(57)【要約】  量子暗号装置では、光学分析計の出力チャンネル数と同数のタイミング記録装置と大容量の記録用バッファメモリを使用しており、装置の高速駆動化に伴う技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストの増大を避けることができないという問題を抱えていた。本発明の目的は従来技術より簡単な装置構成の観測結果記録装置を提供し、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減することにある。本発明の量子暗号装置の観測結果記録装置は、光子の到着チャンネルを記録するチャンネル記録装置と、光子の到着タイミングを記録するタイミング記録装置を有し、それらを並列的に動作させ、両者の記録データ系列をバッファメモリ上で結合することにより、光子の到着ポートと到着タイミングの時系列データを構成する。
2009110282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、  “Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、を備え、
前記観測結果記録装置は、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、信号到着時刻を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記デジタルデータおよび信号到着時刻データを入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルとして再構成するバッファメモリと、
前記時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底が合致した観測結果に相当する部分系列データを選別して前記シフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を出力するパラメータ推定部と、を有する量子暗号装置。
【請求項２】
伝送路上の光子を入力し、複数の観測基底に応じて複数の出力チャンネルのいずれかより出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルに応じて複数設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の検出状態に応じて得られたシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を入力し、誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、ビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、ともに量子暗号装置を構成する量子暗号装置の観測結果記録装置であって、
前記複数の光検出器の出力を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となると、出力が“Ｈ”論理信号状態となった光検出器を示す複数ビットのデジタルデータを出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力を入力し、入力時刻を測定して光子の到着時刻として出力するタイミング記録装置と、
前記デジタルデータおよび到着時刻を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを構成するバッファメモリと、
前記時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別して前記シフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を出力するパラメータ推定部と、を有する量子暗号装置の観測結果記録装置。
【請求項３】
入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、
を備える量子暗号装置で行われる観測結果記録方法であって、
前記観測結果記録装置が、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを生成するステップと、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を生成するステップと、
前記論理和生成時刻から、信号到着時刻を測定するステップと、
前記デジタルデータおよび信号到着時刻から、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルとして再構成するステップと、を行う観測結果記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信により秘密鍵を共有する量子暗号鍵配布を行う量子暗号装置に関し、特に、暗号鍵を抽出する基となる観測結果データを記録収集する観測結果記録装置および方法に関する。
【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必要性が高まっている。【０００３】
現在、DES（データ暗号化規格：Data  Encryption  Standard）暗号のような共通鍵方式やRSA（R.  Rivest、A.  Shamir、L.  Adelman）暗号のような共通鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。【０００４】
つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では原理的に安全な暗号方式が実用になればそのインパクトは大きい。【０００５】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を1回で使い捨てることが特徴である。【０００６】
非特許文献1（ベネット（Bennett）、ブラッサード（Brassard）著  IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE  Int.  Conf.  on  Computers,  Systems,  and  Signal  Processing,  Bangalore,  India,  p.  175  (1984)））で、現在ＢＢ８４プロトコルとして広く知られている、ワンタイムパッド法に使用する暗号秘密鍵を安全に配送する具体的なプロトコルがベネット（Bennett）らによりはじめて提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。【０００７】
量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在多く検討されている量子暗号装置では一ビットの情報を単一光子の状態にエンコードして伝送する。これは、単一光子の状態は精度良く操作可能であり、かつ光子にエンコードされた情報は環境による擾乱に強いという事情による。【０００８】
理論的にその安全性が証明されている量子暗号装置では、非特許文献１に記載されているように量子力学的２自由度系の２つの区別可能な状態とそれに共役な状態（その重ね合わせ状態）を利用して秘密鍵が安全に伝送される。【０００９】
盗聴行為は量子力学的状態に擾乱を与え、正規送受信者のデータ中のエラーから漏洩情報量が推定できるようにプロトコルが設計されている。このような情報通信に用いられる量子状態はしばしば量子情報と呼ばれる。【００１０】
量子情報を担う量子力学的２自由度系は量子ビットと呼ばれ、数学的にはスピン１／２系と等価である。量子ビットに載せられた量子情報は、１ビットデータ（０か１か）およびその基底を指定することによってのみ特定される。【００１１】
光子を量子ビット担体として用いる暗号鍵配布では、空間を伝搬する光子の持ちうる２つの偏波状態に情報をエンコードする、偏波コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装（非特許文献１）や２連微弱光パルス間の相対位相に情報をエンコードする、位相コーディングと呼ばれる量子暗号装置の実装が、非特許文献２（ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental  Quantum  Cryptography」、「INTRODUCTION  TO  QUANTUM  COMPUTATION  AND  INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World  Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ）、非特許文献３（エカート（Ekert）ほか著「Quantum  Cryptography」、  「The  Physics  of  Quantum  Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ）、非特許文献４（ジサン（Gisin）ほか著「Quantum  Cryptography」  レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Rev.  Mod.  Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ）に開示されている。【００１２】
以下、本発明に関わる従来技術の量子暗号装置に用いられている受信装置に共通の特徴とその問題点について説明する。【００１３】
図１および図２は、従来の量子暗号装置に用いられている受信装置の典型的な実施例におけるブロックダイヤグラムである。【００１４】
図１は２つの光子検出器を用いる実施例、図２は４つの光子検出器を用いる実施例である。一部の例外を除けば、量子暗号装置に用いられている受信装置はこのどちらかに分類される。【００１５】
図１に示した受信装置において、伝送路３１は量子ビット担体の伝送路であり、自由空間あるいは光ファイバー伝送路が用いられる。伝送路３１を伝送してきた単一光子からなる量子ビットの時系列は、分析光学系３２に入力される。【００１６】
分析光学系３２、乱数発生器３３、および記録装置３７は送信者から提供された同期信号３８により、伝送光子時系列と時間同期される。【００１７】
分析光学系３２の観測基底はオンデマンドでスイッチすることができるように、変調素子が内蔵されている。偏波コーディングの場合は偏波ビームスプリッターおよび偏波回転素子が、位相コーディングの場合は非対称マッハツェンダー干渉系および位相変調器が用いられることが多い。【００１８】
