(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子通信システムのための送信機であって、前記送信機は、位相変調器を有する第１の経路と第２の経路とを有する干渉計を具備し、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記干渉計に入った光パルスが前記第１の経路及び前記第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、前記第１及び第２の経路の出力は結合されており、前記送信機は、光学フィルターをさらに具備し、前記光学フィルターは、前記干渉計を出た前記光パルスが前記光学フィルターを通過するように配置され、前記光学フィルターを通過する前記光パルスの周波数レンジを制限し、前記光パルスを時間的に拡張するように構成され、
前記送信機は、複数の単一光子検出器を含む前記量子通信システムの一部であり、前記単一光子検出器は、ゲート「オン時間」を有するゲート検出器であり、前記光学フィルターは、前記光学フィルターによって生じる前記光パルスの時間的拡張が前記単一光子検出器のアクティブな「オン時間」を超えないように構成される、送信機。
【請求項２】
前記光学フィルターは、前記光学フィルターによって生じる前記光パルスの時間的拡張が前記単一光子検出器のアクティブな「オン時間」の５０％以上であるように構成される、請求項１に記載の送信機。
【請求項３】
前記光パルスを生成するように構成された利得スイッチレーザーをさらに具備する請求項１に記載の送信機。
【請求項４】
前記光学フィルターは、前記送信機内の光ファイバと統合されている、請求項１に記載の送信機。
【請求項５】
前記干渉計は、前記経路の少なくとも１つに可変遅延線をさらに具備し、前記送信機は、前記量子通信システムによって測定される前記光パルスの干渉度を示す入力を受信するように構成され、前記入力に従って前記可変遅延線を制御するように構成されたコントローラをさらに具備する、請求項１に記載の送信機。
【請求項６】
請求項１に記載の送信機及び前記複数の単一光子検出器を含む受信機を具備する量子通信システムであって、前記受信機は、第１の経路及び第２の経路を備える他の干渉計を備え、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記干渉計に入った前記光パルスが前記第１の経路及び前記第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、前記第１及び第２の経路の出力は結合されており、
前記干渉計又は前記他の干渉計は、前記経路の少なくとも１つに設けられた可変遅延線と、前記量子通信システムによって測定される前記光パルスの干渉度を示す入力を受信するように構成され、前記入力に従って前記可変遅延線を制御するように構成されたコントローラと、をさらに具備し、前記コントローラは、前記送信機内の前記干渉計及び前記受信機内の前記他の干渉計を通過した前記光パルス間の干渉度を示す測定結果に従って前記可変遅延線を制御するように構成される、量子通信システム。
【請求項７】
前記受信機内の前記他の干渉計又は前記送信機内の前記干渉計の経路に設けられたファイバストレッチャーをさらに具備し、前記コントローラは、前記ファイバストレッチャーによって経路長に微調整を提供し、前記可変遅延線を使用して前記経路長に粗調整を提供するように構成される、請求項６に記載の量子通信システム。
【請求項８】
前記干渉度は、量子ビット誤り率によって示される、請求項６に記載の量子通信システム。
【請求項９】
前記コントローラは、リアルタイムに前記可変遅延線を制御する、請求項６に記載の量子通信システム。
【請求項１０】
請求項５に記載の送信機及び前記複数の単一光子検出器を含む受信機を具備する量子通信システムであって、前記受信機は、第１の経路及び第２の経路を備える他の干渉計を有し、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記干渉計に入った前記光パルスが前記第１の経路及び前記第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、前記第１及び第２の経路の出力は結合されており、前記コントローラは、前記送信機内の前記干渉計及び前記受信機内の前記他の干渉計を通過した前記光パルス間の干渉度を示す測定結果に従って前記可変遅延線を制御するように構成される、量子通信システム。
【請求項１１】
前記可変遅延線は、遅延を少なくとも１ピコ秒変えるように制御可能である、請求項５に記載の送信機。
【請求項１２】
前記干渉計は、前記経路の少なくとも１つに減衰器をさらに具備し、前記減衰器は、前記干渉計の他方の経路における前記光パルスの強度に対して前記干渉計の一方の経路を通過する前記光パルスの強度を減衰させるように構成される、請求項１に記載の送信機。
【請求項１３】
請求項１に記載された送信機及び前記複数の単一光子検出器を含む受信機を具備する量子通信システムであって、前記受信機は、第１の経路及び第２の経路を有する他の干渉計を備え、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記干渉計に入った前記光パルスが前記第１の経路及び前記第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、前記第１及び第２の経路の出力は結合されており、
