４から外界と隔離された受信者装置１５内に到着した光パルスは、対称ビームスプリッター（ＢＳ）１６と直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）１７からなる線形光学回路により構成された、２入力光子の偏波状態の量子力学的相関を測定するための部分ベル状態測定装置１８の入力ポートＡ１９に入力される。部分ベル状態測定装置１８は、４つの光子検出器１Ｄの同時光子検出パターンに基づき、２入力光子の偏波状態の量子力学的相関を測定する。疑似単一光子光源１Ｂにより生成された光パルスは、偏波変調器１Ｃにより、ＢＢ８４偏波状態（水平（Ｈ）、垂直（Ｖ）、４５°（Ｄ）、１３５°（Ｘ）直線偏波状態）のいずれかの状態に変調され、部分ベル状態測定装置１８の入力ポートＢ１Ａに入射される。
【００４３】
つづいて、図１および従来技術にかかる図５を参照しながら、本発明の実施の形態１にかかる量子暗号鍵配付装置１００の動作について説明する。
【００４４】
本発明の実施の形態１にかかる量子暗号鍵配付装置１００（図１）は、Ｌｏらの提案（図５）と比較して、Ａｌｉｃｅのテリトリー内に配置された装置およびその作用に変化はない。一方、Ｃｈａｒｌｉｅのテリトリーに配置されていた部分ベル状態測定装置はＢｏｂのテリトリーに吸収されている。Ｂｏｂは微弱コヒーレント光源の代わりに、平均光子数：μＢ、二次コヒーレンス：ｇ（２）（０）が校正された疑似単一光子光源をもち、真性乱数発生器により作成した４値乱数データに基づき、その偏波状態がＢＢ８４状態のいずれかに変調され、部分ベル状態測定装置の一方の入力ポートＢに入力される。これらは外界に対して閉鎖された環境下に置かれており、Ｂｏｂのみが入力ポートＢ、彼の送出光子とその偏波状態、およびＢｅｌｌ状態測定結果にアクセス可能である。従ってＢｏｂの送出光については、おとり光手法による光子数空間上の監視を行う必要は無い。他方の入力ポートＡはＡｌｉｃｅから送出され、透過率ηＡの伝送路を経由して到達した光子を受け入れるために盗聴者を含む外界に対して開放されている。ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂの持つ光源、真性乱数発生器、偏波変調器および強度変調器は、Ｌｏらの提案同様に信頼おけると仮定するが、部分ベル状態測定装置に属するデバイスの信頼性については一切の仮定を置かない。Ａｌｉｃｅ、Ｂｏｂ間には公開の公衆回線が引かれており、任意の情報開示が可能である。Ｌｏらの提案同様、４つの光子検出器｛Ｄ１Ｈ，Ｄ１Ｖ，Ｄ２Ｈ，Ｄ２Ｖ｝の同時光子検出パターンに応じてトリプレット二光子状態｜Ψ＋＞またはシングレット二光子状態｜Ψ−＞の部分空間への射影測定成功事象を判定する。Ｂｏｂは彼の光子の偏波状態およびＢｅｌｌ状態測定結果から、以下のようにＡｌｉｃｅの送信光子の偏波状態の推定を行うことができる。
【００４５】
Ａ．  ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂの送出光子の偏波状態が共に直線偏波基底ｒから選ばれ、かつＢｅｌｌ状態測定結果｜Ψ＋＞または｜Ψ−＞が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態の直交状態がＡｌｉｃｅの選択した偏波状態である。
【００４６】
Ｂ．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送出光子の偏波が共に対角偏波基底ｄから選ばれ、かつＢｅｌｌ状態測定結果｜Ψ＋＞が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態がＡｌｉｃｅの選択した偏波状態であり、Ｂｅｌｌ状態測定結果｜Ψ−＞が得られた場合、彼の選択した直線偏波状態の直交状態がＡｌｉｃｅの選択した偏波状態である。
【００４７】
Ａ、Ｂの事実から、Ｂｏｂのテリトリー内にある装置は従来のＢＢ８４プロトコルを実行する受信器と同等であると考えられる。違いは、従来の受信器では、Ａｌｉｃｅからの到着光子に直接的に基底選択のための偏波変調を行い、直接的に偏波射影測定を行うのに対して、本提案の受信器では、Ｂｏｂの準備する光子に間接的に基底選択の偏波変調を行い、Ｂｅｌｌ状態測定で彼らの光子の偏波相関測定結果を得ることによって間接的にＡｌｉｃｅからの到着光子の偏波射影測定結果を得ることにある。入力ポートＡからの入射光子の単一光子性は、信頼おける校正済み単一光子との良好なＨＯＭ干渉の観測（量子状態相関測定）により保証される。従って、おとり光手法を併用したＢＢ８４プロトコルを踏襲して鍵配布プロトコルを実行することにより安全な鍵を配布することが出来る。対角偏波基底に関する単一光子光入射事象仮想アンサンブルのＱＢＥＲを十分小さく押さえることができることが、安全な鍵を抽出できる必要条件である。
【００４８】
このシステムを用いた場合、スタンダードなおとり光手法の結果から、次のような結果が得られる。Ａｌｉｃｅは平均光子数μＡ（＜１）（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、０（真空場）のいずれかになるようにランダムに強度変調器により減衰して彼女の光子を送出するものとする。ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、基底照合後に得られた生鍵データセットを、彼らの選択偏波基底ｉ（＝ｒ，ｄ）、Ａｌｉｃｅの選択平均光子数α＝（μＡ，νＡ，０）に応じて６つのサブアンサンブルに分別し、それぞれのサブアンサンブルのゲインＱｉ（α）、ＱＢＥＲ  Ｅｉ（α）の統計的評価を行う。これらから対角偏波単一光子出射事象仮想サブアンサンブルに対するＱＢＥＲの下限ｅＬを評価できる。
