(57)【要約】【課題】  長距離伝送が可能で単位時間当たりの伝送効率の良い量子暗号通信装置を実現する。【解決手段】  本発明の一実施形態において、受信機Ａおよび受信機Ｂは、光子対発生器２０から必要な数の光子を受信し、それぞれ光子検出時刻と、位相変調器２６ａ、２６ｂによる変調位相と、２つの光子検出器Ａ１およびＡ２、光子検出器Ｂ１およびＢ２のどちらで光子を検出したかを記録する。次に、受信機Ａおよび受信機Ｂは、情報交換装置２８ａ、２８ｂにより光子検出時刻と変調位相について互いのデータを交換する。次に、受信機Ａ、受信機Ｂは同じ時刻に光子を検出した事象について、各光子検出時のθａ＋θｂの値に応じて、事前に光子検出器に割り当てたビットに従ってビットを生成する。【選択図】  図２
2006179982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子相関を有する光子対を一定の間隔で生成する光子対発生器と、光伝送路を介して前記光子対の光子をそれぞれが受信する２つの受信機とを備えた量子暗号通信装置において、
前記各受信機は、
光を２分岐し、分岐した経路間に前記光子対の生成間隔に等しい時間遅延を与えて合波することによって経路間の光子を検出する光干渉検出手段と、
受信した光子に位相変化を与える位相調整手段と
を備え、
前記各受信機は、光子検出事象毎に、前記光干渉検出手段における光子検出の時刻情報と、前記位相変化量に基づく位相情報とを交換することによって、前記光干渉検出手段における経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通するビット列を生成するように構成されたことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項２】
請求項１の量子暗号通信装置において、
前記位相調整手段は、光を分岐した一方の経路に配置され、各光子について０またはπ／２の位相変調を行うように構成されたことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項３】
請求項１の量子暗号通信装置において、
前記位相調整手段は、光を分岐する前段に配置され、各光子について０またはπ／２の位相変調を行うように構成されたことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項４】
請求項１の量子暗号通信装置において、
前記各受信機は、光を第１の経路と第２の経路に分岐する光分岐手段をさらに備え、
前記光分岐手段により分岐した第１および第２の経路のそれぞれは、前記光干渉検出手段を備え、
前記光干渉検出手段は、少なくともその一方の経路に前記位相調整手段を備え、
前記位相調整手段は、前記光干渉検出手段の経路間の位相差が第１の経路において０、第２の経路においてπ／２となるように構成されたことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項５】
量子相関を有する光子対を一定の間隔で生成する光子対発生器と、光伝送路を介して前記光子対の光子をそれぞれが受信する２つの受信機とを備えた量子暗号通信装置において、前記受信機間で共通のビット列を生成する秘密鍵生成方法であって、
前記各受信機は、
光を２分岐し、分岐した経路間に前記光子対の生成間隔に等しい時間遅延を与えて合波することによって経路間の光子を検出する光検出ステップと、
受信した光子に位相変化を与える位相調整ステップと
前記光子検出事象毎の、前記光検出ステップにおける光子検出の時刻情報と、前記位相変化量に基づく位相情報とを交換する情報交換ステップと、
前記交換した情報と、前記光検出ステップにおける経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通のビット列を生成するビット生成ステップと、
を備えることを特徴とする秘密鍵生成方法。
【請求項６】
請求項５に記載の秘密鍵生成方法であって、
前記位相調整ステップは、光を分岐した一方の経路において、各光子について０またはπ／２の位相変調を行い、
前記ビット生成ステップは、互いの位相変調の和が０またはπの場合、前記光検出ステップにおいて経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通のビット列を生成することを特徴とする秘密鍵生成方法。
【請求項７】
請求項５に記載の秘密鍵生成方法であって、
前記位相調整ステップは、光を分岐する前段において、各光子について０またはπ／２の位相変調を行い、
前記ビット生成ステップは、互いの前記経路間の位相差の和が０または±πの場合、前記光検出ステップにおいて経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通のビット列を生成することを特徴とする秘密鍵生成方法。
【請求項８】
請求項５に記載の秘密鍵生成方法であって、
前記各受信機は、光を第１の経路と第２の経路に分岐する光分岐ステップをさらに備え、
前記光検出ステップは、前記光分岐ステップの第１および第２の経路それぞれについて、前記経路間の光子を検出し、
