(57)【要約】【課題】ＱＫＤシステム（１０）のカスケード型変調器システム（２０）及び方法を開示する。【解決手段】変調器システムは、直列に光学的に接続された二つの変調器（Ｍ１及びＭ２）を有する。並列シフトレジスタ（５０）は、２ビット（つまりバイナリ）の電圧（Ｌ１，Ｌ２）を生成する。これらの電圧レベルは、電圧調整器（３０−１及び３０−２）によってそれぞれ調整され、各変調器を駆動させる加重電圧（Ｖ１，Ｖ２）を生成する。変調器間の光学的遅延を同期させる電気遅延素子（４０）は、変調器のタイミング（ゲーティング）を提供する。光信号（６０）に付与されたネット変調（ＭＮＥＴ）は、変調器によって付与された変調の和である。変調器システムは、バイナリ電圧信号のみに基づいて４つの可能なネット変調を与える。これにより、単一の変調器を駆動する４レベルの電圧信号を使用する場合に比べ、ＱＫＤシステム及び関連する光システムにおける変調がより速く且つ効率的になる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に光学的に接続された第１及び第２光変調器と、
前記第１及び第２光変調器にそれぞれ電気的に接続された第１及び第２電圧調整器と、
前記第１及び第２電圧調整器に電気的に接続され、前記電圧調整器にバイナリ電圧をそれぞれ与える並列シフトレジスタと、
を備え、
前記電圧調整器は、バイナリ電圧に作用し、前記第１及び第２光変調器の所望の位相変調値に対応する第１及び第２電圧を生成し、４つの可能なネット変調を付与する、
光変調器システム。
【請求項２】
更に、前記並列シフトレジスタに電気的に接続され、前記４つの可能なネット変調からネット変調がランダムに選択されるように、前記並列シフトレジスタのバイナリ電圧出力をランダムに行う乱数発生器を有する、
請求項１に記載の光変調器システム。
【請求項３】
前記第２電圧調整器と前記第２光変調器との間に電気遅延素子を有し、前記電気遅延素子は、前記第１及び第２光変調器間の光学的遅延と等しい電気的遅延を付与する、
請求項１に記載の光変調器システム。
【請求項４】
前記第１光変調器に光学的に接続された入力光ファイバと、前記第２光変調器に光学的に接続された出力光ファイバと、を有する、
請求項１に記載の光変調器システム。
【請求項５】
前記４つの可能なネット変調は、（ａ）±３π／４及び±π／４、又は（ｂ）±π／２及び±π／４のいずれかである、
請求項１に記載の光変調器システム。
【請求項６】
請求項１に記載の第１光変調器システムを有する第１ＱＫＤステーションと、
請求項１に記載の第２光変調器システムを有する第２ＱＫＤステーションと、
を備え、
前記第１及び第２ＱＫＤステーションは、光学的に接続されて前記第１及び第２光変調器システムによって変調された光信号を交換する、
ＱＫＤシステム。
【請求項７】
更に、前記第１及び第２電圧調整器と前記電圧シフトレジスタとに動作可能に接続され、前記変調器システムの動作を制御するコントローラを有する、
請求項１に記載の光変調器システム。
【請求項８】
更に、前記コントローラに動作可能に接続され、第１乱数信号を生成するように構成されている乱数発生器を有し、
前記コントローラは、前記第１乱数信号を受信し処理して、向上した乱数信号を生成し、前記電圧シフトレジスタに送信する、
請求項７に記載の変調器システム。
【請求項９】
ＱＫＤシステムの量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションにおける量子信号を光学的に変調する方法であって、
第１光変調器、次いで第２光変調器に量子信号を通過させ、
前記第１及び第２変調器によりそれぞれ付与される所望の変調に対応する第１及び第２バイナリ電圧によって、第１及び第２光変調器を動作させ、各量子信号に４つの可能なネット変調のうちの一つをランダムに付与する、
方法。
【請求項１０】
前記第１変調器の変調に対して、前記第２の変調器の変調を遅延させ、前記第２変調器への量子信号の到着に同期させる、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
並列シフトレジスタからバイナリ電圧を付与し、電圧調整器でバイナリ電圧を加重して加重されたバイナリ電圧により前記所望の変調を行う、
請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記第１及び第２光変調器を使用して、量子鍵に基づいて非量子信号を変調する、
請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
更に、バイナリシフトレジスタを使用して、第１及び第２バイナリ電圧を生成する、
請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