【００４９】
試算として、ηＡ＝０．０１（１００ｋｍファイバー伝送時）、μＢ＝０．１を考える。この状況下では部分Ｂｅｌｌ状態測定装置の２つのポートから入力される光の強度にはアンバランス（Ｘ＝ηＡνＡ／μＢ＜１）がある。図３はｅＬのνＡ依存性をｇ（２）（０）＝０．００１，０．０１，０．１，１の場合についてプロットしたグラフである。図３と図６を比較すると、単一光子源の純粋度が高く、ｇ（２）（０）が小さければ、νＡの大きさにあまりよらず小さなｅＬを実現出来ることがわかる。現在までに量子ドット単一光子光源で達成されているレコードｇ（２）（０）〜０．００２を考えると、ｇ（２）（０）＜０．０１は十分達成可能な条件である。従って、ｇ（２）（０）の小さい疑似単一光子光源と図１のセットアップを用いることにより、Ｌｏらの方法に比べて大きな強度のおとり光を用いることが可能となり、かつおとり光手法によるＢｏｂの光子の光子空間上の監視を省略することが出来るため、おとり光事象アンサンブルの生成速度低下の問題については改善しうる可能性がある。
【００５０】
本実施の形態によれば、量子暗号鍵配付装置１００は、二次の光学コヒーレンスｇ（２）（０）の小さい疑似単一光子光源と提案の光学セットアップを用いることにより、Ｌｏらの方法に比べて大きな強度のおとり光を用いることが可能となり、かつおとり光手法によるＢｏｂの光子の光子空間上の監視を省略することが出来るため、おとり光事象アンサンブルの生成速度低下の問題について改善されている。
【００５１】
これにより、おとり光の光強度を極端に低下させることなく安全な鍵生成を行うことができ、データ収集時間短縮や、エラー評価における系統誤差の低減など、量子暗号鍵配付装置１００の性能向上に寄与する。
【００５２】
＜実施の形態２＞
つぎに、図２のブロック図を用いて、本発明の実施の形態２にかかる量子暗号鍵配付装置１００の構成について説明する。
【００５３】
実施の形態２にかかる量子暗号鍵配付装置１００においては、偏波変調器１２が入力光子の偏波状態をＢ９２偏波状態（水平（Ｈ）、４５°（Ｄ）直線偏波状態）のいずれかの状態に変調する。これに加えて、１／４波長板２１が対称ビームスプリッター（ＢＳ）１６と偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）１７の間に配置され、これにより偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）１７は入力光子を円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝に分離する偏波ビームスプリッターとして機能する。その余の構成要素の配置と機能は、実施の形態１（図１）と同様である。
【００５４】
つづいて、図２を用いて、本発明の実施の形態２にかかる量子暗号鍵配付装置１００の動作について説明する。
【００５５】
図２では、直線と対角偏波基底の状態識別が共に同等にＨＯＭ干渉に依存する対称的セットアップとなるように、部分Ｂｅｌｌ状態測定系に変更を加えている。このセットアップでは、実施の形態１の部分Ｂｅｌｌ状態測定光学系において、直線偏波基底ｒ＝｛Ｈ，Ｖ｝を分解するようにセットされているＰＢＳが、１／４波長板を挿入することによって円偏波基底ｃ＝｛Ｌ，Ｒ｝を分解するように変更されている。４つの光子検出器｛Ｄ１Ｌ，Ｄ１Ｒ，Ｄ２Ｌ，Ｄ２Ｒ｝のうち、同一の出力ポートに配置されたＤ１ＬとＤ１Ｒ、またはＤ２ＬとＤ２Ｒで光子が同時検出されたときトリプレット二光子状態
【数３】
2014232989.tif 000007
の、また異なる出力ポートに配置されたＤ１ＬとＤ２Ｒ、またはＤ１ＲとＤ２Ｌで光子が同時検出されたときシングレット二光子状態
【数４】
2014232989.tif 000008
の部分空間への射影測定成功事象として利用し、これ以外の同時検出イベントは廃棄する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送信光子の偏波状態の相関に関して以下の判定が可能になる。
【００５６】
Ａ．  ＡｌｉｃｅとＢｏｂの送出光子の偏波状態の基底が一致し、かつＢｅｌｌ状態測定結果｜Φ＋＞が得られた場合、彼らの偏波状態は一致し、Ｂｅｌｌ状態測定結果｜Ψ−＞が得られた場合、彼らの偏波状態は直交している。
【００５７】
これによって、円偏波基底と相補的な直線および対角偏波基底について対称的なＨＯＭ干渉が実現出来る。同時に、Ｂｏｂの光子の偏波状態は、ＢＢ８４状態からＨ、Ｄの非直交二偏波状態のみからなるＢ９２状態に削減することもできる。ただし、この場合、直線、対角偏波状態基底の信号光出射事象のサブアンサンブルのＱＢＥＲは、共に微弱コヒーレント光に含まれるマルチフォトン成分からくる自己相関信号によるノイズオフセットが重畳する。この偏波対称的セットアップを用いて安全鍵を効率よく生成するためには、誤り訂正、秘匿増強によるペナルティーを小さくするため、信号光出射事象のサブアンサンブルのＱＢＥＲ、および、おとり光出射事象中の単一光子出射事象仮想サブアンサンブルのＱＢＥＲがともに十分小さくなる必要があるが、計算によると現状の量子ドット単一光子光源で十分に実現可能なｇ（２）（０）の値に対して、この条件が成立しうることが分かった。従って、ｇ（２）（０）の小さい疑似単一光子光源と図２の偏波対称的セットアップを用いることにより、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものに近づけることが出来る可能性がある。
【００５８】