前記位相調整ステップは、前記光検出ステップにおいて光子を検出する経路間の位相差が第１の経路において０、第２の経路においてπ／２とし、
前記ビット生成ステップは、前記位相変化量に基づく位相情報として前記光検出ステップにおける光子検出が第１の経路であるか第２の経路であるかの検出経路情報を交換することで互いに共通のビット列を生成することを特徴とする秘密鍵生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子相関を有する光子対を用いた量子暗号鍵配送技術に関し、特に、差動位相シフト量子暗号鍵配送技術に基づく量子暗号鍵配送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光子１個レベルの光を用いることにより、物理的に安全性が保証された量子暗号通信の研究が進められている。量子暗号通信は、離れた２つの通信装置の間で暗号通信を行うための秘密鍵を共有するためのものであり、量子鍵配送とも呼ばれている。量子鍵配送にも各種の方式があるが、ここでは、本発明に類似の差動位相シフト量子鍵配送システムについて説明する（非特許文献１）。
【０００３】
図１に、従来の差動位相シフト量子鍵配送システムの基本構成を示す。送信機１０は、０またはπでランダムに位相変調した一定間隔のコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均１個未満の光子として送出する。この平均光子数が１個未満という状態は、通常のレーザ光を大きく減衰させることにより実現される。このようなパルス列を光子検出しようとすると、あるパルスでは光子が検出されるが、あるパルスでは何も検出されないという結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったく確率的で、検出するまで不確定である。
【０００４】
送信機１０より送出されたパルス列は伝送路１３を経て、受信機１５に到達する。受信機１５は、受信パルス列を光分岐器（光カップラ）Ｃ１で２つに分岐し、光遅延回路（光遅延線）１４により一方に遅延を加えたのち、２×２の光カップラ（光合波器）Ｃ２により再び合波する。この合波器の２つの出力ポートには、それぞれ光子検出器１および２が備えられている。
【０００５】
ここで、上記の分岐器および合波器の間で一方に与える遅延時間は、送信されるパルス列の時間間隔Ｔに等しいものとする。このようにすると、合波器では、時間的に前後するパルスが重なり合って合波される。送信パルス列は０またはπで位相変調されているので、分岐から合波に至る経路における伝播位相が適当であれば、重なり合うパルスの位相差は０またはπとなる。干渉の結果、位相差が０なら光子検出器１が、位相差πなら光子検出器２が、光子を検出することになる。
【０００６】
以上の構成を用いて、送信機１０と受信機１５は以下の手順により秘密鍵を共有する。まず、受信機は、上記の通り光子を検出する。この時、光子を検出した時刻と光子検出器を記録する。必要な個数だけ光子が送受信された後、受信機は、通常の通信回線（図示せず）を介して送信機に光子の検出時刻を知らせる。送信機は、知らされた検出時刻と自身の位相変調データから、受信機がどちらの光子検出器で光子を検出したかを知ることができる。
【０００７】
そこで、例えば光子検出器１をビット「０」、光子検出器２をビット「１」と予め取り決めておけば、送信機と受信機は同じビット列を得ることができる。この手順において、受信機から送信機へ知らされるのは光子検出時刻のみであり、実際のビット情報は外部には出されない。盗聴者は、これら光子検出時刻のみからビット情報を生成することはできない。また、送られているのはパルスあたり平均１光子未満の光なので、盗聴者が光信号の一部を分岐してビット情報を得ることはできない。なぜなら、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機に届かないので、この光子検出した情報から送信機と受信機が獲得するビット列を復元することはできないからである。このように、以上の構成と手順により送信機および受信機が得るビット列は、外部から盗聴されることのないビット列となる。そこで、このビット列を、データを暗号化および復号化するための秘密鍵とすることができる。
【０００８】
また、特許文献１に記載された発明は、伝送距離を延長するために、二つの受信機の間に配置された光子対発生器から、量子相関性のあるパルス列を各受信機に伝送するように構成されている。これによって、秘密鍵を共有する受信機間の伝送距離を実質的に延長することができる。特許文献１では、受信機間で伝送される２つの光子間の位相と時刻とに関する量子相関を利用しており、送信パルス間隔に対応する受信機のタイムスロットにおいて、３つの連続するタイムスロットを使用して１つのビットを検出している。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１８７２６８号公報
