(57)【要約】  【課題】  通信装置間で安定して且つ効率的に共有情報を生成する方法およびシステムを提供する。  【解決手段】  送信器は原乱数データを量子チャネルを通して受信器へ送信し、受信器は量子チャネルを通して受信できた情報から生鍵を生成して受信情報を送信器へ通知する。送信器は受信情報に基づいて受信ビット照合や基底照合を行い選別鍵を共有する。受信器は共有された選別鍵の一部を送信器へ送信し誤り率が計算される。計算した誤り率と所定のビット位置同期判定用のしきい値を比較し、計算された誤り率が高ければ、送信器は受信器へビット位置の同期が確立していないことを知らせる。受信器は選別鍵のビット番号を付け替え、再び受信ビット照合を行う。この手順を計算された誤り率がビット位置同期判定用のしきい値より小さくなるまで繰り返す。【選択図】  図９
2006129332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で共有情報を生成する方法において、
ａ）前記第１通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
ｃ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
ｄ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
ｅ）前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成方法。
【請求項２】
前記ｃ）は、
前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、
前記誤り率が所定しきい値以上であれば同期が外れていると判定し、
前記誤り率が前記所定しきい値より低ければ同期が確立していると判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共有情報生成方法。
【請求項３】
前記所定しきい値は、前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で送受信される相互情報量より漏洩情報量の方が大きくなる誤り率の範囲で設定されることを特徴とする請求項２に記載の共有情報生成方法。
【請求項４】
前記誤り率は、前記仮共有情報からランダムに選択された所定数のビットを用いて算出されることを特徴とする請求項２に記載の共有情報生成方法。
【請求項５】
前記ｄ）における前記基準ビット位置の設定変更は、前記基準ビット位置を少なくとも１ビット分スライドさせることを特徴とする請求項１に記載の共有情報生成方法。
【請求項６】
前記ｅ）は、
ｅ−１）前記同期が確立されていれば、盗聴者の有無を判定し、
ｅ−２）盗聴者が存在しないと判定されれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共有情報生成方法。
【請求項７】
前記ｅ−１）は、
前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、
前記誤り率が所定の盗聴判定しきい値以上であれば盗聴者が存在すると判定し、
前記誤り率が前記盗聴判定しきい値より低ければ盗聴者が存在しないと判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共有情報生成方法。
【請求項８】
前記ｅ）は、
前記誤り率が所定の盗聴判定しきい値以上であれば盗聴者が存在すると判定し、
前記誤り率が前記盗聴判定しきい値より低ければ盗聴者が存在しないと判定し、
盗聴者が存在しないと判定されれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の共有情報生成方法。
【請求項９】
前記盗聴判定しきい値は、前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で送受信される共有情報量が盗聴情報量より大きくなる誤り率の範囲で設定されることを特徴とする請求項７または８に記載の共有情報生成方法。
【請求項１０】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で共有情報を生成する方法において、
ａ）前記第１通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報を所定長ごとに順次読み出し、
ｃ）前記読み出された所定長の部分情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で部分共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで部分仮共有情報を生成し、
ｄ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの部分仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
ｅ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して部分仮共有情報を生成し直し、
ｆ）前記同期が確立されていれば、そのときの部分仮共有情報に基づいて部分共有情報を保存し、
ｇ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報について少なくとも１つの部分共有情報が保存されると、それに基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成方法。
【請求項１１】
前記第１チャネルは相対的に光パワーが弱い状態の通信チャネルであり、前記第２チャネルは相対的に光パワーが強い状態の通信チャネルであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の共有情報生成方法。
【請求項１２】
前記第１チャネルは１フォトン／ビット以下の光パワーであることを特徴とする請求項１１に記載の共有情報生成方法。
【請求項１３】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置および第２通信装置を有する共有情報生成システムにおいて、
前記第１通信装置は、前記第１チャネルおよび前記第２チャネルを通して前記第２通信装置と通信するための第１通信手段と、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための第１記憶手段と、前記第２通信装置との間で共有情報を生成するために前記第１通信手段および前記第１記憶手段を制御する第１制御手段と、を有し、
前記第２通信装置は、前記第１チャネルおよび前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と通信するための第２通信手段と、前記第１チャネルを通して前記第１通信装置から受信した情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための第２記憶手段と、前記第１通信装置との間で共有情報を生成するために前記第２通信手段および前記第２記憶手段を制御する第２制御手段と、を有し、
前記第１制御手段と前記第２制御手段とは協働して、
ａ）前記原情報を前記第１通信装置から前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
