(57)【要約】波長分割多重（ＷＤＭ）リンク上で送信器と受信器の間で量子鍵を配布するシステムと方法を開示する。この方法は、ＷＤＭリンク上で一つ以上の量子チャネルと一つ以上の古典チャネルを提供し、各量子チャネルと各古典チャネルに異なる波長を割り当て、各量子チャネル上で単一光子信号を送信し、各古典チャネル上でデータを送信する。このデータは、古典データまたは、量子チャネル上での単一光子信号の送信を同期させるためのトリガ信号を含む。すべてのチャネルは１５５０ｎｍ付近の波長をもつ。ＷＤＭリンクは、単一光子信号を送信するための二つの量子チャネルと、古典データまたはトリガ信号を送信するための一つの古典チャネルを含む３チャンネルＷＤＭリンクであってもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信ユニットと複数の受信ユニットの間でＷＤＭリンク上で量子鍵を配布する方法であって、
前記送信ユニットと前記受信ユニットをつなぐために、複数の量子チャネルと複数の古典チャネルを含む複数のＷＤＭチャネルを前記ＷＤＭリンク上に提供するステップと、
各ＷＤＭチャネルに異なる波長を割り当てるステップと、
各量子チャネル上で単一光子信号を送信するステップと、
各古典チャネル上で、古典データ、または、量子チャネル上での単一光子信号の送信の同期を取るためのトリガ信号をデータとして送信するステップとを含むことを特徴とする量子鍵配布方法。
【請求項２】
量子鍵配布のための通信システムであって、
複数の量子送信部と複数の古典送信部を含む複数の送信ユニットと、
複数の量子受信部と複数の古典受信部を含む複数の受信ユニットと、
前記送信ユニットを前記受信ユニットに結合するＷＤＭリンクとを含み、
ＷＤＭリンクは、複数のＷＤＭチャネルを含み、ＷＤＭチャネルは、複数の量子送信部と複数の量子受信部間でそれぞれ単一光子信号を通信するための複数の量子チャネルと、複数の古典送信部と複数の古典受信部間でそれぞれデータを通信するための複数の古典チャネルとを含み、
前記データは、古典データ、または、量子チャネル上での単一光子信号の送信の同期を取るためのトリガ信号を含み、
各ＷＤＭチャネルには互いに異なる波長が割り当てられることにより、ＷＤＭチャネルがＷＤＭリンク上で波長多重化されることを特徴とする通信システム。
【請求項３】
送信器と受信器間でＷＤＭリンクを介して量子鍵を配布する方法であって、
ＷＤＭリンク上に１つ以上の量子チャネルと１つ以上の古典チャネルを提供するステップと、
各量子チャネルと各古典チャネルに異なる波長を割り当てるステップと、
各量子チャネル上で単一光子信号を送信するステップと、
各古典チャネル上で、古典データ、または、量子チャネル上での単一光子信号の送信の同期を取るためのトリガ信号をデータとして送信するステップとを含むことを特徴とする量子鍵配布方法。
【請求項４】
ＷＤＭリンクにおいて二つの量子チャネルと一つの古典チャネルが提供されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
二つの量子チャネルと一つの古典チャネルに割り当てられる波長は約１５５０ナノメートルであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
波長が１４７５ナノメートルから１５９０ナノメートルの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
二つの量子チャネルに割り当てられた波長はそれぞれ１５４９．３３ナノメートルと１５５１．１８ナノメートルであり、一つの古典チャネルに割り当てられた波長は１５５７．３５ナノメートルであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
二つの量子チャネルの各々において単一光子信号を送信するステップは、
レーザーからパルスを発射するステップと、
パルスを第１パルスと第２パルスに分割するステップと、
第１パルスを遅延させるステップと、
偏光ビームスプリッタによって形成された直交する偏光をもつ第１および第２パルスを、ＷＤＭリンク上で第２アレイ導波路格子、光ファイバ、および第１アレイ導波路格子を通じて送信するステップと、
帰路において第１パルスと第２パルスを減衰させるための減衰器を制御するために、第１パルスの一部と第２パルスの一部を検出するステップと、