本実施の形態では、直線と対角偏波基底の状態識別が共に同等にＨＯＭ干渉に依存する対称的セットアップとするために、部分Ｂｅｌｌ状態測定光学系において、直線偏波基底ｒ＝｛Ｈ，Ｖ｝を分解するようにセットされているＰＢＳが、１／４波長板を挿入することによって円偏波基底ｃ＝｛Ｒ，Ｌ｝を分解するように変更されている。これにより、直線、対角偏波両基底の信号光送出事象のアンサンブルから安全鍵を生成でき、プロトコルを量子エンタングルメントベースにしたプロトコルにより近づけ、安全性証明を確固たるものにすることが可能な量子暗号鍵配付装置を提供することができる。
【００５９】
＜その他の実施の形態＞
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、以上の説明においては、偏光状態空間を信号状態空間とするＢＢ８４プロトコルを例に、本発明の動作原理について説明したが、本発明の量子暗号鍵配付装置は、偏波状態空間と数学的に相似な任意の信号状態空間に対して適用することが可能である。例えば、偏光状態空間をタイムビン状態空間にも原理的に適用可能である。
【００６０】
また、上述の実施の形態では、本発明を主にハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【００６１】
（付記１）
送信装置と、受信装置と、前記送信装置と前記受信装置とを接続する伝送路と、を含む量子暗号鍵配付装置であって、
前記送信装置は、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有し、
前記受信装置は、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
量子暗号鍵配付装置。
（付記２）
前記減衰部は、平均光子数をμＡ（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、又は０（真空場）のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記１記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記３）
前記変調部は、偏波状態をＢＢ８４偏波状態（水平、垂直、４５度、又は１３５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記１又は２記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記４）
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記３記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記５）
前記変調部は、偏波状態をＢ９２偏波状態（水平、又は４５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記１又は２記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記６）
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記５記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記７）
伝送路によって受信装置と接続された送信装置であって、
前記伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光源部と、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調部と、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰部と、を有する
送信装置。
（付記８）
前記減衰部は、平均光子数をμＡ（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、又は０（真空場）のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記７記載の量子暗号鍵配付装置。
（付記９）
前記変調部は、偏波状態をＢＢ８４偏波状態（水平、垂直、４５度、又は１３５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記７又は８記載の送信装置。
（付記１０）
前記変調部は、偏波状態をＢ９２偏波状態（水平、又は４５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記７又は８記載の送信装置。
（付記１１）
伝送路により送信装置と接続された受信装置であって、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光源部と、
前記伝送路より受信したキャリア光子としてのコヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定部と、を含む
受信装置。
（付記１２）
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記１１記載の受信装置。
（付記１３）
前記部分ベル状態測定部は、対称ビームスプリッターと、円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路により構成される
付記１１記載の受信装置。
（付記１４）
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