更に、乱数発生器を使用し、前記バイナリシフトレジスタに乱数信号を付与して乱数変調を行う、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
更に、前記第１及び第２変調器を光ファイバと光学的に接続させる、
請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号における変調に関し、特に量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて用いられる変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、「量子チャンネル」を送信される「量子ビット」或いは「量子信号」と呼ばれる光信号（パルス）の、単一光子又は微弱な（例えば、平均して０．１フォトン）なものを用いて、送信者（「アリス」と呼ぶ）と受信者（「ボブ」と呼ぶ）との間の鍵を確立させるものである。セキュリティが計算による実行不可能性に依存した古典的な暗号方式とは異なり、量子暗号のセキュリティは、不確定状態にある量子システムをどのように測定してもその状態は変化するという量子力学の原理に基づくものである。結果として、傍受や、交換された量子ビットの測定を試みる盗聴者（「イブ」と呼ぶ）は、エラーを引き起こし、自らの存在を暴くことになる。
【０００３】
一般的な量子暗号の原理は、ＢｅｎｅｔｔとＢｒａｓｓａｒｄの論文（非特許文献１参照）において初めて紹介された。具体的なＱＫＤシステムについては、Ｂｅｎｎｅｔｔの米国特許公報（特許文献１参照）や、Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔによる論文（非特許文献２参照）に記述されている。量子鍵配送を実行する一般的なプロセスは、Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒらの著書（非特許文献３参照）に記述されている。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【非特許文献１】“Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｉｎ ｔｏｓｓｉｎｇ”（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９）（ＩＥＥＥ, Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８４）
【非特許文献２】“Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ Ｕｓｉｎｇ ＡｎｙＴｗｏ Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｔａｔｅｓ”（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８ ３１２１（１９９２））
【非特許文献３】“Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ”（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ ２００１，ｉｎ Ｓｅｃｔｉｏｎ ２．３，ｐａｇｅｓ ２７−３３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＱＫＤシステムのほとんどは、「アリス」と「ボブ」の間で共有される量子信号をランダムに暗号化する変調器を利用する。典型的な変調器は、標準的なリチウムナイオベート位相変調器であり、例えば、Ｃｏｖｅｇａ  Ｃｏｒｐ．（メリーランド州ジェサップ）やＥＯｓｐａｃｅ  Ｉｎｃ．（ワシントン州レッドモンド）の製品が利用可能である。しかし、ＱＫＤシステムの量子ビットレートが増加するにつれ、リチウムナイオベート位相変調器を必要とされる高速度で駆動させることが難しくなりつつある。ＱＫＤシステムでは、４つの位相変調（例えば、+３π／４、＋π／４、−π／４及び−３π／４）に対応する４つの異なる変調電圧値を高速且つ正確に切り換える能力が必要となる。しかし、変調には４レベルの信号よりも２レベル（又はバイナリ）電気信号の方が、４レベル信号に比して速く且つ低コストであることから、好適である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（本発明の説明）
本発明の第１の態様によれば、直列に光学的に接続された第１及び第２光変調器と、同第１及び第２光変調器にそれぞれ電気的に接続された第１及び第２電圧調整器とを有する光変調器システムがある。第１及び第２電圧調整器には並列シフトレジスタが電気的に接続され、電圧調整器にバイナリ電圧をそれぞれ与える。電圧調整器は、バイナリ電圧に作用し、第１及び第２光変調器の所望の位相変調値に対応する第１及び第２電圧を生成する。その結果、４レベルの信号ではなくバイナリ電圧信号に基づき４つのネット変調が可能となる。
