(57)【要約】【課題】  なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上した光検出方法、光検出装置および量子暗号通信システムを提供すること。【解決手段】  光伝送路３０４にて受信機３０に入力された光パルス列を光分岐手段３１にて分岐し、分岐された光パルス列の一方を、分岐された光パルス列の他方に対して２パルス分遅延させる。遅延が施された一方の光パルス列と、他方の光パルス列とを光合波器３２にて合波する。光合波器３２からの２つの出力は、それぞれ光分岐手段３３、３５に入力され、それぞれで２経路に分岐され、分岐された一方の光パルス列を、他方の光パルス列に対して１パルス分遅延させる。次いで、１パルス分の遅延が施された光パルス列と、遅延されない光パルス列とを光合波器３６、３８で合波し、その出力を光子検出器３７〜４０にて検出する。【選択図】  図３
2006060619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐する第１の分岐工程と、
前記第１の経路に分岐された光パルス列を、前記第２の経路に分岐された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第１の遅延工程と、
前記第１の経路に分岐され２パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第２の経路に分岐された光パルス列とを合波する第１の合波工程と、
該合波した光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐する第２の分岐工程と、
前記第３の経路および第４の経路に分岐された光パルス列それぞれを別個に、２経路に分岐する第３の分岐工程と、
該第３の分岐工程にて分岐された一方の光パルス列を、前記第３の分岐工程にて分岐された他方の光パルス列に対して１パルス分遅延させる第２の遅延工程と、
前記第３の分岐工程にて分岐された一方の光パルスであって前記１パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記他方の光パルス列とを合波する第２の合波工程と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐する第４の分岐工程と、
該第４の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程と
を有することを特徴とする光検出方法。
【請求項２】
入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐する第１の分岐工程と、
前記第１の経路に分岐された光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐し、かつ前記第２の経路に分岐された光パルス列を第５の経路および第６の経路に分岐する第２の分岐工程と、
前記第３の経路に分岐された光パルス列を、前記第４の経路に分岐された光パルス列に対して１パルス分遅延させ、かつ前記第５の経路に分岐された光パルス列を、前記第６の経路に分岐された光パルス列に対して２パルス分遅延させる遅延工程と、
前記第３の経路に分岐され１パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第４の経路に分岐された光パルス列とを合波し、かつ前記第５の経路に分岐され２パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第６の経路に分岐された光パルス列とを合波する合波工程と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐する第３の分岐工程と、
該第３の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程と
を有することを特徴とする光検出方法。
【請求項３】
入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列をＮ分岐（Ｎ≧２）する第１の分岐工程と、
該第１の分岐工程にてＮ分岐されたそれぞれの光パルス列を２経路に分岐する第２の分岐工程と、
前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて該第２の分岐工程にて２経路に分岐された光パルス列の一方を、該２経路に分岐された光パルス列の他方に対して所定のパルス分の遅延を施す工程であって、前記Ｎ分岐された光パルス列のｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ）の光パルス列では、前記２経路に分岐された光パルス列の一方を該光パルス列の他方に対してｋパルス分遅延させる遅延工程と、
前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて第２の分岐工程で２経路に分岐された光パルス列のうち、前記所定のパルス分の遅延が施された一方のパルス列と、前記他方のパルス列とを合波する工程であって、該合波をＮ分岐された光パルス列それぞれについて行う合波工程と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐する第３の分岐工程と、
該第３の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程と
を有することを特徴とする光検出方法。
【請求項４】
前記位相変調は、０またはπで無作為に行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光子検出方法。
【請求項５】
入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐して第１の出力端子および第２の出力端子より出力する第１の分岐手段と、
前記第１の出力端子より出力された光パルス列を、前記第２の出力端子より出力された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第１の遅延手段と、
前記２パルス分遅延された光パルス列が入力される第１の入力端子と、前記第２の出力端子より出力された光パルス列が入力される第２の入力端子とを有し、前記第１および第２の入力端子から入力された光パルス列を合波する第１の合波手段と、
該合波した光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐して第３の出力端子および第４の出力端子より出力する第２の分岐手段と、
前記第３の経路および第４の経路に別個に接続され、前記第２の分岐手段から入力された光パルス列を２経路に分岐して第５の出力端子および第６の出力端子より出力する第３の分岐手段と、
前記第５の出力端子より出力された光パルス列を、前記第６の出力端子より出力された光パルス列に対して１パルス分遅延させる第２の遅延手段と、
前記１パルス分遅延された光パルス列が入力される第３の入力端子と、前記第６の出力端子より出力された光パルス列が入力される第４の入力端子とを有し、前記第３および第４の入力端子から入力された光パルス列を合波する第２の合波手段と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐して第７の出力端子および第８の出力端子より出力する第４の分岐手段と
前記第７の出力端子および第８の出力端子に別個に接続され、前記第４の分岐手段により分岐された光パルス列を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項６】
入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐して第１の出力端子および第２の出力端子より出力する第１の分岐手段と、