第１パルスおよび第２パルスを９０度偏光させて反射させるステップと、
位相変調により第１パルスを変調するステップと、
前記減衰器によって第１パルスと第２パルスをそれぞれ第１単一光子と第２単一光子に減衰させるステップと、
二つの単一光子パルスをＷＤＭリンク上で第１アレイ導波路格子、光ファイバ、および第２アレイ導波路格子を通じて送信するステップと、
第２単一光子パルスを変調し、遅延させるステップと、
変調された第１単一光子パルスと変調された第２単一光子パルス間で干渉を検出するステップとを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記光ファイバは標準的な単一モード光ファイバであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
古典チャネル上でデータを送信するステップは、
レーザからパルスを発射するステップと、
第２アレイ導波路格子、光ファイバおよび第１アレイ導波路格子を通じて、ＷＤＭリンク上で前向きデータパルスを送信するステップと、
前記前向きデータパルスの一部を第１トリガ信号として検出するステップと、
前記前向きデータパルスの別の一部を反射させ、反射されたデータパルスを、第１アレイ導波路格子、光ファイバおよび第２アレイ導波路格子を通じてＷＤＭリンク上で送信するステップと、
前記反射されたデータパルスを第２トリガ信号として検出するステップとを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１トリガ信号は、各量子チャネル上での第１パルスの変調ステップの同期と、第１パルスと第２パルスのそれぞれを第１単一光子と第２単一光子に減衰させるステップの同期を取るために用いられ、第２トリガ信号は第２単一光子の変調ステップの同期と二つの単一光子パルス間の干渉結果の検出ステップの同期を取るために用いられることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
量子チャネルはＢＢ８４プロトコルを用いることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
量子鍵配布のための通信システムであって、
一つ以上の量子送信部と一つ以上の古典送信部とを含む送信器と、
前記量子送信部に対応する一つ以上の量子受信部と前記古典送信部に対応する一つ以上の古典受信部とを含む受信器と、前記送信器と前記受信器をつなぐＷＤＭリンクとを含み、
前記ＷＤＭリンクは、前記量子送信部と前記量子受信部間でそれぞれ単一光子信号を通信するための量子チャネルと、前記古典送信部と前記古典受信部間でデータを通信するための古典チャネルとを含み、
前記データは、古典データ、または、前記量子チャネル上の単一光子信号の送信を同期させるためのトリガ信号を含み、
前記古典チャネルと前記量子チャネルにはそれぞれ互いに異なる波長が割り当てられることにより、古典チャネルと量子チャネルはＷＤＭリンク上で波長多重されることを特徴とする通信システム。
【請求項１４】
二つの量子送信部と二つの量子受信部の間でそれぞれ単一光子信号を通信するために二つの量子チャネルが設けられ、一つの古典送信部と一つの古典受信部の間でデータを通信するために一つの古典チャネルが設けられることを特徴とする請求項１３に記載の通信システム。
【請求項１５】
各量子チャネル上で送信される単一光子信号は１４７５ナノメートルから１５９０ナノメートルの範囲の波長のレーザから生成されることを特徴とする請求項１４に記載の通信システム。
【請求項１６】
前記データは、１４７５ナノメートルから１５９０ナノメートルの範囲の波長にあることを特徴とする請求項１５に記載の通信システム。
【請求項１７】
各量子送信部は、レーザ信号を単一光子信号に減衰させる減衰器と、レーザ信号を変調する変調器とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の通信システム。
【請求項１８】
各量子受信部は、単一光子信号を変調する変調器と単一光子信号を検出する単一光子検出器を含むことを特徴とする請求項１７に記載の通信システム。
【請求項１９】