【０００６】
本発明の第２の態様によれば、ＱＫＤシステムの量子鍵配送（ＱＫＤ）ステーションにおける量子信号を光学的に変調する方法がある。同方法は、第１光変調器、次いで第２光変調器に量子信号を通過させることを含む。同方法はまた、第１及び第２変調器によりそれぞれ付与される所望の変調に対応する第１及び第２バイナリ電圧によって、第１及び第２光変調器を動作させ、各量子信号に４つの可能なネット変調のうちの一つをランダムに付与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、二つのＱＫＤステーションであって、例えば光ファイバリンク１２によって光学的に接続された「アリス」と「ボブ」とを有するＱＫＤシステム１０の概略図である。「アリス」と「ボブ」はそれぞれ、光学素子及び電子素子を多数有する。なお、これらの素子は先行技術において知られているので図示を省略する。また、「アリス」と「ボブ」は、本発明に係る変調器アセンブリ２０をそれぞれ有する。同アセンブリは「アリス」においては２０Ａ、「ボブ」においては２０Ｂで示している。
【０００８】
図２は、本発明に係る変調器システム２０の実施例の概略図を示す。変調器システム２０は、第１光変調器Ｍ１を有し、同第１光変調器Ｍ１は、例えば光ファイバ部２４によって第２光変調器Ｍ２に光学的に接続されている。第１及び第２変調器Ｍ１及びＭ２は、例えば、リチウムナイオベート位相変調器であり、これらは、例えば、ＥＯｓｐａｃｅ  Ｉｎｃ．（米国ワシントン州レッドモンド市）やＣｏｖｅｇａ  Ｉｎｃ．（米国メリーランド州ジェサップ市）による製品が利用可能である。変調器Ｍ１には入力光ファイバ２６が光学的に接続され、変調器Ｍ２には出力光ファイバ２８が光学的に接続されている。変調器システム２０が「ボブ」のシステム２０Ｂである実施例では、入力光ファイバ２６が光ファイバリンク１２となる。
【０００９】
変調器システム２０は、変調器Ｍ１及びＭ２に電線３６−１及び３６−２を介して電気的にそれぞれ接続される電圧調整器３０−１及び３０−２を有する。電線３６−１は、同軸ディレイライン等の電気遅延素子４０を有する。実施例では、遅延素子４０は、遅延量を調節可能である。電圧調整器３０−１及び３０−２は、それぞれ、電線５２−１及び５２−２を介してひずみの少ない、低ジッタの並列シフトレジスタ５０に電気的に接続されている。
【００１０】
実施例では、変調器システム２０はまた、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ等のコントローラ５６に電気的に接続された乱数発生器（ＲＮＧ）５４を有する。コントローラ５６は、並列シフトレジスタ５０及び電圧調整器３０−１及び３０−２に電気的に接続され、変調器システムの動作を制御するように構成されている（例えば、プログラムされている）。電気遅延素子４０が調節可能な実施例では、コントローラ５６は同素子に電気的に接続され（点線で図示）、制御信号Ｓ４０によって電気遅延量を調整するよう構成されている。
【００１１】
変調器システム２０の動作では、変調される光信号６０が入力光ファイバ２６を介して変調器システム２０に入る。実施例では、光信号６０は、単一光子レベルの量子信号である（すなわち、平均して、単一光子であるか、平均０．１フォトンである等１フォトン以下の光パルスである）。ＱＫＤシステム１０等のＱＫＤシステムの例では、光信号６０は、４つの対応する駆動電圧値により生成される４つの異なる位相変調（例えば、+３π／４、＋π／４、−π／４及び−３π／４）により変調される必要がある。
【００１２】
本発明では、４つの異なる駆動電圧値は、並列シフトレジスタ５０の出力にある２ビットのバイナリワードＬ１及びＬ２（つまり、「ロジック」又は「バイナリ」電圧）によって決定される。次いで、バイナリ（電圧）レベルＬ１及びＬ２は、電圧調整器３０−１及び３０−２によってそれぞれ調整（増幅又は減衰）され、加重電圧出力Ｖ１及びＶ２を生成する。実施例においては、加重は２対１の公称比であるが、これに限らない。加重は、４つの異なるネット変調値ＭＮＥＴが、二つのバイナリ電圧レベルＬ１及びＬ２を用いて得られるよう調整される。
【００１３】
加重電圧信号Ｖ１及びＶ２は、電線３６−１及び３６−２を介して変調器Ｍ１及びＭ２にそれぞれ付与される。二つの変調器を光学的に接続する光ファイバ部２４における光信号６０の光伝播遅延は、電気遅延素子４０によって補償される。遅延素子４０は、変調器間の光遅延と全く同一の遅延を有するよう構成されている。このようにして、シフトレジスタのひずみの少ない出力を最も有利に利用できる。また、同遅延により、変調器Ｍ１及びＭ２は、光信号６０が各変調器を通過する丁度のタイミングで、それぞれ駆動される（ゲートでコントロールされる）。
