(57)【要約】  局部局部発振器（ＬＬＯ）を使用して、発振器Ａと遠隔受信器Ｂとの間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行するシステム及び関連する方法が開示される。ＬＬＯベースの連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）の例が記載される。自己コヒーレント方式が使用され、前記方式は、信号及び位相基準パルスの両方を同じ光学パルスから導出し、したがって基準位相コヒーレンスに対して本質的に強力な信号を保証することを含む。様々な自己コヒーレンス位相共有方式を実施する異なるＣＶ−ＱＫＤ設計が記載され、且つ秘密鍵レート及びハードウェア要件に関して比較される。低コストレーザ等の標準の電気通信機器を用いて強力な位相ノイズ耐性を得ることができる。
2019522394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学チャネルによって接続された発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行する方法であって、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含み、前記方法は、
−  Ａにおいて、周期ｉで前記レーザＬＡによって生成される同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するステップであって、前記パルスは、前記レーザＬＡと自己コヒーレントである、ステップと、
−  Ａにおいて、コヒーレント多重化符号化メカニズムを使用することにより、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを前記１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するステップと、
−  前記光学チャネルを通してＡからＢに、多重化されたＱｉ及びＲｉを送信するステップと、
−  Ｂにおいて、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスとの多重化コヒーレント測定を用いて、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを測定し、それによりＱｉの従来の測定値Ｑｍｉ及びＲｉの従来の測定値Ｒｍｉを取得するステップと、
−  Ｂにおいて、Ｒｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉｉを特定するステップと、
−  Ｂにおいて、相対位相Ｐｈｉｉの推定値を使用してＱｍｉ測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑｉを特定するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
−  Ａにおいて、周期ｉでＬＡによって生成される前記光学波面から単一の光学コヒーレント状態パルスＡｌｐｈａｉを導出するステップと、
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒｉ及び量子情報Ｑｉの両方を前記パルスＡｌｐｈａｉの直角位相に符号化するステップであって、前記符号化は、前記量子情報Ｑｉをコヒーレントに変位させて、Ｑｉの平均値の変位として前記位相基準情報Ｒｉを符号化することによって得られる、ステップと、
−  前記光学チャネルを通してＡからＢに前記コヒーレント状態Ａｌｐｈａｉを送信するステップと、
−  Ｂにおいて、周期ｉの受信時における前記受信パルスＡｌｐｈａ’ｉの２つの直角位相を測定するステップであって、前記レーザＬＢは、前記受信パルスと一致したコヒーレント状態パルスモードを生成するための局部−局部発振器ＬＬＯとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、前記２つの直角位相を用いてＬＡとＬＢとの間の前記相対位相Ｐｈｉｉを特定するステップと、
−  Ｂにおいて、相対位相推定値Ｐｈｉｉ及び２つの直角位相測定結果を使用して量子情報Ｑｉを特定するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
−  Ａにおいて、量子情報及び位相基準情報を前記同じ光学コヒーレント状態パルスＡｌｐｈａｉに符号化するステップであって、前記位相基準情報Ｒｉは、量子情報Ｑｉの前記変位平均値として符号化される、ステップと、
−  前記光学チャネルを通してＡからＢに前記コヒーレント状態Ａｌｐｈａｉを送信するステップと、
−  Ｂにおいて、従来の測定結果Ｘｍｉ及びＰｍｉをもたらす前記受信パルスＡｌｐｈａ（ｉ）の前記２つの直角位相を測定するステップと、
−  Ｂにおいて、サイズＷの窓にわたるｉの前の測定結果Ｘｍｊ及びＰｍｊを処理することにより、局部発振器と基準との間の相対位相の推定値Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉを計算するステップであって、０≦ｉ−ｊ≦Ｗである、ステップと、
−  Ｂにおいて、前記Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉ推定値に基づいて未処理の結果に対して位相補正回転を適用し、且つ次に前記変位Ｒｉの値を補償することにより、量子情報測定結果Ｘｍｉ及びＰｍｉの相対位相変動を補正するステップと
を実行することにより、前記相対位相を補正するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
−  Ａにおいて、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスＱＰｉ及びＲＰｉを導出するステップであって、前記２つのパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ａにおいて、量子情報Ｑｉを前記光学コヒーレント状態ＱＰｉの直角位相に符号化するステップと
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒｉを前記光学コヒーレント状態ＲＰｉに符号化するステップであって、ＬＡと同相である、前記光学コヒーレント状態ＲＰｉの直角位相値は、レーザＬＡとコヒーレントに大きい値Ｅｒだけ変位される、ステップと、
−  前記光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態ＱＰｉ及びＲＰｉを送信するステップと、
−  Ｂにおいて、２つの位相コヒーレント局部−局部発振器パルスＬＬＯＱｉ及びＬＬＯＲｉを導出するステップであって、前記パルスは、周期ｉでＬＢによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて前記受信基準パルスＲＰ（ｉ）の２つの直角位相を測定し、測定結果Ｘｒｅｆｉ及びＰｒｅｆｉを取得するステップであって、前記光学パルスＬＬＯＲ（ｉ）は、ＲＰｉと一致した局部−局部発振器ＬＬＯモードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、前記直角位相測定結果Ｘｒｅｆｉ及びＰｒｅｆｉを用いてＬＡとＬＢとの間の相対位相変動Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉを特定するステップと、
−  Ｂにおいて、周期ｉでコヒーレント検出を用いて前記受信パルスＱＰｉでの量子情報Ｑｉを測定し、従来の情報Ｑｍｉを取得するステップであって、前記光学パルスＬＬＯＱｉは、ＱＰｉと一致する局部−局部発振器ＬＬＯモードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉを使用した位相補正処理を用いてＱｍ（ｉ）を補正し、且つ論理量子情報Ｑｉを特定するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