前記干渉計又は前記他の干渉計は、前記経路の少なくとも１つに減衰器をさらに具備し、前記減衰器は、前記干渉計又は前記他の干渉計の他方の経路における前記光パルスの強度に対して前記干渉計又は前記他の干渉計の一方の経路を通過する前記光パルスの強度を減衰させるように構成され、
前記システムは、コントローラをさらに具備し、前記コントローラは、前記受信機内の前記他の干渉計の前記第１及び第２の経路を通過した前記光パルスのパルス高さが互いに等しくなるように前記光パルスの強度を減衰させるために前記減衰器を制御するように構成される、量子通信システム。
【請求項１４】
前記コントローラは、リアルタイムに前記減衰器を制御する、請求項１３に記載の量子通信システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載の送信機及び前記複数の単一光子検出器を含む受信機を具備する量子通信システムであって、
前記受信機は、第１の経路及び第２の経路を有する他の干渉計を備え、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記他の干渉計に入った前記光パルスが前記第１の経路及び第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、前記第１及び第２の経路の出力が結合されており、
前記システムは、コントローラをさらに具備し、前記コントローラは、前記受信機内の前記他の干渉計の前記第１及び第２の経路を通過した前記光パルスのパルス高さが互いに等しくなるように前記光パルスの強度を減衰させるために前記減衰器を制御するように構成される、量子通信システム。
【請求項１６】
前記干渉計は、前記経路の少なくとも１つに可変遅延線をさらに備え、前記送信機は、コントローラをさらに具備し、前記コントローラは、前記量子通信システムによって観測される前記光パルスの干渉度を示す入力を受信するように構成され、前記入力に従って前記可変遅延線を制御するように構成され、前記干渉計は、前記経路の少なくとも１つに減衰器をさらに備え、前記減衰器は、前記干渉計の他方の経路における前記光パルスの強度に対して前記干渉計の一方の経路を通過する前記光パルスの強度を減衰させるように構成される、請求項１に記載の量子通信システムのための送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年６月２３日に出願された英国特許出願第１４１１１１４．０号の優先権の利益に基づいたものであり、この優先権の利益を主張し、その内容全体は参照によってここに組み込まれる。
（技術分野）
ここに記述された実施形態は、一般に、量子通信システムの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子通信システムにおいては、情報は単一光子などの符号化された単一量子によって送信機と受信機との間で送られる。各光子は、偏光、位相、又はエネルギー／時間などの光子の性質に符号化された情報の１ビットを運び、量子信号と称される。光子は、例えば、角運動量などの性質を使用することによって、１ビット以上の情報を運ぶこともできる。
【０００３】
量子通信の一例は、「アリス」と称されることもある送信機と「ボブ」と称されることもある受信機との二者間での暗号鍵の共有に帰着する量子鍵配送（ＱＫＤ）である。この技術の魅力は、鍵の任意の部分が「イブ」と称されることもある不正な盗聴者に知られることができたかどうかのテストを提供することである。量子鍵分配の多くの形態では、アリス及びボブは、ビット値を符号化するために２つ以上の非直交基底を使用する。量子力学の法則により、各々の符号化基底の事前知識なしでのイブによる光子の観測は、光子のいくつかの状態に不可避の変化を引き起こす。光子の状態に対するこれらの変化は、アリスとボブとの間で送られるビット値に誤りをもたらす。それらの共通ビット列の部分を比較することによって、アリス及びボブは、イブが情報を獲得したかどうかを判断することができる。
【０００４】
以下、次の図面を参照して実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、量子通信システムの概略図である。
【図２】図２は、偏光モード分散（ＰＭＤ）及び偏光依存損失（ＰＤＬ）の影響を説明する量子通信システムの概略図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る、バンドパスフィルターを有する量子通信システムの概略図である。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、パルス間の分離に対する図１及び図３のシステムによって生成される干渉縞のビジビリティの比較のプロットである。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、パルス間の分離に対する図１及び図３のシステムによって生成される干渉縞のビジビリティの比較のプロットである。
【図４（ｃ）】図４（ｃ）は、パルス間の時間遅延δｔの関数として、計算されたビジビリティを示す。
【図５】図５は、第２の実施形態に係る、遅延線を有する量子通信システムの概略図である。
【図６】図６は、第３の実施形態に係る、減衰器を有する量子通信システムの概略図である。
【図７】図７は、さらなる実施形態に係る、バンドパスフィルターと遅延線とを有する量子通信システムの概略図である。