前記第１の出力端子より出力された光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐して第３の出力端子および第４の出力端子より出力する第２の分岐手段と、
前記第３の出力端子より出力された光パルス列を、前記第４の出力端子より出力された光パルス列に対して１パルス分遅延させる第１の遅延手段と、
前記１パルス分遅延された光パルス列が入力される第１の入力端子と、前記第４の出力端子より出力された光パルス列が入力される第２の入力端子とを有し、前記第１および第２の入力端子から入力された光パルス列を合波する第１の合波手段と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐して第５の出力端子および第６の出力端子より出力する第３の分岐手段と、
前記第２の出力端子より出力された光パルス列を第５の経路および第６の経路に分岐して第７の出力端子および第８の出力端子より出力する第４の分岐手段と、
前記第７の出力端子より出力された光パルス列を、前記第８の出力端子より出力された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第２の遅延手段と、
前記２パルス分遅延された光パルス列が入力される第３の入力端子と、前記第８の出力端子より出力された光パルス列が入力される第４の入力端子とを有し、前記第３および第４の入力端子から入力された光パルス列を合波する第２の合波手段と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐して第９の出力端子および第１０の出力端子より出力する第５の分岐手段と、
前記前記第５の出力端子、第６の出力端子、第９の出力端子および第１０の出力端子にそれぞれ別個に接続され、前記第３および第５の分岐手段により分岐された光パルス列を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項７】
Ｎ個の出力端子を有し、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列をＮ分岐（Ｎ≧２）して前記Ｎ個の出力端子より出力する第１の分岐手段と、
該第１の分岐手段のＮ個の出力端子にそれぞれ接続された、前記第１の分岐手段の出力端子より出力された光パルス列を２経路に分岐して対応する２つの出力端子より出力するＮ個の第２の分岐手段と、
前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて該第２の分岐手段にて２経路に分岐された光パルス列の一方を、該２経路に分岐された光パルス列の他方に対して所定のパルス分の遅延を施す手段であって、前記Ｎ分岐された光パルス列のｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ）の光パルス列では、前記２経路に分岐された光パルス列の一方を該光パルス列の他方に対してｋパルス分遅延させる遅延手段と、
前記第２の分岐手段の対応する２つ出力端子から出力された光パルスのうち、前記所定のパルス分の遅延が施された一方のパルス列が入力される第１の対応する入力端子と、前記他方のパルス列が入力される第２の対応する入力端子とを有し、前記対応する２つの出力端子から入力された光パルス列を合波する手段であって、前記Ｎ個の第２の分岐手段と対になるように前記第２の分岐手段に接続されるＮ個の合波手段と、
該合波した光パルス列を２経路に分岐して対応する出力端子より出力する第３の分岐手段と、
前記対応する出力端子に接続され、前記第３の分岐手段にて分岐された光パルス列を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項８】
前記位相変調は、０またはπで無作為に行われることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の光子検出装置。
【請求項９】
データを暗号化し、複合化するための秘密鍵を供給する量子暗号通信システムにおいて、
請求項５乃至７のいずれかに記載の光検出装置と、
該光検出装置に伝送路を介して前記位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を前記光検出装置へ送信する送信機とを備え、
前記送信機は、
コヒーレンス時間がパルス間隔より長い一定時間間隔の光パルス列を発生する発生手段と、
前記発生手段により発生された各パルスの位相を変調する変調手段と、
前記変調手段により位相変調された光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで前記伝送路に送出する送出手段と
を備えることを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項１０】
前記変調手段は、前記各パルスを０またはπで無作為に位相を変調することを特徴とする請求項９記載の量子暗号通信システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近年、光子1個レベルの光を用いることにより、数式を用いた暗号方式とは異なる方式である、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。量子暗号は、離れた地点に存在する２者間で暗号通信を行うための秘密鍵を供給するシステムで、量子鍵配送とも呼ばれている。量子鍵配送にも各種方式があるが、ここでは従来技術として、差動位相シフト量子鍵配送方式（非特許文献１参照）について説明する。
【０００２】
図1は、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図である。送信機１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光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として送出する。平均光子数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、という検出結果となる。どのパルスで光子が検出されるかはまったくの確率的で、測定するまで不確定である。
【０００３】
このように、送信機１より送出されたパルス列は、伝送路７を経て受信機２に到達する。受信機２は、光分岐手段３にて受信パルス列を２つに分岐し、一方のパルス列に遅延を加えたのち、２×２の合波カップラー４により再び合波する。合波カップラー４の２つの出力端子には、それぞれ光子検出器１、２が備えられている。この分岐・合波回路で一方に与える遅延時間は、入力されるパルス列の時間間隔に等しいものとする。すると合波カップラー４では、遅延時間に応じて、前後のパルスが重なり合って合波される。入カパルス列は０またはπで位相変調されている。従って、分岐・合波経路の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。合波の結果、両者は干渉し、位相差が０なら検出器５が、位相差πなら検出器６が、光子を検出することになる。
【０００４】
以上の構成を用いて、送信機１と受信機２とは以下の手順により秘密鍵を得る。まず受信機２は、上記受信構成により送信機１より送出され伝送路７を経た光子を検出する。この時、検出した時刻と検出器を、不図示のデータベース等の第１の記憶手段に記録する。必要な数だけ光子が送受信された後、受信機２は送信機１に光子が検出された時刻である光子検出時刻を知らせる。送信機１は、知らされた光子検出時刻と不図示の第２の記憶手段に格納された位相変調データとから、受信機２がどちらの検出器で光子を検出したかを知ることができる。そこで、検出器５をビット「０」、検出器６をビット「１」と取り決めておけば、送信者と受信者とは同じビット列を得ることができる。
【０００５】
