(57)【要約】【課題】  量子暗号通信における有効情報の増加、効率的なデータ共有を可能とした装置および方法を提供する。【解決手段】  量子暗号に基づく通信処理において、受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した２π／Ｍの整数倍各々に対する量子状態に対してビット情報を設定し、これらをデータ送受信側で共有し、共有されたビット情報を例えば秘密鍵の構成データとして適用する。例えば、送信側の位相変調量を４状態、受信側の位相変調基底を２基底とした処理例では、信側位相変調量を４状態すべてにビット情報が割り当てられ１００％のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量４状態全てが有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる。【選択図】  図１１
2006109265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信方法であり、
データ送信装置において、
複数の異なる位相変調量を持つ複数の量子状態をランダムに選択した信号列を送信するデータ送信ステップと、
データ受信装置において、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量に対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行する検出ステップと、
適用した基底情報としての適用位相変調態様情報をデータ送信側に通知する通知ステップと、
データ送信装置において、
データ受信装置から通知された適用位相変調態様情報に応じて、データ送信装置において設定した複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知する情報共有ステップと、
を有する量子暗号通信方法。
【請求項２】
前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
有限個の量子状態（コヒーレント状態）の設定処理ステップとして、
Ｍ≧２の整数を選択するステップと、
位相変調量を２π／Ｍの整数倍からランダムに選択するステップとを含み、
選択位相変調量に基づく位相変調処理を実行して送信するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項３】
前記データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された適用位相変調態様情報に応じて、データ送信装置において設定した有限個の複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振る処理を実行するとともに、データ受信側において適用した基底（受信側適用位相変調処理）による測定が困難と判定される量子状態を、ビット割り当て対象から排除する処理を行なうステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項４】
前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、さらに、
複数の異なる量子状態に、平均光子数の異なる量子状態が含まれる場合は、光子数調整（強度変調）処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項５】
データ受信装置における検出ステップは、
ホモダイン検出処理による検出情報に対するしきい値を設定した信号判別処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項６】
データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、
データ受信装置における検出ステップは、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、
データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された２種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した４５°，１３５°，２２５°，３１５°の４種類の位相変調量の組み合わせ全８通りに全てに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項７】
データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、
データ受信装置における検出ステップは、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、
データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された３種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，１２０°，２４０°の３種類の位相変調量の組み合わせ全９通り中、６通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項８】
データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、
データ受信装置における検出ステップは、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、
データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された３種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°の６種類の位相変調量の組み合わせ全１８通り中、１２通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項９】
データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、
データ受信装置における検出ステップは、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、
データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された２種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°の８種類の位相変調量の組み合わせ全１６通り中、１２通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１０】
前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、さらに、
０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°の８種類の位相変調量の異なる量子状態の設定において、光子数調整（強度変調）処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１１】
データ送信装置におけるデータ送信ステップは、
２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、
データ受信装置における検出ステップは、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、
データ送信装置における情報共有ステップは、
データ受信装置から通知された４種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°の８種類の位相変調量の組み合わせ全３２通りに、対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする請求項１に記載の量子暗号通信方法。
【請求項１２】
量子暗号に基づくデータ送信処理を実行する量子暗号通信装置であり、
光源と、
前記光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにおいて分離された一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調部と、
前記位相変調部において位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰部とを有し、
前記位相変調部は、
２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項１３】
前記位相変調部は、
４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１４】
前記位相変調部は、
０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１５】
前記位相変調部は、
０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１６】
前記位相変調部は、
０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１７】
前記位相変調部は、
２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする請求項１２に記載の量子暗号通信装置。
【請求項１８】
量子暗号処理データの受信および検出処理を実行する量子暗号通信装置であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出部を有し、
前記ホモダイン検出部は、
受信信号に対して複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調部を含み、各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行する構成であることを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項１９】
前記位相変調部は、
複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１８に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２０】
前記位相変調部は、
複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１８に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２１】
前記位相変調部は、
複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする請求項１８に記載の量子暗号通信装置。
【請求項２２】
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信システムであり、
量子暗号に基づくデータ送信処理を実行するデータ送信装置であり、
光源と、前記光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにおいて分離された一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調部と、前記位相変調部において位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰部とを有し、前記位相変調部は、２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行する構成を有するデータ送信装置と、
量子暗号処理データの受信処理を実行するデータ受信装置であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出部を有し、
前記ホモダイン検出部は、受信信号に対して、複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調部を含み、
各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行する構成を有するデータ受信装置と、
から構成されることを特徴とする量子暗号通信システム。
【請求項２３】
量子暗号に基づくデータ生成処理を実行する量子暗号データ生成方法であり、
光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成し、一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調ステップと、
前記位相変調ステップにおいて位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰ステップとを有し、
前記位相変調ステップは、
２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行するステップであることを特徴とする量子暗号データ生成方法。
【請求項２４】
前記位相変調ステップは、
４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする請求項２３に記載の量子暗号データ生成方法。
【請求項２５】
前記位相変調ステップは、
０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする請求項２３に記載の量子暗号データ生成方法。
【請求項２６】
前記位相変調ステップは、
０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする請求項２３に記載の量子暗号データ生成方法。
【請求項２７】
前記位相変調ステップは、
０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする請求項２３に記載の量子暗号データ生成方法。
【請求項２８】
前記位相変調ステップは、
２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする請求項２３に記載の量子暗号データ生成方法。
【請求項２９】
量子暗号処理データの受信および検出処理を実行する量子暗号データ検出方法であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出ステップを有し、
前記ホモダイン検出ステップは、受信信号に対して、複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調ステップを含み、各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行することを特徴とする量子暗号データ検出方法。
【請求項３０】
前記位相変調ステップは、