前記古典送信部は、各量子送信部の変調器の同期を取るために、前記データの一部を第１トリガ信号として検出する検出器を含むことを特徴とする請求項１８に記載の通信システム。
【請求項２０】
前記古典受信部は、各量子受信部の単一光子検出器の同期を取るために、前記データの別の一部を第２トリガ信号として検出する検出器を含むことを特徴とする請求項１９に記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暗号化されたデータを通信するための通信システムおよび方法に関する。特に、本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ）リンク上の量子鍵配布技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
暗号の目的は、鍵として知られる秘密のランダムビット列を用いて、送信者と受信者の間で完全に秘密にメッセージを交換することである。いったん鍵が確立すると、それ以降のメッセージは古典チャネル上で安全に伝送することができる。このため、安全な鍵配布は暗号における基本問題である。原則的に、古典的な信号は受動的にモニターすることができることから、残念ながら、従来の暗号は、鍵配布のセキュリティを保証するツールを何ら提供していない。送信者と受信者は、いつ盗聴がなされても全くわからないのである。
【０００３】
しかしながら、量子鍵配布（quantum key distribution;ＱＫＤ）の技術を用いれば、安全な鍵配布を実現することができる。量子鍵配布は、従来の鍵配布に取って代わる当然の候補であると信じられている。なぜなら、量子鍵配布は、量子力学の不確実性の原理によって究極的なセキュリティを与えるからである。すなわち、盗聴者が何らかの盗聴行為をすれば、このシステムの量子状態が不可避的に変更されるのである。したがって、盗聴者が測定によって量子チャネルから何らかの情報を取得できたとしても、送信者と受信者は盗聴を検出して鍵を変更することができる。
【０００４】
光ファイバシステム上で量子鍵配布を実行するための多様なシステムがこれまで開発されてきた。量子暗号は、二人のユーザ間で量子鍵をポイント・ツー・ポイントで配布することに既に適用されている。図１に示すように、従来技術における量子暗号システムは二つの別個のリンクを用いる。一方のリンクは、光ファイバによって量子鍵を伝送するために使われ、他方のリンクは、インターネットまたは別の光ファイバによってすべてのデータを伝送する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
もっとも、量子暗号は、現在配置されている商用の光ネットワークに適用することが望ましい。現在のところ、１３００ナノメートル長のネットワーク上での量子鍵配布については、ほんのいくつかの研究が報告されているだけである。報告されているシステムの一つの問題は、標準のシングルモードファイバにおいて１３００ナノメートル長で長距離に渡って信号を伝送することは難しい点である。このようなわけで、長距離では約１５５０ナノメートル長で量子鍵を配布することが好ましい。さらに、量子チャネルをもつネットワークにはどんな強い信号（たとえば、古典データ）も存在すべきではないこと、あるいは、強い信号からの干渉を低減するためには、量子チャネルと古典チャネルの間に大きな波長の間隔が必要であることが考慮されるべきである。
【０００６】
しかしながら、このことは、既に設置されている商用光ネットワークには当てはまらない。なぜなら、ＷＤＭ伝送を利用した現在の光ファイバ通信ネットワークでは量子チャネルに深刻な干渉をもたらす強い信号がたくさん存在しているからである。
【０００７】
本発明の目的は、量子鍵を配布するための通信システムを提供することである。このシステムでは、量子鍵配布として量子チャネル用に波長を単に追加することにより、量子鍵配布を現在の商用の光リンクに実装することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、複数の送信ユニットと複数の受信ユニットの間でＷＤＭリンク上で量子鍵を配布する方法を提供する。この方法は、１）前記送信ユニットと前記受信ユニットをつなぐために、複数の量子チャネルと複数の古典チャネルを含む複数のＷＤＭチャネルを前記ＷＤＭリンク上に提供し、２）各ＷＤＭチャネルに異なる波長を割り当て、３）各量子チャネル上で単一光子信号を送信し、４）各古典チャネル上で、古典データ、または、量子チャネル上での単一光子信号の送信の同期を取るためのトリガ信号をデータとして送信する。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態では、ＷＤＭチャネルに割り当てられる波長は約１５５０ナノメートルである。