上記手順において、受信機２から送信機１へ、すなわち受信者から送信者へ通知されるのは光子検出時刻のみで、ビット情報は外部には出されない。したがって、これからビット情報が盗聴されることはない。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、光子が２分割されることはないので、盗聴者が分岐により光子検出すると、その光子は受信機１には届かず、送信者と受信者とは、同じビット列を得ることができないからである。
【０００６】
さらに高度な盗聴法としては、なりすまし法と呼ばれる方法がある。図２は従来技術に対するなりすまし盗聴の説明図である。なお、図２では、図１と同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。盗聴者２０は、伝送路７の途中で、送信機２１によって送出された伝送信号を受信機２と同様の構成で受信し、受信結果に基づいてダミー信号を本来の受信機２に光送信機２１にて送信する。盗聴者２０が伝送信号を正しく受信できれば、ダミー信号は元の送信信号と同一であり、受信機２に盗聴行為が気付かれないようにして情報を得ることができる。
【０００７】
しかしながら、差動位相シフト量子鍵配送システムにおいては、送信信号はパルス当り平均1光子未満、例えば０．１光子／パルス、のパルス列である。このような信号を受信すると、１０パルスに１回しか光子は検出されない。したがって盗聴者２０は、光子検出時刻に対応する２パルスの位相差は分かるが、それ以外の位相差は検出できない。このような検出結果に基づいてダミー信号を送ろうとすると、位相差を検出できなかったパルスについては、（なりすまし盗聴１）当て推量で選んだ位相を割り振って再送するか、（なりすまし盗聴２）何も信号を出さないか、のいずれかの方法を採るしかない。
【０００８】
前者を採用すると、当て推量で選んだ位相差を受信機２が検出した場合、送信機１が送ったものと異なるものとなる。後者を採用したとしても、やはり送受信信号の不一致が生じる。その理由は、この場合に盗聴者２０が送るのは孤立した連続２パルスだからである。孤立した２パルスを受信機２が受信すると、分岐・合波回路出力段（光分岐手段３および合波カップラー４）では３つの時刻で光子が検出され得る（図２参照）。
【０００９】
図２において、光分岐手段３にて分岐されたパルス列のうち、符号２２が遅延されないパルス列を、符号２３が遅延されたパルス列をそれぞれ示す。光子が、パルス列２２とパルス列２３とが重なる時刻のうちのまん中の時刻（第２の時刻とも呼ぶ）で検出された場合には、その検出結果は２パルスの位相差に従っており、送信者が意図した通りの検出器で光子が検出される。
【００１０】
ところが一方、パルス列２２とパルス列２３とが重なる時刻のうちの第２の時刻の前後である第１または第３の時刻で光子が検出される場合には、干渉する相手がおらず、光子は無作為に第１または第２の検出器で検出される。したがって、受信者が第１または第３の時刻での光子検出結果から秘密鍵ビットを得ると、そのビットは送信者が意図したものとは異なるものになる。
【００１１】
このように、なりすまし盗聴が行われると送受信機間でビットの不一致が生じる。そこで、送受信機は通常の手順に従って秘密鍵を得た後、いくつかのテストビットについて答え合わせをする。システムが正常に動作していれば両者のビット情報は一致するが、なりすまし盗聴があれば一致しないビットが出てくる。不一致ビットがある場合、システムは正常でないと判断し、その秘密鍵を廃棄する。言い方を変えると、テストビットが一致していれば盗聴行為はなかったと判断することができ、その秘密鍵は安全であることが保証される。
【００１２】
【非特許文献１】K.Inoue, E.Waks, Y.Yamamoto, 「Differential-phase-shift quantum key distribution using coherent light」,２００３年,Physical Review A, vol.68, paper number 022317
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上から明らかなように、量子鍵配送システムに求められる性能として、なりすまし盗聴の発見しやすさが挙げられる。差動位相シフト量子鍵配送システムにおいて、なりすまし盗聴が行われると、上述の原理により送受信機間にビット不一致が生じ、これより盗聴行為が発覚するが、全てのビットが不一致となるわけではない。
【００１４】
例えば、当て推量でダミーパルス列を送る場合（なりすまし盗聴１）、受信機が光子検出したパルスが、たまたま盗聴者が実際に光子検出したものであればビット不一致は生じない。また、孤立２パルスを送る場合（なりすまし盗聴２）、受信機が第２の時刻で光子を検出すればビット不一致とはならない。ビット不一致率が高い方が盗聴検知能力は高くなり、より安全度の高い量子暗号システムということができる。
【００１５】
なりすまし盗聴１に対するビット不一致率は、平均光子数を少なくすれば高くすることができる。平均光子数が少ないと、盗聴者と受信機がたまたま同じパルスを光子検出する確率が小さくなる、すなわち正解率が小さくなるからである。一方、なりすまし盗聴２に対するビット不一致率は、平均光子数によらず一定で、受信機が第１または第３の時刻で光子検出する確率は１／２となる。そして、この光子検出から得られるビットが一致しない確率はさらにその１／２であることから、全体としてのビット不一致率は１／４となる。より安全度の高い量子暗号システムとしては、なりすまし盗聴によって生じるビット不一致の確率が高いことが望まれる。
【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上した光検出方法、光検出装置および量子暗号通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐する第１の分岐工程と、前記第１の経路に分岐された光パルス列を、前記第２の経路に分岐された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第１の遅延工程と、前記第１の経路に分岐され２パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第２の経路に分岐された光パルス列とを合波する第１の合波工程と、該合波した光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐する第２の分岐工程と、前記第３の経路および第４の経路に分岐された光パルス列それぞれを別個に、２経路に分岐する第３の分岐工程と、該第３の分岐工程にて分岐された一方の光パルス列を、前記第３の分岐工程にて分岐された他方の光パルス列に対して１パルス分遅延させる第２の遅延工程と、前記第３の分岐工程にて分岐された一方の光パルスであって前記１パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記他方の光パルス列とを合波する第２の合波工程と、該合波した光パルス列を２経路に分岐する第４の分岐工程と、該第４の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐する第１の分岐工程と、前記第１の経路に分岐された光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐し、かつ前記第２の経路に分岐された光パルス列を第５の経路および第６の経路に分岐する第２の分岐工程と、前記第３の経路に分岐された光パルス列を、前記第４の経路に分岐された光パルス列に対して１パルス分遅延させ、かつ前記第５の経路に分岐された光パルス列を、前記第６の経路に分岐された光パルス列に対して２パルス分遅延させる遅延工程と、前記第３の経路に分岐され１パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第４の経路に分岐された光パルス列とを合波し、かつ前記第５の経路に分岐され２パルス分の遅延が施された光パルス列と、前記第６の経路に分岐された光パルス列とを合波する合波工程と、該合波した光パルス列を２経路に分岐する