【非特許文献１】K.Inoue, R.Waks, and Y.Yamamoto, “Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent ligh”, Physical Review A, vol.68, paper number 002317(2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１のような従来の差動位相シフト量子鍵配送方式では、分岐による盗聴を避けるため、光子１個レベルの光パルスを送受信している。しかしながら、実際の伝送路には損失があり、このため、光子の一部は伝送路で消失して受信機には届かない。伝送路が長いと損失も大きく、光子が受信機に届く確率は小さくなる。一方、光子検出器は、一般に、実際には光子が入力されていないにもかかわらず、あたかも光子を検出したかのような動作をすることがある。光子検出器の誤動作は、入力光子がある程度多ければ無視できるが、入力光子数が少ないと、相対的に誤動作による誤信号が多くなり、正しい秘密鍵生成ができなくなる。すなわち、伝送距離が長く、損失が大きいと量子鍵配送システムが正しく動作しなくなるため、伝送可能距離が制限されることになる。
【００１１】
また、特許文献１に記載された発明では、１つのビットを検出するために３つのタイムスロットを使用するので、図１の差動位相シフト量子鍵配送方式と比べて、単位時間当たりの伝送効率が悪くなるという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような状況に鑑み、従来よりも長距離伝送が可能で、単位時間当たりの伝送効率の良い量子暗号通信を可能にする装置および量子暗号通信装置を用いた秘密鍵生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、量子相関を有する光子対を一定の間隔で生成する光子対発生器と、光伝送路を介して前記光子対の光子をそれぞれが受信する２つの受信機とを備えた量子暗号通信装置を対象としている。各受信機は、光を２分岐し、分岐した経路間に光子対の生成間隔に等しい時間遅延を与えて合波することによって経路間の光子を検出する光干渉検出手段と、受信した光子に位相変化を与える位相調整手段とを備えている。各受信機は、光子検出事象毎に、光干渉検出手段における光子検出の時刻情報と、位相変化量に基づく位相情報とを交換することによって、光干渉検出手段における経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通するビット列を生成する。
【００１４】
本発明の一致実施形態に係る量子暗号通信装置においては、受信機の光干渉検出手段の一方の経路に位相調整手段を配置し、各光子について０またはπ／２の位相変調を行うように構成する。各受信機は、光子検出事象毎に、光干渉検出手段における光子検出の時刻情報と、位相調整手段における位相変化量に基づく位相情報を交換する。これによって、互いの位相変調の和が０またはπの場合、光子干渉検出手段の経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通のビット列を生成する。
【００１５】
また、本発明の別の実施形態に係る量子暗号通信装置においては、受信機の光干渉検出手段の前段に位相調整手段を配置し、各光子について０またはπ／２の位相変調を行うように構成する。各受信機は、光子検出事象毎に、光干渉検出手段における光子検出の時刻情報と、位相調整手段における位相変化量に基づく位相情報を交換する。これによって、互いの光干渉検出手段の経路間の位相差の和が０または±πの場合、光干渉検出手段の経路間のどちらで光子を検出したかに応じて、互いに共通のビット列を生成する。
【００１６】
また、本発明のさらに別の実施形態に係る量子暗号通信装置においては、受信機の光の経路を第１の経路と第２の経路に分岐し、各経路に光干渉検出手段を備える。光干渉検出手段は、少なくともその一方の経路に位相調整手段を備え、位相調整手段は、光干渉検出手段の経路間の位相差が第１の経路において０、第２の経路においてπ／２となるように構成する。各受信機は、光子検出事象毎に、光干渉検出手段における光子検出の時刻情報と、光子検出が第１の経路であるか第２の経路であるかの検出経路情報を交換することで互いに共通のビット列を生成する。
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施例について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施例１）
図２に、本発明の第１の実施例に係る量子暗号通信装置の構成を示す。図に示すように、受信機Ａ（２５ａ）および受信機Ｂ（２５ｂ）は、離れた地点に配置され、光伝送路２３ａおよび２３ｂを介して、その間に位置する光子対発生器２０に接続されている。また、この２つの受信機は、通信回線２９を通して相互に通信可能に接続されている。受信機Ａおよび受信機Ｂはそれぞれ、光を２分岐する光分岐器（光カップラ）Ｃ１ａ、Ｃ１ｂと、２分岐した光を合波する光合波器（光カップラ）Ｃ２ａ、Ｃ２ｂと、合波した光を検出する２つの光子検出器Ａ１およびＡ２、Ｂ１およびＢ２とを備えている。各受信機は、分岐した一方の経路において、光を遅延する光遅延手段（光遅延線）２４ａ、２４ｂと、光の位相を変調する位相変調器２６ａ、２６ｂとを備えている。また、２つの受信機は、通信回線２９を介して互いに通信可能な情報交換装置２８ａ、２８ｂ（ＣＰＵなど）を備えている。