ｃ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
ｄ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
ｅ）前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする共有情報生成システム。
【請求項１４】
前記第１制御手段は、前記原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶し、前記第２通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第１記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記第２通信装置へ同期の外れを通知し、当該同期外れの通知に対して前記第２通信装置からビット位置が変更された受信情報を受信すると、それに基づいて仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶するとともに前記同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成し、
前記第２制御手段は、前記第１チャネルを通して前記第１通信装置から受信した情報に基づいて前記第１通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第２記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記第１通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の共有情報生成システム。
【請求項１５】
前記第１制御手段は、前記原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶し、前記第２通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第１記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を第２通信装置へ通知し、その通知に対して前記第２通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成し、
前記第２制御手段は、前記第１チャネルを通して前記第１通信装置から受信した情報に基づいて前記第１通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第２記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置から基準ビット位置の送信がなければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の共有情報生成システム。
【請求項１６】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置および第２通信装置との間で共有情報を生成するシステムをコンピュータに実装するプログラムにおいて、
ａ）それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第１通信装置から前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、
ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、
ｃ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、
ｄ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、
ｅ）前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、
ステップを有することを特徴とする共有情報生成プログラム。
【請求項１７】
前記第１通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶し、前記第２通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第１記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記第２通信装置へ同期の外れを通知し、当該同期外れの通知に対して前記第２通信装置からビット位置が変更された受信情報を受信すると、それに基づいて仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶するとともに前記同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有し、
前記第２通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記第１チャネルを通して前記第１通信装置から受信した情報に基づいて前記第１通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第２記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記第１通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の共有情報生成プログラム。
【請求項１８】
前記第１通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第２チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記第１記憶手段に記憶し、前記第２通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記第１記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を第２通信装置へ通知し、その通知に対して前記第２通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有し、
前記第２通信装置のコンピュータで実行されるプログラムは、前記第１チャネルを通して前記第１通信装置から受信した情報に基づいて前記第１通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記第２記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記第１通信装置へ送信し、前記第１通信装置から基準ビット位置の送信がなければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ステップを有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の共有情報生成プログラム。
【請求項１９】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルを用いて他の通信装置との間で共有情報を生成する通信装置において、
前記第１チャネルおよび前記第２チャネルを通して前記他の通信装置と通信するための通信手段と、
それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための記憶手段と、