第３の分岐工程と、該第３の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列をＮ分岐（Ｎ≧２）する第１の分岐工程と、該第１の分岐工程にてＮ分岐されたそれぞれの光パルス列を２経路に分岐する第２の分岐工程と、前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて該第２の分岐工程にて２経路に分岐された光パルス列の一方を、該２経路に分岐された光パルス列の他方に対して所定のパルス分の遅延を施す工程であって、前記Ｎ分岐された光パルス列のｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ）の光パルス列では、前記２経路に分岐された光パルス列の一方を該光パルス列の他方に対してｋパルス分遅延させる遅延工程と、前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて第２の分岐工程で２経路に分岐された光パルス列のうち、前記所定のパルス分の遅延が施された一方のパルス列と、前記他方のパルス列とを合波する工程であって、該合波をＮ分岐された光パルス列それぞれについて行う合波工程と、該合波した光パルス列を２経路に分岐する第３の分岐工程と、該第３の分岐工程にて分岐された光パルス列を検出する検出工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記位相変調は、０またはπで無作為に行われることを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の発明は、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐して第１の出力端子および第２の出力端子より出力する第１の分岐手段と、前記第１の出力端子より出力された光パルス列を、前記第２の出力端子より出力された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第１の遅延手段と、前記２パルス分遅延された光パルス列が入力される第１の入力端子と、前記第２の出力端子より出力された光パルス列が入力される第２の入力端子とを有し、前記第１および第２の入力端子から入力された光パルス列を合波する第１の合波手段と、該合波した光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐して第３の出力端子および第４の出力端子より出力する第２の分岐手段と、前記第３の経路および第４の経路に別個に接続され、前記第２の分岐手段から入力された光パルス列を２経路に分岐して第５の出力端子および第６の出力端子より出力する第３の分岐手段と、前記第５の出力端子より出力された光パルス列を、前記第６の出力端子より出力された光パルス列に対して１パルス分遅延させる第２の遅延手段と、前記１パルス分遅延された光パルス列が入力される第３の入力端子と、前記第６の出力端子より出力された光パルス列が入力される第４の入力端子とを有し、前記第３および第４の入力端子から入力された光パルス列を合波する第２の合波手段と、該合波した光パルス列を２経路に分岐して第７の出力端子および第８の出力端子より出力する第４の分岐手段と前記第７の出力端子および第８の出力端子に別個に接続され、前記第４の分岐手段により分岐された光パルス列を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の発明は、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を第１の経路および第２の経路に分岐して第１の出力端子および第２の出力端子より出力する第１の分岐手段と、前記第１の出力端子より出力された光パルス列を第３の経路および第４の経路に分岐して第３の出力端子および第４の出力端子より出力する第２の分岐手段と、前記第３の出力端子より出力された光パルス列を、前記第４の出力端子より出力された光パルス列に対して１パルス分遅延させる第１の遅延手段と、前記１パルス分遅延された光パルス列が入力される第１の入力端子と、前記第４の出力端子より出力された光パルス列が入力される第２の入力端子とを有し、前記第１および第２の入力端子から入力された光パルス列を合波する第１の合波手段と、該合波した光パルス列を２経路に分岐して第５の出力端子および第６の出力端子より出力する第３の分岐手段と、前記第２の出力端子より出力された光パルス列を第５の経路および第６の経路に分岐して第７の出力端子および第８の出力端子より出力する第４の分岐手段と、前記第７の出力端子より出力された光パルス列を、前記第８の出力端子より出力された光パルス列に対して２パルス分遅延させる第２の遅延手段と、前記２パルス分遅延された光パルス列が入力される第３の入力端子と、前記第８の出力端子より出力された光パルス列が入力される第４の入力端子とを有し、前記第３および第４の入力端子から入力された光パルス列を合波する第２の合波手段と、該合波した光パルス列を２経路に分岐して第９の出力端子および第１０の出力端子より出力する第５の分岐手段と、前記前記第５の出力端子、第６の出力端子、第９の出力端子および第１０の出力端子にそれぞれ別個に接続され、前記第３および第５の分岐手段により分岐された光パルス列を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項７記載の発明は、Ｎ個の出力端子を有し、入力された、位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列をＮ分岐（Ｎ≧２）して前記Ｎ個の出力端子より出力する第１の分岐手段と、該第１の分岐手段のＮ個の出力端子にそれぞれ接続された、前記第１の分岐手段の出力端子より出力された光パルス列を２経路に分岐して対応する２つの出力端子より出力するＮ個の第２の分岐手段と、前記Ｎ分岐された光パルス列のそれぞれについて該第２の分岐手段にて２経路に分岐された光パルス列の一方を、該２経路に分岐された光パルス列の他方に対して所定のパルス分の遅延を施す手段であって、前記Ｎ分岐された光パルス列のｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ）の光パルス列では、前記２経路に分岐された光パルス列の一方を該光パルス列の他方に対してｋパルス分遅延させる遅延手段と、前記第２の分岐手段の対応する２つ出力端子から出力された光パルスのうち、前記所定のパルス分の遅延が施された一方のパルス列が入力される第１の対応する入力端子と、前記他方のパルス列が入力される第２の対応する入力端子と有し、前記対応する２つの出力端子から入力された光パルス列を合波する手段であって、前記Ｎ個の第２の分岐手段と対になるように前記第２の分岐手段に接続されるＮ個の合波手段と、該合波した光パルス列を２経路に分岐して対応する出力端子より出力する第３の分岐手段と、前記対応する出力端子に接続され、前記第３の分岐手段にて分岐された光パルス列を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項５乃至７のいずれかに記載の発明において、前記位相変調は、０またはπで無作為に行われることを特徴とする。
【００２５】