−  Ａにおいて、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスＱＰｉ及びＲＰｉを導出するステップであって、前記２つのパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ａにおいて、量子情報Ｑｉを前記光学コヒーレント状態ＱＰ（ｉ）の直角位相に符号化するステップと、
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒｉを前記光学コヒーレント状態ＲＰｉに符号化するステップであって、ＬＡと同相である、前記光学コヒーレント状態ＲＰｉの直角位相値は、レーザＬＡとコヒーレントに大きい値Ｅｒだけ変位される、ステップと、
−  前記光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態ＱＰｉ及びＲＰｉを送信するステップと、
−  Ｂにおいて、２つの位相コヒーレント局部−局部発振器パルスＬＬＯＱｉ及びＬＬＯＲｉを導出するステップであって、前記パルスは、周期ｉでＬＢによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ｂにおいて、ＱＰｉ及びＲＰｉを２つの異なる光路に逆多重化又は分離するステップと、
−  Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて前記受信基準パルスＲＰ（ｉ）の２つの直角位相を測定し、測定結果Ｘｒｅｆｉ及びＰｒｅｆｉを取得するステップであって、前記ＬＬＯＲｉパルスは、ＲＰｉと一致した局部−局部発振器ＬＬＯモードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、前記直角位相測定結果Ｘｒｅｆｉ及びＰｒｅｆｉを用いてＬＡとＬＢとの間の相対位相変動Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉを特定するステップと、
−  Ｂにおいて、フィードバックメカニズム及び前記Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔｉ推定値を用いて、前記ＬＬＯＱ（ｉ）パルスの位相を前記光学基準パルスＲＰ（ｉ）の位相に物理的にループロックするステップと、
−  Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて前記受信パルスＱＰｉを測定するステップであって、前記位相ロックＬＬＯＱｉパルスは、ＲＰｉと一致する局部−局部発振器ＬＬＯモードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、前記量子情報Ｑｉを特定するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
コンピュータで実行されると、前記コンピュータに請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法のステップを実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法のステップを実行するための手段を含むシステム。
【請求項８】
光学チャネルによって接続された発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間での量子情報のコヒーレント光学通信のためのシステムであって、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含み、前記システムは、
−  Ａにおける、周期ｉで同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するように構成されるレーザＬＡであって、前記パルスは、前記レーザＬＡと自己コヒーレントである、レーザＬＡと、
−  Ａにおける、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを前記１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するように構成されるコヒーレント多重化エンコーダと、
−  多重化Ｑｉ及びＲｉを送信するように構成される、ＡからＢへの光学チャネルと、
−  Ｂにおける、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスを用いて、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを測定し、それによりＱｉの従来の測定値Ｑｍｉ及びＲｉの従来の測定値Ｒｍｉを取得するように構成される多重化コヒーレント測定デバイスと、
−  Ｂにおける、Ｒ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉｉを特定するように構成されるデバイスと、
−  Ｂにおける、相対位相Ｐｈｉｉの推定値を使用してＱｍｉ測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑｉを特定するように構成されるデバイスと
を更に含む、システム。
【請求項９】
ヘテロダイン検出器及び局部−局部発振器ＬＬＯを更に含み、
−  ＡからＢに送信される情報は、周期ｉでＬＡによって生成される前記光学波面から導出される単一の光学コヒーレント状態パルスに符号化され、
−  量子情報Ｑｉは、前記コヒーレント状態の両方の直角位相に符号化される一方、位相基準情報Ｒ（ｉ）は、周期ｉでＬＡと同相である直角位相の振幅デルタの変位として符号化され、
−  ヘテロダイン検出器は、周期ｉで前記受信パルスの２つの直角位相の両方を測定し、前記レーザＬＢは、前記受信パルスと一致するコヒーレント状態パルスモードを生成するための局部−局部発振器ＬＬＯとして使用され、
−  直角位相測定結果は、ＬＡとＬＢとの間の位相変動を推定し、且つ次に前記量子情報Ｑｉを特定するために使用される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
スプリッタ、光学遅延線及びホモダイン又はヘテロダイン検出器を更に含み、
−  量子情報Ｑｉ及び位相基準情報Ｒｉは、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスに符号化され、前記２つのパルスは、ＬＡによって（周期ｉで）生成される光学パルスをビームスプリッタで分割し、且つ光学遅延線を用いて第１のパルスに対して第２のパルスを時間デルタＴだけ遅延させることによって生成され、
−  量子情報Ｑｉは、前記パルスの１つＱＰｉの直角位相に符号化され、
−  位相基準情報Ｒｉは、第２のパルスＲＰｉに符号化され、前記第２のパルスＲＰｉの直角位相は、ＬＡと同相であり、且つ値デルタだけ変位される一方、その他方の直角位相は、変調されず、
−  前記受信パルスＱＰｉの前記直角位相の測定ＤＱは、周期ｉでボブにおけるホモダイン又はヘテロダイン検出器で実行され、ＬＢは、ＱＰｉと一致するコヒーレント状態パルスＬＬＯＱｉモードを生成するための局部−局部発振器（ＬＬＯ）として使用され、
−  前記受信基準パルスＲＰｉの前記２つの直角位相のヘテロダイン測定ＤＲは、周期ｉでボブにおいて実行され、前記レーザＬＢは、遅延線を使用して、遅延線を用いて周期ｉでＬＬＯＱｉを生成するために使用される前記波面の一部を遅延させることによって得られるコヒーレント状態パルスＬＬＯＲｉを生成するための局部局部発振器ＬＬＯとして使用され、