前記原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、前記他の通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて基準ビット位置を設定し、前記基準ビット位置を前記第２チャネルを通して前記他の通信装置へ送信し、前記基準ビット位置に基づいて前記原情報から仮共有情報を生成して前記記憶手段に記憶し、前記他の通信装置から仮共有情報の一部を受信すると、前記記憶手段に記憶された対応する仮共有情報の一部と照合することで同期の有無を判定し、前記同期が外れていれば前記基準ビット位置を変更して仮共有情報を生成し、前記基準ビット位置の変更を前記他の通信装置へ通知し、その通知に対して前記他の通信装置から受信した仮共有情報の一部の照合することで同期の有無を判定し、前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項２０】
少なくとも相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルを用いて他の通信装置との間で共有情報を生成する通信装置において、
前記第１チャネルおよび前記第２チャネルを通して前記他の通信装置と通信するための通信手段と、
前記第１チャネルを通して前記他の通信装置から受信した情報、仮共有情報および共有情報を記憶するための記憶手段と、
前記第１チャネルを通して前記他の通信装置から受信した情報に基づいて前記他の通信装置により設定された基準ビット位置を受信し、その基準ビット位置に従って仮共有情報を生成して前記記憶手段に記憶し、前記仮共有情報の一部を前記他の通信装置へ送信し、前記他の通信装置から同期外れの通知があれば、前記受信情報のビット位置を変更し、その変更情報を前記他の通信装置へ送信し、前記同期外れの通知が無ければ、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する制御手段と、
を有することを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信の信頼性が相対的に低い通信チャネルと相対的に高い通信チャネルとを用いた通信システムに係り、特に送信器と受信器との間で共有される秘密情報を生成する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号の分野では、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づき、送信器と受信器との間で盗聴があったかどうかを高い確率で検出できることが知られている。このことは、逆に言えば、送信器および受信器の間で盗聴されることなく秘密のビット列（暗号鍵）を共有することが可能であることを示している。秘密情報を共有する手順としては、たとえば４つの量子状態を用いたＢＢ８４（Bennett Brassard 84）プロトコル等が知られており、この手順を用いて絶対安全性が証明されているバーナム（Vernam）暗号の鍵を生成することで高度な安全性を達成できる。このような量子暗号鍵を共有する技術がいくつか提案されている。
【０００３】
たとえば、特開２０００−１７４７４７号公報（特許文献１）には、量子チャネルと古典チャネルとを用いて送信側および受信側で秘密鍵を共有する量子暗号装置が開示されている。具体的には、送信者側で乱数表からビット値を取り出し、それに従って光パルスを微小変調し、量子チャネルを通して送信する。受信者側は、別途乱数表からビット値を取り出し、それに従って受信した光パルスを再変調し、光子が検出されたか否かを古典チャネルを通して送信者側へ通知する。送信者側では、受信者側で光子が検出されたビット値のみを用いて乱数表を構成する。これによって、送信者および受信者に共通の乱数表が記憶されたこととなる。さらに、盗聴の有無を確認するために、共通乱数表から適当な割合で照合ビットを抽出し、それらを古典チャネルを通して照合し、十分な数のビットが一致すれば、照合ビットを除いたビット列を共有の秘密鍵として使用する（明細書段落００３６〜００３９参照）。
【０００４】
特開２００４−１１２２７８号公報（特許文献２）には、公開通信路（古典チャネル）を通ることによって発生するデータ誤りを除去することで、共通鍵の生成効率を向上させる量子鍵搬送方法が開示されている。より詳しくは、送信側は、乱数列（送信データ）およびランダムに決定された基底（送信コード）により規定された量子状態で光子を量子通信路を通して送信する。受信側では、受信した光子を測定し、その測定結果とランダムに決定された基底（受信コード）とにより規定された受信データを得る。そして、公開通信路を通した手順で基底の一致したビットのみを残すことで、送信側および受信側に共有情報が記憶される。続いて、送信側はパリティ検査行列および送信データから生成される所定ビット数の誤り訂正情報を公開通信路を通して送信する。受信側は、受信した誤り訂正情報、上記受信データおよび同一のパリティ検査行列を用いて、受信データの誤りを訂正する。誤り訂正で公開された情報に応じて、訂正後の共有情報の一部が捨てられ、残りの情報を共有の暗号鍵として生成する（明細書段落００１６〜００２０、図１、図２、図９参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７４７４７号公報（明細書段落００３６〜００３９参照）
【特許文献２】特開２００４−１１２２７８号公報（明細書段落００１６〜００２０、図１、図２、図９参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、送信側と受信側で情報を共有するためには、どのビットが正しく検出され、どのビットが検出されなかったかを、送信器および受信器の双方で特定できなければならない。言い換えれば、量子暗号鍵配布システムでは送信器と受信器とでビット位置の同期を確立することが必要である。鍵生成フローにおいて、ビット位置の同期確立は大前提であり、同期が確立していないと最終鍵は生成できない。
【０００７】
しかしながら、上記従来の方法では、伝送路の伸縮や装置内の処理のずれによって、ビット位置の同期が外れる可能性が残されている。実際の運用において同期がはずれた場合、特許文献１に記載された鍵生成フローでは、照合ビットが十分一致しないために、盗聴者を検出したとみなし、再度ビット位置の同期を確立し直して鍵生成を実行することとなる。これでは、それまでに量子通信で生成した鍵はすべて無駄となり、共通鍵の生成効率がきわめて悪くなる。
【０００８】
同様に、特許文献２に記載された方法においても、ビット位置の同期が外れた場合には受信データの誤り率が非常に大きくなり、共通鍵を生成できなくなる。特許文献２では、誤り率が大きい場合の処理については全く考慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、通信装置間で安定して且つ効率的に共有情報を生成する方法およびシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、ビット位置の同期を迅速に確立することで効率的に情報の共有を達成できる方法および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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明によれば、仮の共有情報が生成されると、それを用いてビット位置の同期判定を行い、同期が外れている場合にはビット位置を変更して仮の共有情報を生成し直し、その新たな共有情報に基づいて同期判定をやり直す。