複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする請求項２９に記載の量子暗号データ検出方法。
【請求項３１】
前記位相変調ステップは、
複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする請求項２９に記載の量子暗号データ検出方法。
【請求項３２】
前記位相変調ステップは、
複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする請求項２９に記載の量子暗号データ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置、並びに量子暗号通信システムに関する。さらに詳細には、量子暗号を用いた秘密情報の通信、共有処理において、効率的な情報通信処理および情報共有処理を可能とした量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置、並びに量子暗号通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ネットワーク通信、電子商取引の発展に伴い、通信におけるセキュリティ確保が重要な問題となっている。セキュリティ確保の１つの方法が暗号技術であり、様々な暗号化手法を用いた通信が行なわれている。
【０００３】
暗号化方式には、大別して共通鍵方式、公開鍵方式がある。共通鍵方式は、対称暗号方式ともよばれ、発信者、受信者の双方で共通の秘密鍵を保有する。共通鍵方式の代表的な方法として、ＤＥＳ（Data Encryption Standard）がある。ＤＥＳアルゴリズムの特徴は、暗号化と復号化とをほぼ同じアルゴリズムで実行可能なことである。
【０００４】
この共通鍵暗号に対して、発信者と受信者の鍵を異なるものとした構成が公開鍵方式または非対称暗号方式である。公開鍵暗号方式では、暗号化、復号化に共通の秘密鍵を用いる共通鍵暗号方式と異なり、秘密に保つ必要のある秘密鍵は、特定の１人が持てばよいため鍵の管理において有利である。ただし、公開鍵暗号方式は共通鍵暗号方式に比較してデータ処理速度が遅く、一般には、秘密鍵の配送、ディジタル署名等のデータ量の少ない対象に多く用いられている。公開鍵暗号方式の代表的なものにはＲＳＡ（Rivest-Shamir-Adleman）暗号がある。これは非常に大きな２つの素数（例えば１５０桁）の積を用いるものであり、大きな２つの素数（例えば１５０桁）の積の素因数分解する処理の困難さを利用している。
【０００５】
しかし、量子力学の原理を利用する量子コンピュータを用いれば計算の困難さは解消されることが証明されているほか、計算の困難さについての情報理論的な証明は存在しないので、現在のコンピュータを利用する効率的なアルゴリズムが発見される可能性もあり、公開鍵暗号方式の安全性には疑問がある。
【０００６】
一方、秘密鍵を共有する共通鍵方式では、第３者に知られないように秘密鍵を共有する必要がある。例えばネットワークを介して秘密鍵の共有処理を行なう場合には、ネットワークの盗聴などに対して十分な対策を講じることが必要となる。
【０００７】
量子暗号を適用することで、物理法則を利用して安全に秘密鍵を共有することが可能になる。量子暗号を用いた秘密情報の通信は、例えば光ファイバーを介した微弱な信号光（例えば光子数が１個程度）の送信によって行なわれる。量子暗号を用いた秘密情報の通信における安全性は、量子暗号を適用した通信チャネルからの信号検出において微弱な光の状態を一回の測定で正確に決定することができないということに基づく。
【０００８】
量子暗号を用いた秘密情報の通信の概要について説明する。秘密データの共有は、送信側において光に対する偏光処理、あるいは位相変調処理を施して送信し、受信側でこれを検出することを基本として行なわれる。
【０００９】
位相変調処理を適用した秘密情報の通信処理例について、図を参照して説明する。図１に示すように、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０から、受信者（Ｂｏｂ）２０に対して例えば光ファイバー等のデータ通信路３０を介して光信号が送信される。
【００１０】
送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側では、変調器１１を適用して、｛０，π／２，π，３π／２｝のいずれかの位相変調をコヒーレント光に対して施して出力する。例えば、図に示すように、ビット０に対しては、０またはπ／２の位相変調光とし、ビット１に対しては、π，または３π／２の位相変調光として出力する。
【００１１】
例えば、図１の下段に示す表において選択ビット列が（ａ）のビット系列である場合、変調器１１から出力される位相変調光は（ｂ）に示すような位相変調系列信号として受信者（Ｂｏｂ）２０側に送信される。なお、ここでは、（ａ）の選択ビット系列の設定の後、選択ビット系列に対応する変調処理を行なう設定例を説明するが、（ａ）の選択ビット系列の設定を行うことなく、ランダムなシーケンスで変調を行なってもよい。すなわち、（ａ）の選択ビット系列の設定を行うことなく、（ｂ）に示す位相変調をランダムに実行し、その後、変調系列データに対応するビット列、すなわち（ａ）の選択ビット列を導く構成でもよい。
【００１２】
次に、受信者（Ｂｏｂ）２０側の処理について、図２を参照して説明する。受信者（Ｂｏｂ）２０側では、観測器２１において、｛０，π／２｝のいずれかをランダムに選択して位相変調を行い干渉を測定する。干渉測定により、干渉の検出が可能なケースは、下記の２つのケースである。
（１）データ送信側の位相変調＝０，π→観測器２１において０の位相変調を行なった場合
（２）データ送信側の位相変調＝π／２，３π／２→観測器２１においてπ／２の位相変調を行なった場合
である。
【００１３】
それ以外の組み合わせでは、干渉に基づくビット検出はできない。例えば、受信者（Ｂｏｂ）２０側の観測器２１において、図２の下段の表に示す（ｃ）の位相変調処理を実行した場合、（ｄ）に示すビット検出が可能となる。（ｄ）干渉に基づく確認ビットに示すデータにおいて、［０］，［１］が、上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせであり、ビットの識別が実行できた部分であり、［×］は、上記条件（１），（２）を満足しない組み合わせであり、ビットの識別が実行できなかった部分である。
【００１４】
次に、受信者（Ｂｏｂ）２０は、図３に示すように、受信者（Ｂｏｂ）２０側の観測器２１において適用した変調系列情報、すなわち図の下段の表の（ｃ）の情報列を送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側に通知する。図に示す｛０，０，π／２，π／２，０・・｝である。
【００１５】
送信者（Ａｌｉｃｅ）１０は、受信者（Ｂｏｂ）２０から受領した変調系列情報に基づいて、ビット検出に適応した正しい変調が行なわれた部位、すなわち上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせである部位と、正しくない変調が行なわれた部位、すなわち上記条件（１），（２）を満足しない組み合わせである部位を示す情報を生成して受信者(Ｂｏｂ)２０に送信する。すなわち図の下段の表の（ｅ）の情報列を受信者（Ｂｏｂ）２０側に通知する。図に示す｛○，×，○，×，○，○・・｝である。
【００１６】
なお、図３に示す受信者（Ｂｏｂ）２０側からの変調系列情報｛０，０，π／２，π／２，０・・｝、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側からの情報｛○，×，○，×，○，○・・｝は公開通信路を適用してよい。
【００１７】
次に、図４に示すように、受信者（Ｂｏｂ）２０は、観測器２１において検出されたビット情報列を送信者（Ａｌｉｃｅ）１０側に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。一方、送信者（Ａｌｉｃｅ）１０は、上記条件（１）または（２）を満足する組み合わせである部位のみの構成ビット列情報を受信者（Ｂｏｂ）２０に通知する。図に示す｛０，０，１，０・・｝である。これは、図の下段の表において、（ａ）の送信ビットから（ｅ）送受信側の変調適合において［○］が設定されたもののみを選択したビット系列である。これらの通知処理も公開通信路を介して実行してよい。
【００１８】
データ通信路３０において通信データの盗聴が行なわれていない場合は、図４に示すビットの相互通知処理において、すべての確認ビットが一致する。しかし、データ通信路３０において通信データの盗聴が行なわれると、図５に示すように、ビットの相互通知処理において、相互の通知ビットのずれが発生する。これは、データ通信路３０の盗聴により、変調状態が変化してしまうことによる。データ通信路３０における盗聴がない場合には、相互の通知ビットのずれは発生することがない。
【００１９】
このようなデータ通信により、例えば共通鍵暗号方式における秘密鍵などの秘密情報を共有することが可能となる。なお、例えば秘密鍵ｎビットを共有する場合は、図４を参照して説明した相互通知処理のなされたビットが互いに一致することを確認した後、予め相互に通知済みの共通のビット選択処理により、上記処理によって共有できたｍビット（ｍ＞ｎ）からｎビットを選択するなどの処理が実行される。
【００２０】
なお、上述の量子暗号を適用したデータ通信においては、正規の受信者は、送信者から送信される微弱なパルス光を検出することが必要となる。微弱なパルス光を検出する方法としては、単一光子検出法とホモダイン検出法がある。ホモダイン検出法は微弱な信号光（Ｓ）（平均光子数が１個程度）と比較的強度の強い参照光（Ｌ）（典型的な平均光子数は１０６程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。
【００２１】
ホモダイン検出法の利点は、室温での動作が可能で、現在の技術でも理論的な限界に近い測定が可能であること、直交位相振幅の確率分布関数のように測定状態についてのより詳細な情報が得られることなどがある。なお、量子暗号における各種の信号検出手法については、非特許文献１，２、および特許文献１に記載されている。
【００２２】
ホモダイン検出法を用いた量子暗号法は単一光子検出を想定した方法のアナロジーとしての４状態を用いる符号化方法を採用している。そのため基底の不一致により２回に１回は検出結果が秘密鍵に貢献しない。つまり、送信した信号の半分は情報の担い手として利用することができないため、符号化効率は１／２より大きくはできない。
【００２３】
図６を参照して、従来のホモダイン検出法を用いた量子暗号法における符号化効率について説明する。図６（１）は、送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号としての量子状態（コヒーレント状態）５１〜５４と、受信側の観測系として適用される２つの位相変調処理に対応する基底Ｘ１，７１と、基底Ｘ２，７２を示している。
【００２４】
受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１を適用した場合には、送信側の位相変調処理によって得られる４つの量子状態（コヒーレント状態）号５１〜５４中、０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別のみが可能となり、９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別はできない。また、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２を適用した場合には、送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号である量子状態５１〜５４中、９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別のみが可能となり、０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別はできない。
【００２５】
この状態別の対応を示したのが、図６（２）の表である。図６（２）に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）検出ビットと基底の一致、不一致、（Ｄ）検出可能ビット率（基底一致率）の各データを示している。
【００２６】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図６（１）に示す送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号である量子状態５１〜５４のいずれか、すなわち、
０度位相変調信号である量子状態５１、
９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２、
１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３、
２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４、
のいずれかである。
【００２７】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図６（１）に示す受信側の観測系として適用される２つの基底（受信側適用位相変調）、すなわち、
基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１、
基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２、
のいずれかである。
【００２８】
送信側で任意に４つの位相変調信号をランダムに選択し、受信側においても２つの観測系をランダムに選択した場合、図６（２）に示す８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【００２９】
図６（２）の（Ｃ）は、検出ビットと基底の一致、不一致のデータを示している。前述したように、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ１，７１を適用した場合には、送信側の０度位相変調信号である量子状態５１と、１８０度（π）位相変調信号である量子状態５３の判別のみが可能となり、受信側の観測系として基底（受信側適用位相変調）Ｘ２，７２を適用した場合には、送信側の９０度（π／２）位相変調信号である量子状態５２と、２７０度（３π／２）位相変調信号である量子状態５４の判別のみが可能となる。
【００３０】
受信側で適用する観測系を受信側位相変調基底と呼ぶ。受信側においてビット値を判別可能な場合を「基底の一致」、受信側においてビット値を判別不可能な場合を「基底の不一致」とする。図から理解されるように、全８パターン中、基底一致の組み合わせは４通り、基底不一致の組み合わせは４通りである。結果として、図６（２）の（Ｄ）検出可能ビット率（基底一致率）に示すように、データ送受信側において基底が一致し、ビット値の検出可能となる確率は１／２（５０％）となる。