【００１０】
本発明はさらに、ＷＤＭ光リンク上で１５５０ナノメートル付近の波長で量子鍵を配布するための通信システムを提供する。このシステムは、複数の量子送信部と複数の古典送信部を含む複数の送信ユニットと、複数の量子受信部と複数の古典受信部を含む複数の受信ユニットと、前記送信ユニットを前記受信ユニットに結合するＷＤＭリンクとを含む。さらに、ＷＤＭリンクは、複数のＷＤＭチャネルを含み、ＷＤＭチャネルは、量子送信部と量子受信部間でそれぞれ単一光子信号を通信するための複数の量子チャネルと、古典送信部と古典受信部間でそれぞれデータを通信するための複数の古典チャネルとを含んでもよい。
【００１１】
本発明のある実施の形態では、古典チャネル上で送信されるデータは、古典データ、または、量子チャネル上の単一光子信号の送信を同期させるためのトリガ信号を含む。さらに、各ＷＤＭチャネルには互いに異なる波長が割り当てられることにより、ＷＤＭチャネルがＷＤＭリンク上で波長多重される。
【００１２】
本発明のある態様によれば、ＷＤＭ技術を用いてＷＤＭリンク上で、特定のユーザ（たとえば、一つの送信器と一つの受信器）の間での量子鍵配布を実現することができる。送信器は、一つ以上の量子送信部と一つ以上の古典送信部とを含んでもよい。受信器は、前記量子送信部に対応する一つ以上の量子受信部と前記古典送信部に対応する一つ以上の古典受信部とを含んでもよい。さらに、前記送信器と前記受信器をつなぐＷＤＭリンクは、前記量子送信部と前記量子受信部間でそれぞれ単一光子信号を通信するための量子チャネルと、前記古典送信部と前記古典受信部間でデータを通信するための古典チャネルとを含んでもよい。前記データは、古典データ、または、前記量子チャネル上の単一光子信号の送信を同期させるためのトリガ信号を含んでもよい。さらに、前記古典チャネルと前記量子チャネルにはそれぞれ互いに異なる波長が割り当てられることにより、古典チャネルと量子チャネルはＷＤＭリンク上で波長多重されてもよい。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、通信システムのＷＤＭリンクは、二つの量子チャネルと一つの古典チャネルを含む３チャネルのＷＤＭリンクであってもよい。古典チャネル上で送信される前記データは、量子チャネルを同期させるためのトリガ信号を含んでもよい。このようにして、古典チャネルは本システムを同期させるためのトリガチャネルとして働くことができる。古典チャネルと量子チャネルにはそれぞれ互いに異なる波長が割り当てられることにより、古典チャネルと量子チャネルはＷＤＭリンク上で１５５０ナノメートル付近で波長多重される。これは、長距離伝送に適している。
【００１４】
ＷＤＭリンクによって提供される単一の光ファイバにおいて多くの異なる波長を結合するＷＤＭ技術にもとづけば、量子鍵配布は、共通のファイバを古典通信信号との間で共有することによって、現在の商用ファイバリンクにおいても容易に実行できる。
【００１５】
さらに、本発明において差分位相変調技術を用いることで、本システムの温度変化、位相変位の影響を克服することができ、これにより、システムも安定化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
ＷＤＭは本発明で採用される重要技術であり、多くの異なる波長を一つの光ファイバに結合するために光の並列特性を利用する。このようにすることで、本発明によれば、マルチ・ユーザのＷＤＭネットワーク上で量子鍵配布を実現することができる。ＷＤＭのおかげで、システムは、ＷＤＭネットワークによってサポートされる波長数によって許される数だけ異なる秘密鍵を同時に確立することができる。
【００１８】