請求項９記載の発明は、データを暗号化し、複合化するための秘密鍵を供給する量子暗号通信システムにおいて、請求項５乃至７のいずれかに記載の光検出装置と、該光検出装置に伝送路を介して前記位相変調されパルス当り平均１光子未満のパワーレベルである光パルス列を前記光検出装置へ送信する送信機とを備え、前記送信機は、コヒーレンス時間がパルス間隔より長い一定時間間隔の光パルス列を発生する発生手段と、前記発生手段により発生された各パルスの位相を変調する変調手段と、前記変調手段により位相変調された光パルス列をパルス当り平均１光子未満のパワーレベルで前記伝送路に送出する送出手段を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、前記変調手段は、前記各パルスを０またはπで無作為に位相を変調することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、なりすまし盗聴によるビット不一致率を向上することができ、なりすまし盗聴の発見効率を向上することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。本発明の一実施形態は、量子暗号通信において、送信機から送出されたパルス当り平均で１光子未満のパルス列に対して、光検出装置としての受信機中で少なくとも２つ以上のパルス列に分岐（第１の分岐）して、分岐されたそれぞれのパルス列に対してさらに２つのパルス列に分岐（第２の分岐）し、一方のパルス列には所定の遅延を施し、他方のパルス列には遅延を施さないようにする。この遅延処理を第１の分岐で分岐されたパルス列それぞれに施す。このようにして得られたパルス列を検出することにより、秘密鍵を獲得する。
【００２９】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３０】
（実施例１）  
図３は、本発明の実施例１に係る量子暗号通信システムの構成図である。  
図３において、送信機３００は、光源３０１、位相変調器３０２、減衰手段３０３、および送信機３００全体を制御する第１の制御部（不図示）を備え、この第１の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第１の記憶手段とを備え、送信機３００の各構成もこの制御部によって統合して制御される。減衰手段３０３は、例えば、ＮＤフィルタ等、レーザ光などの光源３０１から入射される光を大きく減衰させるための手段であればいずれのものを用いても良い。この送信機３００の構成は、従来技術と同様である。
【００３１】
光検出装置としての受信機３０は、光分岐手段３１および２×２の光合波器３２を含んで構成される、１段目の光分岐・合波回路と、光分岐手段３３および２×２の光合波器３４を含んで構成される、第１の２段目の光分岐・合波回路と、光分岐手段３５および２×２の光合波器３６を含んで構成される、第２の２段目の光分岐・合波回路と、光子検出器３７〜４０と、受信機３０全体を制御する第２の制御部（不図示）とを備えている。この第２の制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する第２の記憶手段とを備え、受信機３０の各構成もこの制御部によって統合して制御される。なお、光分岐手段は、例えば、ビームスプリッタ、方向性結合器、光カップラー等、入射された光を適切に分岐して出射できる手段であればいずれのものを用いても良い。
【００３２】
受信機３０において、光分岐手段３１の入射端は光伝送路３０４に接続され、２経路に分岐された出射端はそれぞれ、光合波器３２の２つの入射端に接続されている。このとき、１段目の光分岐・合波回路は、光分岐手段３１の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が２パルス分遅延するように構成されている。
【００３３】
光合波器３２の２つの出射端は、それぞれ第１および第２の２段目の光分岐・合波回路に接続されている。すなわち、光合波器３２の一方の出射端は、光分岐手段３３の入射端に接続されている。光分岐手段３３の２経路に分岐された出射端はそれぞれ、光合波器３４の２つの入射端に接続されている。このとき、第１の２段目の光分岐・合波回路は、光分岐手段３３の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が１パルス分遅延するように構成されている。一方、光合波器３２の他方の出射端は、光分岐手段３５の入射端に接続されており、第１の２段目の光分岐・合波回路と同様の構成で第２の２段目の光分岐・合波回路が構成されているので、ここではその説明は省略する。  
また、光合波器３４の２つの出射端にはそれぞれ、光子検出器３７、３８が、光合波器３６の２つの出射端にはそれぞれ、光子検出器３９、４０が接続されている。
【００３４】
図３において、送信機３００と受信機３０とは、光伝送路３０４を介して接続されている。なお、光伝送路３０４は、例えば、光ファイバなど、光を伝送できるものであればいずれのものを用いても良い。
【００３５】
上述のような構成で、送信機３００が、０またはπでランダムに位相変調した一定時間間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として送出する。光パルスのコヒーレンス時間は、パルス間隔Ｔより長いものとする。受信機３０は、光伝送路３０４を経て送信機３００より伝送されてきたパルス列を、カスケード状に接続された２段の光分岐・合波回路に入力する。1段目の光分岐・合波回路は、入カパルス列を光分岐手段３１にて２分岐し、一方に２Ｔの時間遅延を与えた後、２×２の光合波器３２により合波する。この光合波器３２からの２つの出力は、それぞれ２段目の光分岐・合波回路に入力される。２段目の光分岐・合波回路は、入カパルス列を光分岐手段（符号３３、３５）にて２分岐し、一方にＴの時間遅延を与えた後、２×２の光合波器（符号３４、３６）により合波する。合波された光パルス列は、光子検出器３７〜４０にてそれぞれ検出される。
【００３６】
このように受信回路を構成すると、各光子検出器において連続する４パルスが重なり合うことになる。すなわち、１段目長経路−２段目長経路を通った第１パルス、１段目長経路−２段目短経路を通った第２パルス、１段目短経路−２段目長経路を通った第３パルス、１段目短経路−２段目短経路を通った第４パルス、の４つが同時刻に光子検出器に到達する。なお、長経路とは、分岐された経路のうち、遅延が施される経路であり、短経路とは、遅延が施されない経路のことである。すると、４パルスは干渉を起こし、どの光子検出器が光子を検出するかは光子検出器段における各パルスの振幅の足し合わせにより与えられることになる。光子検出器段での各パルスの振幅の足し合わせは、一般的に数１のように表せる。
【００３７】
【数１】
2006060619.tif 000003
【００３８】
数１において、第１項〜第４項は、それぞれ各パルスの振幅を表し、θは、受信機への入力時の各パルスの位相、φは、光分岐・合波回路において各パルスに付加される位相を表わす。ａは比例定数で、各パルスの共通項はこれに含まれるものとする。実施例１において、光分岐・合波回路は、光カップラー及び伝播経路からなっているが、長経路と短経路との伝播位相差はどの回路についても０であるとする。光カップラーにおいては、透過光は０、反射光はπ／２の位相シフトを受ける。このような状態下では、各光子検出器におけるφは次のようになる。  
光子検出器３７：φ１＝φ４＝０、φ２＝φ３＝π
光子検出器３８：φ１＝φ２＝３π／２、φ３＝φ４＝π／２
光子検出器３９：φ１＝φ３＝３π／２、φ２＝φ４＝π／２
光子検出器４０：φ１＝φ２＝φ３＝φ４＝π
これより、各光子検出器における振幅（数１）は次のようになる。
【００３９】
【数２】
2006060619.tif 000004
【００４０】
ここで、Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４は、それぞれ光子検出器３７〜４０における振幅である。
【００４１】
送信機３００からは、各パルス位相が０またはπでランダムに変調された信号が送られている。連続４パルスについてみると、変調位相の組み合わせは１６通りある。各組み合わせについて、各光子検出器段の振幅（数２）は次の表１のようになる。
【００４２】
【表１】
2006060619.tif 000005
【００４３】
光子検出確率は振幅の絶対値二乗で与えられる。上記結果（表１）は、１６通りの位相組み合わせのうち、８通りについてはひとつの光子検出器のみで光子検出され、他の８通りについてはどの光子検出器でも同じ確率で光子が検出され得ることを示している。
【００４４】