【００１９】
光子対発生器２０は、ポンプ光源２１と光非線形媒質２２とを備え、量子相関を有する２つの光子（光子対）を必ず同時に出力するように構成されている。具体的には、例えば、光パラメトリック過程を利用して、周波数ｆｐのポンプ光より、ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉという周波数関係を満たす、光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を光子対として出力する。本発明の一実施形態では、ポンプ光源からの連続パルス光が光非線形媒質に入力され、光非線形媒質から出力されるシグナル光子とアイドラー光子が、一定の時間間隔Ｔの連続パルス列としてそれぞれ受信機ＡおよびＢに送信される。ここで、ポンプ光のコヒーレント時間は、連続する光パルスの時間間隔Ｔより充分に長いものとする。
【００２０】
受信機Ａ（２５ａ）、受信機Ｂ（２５ｂ）に送られたパルス列は、光分岐器Ｃ１ａ、Ｃ１ｂにより２分岐される。分岐したパルス列は、一方の経路で光遅延手段２４ａ、２４ｂにより所定の遅延時間が与えられ、位相変調器２６ａ、２６ｂにより位相変調された後、各々２×２の光合波器Ｃ２ａ、Ｃ２ｂにより合波される。ここで、光遅延手段２４ａ、２４ｂにより与えられる経路間の相対的な遅延時間は、伝送されるパルス列の時間間隔Ｔに等しいものとする。また、遅延経路（２４ａ、２４ｂ）上の位相変調器２６ａ、２６ｂは、各パルスの位相を０またはπ／２でそれぞれ無作為に変調する。そして、光合波器Ｃ２ａ、Ｃ２ｂで合波された各パルスは、その位相変調量に応じて、光合波器Ｃ２ａ、Ｃ２ｂの２つの出力ポートのいずれかにおいて、光子検出器Ａ１またはＡ２、Ｂ１またはＢ２により検出される。
【００２１】
検出した光子検出器からの信号および位相変調器による各パルスの位相変調データは、情報交換装置（ＣＰＵ）に入力され、ここで、位相変調データ、光子検出時刻およびどちらの光子検出器で検出されたかが記録される。そして、情報交換装置（ＣＰＵ）は、通信回線２９を介して相手の受信機に光子検出時刻と変調位相データを互いに知らせ合う。
【００２２】
以上の構成を用いて、受信機Ａおよび受信機Ｂは互いに秘密鍵を共有することができる。その原理及び手順を以下に式を用いて説明する。量子力学的表現を用いると、量子相関光子対発生器２０からの出力状態｜Ψ０＞は次のように表される。
【００２３】
【数１】
2006179982.tif 000003
【００２４】
ここで、｜Ａ＞ｊは時刻ｔ０ｊに受信機Ａに向かうシグナル光子状態、｜Ｂ＞ｊは時刻ｔ０ｊに受信機Ｂに向かうアイドラー光子状態を表す。２つの状態は必ず対で発生するので、１つのペアは掛け合わせ状態｜Ａ＞ｊ｜Ｂ＞ｊとして表される。ａｅｘｐ（ｉφｊ）は１つのペアの確率振幅（複素数）で、ａが振幅部（実数）、φｊが位相である。光パラメトリック過程の性質より、φｊはポンプ光の位相に等しい。
【００２５】
発生した光子は、伝送路２３ａ、２３ｂを通って受信機Ａ、受信機Ｂに達する。受信機入力段階での状態は、
【００２６】
【数２】
2006179982.tif 000004
【００２７】
と記述される。ここで、｜Ａｉｎ＞ｊは時刻ｔ０ｊに発生したシグナル光子が受信機Ａに入力される状態、｜Ｂｉｎ＞ｊは時刻ｔ０ｊに発生したアイドラー光子が受信機Ｂに入力される状態を表す。各状態には、光子対発生器２０から受信機Ａ（２５ａ）までの伝播位相φａ、光子対発生器２０から受信機Ｂ（２５ｂ）までの伝播位相φｂが付加されている。なお簡単のため、伝播損は無視した。伝播損を考慮するには、係数ａを対応する値に置き換えればよい。また、以下の説明では、同時に発生した光子対の光子はそれぞれの受信機に同時に到着するものとして説明する。各受信機への光子の伝播時間が異なるには、受信機間で同期を取り、互いに対応する光子対の光子を認識できるように構成すればよい。
【００２８】
各状態は光分岐器により分岐され再び合波される。ひとつの光分岐器を透過することによる状態変化は、例えば受信機Ａに入力された１光子状態が光分岐器Ｃ１ａにより分岐される場合、
【００２９】
【数３】
2006179982.tif 000005
【００３０】
と表される。ここで、｜ＡＳ＞は受信機Ａ内の短経路ＡＳに１光子が出力される状態、｜ＡＬ＞は受信機Ａ内の長経路ＡＬに１光子が出力される状態である。他の光分岐器についても同様に表される。
【００３１】
また、経路伝播に際しては、各状態に伝播位相θが付加される。ここで、遅延経路上には位相変調器が備えられているので、遅延経路の伝播位相はパルス毎に変調されている。伝播位相に加え、遅延手段によるパルスの時間シフトを考慮して、各状態の変化を逐次記述していくと、光分岐器Ｃ２ａ、Ｃ２ｂの出力端における状態を次のように表わすことができる。
【００３２】
【数４】
2006179982.tif 000006
【００３３】