たとえば、本発明の実施の形態に係る、マルチ・ユーザのＷＤＭネットワーク上で量子鍵を配布するための通信システムを図２に示す。この通信システムは、ＷＤＭリンク上でＮ個の量子送信部１３０とＮ個の量子受信部１４０をつなぐためのλ１からλＮまでの波長を割り当てられたＮ個の量子チャネルと、ＷＤＭリンク上でＭ個の古典送信部３３０とＭ個の古典受信部３４０をつなぐためのλＮ＋１からλＮ＋Ｍまでの波長を割り当てられたＭ個の古典チャネルとを含む。ここでＮとＭは正の整数である。ＷＤＭリンクは、アレイ導波路回折格子（Array Waveguide Grating;ＡＷＧ）４０２、４０１および単一の光ファイバ５００を含む。実施の形態では、異なる波長（λ１からλＮ＋Ｍ）をもつ量子チャネルと古典チャネルは、ＡＷＧ４０１および４０２を用いることによって、単一の光ファイバ５００に多重化されている。このように、ＷＤＭ技術を用いることによって量子送信部と量子受信部の間で量子鍵配布を実現することができる。
【００１９】
図３は、本発明に係るＷＤＭリンク上で複数のユーザの内、特定のユーザ（たとえば、一つの送信器と意図した一つの受信器）の間で量子鍵を配布する実施例を示す。図３に示すように、送信器７１１は一つ以上の量子送信部と一つ以上の古典送信部をもつ。受信部７２１は、一つ以上の量子受信部と一つ以上の古典受信部をもつ。各量子受信部は各量子送信部に対応し、各古典受信部は各古典送信部に対応する。
【００２０】
送信器７１１と受信器７２１をつなぐＷＤＭリンクは、ＡＷＧ４０１、光ファイバ５０１、およびもう一つのＡＷＧ４０２を含む。ＷＤＭリンクは、量子送信部とそれに対応する量子受信部間で単一光子信号を通信するための一つ以上の量子チャネルと、古典送信部と古典受信部間でデータを通信するための一つ以上の古典チャネルとを多重化するために設けられる。実施の形態において、このデータにはさらに、量子チャネル上で単一光子信号の送信を同期させるためのトリガ信号が含まれる。さらに、古典チャネルと量子チャネルにはそれぞれ互いに異なる波長が割り当てられる。古典チャネルと量子チャネルは、ＷＤＭリンク上で１５５０ナノメートル付近で波長多重化される。
【００２１】
図４は、３チャネルＷＤＭリンク上で送信器と受信器の間で量子鍵を配布する実施例を示す。送信器７１２は、第１量子送信部１１０、第２量子送信部２１０、および古典送信部３１０を含む。受信器７２２は、第１量子送信部１１０に対応する第１量子受信部１２０、第２量子送信部２１０に対応する第２量子受信部２２０、および古典送信部３１０に対応する古典受信部３２０を含む。３チャネルＷＤＭリンクは、ＡＷＧ４０１、光ファイバ５０２およびもう一つのＡＷＧ４０２を含み、二つの量子チャネル１００、２００と一つの古典チャネル３００を多重化する。量子チャネル１００、２００は、それぞれ、二つの量子送信部１１０、２１０と、二つの量子受信部１２０、２２０との間に設けられ、単一光子信号（量子鍵）を伝送する。古典チャネル３００は、古典送信部３１０と古典受信部３２０の間に設けられ、データを伝送する。実施の形態では、このデータには、量子送信部１１０、２１０に送信されるトリガ信号Ｓ１と、量子受信部１２０、２２０に送信されるトリガ信号Ｓ２が含まれる。これは、量子チャネル１１０、２００上の単一光子信号の伝送を同期させるためである。二つの量子チャネル１００、２００、および古典チャネル３００には、標準的な光リンクと互換性のある１５５０ナノメートル付近で異なる波長λ１、λ２およびλ３がそれぞれ割り当てられる。
【００２２】
このようにして、量子鍵配布は、単に別の波長を量子鍵配布として量子チャネル用に追加するだけで現状の商用光学リンクにうまく実装することができる。さらに、１５５０ナノメートルの光学波長においては、ファイバの損失は０．２ｄＢ／ｋｍであり、量子暗号システムに対して同一ビットレートにおいて１３００ナノメートルの波長の場合と比較すると、伝送距離に対して損失が大きく増大する。
【００２３】
量子チャネル１００および２００においてＢＢ８４プロトコルを採用することができる。ＢＢ８４プロトコルを実装するためには、それぞれ二つの直交状態をもつ二つの非直交基底において、四つの状態が存在しなければならない。たとえば、四つの位相｛０，π／２，πまたは３π／２｝は、四つの状態の役割を果たすことができる。さらに｛０，π｝は測定基底位相シフト０を選択することで実現することができる一つの基底に対応している。同様に｛π／２，３π／２｝は位相シフトπ／２の測定を選択したことに対応するもう一つの基底である。四つの状態は次のように表現することができる。