【００１２】
すなわち、相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で共有情報を生成する方法は、ａ）前記第１通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで仮共有情報を生成し、ｃ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、ｄ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して仮共有情報を生成し直し、ｅ）前記同期が確立されていれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成する、ことを特徴とする。
【００１３】
前記ｃ）は、前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率が所定しきい値以上であれば同期が外れていると判定し、前記誤り率が前記所定しきい値より低ければ同期が確立していると判定することができる。
【００１４】
前記ｄ）における前記基準ビット位置の設定変更は、前記基準ビット位置を少なくとも１ビット分スライドさせることが望ましい。
【００１５】
前記ｅ）は、ｅ−１）前記同期が確立されていれば盗聴者の有無を判定し、ｅ−２）盗聴者が存在しないと判定されれば、そのときの仮共有情報に基づいて前記共有情報を生成すればよい。前記ｅ−１）は、前記基準ビット位置に従った仮共有情報の一部を用いて誤り率を算出し、前記誤り率が所定の盗聴判定しきい値以上であれば盗聴者が存在すると判定し、前記誤り率が前記盗聴判定しきい値より低ければ盗聴者が存在しないと判定することができる。
【００１６】
本発明の他の側面によれば、相対的に信頼性の低い第１チャネルおよび信頼性の高い第２チャネルにより接続された第１通信装置と第２通信装置との間で共有情報を生成する方法は、ａ）前記第１通信装置は、それぞれビット位置が相対的に定められた複数のビット列からなる原情報を前記第１チャネルを通して前記第２通信装置へ送信し、ｂ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報を所定長ごとに順次読み出し、ｃ）前記読み出された所定長の部分情報に基づいて、前記第２チャネルを通して前記第１通信装置と前記第２通信装置との間で部分共有情報を生成するための基準ビット位置を設定することで部分仮共有情報を生成し、ｄ）前記基準ビット位置に従って、前記第１通信装置および前記第２通信装置のそれぞれの部分仮共有情報の一部を前記第２チャネルを通して照合することで同期の有無を判定し、ｅ）前記同期が外れていれば、前記ｂ）における前記基準ビット位置の設定を変更して部分仮共有情報を生成し直し、ｆ）前記同期が確立されていれば、そのときの部分仮共有情報に基づいて部分共有情報を保存し、ｇ）前記第２通信装置が前記第１チャネルを通して受信した情報について少なくとも１つの部分共有情報が保存されると、それに基づいて前記共有情報を生成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、通常の方式により設定された共有情報のビット位置をビット位置同期の有無により変更することができる。したがって、ビット位置の同期がはずれた場合でも生成フローを終了することなく、受信ビットのビット番号の付け替え行い、再度共有情報を生成し直して同期判定を行うことができる。
【００１８】
本発明によれば、たとえば量子暗号鍵配布システムにおいて、同期が外れた場合であっても、再度同期を確立し直すことなく、量子通信で生成した生鍵をそのまま利用して同期判定を行うことができ、安定かつ高速な鍵生成レートを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
１．第１実施形態
（システム構成）
図１は本発明の第１実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。図１において、量子暗号鍵配布システムは送信器１０および受信器２０から構成され、それらは量子チャネルおよび古典チャネルにより接続されている。ここで、量子チャネルは、送信器１０から受信器２０へ送信する光パワーが１フォトン／ビット以下の微弱な状態の通信チャネルであり、古典チャネルは通常の光通信で使用される光パワー領域での通信チャネルである。
【００２０】
送信器１０には、量子通信のための量子ユニット１０１と通常の光通信のための光送受信器１０２とが設けられている。量子ユニット１０１および光送受信器１０２は、後述する鍵生成フローを実行する鍵生成制御部１０３により制御される。
【００２１】
鍵生成制御部１０３は、たとえばＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上にソフトウエアにより実装可能である。鍵生成制御部１０３は、プログラムメモリ１０４に格納された鍵生成プログラムを実行し、メモリ１０５および乱数発生器１０６を用いて鍵生成フローを実行する。後述するように、メモリ１０５は、原乱数データ、選別鍵および最終鍵を記憶可能であり、さらにビット位置の同期確立判定に用いられる誤り率しきい値QBERsyncと盗聴者が存在するかどうかの判定に用いられる誤り率しきい値QBEReveとが記憶されているものとする。
【００２２】
受信器２０には、量子通信のための量子ユニット２０１と通常の光通信のための光送受信器２０２とが設けられている。量子ユニット２０１および光送受信器２０２は、後述する鍵生成フローを実行する鍵生成制御部２０３により制御される。
【００２３】
鍵生成制御部２０３は、たとえばＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上にソフトウエアにより実装可能である。鍵生成制御部２０３は、プログラムメモリ２０４に格納された鍵生成プログラムを実行し、メモリ２０５および乱数発生器２０６を用いて鍵生成フローを実行する。
【００２４】
（鍵生成フロー）
図２は本実施形態による暗号鍵生成方法を示すフローチャートである。本実施形態による送信器１０および受信器２０は、まず鍵共有方式Ｓ１０を用いて暗号鍵を共有する。鍵共有方式Ｓ１０は、量子チャネルを用いた量子通信ステップＳ１１、受信器２０が受信したビットを送信側のものと照合する受信ビット照合ステップＳ１２、および、送信側で基底情報の照合により選別鍵を生成する基底照合ステップＳ１３からなる。ステップＳ１１は量子チャネルを用いて行われるが、鍵生成フローのステップＳ１２以降の過程はすべて古典チャネルを用いて行われる。鍵共有方式の一例として４量子状態を用いたＢＢ８４を取り挙げると、鍵生成手順は次のようになる。
【００２５】
１．１）生鍵の生成
図３は本実施形態による鍵生成フローを説明するための生鍵生成の一例を示す模式図である。図３において、次の手順で生鍵が生成される。
【００２６】
（１）送信器１０の鍵生成制御部１０３は、暗号鍵の元となる原乱数データと変調時の位相状態である基底Ａ(＋基底、×基底)とを乱数発生器１０６の２値ランダムデータを用いて生成し、これらの組み合わせによる４値の位相変調データを生成してメモリ１０５に記憶する。
【００２７】