−  ＤＲを用いて得られる直角位相測定結果は、ＬＡとＬＢとの間の前記位相変動Ｐｈｉｉを特定するために使用され、前記特定された位相変動は、次に、ＱＰ（ｉ）の直角位相測定結果を補正し、且つ次に前記量子情報Ｑｉを特定するために使用される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コヒーレント検出器ＤＱ又は前記コヒーレント検出器ＤＲは、異なる単一の検出器である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コヒーレント検出器ＤＱ及び前記コヒーレント検出器ＤＲは、同じコヒーレント検出器である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コヒーレント検出器ＤＱ又は前記コヒーレント検出器ＤＲは、前記コヒーレント状態パルスＬＬＯＱの強度に対して低減される前記コヒーレント状態パルスＬＬＯＲの強度に関連付けられる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
−  量子情報Ｑｉ及び位相基準情報Ｒｉは、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスに符号化され、両方のパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される前記光学波面からコヒーレントに導出され、前記第２のパルスは、光学遅延線を用いて前記第１のパルスに対して遅延され、
−  量子情報Ｑｉは、ＱＰｉと呼ばれる前記パルスの１つの直角位相に符号化され、
−  位相基準情報Ｒｉは、ＲＰｉと呼ばれる前記第２のパルスに符号化され、ＬＡと同相である、前記第２のパルスの直角位相値は、大きい値デルタだけ変位される一方、その他方の直角位相値は、変調されず、
−  前記位相基準パルスＲＰ（ｉ）は、Ｂにおける光学位相ロックループＯＰＬＬを動作させ、フィードバックメカニズムを用いてレーザＬＢの位相を光学基準パルスＰＲｉの位相にロックするために使用され、
−  前記受信パルスＱＰｉの前記直角位相のデュアルホモダイン測定ＤＱは、周期ｉでＢにおいて実行され、ＬＢは、ＱＰｉと一致したコヒーレント状態パルスＰＬＬＯＱモードを生成するための局部局部発振器ＬＬＯとして使用される、請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して量子暗号化の分野に関し、特に連続変数量子暗号化に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）プロトコルである自己参照ＣＶ−ＱＫＤが、Ｄ．Ｂ．Ｓ．Ｓｏｈ、Ｃ．Ｂｒｉｆ、Ｐ．Ｊ．Ｃｏｌｅｓ、Ｎ．Ｌｕｅｔｋｅｎｈａｕｓ、Ｒ．Ｍ．Ｃａｍａｃｈｏ、Ｊ．Ｕｒａｙａｍａ、及びＭ．Ｓａｒｏｖａｒによる“Ｓｅｌｆ−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”（ａｒＸｉｖ：１５０３．０４７６３，２０１５）という名称の文献において導入された。この連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）プロトコルは、通信相手間での高電力局部発振器の伝達の必要性をなくす。このプロトコルには、各信号パルスに基準パルス（又はツイン基準パルスの対）が付随し、基準パルスは、アリス及びボブの測定ベースの位置合わせに使用される。このプロトコルは、変調信号から位相情報を抽出する従来のコヒーレント通信で使用されるイントラダイン検出の量子類似体として見ることができる、基準パルス測定に基づく位相の推定及び補償方法を提供する。プロトコルのファイバベースの原理証明実験実証、及び実験パラメータに関して表現することによる、予期される秘密鍵レートの定量化も開示される。秘密鍵レートの分析は、基準パルスの量子性に関連する本質的な不確定性を考慮に入れ、理論上、鍵レートが、局部発振器の伝達を必要とする従来の各プロトコルの鍵レートに近づく限界を定量化すると考えられる。自己参照プロトコルは、性能の犠牲を最小限に抑えて、ＣＶ−ＱＫＤ、特に送信器及び受信器の潜在的な集積フォトニクスの実施に必要なハードウェアを簡易化すると考えられる。したがって、自己参照プロトコルは、大規模ＱＫＤネットワークに向けた重要な一歩であるスケーラブル集積ＣＶ−ＱＫＤ送受信器に向けた道筋を提供する。
【０００３】
コヒーレント検出に基づく連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）プロトコルは、Ｂ．Ｑｉ、Ｐ．Ｌｏｕｇｏｖｓｋｉ、Ｒ．Ｐｏｏｓｅｒ、Ｗ．Ｇｒｉｃｅ、及びＭ．Ｂｏｂｒｅｋによる“Ｌｏｃａｌｌｙ”ｉｎ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”（ａｒＸｉｖ：１５０３．００６６２，２０１５）という名称の文献に開示されるように、理論及び実験の両方で広く研究されてきた。ＣＶ−ＱＫＤの既存の実施の全てにおいて、量子信号及び局部発振器（ＬＯ）の両方は、同じレーザから生成され、安全ではない量子チャネルを通して伝搬する。この構成は、セキュリティの抜け道を作り、ＣＶ−ＱＫＤの潜在的な用途を制限する恐れがある。後者の文献では、著者らは、「局部的」に生成されたＬＯを使用して信頼性の高いコヒーレント検出を可能にするパイロット支援フィードフォワードデータ復元方式を開示している。２つの独立した市販のレーザ源及び２５ｋｍの光ファイバを使用したコヒーレント通信システムが開示される。提案される方式によって生じる位相ノイズの分散は、０．０４（ｒａｄ２）であると測定され、これは、安全な鍵配送を可能にするのに十分に小さい。この技術は、独立した光源が異なるユーザによって利用される、近年提案された測定装置無依存（ＭＤＩ）ＣＶ−ＱＫＤ等の他の量子通信プロトコルを可能にすると考えられる。
【０００４】
［Ｑｉ１５］及び［Ｓｏｈ１５］に記載されている２つの手法は、実用に制限を呈する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ｓｅｌｆ−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”（ａｒＸｉｖ：１５０３．０４７６３，２０１５）
【非特許文献２】“Ｌｏｃａｌｌｙ”ｉｎ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”（ａｒＸｉｖ：１５０３．００６６２，２０１５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）の枠組みを扱う進化した方法及びシステムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これら及び他の課題に対処するために、局部局部発振器（ＬＬＯ）を使用して、発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行するシステム及び方法が提供される。ＬＬＯベースの連続変数量子鍵配送（ＣＶ−ＱＫＤ）の例が記載される。自己コヒーレント方式が使用され、この方式は、信号及び位相基準パルスの両方を同じ光学パルスから導出し、したがって基準位相コヒーレンスに対して本質的に強力な信号を保証することを含む。様々な自己コヒーレンス位相共有方式を実施する異なるＣＶ−ＱＫＤ実施形態が更に記載され、且つ秘密鍵レート及びハードウェア要件に関して比較される。低コストレーザ等の標準の電気通信機器を用いて強力な位相ノイズ耐性を得ることができる。
【０００８】
有利には、本発明の実装形態は、幾つかの方法で発見され得る。
【０００９】
実施形態（「ＬＬＯ−ｏｕｔｂ−ｓｃ−ｄｓｐ」設計と呼ばれる）では、２つのレーザを使用することができる。第１のレーザはアリス側にあり、及び第２のレーザはボブ側にある。アリス側には２つの光路がある。一方は遅延される。ボブ側には、２つのホモダイン検出器がある。
【００１０】
実施形態（「ＬＬＯ−ｏｕｔｂ−ｓｃ−ｏｐｌｌ」設計と呼ばれる）では、２つのレーザを使用することができ、一方のレーザはアリス側にあり、及び第２のレーザはボブ側にあり、２つの光路がアリス側にあり、一方の光路が遅延される一方、ボブ側では入力光路が２つの部分に分割される。それぞれの１つが局部発振器と干渉する。一方は、フォトダイオードを使用して測定され、及び他方は、ホモダイン検出を使用して測定される。