【００３１】
基底の一致、不一致の態様について図７を参照して、さらに説明する。図７（ａ）は、基底が一致する場合、図７（ｂ）は基底不一致の場合の例である。図７（ａ１）は、基底一致の場合の送信側の位相変調量と受信側の位相変調量の組み合わせを示している。
すなわち、
受信側位相変調量：ΦＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：ΦＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝０、π
の４通りである。
【００３２】
これらの場合、受信側では、図７（ａ２）に示すように、信号を区分して判別することができる。すなわち、判別用の信号として、得られるデータは、
Φ＝｜ΦＡ−ΦＢ｜
であり、
Φ＝０、またはΦ＝πのいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。このような場合が基底一致状態である。
【００３３】
一方、図７（ｂ）は基底不一致の場合の例である。図７（ｂ１）は、基底不一致の場合の送信側の位相変調量と受信側の位相変調量の組み合わせを示している。
すなわち、
受信側位相変調量：ΦＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：ΦＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝０、π
の４通りである。
【００３４】
これらの場合、受信側では、図７（ｂ２）に示すように、信号を区分して判別することができない。すなわち、判別用の信号として、得られるデータは、
Φ＝ΦＡ−ΦＢ
であり、
Φ＝±（π／２）の検出信号のみしか得ることができず、ビット値判別が不可能となる。このような場合が基底不一致状態である。
【００３５】
基底不一致の場合は、データ送信側と受信側の共有秘密情報を構成するビット値として適用できないので、破棄されることになる。データ送信側と受信側の共有秘密情報を構成するビット値は、基底一致の場合のみとなる。すなわち、送信側で位相変調処理を実行して受信側に送信した信号中、最大１／２が有効情報として利用可能であるが、残りの１／２の信号が無駄になってしまうことになる。
【００３６】
このように、これまでに提案されている量子暗号を適用した秘密情報の通信装置および方法では、送信側から受信側へ送信していた位相変調信号中、１／２の信号が有効情報として利用することができず、転送信号の大きな無駄が発生していた。
【特許文献１】特開２０００−１０１５７０
【非特許文献１】Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｕｓｉｎｇ  ｐｕｌｓｅｄ  ｈｏｍｏｄｙｎｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，  Ｔ．  Ｈｉｒａｎｏ，  Ｈ．  Ｙａｍａｎａｋａ，  Ｍ．  Ａｓｈｉｋａｇａ，  Ｔ．  Ｋｏｎｉｓｈｉ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｎａｍｉｋｉ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ  ６８，  ０４２３３１−１−７  （２００３）．
【非特許文献２】Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｕｓｉｎｇ  ｂａｌａｎｃｅｄ  ｈｏｍｏｄｙｎｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，  Ｒ．  Ｎａｍｉｋｉ，  Ｔ．  Ｈｉｒａｎｏ，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ  ６７，  ０２２３０８  （２００３）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、量子暗号を適用した秘密情報の通信において送信側から受信側に対して送信する位相変調信号に無駄を発生させることなく、より多くの信号を有効情報として適用、すなわち、送信側と受信側においてより多くの情報を共有する秘密情報として適用することを可能とした量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置、並びに量子暗号通信システム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】
【００３８】
本発明の第１の側面は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信方法であり、
データ送信装置において、
複数の異なる位相変調量を持つ複数の量子状態をランダムに選択した信号列を送信するデータ送信ステップと、
データ受信装置において、
前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量に対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行する検出ステップと、
適用した基底情報としての適用位相変調態様情報をデータ送信側に通知する通知ステップと、
データ送信装置において、
データ受信装置から通知された適用位相変調態様情報に応じて、データ送信装置において設定した複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知する情報共有ステップと、
を有する量子暗号通信方法にある。
【００３９】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、有限個の量子状態（コヒーレント状態）の設定処理ステップとして、Ｍ≧２の整数を選択するステップと、位相変調量を２π／Ｍの整数倍からランダムに選択するステップとを含み、選択位相変調量に基づく位相変調処理を実行して送信するステップであることを特徴とする。
【００４０】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された適用位相変調態様情報に応じて、データ送信装置において設定した有限個の複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振る処理を実行するとともに、データ受信側において適用した基底（受信側適用位相変調処理）による測定が困難と判定される量子状態を、ビット割り当て対象から排除する処理を行なうステップであることを特徴とする。
【００４１】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、さらに、複数の異なる量子状態に、平均光子数の異なる量子状態が含まれる場合は、光子数調整（強度変調）処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００４２】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ受信装置における検出ステップは、ホモダイン検出処理による検出情報に対するしきい値を設定した信号判別処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００４３】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ送信装置におけるデータ送信ステップは、４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、データ受信装置における検出ステップは、前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された２種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した４５°，１３５°，２２５°，３１５°の４種類の位相変調量の組み合わせ全８通りに全てに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする。
【００４４】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ送信装置におけるデータ送信ステップは、０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、データ受信装置における検出ステップは、前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された３種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，１２０°，２４０°の３種類の位相変調量の組み合わせ全９通り中、６通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする。
【００４５】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ送信装置におけるデータ送信ステップは、０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、データ受信装置における検出ステップは、前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された３種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°の６種類の位相変調量の組み合わせ全１８通り中、１２通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする。
【００４６】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ送信装置におけるデータ送信ステップは、０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、データ受信装置における検出ステップは、前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された２種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°の８種類の位相変調量の組み合わせ全１６通り中、１２通りに対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする。
【００４７】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、前記データ送信装置におけるデータ送信ステップは、さらに、０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°の８種類の位相変調量の異なる量子状態の設定において、光子数調整（強度変調）処理を実行するステップを含むことを特徴とする。
【００４８】
さらに、本発明の量子暗号通信方法の一実施態様において、データ送信装置におけるデータ送信ステップは、２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量による変調処理を施した量子状態をランダムに選択した信号列を送信するステップであり、データ受信装置における検出ステップは、前記信号列を受信し、複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行するステップであり、データ送信装置における情報共有ステップは、データ受信装置から通知された４種類の適用位相変調態様と、データ送信装置において設定した２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°の８種類の位相変調量の組み合わせ全３２通りに、対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知するステップであることを特徴とする。
【００４９】
さらに、本発明の第２の側面は、
量子暗号に基づくデータ送信処理を実行する量子暗号通信装置であり、
光源と、
前記光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにおいて分離された一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調部と、
前記位相変調部において位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰部とを有し、
前記位相変調部は、
２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする量子暗号通信装置にある。
【００５０】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする。
【００５１】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする。
【００５２】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする。
【００５３】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする。
【００５４】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行する構成であることを特徴とする。
【００５５】
さらに、本発明の第３の側面は、
量子暗号処理データの受信および検出処理を実行する量子暗号通信装置であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出部を有し、
前記ホモダイン検出部は、
受信信号に対して複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調部を含み、各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行する構成であることを特徴とする量子暗号通信装置にある。
【００５６】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする。
【００５７】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする。
【００５８】
さらに、本発明の量子暗号通信装置の一実施態様において、前記位相変調部は、複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行する構成であることを特徴とする。
【００５９】
さらに、本発明の第４の側面は、
量子暗号に基づく通信処理を実行する量子暗号通信システムであり、
量子暗号に基づくデータ送信処理を実行するデータ送信装置であり、