以上の特性を利用して、以下の手順で秘密鍵を生成する。
ステップ１：送信機３００は、０またはπでランダムに位相変調したコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満（例えば、０．１光子／パルス〉として送信する。このとき位相変調に用いた位相変調データは第１の記憶手段に記録する。受信機３０は、光伝送路３０４を経て送信機３００より伝送されたパルス列から図３の構成の受信回路で光子検出し、光子が検出された時刻（光子検出時刻とも呼ぶ）とどの光子検出器が光子を検出したかを示す情報とを第２の記憶手段に記録する。
【００４５】
ステップ２：パルス列送受信後、受信者または受信機３０は第２の記憶手段に記録された光子検出時刻を、例えば電話回線、ＦＡＸ、電子メール等従来の通信手段を用いて、送信者または送信機３００に伝える。送信者に伝える場合は、送信者は、知らされた光子検出時刻を送信機３００に入力し、第１の記憶手段にその情報を記録する。
【００４６】
ステップ３：送信機３００は、位相変調データが記録されている第１の記憶手段を参照して、ステップ２にて知らされた光子検出時刻に対応する位相変調データを参照する。この位相変調データの参照は、例えば、以下のように行えば良い。
【００４７】
受信機３０が、ある光子検出時刻である時刻ｔ０に光子を検出する場合、この光子検出事象を起こすパルスは、時刻ｔ０−３Ｔに受信機３０に入力され１段目長経路−２段目長経路を通った第１パルス、時刻ｔ０−２Ｔに受信機３０に入力され１段目長経路−２段目短経路を通った第２パルス、時刻ｔ０−Ｔに受信機３０に入力され１段目短経路−２段目長経路を通った第３パルス、時刻ｔ０に受信機３０に入力され１段目短経路−２段目短経路を通った第４パルスの４パルスである。ただし、共通の時間項である短経路や２つの分岐・合波回路の接続経路の伝搬時間は無視する。パルスの光伝搬路３０４の伝播時間をＴ０とすると、上記第１〜第４パルスは、それぞれ、時刻ｔ０−３Ｔ−Ｔ０、時刻ｔ０−２Ｔ−Ｔ０、時刻ｔ０−Ｔ−Ｔ０、時刻ｔ０−Ｔ０に送信機３００から送出されたものである。送信機３００は、知らされた、光子検出時刻である時刻ｔ０を基に、上記４つの時刻を計算し、第１の記憶手段に記録されている各パルスの送出時刻に対応した位相変調データを獲得する。
【００４８】
上述のように参照された送信位相が、１つの光子検出器のみで光子検出される変調パターンであれば、光子検出器３７を「００」、光子検出器３８を「０１」、光子検出器３９を「１０」、光子検出器４０を「１１」として２ビット情報を生成する。各光子検出器が等確率で光子検出する変調パターンの場合は何もしない。このようにして生成された２ビット情報は、第１の記憶手段に記録する。
【００４９】
ステップ４：送信者または送信機３００は、ステップ３にてビット情報を生成するのに対応した光子検出時刻を受信者または受信機３０に上述の従来の通信手段を用いて知らせる。受信者に知らせる場合は、受信者は、知らされた光子検出時刻を受信機３０に入力し、第２の記憶手段にその情報を記録する。
【００５０】
ステップ５：受信機３０は、ステップ４にて知らされた光子検出時刻に光子検出した光子検出器を、ステップ１にて第２の記憶手段に記録された情報を基に、ステップ３にて記載した対応関係に従って２ビット情報を生成する。この２ビット情報を第２の記憶手段に記録する。
【００５１】
上記手順により、送受信者は同じランダムビット列を得ることができる。  
上記手順において、送受信機間でやり取りされるのは、時刻情報のみで、ビット情報は外部に出てこない。そこで、これを秘密鍵とする。
【００５２】
なお、上記手順では検出光子の半分は秘密鍵生成に寄与しておらず、光子が有効に利用されていないように見える。しかしながら、秘密鍵が生成される場合には、１光子から２ビットの鍵ビットが生成される。したがって、実効的には１光子から１ビットが生成されるのと等価であり、鍵生成率は従来の差動位相シフト方式と同じである。
【００５３】
実施例１の特徴は、なりすまし盗聴の発見効率が従来方式よりも高いことである。盗聴者が、受信者と同じ受信回路を用いて伝送信号を検出し、検出結果に基づいてダミー信号を受信機に送る状況を考える。伝送信号は１パルス当り１光子未満なので、光子が検出されるのは数パルスに１回であり、盗聴者は全てのパルスの位相差を検出することはできない。盗聴者が未検出パルスについて当て推量でダミーパルスを送ると、受信機がこれを光子検出した場合に、送受信機間にビット不一致が生じ、盗聴が発覚する。この事情は従来技術と同様である。
【００５４】
盗聴者によるダミー信号の別の再送の仕方としては、光子検出されたパルスのみを受信機へ再送し未検出パルスについては何も送らない、という方法もある。従来技術では、このダミー信号再送法に対しては１／４の確率でビット不一致が生じた。一方、実施例１では、連続４パルスの干渉を利用していることから、これより従来よりも高い確率でビット不一致が発生する。すなわち、４パルスの干渉の結果として光子１つが検出されるので、盗聴者が光子検出すると、それに対応して、孤立した連続４パルスを受信機へ再送することになる（図４参照）。
【００５５】
図４は、本発明の実施例１に係るなりすまし盗聴を説明するための図である。図４において、盗聴者４１は、送信機３００から送出されたパルス列４２を受信して光子検出すると、連続４パルス４３を受信機３０に送出する。符号４４〜４７は、それぞれ、連続４パルス４３に対する、各光子検出器が検出する第１パルス〜第４パルスを示す。
【００５６】
このような孤立４パルスである連続４パルス４３が受信機３０に入力されると、受信機３０は７つの時間位置で光子を検出し得る。第１パルス４４〜第４パルス４７の重なる時間位置（時刻４８）での光子検出は４パルスの干渉の結果として起こるので、これから生成される秘密鍵にはビットの不一致は生じない。しかしながら、その他の６つの時間位置（時刻４８の前後３つずつの時間位置）での光子検出は、本来干渉すべき４パルス全部が重なり合わない状態で起こる。そのため、光子検出結果は本来あるべきものとは異なることになり、この検出結果から生成した秘密鍵にはビット不一致が生じる。
【００５７】
１つの光子について、ビット不一致を生じる６つの時間位置で光子が検出される確率は１２／１６＝３／４、その内ビット不一致となる確率は１／２なので、１つの光子検出からビット不一致が生じる確率は（３／４×１／２＝）３／８となる。これは、従来方式において生じるビット不一致確率１／４よりも大きい値である。したがって、実施例１の方が従来方式に比べてなりすまし盗聴の発見効率が高く、より安全な量子鍵配送システムを実現できることになる。
【００５８】
なお、以上の説明では、受信機３０は、伝送されてきた信号光を、最初に入カパルス列の時間間隔Ｔの２倍の遅延時間差２Ｔを有する光分岐・合波回路に通過させ、次に時間間隔Ｔの遅廷時間差を有する光分岐・合波回路に通過させるものとしたが、これに限るものではない。すなわち、伝送された信号光を、最初に遅延時間差Ｔを有する光分岐・合波回路に通過させ、次に２Ｔの遅延時間差を有する光分岐・合波回路に透過させるものとしても、上記と同様の動作を得ることができる。
【００５９】
（実施例２）  
図５は、本発明の実施例２に係る量子暗号通信システムの構成図である。  
図５において、光検出装置としての受信機５０は、光分岐手段５１と、光分岐手段５２および２×２の光合波器５３を含んで構成される、第１の光分岐・合波回路と、光分岐手段５４および２×２の光合波器５５を含んで構成される、第２の光分岐・合波回路と、光子検出器５６〜５９と、受信機５０全体を制御する制御部（不図示）とを備えている。この制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する記憶手段とを備え、受信機５０の各構成もこの制御部によって統合して制御される。
【００６０】