ここで、｜Ａ１，ｔ＞、｜Ａ２，ｔ＞、｜Ｂ１，ｔ＞、｜Ｂ２，ｔ＞はそれぞれ時刻ｔに１光子が光子検出部Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２へ出力される状態を表す。なお、ｔ＝ｔｊは時刻ｔ０ｊに発生した光子が短経路を経て光子検出器に到達した時刻とする。
【００３４】
上式の導出にあたっては、長経路の遅延時間はパルス間隔と等しいことより、時刻ｔ０ｊに発生した光子が長経路を経て光子検出器に到達した時刻は、時刻ｔ０（ｊ＋１）に発生した光子が短経路を経て光子検出器に到達した時刻ｔｊ＋１に等しいという関係を適用した。また、θａｊは受信機Ａ内の長経路ＡＬにおける伝播位相、θｂｊは受信機Ｂ内の長経路ＢＬにおける伝播位相であり、短経路ＢＳ、ＡＳにおける伝播位相は０とした。長経路の伝播位相は位相変調器によりパルス毎に変調されているので、添え字ｊを付けてある。式（４）の中括弧の第１項および第４項は、時刻ｔｊに受信機Ａ、Ｂがともに光子を検出する状態、第２項は時刻ｔｊに受信機Ａが、時刻ｔｊ＋１に受信機Ｂが光子を検出する状態、第３項は時刻ｔｊに受信機Ａが、時刻ｔｊ−１に受信機Ｂが光子を検出する状態を表している。
【００３５】
ここで、受信機Ａ、Ｂが同時刻に光子を検出する事象、すなわち第１項と第４項の状態に着目する。これらの項を抜き出して式を整理すると、式（５）が得られる。
【００３６】
【数５】
2006179982.tif 000007
【００３７】
式（５）の導出にあたっては、光子対発生器２０内のポンプ光のコヒーレント時間はパルス時間間隔より充分長いという設定に基づき、φｊ−１＝φｊという関係を用いた。
【００３８】
図２の構成において、遅延経路上の位相変調器２６ａ、２６ｂはそれぞれ、各パルスに対して０またはπ／２の位相変調を加えている。これに伴い、θａｊ＋θｂｊは、次の表１にしたがって０、π／２またはπという値をとる。
【００３９】
【表１】
2006179982.tif 000008
【００４０】
各位相変調状態について、式（５）は次のようになる。
θａｊ＋θｂｊ＝０の場合：
【００４１】
【数６】
2006179982.tif 000009
【００４２】
θａｊ＋θｂｊ＝π／２の場合：
【００４３】
【数７】
2006179982.tif 000010
【００４４】
θａｊ＋θｂｊ＝πの場合：
【００４５】
【数８】
2006179982.tif 000011
【００４６】
式（６ａ）は、θａｊ＋θｂｊ＝０の場合、光子検出器Ａ１による光子検出と光子検出器Ｂ１による光子検出、または光子検出器Ａ２による光子検出と光子検出器Ｂ２による光子検出は必ず対になっていることを示している。式（６ｃ）は、θａｊ＋θｂｊ＝πの場合、光子検出器Ａ１による光子検出と光子検出器Ｂ２による光子検出、または光子検出器Ａ２による光子検出と光子検出器Ｂ１による光子検出は必ず対になっていることを示している。θａｊ＋θｂｊ＝π／２の場合には、式（６ｂ）より、そのような特定の関係はないことがわかる。
【００４７】
この光子検出事象を利用して、受信機Ａおよび受信機Ｂは、図３に示す手順により共通の秘密鍵を生成する。先ず、受信機Ａ（２５ａ）および受信機Ｂ（２５ｂ）は、光子対発生器２０から必要な数の光子を受信し、それぞれ光子検出時刻と、位相変調器２６ａ、２６ｂによる変調位相と、２つの光子検出器Ａ１およびＡ２、光子検出器Ｂ１およびＢ２のどちらで光子を検出したかを記録する（ステップ３１０）。次に、受信機Ａおよび受信機Ｂは、情報交換装置２８ａ、２８ｂにより光子検出時刻と変調位相について互いのデータを交換する（ステップ３１２）。次に、受信機Ａ、受信機Ｂは同じ時刻に光子を検出した事象について、各光子検出時のθａ＋θｂの値に応じて（ステップ３１４）、次のようにビットを生成する。
【００４８】
θａ＋θｂ＝０の場合、光子検出器Ａ１、Ｂ１での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ２、Ｂ２での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ３１６）。また、θａ＋θｂ＝πの場合、光子検出器Ａ１、Ｂ２での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ２、Ｂ１での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ３１８）。θａ＋θｂ＝π／２の場合は、何もしない（ステップ３２０）。
【００４９】
両者が同じ時刻に光子検出した場合、光子検出する光子検出器には変調位相に応じて前述のような相関関係が成り立っている。したがって、上記手順により受信機Ａ、Ｂは同じビット列を生成することになる。上記のビット生成過程において、受信機Ａと受信機Ｂとの間で通信回線２９を介して交わされるのは検出時刻および変調位相だけであり、どちらの光子検出器で検出したかの情報は外部に知られ得ない。そのため、このビット列を受信機間の秘密鍵とすることができる。
【００５０】