変調素子は乱数発生器３３の発生する乱数時系列データに基づいて制御され、光子毎に観測基底がランダムに選択される。分析光学系３２に入力された光子時系列は０および１とラベルのついた２つの光子出力チャンネル３４0，３４1の何れかに出力され、２つの光子検出器３５0，３５1で光子到着の有無が検出される。【００１９】
観測結果は、３つの可能なデータ（０，１，Null）から成り、それぞれラベル０の光子出力チャンネル３４0での光子検出器３５0による光子検出、ラベル１の光子出力チャンネル３４1での光子検出器３５1による光子検出、光子非検出事象に対応する。結果Nullに対応する観測結果データは廃棄する。【００２０】
観測基底が適正に選択された場合には、残った観測結果（０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに正確に依存する。逆に、観測基底の選択が不適正な場合には、観測結果（０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに完全に依存しない。これらが、量子暗号装置の受信装置に求められる一般的仕様である。【００２１】
観測結果および乱数発生器３３からの乱数データは観測結果記録装置３７により逐次時系列データとして記録される。送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、観測結果記録装置３７の観測結果記録から送信基底および観測基底が合致した観測結果の部分系列データが選別され、秘密鍵の候補となるシフト鍵が得られ、シフト鍵のビット誤り率がサンプリング評価される（パラメータ推定）。【００２２】
乱数データ時系列からなる選別鍵データ集合は、誤り訂正プロトコルならびに秘匿性増強プロトコルからなる論理的後処理過程装置３９に入力される。誤り訂正により鍵中の誤りが除去された後、秘匿性増強プロトコルにより評価されたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列が部分抽出され、縮小された乱数ビット列からなる安全な秘密鍵３Ａが得られる。【００２３】
図２に示した受信装置では、光子検出器の数が倍増することを代償として、乱数発生器および変調素子が排除されている。【００２４】
量子ビット担体である光子の伝送路４１を伝送してきた単一光子は、量子ビットの分析光学系４２に入力され、２ビット値００〜１１のラベルのついた４つの光子出力ポート４３00〜４３11の何れかに出力され、４つの光子検出器４４00〜４４11で検出される。【００２５】
ポート００と０１、１０と１１のペアが２つの観測基底に関する観測結果に対応しており、それらは非直交となるように分析光学系４２は構成されている。観測基底の選択は、分析光学系４２の内部で受動的に行われ、その選択結果は光子の検出チャンネルによって知ることができる。光子非検出事象に対応するデータは観測結果から廃棄される。【００２６】
観測基底が適正に選択された場合（適正なチャンネルで光子が検出された場合）には、光子検出チャンネル（ラベル最下位ビット値が０か１か）は量子ビットにエンコードされた量子情報中の１ビットデータに正確に依存する。【００２７】
光子検出器４４から出力される電気パルス４５の観測結果は、観測結果記録装置４６により逐次時系列として記録される。観測結果記録装置４６は、送信者から提供された同期信号４７により、送信者の装置と同期される。【００２８】
送信者から提供される送信基底データ時系列を基に、送信および観測基底の合致する観測結果の部分系列が選別され、秘密鍵の候補となるシフト鍵が得られる。シフト鍵をサンプリングすることにより評価されたシフト鍵のビット誤り率とともに残存鍵データは論理的後処理過程装置４８に入力され、最終的に縮小された乱数ビット列からなる安全な秘密鍵４９が得られる。【００２９】
次に、本発明に直接に関連する、図１に示した観測結果記録装置３７や図２に示した観測結果記録装置４６の具体例について説明する。【００３０】
これらの記録装置の目的は、量子ビット担体である光子が、
１．どの出力チャンネルに到着したか、
２．どのようなタイミングで到着したか、
を逐次時系列として記録し、送信者から提供された送信基底時系列データと照合することにより、秘密鍵の候補となるシフト鍵を抽出することにある。【００３１】
第１点の、どの出力チャンネルに到着したかを確認することは、量子ビットにエンコードされた暗号鍵となる１ビット乱数データをデコードするために必要であり、図２に示した観測結果記録装置４６では、さらに、受動選択された観測基底を得るために必要である。【００３２】
第２点の、どのようなタイミングで到着したかを確認することは、観測結果時系列データと送信時系列データとの対応づけを行い、シフト鍵を適正に選別し、ビット誤り率を正しく評価するために必要である。【００３３】
図３（ａ）,（ｂ）は、図１および図２中の観測結果記録装置３７,４６の要部構成示すブロック図である。【００３４】
観測結果記録装置３７は、光出力チャンネル３４0，３４1を介して分析光学系３２の出力を検出する光子検出器３５0，３５1の光子検出タイミングを記録するタイミング記録装置５１0，５１1を備えている。【００３５】
観測結果記録装置４６は、光出力チャンネル４３00〜４３11を介して分析光学系４２の出力を検出する光子検出器４４00〜４４11の光子検出タイミングを記録するタイミング記録装置５２00〜５２11を備えている。【００３６】