【００１１】
実施形態（「ＬＬＯ−ｉｎｂ」設計と呼ばれる）では、２つのレーザを使用することができ、一方はアリス側にあり、及び第２のレーザはボブ側にある。アリス側には、１つの振幅変調器及び１つの位相変調器を有する１つのみの光路がある一方、ボブ側には２つのホモダイン検出器がある。
【００１２】
他の用途の中でも特に、提案される技術は、以下の使用事例の１つ又は複数に適用することができる：集積フォトニクスを用いた量子鍵配送の実施、標準の光学ネットワーク、ＷＤＭネットワーク、ＤＷＤＭネットワークと互換性のある量子鍵配送の実施、局部局部発振器及び分散フィードバックレーザ（ＤＦＢ）等の低コストレーザを用いた連続変数量子鍵配送の実施。
【００１３】
本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本発明の上記の概要及び以下の実施形態の詳細な説明と共に本発明の実施形態を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＴＬＯ設計でのボブの受信器１００の実施形態を示す。
【図２】ＬＬＯシーケンシャル設計でのボブの受信器の実施形態を示す。
【図３】距離及び反復率に関して送信ＬＯ及び局部ＬＯ設計の理論上の過剰ノイズを比較する。
【図４】「ＬＬＯ遅延線ｄｓｐ」設計による本発明の実施形態を示す。
【図５】「ＬＬＯ遅延線ｏｐｌｌ」設計による本発明の実施形態を示す。
【図６】インバンド位相基準送信を使用した本発明の実施形態を示す。
【図７】「ＬＬＯ変位」設計によるボブの受信器の実施形態を示す。
【図８】反復率の関数としてのＬＬＯシーケンシャル設計及びＬＬＯ変位設計の予期される鍵レートの比較を示す。
【図９】本発明の実施形態によるステップの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
更に、詳細な説明は、添付書類１で補足される。この添付書類１は、詳細な説明を明確にするため及びより容易な参照を可能にするために離れて配置される。それにもかかわらず、添付書類１は、本発明の説明の一体部分をなす。これは、図面にも同様に当てはまる。
【００１６】
本発明の特定の特徴の参照は、表記における特定の慣例が関わる。例えば、詳細な説明では、表現Ｘ（ｉ）又はＸｉは、Ｘがｉの関数であることを等しく示すのに使用される。更に、大文字「Ａ」は、アリスを示すのに使用され、大文字「Ｂ」は、ボブを示すのに使用され、及び大文字「Ｅ」は、イブを示すのに使用される。
【００１７】
ここで、本発明の実施形態によって実際のＣＶ−ＱＫＤにおいて位相基準を共有する方式の例について説明し考察する。
【００１８】
特定の実施形態の理解を促進するために、局部発振器（ＬＯ）強度生成技法の一般的な分類に関する術語についてまず説明する。
【００１９】
送信ＬＯ（ＴＬＯ）及び局部ＬＯ（ＬＬＯ）を含め、ＬＯ強度生成方法に基づくＣＶ−ＱＫＤの異なる一般的種類を区別することができる。
【００２０】
送信ＬＯ（ＴＬＯ）に関して、ＬＯの強度は、アリスのレーザによって生成され、一般に多重化技法を必要とする明パルスとして各信号パルスと共に送信される。したがって、信号とＬＯパルスとの間で必要とされるコヒーレンスは、物理的に直接保証される。ＬＯが量子チャネルを通して直接送信される場合、必要とされる開始強度は、低ｖｅｌｅｃを保証するために、距離（損失により）及び反復率（パルスが短いことにより）に伴って増大する。
【００２１】
光線は、連続レーザから出力される一方、パルス形状は、高消光振幅変調器を用いて作成される。出力ビームは、高不平衡ビームスプリッタを使用して分割される。強ビームは、ＬＯとしてボブに送信される一方、弱ビームは、ＣＶ−ＱＫＤ信号を取得するように変調される。ｉ番目のパルスにおいて、アリスは、ゼロ平均ガウス分布変数ｘ（ｉ）及びｐ（ｉ）をランダムに選択し、コヒーレント状態を変調する｜αｉ・＝｜ｘＡ，ｐＡ・。次に、アリスは、多重化技法を使用してＬＯパルス及び対応する信号パルスをボブに同時に送信する。パルスが自動的に同じビームの出力と位相ロックされ、したがって自己コヒーレンスによって位相ノイズが考慮されないことに留意されたい。受信すると、ボブは、パルスを逆多重化し、関連するＬＯパルスを使用して信号パルス｜αｉ・のＸ又はＱ直角位相の一方をランダムに測定する。この検出は、信号及びＬＯの両方が同じレーザからのものであるため、自己コヒーレントホモダイン検出と呼ばれる。このＴＬＯ設計は、ＧＭＣＳ（ガウス変調コヒーレント状態）プロトコルの最も一般的に実施されるバージョンに対応する。
【００２２】
局部ＬＯ（ＬＬＯ）に関して、ＬＯの強度は、第２のレーザを使用してボブ側において局部的に生成される。したがって、ボブは、ＬＯの強度を完全に制御し、ＬＯの強度は、もはや距離に依存しない。それにより、ＬＯの強度は、信頼できるものとして見なされ得る。しかしながら、高位相ノイズが２つのレーザの相対位相変動から生じ、補正する必要がある。ボブが相関を回復することができるようにするために、アリスは、アリスの位相基準についての情報を送信する必要がある。位相基準処理の種類に応じて、２つのサブタイプのＬＬＯ方法を区別することができる。アナログ位相ロックでは、干渉におけるコヒーレンスを保証するために、２つのレーザは、位相ロックループ（ＰＬＬ）及びフィードバックを使用して、ボブのレーザの位相を物理的に制御して位相ロックされる。２つのレーザ間に一定の位相差を維持することができる。デジタル信号処理（ＤＳＰ）位相ロックでは、位相基準は、通常、測定結果を使用して推定される。したがって、ボブは、測定値をデジタル的に補正して、事後にコヒーレンスを復元することができる。
【００２３】
ＬＬＯアウトバンド設計では、アリスは、ＴＬＯ設計と同じ信号パルスを送信する一方、ボブは、自らのレーザをコヒーレント検出のためのＬＯとして使用する。それにより、高速位相ノイズがアリスのレーザとボブのレーザとの間の相対位相変動から生じる。アリスの位相基準を送信するために、アリスは、専用基準パルスを使用して位相情報を送信する。アリスは、パルスの一部ｒを使用して基準パルスを送信する。これは、ある程度まで時間多重化技法として見ることができる。位相基準パルスは、信号と比較して相対的に明るいパルスであり、一般的に既知の一定の位相を有し、したがって、ボブは、相対位相変動を推定することができる。変調器によって許容される最大振幅ｒｍａｘを使用して、位相基準について可能な限り多くの情報を送信することができる。これを行い、ボブは、量子チャネルでの強度がＴＬＯ設計でのＬＯパルスよりもなおはるかに低い状態でありながら、位相ノイズを補正することができる。相対位相を評価するために、ボブは、ヘテロダイン検出を使用して各基準パルスのＸ直角成分及びＰ直角成分の両方を測定する必要がある。次に、ボブは、（ｉ−１）番目及び（ｉ＋１）番目の位相推定を使用してｉ番目の信号測定を補正することができる。信号及び位相基準パルスは、遅延放射によって微分位相ノイズを受けるため、この設計を「ＬＬＯアウトバンド微分設計」と呼ぶ。この設計に基づく位相補正の実施形態を用いたＧＭＣＳ（ガウス変調コヒーレント状態）プロトコル（両方ともｒ＝１／２）の原理証明が実証され得る。
【００２４】
ここで、既存の設計の制限を解釈及び考察する。
【００２５】
ＴＬＯ設計に関して、強度Ｉｍａｘは、ＴＬＯ設計の高反復率を阻止する。この設計では、ショットノイズがＬＯ光子数に比例するため、分散ｖｅｌｅｃが距離及び反復率の両方に依存することが強調される。例えば、２０ｄＢ損失チャネル上で１ＧＨｚにおいてボブ側で１０８光子ＬＯパルスを提供するために、入力において必要とされるＬＯ電力は、１５５０ｎｍで約１．２Ｗであり、これは、実験Ｉｍａｘ値よりもはるかに大きい。逆に、アリス側での所与の開始レーザ強度の場合、ボブ側での各ＬＯパルスの光子数は、距離及び反復率に伴って低減し、したがって電子対ショットノイズ比が増大する。
【００２６】