一般に、信号伝送システムの伝送距離は、送信パワーと最小受信感度の差で決まる。本発明における光子対発生器２０の光子対発生効率と従来技術（図１）における送信機１０の光子送信効率が同じであるとすると、光子対発生器から受信機までの伝送距離は、従来技術のそれと同じになる。光子対発生器を受信機Ａ、Ｂの中間点に置くと、受信機Ａと受信機Ｂとの間の距離は、従来技術の送信機と受信機との間の距離の２倍となる。すなわち、本実施例により、秘密鍵を共有する受信機間の距離を従来よりも長くすることができる。また、本実施例では、受信機における１つのタイムスロットでビットの判定が行われるので、単位時間当たりのビット伝送効率が良いという利点がある。
【００５１】
（実施例２）
図２の実施例１では、受信機において、分岐器および合波器間の遅延経路（長経路）上に位相変調器が備えられていた。そして、位相変調器のない短経路の伝播位相は一定である必要があった。しかしながら、光ファイバなどの通常の光伝播経路では、微小な温度変化や圧力変化のために伝播位相を一定に保つことが困難な場合が多い。この問題に対処するためには、分岐器および合波器を光導波路基板上に形成することが有効である。特に、ある長さの遅延経路を含む光回路の形成にはガラス導波路が有効である。ところが一般に、高速の位相変調器はＬｉＮｂＯ３などの誘電体結晶でできており、このような素子をガラス導波路上に集積化するのは難しい。そのため、本発明の第２の実施例では、位相変調器を分岐器の前段に配置するよう構成している。
【００５２】
図４に、本発明の第２の実施例に係る量子暗号通信装置の構成を示す。図２と比較すると、図４の受信機Ａ（４５ａ）、受信機Ｂ（４５ｂ）では位相変調器２６ａ、２６ｂが分岐器Ｃ１ａ、Ｃ１ｂおよび合波器Ｃ２ａ、Ｃ２ｂの間ではなく、分岐器Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの前段にあることがわかる。位相変調器２６ａ、２６ｂは、第１の実施例と同様に、各パルスを０またはπ／２で無作為に位相変調するものとする。光子対発生器２０による量子相関性を有する光子対の発生および光伝送路２３ａ、２３ｂによるシグナル光子列およびアイドラー光子列の伝播も第１実施例と同様であるが、位相変調器２６ａ、２６ｂの位置の違いに伴い、受信機Ａ（４５ａ）および受信機Ｂ（４５ｂ）における各パルスの位相変調の受け方が異なる。
【００５３】
第１実施例と同様の記述法を用いると、２つの受信機Ａ、Ｂが同時に光子を検出する状態は、次のように書き表される。
【００５４】
【数９】
2006179982.tif 000012
【００５５】
ここで、θａｊは時刻ｔ０ｊに発生したシグナル光子が受信機Ａの位相変調器２６ａで受ける変調位相、θｂｊは時刻ｔ０ｊに発生したアイドラー光子が受信機Ｂの位相変調器２６ｂで受ける変調位相であり、その他の表記は第１の実施例の場合と同様である。
【００５６】
式（７）は、さらに次のように書き直すことができる。
【００５７】
【数１０】
2006179982.tif 000013
【００５８】
ここで、Δθａｊ＝θａ（ｊ−１）−θａｊ、Δθｂｊ＝θｂ（ｊ−１）−θｂｊとおいた。
【００５９】
各位相変調器は、パルス毎に０またはπ／２で位相変調を加えているので、ΔθａｊおよびΔθｂｊは、０または±π／２となる。したがって、Δθａｊ＋Δθｂｊは、次表にしたがって０または±π／２または±πという値をとる。
【００６０】
【表２】
2006179982.tif 000014
【００６１】
各変調位相について、式（８）は次のようになる。
Δθａｊ＋Δθｂｊ＝０の場合：
【００６２】
【数１１】
2006179982.tif 000015
【００６３】
Δθａｊ＋Δθｂｊ＝±πの場合：
【００６４】
【数１２】
2006179982.tif 000016
【００６５】
Δθａｊ＋Δθｂｊ＝−π／２の場合：
【００６６】
【数１３】
2006179982.tif 000017
【００６７】
Δθａｊ＋Δθｂｊ＝π／２の場合：
【００６８】
【数１４】
2006179982.tif 000018
【００６９】
式（９ａ）は、Δθａｊ＋Δθｂｊ＝０の場合、光子検出器Ａ１による光子検出と光子検出器Ｂ１による光子検出、または光子検出器Ａ２による光子検出と光子検出器Ｂ２による光子検出は必ず対になっていることを示している。式（９ｂ）は、Δθａｊ＋Δθｂｊ＝±πの場合、光子検出器Ａ１による光子検出と光子検出器Ｂ２による光子検出、または光子検出器Ａ２による光子検出と光子検出器Ｂ１による光子検出は必ず対になっていることを示している。Δθａｊ＋Δθｂｊ＝±π／２の場合には、式（９ｃ）および（９ｄ）より、そのような特定の関係はないことがわかる。
【００７０】
この光子検出事象を利用して、受信機Ａおよび受信機Ｂは、図５に示す手順により共通の秘密鍵を生成する。先ず、受信機Ａ（４５ａ）および受信機Ｂ（４５ｂ）は、光子対発生器２０から必要な数の光子を受信し、それぞれ光子検出時刻と、位相変調器２６ａ、２６ｂによる変調位相と、２つの光子検出器Ａ１およびＡ２、光子検出器Ｂ１およびＢ２のどちらで検出したかを記録する（ステップ５１０）。次に、受信機Ａおよび受信機Ｂは、情報交換装置２８ａ、２８ｂにより光子検出時刻と変調位相について互いのデータを交換する（ステップ５１２）。次に、受信機Ａ、受信機Ｂは同じ時刻に光子を検出した事象について、各光子検出時のΔθａ＋Δθｂの値に応じて（ステップ５１４）、次のようにビットを生成する。
【００７１】