タイミング記録装置５１0，５１1、５２00〜５２11を配置することによって、上記の２つの目的を達成する。なお、観測結果記録装置３７、４６には、図３（ａ）,（ｂ）に示した構成の他に、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、タイミング記録装置５１0，５１1、５２00〜５２11の記録内容から送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別し、秘密鍵の候補となるシフト鍵を得、シフト鍵のビット誤り率をサンプリングにより評価するパラメータ推定部が設けられている。【００３７】
タイミング記録装置の実装方法としては、第一に分析光学系などから要請される周波数帯域（時間分解能）に適合した周波数をもつクロックにより駆動された同期デジタル回路により、伝送中のすべての時間にわたって光子検出の有無をこの時間分解能で標本化して記録するデジタルイベントレコーダー方式がある。【００３８】
デジタルイベントレコーダー方式では、単一のクロックにもとづいて同期処理が行われることから、装置ドリフトの懸念が小さいこと、および、近年のＦＰＧＡやＣＰＬＤなどの汎用デジタル回路設計技術により短期間で装置開発が行えることがメリットとしてあげられる。逆に、この方式は暗号鍵に利用されない光子非検出事象（Null）のために無駄となるイベント記録用のバッファメモリを大量に用意しなくてはならないという問題を抱えている。【００３９】
第二の方法としては、タイム・トゥ・アンプリチュードコンバーターやタイムインターバルアナライザなどのデジタル・アナログ混在回路や、タイムデジタイザのような高クロックカスタムデジタル回路を用いて、イベント駆動により光子検出事象の生起時間を非同期的に記録するタイムスタンプ方式が考えられる。【００４０】
タイムスタンプ方式では、イベント記録用のバッファメモリの浪費を抑制することは可能であると思われるが、装置そのものが技術的・経済的に高コストとなる問題を抱えている。観測結果記録装置の抱えるこれらの問題は、初期の低速な量子暗号装置では深刻な問題としては捉えられていなかったが、その進化に伴い装置の駆動速度が向上すればするほどますます深刻な問題として捉えられるようになっている。
【非特許文献１】ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著  IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE  Int.  Conf.  on  Computers,  Systems,  and  Signal  Processing,  Bangalore,  India,  p.  175  (1984)）
【非特許文献２】ツビンデン（Zbinden）ほか著「Experimental  Quantum  Cryptography」、「INTRODUCTION  TO  QUANTUM  COMPUTATION  AND  INORMATION（ロー（Lo）ら編著）」（World  Scientific、１９９８年出版）、１２０ページ
【非特許文献３】エカート（Ekert）ほか著「Quantum  Cryptography」、  「The  Physics  of  Quantum  Information（ボウメスター(Bouwmeester)ら編著）」（Springer、２０００年出版）、１５ページ
【非特許文献４】ジサン（Gisin）ほか著「Quantum  Cryptography」  レビュー・オブ・モダン・フジックス（Rev.  Mod.  Phys.）、７４号（２００２年出版）、１４５−１９５ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
分析光学系の出力チャンネル毎に専用のタイミング記録装置を配置する観測結果記録装置を有する量子暗号装置では、上述したいずれかの方式によるタイミング記録装置を実装した場合、いずれにおいても、出力チャンネル数と同数のタイミング記録装置と大容量の記録用バッファメモリが必要となり、装置の高速駆動に伴う技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストの増大を避けることができないという問題を抱えていた。【００４２】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡単な装置構成の観測結果記録装置を提供し、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
本発明の量子暗号装置は、入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、  “Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、を備え、
前記観測結果記録装置は、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力信号を入力し、信号到着時刻を測定して出力するタイミング記録装置と、
前記デジタルデータおよび信号到着時刻データを入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルとして再構成するバッファメモリと、