【図８】図８は、さらに別の実施形態に係る、バンドパスフィルターと減衰器とを有する量子通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
一実施形態によれば、量子通信システムのための送信機であって、送信機は、位相変調器を有する第１の経路と第２の経路とを有する干渉計を具備し、第１の経路及び第２の経路は、干渉計に入った光パルスが第１の経路及び第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、第１及び第２の経路の出力は結合されおり、送信機は、光学フィルターをさらに具備し、光学フィルターは、干渉計を出た光子が光学フィルターを通過するように配置され、光学フィルターを通過するパルスの周波数レンジを制限し、パルスを時間的に拡張するように構成される、送信機が提供される。
【０００７】
一実施形態では、送信機は、複数の単一光子検出器を含む量子通信システムの一部であり、単一光子検出器は、ゲート「オン時間（on-time）」を有するゲート検出器であり、光学フィルターは、光学フィルターによって生じるパルスの時間的拡張が単一光子検出器のアクティブな「オン時間」を超えないように構成される。光学フィルターは、光学フィルターによって生じるパルスの時間的拡張が前記単一光子検出器のアクティブな「オン時間」の５０％以上であるように構成されてもよい。
【０００８】
送信機が量子通信システムの一部である場合、２つの干渉計があり、そのうちの１つは送信機にあり、もう１つは受信機にある。これらの干渉計における第１の経路と第２の経路との間に導入される経路差が一致する場合、両方の干渉計の第１の経路を通る光パルスは、第１及び第２の経路の長さが一致すれば、両方の干渉計の第２の経路を通る光パルスと干渉することができる。この状況では、干渉は、第１の経路及び第２の経路を進むパルス間に生じることができる。
【０００９】
実施形態では、利得スイッチ（gain switched）レーザーは上記光パルスを生成するように構成される。
【００１０】
光学フィルターは送信機内の光ファイバと統合されていてもよい。
【００１１】
さらなる実施形態では、量子通信システムのための干渉計であって、干渉計は、第１の経路及び第２の経路を具備し、第１の経路及び第２の経路は、干渉計に入った光パルスが第１の経路及び第２の経路のいずれか一方へ進むように構成され、第１及び第２の経路の出力は結合されており、干渉計は、第１の経路に位相変調器を具備し、干渉計は、経路の少なくとも１つに可変遅延線をさらに具備し、干渉計は、量子通信システムによって測定される光パルスの干渉度（degree of interference）を示す入力を受信するように構成され、入力に従って可変遅延線を制御するように構成されたコントローラをさらに具備する、干渉計が提供される。
【００１２】
上記の干渉計は、エミッタ及び受信機のいずれか一方に組み込まれることができる。エミッタに組み込まれる場合、遅延線に起因して生じる任意の潜在的な損失を補うことが可能である。
【００１３】
遅延線は、受信機又はエミッタ内の干渉計の経路に設けられたファイバストレッチャーと組み合わせて使用されることができ、コントローラは、ファイバストレッチャーによって経路長に微調整を提供し、上記遅延線を使用して経路長に粗調整を提供するように構成される。
【００１４】
干渉度は量子ビット誤り率によって示される。コントローラは、絶えずビット誤り率をモニターすることによって、リアルタイムに可変遅延線を制御する。
【００１５】
実施形態では、遅延線は自由空間遅延線である。遅延線は、機械的に作動されるミラーであって、遅延線内の光路を変えるために移動するように構成されたミラーを含んでいてもよい。
【００１６】
実施形態では、遅延線は少なくとも１ｐｓだけ遅延を変えるように構成される。さらなる実施形態では、遅延線は少なくとも５ｐｓだけ遅延に変えるように構成される。さらに別の実施形態では、遅延線は少なくとも１０ｐｓだけ遅延を変えるように構成される。さらなる実施形態は、５０ｐｓ以上遅延を変えるように構成された遅延線を含む。
【００１７】
さらなる実施形態では、量子通信システムのための干渉計であって、干渉計は、第１の経路及び第２の経路を具備し、第１の経路及び第２の経路は、干渉計に入った光子が第１の経路及び第２の経路のいずれか一方を進むように構成され、第１及び第２の経路の出力は結合されており、干渉計は、第１の経路に位相変調器を具備し、干渉計は、経路の少なくとも１つに減衰器をさらに具備し、減衰器は、干渉計の他方の経路におけるものに対して干渉計の一方の経路を通過する光パルスの強度を減衰させるように構成される、干渉計が提供される。
【００１８】
干渉計は量子通信システムのエミッタ又は受信機に設けられることができる。エミッタに配置される場合、光源から放射された光パルスの強度は、的確な強度のパルスが受信機に送られることを保証するように制御されることができる。
【００１９】
コントローラは、例えば量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）をモニターすることによって、リアルタイムに減衰器を制御する。
【００２０】
上述されたフィルター、遅延線、及び減衰器の２つ以上は、同じシステム内で組み合わされることができる。
【００２１】
図１は、量子鍵配送（ＱＫＤ）のために光パルスを符号化及び復号するように構成された量子通信システムの概略図である。
【００２２】