光源と、前記光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにおいて分離された一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調部と、前記位相変調部において位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰部とを有し、前記位相変調部は、２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行する構成を有するデータ送信装置と、
量子暗号処理データの受信処理を実行するデータ受信装置であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出部を有し、
前記ホモダイン検出部は、受信信号に対して、複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調部を含み、
各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行する構成を有するデータ受信装置と、
から構成されることを特徴とする量子暗号通信システムにある。
【００６０】
さらに、本発明の第５の側面は、
量子暗号に基づくデータ生成処理を実行する量子暗号データ生成方法であり、
光源からの出力光を分離し、参照光と位相変調部への入力光を生成し、一方の光に対する位相変調処理を実行する位相変調ステップと、
前記位相変調ステップにおいて位相変調のなされた変調光の減衰処理を実行し信号光を生成する減衰ステップとを有し、
前記位相変調ステップは、
２π／Ｍ（ただしＭはＭ≧２の整数）の整数倍からランダムに選択された位相変調量に相当する位相変調処理を実行するステップであることを特徴とする量子暗号データ生成方法にある。
【００６１】
さらに、本発明の量子暗号データ生成方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする。
【００６２】
さらに、本発明の量子暗号データ生成方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、０°，１２０°，２４０°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする。
【００６３】
さらに、本発明の量子暗号データ生成方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする。
【００６４】
さらに、本発明の量子暗号データ生成方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする。
【００６５】
さらに、本発明の量子暗号データ生成方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°のいずれかの位相変調量に相当する位相変調処理をランダムに実行するステップであることを特徴とする。
【００６６】
さらに、本発明の第６の側面は、
量子暗号処理データの受信および検出処理を実行する量子暗号データ検出方法であり、
量子暗号処理データに対するホモダイン検出処理を実行するホモダイン検出ステップを有し、
前記ホモダイン検出ステップは、受信信号に対して、複数の異なる基底としての位相変調量をランダムに選択した位相変調処理を実行する位相変調ステップを含み、各選択基底による位相変調処理に基づくホモダイン検出処理各々において、少なくとも２つの量子状態の判別を実行することを特徴とする量子暗号データ検出方法にある。
【００６７】
さらに、本発明の量子暗号データ検出方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、複数の異なる位相変調量として、０°，９０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする。
【００６８】
さらに、本発明の量子暗号データ検出方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、複数の異なる位相変調量として、９０°，−３０°，−１５０°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする。
【００６９】
さらに、本発明の量子暗号データ検出方法の一実施態様において、前記位相変調ステップは、複数の異なる位相変調量として、０°，４５°，９０°，１３５°のいずれかに対応する複数の基底をランダムに選択した位相変調処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００７０】
本発明は、データ送信装置において、複数の異なる位相変調量を持つ複数の量子状態をランダムに選択した信号列を送信し、データ受信装置において、複数の異なる位相変調量に対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行する検出する量子暗号通信構成において、データ受信側が適用した基底情報としての適用位相変調情報をデータ送信側に通知し、データ送信側において、通知情報に基づいて送信側の設定した複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知して情報を共有する構成とした。具体的には、受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した２π／Ｍの整数倍各々に対する量子状態に対して、ビット情報を設定し、これらをデータ送受信側で共有し、共有されたビット情報を例えば秘密鍵の構成データとして適用することを可能とした。本発明の構成によれば、例えば、送信側の位相変調量を４状態、受信側の位相変調基底を２基底とした処理例では、信側位相変調量を４状態すべてにビット情報が割り当てられ１００％のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量４状態全てが有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できるなど、より多くの量子状態に対応してビット情報の共有が可能となりデータ送信効率が向上する。また、適用する位相変調処理、すなわち量子状態の増加により盗聴の困難性を高めることが可能となり、安全性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
以下、本発明の量子暗号通信方法、および量子暗号通信装置、並びに量子暗号通信システムの詳細について説明する。
【００７２】
図８は本発明の量子暗号通信システムの一実施形態を示す図である。データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００およびデータ受信側装置としての量子暗号通信装置２００間で、光ファイバーなどからなる通信路３００を介して秘密情報を送信する。送信秘密情報は、例えば共通鍵暗号方式において適用される共有秘密鍵などの秘密情報である。なお、通信路３００には光ファイバーもしくは自由空間を用いることができる。自由空間を通信路とするときには、望遠鏡を使用して通信路における光ビームの径を大きくすることにより、光の回折の影響を小さくすることができる。
【００７３】
データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００は、光源１０１、ビームスプリッタ１０２、位相変調器１０３、鏡１０４、減衰器１０５を有する。光源１０１には半導体レーザーを用いることができる。通信路３００に長距離の光ファイバーを用いる場合には、波長１．５５μｍの半導体レーザーを用いることにより光損失の影響を小さくすることができる。光源はパルス光を発生するように、半導体レーザーへの注入電流をパルス的に変調するか、吸収型光変調器（ＥＡＭ）を用いる。半導体レーザーとしてはファブリーペロー型を用いることもできるが、ＤＦＢレーザーを用いると光源のスペクトル幅を狭くすることができる。
【００７４】
光源１０１から出た光は、ビームスプリッタ１０２で分割される。分割される光信号の片方を参照光（Ｌ）、もう一方を信号光（Ｓ）と呼ぶ。信号光（Ｓ）は、位相変調器１０３により、所定量（例えば４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかをランダムに選択）の位相変調がなされ、鏡１０４で反射され、さらに、減衰器１０５により強度を減少し、典型的な強度が光子１個程度となるようにした後、出力する。一方、参照光（Ｌ）の典型的な強度は光子１千万個程度となるようにして出力する。
【００７５】
なお、本発明において、位相変調器１０３による位相変調処理は、従来の装置における処理とは異なる手法が採用される。この位相変調処理については後段で詳細に説明する。
【００７６】
データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００は、鏡２０１、位相変調器２０２、ビームスプリッタ２０３、フォトダイオード２０４，２０５、減算処理部２０６、増幅器２０７、および電圧測定器２０８を有する。データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００は、ビームスプリッタ２０３、フォトダイオード２０４，２０５、減算処理部２０６、増幅器２０７、および電圧測定器２０８を用いて、信号光（Ｓ）と参照光（Ｌ）とに基づく平衡型ホモダイン検出を行う。
【００７７】
ホモダイン検出法は微弱な信号光（Ｓ）（平均光子数が１個程度）と比較的強度の強い参照光（Ｌ）（典型的な平均光子数は１０６程度）を重ね合わせて信号光の状態を測定する方法である。量子暗号通信装置２００は、信号光（Ｓ）および参照光（Ｌ）を受信すると、参照光（Ｌ）を鏡２０１を介して位相変調器２０２に入力し、所定の位相量（例えば０°，９０°のいずれかをランダムに選択）の変調処理を施して信号光（Ｓ）と参照光（Ｌ）との相対的な位相差を変化させる。その後、ビームスプリッタ２０３によって信号光（Ｓ）と参照光（Ｌ）とを重ね合わせる。ビームスプリッタ２０３からの２つの出力光はフォトダイオード２０４，２０５に入力され、それぞれ電気信号に変換する。
【００７８】
フォトダイオード２０４，２０５には、光波長が可視域もしくは近赤外の場合にはＳｉを、波長が１．３μｍ〜１．６μｍの場合にはＧｅもしくはＩｎＧａＡｓを用いることができる。２つのフォトダイオード２０４，２０５の出力は、減算処理部２０６に入力され、差信号が生成される。生成した差信号を増幅器２０７において増幅し、この出力を電圧測定器２０８に入力して電圧を測定する。増幅器２０７にはチャージセンシティブアンプを用い、その典型的な利得は３０Ｖ／ｐＣ（ピコクーロン）なので、差信号に１万個の電子が含まれているときの出力電圧は５０ｍＶ程度となる。この計測値を規格化して信号光（Ｓ）の位相振幅情報を得る。この位相振幅情報に基づいて対応付けられるビット値を通信秘密情報、例えば秘密鍵の構成ビット情報を得る。
【００７９】
以下、量子状態として設定する位相変調量の種類の数に応じて、４状態、６状態、８状態の位相変調量を適用した量子暗号通信処理それぞれの実施例について順次、説明する。
【００８０】
［（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例］
図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理の対応を図９を参照して説明する。
【００８１】
図９（ａ）は、本発明の第１実施例であり、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例を示し、送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示を示してある。図に示す４つの円は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の平均の光子数の平方根に比例している。また、２つの円に注目した場合、円の中心と原点をそれぞれ結んでできる２直線がなす角度は、２つのコヒーレント状態の位相差を表す。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【００８２】
平衡型ホモダイン検出を用いる図８の量子暗号通信システムにおいて、送信側は位相変調器１０３において｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信し、受信側は位相変調器２０２において｛０°，９０°｝いずれかの位相変調を行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【００８３】
図９に示すコヒーレント状態表示について、図１０を参照して説明する。レーザー光の量子状態がコヒーレント状態であり、コヒーレント状態は、以下に示すウィグナー関数と呼ばれる２次元平面上の関数で表現できる。
Ｗ（ｘ，ｙ）＝（２／π）ｅｘｐ［−２（ｘ１−Ｘ）２−２（ｘ２−Ｙ）２］
このとき、
α＝Ｘ＋ｉＹを
コヒーレント状態の複素振幅とよぶ。
ｔａｎΦ＝Ｘ／Ｙとすれば、α＝｜α|ｅｉΦと書き表せる。
光パルスに位相変調を加えることは、位相Φの値を変化させることに相当し、また、強度変調を加えることはαの大きさ｜α|の値を変化させることに相当する。ｎ＝｜α２|は、コヒーレント状態の平均光子数に相当し、パルス光に平均して含まれる光子数を示し、パルス光の強度、エネルギーを表す。
【００８４】
コヒーレント状態は、ウィグナー関数の等高線によって模式的に示すことができる。図１０に示すように、ウィグナー関数が定義されている２次元平面において、円３５１は、揺らぎを考慮したある量子状態の範囲を示す等高線であり、この円３５１に含まれるコヒーレント状態が｜α〉として示される。この円３５１の中心における位相は、位相＝Φ、原点から円３５１の中心までの距離は、コヒーレント状態の複素振幅の大きさ｜α|であり、コヒーレント状態の平均光子数の平方根に比例している。
【００８５】
図９に戻り、本発明の第１実施例であり、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例についての説明を続ける。図９（ａ）に示す４つの円は、本発明の構成において、送信側の送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示である。変調データ３２１〜３２４に対応する円は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、各々４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の平均光子数の平方根に比例している。また、２つの円に注目した場合、円の中心と原点をそれぞれ結んでできる２直線がなす角度は、２つのコヒーレント状態の位相差を表す。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【００８６】