受信機５０において、光分岐手段５１の入射端は光伝送路３０４に接続され、２経路に分岐された出射端はそれぞれ、第１および第２の光分岐・合波回路に接続されている。すなわち、光分岐手段５１の一方の出射端は、光分岐手段５２の入射端に接続されている。光分岐手段５２の２経路に分岐された出射端はそれぞれ、光合波器５３の２つの入射端に接続されている。このとき、第１の光分岐・合波回路は、光分岐手段５２の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が１パルス分遅延するように構成されている。一方、光分岐手段５１の他方の出射端は、光分岐手段５４の入射端に接続されており、第１の光分岐・合波回路と同様の構成で第２の光分岐・合波回路が構成されているので、ここではその詳細な説明は省略する。ただし、第２の光分岐・合波回路は、光分岐手段５４の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が２パルス分遅延するように構成されている。  
また、光合波器５３の２つの出射端にはそれぞれ、光子検出器５６、５７が、光合波器５５の２つの出射端にはそれぞれ、光子検出器５８、５９が接続されている。
【００６１】
図５において、送信機３００と受信機５０とは、光伝送路３０４を介して接続されている。なお、光伝送路３０４は、例えば、光ファイバなど、光を伝送できるものであればいずれのものを用いても良い。
【００６２】
上述のような構成で、送信機３００が、実施例１と同様に、位相変調した一定時間間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として送出する。受信機５０は、光伝送路３０４を経て送信機３００より伝送されてきたパルス列を光分岐手段５１にて２つに分岐し、おのおのを１段の光分岐・合波回路に入力する。第１および第２の光分岐・合波回路は、一方は遅延量がパルス間隔と同じ時間間隔Ｔ、他方は遅延量が２Ｔの時間間隔、となっている。第１および第２の光分岐・合波回路に入力されたパルス列は、所定の遅延が施される等して、光子検出器５６〜５９で検出される。
【００６３】
このような受信構成にすると、遅延Ｔの第１の光分岐・合波回路の出力端では隣り合うパルス同士が、遅延２Ｔの第２の光分岐・合波回路の出力端では２つ離れたパルス同士が重なり合う。光子検出器５６または５７で光子が検出されれば、それは隣り合うパルス同士の干渉の結果であり、光子検出器５８または５９で光子が検出されれば、それは２つ離れたパルス同士の干渉の結果となる。ここで、光分岐・合波回路内の２経路の伝播位相差を、干渉パルスの位相差が０なら光子検出器５６もしくは５８が、πなら光子検出器５７もしくは５９が、光子を検出するように設定しておく。
【００６４】
以上の構成を用いて、以下の手順で秘密鍵を生成する。
ステップ２１：送信機３００は、０またはπでランダムに位相変調したコヒーレント光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として送信する。このとき位相変調に用いた位相変調データは第１の記憶手段に記録する。受信機５０は、光伝送路３０４を経て送信機３００より伝送されたパルス列から図５の構成の受信回路で光子検出し、光子検出時刻とどの光子検出器が光子を検出したかを示す情報とを記憶手段に記録する。さらに、光子検出器５６または５８による光子検出をビット「０」、光子検出器５７または５９による光子検出をビット「１」として、光子を検出した光子検出器を基に、ビット情報を生成して、記憶手段に記録する。
【００６５】
ステップ２２：パルス列送受信後、受信者または受信機５０は、光子検出時刻と遅延Ｔの第１の光分岐・合波回路の出力端で光子検出したか、遅延２Ｔの第２の光分岐・合波回路の出力端で光子検出したか、を送信者または送信機３００に、実施例１と同様に従来の通信手段にて伝える。ただし、出力端のどちらの光子検出器で検出したかは知らせない。送信者に伝える場合は、送信者は、知らされた光子検出時刻およびどちらの出力端で検出したかを示す情報を送信機３００に入力し、第１の記憶手段にその情報を記録する。
【００６６】
ステップ２３：送信機３００は、位相変調データが記録されている第１の記憶手段を参照して、ステップ２２にて知らされた光子検出時刻に対応する位相変調データを参照する。さらに詳しくは、遅延Ｔの第１の光分岐・合波回路の出力端で検出されたのであれば隣り合うパルスの位相変調を参照し、遅延２Ｔの第２の光分岐・合波回路の出力端で検出されたのであれば、２つ離れたパルスの位相変調を参照する。ステップ２３における位相変調データの参照は、実施例１のステップ３にて説明した方法で行うことができる。
【００６７】
ステップ２４：送信機３００は、ステップ２３において参照したパルスの位相差が０ならば、ビット「０」、πならばビット「１」とする。こうして得られたビット情報を第１の記憶手段に記録する。
【００６８】
以上において、ステップ２１で受信機５０が得るビット情報とステップ２４にて送信機３００が得るビット情報は一致している。また、この情報は外部には出ていない。これを秘密鍵とする。
【００６９】
実施例２によっても、なりすまし盗聴の発見率を高くすることができる。盗聴者が、受信機と同じ受信回路を用いて伝送信号を検出し、検出結果に基づいてダミー信号を受信機に送る状況を考える。盗聴者は数パルスに1回、光子を検出する。遅延Ｔの第１の光分岐・合波回路出力端で光子検出した場合には隣り合うパルス間の位相差を、遅延２Ｔの分岐・合波回路出力端で光子検出した場合には２つ離れたパルス間の位相差を、知ることになる。光子が検出されない場合は不明である。盗聴者が、不明であるパルスについて当て推量でダミー信号を再送すると、これから受信機が光子検出した場合に送受信機間にビット不一致が生じ、盗聴が発覚する。この事情は従来技術と同様である。
【００７０】
盗聴者が、検出できたパルスについてのみダミー信号を再送し、不明なパルスについては何も送らないとすると、次のようになる（図６参照）。  
図６は、本発明の実施例２に係るなりすまし盗聴を説明するための図である。図４において、盗聴者６１は、送信機３００から送出されたパルス列６２を受信して光子検出すると、連続２パルス６３または２つ離れたパルス６４を受信機５０に送出する。ここで、符号６０１〜６０４は、連続２パルス６３に対する（後述するパターン１に対する）、各光子検出器が検出するパルス列であって、符号６０１は第１の光分岐・合波回路にて遅延Ｔが施されたパルス列であり、符号６０２は第１の光分岐・合波回路にて遅延が施されないパルス列であり、符号６０３は第２の光分岐・合波回路にて遅延２Ｔが施されたパルス列であり、符号６０４は第２の光分岐・合波回路にて遅延が施されないパルス列である。また、符号６０５〜６０８は、２つ離れたパルス６４に対する（後述するパターン２に対する）、各光子検出器が検出するパルス列であって、符号６０５は第１の光分岐・合波回路にて遅延Ｔが施されたパルス列であり、符号６０６は第１の光分岐・合波回路にて遅延が施されないパルス列であり、符号６０７は第２の光分岐・合波回路にて遅延２Ｔが施されたパルス列であり、符号６０８は第２の光分岐・合波回路にて遅延が施されないパルス列である。
【００７１】
盗聴者６１は、遅延Ｔの第１の光分岐・合波回路出力端で光子検出した場合には、連続２パルス６３を再送する（パターン１）。これを受信機５０が受信すると、図６に示すように、光子検出器５６、５７では３つの時間位置で、光子検出器５８、５９では４つの時間位置で、光子を検出し得る。このうち、光子検出器５６、５７が、パルス列６０１および６０２の重なる時間位置（時刻６０９）で光子検出する場合は、送信者の意図通りの検出結果となるが、その他の場合は干渉する相手がいないのでランダムな検出結果となる。したがって、後者の検出結果から生成された暗号鍵にはビット不一致が発生し、これより盗聴者の存在が検知される。正解である時間位置での検出確率は１／４、その他の時間位置についてはそれぞれ１／８なので、ランダム検出となる確率は３／４である。そのうち半分がビット不一致となるので、ビット不一致率は３／８となる。
【００７２】