（２）送信器１０の量子ユニット１０１は、光パルスを位相変調データによって位相０、π、π／２、３π／２のいずれかに位相変調し、量子チャネルを通して受信器２０へ送信する。
【００２８】
（３）受信器２０の量子ユニット２０１は、ランダムデータである基底Ｂに基づいて送信器１０から受信した光パルスを位相変調して干渉計により検出する。この検出された受信データを生鍵といい、受信器２０側で振られたビット番号と共にメモリ２０５に記憶する。量子チャネルは光パワーが微弱であるため、送信器１０から送信した光ビットパルスのうちそのほとんどは伝送路中の損失によって消滅し、受信器２０に届くのはほんの一部のパルスのみである。
【００２９】
１．２）受信ビット照合
図４は本実施形態による鍵生成フローを説明するための受信ビット照合の一例を示す模式図である。図４において、次の手順で受信ビット照合が行われる。
【００３０】
（４）受信器２０は、受信することができた生鍵の受信ビット番号、すなわち量子ユニット２０１から出力されたビット列の受信ビット番号とそのビットの基底情報Ｂとを送信器１０へ古典チャネルを介して送信する。
【００３１】
（５）送信器１０の鍵生成制御部１０３は、受信器２０から送られてきた受信ビット番号から、原乱数データのうち受信器２０で受信できなかったビットを破棄する。ただし、原乱数データはそのまま記憶しておく。
【００３２】
１．３）選別鍵の仮共有
図５は本実施形態による鍵生成フローを説明するための基底照合の一例を示す模式図である。図５において、次の手順で基底照合が行われる。
【００３３】
（６）送信器１０の鍵生成制御部１０３は、受信器２０から送られた基底情報Ｂと記憶していた基底情報Ａとを比較し、原乱数データのうち基底の一致しないビットを破棄する。
【００３４】
（７）送信器１０は、元乱数データのうち破棄されずに残ったビット列を選別鍵として記憶し、その有効ビット番号を古典チャネルを介して受信器２０へ送信する。ただし、有効ビット番号以外の番号のビットのデータもそのままメモリ１０５に記憶しておく。
【００３５】
（８）受信器２０の鍵生成制御部２０３は、送信器１０から受信した有効ビット番号のビットだけを残して選別鍵としてメモリ２０５に記憶する。ただし、有効ビット番号以外の番号のビットのデータもそのままメモリ２０５に記憶しておく。
【００３６】
こうして、鍵共有方式１００により、送信器１０および受信器２０の双方で暗号鍵としての選別鍵が共有される。ただし、この選別鍵は、以下のステップにより変更される可能性があるので、仮の共有である。
【００３７】
１．４）ビット位置同期確立の判定
選別鍵が送信機１０および受信器２０の間で仮共有されると、両者の間でビット位置の同期が確立しているかどうかを判定する（図２のステップＳ１４、Ｓ１５）。
【００３８】
まず、受信器２０の鍵生成制御部２０３は、鍵共有方式によって共有した選別鍵のうちＭビットをサンプリング抽出し、抽出したＭビットのビット番号とデータとを古典チャネルを介して送信器１０へ送信する。照合用のＭビットは連続したものでも、ランダムに選択したものでもよい。
【００３９】
送信器１０の鍵生成制御部１０３は、送られてきたビット番号のデータとメモリ１０５に保持されている選別鍵の同一ビット番号のデータとを比較し、ビット誤り率QBERを計算する（ステップＳ１４）。なお、誤り率照合に用いたＭビットは破棄される。
【００４０】
続いて、鍵生成制御部１０３は、計算したビット誤り率QBERと、ビット位置の同期確立判定に用いられる同期判定用誤り率しきい値QBERsyncとの比較を行う(ステップＳ１５）。QBER ≧ QBERsyncであれば（ステップＳ１５のＮＯ）、ビット位置の同期が確立していないと判断され、次に説明するビット番号付け替えが行われる（ステップＳ２１）。ビット番号付け替えステップＳ２１は、送信器１０および受信器２０のいずれで実行されてもよいが、本実施形態では受信器２０で行われるものとする。
【００４１】
図６は送信器と受信器との間でビット位置の同期が確立していない一例を示す模式図である。この例では、送信器１０でビット番号１の基底で送った乱数が受信器２０ではビット番号２の基底で受信されている。したがって、これ以降、受信ビット照合ステップＳ１２および基底照合ステップＳ１３において、送信で用いた基底と受信で用いた基底とが異なるビットで照合されるため、送信器１０および受信器２０で共有した選別鍵は全く相関がなくなり、計算したビット誤り率QBERは０．５近くの大きな値となる。
【００４２】
この現象を考慮して、同期判定用誤り率しきい値QBERsyncは、後述するように、盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveより大きい値に設定される。QBER ≧ QBERsyncであれば（ステップＳ１５のＮＯ）、鍵生成制御部１０３はビット位置の同期が確立していないと判断し、ビット位置の同期が確立していない旨（ＮＧ）を受信器２０へ知らせる。
【００４３】
１．５）ビット番号付け替え
同期外れの通知を受信すると、受信器２０の鍵生成制御部２０３は、メモリ２０５に保持されている生鍵の基準となるビット番号を１ビット分スライドさせて受信ビットのビット番号の付け替えを行う（ステップＳ２１）。ただし、ビット番号のスライド幅は１ビットに限らない。
【００４４】
図７は、図６に示すビット位置同期が外れている例においてビット番号をスライドさせて新たなビット番号に付け替えた場合を示す模式図である。ここでは、受信ビット番号から１を引くことで新たなビット番号に付け替える。新たな受信ビット番号および対応する基底情報は送信器１０へ古典チャネルを通して送信され、上述した受信ビット照合ステップＳ１２、基底照合ステップＳ１３、誤り率計算ステップＳ１４、およびビット位置同期確立判定ステップＳ１５が繰り返される。以上のビット番号付け替え動作ステップＳ２１およびステップＳ１２−Ｓ１５は、計算された誤り率QBERが同期判定用誤り率しきい値QBERsyncより小さくなるまで（ステップＳ１５のＹＥＳ) 繰り返される。
【００４５】
ステップＳ１５において、計算された誤り率QBERが同期判定用誤り率しきい値QBERsyncより小さくなると（ステップＳ１５のＹＥＳ)、ビット位置の同期確立が確認され、そのときの選別鍵を正式な選別鍵として確定する。このようにして選別鍵が確定されると、正式な選別鍵で使用するビット以外の生鍵をここで破棄する。
【００４６】
１．６）誤り率しきい値（QBERsync、QBEReve）
ビット位置同期が外れた状態では共有した選別鍵に全く相関がなくなることから、同期判定用誤り率しきい値QBERsyncは盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveより大きく設定される。具体的には、次のようにして決定される。
【００４７】
図８は、ビット誤り率に対する送受信者間での相互情報量（共有ビット数）および盗聴者への漏洩情報量（盗聴ビット数）の変化を示すグラフである。ビット誤り率が増加するに従って、送受信者間での相互情報量は曲線ＩABに示すように減少し、盗聴者への漏洩情報量は曲線ＩAEに示すように増大する。この例では、曲線ＩABとＩAEとは約０．１５のビット誤り率で交差する。したがって、盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveは、盗聴者への盗聴情報量が送受信者の共有情報量を上回らないビット誤り率１５％以下に設定される。
【００４８】