送信機１は、直線偏光された短い光パルスを生成する光源２を含み、光は偏光保持ファイバの遅軸に沿って移動する。しかしながら、光は図１のシステムでは遅軸に沿って移動するが、他のシステムでは、光源は、光が速軸に沿って移動するようにファイバに結合されることができる。その後、光パルスは、非対称マッハ・ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）に入り、それは、この場合、ランダム（鍵）情報を符号化するための位相エンコーダとして機能する。
【００２３】
マッハ・ツェンダー干渉計は偏光保持ファイバを使用して構築される。ＭＺＩに入った光パルスは、まず、入射光パルスを２つの経路に分割するカプラ４を通過する。この例では、第１の経路は、光学遅延ループ５を使用する干渉計のより長いアームを含む。第２のより短い経路は位相変調器６を含む。位相変調器は、ランダム（鍵）情報を光パルスに符号化するために使用される。アームの長さにおける変化により、短い経路を進む光パルス７及び長い経路を進む光パルス８は時間的分離Δｔを有する。
【００２４】
この時間的分離は、ＱＫＤシステムのクロックレートの逆数の半分に設定されることができる。その後、パルスは偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）９で結合される。ＰＢＳは、入力アーム偏光のうちの１つを９０度回転させる性質を有する。これは、時間Δｔだけ分離された２つの直線偏光１０及び１１へ分解されることができる偏光を有する出力をもたらす。その後、パルスは、光減衰器１２を使用して単一光子レベルに減衰されて、送信機から光学チャネル１６へ放射される前の単一光子パルス１３及び１４になる。送信機内の光学コンポーネントは電子コントローラ１５を使用して制御される。
【００２５】
光パルスは、光ファイバリンクであり得る光学チャネル１６を移動する。その後、パルスは受信機１７に入る。受信機は、非対称ＭＺＩを含み、それは、この場合、１対の単一光子検出器３１及び３２を有するデコーダとして機能する。
【００２６】
光パルスは、受信機１７に入ると、まず、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２３を通じて送られる前に偏光コントローラ２０に入る。偏光コントローラ２０は、それが光リンク１６による伝送の間に生じた任意の偏光回転を修正するように、調整される。これは、ＰＢＳ２３にこれらの偏光と作用する２つの直交光パルス２１及び２２をもたらす。
【００２７】
ＰＢＳ２３は、光パルスの入力偏光に依存して、ＭＺＩの長いアーム２７と位相変調器２６を含むＭＺＩの短いアームとのいずれか一方に光パルスを導く。位相変調器２６は、光パルス上のランダム（鍵）情報を復号するために使用される。この場合もエミッタ内のＰＢＳ９と同様に、ＰＢＳ２６は、（ここでは、出力）アーム偏光のうちの１つを９０度回転させる性質を有する。その結果、両出力２４及び２５は同じ偏光を有する。的確な入力偏光では、光パルス２４は送信機干渉計の長いアームを移動すべきであり、光パルス２５は干渉計の短いアームを下って移動すべきである。
【００２８】
このようにして、遅延ループ２７は、２つの光パルス間の時間差Δｔをキャンセルし（cancel out）、光学干渉は、２つの光パルス２９の完全なオーバーラップによって最終ビームスプリッター３０において生じる。２つのパルスのオーバーラップは、ＱＫＤシステム量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）＝（１−Ｖ）／２に関連するシステムビジビリティ（Ｖ）によって定量化されることができる。
【００２９】
干渉の微調整は、コントローラ３４を通じてファイバストレッチャー２８を使用して、長いアームにおいて光パルスの位相を調節することによって実行されることができる。これは、熱ドリフトによる干渉計の小さな（位相）変化を補正する。
【００３０】
ファイバストレッチャーは電気作動型のデバイスである。ファイバのいくつかのコイルは圧電ステージ（piezoelectric stage）に巻きつけられる。ステージに電圧を印加することによってファイバは伸長されることができ、それによりファイバを移動する光に光学遅延を付与する。ファイバストレッチャーの応答時間は、通常、〜１ｋＨｚと非常に高速であり、小さい且つ速い遅延（位相）変化を修正するのにそれは適している。いくつかの実施形態では、あるファイバストレッチャーは数ピコ秒の遅延を与える極めて高い電圧＋／−４００Ｖを許容することができるが、伸長の最大量は１ｐｓより小さい遅延を与える。しかしながら、これらの高電圧ファイバストレッチャーは、大きくて扱いにくく（bulky）、それらを動作するために高電圧機器を必要とすることがある。
【００３１】
受信機内の光学コンポーネントは電子コントローラ３４を使用して制御される。光パルスが検出される場合、コントローラは、さらに、単一光子検出器３１及び３２からの結果として生じる電気信号をサンプリングする。
【００３２】
上述されたシステムには、次の仮定がある。
（i）デコーダ２２の各アームからの２つの光パルスは最終ビームスプリッター３０に同時に到着する。
（ii）光源の光周波数は光パルスにわたって時間変化しない。
（iii）デコーダ２２の各アームからの２つの光パルスは同じ強度で最終ビームスプリッター３０に到着する。
【００３３】