前記伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
（付記１５）
前記送信装置は、前記減衰ステップで、平均光子数をμＡ（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、又は０（真空場）のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記１４記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記１６）
前記送信装置は、前記変調部で、偏波状態をＢＢ８４偏波状態（水平、垂直、４５度、又は１３５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記１４又は１５記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記１７）
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記１６記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記１８）
前記送信装置は、前記変調ステップで、偏波状態をＢ９２偏波状態（水平、又は４５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記１４又は１５記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記１９）
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記１８記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２０）
送信装置が、
伝送路に送出すべきコヒーレント光を発生するコヒーレント光発生ステップと、
前記コヒーレント光の偏波状態をランダムに変調する変調ステップと、
前記コヒーレント光の平均光子数をランダムに減衰する減衰ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
（付記２１）
前記送信装置は、前記減衰ステップで、平均光子数をμＡ（信号光）、νＡ（＜μＡ）（おとり光）、又は０（真空場）のいずれかになるようにランダムに減衰する
付記２０記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２２）
前記送信装置は、前記変調部で、偏波状態をＢＢ８４偏波状態（水平、垂直、４５度、又は１３５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記２０又は２１記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２３）
前記送信装置は、前記変調ステップで、偏波状態をＢ９２偏波状態（水平、又は４５度直線偏波状態）のいずれかにランダムに変調する
付記２０又は２１記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２４）
受信装置が、
疑似単一光子光を発生する疑似単一光子光発生ステップと、
伝送路より受信したキャリア光子としての前記コヒーレント光及び前記疑似単一光子光の偏波状態の量子力学的相関を測定する部分ベル状態測定ステップと、を含む
量子暗号鍵配付方法。
（付記２５）
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、直線偏波状態｛Ｈ，Ｖ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記２４記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２６）
前記受信装置は、前記部分ベル状態測定ステップで、対称ビームスプリッターと、円偏波状態｛Ｒ，Ｌ｝を分離する偏波ビームスプリッターと、を含む線形光学回路を使用する
付記２４記載の量子暗号鍵配付方法。
（付記２７）
付記１４乃至２６いずれか１項に記載の方法を、送信装置又は受信装置の少なくともいずれか一方としてのコンピュータに実行させるためのプログラム。
【符号の説明】
【００６２】
１００  量子暗号鍵配付装置
１０  送信者装置
１１  校正済みレーザー光源
１２  偏波変調器
１３  強度変調器
１４  光伝送路
１５  受信者装置
１６  対称ビームスプリッター（ＢＳ）
１７  偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）
１８  部分ベル状態測定装置
１９  入力ポートＡ
１Ａ  入力ポートＢ
１Ｂ  疑似単一光子光源
１Ｃ  偏波変調器
１Ｄ  光子検出器
２１  １／４波長板
６１  送信装置
６２  光源
６３  乱数発生器
６４  エンコーダー（変調器）
６５  送信側サイドチャンネル
６６  光伝送路
６７  盗聴装置
６８  受信装置
６９  乱数発生器
６Ａ  デコーダー（変調器）
６Ｂ  光子検出器
６Ｃ  受信側サイドチャンネル
７１  正規ユーザーのテリトリー
７２  校正済みレーザー光源７２
７３  偏波変調器
７４  強度変調器
７５  対称ビームスプリッター（ＢＳ）
７６  偏波ビームスプリッター（ＰＢＳ）
７７  協力者Ｃｈａｒｌｉｅのテリトリー
７８  光子検出器
【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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