前記時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底が合致した観測結果に相当する部分系列データを選別して前記シフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を出力するパラメータ推定部と、を有する。【００４４】
本発明の量子暗号装置の観測結果記録装置は、伝送路上の光子を入力し、複数の観測基底に応じて複数の出力チャンネルのいずれかより出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルに応じて複数設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の検出状態に応じて得られたシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を入力し、誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、ビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、ともに量子暗号装置を構成する量子暗号装置の観測結果記録装置であって、
前記複数の光検出器の出力を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となると、出力が“Ｈ”論理信号状態となった光検出器を示す複数ビットのデジタルデータを出力する論理回路と、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を出力するＯＲ回路と、
前記ＯＲ回路出力を入力し、入力時刻を測定して光子の到着時刻として出力するタイミング記録装置と、
前記デジタルデータおよび到着時刻を入力し、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを構成するバッファメモリと、
前記時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別して前記シフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を出力するパラメータ推定部と、を有する。【００４５】
本発明の観測結果記録方法は、入力された光子を、その状態に依存して複数の出力チャンネルに分岐出力する分析光学系と、
前記複数のチャンネルの各々に対して設けられ、“Ｌ”信号を通常時出力し、光子を検出すると“Ｈ”論理信号を出力する光検出器と、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、観測結果より秘密鍵の候補となるシフト鍵およびシフト鍵のビット誤り率を評価する観測結果記録装置と、
誤り訂正によりシフト鍵中の誤りを除去した後、前記観測結果記録装置で得られたビット誤り率を基に盗聴者への漏洩情報を消去した乱数ビット列を部分抽出し、秘密鍵を得る論理的後処理過程装置と、
を備える量子暗号装置で行われる観測結果記録方法であって、
前記観測結果記録装置が、
前記複数の光検出器の出力信号状態を観測し、該出力のいずれかが“Ｈ”論理信号状態となったときに、“Ｈ”論理信号が到着したチャンネルを示す複数ビットのデジタルデータを生成するステップと、
前記複数の光検出器の出力を入力し、その論理和を生成するステップと、
前記論理和生成時刻から、信号到着時刻を測定するステップと、
前記デジタルデータおよび信号到着時刻から、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルとして再構成するステップと、を行う。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一般的な量子暗号受信装置の一例を示すブロック図である。
【図２】一般的な量子暗号受信装置の一例を示すブロック図である。
【図３】関連する観測結果記録装置のブロック図である。
【図４】本発明の量子暗号受信装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の量子暗号受信装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。【００４８】
図４は本発明による量子暗号装置の観測結果記録装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。【００４９】
本実施形態の観測結果記録装置１１は、論理回路１２、ＯＲ回路１３、タイミング記録装置１４、バッファメモリ１５、パラメータ推定部１Aから構成されている。本実施形態は、図１に示したような２つの光子検出器１６00，１６01を用いる量子暗号装置に設けられるものである。量子暗号装置にはこれらの他に図１に示した分析光学系や論理的後処理過程装置が設けられる。【００５０】
論理回路１２は、２つの光子検出器１６00，１６01からの光子検出の有無を告知する電気パルス１８の高電圧状態をラッチして、２ビットデジタルデータに変換する。ＯＲ回路１３は、２つの光子検出器１６00，１６01からの電気パルス１８の論理和をとる。バッファメモリ１５は、論理回路１２からの２ビットデジタルデータとタイミング記録装置１４からのタイミングデータを結合して順次記録する。【００５１】
以下、本実施形態の動作について説明する。【００５２】
本実施形態において、分析光学系の２つの出力チャンネルに接続された光子検出器１６00，１６01から光子検出の有無を告知する電気パルス１８が信号線１７を通じて観測結果記録装置１１に入力される。それらの信号は分岐され、論理回路１２およびＯＲ回路１３に入力される。【００５３】