要件（i）〜（iii）は、高い干渉ビジビリティ（interferometeric visibility）を維持するために満たされるべきである。しかしながら、光ファイバリンク１６に偏光劣化メカニズムがある場合、上記の要件は完全には満たされないことがある。偏光劣化メカニズムは、光パルス偏光回転、偏光モード分散及び偏光依存損失を含む。偏光コントローラが十分に速く回転を追跡する（track）ことができる場合には、偏光回転は偏光コントローラ２０によって容易に修正される。さらに、ゲート単一光子検出器が使用される場合、偏光回転は、通常、干渉ビジビリティに劣化をもたらさない。
【００３４】
ここで、偏光モード分散（ＰＭＤ）及び偏光依存損失（ＰＤＬ）の影響を図２に関して説明する。光ファイバリンク（１６）が有限のＰＭＤを持つと仮定すると、これは、光パルスの直交偏光間に時間差を出現させる。これは、材料、ファイバへの機械的又は熱応力により生じ得る。近代の５０ｋｍのスプールされた単一モードファイバにおいては、ＰＭＤ値は典型的に０．５ｐｓ未満である。しかしながら、より古い（レガシーな）５０ｋｍ設置ファイバにおいては、ＰＭＤは、非常に大きくなることがあり、例えば、１〜１０ｐｓである。
【００３５】
他方、ＰＤＬは光パルスの直交偏光間に強度差を出現させる。ＰＭＤと同様に、ＰＤＬは、材料、ファイバへの機械的又は熱応力により生じ得る。
【００３６】
受信機１７の非対称ＭＺＩに入った２つの光パルスは、４０及び４１のように、有限のＰＭＤにより、オリジナルの時間差Δｔに加えて時間差δｔを得ている。この追加の時間差δｔは、４２及び４３のように干渉計を通じて保存される。余分な時間差は、４４のように光パルスがもはや完全にはオーバーラップしないので、最終ビームスプリッター３０での干渉が劣化することを意味する。従って、要件（i）は満たされず、その結果として、ＱＫＤシステムのビジビリティＶの低下への寄与があり、ＱＢＥＲが増大し、システムの最終的なセキュアビットレートが下がる。
【００３７】
量子通信システムでは、基準パルス及び信号パルスが時々送られる。信号パルスは、送信機から受信機に符号化された情報を伝えるために使用され、それに対して、基準パルスは符号化されて符号化パルスへのゼロ位相基準として使用される。しばしば、基準パルスは、信号パルスのものと異なるＰＭＤ影響を経験する。
【００３８】
さらに、光源１の光周波数は光パルスにわたって変わることがある。利得スイッチ半導体レーザーダイオードが光源に使用される場合に、これは起こり得る。利得スイッチ半導体レーザーダイオードは、安価で、コンパクトで、容易に入手可能なので、量子通信システムにおいて光源として広く使用される。しかしながら、そのようなダイオードからの光学スペクトルは、固有の周波数チャーピングにより変形することがある。周波数チャーピングは、光パルスにわたって時間変化周波数を生じさせる。従って、要件（ii）が満たされないので、これらのチャープされたパルスの（ＰＭＤによる）δｔにおける小さい変化は干渉ビジビリティにおける急激な低下に結びつく。ＱＫＤシステムのビジビリティＶの低下への寄与があり、ＱＢＥＲが増大し、システムの最終的なセキュアビットレートが下がるので、この影響は、量子通信システムパフォーマンスを大幅に下げる。
【００３９】
光パルス４０及び４１は、さらに、有限のＰＤＬによって光ファイバリンク１６を移動した後に生じるあり得る強度のミスマッチを示す。そのような強度差は、光パルスがもはや完全には干渉しないので（４４）、最終ビームスプリッター３０の干渉が劣化されることを意味する。従って、要件（iii）は満たされず、その結果として、ＱＫＤシステムのビジビリティＶの低下への寄与がある。ＱＢＥＲが増大し、システムの最終的なセキュアビットレートは下がる。
【００４０】
図３は、実施形態に係る量子通信システムである。エミッタ１に狭帯域フィルター５０が設けられている。エミッタ１にフィルター５０を設けることによって、システムは追加損失ペナルティーを受けない。これは、フィルター５０によって引き起こされる任意の強度損失を補うように減衰器１２を修正することができるからである。パルスが光ファイバリンク１６に沿って送られる場合、パルスが典型的にただ１つの単一光子を含む場合にＱＫＤのセキュリティは達成され、このようにして、盗聴者が信号を傍受する場合に彼らの存在が検出されることができる。パルスの強度が大きすぎる場合、多くのパルスは１以上の光子を含むだろう。パルスの強度が小さすぎる場合、多くのパルスは光子を含まず、システムのビットレートは落ちるだろう。パルスに最適な強度を選択する多くの方法があり、これについての議論は本出願の範囲外にある。適切な技術の一例は、「M. L. Lucarmarini et al. “Efficient decoy-state quantum key distribution with quantified security”, Opt. Express, 21, pp. 24550-24565, 7 October 2013」に教示されている。しかしながら、一旦ファイバリンク１６に沿った伝送の強度が決定されると、フィルターが受信機１７に設けられる場合、この強度はさらに低減するだろう。しかしながら、フィルターがエミッタに設けられる場合には、減衰器１２はフィルター５０によって引き起こされる強度の任意の低減を補うように構成されることができる。
【００４１】
フィルター５０は、光源１から放射された光パルスを時間的に拡張するべきである。実施形態では、時間的拡張が最適であることを保証するために、選択された帯域幅は、受信機１７内の単一光子検出器３１及び３２のアクティブな「オン時間」を超えない時間的光パルス幅に帰着するだろう。実施形態では、選択された帯域幅は、受信機１７内の単一光子検出器３１及び３２のアクティブなオン時間に近い時間的光パルス幅に帰着するだろう。