ＬＬＯシーケンシャル設計に関して、高反復率によって局部ＬＯの使用が可能である。実際には、局部ＬＯは、ボブが自らのレーザを使用し、したがってアリスの信号とボブのＬＯとの間の位相ノイズがレーザの線幅に依存する高速変化プロセスであることを暗黙的に示す。局部ＬＯに伴う特定の課題は、２つの相手間で信頼性の高い位相を生成することである。実施形態では、誘導される過剰ノイズを最小に抑えるために、位相ノイズを十分に補正することができる。例えば、これは、反復率で位相ノイズをサンプリングすることによって達成することができ、可能な解決策は、高反復率で動作することである。その結果、ＬＬＯアウトバンドベースのＣＶ−ＱＫＤの反復率は、特定のパラメータである。そのような設計では、２つのレーザ間の位相変動は有利に補正され、なぜなら、それは、２つの連続パルス間の相対位相の脱相関につながり、秘密鍵生成を阻止することができるためである。信号位相補正アルゴリズムは、隣接パルス位相測定に基づく。これは、式９の高ｒｍａｘが位相推定分散を低減する場合でも、位相推定と位相補正との間の時間遅延に起因して残留位相ノイズがあることを意味する。この残留ノイズは、式８の分散Ｖｄｒｉｆｔである。低反復率又は大きい線幅のレーザの場合、条件Ｖｄｒｉｆｔ＜＜１を保証できないことに留意されたい。高反復率により、位相ノイズ変動よりも高速で位相ノイズをサンプリングすることが可能になり、したがって補正をより効率的にすることができる。これは、実際に、所与のレーザに最小反復率を課す。位相推定方式は、位相ノイズを正確に測定するために、可能な限り高強度の位相基準パルスを必要とすることができる。しかしながら、振幅変調器の有限ダイナミクスにより、可能な最大振幅は制限される。この制限は、ゼロ平均変調の切り捨てに起因する変調器過剰ノイズ寄与ξｏｕｔを考慮することによってモデリングすることができる。実施形態では、信号及び基準パルスの両方は、同じ変調器を使用して変調される。これは、最大振幅ｒｍａｘと共に増大する変調振幅の誤差（式６から）と、位相推定方式の効率との間でｒｍａｘに関してトレードオフがあることを意味する。
【００２７】
実施形態では、光学チャネル（例えば、光ファイバ）によって接続された発信器（又は送信器）Ａと遠隔受信器Ｂとの間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行する方法が開示され、この方法では、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含み、前記方法は、Ａにおいて、周期ｉでレーザＬＡによって生成される同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するステップであって、前記パルスは、レーザＬＡと自己コヒーレントである、ステップと、Ａにおいて、コヒーレント多重化符号化メカニズムを使用することにより、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び（並びに）物理位相基準情報Ｒ（ｉ）を１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するステップと、−  光学チャネルを通してＡからＢに、多重化されたＱ（ｉ）及びＴ（ｉ）を送信するステップと、Ｂにおいて、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスとの多重化コヒーレント測定を用いて、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び物理位相基準情報Ｒ（ｉ）を測定し、それによりＱ（ｉ）の従来の測定値Ｑｍ（ｉ）及びＲ（ｉ）の従来の測定値Ｒｍ（ｉ）を取得するステップと、Ｂにおいて、Ｒ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉ（ｉ）を特定するステップと、Ｂにおいて、相対位相Ｐｈｉ（ｉ）の推定値を使用してＱｍ（ｉ）測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑ（ｉ）を特定するステップとを含む。
【００２８】
方法は、「コンピュータ実施」され得、方法の幾つかのステップは、コンピュータを必要としない（すなわち光学信号のみが使用される）が、方法の幾つかのステップは、１つ又は複数のコンピュータ（ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ）、又はプロセッサ、又は処理手段を使用することができる。プロセッサ又は処理手段は、ローカルである（ローカルにアクセスされる）ことができ、且つ／又は離れている（リモートにアクセスされる）ことができる。例えば、プロセッサは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又は他のタイプの回路を含むことができる。
【００２９】
発信器Ａの視点から、光学チャネルによってＡに接続された離れた受信器Ｂとの量子情報のコヒーレント光学通信を実行する方法が開示され、この方法では、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含む。この方法は、
−  Ａにおいて、周期ｉでＬＡによって生成される同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するステップであって、パルスは、レーザＬＡと自己コヒーレントである、ステップと、
−  Ａにおいて、コヒーレント多重化符号化メカニズムを使用することにより、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するステップと、
−  光学チャネルを通してＡからＢに、多重化されたＱｉ及びＲｉを送信するステップと
を含む。
【００３０】
受信器Ｂの視点から、光学チャネルによって接続された遠隔発信器Ａと受信器Ｂとの間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行する方法が更に開示され、この方法では、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含む。この方法は、
−  Ｂにおいて、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される１つ又は２つの自己コヒーレントパルスとの多重化コヒーレント測定を用いて、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを測定し、それによりＱｉの従来の測定値Ｑｍｉ及びＲｉの従来の測定値Ｒｍｉを取得するステップと、
−  Ｂにおいて、Ｒｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の干渉における相対位相Ｐｈｉｉを周期ｉで特定するステップと、
−  Ｂにおいて、相対位相Ｐｈｉｉの推定値を使用してＱｍｉ測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑｉを特定するステップと
を含む。
【００３１】
本発明の実施形態は、ＡからＢへの情報の通信を説明する。当事者Ａ（本明細書では位相基準／発信器として説明される）及び当事者Ｂ（本明細書ではスレーブ／受信器として説明される）の役割は、「逆」にすることができない（Ａは、検出器を有さない）。
【００３２】
実際には、双方向通信を得るために、記載される方法及びシステムは、方向性通信のためにそれぞれ１回で合計２回実施され得る（最初にＡからＢへ、次にＢからＡへ、それによりエンドポイントでのハードウェア仕様を重複させる）。
【００３３】
顕著には、ＢにおけるレーザＬＢは、ＢにおいてＬＬＯとして使用され得る共に、例えば別のスレーブ／受信器Ｃと通信するための位相基準／発信器の役割を果たすために使用され得る（又はＡが必要なハードウェア、特にコヒーレント検出器を備える場合、Ａ自体としての役割も果たし得る）。
【００３４】
２つの光学パルスが関わる光学プロセスは、パルス間の位相関係が経時安定（すなわち大半の時間において完全に又は部分的に非常に安定）している場合、「コヒーレント」であると言える。２つの光学パルスは、パルス間の相対位相が既知であり安定するように生成される場合、「コヒーレント」であると言える。