一方、ビット位置の同期がとれていない場合、誤り率計算に用いるＭビットのサンプリングデータは送信側と受信側で全く相関がなくなり、ビット誤り率は５０％近傍となる。したがって、同期判定用誤り率しきい値QBERsyncは１５％〜５０％の間に設定される。
【００４９】
１．７）選別鍵確定シーケンス
上述したように、図２に示す選別鍵仮共有ステップＳ１１−Ｓ１３、ビット位置同期確立の判定ステップＳ１４−Ｓ１５、および、ビット番号付け替えステップＳ２１により選別鍵が正式に確定されるが、この選別鍵確定動作は送信器１０と受信器２０との間の相互通信により実行される。
【００５０】
図９は本実施形態における選別鍵確定動作を示すシーケンス図である。量子通信により受信器で生鍵が生成されると、受信器は、受信することができた生鍵の受信ビット番号とそのビットの基底情報とを送信器へ古典チャネルを介して送信する。送信器は、受信ビット照合および基底照合を行い、有効ビット番号を受信器へ送信する。有効ビット番号のビットデータで選別鍵を仮共有すると、照合用のＭビットをランダムに抽出して送信器へ送信する。送信器では、受信したＭビットを用いて誤り率を計算し、まずビット位置の同期確立の判定を行う（QBERsyncチェック）。同期確立が成立していないと判定されると、ＮＧを受信器へ送信する。ＮＧを受け取ると、受信器は生鍵の基準となるビット番号をスライドさせてビット番号の付け替えを行い、新たなビット番号に従って再度選別鍵の仮共有およびQBERsyncチェックを実行する。QBERsyncチェックで同期確立が確認されると（ＯＫ）、選別鍵が確定し、続いて盗聴判定QBEReveチェックが行われる。
【００５１】
１．８）盗聴判定
ビット位置の同期確立が確認されると、送信器１０の鍵生成制御部１０３は、計算された誤り率QBERと盗聴者が存在するかどうかを判定する盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveとを比較する（図２のステップＳ１６）。上述したようにQBER＜QBEReveであれば（ステップＳ１６のＹＥＳ）、盗聴者は存在しないと判断し（ステップＳ１７）、誤り訂正ステップＳ１８および秘匿増強ステップＳ１９を実行した後、最終的に送信器１０と受信器２０との間で共有される最終鍵が決定される。
【００５２】
このように、ビット位置の同期が外れて誤り率が大きくなった場合でも、受信器２０において受信ビット番号を付け替えることにより、量子通信で生成された生鍵から再度選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。
【００５３】
２．第２実施形態
上述したように第１実施形態では、図２のステップＳ１５においてQBER ≧ QBERsyncであればビット位置の同期が確立していないと判断され、その旨（ＮＧ）が送信器１０から受信器２０へ送信され、受信器２０においてビット番号付け替えステップＳ２１が実行される。別の方法として、このビット番号付け替えステップＳ２１を送信器１０で実行することも可能である。
【００５４】
図１０は本発明の第２実施形態における選別鍵確定動作を示すシーケンス図である。なお、第２実施形態においても全体的なフローは図２で説明した通りであるから、詳細な説明は省略する。
【００５５】
まず、量子通信により受信器で生鍵が生成されると（ステップＳ１１）、受信器は、受信することができた生鍵の受信ビット番号とそのビットの基底情報とを送信器へ古典チャネルを介して送信する。送信器は、受信ビット照合および基底照合を行い、有効ビット番号を受信器へ送信して有効ビット番号のビットデータで選別鍵を仮共有する（ステップＳ１２およびＳ１３）。続いて受信器は照合用のＭビットをランダムに抽出して送信器へ送信する。
【００５６】
送信器では、受信したＭビットを用いて誤り率を計算し（ステップＳ１４）、まずビット位置の同期確立の判定（QBERsyncチェック）を行う（ステップＳ１５）。同期確立が成立していないと判定されると、原乱数データのビット番号を１ビット分ずらし、ビット番号の付け替えを行う（ステップＳ２１）。そして、新たなビット番号に従って、再度上述した受信ビット照合および基底照合を行い、選別鍵の仮共有およびQBERsyncチェックを実行する。以上のビット番号付け替え動作をQBER＜QBERsyncとなるまで繰り返す。QBERsyncチェックで同期確立が確認されると（ＯＫ）、選別鍵が確定し、以下、盗聴者判定ステップＳ１６−Ｓ１７、誤り訂正ステップＳ１８および秘匿増強ステップＳ１９を実行した後、最終的に送信器１０と受信器２０との間で共有される最終鍵が決定される。受信器２０では、送信器１０から有効ビット番号の通知がない限り、その時点で格納された仮選別鍵から最終鍵を生成する。
【００５７】
このように、本実施形態では、ビット位置の同期がはずれて誤り率が大きくなった場合でも、送信器において送信した乱数のビット番号を付け替えることによって生鍵生成直後まで戻り再度選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。
【００５８】
３．第３実施形態
図１における量子通信のための量子ユニット１０１および２０１、通常の光通信のための光送受信器１０２および２０２は、特定の方式に限定されるものではない。ここでは、望ましい実施形態として、Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムを説明する。Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式は、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。
【００５９】
図１１は本発明の第３実施形態によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。本実施形態による量子暗号鍵配布システムは、送信器１０、受信器２０、送信器側の波長合分波器３０、および、受信機側の波長合分波器４０を有し、送信器側の波長合分波器３０と受信機側の波長合分波器４０とが１本の光ファイバ伝送路５０によって光学的に接続されている。送信器１０は送信側の量子ユニット１０１と電気−光間の変換器Ｅ／ＯおよびＯ／Ｅからなる光送受信器１０２とを有し、受信器２０は受信側の量子ユニット２０１と電気−光間の変換器Ｅ／ＯおよびＯ／Ｅからなる光送受信器２０２とを有する。光ファイバ伝送路５０には量子チャネル５１および古典チャネル５２、５３が多重化されている。
【００６０】
送信側の量子ユニット１０１は、位相変調器１１０およびファラデーミラー（ＦＭ）１１１を有する。位相変調器１１０は、暗号鍵の元データとなる原乱数データと変調時の基底＋／×（基底情報）となるランダムデータとに従った位相変調を行う。
【００６１】
受信側の量子ユニット２０１は、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）２１０、位相変調器２１１、短いパス（Short Path）２１２、長いパス（Long Path）２１３および光カプラ２１４からなる干渉計と、光サーキュレータ２１５と、光検出器であるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）２１６、２１７と、パルス光源であるレーザ（ＬＤ：Laser Diode）２１８と、から構成されている。なお、Short Path２１２とLong Path２１３とは偏波保存ファイバからなり、光カプラ２１４および光サーキュレータ２１５は偏波保存型である。