【００４２】
例えば、自己差分（self-differencing）単一光子検出器を使用するＧＨｚクロックト（GHz clocked）ＱＫＤシステムを考える。この例では、光源から放射された光パルス幅は３５ｐｓであり、１ＧＨｚでゲートされる場合における単一光子検出器アクティブな「オン時間」は１００ｐｓである。
【００４３】
しかしながら、１５ＧＨｚの帯域幅を持つフィルター５０を使用する場合、送信機１によって放射されて光パルス５３及び５４として受信機１７に入る光パルス５１及び５２は時間的により広くなる。光パルス幅が時間的により広いので、光パルスオーバーラップに対する許容範囲が緩められる。
【００４４】
最終ビームスプリッター３０では、（光リンクを移動している光パルスによって取得される）小さな時間差δｔにもかかわらず、２つの光パルス５５間の大量の光パルスオーバーラップがある。その結果として、ビジビリティＶは従来技術の場合を超えて改善され、ＱＢＥＲは低減されて、より高いシステムセキュアビットレートになる。
【００４５】
実施形態では、最大のフィルター帯域幅は１００ＧＨｚである。
【００４６】
さらに、光源２は有限の周波数チャープを有することがある。送信機１に配置されたフィルター５０はまた、光源２によって生成された周波数チャープの量を低減することができる。
【００４７】
ＧＨｚクロックトＱＫＤシステムの例を再び参照すると、この例では、光源２は、１００ＧＨｚのオーダーの周波数チャープを示す利得スイッチレーザーダイオードである。１５ＧＨｚの帯域幅を持つフィルター５０を使用すると、送信機によって放射されて５３及び５４として受信機に入るときの光パルス５１及び５２の光周波数をパルスエンベロープを超えてより遅く変更させるチャープを低減することができる。
【００４８】
最終ビームスプリッター３０では、（光リンクを移動している光パルスによって取得される）小さな時間差δｔにもかかわらず、２つの光パルス５５間の光パルス干渉が改善される。その結果として、ビジビリティＶが改善され、ＱＢＥＲが低減されてより高いシステムセキュアビットレートになる。
【００４９】
上記の実施形態では、フィルターは、（i）光パルスの時間的拡張と（ii）周波数チャープの低減とによるＰＭＤの影響を同時に緩和することができる。上で参照したＧＨｚクロックトＱＫＤシステムの例においては、１５ＧＨｚフィルターを使用することによって、光パルスの時間的拡張は、単一光子検出器のオン時間（１００ｐｓ）に近くなり、光源周波数チャープを約１０分の１に低減する。これは、９ｐｓまでのＰＭＤ値に関して９５％以上のビジビリティを維持するのに十分である。
【００５０】
図４（ａ）では、図１のシステムによる１セットの非対称マッハ・ツェンダー干渉計のビジビリティが光パルス分離δｔの関数としてプロットされている（フィルターなしとラベルされた四角形）。光源２は、利得スイッチレーザーであり、３５ピコセカンドの時間的パルス幅及び１００ＧＨｚを超える周波数チャープを有する。光パルス遅延は、送信機出力の後に差動遅延線によって調節される。差動遅延線の調節は、有限のＰＭＤ特性を有する光リンク上にＱＫＤ送信機によって放射された光パルスに対するＰＭＤ付与遅延の影響をシミュレートする。δｔ＝０でのビジビリティは約９９％である。これは、δｔ〜９ｐｓより大きい光パルス遅延では４０％未満に急速に落ちる。
δｔ〜２の短い遅延でさえも、ビジビリティは約９０％に落ちる（図４（ｂ）、四角形）。１０％のビジビリティの変化はＱＢＥＲへの５％の追加の寄与を与える。数パーセントの基礎ＱＢＥＲで動作するＱＫＤシステムにおいては、ＱＢＥＲへの５％の追加の寄与は、通常、ほとんど０にセキュアビットレートを低減する。
【００５１】
図４（ａ）は、光パルス分離δｔの関数としてプロットされた、図３に説明されたセットアップによる１セットの非対称のマッハ・ツェンダー干渉計のビジビリティをさらに示している（フィルター有りとラベルされた三角形）。フィルターは１５ＧＨｚの帯域幅を有する。従来技術のように、δｔ＝０でのビジビリティは約９９%である。しかしながら、ビジビリティの低下は、光パルス分離δｔの関数としてはるかに遅い。９ｐｓまでの光パルス分離では、ビジビリティは９５％以上である（図４（ｂ）、三角形）。δｔ〜２ｐｓの短い遅延では、ビジビリティの低下は無視できる。従って、２ｐｓまでのδｔについてはＱＢＥＲの増大はほとんどない。
【００５２】
図４（ｃ）は、時間遅延δｔの関数として、計算されたビジビリティを示す。四角形が付いた曲線は、フィルターなしでのビジビリティ依存を示す。円が付いた曲線は、光パルスが時間的に拡張されるだけで、周波数チャープが補われないとした１５ＧＨｚフィルターが有りでのビジビリティ依存を示す。三角形が付いた曲線は、光パルスの時間的な拡張と周波数チャープ補償との両方を含む１５ＧＨｚフィルター有りでのビジビリティ依存を示す。菱形が付いた曲線は、周波数チャープが完全に除去される場合における１５ＧＨｚのフィルター有りでのビジビリティ依存を示す。
【００５３】
図５は、図１の量子通信システムの変形を示す。不要な繰り返しを避けるために、同様の参照数字が同様の特徴を示すように使用される。図５のシステムでは、固定の光学遅延ループは、電気的に調節可能な光学遅延６０に置き換えられている。電気的に調節可能な遅延によって導入される遅延は、コントローラ１５によって変更されることができる。この実施形態では、ＱＫＤシステムフットプリントの増大はない。