論理回路１２は２つの入力を有し、電気パルス１８の高電圧状態をラッチして、２ビットデジタルデータに変換して出力バス上に出力する機能を有する。【００５４】
例えば、図４において上部信号線をＬＳＢ、下部信号線をＭＳＢと定義したとき、下部信号線のみが高電圧状態に遷移したとき、論理回路１２は２ビットデジタルデータ「１０」をバス上に出力する。ここで、論理回路１２は信号線１７のいずれかが高電圧状態に遷移したときにのみデジタルデータを出力するように設計されている。従って、論理回路１２から２ビットデジタルデータ「００」が出力されることはない。【００５５】
量子暗号においては、「００」に対応するデータは利用価値のない無意義なデータであり、全事象の多数を占めている。このような無意義なデータを捨てることは、後段のバッファメモリ１５の利用効率を高める上で極めて有意義である。論理回路１２から出力される有意義な「０１」、「１０」、「１１」のデータのみがバスを通じてバッファメモリ１５に転送される。【００５６】
ＯＲ回路１３は２つの光子検出器１６00，１６01が出力する電気パルス１８の論理和を取り、遅滞なく出力する。出力された電気パルスの到着時刻が、別途供給される同期信号１９をリファレンスとしてタイミング記録装置１４により測定され、測定結果がバスを通じてバッファメモリ１５に転送される。【００５７】
バッファメモリ１５では、これらの転送データを結合して、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成する。【００５８】
以上の装置により、目的とする光子の到着ポートおよび到着時刻の時系列データを逐次記録する観測結果記録装置を構成できる。【００５９】
パラメータ推定部１Aは、バッファメモリ１５内の光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別し、秘密鍵の候補となるシフト鍵を得、シフト鍵のビット誤り率をサンプリングにより評価して出力する。【００６０】
図５は本発明による量子暗号装置の観測結果記録装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。【００６１】
本実施形態の観測結果記録装置２１は、論理回路２２、ＯＲ回路２３、タイミング記録装置２４、バッファメモリ２５から構成されている。本実施形態は、図２に示したような４つの光子検出器２６00〜２６11を用いる量子暗号装置に設けられるものである。量子暗号装置にはこれらの他に図２に示した分析光学系や論理的後処理過程装置が設けられる。【００６２】
論理回路２２は、４つの光子検出器２６00〜２６11からの光子検出の有無を告知する電気パルス２８の高電圧状態をラッチして、４ビットデジタルデータに変換する。ＯＲ回路２３は、４つの光子検出器２６00〜２６11が出力する電気パルス２８の論理和をとる。バッファメモリ２５は、論理回路２２からの４ビットデジタルデータとタイミング記録装置２４からのタイミングデータを結合して順次記録する。【００６３】
以下、本実施形態の動作について説明する。【００６４】
本実施形態において、分析光学系の４つの出力チャンネルに接続された４つの光子検出器２６00〜２６11からの光子検出の有無を告知する電気パルス２８が信号線２７を通じて観測結果記録装置２１に入力される。それらの信号は分岐され、論理回路２２およびＯＲ回路２３に入力される。【００６５】
論理回路２２は４つの入力を有し、電気パルス２８の高電圧状態をラッチして、４ビットデジタルデータに変換して出力バス上に出力する機能を有する。【００６６】
例えば、図５において最上部信号線をＬＳＢ、最下部信号線をＭＳＢと定義したとき、上から３番目の信号線のみが高電圧状態に遷移したとき、論理回路２２は４ビットデジタルデータ「０１００」をバス上に出力する。ここで、論理回路２２は信号線２７のいずれかが高電圧状態に遷移したときにのみデジタルデータを出力するように設計されている。従って、論理回路２２から無意義な４ビットデジタルデータ「００００」が出力されることはない。【００６７】
量子暗号においては、「００００」に対応するデータは利用価値のない無意義なデータであり、全事象の多数を占めている。このような無意義なデータを捨てることは、後段のバッファメモリ２５の利用効率を高める上で極めて有意義である。論理回路２２から出力される有意義な「００００」を除いたデータのみがバスを通じてバッファメモリ２５に転送される。【００６８】
論理回路２２から出力される「００００」を除いた４ビットデジタルデータがバスを通じてバッファメモリ２５に転送される。ＯＲ回路２３は４つの光子検出器２６00，〜２６11からの出力電気パルス（２８）の論理和を取り、遅滞なく出力する。出力された電気パルスの到着時刻が、別途供給される同期信号２９をリファレンスとしてタイミング記録装置２４により測定され、測定結果がバスを通じてバッファメモリ２５に転送される。【００６９】
バッファメモリ２５では、これらの転送データを結合して、光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを再構成する。【００７０】
パラメータ推定部２Aは、バッファメモリ２５内の光子の到着チャンネルと到着タイミングの時系列テーブルを参照し、送信者から提供される送信基底データの時系列情報を基に、送信基底および観測基底の合致する観測結果の部分系列を選別し、秘密鍵の候補となるシフト鍵を得、シフト鍵のビット誤り率をサンプリングにより評価して出力する。【００７１】