受信側の量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理は、｛０°，９０°｝いずれかの位相変調処理であり、この２つの位相変調処理は、図に示す直行軸Ｘ１，Ｘ２によって示される基底（受信側位相変調処理）に相当する。すなわち、
０°位相変調処理に相当する基底Ｘ１，３１１
９０°位相変調処理に相当する基底Ｘ２，３１２
である。
【００８７】
本明細書では、受信側で適用する観測系を受信側位相変調基底と呼ぶ。本実施例では、受信側位相変調基底は２基底となる。本実施例は、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例である。
【００８８】
なお、参考のために、図９（ｂ）に先に図６、図７を参照して説明した従来型のシステムにおける位相変調処理構成を示してある。図９（ａ）と図９（ｂ）を対比して理解されるように、従来の構成では、送信側の送信側は位相変調器において｛０°，９０°，１８０°，２７０°｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信し、受信側は位相変調器において｛０°，９０°｝いずれかの位相変調を行い、ホモダイン検出をおこなう構成であるが、本発明の構成における位相変調処理では、送信側は、図９（ａ）の各円で示すように、図８に示す位相変調器１０３において｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝のいずれかの変調をかけた４種類のコヒーレント状態を送信する。受信側は位相変調器２０２において｛０°，９０°｝いずれかの位相変調を行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【００８９】
図９（ｂ）に示す従来構成では、先に説明したように、基底一致の場合にのみ情報の共有が可能となり、送信側の位相変調量（ΦＡ）と受信側の位相変調量（ΦＢ）の組み合わせとして、
受信側位相変調量：ΦＢ＝π／２の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝π／２、３π／２
と、
受信側位相変調量：ΦＢ＝０の場合、
送信側位相変調量：ΦＡ＝０、π
の４通りのみにおいて
情報共有が可能となり、その他の組み合わせでは、基底不一致となり情報が共有できないという状態であった。
【００９０】
本発明の構成では、受信側の位相変調量は、｛０°，９０°｝いずれかであり、従来と変更はないが、送信側の位相変調量は、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝のいずれかであり、従来とは異なる。
【００９１】
データ送信側では、送信データとして、有限個の量子状態（コヒーレント状態）として、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝を設定し、これらのいずれかをランダムに選択して、選択位相変調量に基づく位相変調処理を、図８を参照して説明したデータ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行して送信する。例えばデータ送信側では、｛０，１，２，３｝の４種類の数値からなるランダム数列を設定し、０〜３の各数値を、｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝の各位相変調量に対応付けて、ランダム数列に基づいて変調量を順次決定して変調処理を行って送信するなどの処理が可能である。
【００９２】
一方、データ受信側では、データ送信側から送信されるデータとしての有限個のコヒーレント状態を観測する処理を行なうことになる。観測処理は、
ａ）観測系として複数の基底、すなわち位相変調量｛０°，９０°｝の基底（受信側適用位相変調処理）を設定
ｂ）設定した複数の観測系、すなわち位相変調量｛０°，９０°｝の基底をランダムに選択して、ホモダイン検出処理を実行
上述の観測処理は、図８を参照して説明したデータ受信側装置としての量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２においてランダムに選択した複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を適用し、ホモダイン検出による検出処理として実行される。
【００９３】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛４５°，１３５°，２２５°，３１５°｝に相当する４種類の量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【００９４】
本実施例の構成では、受信側が変調量０°（位相振幅のＸ１）で測定した場合、送信側は｛４５°，３１５°｝のコヒーレント状態をビット１、｛１３５°，２２５°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図９（ａ）に示す０°位相変調処理Ｘ１，３１１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、４５°変調データ３２１と、３１５°変調データ３２４の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、残りの１３５°変調データ３２２と、２２５°変調データ３２３の２つの態様のコヒーレント状態をビット０とする。
【００９５】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【００９６】
このように受信側が行った測定の種類に従って、４つの状態のそれぞれに２種類のビット値を割り振るという符号化を行うことで、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報をゼロとすることができる。
【００９７】
図１１を参照して、本発明の構成における量子暗号法における符号化効率について説明する。図１１（１）は、受信側が変調量０°（位相振幅のＸ１）で測定した場合の例であり、円３２１〜３２４は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、各々４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理対応データを示している。受信側が変調量０°（位相振幅のＸ１）で測定した場合、
４５°変調データ３２１＝ビット１
３１５°変調データ３２４＝ビット１
としてビット値が対応付けられ、
１３５°変調データ３２２＝ビット０、
２２５°変調データ３２３＝ビット０、
としてビット値が対応付けられる。
【００９８】
図１１（２）は、受信側が変調量９０°（位相振幅のＸ２）で測定した場合の例であり、この場合、
４５°変調データ３２１＝ビット１
１３５°変調データ３２２＝ビット１、
としてビット値が対応付けられ、
２２５°変調データ３２３＝ビット０、
３１５°変調データ３２４＝ビット０
としてビット値が対応付けられる。
【００９９】
この状態別の対応を示したのが、図１１（３）の表である。図１１（３）に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１００】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図１１（１）（２）に示す送信側の位相変調処理によって得られる４つの変調信号、すなわち４５°変調データ３２１、１３５°変調データ３２２、２２５°変調データ３２３、３１５°変調データ３２４の４つの変調処理データを示している。
【０１０１】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図１１（１）（２）に示す受信側の観測系として適用される２つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝９０°
のいずれかである。
【０１０２】
送信側で任意に４つの位相変調信号（ΦＡ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°）をランダムに選択し、受信側においても２つの観測系としての２つの位相変調量（ΦＢ＝０°，９０°）をランダムに選択した場合、図１１（３）に示す８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１０３】
図１１（３）の（Ｃ）は、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、８種類の全ての組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の４つ種類の位相変調と受信側の２種類の位相変調による全ての８種類の全ての組み合わせにおいてビット値共有が可能となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率は１００％とすることができる。
【０１０４】
なお、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００では、図１２に示すように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（ΦＡ）とデータ受信側位相変調量（ΦＢ）の差分データ、
Φ＝｜ΦＡ−ΦＢ｜
であり、
Φ＝０、またはΦ＝πのいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１２示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１０５】
［（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例］
次に、図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理の第２実施例として、送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例について説明する。
【０１０６】
図１３に、送信側から送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示を示す。図１３に示す３つの円で示す変調データ４０１〜４０３は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、それぞれ０°変調データ４０１、１２０°変調データ４０２、２４０°変調データ４０３の３つの変調処理対応データの量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１０７】
受信側の量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理は、｛９０°，−３０°，−１５０°｝いずれかの位相変調処理であり、この３つの位相変調処理は、図に軸として示す基底（受信側位相変調処理）４２１（ΦＢ＝９０°）、基底（受信側位相変調処理）４２２（ΦＢ＝−３０°）、基底（受信側位相変調処理）４２３（ΦＢ＝−１５０°）に相当する。
【０１０８】
平衡型ホモダイン検出を用いる図８の量子暗号通信システムにおいて、送信側は位相変調器１０３において｛０°，１２０°，２４０°｝のいずれかの変調をかけた３種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器２０２において｛９０°，−３０°，−１５０°｝いずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【０１０９】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，１２０°，２４０°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１１０】
本実施例では、受信側が変調量９０°（位相振幅のＸ２）で測定した場合、送信側は｛１２０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２４０°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１３に示す９０°位相変調処理軸（ΦＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４２１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、１２０°変調データ４０２の態様のコヒーレント状態をビット１とし、２４０°変調データ４０３のコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ４０１の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１１１】
また、受信側が変調量−３０°で測定、すなわち、図１３に示す−３０°位相変調処理軸（ΦＢ＝−３０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４２２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ４０１の態様のコヒーレント状態をビット１とし、１２０°変調データ４０２のコヒーレント状態をビット０とする。２４０°変調データ４０３の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１１２】
さらに、受信側が変調量−１５０°で測定、すなわち、図１３に示す−１５０°位相変調処理軸（ΦＢ＝−１５０°）４２３に相当する基底（受信側位相変調処理）を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２４０°変調データ４０３の態様のコヒーレント状態をビット１とし、０°変調データ４０１のコヒーレント状態をビット０とする。１２０°変調データ４０２の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１１３】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１１４】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した３つの量子状態中の２つに異なるビット値を割り振るという符号化を行うことで、３つの量子状態中２つが有効な共有情報として設定可能であり、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／３に削減することができる。
【０１１５】
図１４を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図１４に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１１６】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図１３に示す送信側の位相変調処理によって得られる３つの変調信号、すなわち０°変調データ４０１、１２０°変調データ４０２、２４０°変調データ４０３の３つの変調処理データを示している。