【数１】
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【００２４】
この波動関数から自明なように、ロジック０について、位相シフト０とπ／２に対して５０％の等確率が存在する。ロジック１についても同じである。
【００２５】
差分位相変調技術を用いた自動補償構造が、本発明の量子チャネルにおいて採用される。図５に示されるように、たとえば、量子チャネル１００（量子チャネル２００に似たものである）では、送信器７１２において、位相変調器（ＰＭ）１１２が提供する位相シフトΔＡが、受信器７２２から送信器７１２へ伝達する二つの隣接パルスの内の第１パルスに付加される。また、二つのパルスがファラデー回転ミラー１１１によって反射された後、受信器側に返るとき、受信器７２２において、位相変調器（ＰＭ）１２２が提供する別の位相シフトΔＢが第２パルスに付加される。第１パルスおよび遅延手段１２７によって遅延した第２パルスがビームスプリッタ１２３に到着するとき、干渉が発生し、その位相差はΔＡ−ΔＢになる。したがって、位相差だけが保持される。このような構成にすることにより、二つのパルスが干渉部分を通過することで生じる、温度変化、偏光変化および経路変動によってもたらされる誤差を補償することができる。なぜなら、各量子チャネルの受信器側において干渉する二つのパルスは、それぞれ、同じ距離を伝送する間に同じ変動の影響を受けるからである。ここで、温度変化、偏光変動および距離変動によって生じる別の位相シフトδは、同じチャネルにおいて両方のパルスに付加されると仮定する。
【００２６】
位相シフトδは、上述の要因による変動に対して異なるタイミングで変化することがある。しかしながら、それは二つの隣接パルスに対してはほぼ等しい。なぜなら、上述の要因は二つの隣接パルスが時間的に離れている範囲内で比較的ゆっくりと変動するため、これら二つのパルスはチャネル内で同様の変化の影響を受けるからである。第１パルスに対しては、位相シフトΔＡ＋δがあるが、第２パルスに対しては、位相シフトδ＋ΔＢがある。このように、受信器側の干渉部分では、二つの返ってくるパルス間の位相差は、ΔＡ−ΔＢである。上述の要因で生じた位相シフトδは、キャンセルされるからである。量子チャネル２００は量子チャネル１００に似ているため、本発明の量子チャネル１００と２００の機構は、温度、偏光および距離の変動によってもたらされる揺らぎを克服することができる。理論的には、この機構において完全な干渉を得ることができる。
【００２７】
３チャネルＷＤＭリンク上の量子鍵配布の詳細な構造と原理を図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。
【００２８】
量子チャネル１００では、受信器７２２において、レーザ１２４が０ｄＢｍのパワーをもつパルス列をサーキュレータ１２５を介してＷＤＭリンクに発射する。パルス列における各パルスは、５０／５０ビームスプリッタ１２３を経由して二つのパルス、すなわち第１パルスと第２パルスに分割される。第１パルスは、遅延手段１２７（たとえば、光学ファイバの遅延ライン）によって設定された２６ｎｓの遅延が付加されて、上段経路１２３１を通過し、その後、分極ビームスプリッタ１２１に当たる。上段経路１２３１の位相変調器（ＰＭ）１２２は、第２パルスが送信機から戻ってくるまでは使われない。第２パルスは、下段の（より短い）経路１２３２を通過し、直接、スプリッタ１２１の入力ポートに入る。
【００２９】
スプリッタ１２１を通過した後、直交する偏光と２６ｎｓの遅延をもつ二つのパルスが得られる。その後、これら二つのパルスは、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Array Waveguide Grating）４０２に入り、たとえば８．５ｋｍの単一モードファイバ５０２を通過して伝搬し、そして、ＡＷＧ４０１から出て、チャネル１００に入り、送信器７１２に至る。
【００３０】