【００５４】
電気的に操作される光学遅延は、通常、電気的に制御可能な移動ステージ上のミラーの形態をとる。実施形態では、入力ファイバからの光は、自由空間においてレンズを使用して平行にされ、４５度のコーナーキューブミラーであり得るミラーに向けられる。その後、光は、入力光から空間的に移動されたミラーから反射される。反射光は集光されて出力ファイバへと集中される。ミラーを移動させることによって、調節可能な遅延が光路に付与されることができる。ミラーがセンチメートルのオーダーで移動することができるので、付与される光学遅延は１００ｐｓより大きいことができる。光学遅延がミラーの機械的移動に起因するものであるので、応答時間は典型的に遅く、ミラーが移動される間に振動もあるだろう。従って、光遅延線は、高速な修正には適さないが、小さい遅延（位相）変更に適しており、それは遅い且つ大きい遅延変更に好適である。遅い且つ大きい遅延変更は偏光効果によって引き起こされることができる。
【００５５】
遅延線は、システムの初期セットアップ中にシステムを通じた経路長を追加的に合わせるために使用されることもできる。しかしながら、図５の実施形態では、遅延線は、偏光効果に適合するためにシステムの動作中に作動される。
【００５６】
光パルス間の遅延を調節することによって、光リンクを移動する間に光パルスに付与される任意の追加遅延δｔはキャンセルされることができる。従って、最終ビームスプリッター３０では、２つの光パルス４４間のパルスオーバーラップは小さな時間差δｔ＝０にすることによって最大化されることができる。その結果として、ビジビリティＶは従来技術の場合を超えて改善され、ＱＢＥＲは低減され、より高いセキュアビットレートになる。
【００５７】
コントローラ１５は、干渉度の測定に従って遅延を変えることによってリアルタイムに電子遅延線を変えるために使用されることができる。一実施形態では、これはＱＢＥＲであるが、他の測定が使用されることができる。
【００５８】
さらなる実施形態では、（干渉計の位相を整列させるために時々使用される）安定化パルスがフィードバック信号として使用されてもよい。そのような安定化パルスは、リアルタイムフィードバックを可能にするために、量子鍵に関する情報を伝える信号間に配置されて、送られることができる。安定化パルスは、送信機からのパルスのストリーム中にランダムに位置することができる。
【００５９】
さらなる実施形態では、コントローラ１５はファイバストレッチャー２８及び電子遅延線６０の両方を調節する。電子遅延線は、ファイバストレッチャーによって達成可能なものより、経路長のより大きな変化を単独で提供することができる。例えば、遅延線は、数ピコ秒（数百波長）を超えて遅延線を変えることができる。実施形態では、電子遅延線は２つの経路間の遅延に粗調整を提供するために使用され、それに対して、ファイバストレッチャーは微調整を提供するように構成される。ファイバストレッチャーは典型的には、数波長という非常に短いレンジを有する。ピコ秒レンジに広がるファイバストレッチャーがあるが、それらは、典型的に、高価で、大きくて扱いにくく、経路長の大きな変化を達成するために極めて高い電圧（例えば４００Ｖ）を必要とする。
【００６０】
図５では、ファイバストレッチャー２８は受信機１７に設けられ、光遅延線６０は送信機１に設けられている。この実施形態では、コントローラ１５は、ファイバストレッチャー２８を制御するために、古典的チャネルを通じてコントローラ３４と通信する。コントローラ３４が支配的なコントローラでありコントローラ１５を通じて遅延線６０を制御するよう機能する場合、代替の配置がなされることができることが認識されるべきである。さらなる配置では、光遅延線６０及びファイバストレッチャーの両方が送信機１及び受信機１７のいずれかに設けられる。
【００６１】
上記の実施形態に関して説明されたように、遅延線及びファイバストレッチャーは一緒に使用されることができる。例えば、遅延線は粗調整をするために使用されることができ、ファイバストレッチャーは微調整をするために使用される。実施形態では、ＱＢＥＲが最小値に達するまで、このプロセスは繰り返されることができる。
【００６２】
実施形態では、遅延線によって引き起こされる任意の損失はファイバリンク上でパルスを送信する前に減衰器１２によって補われることができるように、遅延線６０は送信機１に設けられる。しかしながら、電子遅延線６０は受信機１７に設けられていてもよい。ファイバストレッチャー２８及び電子遅延線６０は両方とも送信機１に設けられていてもよく、両方とも受信機１７に設けられていてもよく、遅延線６０が送信機１に設けられてファイバストレッチャー２８が受信機１７に設けられていてもよく、あるいはその逆であってもよい。
【００６３】
図６は、図１の量子通信システムの変形を示す。不要な繰り返しを避けるために、同様の参照数字が同様の特徴を示すように使用される。図６では、電気的に調節可能な光減衰器７０はアリスの干渉計のアームのうちの１つに配置される。この光減衰器７０は長いアーム中に図示されるが、同様にそれは短いアームに配置されることができる。電気的に調節可能な減衰器７０によって提供される減衰はコントローラ１５によって調節されることができる。調節可能な減衰器は、通常、干渉計に組み込まれる。単に干渉計光減衰器７０を電気的に調節可能にすることでは、ＱＫＤシステムフットプリントに増大はない。さらに、減衰器が送信機１に存在するので、ＱＫＤシステムに対する損失ペナルティーはない。従って、光源からの信号の強度は、ファイバに沿って受信機に送られる信号の強度について妥協することなしに、減衰器の要求を満たすように構成されることができる。