Δθａ＋Δθｂ＝０の場合、光子検出器Ａ１、Ｂ１での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ２、Ｂ２での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ５１６）。また、Δθａ＋Δθｂ＝±πの場合、光子検出器Ａ１、Ｂ２での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ２、Ｂ１での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ５１８）。Δθａ＋Δθｂ＝±π／２の場合は、何もしない（ステップ５２０）。
【００７２】
両者が同じ時刻に光子検出した場合、光子検出する光子検出器には変調位相に応じて前述のような相関関係が成り立っている。したがって、上記手順により受信機Ａ、Ｂは同じビット列を生成することになる。上記のビット生成過程において、受信機Ａと受信機Ｂとの間で通信回線２９を介して交わされるのは検出時刻および変調位相だけであり、どちらの光子検出器で検出したかの情報は外部に知られ得ない。そのため、このビット列を受信機間の秘密鍵とすることができる。
【００７３】
（実施例３）
第１および第２実施例では、位相変調器が用いられていた。一般に、位相変調器には損失が伴い、また偏波依存性が存在する。システム応用上、これらは好ましくない場合がある。そこで、本発明の第３の実施例では、位相変調器を使わずに構成されている。
【００７４】
図４に、本発明の第３の実施例に係る量子暗号通信装置の構成を示す。図４に示すように、受信機Ａ（６５ａ）および受信機Ｂ（６５ｂ）はそれぞれ、光を第１の経路と第２の経路に分岐する第１の光分岐器Ｃ１０ａ、Ｃ１０ｂと、各経路をさらに分岐する２つの光分岐器Ｃ１１ａおよびＣ２１ａ、Ｃ１１ｂおよびＣ２１ｂと、各経路で分岐した経路を合波する２つの光合波器Ｃ１２ａおよびＣ２２ａ、Ｃ１２ｂおよびＣ２２ｂと、各経路で合波した光を検出する２組の光子検出器Ａ１１およびＡ１２、Ｂ１１およびＢ１２と、Ａ２１およびＡ２２、Ｂ２１およびＢ２２とを備えている。第２の光分岐器により分岐した一方の経路のそれぞれには、光を遅延する光遅延手段（光遅延線）６２ａおよび６４ａ、６２ｂおよび６４ｂが備えられている。ここで、分岐器および合波器間の各短経路の伝播位相は０、長経路（遅延経路）の伝搬位相はそれぞれ、θａ１、θａ２、θｂ１、θｂ２で一定として図示している。
【００７５】
光子対発生器２０による量子相関性を有する光子対の発生および光伝送路２３ａ、２３ｂによるシグナル光子列およびアイドラー光子列の伝播は、前実施例と同様である。伝送されたパルスは、受信機Ａ、Ｂにおいて光分岐器Ｃ１０ａ、Ｃ１０ｂで第１の経路と第２の経路とに分岐される。分岐したパルスは、それぞれ光分岐器Ｃ１１ａおよびＣ２１ａ、Ｃ１１ｂおよびＣ２１ｂでさらに分岐され、それぞれ一方の経路で遅延手段６２ａおよび６４ａ、６２ｂおよび６４ｂと、伝播位相θａ１およびθａ２、θｂ１およびθｂ２とによる影響を受けて、２つの光合波器Ｃ１２ａおよびＣ２２ａ、Ｃ１２ｂおよびＣ２２ｂでそれぞれ合波され、２組の光子検出器Ａ１１およびＡ１２、Ｂ１１およびＢ１２と、Ａ２１およびＡ２２、Ｂ２１およびＢ２２とでそれぞれ光子検出される。
【００７６】
この構成における光子検出器段階での光子状態を、前実施例と同様の記述法で書き表すと、次のようになる。
【００７７】
【数１５】
2006179982.tif 000019
【００７８】
ただし、前実施例と同様に、受信機Ａ、Ｂで同時光子検出する状態のみを書き出してある。
【００７９】
ここで、θａ１＝θｂ１＝０、θａ２＝θｂ２＝π／２とすると、式（１０）は次のようになる。
【００８０】
【数１６】
2006179982.tif 000020
【００８１】
この式は、同時検出が起こる光子検出器の組み合わせとそうでない組み合わせがあることを示している。表にまとめると、次のようになる。
【００８２】
【表３】
2006179982.tif 000021
【００８３】
この表では、同時検出確率が｜ａ／４｜２である組み合わせを○、｜ａ（１＋ｉ）／８｜２または｜ａ（１−ｉ）／８｜２である組み合わせを△、０である組み合わせを×で表している。これを見ると、受信機Ａ、Ｂともに第１の経路（θａ１＝θｂ１＝０である経路）の出力端で光子検出した場合には、光子検出器Ａ１１による光子検出と光子検出器Ｂ１１による光子検出、または光子検出器Ａ１２による光子検出と光子検出器Ｂ１２による光子検出は必ず対になっていることがわかる。また、受信機Ａ、Ｂともに第２の経路（θａ２＝θｂ２＝π／２である経路）の出力端で光子検出した場合には、光子検出器Ａ２１による光子検出と光子検出器Ｂ２２による光子検出、または光子検出器Ａ２２による光子検出と光子検出器Ｂ２１による光子検出は必ず対になっていることがわかる。その他の場合には、そのような特定の関係はないことがわかる。
【００８４】