【００３５】
本明細書で使用される場合、「時間ＴｉにおいてレーザＬＡによって生成される光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出する」という表現は、時間Ｔｉにおいて、１つ又は２つのパルスからの光がＬＡによって発せられる光学波面から生じ、時間Ｔｉにおいて、前記パルス間及びＬＡの位相間に一定の位相があることを意味する。２つのパルスが導出される場合、２つのパルスは、位相コヒーレントである（定義により）。
【００３６】
コヒーレント多重化符号化は、１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスについての量子情報Ｑ（ｉ）及び位相基準情報Ｒ（ｉ）等の２つのタイプの情報の結合符号化に起因する。多重化符号化は、Ｑ（ｉ）及びＲ（ｉ）を符号化する光学搬送波間に安定した位相関係が存在する場合、コヒーレントであると言え、更に、これらの光学搬送波の両方は、時間ＴｉにおいてレーザＬＡとコヒーレントである。量子情報の物理的搬送波と位相基準情報の物理的搬送波との間の相対位相が既知であり且つ一定である場合、その相対位相は、コヒーレント多重化符号化後に既知であり且つ一定のままである。
【００３７】
コヒーレント多重化検出メカニズムは、Ｑ（ｉ）及びＲ（ｉ）を搬送する単一（又は２つ）の光学パルスでのＱ（ｉ）及びＲ（ｉ）の結合位相敏感測定に起因する。ＬＢは、例えば、ホモダイン又はヘテロダイン検出を実行するために、これらの位相敏感測定において局部位相基準（ＬＬＯ）として使用される。
【００３８】
検出メカニズムは、時間Ｔ（ｉ）におけるＬＡと検出時におけるＬＢの位相との相対位相がある周期ｉから別の周期ｉ’まで安定している場合、コヒーレントであると言える。
【００３９】
本発明によって実行される情報処理の目的は、時間ＴｉにおけるＬＡと検出時におけるＬＢとの間の位相変動を特定又は推定することである。この位相変動推定値ＤｅｌｔａＰｈｉ（ｉ）に基づいて補正を実測値Ｑｍ（ｉ）に対して適用することができる。例えば、ヘテロダイン検出が、Ｂにおいて、コヒーレント状態Ｑ（ｉ）の直角位相を測定するために使用される場合、Ｑｍ（ｉ）の値は、２つの実数値：２つの直角位相値Ｘｍ（ｉ）及びＰｍ（ｉ）を有する。その場合、Ｑ（ｉ）の位相補正推定値を回収するためにＱｍ（ｉ）＝（Ｘｍ（ｉ），Ｐｍ（ｉ））に適用される補正は、角度−ＤｅｌｔａＰｈｉ（ｉ）によるＱｍ（ｉ）の回転を有する。
【００４０】
相対位相Ｐｈｉ（ｉ）推定を使用して、発せられた量子情報Ｑ（ｉ）の精密な推定値を得るためのＱｍ（ｉ）測定値の補正は、位相補正と呼ばれる。実際には、位相補正は、アルゴリズム技法を使用して測定値をデジタル的に補正することを有するデジタル信号処理方法又はＬＯの位相を物理的に補正して、相対位相を位相ロックすることを有する物理的な方法のいずれかで行うことができる。
【００４１】
実際に、ボブの受信器は、ホモダイン検出（一状態直角位相の測定）又はヘテロダイン検出（両方の直角位相の測定）のいずれかであり得る。位相ノイズが強い状態である場合、相対位相ノイズをより精密に得るために、ヘテロダイン測定が必要である。位相ノイズが低い状態である場合、ホモダイン検出で十分であり得る。
【００４２】
このタイプの設計の課題は、関わる２つのレーザに生じる位相変動を補正することである。実際には、発信と受信との間のコヒーレンスを保証するために、相対位相を評価する必要がある。この位相評価は、特定の物理位相情報に対して行う必要がある。この情報は、位相基準と呼ぶことができる。位相変動に起因して、シーケンシャル信号及び位相基準パルス生成により、いかなる秘密鍵の生成も阻止するのに十分に大きい値であり得る最小位相変動が生成される。本発明の幾つかの実施形態では、信号と位相コヒーレントに位相評価を実行することができ、したがってその位相評価から位相ノイズは生じない。
【００４３】
ここで、「ＬＬＯ変位」実施形態又は設計について説明する。
【００４４】
発展形態では、方法は、
−  Ａにおいて、周期ｉでＬＡによって生成される光学波面から単一の光学コヒーレント状態パルスＡｌｐｈａ（ｉ）を導出するステップと、
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒ（ｉ）及び量子情報Ｑ（ｉ）の両方をパルスＡｌｐｈａ（ｉ）の直角位相に符号化するステップであって、この符号化は、量子情報Ｑ（ｉ）をコヒーレントに変位させて、Ｑ（ｉ）の平均値の変位として位相基準情報Ｒ（ｉ）を符号化することによって得られる、ステップと、
−  光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態Ａｌｐｈａ（ｉ）を送信するステップと、
−  Ｂにおいて、周期ｉの受信時における受信パルスＡｌｐｈａ’（ｉ）の２つの直角位相を測定するステップであって、レーザＬＢは、受信パルスと一致したコヒーレント状態パルスモードを生成するための局部−局部発振器（ＬＬＯ）として使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、２つの直角位相を用いてＬＡとＬＢとの間の相対位相Ｐｈｉ（ｉ）を特定するステップと、
−  Ｂにおいて、相対位相推定値Ｐｈｉ（ｉ）及び２つの直角位相測定結果を使用して量子情報Ｑ（ｉ）を特定するステップと
を更に含む。
【００４５】
ここで、ヘテロダイン検出を使用した実施形態について説明する。Ｑｉ及びＲｉ情報が符号化されたＬＡから導出される単一の光学パルスの量子状態説明は、単一のモードボソンコヒーレント状態として又は略同一の量子値を有する少数の単一のモードコヒーレント状態の集合として説明することができ、したがって１つの単一のモードボソンコヒーレント状態として扱うことができる。
【００４６】
量子情報は、コヒーレント状態の直角位相に符号化された従来の変数を示す。変位とは、コヒーレント状態の平均値をシフトさせるそれらの従来の変数の平均直角位相値のシフトである。
【００４７】
アリスから出るコヒーレント状態に符号化される２つの直角位相は、（Ｘｉ＋デルタ，Ｐｉ）として示すことができ、ここで、Ｘｉ及びＰｉは、時間ＴｉにおけるＬＡの位相基準フレームで表現される量子情報直角位相であり、デルタは、時間ＴｉにおけるレーザＬＡとの位相変位である。
【００４８】
「大きいデルタ」という表現は、Ｔ＊｜デルタ｜＞＞ｍａｘ｛Ｓｑｒｔ（Ｖａｒ（Ｘｉ）），Ｎ０｝及びＴ＊｜デルタ｜＞＞ｍａｘ｛Ｓｑｒｔ（Ｖａｒ（Ｐｉ）），Ｎ０｝意味し、ここで、Ｎ０は、ショットノイズ分散を表す。この条件により、ショットノイズＮ０及びＱｉ変調に起因するノイズによる影響をあまり受けずに、直角位相測定を使用して、時間ＴｉにおけるＬＡとデュアルホモダイン測定時Ｔ’ｉにおけるＬＢとの位相変動を評価することができる。
【００４９】
ヘテロダイン測定中、ＬＬＯパルス及び信号パルスの両方は、５０／５０ビームスプリッタを用いて２つのアームに分割される。この分割により、信号の３ｄＢ損失が生じる。一方のアームでは、信号及びＬＬＯは、ホモダイン検出を介して信号の一直角位相を測定するために平衡ビームスプリッタ上で干渉する。他方のアームでは、ＬＬＯは、９０°位相シフトされ、及び信号の他方の直角位相は、ホモダイン検出を介して測定される。
【００５０】
位相変動の推定に応答して、続けて補正手順によって量子情報Ｑｉを推定することができる。Ｑｉの推定手順は、変位振幅の値｜デルタ｜及びチャネル送信強度の値ＴがＢによって既知であることを用いる。
【００５１】
ヘテロダイン検出器は、位相ダイバーシティホモダイン検出器である。ヘテロダイン検出器は、２つの局部発振器の位相が相対位相ｐｉ／２を有する２つのホモダイン検出器を含む。
【００５２】
ここで、位相補正ステップを含む実施形態について説明する。
【００５３】
そのような実施形態では、方法は、Ａにおいて、量子情報及び位相基準情報を同じ光学コヒーレント状態パルスＡｌｐｈａ（ｉ）に符号化することにより、相対位相を補正するステップを含み得る。位相基準情報Ｒ（ｉ）は、量子情報Ｑ（ｉ）の変位平均値として符号化される。方法は、