これらのパルスは９０／１０ビームスプリッタ１１５によって再び分割され、スプリッタ１１５の９０パーセントの方のポートから出る光子は、検出器１１３によって検出される。検出器１１３は、可変減衰器（ＶＡ）１１４を制御し、可変減衰器１１４は単一光子パルスを得るために返ってきたパルスを減衰させる。スプリッタ１１５の１０パーセントの方のポートからである二つのパルスは、まず減衰器１１４を減衰することなく通過する。その後、それらのパルスは位相変調器１１２を通過してファラデーミラー１１１に到達する。二つのパルスがファラデー回転ミラー１１１で反射されると、二つのパルスの偏光が９０度回転する。
【００３１】
ランダムデータ信号生成器（図示しない）によって生成される、０、π／２、πまたは３π／２のランダム位相シフトが、位相変調器１１２による二つのリターンパルスの内、最初のパルスに挿入される。次に、二つのリターンパルスが再度減衰器１１４を通過する際、１パルス内で単一光子が生成されるように減衰される。検出器３１３から生成されたトリガ信号Ｓ１は、ファラデーミラー１１１からの最初のリターンパルスを変調するための位相変調器１１２と同期するために使われる。またこのトリガ信号Ｓ１は、両方のリターンパルスを単一光子にまで減衰させるために検出器１１３からの減衰制御信号と同期するためにも使われる。ここで、検出器３１３からのトリガ信号Ｓ１には、データ信号生成器からの位相シフト信号を第１リターンパルスと同期させるために適当な遅延をもたせるべきである。また、減衰器１１４を制御するために使われる、検出器１１３からの信号は、両方の光のパルスが帰路において減衰器１１４を通過するときに減衰するように、電気的な遅延をもつ。最後に、二つのパルスは、ＡＷＧ４０１、８．５ｋｍの標準的な単一モードファイバ５０２およびＡＷＧ４０２を通過した後、分極ビームスプリッタ１２１とビームスプリッタ１２３の間の反対側の経路を通過して、受信器７２２に戻ってくる。このようにして、二つのパルスは同時にビームスプリッタ１２３に到着し、ビームスプリッタ１２３で強め合う（constructive）干渉または弱め合う（destructive）干渉を生成することで、単一光子が単一光子検出器１２６によって検出できるようになる。
【００３２】
受信器７２２は、位相変調器１２２において０またはπ／２の位相シフトを設定することを通じて、ランダムかつ独立に測定基底を選択することができる。位相変調器１２２は、古典データチャネル３００においてミラー３１１から反射してくるパルスから派生したトリガ信号Ｓ２によって同期が取られる。結果はコンピュータ６００に蓄積される。受信側のすべてのファイバは、偏光保持ファイバである。これは干渉する二つの単一光子パルスの偏光が、干渉計の異なる経路を通過した後でも不変であることをシステムが保証するために必要である。
【００３３】
第２量子チャネル２００は、量子チャネル１００と同様、ファラデーミラー２１１、位相変調器（ＰＭ）２１２、検出器２１３、可変減衰器（ＶＡ）２１４、９０／１０ビームスプリッタ２１５、ＡＷＧ４０１、ファイバ５００、ＡＷＧ４０２、偏光ビームスプリッタ２２１、位相変調器２２２、ビームスプリッタ２２３、レーザ２２４、サーキュレータ２２５、単一光子検出器２２６、および遅延手段２２７を含む。チャネル２００の構成および原理は、量子チャネル２００の遅延手段２２７によって設定される時間遅延が２１ｎｓであることと、独立測定基底とランダム位相シフトがチャネル１００とは独立であることとを除けば、量子チャネル１００と同様であることから、量子チャネル２００の詳細な説明は省略する。
【００３４】
受信器側では、古典チャネル３００において、一般的なレーザ３２４は２ｄＢｍのパワーをもつパルスを５０／５０ビームスプリッタ３２１に発射する。パルスは５０／５０ビームスプリッタ３２１を通過した後、ＡＷＧ４０２に入り、８．５ｋｍの単一モードファイバ５００を伝達し、その後、ＡＷＧ４０１を通過する。その後、パルスの半分が検出器３１３で検出される。検出された信号は、適当な遅延をもたせて量子チャネル１００および２００において位相変調器（ＰＭ）１１２、２１２を各パルスと同期させるための第１トリガ信号Ｓ１として使われる。パルスの他方の半分は、ミラー３１１によって反射され、受信器に返され、検出器３２６によって検出される。検出器３２６は、量子信号の干渉を測定するために単一光子検出器１２６、２２６をトリガし、かつ、受信器側で測定基底を選択するために位相変調器１２２、２２２をトリガする第２トリガ信号Ｓ２を生成する。
【００３５】