一方、盗聴者６１が、遅延２Ｔの第２の光分岐・合波回路出力端で光子検出した場合には、２つ離れた２パルスが再送される（パターン２）。この場合には、光子検出器５６、５７では４つの時間位置で、光子検出器５８、５９では３つの時間位置で、光子を検出し得る。光子検出器５８、５９がパルス列６０７および６０８の重なる時間位置（時刻６１０）で光子検出する場合は送信者の意図通りの検出結果となるが、その他の場合はランダムな検出結果となる。これより盗聴者６１の存在が検知される。パターン２の場合も、パターン１と同様に、ビット不一致率は３／８となる。
【００７３】
このように、パターン１、２ともにビット不一致率が３／８であるので、これが実施例２におけるなりすまし盗聴時のビット不一致確率なる。この値は、従来方式におけるビット不一致確率１／４よりも大きい。したがって、実施例２の方が従来方式よりもなりすまし盗聴の発見効率が高く、より安全な量子鍵配送システムが実現できる。
【００７４】
（実施例３）  
実施例３では、受信機は伝送されてきたパルス列を２分岐し、それぞれを遅延の異なる光分岐・合波回路を通して受信したが、これに限るものではなく、分岐数を多くしても同様の動作が可能である。
【００７５】
図７は、本発明の実施例３に係る量子暗号通信システムの構成図である。  
図７において、光検出装置としての受信機７０は、１入力である光をｎ個（ｎ≧２）に分岐する１×ｎ光分岐手段７１と、第１〜第ｎの光分岐・合波回路（ｎ≧２）と、受信機７０全体を制御する制御部（不図示）とを備えている。この制御部は、制御を実行するＣＰＵと、このＣＰＵの制御プログラムを格納したＲＯＭおよびＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭを有する記憶手段とを備え、受信機７０の各構成もこの制御部によって統合して制御される。
【００７６】
光分岐手段７１の入射端は光伝送路３０４に接続され、光分岐手段７１の第１の出射端は第１の光分岐・合波回路に接続され、第２の出射端は第２の光分岐・合波回路に接続され、同様に、第３〜第ｎ−１の出射端は第３〜第ｎ−１の光分岐・合波回路に接続され、第ｎの出射端は第ｎの光分岐・合波回路に接続されている。
【００７７】
第１〜第ｎの光分岐・合波回路は、実施例１および２と同様に、それぞれ、光分岐手段および２×２の光合波器を含んで構成されており、それぞれの光合波器の２つの出射端には、光子検出器が接続されている。また、第１〜第ｎの光分岐・合波回路は、ｋ番目（１≦ｋ≦ｎ）の光分岐・合波回路では、光分岐手段にて分岐された一方のパルス列に対して、他方のパルス列にｋＴの時間遅延を施すように構成されている。
【００７８】
すなわち、光分岐手段７１の第１の出射端に接続された光分岐手段７２の２つの分岐された出射端は、それぞれ光合波器７３に接続されており、第１の光分岐・合波回路は、光分岐手段７２の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が１パルス分遅延するように構成されている。光合波器７３の２つの出射端には、それぞれ光子検出器７８および７９が接続されている。また、光分岐手段７１の第２の出射端に接続された光分岐手段７４の２つの分岐された出射端は、それぞれ光合波器７５に接続されており、第２の光分岐・合波回路は、光分岐手段７４の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列が２パルス分遅延するように構成されている。光合波器７５の２つの出射端には、それぞれ光子検出器８０および８１が接続されている。
【００７９】
第３〜第ｎ−１の光分岐・合波回路についても、第１および第２の光分岐・合波回路と同様にして光分岐手段７１の対応する出射端と接続されており、また、各出射端には光子検出器が接続されている。そして、光分岐手段７１の第ｎの出射端に接続された光分岐手段７６の２つの分岐された出射端は、それぞれ光合波器７７に接続されており、第ｎの光分岐・合波回路は、光分岐手段７６の一方の出射端から出射されたパルス列に対して、他方の出射端から出射されたパルス列がｎパルス分遅延するように構成されている。光合波器７７の２つの出射端には、それぞれ光子検出器８２および８３が接続されている。
【００８０】
図７において、送信機３００と受信機７０とは、光伝送路３０４を介して接続されている。なお、光伝送路３０４は、例えば、光ファイバなど、光を伝送できるものであればいずれのものを用いても良い。
【００８１】
上述のような構成で、送信機３００が、実施例１および２と同様に、位相変調した一定時間間隔（パルス間隔）Ｔの光パルス列を、パルス当り平均1個光子未満（例えば、０．１光子／パルス）として送出する。受信機７０は、光伝送路３０４を経て送信機３００より伝送されてきたパルス列を光分岐手段７１にてｎ分岐（ｎ≧２）し、分岐されたパルス列のそれぞれを遅延量ｋＴ（３≦ｋ≦ｎ）の光分岐・合波回路に通した後、各回路の出力段で光子検出する。各光分岐・合波回路の出力段では、それぞれの遅延量に対応して、隣り同士、または1つおき（２つ離れた）、または2つおき（３つ離れた）、・・・ｎ−１個おき（ｎ個離れた）、のパルスが干渉し、その結果に応じて光子が検出される。この構成を用いても、実施例２と同様にして暗号鍵を得ることができる。その詳細な実施例２で説明したので説明は省略する。
【００８２】
実施例３におけるなりすまし盗聴によるビット不一致確率は次のようになる。まず、盗聴者が再送するダミー信号は、連続、または1つおき、または2つおき、・・・ｎ−１個おき、の２パルスである。２パルスのダミー信号を受信したときに、送信者の意図した通りに光子検出されるのは、信号が正しい光分岐・合波回路を透過し、かつ干渉が起こる時間位置（３つのうちの真ん中）で光子が検出された場合のみである。これが起こる確率は１／ｎ×１／２＝１／２ｎであり、それ以外（確率＝１−１／２ｎ）はランダム検出となる。ランダム検出のうち半分がビット不一致となるので、ビット不一致率は（１−１／２ｎ）×１／２である。これをみると、nを大きくするとビット不一致確率は１／２に近づくことがわかる。すなわち、実施例３によれば、従来方法より、さらには実施例１、２より、なりすまし盗聴の発見効率が高く安全な量子鍵配送システムが実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】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図である。
【図２】従来技術に対するなりすまし盗聴の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るなりすまし盗聴を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るなりすまし盗聴を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る量子暗号通信システムの構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
３０    受信機
３１、３３、３５    光分岐手段
３２、３４、３６    光合波器
３７、３８、３９、４０    光子検出器
５０    受信機
５１、５２、５４    光分岐手段
５３、５５    光合波器
５６、５７、５８、５９    光子検出器
７０    受信機
７１    １×ｎ光分岐手段
７２、７４、７６    光分岐手段
７３、７５、７７    光合波器
７８、７９、８０、８１、８２、８３    光子検出器
３００    送信機
３０１    光源
３０２    位相変調器
３０３    減衰手段
３０４    光伝送路
【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６】
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【図７】
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