【０１１７】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図１３に示す受信側の観測系として適用される３つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝９０°
位相変調量＝−３０°
位相変調量＝−１５０°
のいずれかである。
【０１１８】
送信側で任意に３つの位相変調信号（ΦＢ＝０°，１２０°，２４０°）をランダムに選択し、受信側においても３つの位相変調量（ΦＡ＝９０°，−３０°，−１５０°）をランダムに選択した場合、図１４に示す９通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１１９】
図１４の（Ｃ）は、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、９種類中、６個の組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の３つ種類の位相変調と受信側の３種類の位相変調による全ての９種類中、６個の組み合わせにおいてビット値共有が可能となり、残りの３個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値共有が不可となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率は２／３とすることができる。
【０１２０】
なお、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００では、先に図１２を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（ΦＡ）とデータ受信側位相変調量（ΦＢ）の差分データ、
Φ＝｜ΦＡ−ΦＢ｜
であり、
Φｍｏｄ２π＝π／６、またはΦｍｏｄ２π＝５π／６のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１２示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１２１】
本実施例においては、図１４（Ｄ）に示すように、データ送信側と受信側とで、ビット値を共有することの可能性を２／３とすることが可能であり、先に、図６、図７を参照して説明した１／２の有効情報率を向上させることが可能となる。このように受信側の測定の種類に従って、３つの状態のそれぞれに２種類のビット値を割り振るという符号化を行うことで、基底の不一致により秘密鍵に寄与しない測定結果は全体の１／３となる。つまり、全体の２／３は秘密鍵の生成に貢献し、従来の方法よりも効率が向上する。
【０１２２】
［（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例］
次に、図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理の第３実施例として、送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例について説明する。
【０１２３】
図１５に、送信側から送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示を示す。図１５に示す６つの円４３１〜４３６は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、それぞれ０°変調データ４３１、６０°変調データ４３２、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５、３００°変調データ４３６の６つの変調処理対応データに相当する量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１２４】
受信側の量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理は、｛９０°，−３０°，−１５０°｝いずれかの位相変調処理であり、この３つの位相変調処理は、図に軸として示す基底（受信側位相変調処理）４４１（ΦＢ＝９０°）、基底（受信側位相変調処理）４４２（ΦＢ＝−３０°）、基底（受信側位相変調処理）４４３（ΦＢ＝−１５０°）に相当する。
【０１２５】
平衡型ホモダイン検出を用いる図８の量子暗号通信システムにおいて、送信側は位相変調器１０３において｛０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°｝のいずれかの変調をかけた６種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器２０２において｛９０°，−３０°，−１５０°｝いずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【０１２６】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１２７】
本実施例では、受信側が変調量９０°（位相振幅のＸ２）で測定した場合、送信側は｛６０°，１２０°｝のコヒーレント状態をビット１、｛２４０°、３００°｝のコヒーレント状態をビット０としてビット値を割り振る。すなわち、受信側が図１３に示す９０°位相変調処理軸（ΦＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、６０°変調データ４３２と、１２０°変調データ４３３の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２４０°変調データ４３５と、３００°変調データ４３６の２つのコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ４３１と、１８０°変調データ４３４の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１２８】
また、受信側が変調量−３０°で測定、すなわち、図１５に示す−３０°位相変調処理軸（ΦＢ＝−３０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ４３１、３００°変調データ４３６の態様のコヒーレント状態をビット１とし、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４のコヒーレント状態をビット０とする。６０°変調データ４３２と、２４０°変調データ４３５の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１２９】
さらに、受信側が変調量−１５０°で測定、すなわち、図１５に示す−１５０°位相変調処理軸（ΦＢ＝−１５０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）４４３を適用した測定を行なった場合は、送信側は、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５の態様のコヒーレント状態をビット１とし、０°変調データ４３１と、６０°変調データ４３２のコヒーレント状態をビット０とする。１２０°変調データ４３３、３００°変調データ４３６の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１３０】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１３１】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した６つの量子状態中の４つにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、６つの量子状態中４つが有効な共有情報として設定可能であり、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／３に削減することができる。
【０１３２】
図１６を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図１６に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１３３】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図１５に示す送信側の位相変調処理によって得られる６つの変調信号、すなわち０°変調データ４３１、６０°変調データ４３２、１２０°変調データ４３３、１８０°変調データ４３４、２４０°変調データ４３５、３００°変調データ４３６、の６つの変調処理データを示している。
【０１３４】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図１５に示す受信側の観測系として適用される３つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝９０°
位相変調量＝−３０°
位相変調量＝−１５０°
のいずれかである。
【０１３５】
送信側で任意に６つの位相変調信号（ΦＢ＝０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°）をランダムに選択し、受信側においても３つの位相変調量（ΦＡ＝９０°，−３０°，−１５０°）をランダムに選択した場合、図１６に示す１８通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１３６】
図１６の（Ｃ）は、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、１８種類中、１２個の組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の６つ種類の位相変調と受信側の３種類の位相変調による全ての１８種類中、１２個の組み合わせにおいてビット値共有が可能となり、残りの６個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値共有が不可となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率は２／３とすることができる。
【０１３７】
なお、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００では、先に図１２を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（ΦＡ）とデータ受信側位相変調量（ΦＢ）の差分データ、
Φ＝｜ΦＡ−ΦＢ｜
であり、
Φｍｏｄπ＝π／６、またはΦｍｏｄπ＝５π／６のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１２示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１３８】
本実施例においては、図１６（Ｄ）に示すように、データ送信側と受信側とで、ビット値を共有することの可能性を２／３とすることが可能であり、先に、図６、図７を参照して説明した１／２の有効情報率を向上させることが可能となる。
【０１３９】
［（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例］
次に、図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理の第４実施例として、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例について説明する。
【０１４０】
図１７に、送信側から送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示を示す。図１７に示す８つの円５２１〜５２８は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、それぞれ０°変調データ５２１、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３、１３５°変調データ５２４、１８０°変調データ５２５、２２５°変調データ５２６、２７０°変調データ５２７、３１５°変調データ５２８の８つの変調処理対応データに対応する量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１４１】
受信側の量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理は、｛０°，９０°｝いずれかの位相変調処理であり、この２つの位相変調処理は、図に示す軸ｘ１（ΦＢ＝０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）５４１、基底（受信側位相変調処理）ｘ２（ΦＢ＝９０°）５４２に相当する。
【０１４２】
原点から各円の中心までの距離は、各コヒーレント状態の平均光子数の平方根に相当するが、本例では、８つの変調データ中、０°変調データ５２１、９０°変調データ５２３、１８０°変調データ５２５、２７０°変調データ５２７の４つの変調データの原点からの距離と、４５°変調データ５２２、１３５°変調データ５２４、２２５°変調データ５２６、３１５°変調データ５２８の４つの変調処理対応データの原点からの距離が異なり、これらのコヒーレント状態は２つの異なる平均光子数に設定することが必要となる。
【０１４３】
従って、データ送信側の量子暗号通信装置１００は、図１７に示す８つのコヒーレント状態を生成するための構成として、光子数を変更するための構成を持つことが必要となる。図１８を参照して、図１７に示す８つのコヒーレント状態を生成する量子暗号通信装置６００の構成について説明する。
【０１４４】
図１８（Ａ）に示す量子暗号通信装置６００は、先に図８を参照してデータ送信側の量子暗号通信装置１００と異なり、位相変調器１０３の後段にアッテネータ６０１を有する点である。アッテネータ６０１は、信号光（Ｓ）を含む光信号の位相変調器１０３による位相変調処理後の信号の光強度、具体的には光子数を調整する処理を実行する。すなわち、図１８（Ｂ）に示す８つのコヒーレント状態を設定するための調整処理を実行する。
【０１４５】
具体的には、図１８（Ｃ）に示すように、位相変調器１０３の位相変調量が、
０°，９０°，１８０°，２７０°の場合は、１／２倍とする光子数調整を実行し、
４５°，１３５°，２２５°，３１５°の場合は、１倍（処理なし）とする光子数調整を実行する。これらの結果として、図１８（Ｂ）、すなわち図１７に示す８つのコヒーレント状態が設定される。
【０１４６】