データ通信チャネル３００は、高レーザパワー、たとえば、本実施の形態のレーザ３２４によって発射される２ｄＢｍのパワーをもつ標準的な光通信チャネルとして機能してもよい。である。三つのチャネルの波長およびパルス幅は表１にリストされている。
【表１】
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【００３６】
ＢＢ８４プロトコルが本システムに実装されている。位相変調および同期のために１００ｋＨｚの信号を用いる。パルス幅は表１に示されるように、量子チャネル１００と２００に対しては２．５ｎｓであり、古典チャネル３００に対しては２０ｎｓである。チャネル間、特に弱い量子チャネル１００、２００と強い信号チャネル（古典チャネル３００）間のクロストークを減らすために、波長は注意深く定めなければならない。ここで量子チャネル１００と古典チャネル３００間の間隔は約８ｎｍであり、量子チャネル２００と古典チャネル３００間の間隔は約６ｎｍである。
【００３７】
単一光子検出器１２６、２２６が本実施の形態で単一光子を測定するために用いられる。単一光子検出器１２６と２２６の暗計数は、２．５ｎｓの測定幅をもった１００ｋＨｚのゲート化モードにおいて４０Ｈｚであるから、暗計数を測定する確率は４．０×１０−４である。単一光子検出器１２６と２２６の効率は１０％以上である。送信器側では、パルス毎の平均光子計数は、０．１以下であるべきである。これは、実施の形態において、パルスが可変減衰器１１４を再び通過するとき、単一光子が各パルスにおいて得られることを保証するためである。１７ｄＢの総伝達損失に対して、約２％の単一光子を検出することができる。ＢＢ８４プロトコルに起因する３ｄＢの損失を考慮すると、理論的には約１％の単一光子を量子鍵配布に使うことができる。
【表２】
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【００３８】
実験的には、単一光子検出器１２６、２２６の計数レートは、毎秒１００キロカウントであり、その効率は約１０％である。一つのパルスで単一光子を保証するために、パルス毎の平均光子カウントは、本発明の実施の形態では０．１以下であるべきである。したがって、計数レートは可変減衰器１１４、２１４において毎秒１０キロ以下にすべきである。本実施の形態によれば、実験的に得られた計数レートは毎秒７．６７キロである。伝達効率、エラーレート、および検出器の効率を考えた結果、チャネル１００で０．７５ｋｂｐｓの量子鍵が得られた。ここで、クロストークにより２．２パーセントのエラー確率が発生した。その多くはチャネル３００から派生するもので、チャネル２００からはずっと少ない。なぜならチャネル２００における単一光子信号はたいへん弱いからである。同様に、チャネル２００において、量子鍵レートは０．４９ｋｂｐｓであり、クロストークにより４．３９６％のエラー確率が発生する。チャネル２００におけるクロストークは、チャネル１００におけるクロストークよりも大きい。これは、チャネル２００の波長はチャネル１００の波長に比べて、古典通信チャネルの波長に近いからである。
【００３９】
本発明をいくつかの実施の形態にもとづいて説明したが、本発明はいろいろな方法で実施することができることが当業者には理解される。本発明の範囲は請求項で定義されるものであり、サマリーにおける説明や好ましい実施の形態の詳細な説明によって限定されるべきではないことが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術における量子鍵配布のための通信システムを示す。
【図２】本発明に係る、マルチ・ユーザのＷＤＭネットワーク上で量子鍵を配布するための通信システムの概略図である。
【図３】本発明に係るＷＤＭリンク上での量子鍵配布の概略図である。
【図４】本発明に係る３チャネルＷＤＭリンク上で量子鍵を配布する実施例の概略図である。
【図５】本発明の量子チャネルに採用される、差分位相変調技術を用いた自動補償構造を示す。
【図６Ａ】図４に示す３チャネルＷＤＭリンク上の量子鍵配布の詳細な構造を示す。
【図６Ｂ】図４に示す３チャネルＷＤＭリンク上の量子鍵配布の詳細な構造を示す。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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