この光子検出事象を利用して、受信機Ａおよび受信機Ｂは、図７に示す手順により共通の秘密鍵を生成する。先ず、受信機Ａ（６５ａ）および受信機Ｂ（６５ｂ）は、光子対発生器２０から必要な数だけ光子を受信し、それぞれ光子検出時刻と、第１の経路および第２の経路のどちらの経路で検出したかと、どの光子検出器で検出したかを記録する（ステップ７１０）。次に、受信機Ａおよび受信機Ｂは、情報交換装置２８ａ、２８ｂにより光子検出時刻と、第１の経路および第２の経路のどちらの経路で検出したかについて互いのデータを交換する（ステップ７１２）。次に、受信機Ａ、受信機Ｂは、同じ時刻に光子を検出した事象について、各光子検出時の経路に応じて（ステップ７１４）、次の取り決めに従ってビットを生成する。
【００８５】
受信機Ａ、受信機Ｂが共に第１の経路の場合、光子検出器Ａ１１、Ｂ１１での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ１２、Ｂ１２での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ７１６）。また、受信機Ａ、受信機Ｂが共に第２の経路の場合、光子検出器Ａ２１、Ｂ２２での光子検出にはビット「０」を、光子検出器Ａ２２、Ｂ２１での光子検出にはビット「１」を割り当てる（ステップ７１８）。その他の場合は、何もしない（ステップ７２０）。
【００８６】
両者が同じ時刻に光子検出した場合、光子検出する光子検出器には経路に応じて前述のような相関関係が成り立っている。したがって、上記手順により受信機Ａ、Ｂは同じビット列を生成することになる。上記ビット生成過程において、受信機Ａと受信機Ｂとの間で通信回線２９を介して交わされるのは検出時刻およびどちらの経路で光子検出したかだけであり、どの光子検出器で検出したかの情報は外部に知られ得ない。そのため、このビット列を受信機間の秘密鍵とすることができる。
【００８７】
以上、本発明について、いくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、図２の位相変調器２６ａ、２６ｂおよび図６の伝播位相θａ１、θａ２、θｂ１、θｂ２は、遅延経路（長経路）の方に挿入されているが、短経路の方に挿入する構成としても良い。このように、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来の量子暗号通信装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る量子暗号通信装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る量子暗号通信装置において共通のビット列を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例に係る量子暗号通信装置を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る量子暗号通信装置において共通のビット列を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３の実施例に係る量子暗号通信装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る量子暗号通信装置において共通のビット列を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１、２  光子検出器
１０  送信機
１３  伝送路
１４  光遅延回路
１５  受信機
２０  光子対発生器
２１  ポンプ光源
２２  光非線形媒質
２３ａ、２３ｂ  光伝送路
２４ａ、２４ｂ  光遅延手段
２５ａ  受信機Ａ
２５ｂ  受信機Ｂ
２６ａ、２６ｂ  位相変調器
２８ａ、２８ｂ  情報交換装置
２９  通信回線
４５ａ  受信機Ａ
４５ｂ  受信機Ｂ
６５ａ  受信機Ａ
６５ｂ  受信機Ｂ
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ  光遅延手段
６５ａ  受信機Ａ
６５ｂ  受信機Ｂ
６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂ  伝搬位相
Ａ１、Ａ２、Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２  光子検出器
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、Ｂ２２  光子検出器
Ｃ１、Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１１ａ、Ｃ１１ｂ、Ｃ２１ａ、Ｃ２１ｂ  光分岐器
Ｃ１０ａ、Ｃ１０ｂ  光分岐器
Ｃ２、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ１２ａ、Ｃ１２ｂ、Ｃ２２ａ、Ｃ２２ｂ  光合波器
【図１】
2006179982.tif 000022
【図２】
2006179982.tif 000023
【図３】
2006179982.tif 000024
【図４】
2006179982.tif 000025
【図５】
2006179982.tif 000026
【図６】
2006179982.tif 000027
【図７】
2006179982.tif 000028