以上の各実施形態に示される装置構成とすることにより、論理回路１２、２２からは光子の到着チャンネルに関するデータが得られ、タイミング記録装置１４、２４からは到着タイミングに関するデータが得られる。両者において信号記録の取りこぼしが一切なければ、バッファメモリ１５、２５上で結合された時系列テーブルは、目的とする光子の到着ポートおよび到着時刻の一連の時系列記録を構成する。【００７２】
取りこぼしが発生し得る場合には、光子検出器と観測結果記録装置間であらかじめ取りこぼしの起こる可能性があるイベントを除去するフィルター回路を挿入するか、あるいはバッファメモリ上で結合された時系列テーブルを事後検査し、取りこぼし事象を除去することで、光子の到着ポートおよび到着時刻の完全な時系列記録を構成することは可能である。【００７３】
上述の各実施形態における論理回路１２、２２は、光子検出事象を取りこぼすことなく記録することが望ましく、それができる程度の周波数帯域を持てば十分である。量子暗号システムにおける光子検出の確率および光子検出器のデッドタイムを考えると、このような論理回路は現代の汎用デジタル回路設計技術により、同期デジタル回路により構成可能である。無意義なデータ出力を抑制することにより、バッファメモリの浪費が回避できる。【００７４】
一方、ＯＲ回路１３、２３およびタイミング記録装置１４、２４は、前段の分析光学系などの制約から要請される時間分解能が必要である。このため、ＯＲ回路１３、２３は非同期アナログ回路で構成するか、あるいは十分に高クロック周波数を有する同期デジタル回路によって構成する必要がある。後者の場合、ＯＲ回路１３、２３を論理回路１２、２２とをＦＰＧＡなどを用いて同一のプラットフォーム上に組み込むことも可能である。【００７５】
上述の実施例においては、２つおよび４つの光子検出器を用いる受信装置を例として説明したが、３つないし５つ以上の光子検出器を用いる受信装置についても、同様の装置を構成できることは言うまでもない。【００７６】
なお、図４および図５に示した第１の実施形態および第２の実施形態のいずれも、図１および図２に示した構成の量子暗号装置内に設けられる観測結果記録装置を構成するものであり、本発明には、各実施形態の観測結果記録装置を備えた量子暗号装置も含まれる。【００７７】
本発明の量子暗号装置に含まれる観測結果記録装置においては、分析光学系の光子の到着チャンネルと到着タイミングを記録するために、関連技術のように分析光学系の各光子出力チャンネルに専用のタイミング記録装置を分散配置することはせず、光子の到着チャンネルの監視・記録に専従するチャンネル記録装置と到着タイミングの監視・記録に専従するタイミング記録装置に分担し、両者を並列動作させることによって光子の到着チャンネルおよびタイミングを記録する。【００７８】
量子暗号システムの動作原理上、チャンネル記録装置に要求される時間精度は低いので、ＦＰＧＡやＣＰＬＤなどの汎用デジタル回路設計技術により短期間かつ低コストで装置開発が行える。また、高時間精度の要求されるタイミング記録装置は複数チャンネルで共用するため、受信装置毎に１台配置すれば十分である。従って、関連技術に比較して量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減することができる。【００７９】
これにより、高コストなタイミング記録装置の必要数を減らすことができ、観測結果を記録する為に必要なバッファメモリの容量を節約することができる。従って、量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを大幅に軽減することができる。【００８０】
本発明によると、従来技術より簡単な装置構成の観測結果記録装置を提供でき、もって量子暗号装置の技術的・経済的あるいはその動作管理上のコストを低減できる。【００８１】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。第一の実施の形態において一例を示したのと同様に、本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００８２】
この出願は２００８年３月６日に出願された日本出願特願２００８−０５６４９２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００８３】
１１  観測結果記録装置
１２  論理回路
１３  ＯＲ回路
１４  タイミング記録装置
１５  バッファメモリ
１６00，１６01  光子検出器
１７  信号線
１８  電気パルス
１９  同期信号
１Ａ    パラメータ推定部
２１  観測結果記録装置
２２  論理回路
２３  ＯＲ回路
２４  タイミング記録装置
２５  バッファメモリ
２６00〜２６11  光子検出器
２７  信号線
２８  電気パルス
２９  同期信号
２Ａ    パラメータ推定部
【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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【国際調査報告】
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