−  光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態Ａｌｐｈａ（ｉ）を送信することと、
−  Ｂにおいて、従来の測定結果Ｘｍ（ｉ）及びＰｍ（ｉ）をもたらす受信パルスＡｌｐｈａ（ｉ）の２つの直角位相を測定することと、
−  Ｂにおいて、サイズＷの窓にわたるｉの前の測定結果Ｘｍｊ及びＰｍｊを処理することにより、局部発振器と基準との間の相対位相の推定値Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）を計算することであって、０≦ｉ−ｊ≦Ｗである、計算することと、
−  Ｂにおいて、Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）推定値に基づいて未処理の結果に対して位相補正回転を適用し、且つ次に変位Ｒ（ｉ）の値を補償することにより、量子情報測定結果Ｘｍ（ｉ）及びＰｍ（ｉ）の相対位相変動を補正することと
を更に含み得る。
【００５４】
コヒーレント状態の変位は、位相空間における変位である。これは、各直角位相の平均値の変位を表す。これは、ボブによって既知のアリスの位相基準の符号化である。
【００５５】
ここで、「ＬＬＯ遅延線ｄｓｐ」実施形態（「設計」）について説明する。
【００５６】
そのような実施形態では、方法は、
−  Ａにおいて、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスＱＰ（ｉ）及びＲＰ（ｉ）を導出するステップであって、２つのパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ａにおいて、量子情報Ｑ（ｉ）を光学コヒーレント状態ＱＰ（ｉ）の直角位相に符号化するステップと
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒ（ｉ）を光学コヒーレント状態ＲＰ（ｉ）に符号化するステップであって、ＬＡと同相である、光学コヒーレント状態ＲＰ（ｉ）の直角位相値は、ＬＡとコヒーレントに大きい値Ｅｒだけ変位される、ステップと、光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態ＱＰ（ｉ）及びＲＰ（ｉ）を送信するステップと、
−  （Ｂにおいて）、２つの位相コヒーレント局部−局部発振器パルスＬＬＯＱ（ｉ）及びＬＬＯＲ（ｉ）を導出するステップであって、前記パルスは、周期ｉでＬＢによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて受信基準パルスＲＰ（ｉ）の２つの直角位相を測定し、測定結果（Ｘｒｅｆ（ｉ），Ｐｒｅｆ（ｉ））を取得するステップであって、光学パルスＬＬＯＲ（ｉ）は、ＲＰ（ｉ）と一致した局部−局部発振器（ＬＬＯ）モードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、直角位相測定結果（Ｘｒｅｆ（ｉ），Ｐｒｅｆ（ｉ））を用いてＬＡとＬＢとの間の相対位相変動Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）を特定するステップと、
−  Ｂにおいて、周期ｉでコヒーレント検出を用いて受信パルスＱＰ（ｉ）での量子情報Ｑ（ｉ）を測定し、従来の情報Ｑｍ（ｉ）を取得するステップであって、光学パルスＬＬＯＱ（ｉ）は、ＱＰ（ｉ）と一致する局部−局部発振器（ＬＬＯ）モードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）を使用した位相補正処理を用いてＱｍ（ｉ）を補正し、且つ論理量子情報Ｑ（ｉ）を特定するステップと
を含み得る。
【００５７】
放射において、レーザＬＡは、連続光学コヒーレントパルスを出力する（オン／オフモード又はレーザの連続波出力を整形する振幅変調器パルスのいずれかを使用して）。各パルスは、不平衡ビームスプリッタを使用して２つの部分に分割される。基準部分は、量子部分よりも高強度である。
【００５８】
基準パルス路は、位相基準パルスの光路を増大させる追加の光ファイバである遅延線を使用して遅延される。遅延時間は、受信側の実際の機器の２つのソースパルス間の時間の半分に設定され、これにより反復率は２倍になる。
【００５９】
基準パルスを使用して、ＬＡとＬＢとの間の相対位相を推定する。対応する量子情報及び位相基準パルスは、構成によって位相コヒーレントであるため、位相基準干渉における相対位相の推定値は、量子パルス測定値での相対位相の良好な近似である。
【００６０】
この実施形態では、量子情報Ｑ（ｉ）は、位相コヒーレンスが干渉において物理的に保証されるため、ホモダイン検出を使用して推定することができる。しかしながら、基準パルスは、高パルスノイズ状態でも位相補正を可能にするためにヘテロダインを必要とする。
【００６１】
ここで、「ＬＬＯ遅延線ｏｐｌｌ」実施形態（「設計」）について説明する。
【００６２】
そのような実施形態では、方法は、
−  Ａにおいて、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスＱＰ（ｉ）及びＲＰ（ｉ）を導出するステップであって、２つのパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ａにおいて、量子情報Ｑ（ｉ）を光学コヒーレント状態ＱＰ（ｉ）の直角位相に符号化するステップと
−  Ａにおいて、位相基準情報Ｒ（ｉ）を光学コヒーレント状態ＲＰ（ｉ）に符号化するステップであって、ＬＡと同相である、光学コヒーレント状態ＲＰ（ｉ）の直角位相値は、ＬＡとコヒーレントに大きい値Ｅｒだけ変位される、ステップと、光学チャネルを通してＡからＢにコヒーレント状態ＱＰ（ｉ）及びＲＰ（ｉ）を送信するステップと、
−  Ｂにおいて、２つの位相コヒーレント局部−局部発振器パルスＬＬＯＱ（ｉ）及びＬＬＯＲ（ｉ）を導出するステップであって、前記パルスは、周期ｉでＬＢによって生成される単一の光学パルスを２つのパルスに分割し、且つ第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させることによって生成される、ステップと、
−  Ｂにおいて、ＱＰ（ｉ）及びＲＰ（ｉ）を２つの異なる光路に逆多重化又は分離するステップと、Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて受信基準パルスＲＰ（ｉ）の２つの直角位相を測定し、測定結果（Ｘｒｅｆ（ｉ），Ｐｒｅｆ（ｉ））を取得するステップであって、光学パルスＬＬＯＲ（ｉ）は、ＲＰ（ｉ）と一致した局部−局部発振器（ＬＬＯ）モードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、直角位相測定結果（Ｘｒｅｆ（ｉ），Ｐｒｅｆ（ｉ））を用いてＬＡとＬＢとの間の相対位相変動Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）を特定するステップと、
−  Ｂにおいて、フィードバックメカニズム及び前記Ｔｈｅｔａ＿ｅｓｔ（ｉ）推定値を用いて、前記ＬＬＯＱ（ｉ）パルスの位相を前記光学基準パルスＲＰ（ｉ）の位相に物理的にループロックするステップと、
−  Ｂにおいて、コヒーレント検出を用いて受信パルスＱＰ（ｉ）を測定するステップであって、位相ロックＬＬＯＱ（ｉ）パルスは、ＲＰ（ｉ）と一致する局部−局部発振器（ＬＬＯ）モードとして使用される、ステップと、
−  Ｂにおいて、量子情報Ｑ（ｉ）を特定するステップと
を含み得る。
【００６３】
発信において、レーザＬＡは、連続光学コヒーレントパルスを出力する（オン／オフモード又はレーザの連続波出力を整形する振幅変調器パルスのいずれかを使用して）。各パルスは、不平衡ビームスプリッタを使用して２つの部分に分割される。基準部分は、量子部分よりも高強度である。
【００６４】