【００１４】
よって、入力光ファイバ２６上を進む光信号６０は、まず変調器Ｍ１によって変調され、これにより一度変調された光信号６０’が生成される。次いで、光信号は光ファイバ部２４を通過し変調器Ｍ２に進む。変調器Ｍ２は一度変調された光信号６０’を変調し、２度変調された光信号６０”を生成する。同光信号は、出力光ファイバ２８を介して変調器システムより出力される。光信号６０”に付与されたネット変調ＭＮＥＴは、変調器Ｍ１及びＭ２の変調の和により与えられ、電気ディレイラインにより光遅延は、変調器が連続的ではなく同時に動作しているかのような外観を呈する。
【００１５】
図３は、二つの電圧信号Ｖ１及びＶ２を、変調器Ｍ１及びＭ２の対応するネット出力変調ＭＮＥＴと共に図示している。同図は、Ｖ１及びＶ２というバイナリ電圧値に基づき４つの異なる出力変調がどのようにして生成されるかの例を示している。例示したタイミング図では、±Ｖ１は位相±π／４に対応し、±Ｖ２は位相±３π／４に対応する。電圧コンビネーション＋Ｖ１−Ｖ２では、ネット変調ＭＮＥＴはπ／４である。電圧コンビネーションＶ１＋Ｖ２では、ネット変調ＭＮＥＴはπ／２である。電圧コンビネーションＶ２−Ｖ１では、ネット変調ＭＮＥＴはπ／４である。電圧コンビネーション−Ｖ１−Ｖ２では、ネット変調ＭＮＥＴは−π／２である。
【００１６】
ＱＫＤシステム１０の「ボブ」及び「アリス」間の鍵を確立する場合等、変調がランダムでなければならない場合、乱数発生器（ＲＮＧ）５４は乱数ＲＮＧ信号Ｓ５４をコントローラ５６に送信する。ＲＮＧ信号Ｓ５４によって表される乱数は、コントローラ５６により受信され、そしてＲＮＧ信号Ｓ５６として並列シフトレジスタ５０に送信される。ＲＮＧ信号Ｓ５４がコントローラ５６を通過することにより、ＲＮＧ信号Ｓ５４に比べて向上した乱数度を有するＲＮＧ信号Ｓ５６がコントローラにより生成される。これは、例えばＲＮＧ信号Ｓ５４の乱数と、コントローラ５６に格納されたり付与されたりする疑似ランダム数列とで排他的論理和をとることにより達成される。
【００１７】
他の実施例においては、コントローラ５６は、並列シフトレジスタ５０に制御信号Ｓ５７を送信する。実施例では、制御信号Ｓ５７は、「アリス」と「ボブ」の間に確立されコントローラ５６に格納されたた量子鍵に相当する。制御信号Ｓ５７は、量子鍵を確立するのに用いられる単一光子レベルのパルスのランダム位相変調とは対照的に、変調器システム２０がマルチ光子パルスを用いてメッセージを暗号化することを可能にする。
【００１８】
再び図１を参照すると、「アリス」及び「ボブ」は、それぞれ、変調器システム２０Ａ及び２０Ｂを利用して、「アリス」でランダムに量子信号を暗号化し、「ボブ」においてその量子信号を測定して、公知の技術を利用して両者間に量子鍵を確立する。「アリス」及び「ボブ」が非量子光信号１００を送信することができる実施例においては、量子鍵は、上述のように（制御信号Ｓ５７を用いて）変調器システム２０Ａ及び／又は２０Ｂを駆動するのに利用され、量子暗号化メッセージを交換するために非量子光信号を暗号化する。
【００１９】
本発明は、好適な実施例に関連して説明しているが、それらに限定されるものではないことは理解されるところである。むしろ、本発明は、添付の請求の範囲に定義されている本発明の精神及び範囲内において含まれる代替物、変形例及び均等物をすべて範囲に含むことを意図したものである。
図示された各種要素は具象化したものに過ぎず、必ずしも原寸に比例して示されていない。誇張して示された部分もあれば、最小限しか示されていない部分もある。図面は、本発明の一実施例を示したものであり、当業者により理解され適切に実施され得るものである。
（優先権主張）
本願は、２００６年２月２３日に出願された、米国特許出願第１１／３６０，５４４号に基づく優先権を主張するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】二つのＱＫＤステーションであって、光ファイバリンクによって光学的に接続された「アリス」と「ボブ」を有するＱＫＤシステム１０の概略図である。
【図２】本発明による、図１の変調器システムの実施例の概略図である。
【図３】二つの電圧信号Ｖ１及びＶ２を、変調器Ｍ１及びＭ２からそれぞれ出力されるネット変調ＭＮＥＴと共に図示している。同図では、Ｖ１及びＶ２というバイナリ電圧値に基づき４つの異なる出力変調がどのようにして生成されるかの例を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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