このような位相変調および強度（光子数）変調を実行した信号光と参照光とが送信される。データ受信側の構成は、図８に示す構成と同様の構成である。本実施例において、送信側は位相変調器１０３において｛０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°｝のいずれかの変調をかけ、またアッテネータ６０１において強度（光子数）変調を施した８種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器２０２（図８参照）において｛０°，９０°｝いずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【０１４７】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０°，３１５°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１４８】
本実施例では、受信側が図１７に示す０°位相変調処理軸（ΦＢ＝０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）５４１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、０°変調データ５２１と、４５°変調データ５２２と、３１５°変調データ５２８の３つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１３５°変調データ５２４と、１８０°変調データ５２５と、２２５°変調データ５２６の３つのコヒーレント状態をビット０とする。９０°変調データ５２３と、２７０°変調データ５２７の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１４９】
また、受信側が図１７に示す９０°位相変調処理軸（ΦＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）５４２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３と、１３５°変調データ５２４の態様のコヒーレント状態をビット１とし、２２５°変調データ５２６と、２７０°変調データ５２７と、３１５°変調データ５２８のコヒーレント状態をビット０とする。０°変調データ５２１と、１８０°変調データ５２５の態様のコヒーレント状態については、検出不能、すなわち基底不一致として処理する。
【０１５０】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１５１】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した８つの量子状態中の６つにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、８つの量子状態中６つが有効な共有情報として設定可能であり、送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報を１／４に削減することができる。
【０１５２】
図１９を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図１９に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１５３】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図１７に示す送信側の位相変調処理によって得られる８つの変調信号、すなわち０°変調データ５２１、４５°変調データ５２２、９０°変調データ５２３、１３５°変調データ５２４、１８０°変調データ５２５、２２５°変調データ５２６、２７０°変調データ５２７、３１５°変調データ５２８の８つの変調処理データを示している。
【０１５４】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図１７に示す受信側の観測系として適用される２つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝９０°
のいずれかである。
【０１５５】
送信側で任意に８つの位相変調信号（ΦＢ＝０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２２５°，２７０，３１５°）をランダムに選択し、受信側においても２つの位相変調量（ΦＡ＝０°，９０°）をランダムに選択した場合、図１９に示す１６通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１５６】
図１９の（Ｃ）は、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、１６種類中、１２個の組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の８つ種類の位相変調と受信側の２種類の位相変調による全ての１６種類中、１２個の組み合わせにおいてビット値共有が可能となり、残りの４個の組み合わせにおいてのみ、基底不一致によりビット値共有が不可となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率は３／４とすることができる。
【０１５７】
なお、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００では、先に図１２を参照して説明したように、信号を区分して判別する。すなわち、判別用の信号として適用するデータは、データ送信側位相変調量（ΦＡ）とデータ受信側位相変調量（ΦＢ）の差分データ、
Φ＝｜ΦＡ−ΦＢ｜
であり、
Φｍｏｄπ＝０、π／４、またはΦｍｏｄπ＝３π／４のいずれかの検出信号を得ることで、ビット値判別が可能となる。なお、図１２示すように、しきい値（Ｘ０，−Ｘ０）を定め，観測した値としきい値をもとにビット値の決定および共有を行なう。
【０１５８】
本実施例においては、図１９（Ｄ）に示すように、データ送信側と受信側とで、ビット値を共有することの可能性を３／４とすることが可能であり、先に、図６、図７を参照して説明した１／２の有効情報率を向上させることが可能となる。
【０１５９】
［（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例］
次に、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例について説明する。上述した実施例で説明した送信側適用位相変調量を８状態とした構成と同様、送信側位相変調量を８状態とするが、本実施例は、光子数の調整、すなわち強度変調処理を行わない構成例である。本例は、図８を参照して説明した量子暗号通信システムに変更を加えることなく実施可能となる。
【０１６０】
図２０に、送信側から送信するコヒーレント状態（レーザ光）の揺らぎの複素表示を示す。図２０に示す８つの円６０１〜６０８は、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調量に対応し、それぞれ２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６２８の８つの変調処理対応データに対応する量子状態（コヒーレント状態）を示している。原点から各円の中心までの距離は、表示するコヒーレント状態の平均光子数の平方根に比例している。また、円の大きさは量子状態の持つ揺らぎを表す。
【０１６１】
受信側の量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理は、｛０°，４５°，９０°，１３５°｝いずれかの位相変調処理であり、この４つの位相変調処理は、図に軸として示す基底（受信側位相変調処理）ｘ１（ΦＢ＝０°）６２１、基底（受信側位相変調処理）ｘ１／２（ΦＢ＝４５°）６２２、基底（受信側位相変調処理）ｘ２（ΦＢ＝９０°）６２３、基底（受信側位相変調処理）ｘ３／２（ΦＢ＝１３５°）６２４に相当する。本実施例では原点から各円の中心までの距離は、すべて等しく設定され、これらのコヒーレント状態は同一の光子数とすることが可能でありアッテネータは不要である。
【０１６２】
本実施例において、送信側は位相変調器１０３において｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝のいずれかの変調をかけた８種類のコヒーレント状態をランダムに選択して送信し、受信側は位相変調器２０２（図８参照）において｛０°，４５°，９０°，１３５°｝いずれかの位相変調量に対応する基底をランダムに選択して位相変調を行い、フォトダイオード２０４，２０５、増幅器２０７、電圧測定器２０８においてホモダイン検出をおこなう。
【０１６３】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した｛２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５°，３３７．５°｝に相当する各量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。
【０１６４】
本実施例では、受信側が図２０に示す０°位相変調処理軸（ΦＢ＝０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２１を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６の４つのコヒーレント状態をビット０とする。
【０１６５】
また、受信側が図２０に示す４５°位相変調処理軸（ΦＢ＝４５°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２２を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、３３７．５°変調データ６０８の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、の４つのコヒーレント状態をビット０とする。
【０１６６】
また、受信側が図２０に示す９０°位相変調処理軸（ΦＢ＝９０°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２３を適用した測定を行なった場合は、送信側は、２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４の２つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つのコヒーレント状態をビット０とする。
【０１６７】
さらに、受信側が図２０に示す１３５°位相変調処理軸（ΦＢ＝１３５°）に相当する基底（受信側位相変調処理）６２４を適用した測定を行なった場合は、送信側は、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５の４つの態様のコヒーレント状態をビット１とし、２２．５°変調データ６０１、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の４つのコヒーレント状態をビット０とする。
【０１６８】
送信側は、受信側からの測定態様情報をデータ送信後に受け取り、受信側において適用した位相変調処理に応じて、上述のようなビット割り振りを行なう、なお、上述のビット０と１の割り振り例は一例であり、上述の割り振りの逆の態様での割り振り処理を行ってもよい。
【０１６９】
このように受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した８つの量子状態中の８つ全てにそれぞれビット値を割り振るという符号化を行うことで、すべての量子状態を有効な共有情報として設定可能となる。送信側と受信側の基底の不一致によって送信側と受信側で共有できなくなる情報、例えば、共有秘密鍵に貢献しない情報をゼロとすることができる。
【０１７０】
図２１を参照して、本実施例の符号化効率について説明する。図２１に示す表において、上段から順に（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）、（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）、（Ｃ）共有ビット、（Ｄ）共有可能情報率の各データを示している。
【０１７１】
（Ａ）データ送信側位相変調量（ΦＡ）は、図２０に示す送信側の位相変調処理によって得られる８つの変調信号、すなわち２２．５°変調データ６０１、６７．５°変調データ６０２、１１２．５°変調データ６０３、１５７．５°変調データ６０４、２０２．５°変調データ６０５、２４７．５°変調データ６０６、２９２．５°変調データ６０７、３３７．５°変調データ６０８の８つの変調処理データを示している。
【０１７２】
（Ｂ）データ受信側位相変調量（ΦＢ）は、図２０に示す受信側の観測系として適用される４つの位相変調量、すなわち、
位相変調量＝０°
位相変調量＝４５°
位相変調量＝９０°
位相変調量＝１３５°
のいずれかである。
【０１７３】
送信側で任意に８つの位相変調信号（ΦＢ＝２２．５°，６７．５°，１１２．５°，１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．５，３３７．５°）をランダムに選択し、受信側においても４つの位相変調量（ΦＡ＝０°，４５°，９０°，１３５°）をランダムに選択した場合、図２１に示す３２通りの組み合わせが均等に発生することになる。
【０１７４】
図２１の（Ｃ）は、送信側と受信側で共有することとなるビット情報を示している。前述したように、受信側の観測系に応じてビット値の対応を変更しており、３２種類全組み合わせにおいてビット値共有を可能としている。すなわち、送信側の８つ種類の位相変調と受信側の４種類の位相変調による全３２種類中、全組み合わせにおいてビット値共有が可能となり、（Ｄ）に示すように共有可能情報率は１００％とすることができる。共有秘密情報に貢献しない情報をゼロとすることができる上、状態と測定法が増えるため、盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなることで、安全性が向上する。
【０１７５】
［（６）適用位相変調量をＮ状態とした一般化処理例］
上述した実施例においては、
（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例
の各実施例について説明してきた。しかし、本発明の適用は、これらの各実施例に限定されるものではなく、他にも様々な態様が設定可能である。以下、これらの処理例について説明する。
【０１７６】
（Ａ）送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理各々について、送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例について説明する。
【０１７７】
Ｎを正の整数（Ｎ＝１，２，・・・）とする。
データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３は、
ｊ＝０，１，・・・，４Ｎ−１
からランダムに選択した値ｊを適用して、
位相変調量：（π／２Ｎ）ｊ＋（π／４Ｎ）
の位相変調処理を実行する。
【０１７８】
一方、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２は、｛０°，９０°｝いずれかの位相変調処理を適用したホモダイン検出を実行する。
【０１７９】
本処理例は、たとえばＮ＝１とした場合、先に説明した（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において図１１を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有化なビット情報の割り合い、すなわち共有可能情報率を１００％とすることが可能となり、無駄な送信データを全く発生させることがない。
【０１８０】
（Ｂ）送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２Ｎ基底とした処理例
図８を参照して説明した量子暗号通信システムにおいて、データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行する位相変調処理と、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００における量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２において実行する位相変調処理各々について、送信側位相変調量を４Ｎ状態、受信側位相変調基底を２Ｎ基底とした処理例について説明する。
【０１８１】
Ｎを正の整数（Ｎ＝１，２，・・・）とする。
データ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３は、
ｊ＝０，１，・・・，４Ｎ−１
からランダムに選択した値ｊを適用して、
位相変調量：（π／２Ｎ）ｊ＋（π／４Ｎ）
の位相変調処理を実行する。
【０１８２】
一方、データ受信側装置としての量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２は、
ｋ＝０，１，・・・，２Ｎ−１
からランダムに選択した値ｋを適用して、
｛（π／２Ｎ）ｋ°｝の位相変調処理を適用したホモダイン検出を実行する。
【０１８３】
本処理例は、たとえばＮ＝１とした場合、先に説明した（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において図１１を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有化なビット情報の割り合い、すなわち共有可能情報率を１００％とすることが可能となり、無駄な送信データを全く発生させることがない。
【０１８４】
また、本処理例は、Ｎ＝２とした場合、先に説明した（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例に相当する処理となり、先の実施例において図２１を参照して説明したように、データ送受信両側において転送データから共有可能なビット情報の割り合い、すなわち共有可能情報率を１００％とすることができ、さらに、転送データのコヒーレント状態と測定法が増えるため、盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなることで、安全性が向上する。
【０１８５】
上述した実施例（１）〜（５）には、上述の（Ａ），（Ｂ）の手法によって定義されない処理例も含まれる。本発明の処理構成を、より一般化して定義すると以下のようにまとめることができる。
【０１８６】
まず、データ送信側では、送信データとして、有限個の量子状態（コヒーレント状態）を設定する。
有限個の量子状態（コヒーレント状態）の設定処理は、
ａ）Ｍ≧２の整数を選択
ｂ）位相変調量を２π／Ｍの整数倍からランダムに選択
ｃ）上記の選択位相変調量に基づく位相変調処理を図８を参照して説明したデータ送信側装置としての量子暗号通信装置１００の位相変調器１０３において実行して送信する。
【０１８７】
以上の処理が、データ送信側の処理となる。なお、先に図１７、図１８を参照して説明したように、異なる光子数の量子状態（コヒーレント状態）を設定することが必要となる場合は、アッテネータを適用した光子数調整（強度変調）処理を実行する。
【０１８８】
一方、データ受信側では、データ送信側から送信されるデータとしての有限個のコヒーレント状態を観測する処理を行なうことになる。観測処理は、
ａ）観測系として２以上の複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を設定
ｂ）設定した複数の観測系をランダムに選択して、ホモダイン検出処理を実行
上述の観測処理は、図８を参照して説明したデータ受信側装置としての量子暗号通信装置２００の位相変調器２０２においてランダムに選択した複数の基底（異なる複数の位相変調処理）を適用し、ホモダイン検出による検出処理として実行される。
【０１８９】
さらに、データ受信側は、測定態様情報として、適用した観測系、すなわち適用基底（受信側適用位相変調処理）情報をデータ送信側に通知し、データ送信側は、受信側において適用した位相変調処理に応じて、送信した複数の量子状態（コヒーレント状態）、すなわち、データ送信側で適用した［Ｍ：Ｍ≧２の整数］に応じた２π／Ｍの整数倍に相当する複数個の量子状態（コヒーレント状態）各々に対して、ビット値を割り当てて、この割り当て情報をデータ受信側に通知する。ただし、データ受信側において適用した基底（受信側適用位相変調処理）による測定が困難と判定される量子状態は、ビット割り当て対象から排除する処理を行なう。
【０１９０】
この処理によって、例えば、上述した処理例各々について、以下の情報共有が可能となる。
（１）送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量を４状態すべてにビット情報が割り当てられ１００％のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量４状態全てが有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１１参照）。
【０１９１】
（２）送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量３状態中、２／３の量子状態にビット情報が割り当てられ２／３のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量３状態中、２／３が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１４参照）。
【０１９２】
（３）送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量６状態中、２／３の量子状態にビット情報が割り当てられ２／３のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量６状態中、２／３が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１６参照）。
【０１９３】
（４）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量８状態中、３／４の量子状態にビット情報が割り当てられ３／４のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量８状態中、３／４が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図１９参照）。
【０１９４】
（５）送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例
この処理例では、送信側位相変調量８状態中、全ての量子状態にビット情報が割り当てられ、全ての状態が有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できる（図２１参照）。この例では、情報共有率は１００％である。また、状態と測定法が増えるため，盗聴者の攻撃法がより複雑になり、盗聴の困難性を増加させることが可能であり、盗聴される可能性が従来手法より低くなり、安全性が向上する。
【０１９５】
このように、本発明の構成では、受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した２π／Ｍの整数倍各々に対する量子状態に対して、ビット情報が設定され、これらをデータ送受信側で共有し、共有されたビット情報が例えば秘密鍵の構成データとして適用され、より多くの量子状態に対応してビット情報の共有が可能となりデータ送信効率が向上する。また、適用する位相変調処理、すなわち量子状態の増加により盗聴の困難性を高めることが可能となり、安全性が向上する。
【０１９６】
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明は、データ送信装置において、複数の異なる位相変調量を持つ複数の量子状態をランダムに選択した信号列を送信し、データ受信装置において、複数の異なる位相変調量に対応する複数の基底をランダムに選択して、選択基底によるホモダイン検出処理を実行する検出する量子暗号通信構成において、データ受信側が適用した基底情報としての適用位相変調情報をデータ送信側に通知し、データ送信側において、通知情報に基づいて送信側の設定した複数の異なる量子状態に対応するビット値を割り振り、データ受信装置に通知して情報を共有する構成とした。具体的には、受信側が行った測定の種類に従って、送信側の送信した２π／Ｍの整数倍各々に対する量子状態に対して、ビット情報を設定し、これらをデータ送受信側で共有し、共有されたビット情報を例えば秘密鍵の構成データとして適用することを可能とした。本発明の構成によれば、例えば、送信側の位相変調量を４状態、受信側の位相変調基底を２基底とした処理例では、信側位相変調量を４状態すべてにビット情報が割り当てられ１００％のデータ、すなわち送信側の適用した位相変調量４状態全てが有効なビット情報としてデータ送受信側双方で共有できるなど、より多くの量子状態に対応してビット情報の共有が可能となりデータ送信効率が向上する。また、適用する位相変調処理、すなわち量子状態の増加により盗聴の困難性を高めることが可能となり、安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その１）である。
【図２】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その２）である。
【図３】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その３）である。
【図４】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その４）である。
【図５】量子暗号処理を適用した情報通信処理について説明する図（その５）である。
【図６】従来の量子暗号処理を適用した情報通信処理において有効な情報として共有可能なデータについて説明する図である。
【図７】従来の量子暗号処理を適用した情報通信処理において有効な情報として共有可能なデータ、基底の一致、不一致について説明する図である。
【図８】本発明に係る量子暗号通信システムの構成を示す図である。
【図９】本発明に係る量子暗号通信において、送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１０】図９に示すコヒーレント状態表示について説明する図である。
【図１１】送信側位相変調量を４状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図１２】データ受信側の検出処理におけるしきい値を適用したビット判別処理について説明する図である。
【図１３】本発明に係る量子暗号通信において、送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１４】送信側位相変調量を３状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図１５】本発明に係る量子暗号通信において、送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１６】送信側位相変調量を６状態、受信側位相変調基底を３基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図１７】本発明に係る量子暗号通信において、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図１８】本発明に係る量子暗号通信において、送信側において光子数調整（強度変調）処理を実行する送信装置構成について説明する図である。
【図１９】送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を２基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【図２０】本発明に係る量子暗号通信において、送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例に対応するデータ送信側位相変調処理と、データ受信側の位相変調処理について説明する図である。
【図２１】送信側位相変調量を８状態、受信側位相変調基底を４基底とした処理例おける符号化効率について説明する図である。
【符号の説明】
【０１９９】
１０  送信者
１１  変調器
２０  受信者
２１  観測器
３０  通信路
５１〜５４  量子状態（コヒーレント状態）
７１，７２  基底
１００  量子暗号通信装置
１０１  光源
１０２  ビームスプリッタ
１０３  位相変調器
１０４  鏡
１０５  減衰器
２００  量子暗号通信装置
２０１  鏡
２０２  位相変調器
２０３  ビームスプリッタ
２０４，２０５  フォトダイオード
２０６  減算処理部
２０７  増幅器
２０８  電圧測定器
３００  通信路
３１１，３１２  基底（受信側位相変調処理）
３２１〜３２４  変調データ
３５１  円
４０１〜４０３  変調データ
４２１〜４２３  基底（受信側位相変調処理）
４３１〜４３６  変調データ
４４１〜４４３  基底（受信側位相変調処理）
５２１〜５２８  変調データ
５４１，５４２  基底（受信側位相変調処理）
６０１〜６０８  変調データ
６２１〜６２４  基底（受信側位相変調処理）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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