【００６２】
なお、量子ユニット１０１および光送受信器１０２は鍵生成制御部１０３により上述したように制御され、量子ユニット２０１および光送受信器２０２は鍵生成制御部２０３により上述したように制御される。
【００６３】
このような構成において、まず鍵生成制御部２０３の制御によりレーザ２１８から光パルスＰを出力される。光パルスＰは光サーキュレータ２１５によって光カプラ２１４へ出力され、光カプラ２１４で２分岐される。２分岐された光パルスＰ１およびＰ２はそれぞれShort Pass２１２およびLong Pass２１３を通り、波長合分波器４０を介し量子チャネル５１を通って送信器１０に送られる。
【００６４】
送信器１０では、受信した光パルスが波長合分波器３０で分波された後、ファラデーミラー１１１で偏光状態が９０°回転して折り返される。折り返された光パルスＰ１はそのまま波長合分波器３０へ透過するが、光パルスＰ２は位相変調器１１０で変調され、光パルスＰ２*aとして波長合分波器３０へ出力される。こうして、折り返された光パルスＰ１と、位相変調された光パルスＰ２*aとが量子チャネル５１を通して受信器２０へ伝送される。
【００６５】
波長合分波器４０は量子チャネルと古典チャネルとを波長分離し、量子チャネルの光パルスＰ１およびＰ２*aを量子ユニット２０へ、古典チャネルの光信号を光送受信器２０２へそれぞれ出力する。波長合分波器４０を透過した量子チャネルの光パルスＰ１は、ＰＢＳ２１０によってLong path２１３へ出力され、位相変調器２１１により鍵生成制御部２０３からの基底情報に従って変調されて光パルスＰ１*bとして光カプラ２１４へ出力される。一方、波長合分波器４０を透過した量子チャネルの光パルスＰ２*aは、ＰＢＳ２１０によってShort path２１２へ出力され、そのまま光カプラ２１４へ出力される。こうして、光パルスＰ１*bと光パルスＰ２*aとは、送信側位相変調器１１０と受信側位相変調器２１１の位相差に応じて干渉し、光子検出器APD２１６およびAPD２１７のいずれかで検出される。すなわち、光ファイバ伝送路５０における偏光の揺らぎを補償することができる。以下、図２で説明したステップＳ１１〜Ｓ２１で選別鍵および最終鍵が決定される。
【００６６】
図１１に従って鍵生成フローを簡単に説明すると、受信器２０の量子ユニット２０１で検出された受信データは生鍵としてメモリ２０５に記憶される(ステップＳ１１）。続いて、鍵生成制御部２０３は、生鍵の受信ビット番号とそのビットを受信した時の基底情報を光送受信器２０２のＥ／Ｏを用いて古典チャネル５３を介して送信器１０へ送信する。送信器１０の鍵生成制御部１０３は、光送受信器１０２のＯ／Ｅを通して受信した受信ビット番号から自分が送信した乱数のうち受信器２０で受信できたビットを選択する(ステップＳ１２）。さらに、光送受信器１０２のＯ／Ｅを通して受信した受信ビットの基底情報と自分で記憶していた基底情報とを比較し、送信した乱数のうち基底の同じビットを残し、残った有効なビットのビット番号を光送受信器１０２のＥ／Ｏを用いて古典チャネル５２を介して受信器２０へ送信する。受信器２０は記憶しておいた受信ビットのうち受け取った有効ビット番号のみを選択する(ステップＳ１３）。こうして、鍵共有方式１００により、送信器１０および受信器２０の双方で暗号鍵としての選別鍵が仮共有される。
【００６７】
ここで、ビット番号を数えるための基準となるビットは送信器１０で決定し古典チャネル５２を介して受信器２０へ送られるが、古典チャネルと量子チャネルとは波長が異なるため厳密には一致しない。さらに、たとえ古典チャネルで基準となるビットを送信しても、温度変化等によるファイバの伸縮や装置内の処理のずれも加わってビット位置の同期が外れる可能性が残されている。
【００６８】
そこで、仮共有された選別鍵の一部（Ｍビット）を送信器１０と受信器２０との間で照合してビット誤り率を計算し(ステップＳ１４）、得られたビット誤り率QBERとビット位置同期確立判定用しきい値QBERsyncとを比較する。QBER ≧ QBERsyncであれば、同期が確立していないと判断され、受信器で得られたビットのビット番号を１ビットスライドさせて（ステップＳ２１）、再び受信ビット照合ステップＳ１２へ戻る。QBER＜QBERsyncであれば、ビット位置同期が確立していると判断し、そのまま最終鍵生成ステップＳ１６〜Ｓ２０を実行する。
【００６９】
上述したように、本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に，ビット位置の同期が外れて誤り率が大きくなった場合でも、受信器２０において受信ビット番号を付け替えることにより、量子通信で生成された生鍵から再度選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。さらに、本実施形態のＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式は、光ファイバ伝送路５０における偏光の揺らぎを補償することができるという利点がある。
【００７０】
４．第４実施形態
図１２は本発明の第４実施形態による量子暗号鍵生成方式の鍵生成フローを示すフローチャートであり、図１３は本実施形態で使用されるプロトコルＢ９２に従った手順の具体例を示す模式図である。
【００７１】
まず、送信器において暗号鍵元となる原乱数データを生成し、乱数が“０”ならば＋基底で、乱数が“１”ならば×基底で光パルスを量子チャネルを通して受信器へ送信する。一方、受信器では２値のランダムな基底＋および×で受信する（ステップＳ３１）。
【００７２】
受信器は検出されたビットのビット番号と、そのビットを受信したときの基底を古典チャネルを介して送信器へ知らせる。送信器は自分が送信した乱数のうち受信器で受信できたビットを選択し、選別鍵として残す（ステップＳ３２）。この鍵共有方式Ｓ３０により送信器と受信器との間で選別鍵が共有される。
【００７３】
次に、この選別鍵の一部を送信器と受信器との間で照合し、ビット誤り率を計算する（ステップＳ３４）。得られたビット誤り率QBERとビット位置の同期が確立しているかを判定するしきい値QBERsyncとを比較し、上述したようにQBER ≧ QBERsyncであれば受信器で得られたビットのビット番号を１ビットスライドさせて付け替え（ステップＳ４１）、受信ビット照合ステップＳ３２へ戻る。QBER＜QBERsyncであれば、そのまま最終鍵生成ステップＳ３６〜Ｓ４０を実行する。
【００７４】
上述したように、本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に，ビット位置の同期が外れて誤り率が大きくなった場合でも、受信器２０において受信ビット番号を付け替えることにより、量子通信で生成された生鍵から再度選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。
【００７５】
５．第５実施形態
量子通信により受信側で生成された生鍵は一律に同期が外れているとは限らない。たとえば１つの生鍵の先頭部分は１ビットずれ、後半は２ビットずれていることも考えられる。このような場合であっても本発明を適用することで、量子通信で生成された生鍵からビット付け替えにより選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。以下、ＢＢ８４プロトコルを一例として、本発明の第５実施形態について説明する。ただし、図１および図２で既に説明した構成および動作の詳細については省略する。