【００６４】
光パルスは、有限のＰＤＬを有する光リンクを移動する。光パルスは、異なって減衰される直行偏光による（ＰＤＬによる）強度ミスマッチを受ける。受信機１７に入ると、強度ミスマッチは、δＩとしてパルス７１及び４１の異なる高さによって示される。減衰器７０を調節することによって、光パルスが光リンクを移動するときに光パルスに付与されるこの強度ミスマッチδＩをキャンセルすることができる。従って、最終ビームスプリッター３０では、２つの光パルス７２のパルス高さは、小さい強度差δＩ＝０にすることにより等しくなることができる。その結果として、ビジビリティＶは従来技術の場合を超えて改善され、ＱＢＥＲは低減され、より高いシステムセキュアビットレートになる。電気的に調節可能な遅延７０は、ＱＢＥＲ及び安定化パルス（通常、干渉計の位相を整列させるために使用される）のいずれかをフィードバック信号として使用することによって調節されることができる。
【００６５】
上記の図２、図３及び図５のシステムは組み合わせることもできる。図７では、図３のフィルター５０が電気的に調節可能な遅延線と組み合わせて使用され、これは、フィルター５０が光源周波数チャープと同様にＰＭＤの緩やかな変化を補償することができるという利点を有する。同時に、電気的に調節可能な光学遅延６０は、ＰＭＤのより大きい且つより速い変化を補償することができる。
【００６６】
図８では、図３のフィルター５０が図５の調節可能な減衰器と組み合わせて使用され、これは、光リンクが有限の偏光モード分散（ＰＭＤ）及び有限の偏光依存損失（ＰＤＬ）を有する場合にＰＭＤとＰＤＬの影響を緩和する。
【００６７】
上記の実施形態に係るシステムでは、ＰＭＤ及びＰＤＬの影響が考慮され補償される。配置されたファイバでは、特にファイバが古く及び／又は多くの接合部及び接続を含む場合に、ＰＭＤ係数及びＰＤＬは高くなり得る。さらに、配置されたファイバはしばしば、戸外で電柱によって支持される。これは、ファイバ特性を局地気象状態のような環境外乱の影響を受けやすくする。その結果として、ＰＭＤ係数及びＰＤＬは時間とともに変化することがあり、それは量子通信システムパフォーマンスに悪影響を及ぼし得る。上記のシステムは、パフォーマンスの劣化なしに、これらの状況に対処することができる。
【００６８】
要約すると、上記の実施形態では、量子通信システムに関して有限の且つ変化するＰＭＤの問題が考慮される。ＰＭＤは、干渉ビジビリティの低下とそれによる量子通信システム誤り率の増加とを引き起こす、基準パルスと符号化パルスとの間に余分な時間差を導入する。図３のシステムでは、フィルターは、光パルスを時間的に拡張すること及び周波数チャープを低減することの両方に使用され、それによりビジビリティはＰＭＤの増大に対してほとんど変化しない。図５のシステムでは、ＰＭＤにより付与された遅延は、送信機エンコーダの１つのアームにおける光学遅延を調節することによってキャンセルされることができる。図７のシステムでは、図３及び図５のシステムの組み合わせは、チャープされたレーザーとともにゆっくり変化するＰＭＤと高速に変化するＰＭＤとの両方に関して同時にＰＭＤ緩和を提供することができる。
【００６９】
図６のシステムでは、量子通信システムに関して有限の且つ変化するＰＤＬが考慮される。ＰＤＬは、干渉ビジビリティの低下とそれによる量子通信システム誤り率の増加とを引き起こす、基準パルスと符号化パルスとの間に余分な時間差を導入する。図６のシステムは、送信機内の干渉計エンコーダの１つのアームの可変減衰器を使用する。受信機の干渉計最終ビームスプリッターでのパルスの強度を等しくするためにこの減衰器を調節することによって、高いビジビリティを維持することができる。
【００７０】
上述されたシステムは、次の利点をさらに有する。
１．実施するのに安価であること：容易に入手できるフィルターを必要とするだけである。
２．コンパクトであること：フィルターは非常に小さく（ｃｍ×ｍｍフットプリント）、電気的光学遅延は既存の干渉計に組み込まれることができ、電気的に可変な光減衰器は損失ペナルティーなしに既存の干渉計に組み込まれることができる。
【００７１】
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。実際に、ここに説明した新規な方法及び装置は、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及び装置の形態に種々の省略、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の均等は、発明の範囲及び要旨を含むように、添付された特許請求の範囲とそれらの均等は、発明の範囲及び意図に含まれる変形を含むように意図される。
【図１】
0006007291.tif 000002
【図２】
0006007291.tif 000003
【図３】
0006007291.tif 000004
【図４（ａ）】
0006007291.tif 000005
【図４（ｂ）】
0006007291.tif 000006
【図４（ｃ）】
0006007291.tif 000007
【図５】
0006007291.tif 000008
【図６】
0006007291.tif 000009
【図７】
0006007291.tif 000010
【図８】
0006007291.tif 000011