【００７６】
図１４は、本発明の第５実施形態による量子暗号鍵生成方式の鍵生成フローを示すフローチャートである。既に述べたように量子通信（ステップＳ５１）により受信器でデータが検出されると、その検出データは生鍵としてメモリ２０５に記憶される(ステップＳ５２）。続いて、鍵生成制御部２０３は、メモリ２０５の生鍵を先頭から所定の間隔で順次読み出す（ステップＳ５３）。
【００７７】
読み出された生鍵の部分ビット列の受信ビット番号とそのビットを受信した時の基底情報とを古典チャネルを介して送信器へ送信する。送信器の鍵生成制御部１０３は、受信した受信ビット番号から自分が送信した乱数のうち受信器で受信できたビットを選択する(ステップＳ５４）。さらに受信した受信ビットの基底情報と自分で記憶していた基底情報とを比較し、送信した乱数のうち基底の同じビットを残し、残った有効なビットのビット番号を古典チャネルを介して受信器へ送信する。受信器は記憶しておいた受信ビットのうち受け取った有効ビット番号のみを選択する(ステップＳ５５）。こうして、送信器および受信器の双方で、ステップＳ５３で読み出された部分ビット列の選別鍵（部分選別鍵）が仮共有される（ステップＳ５６）。
【００７８】
続いて、仮共有された部分選別鍵の一部を送信器と受信器との間で照合してビット誤り率を計算し(ステップＳ５７）、得られたビット誤り率QBERとビット位置同期確立判定用しきい値QBERsyncとを比較する（ステップＳ５８）。QBER ≧ QBERsyncであれば、同期が確立していないと判断され、受信器で得られたビットのビット番号を１ビットスライドさせて（ステップＳ５９）再び受信ビット照合ステップＳ５４へ戻り、QBER＜QBERsyncとなるまでステップＳ５９およびステップＳ５４〜Ｓ５７を繰り返す。
【００７９】
QBER＜QBERsyncになると（ステップＳ５８のＹＥＳ）、ビット位置同期が確立していると判断し、盗聴判定ステップＳ６０へ進む。送信器の鍵生成制御部１０３は、計算された誤り率QBERと盗聴者が存在するかどうかを判定する盗聴判定用誤り率しきい値QBEReveとを比較し（ステップＳ６０）、QBER＜QBEReveであれば（ステップＳ６０のＹＥＳ）、盗聴者は存在しないと判断し、そのときの部分選別鍵を確定して記憶しておく。
【００８０】
続いて、生鍵が全て照合されたか否かを判定し（ステップＳ６１）、全て照合されるまで（ステップＳ６１のＹＥＳ）、生鍵の部分ビット列を順次読み出しながら（ステップＳ５３）、上記ステップＳ５４〜Ｓ６０を繰り返す。全て照合が終了すると（ステップＳ６１のＹＥＳ）、確定された部分選別鍵を順番に連結して１つの暗号鍵を構成する（ステップＳ６２）。そして、既に述べたように誤り訂正および秘匿増強を行い（ステップＳ６３）、最終的に送信器および受信期間で暗号鍵を共有する。
【００８１】
このように量子通信により受信側で生成された生鍵の同期外れが変動していても、量子通信で生成された生鍵からビット付け替えにより選別鍵を生成し直すことができ、安全かつ安定した高速な鍵生成レートを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、上述したＢＢ８４方式やＢ９２方式だけでなく、量子暗号通信におけるすべての鍵共有方式で適用可能である。また、上述したＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の双方向方式だけでなく、一方向の量子暗号鍵配布方式にも適用可能である。さらに、量子暗号鍵配布に限定されるものではなく量子通信一般、その他光パワーの異なるチャネルが多重化された通信システム一般に適用可能である。
【００８３】
また、量子チャネルと古典チャネルは同一伝送路上の波長分割多重通信だけでなく時分割多重通信でもよく、古典チャネルは１０Ｂａｓｅ−Ｔなどの異なる経路を用いてもよい。このように鍵共有方式や量子通信や古典通信の形態によらず、本発明の技術は有効であり、上記実施形態は本発明を限定するものではない。
【００８４】
さらに、本発明は量子通信を含む光通信だけでなく、信頼性の異なるチャネルを通して通信を行うあらゆる通信システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態による量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態による暗号鍵生成方法を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態による鍵生成フローを説明するための生鍵生成の一例を示す模式図である。
【図４】本実施形態による鍵生成フローを説明するための受信ビット照合の一例を示す模式図である。
【図５】本実施形態による鍵生成フローを説明するための基底照合の一例を示す模式図である。
【図６】送信器と受信器との間でビット位置の同期が確立していない一例を示す模式図である。
【図７】図６に示すビット位置同期が外れている例においてビット番号をスライドさせて新たなビット番号に付け替えた場合を示す模式図である。
【図８】ビット誤り率に対する送受信者間での相互情報量および盗聴者への漏洩情報量の変化を示すグラフである。
【図９】本実施形態における選別鍵確定動作を示すシーケンス図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における選別鍵確定動作を示すシーケンス図である。
【図１１】本発明の第３実施形態によるＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ方式の量子暗号鍵配布システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第４実施形態による量子暗号鍵生成方式の鍵生成フローを示すフローチャートである。
【図１３】本実施形態で使用されるプロトコルＢ９２に従った手順の具体例を示す模式図である。
【図１４】本発明の第５実施形態による量子暗号鍵生成方式の鍵生成フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１０  送信器
２０  受信器
１０１  量子ユニット
１０２  光送受信器
１０３  鍵生成制御部
１０４  プログラムメモリ
１０５  メモリ
１０６  乱数発生器
２０１  量子ユニット
２０２  光送受信器
２０３  鍵生成制御部
２０４  プログラムメモリ
２０５  メモリ
２０６  乱数発生器
【図１】
2006129332.tif 000003
【図２】
2006129332.tif 000004
【図３】
2006129332.tif 000005
【図４】
2006129332.tif 000006
【図５】
2006129332.tif 000007
【図６】
2006129332.tif 000008
【図７】
2006129332.tif 000009
【図８】
2006129332.tif 000010
【図９】
2006129332.tif 000011
【図１０】
2006129332.tif 000012
【図１１】
2006129332.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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