基準パルス路は、位相基準パルスの光路を増大させる追加の光ファイバである遅延線を使用して遅延される。遅延時間は、受信側の実際の機器の２つのソースパルス間の時間の半分に設定され、これにより反復率は２倍になる。
【００６５】
多重化技法は、ボブが異なるコヒーレント検出器を用いて測定するために、位相基準パルス及び量子信号パルスを分離できるようにする必要がある。実際には、これは、偏光技法を使用して行うことができる。偏光ビームスプリッタは、発信においてソースパルスを分割することができる一方、別の偏光ビームスプリッタは、ボブ側において、位相基準パルス及び量子信号パルスを２つの異なる光路に分割する。
【００６６】
基準パルスを使用して、ＬＡとＬＢとの間の相対位相を推定する。対応する量子情報及び位相基準パルスは、構成によって位相コヒーレントであるため、位相基準干渉における相対位相の推定値は、量子パルス測定値での相対位相の良好な近似である。
【００６７】
次に、相対位相推定値を使用して、干渉におけるコヒーレンスを保証するように、量子信号測定の局部発振器の位相を物理的に制御する。注入、ディザループ、平衡ループ、コスタスループ等の異なるメカニズムを使用してＯＰＬＬを実現することができる。
【００６８】
位相ロックプロセスは、（少なくとも）実験の反復率及び局部発振器パルスの位相をフィードバック制御する技法を含むことができる。
【００６９】
コンピュータで実行されると、前記コンピュータに方法の１つ又は複数のステップを実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品が更に開示される。
【００７０】
方法の１つ又は複数のステップを実行するための手段を含むシステムも提供される。
【００７１】
幾つかの実施形態では、光学チャネルによって接続された発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間での量子情報のコヒーレント光学通信のためのシステムが開示される。発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含み、システムは、
−  Ａにおける、周期ｉで同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するように構成されるレーザＬＡであって、パルスは、レーザＬＡと自己コヒーレントである、レーザＬＡと、
−  Ａにおける、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び物理位相基準情報Ｒ（ｉ）をそれらの１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するように構成されるコヒーレント多重化エンコーダと、
−  多重化Ｑ（ｉ）及びＴ（ｉ）を送信するように構成される、ＡからＢへの光学チャネルと、
−  Ｂにおける、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスを用いて、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び物理位相基準情報Ｒ（ｉ）を測定し、それによりＱ（ｉ）の従来の測定値Ｑｍ（ｉ）及びＲ（ｉ）の従来の測定値Ｒｍ（ｉ）を取得するように構成される多重化コヒーレント測定デバイスと、
−  Ｂにおける、Ｒ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉ（ｉ）を特定するように構成されるデバイスと、
−  Ｂにおける、相対位相Ｐｈｉ（ｉ）の推定値を使用してＱｍ（ｉ）測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑ（ｉ）を特定するように構成されるデバイスと
を更に含む。
【００７２】
発信器Ａの視点から、光学チャネルによって接続された発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間での量子情報のコヒーレント光学通信のためのシステムが開示され、このシステムでは、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含む。システムは、
−  Ａにおける、周期ｉで同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するように構成されるレーザＬＡであって、前記パルスは、レーザＬＡと自己コヒーレントである、レーザＬＡと、
−  Ａにおける、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉをそれらの１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するためのコヒーレント多重化エンコーダと、
−  多重化Ｑｉ及びＴｉを送信するように構成される、ＡからＢへの光学チャネルと
を更に含む。
【００７３】
受信器Ｂの視点から、光学チャネルによって接続された発信器Ａと遠隔受信器Ｂとの間での量子情報のコヒーレント光学通信のためのシステムが開示され、発信器Ａは、レーザＬＡを含み、受信器Ｂは、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器ＬＬＯとして使用されるレーザＬＢを含む。システムは、
−  Ｂにおける、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスを用いて、論理量子情報Ｑｉ及び物理位相基準情報Ｒｉを測定し、それによりＱｉの従来の測定値Ｑｍｉ及びＲｉの従来の測定値Ｒｍｉを取得するように構成される多重化コヒーレント測定デバイスと、
−  Ｂにおける、Ｒ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑｉ光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉｉを特定するように構成されるデバイスと、
−  Ｂにおける、相対位相Ｐｈｉｉの推定値を使用してＱｍｉ測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑｉを特定するように構成されるデバイスと
を更に含む。
【００７４】
ここで、システム（変位多重化を用いる）の特定の実施形態について説明する。
【００７５】
そのような実施形態では、システムは、ヘテロダイン検出器及び局部−局部発振器（ＬＬＯ）を更に含み得る。ＡからＢに送信される情報は、周期ｉでＬＡによって生成される光学波面から導出される単一の光学コヒーレント状態パルスに符号化され、量子情報Ｑ（ｉ）は、コヒーレント状態の両方の直角位相に符号化される一方、位相基準情報Ｒ（ｉ）は、周期ｉでＬＡと同相である直角位相の振幅デルタの変位として符号化され、ヘテロダイン検出器は、周期ｉで受信パルスの２つの直角位相の両方を測定する。レーザＬＢは、受信パルスと一致するコヒーレント状態パルスモードを生成するための局部−局部発振器（ＬＬＯ）として使用される。直角位相測定結果は、ＬＡとＬＢとの間の位相変動を推定し、且つ次に量子情報Ｑ（ｉ）を特定するために使用される。
【００７６】
ここで、システム（遅延線及びＤＳＰ位相補正を用いる）の特定の実施形態について説明する。
【００７７】
この実施形態では、システムは、スプリッタ、光学遅延線及びホモダイン又はヘテロダイン検出器を更に含み得、量子情報Ｑ（ｉ）及び位相基準情報Ｒ（ｉ）は、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスに符号化される。これらの２つのパルスは、ＬＡによって（周期ｉで）生成される光学パルスをビームスプリッタで分割し、且つ光学遅延線を用いて第１のパルスに対して第２のパルスを時間デルタＴだけ遅延させることによって生成される。量子情報Ｑ（ｉ）は、パルスＱＰ（ｉ）の１つの直角位相に符号化される。位相基準情報Ｒ（ｉ）は、第２のパルスＲＰ（ｉ）に符号化され、第２のパルスＲＰ（ｉ）の直角位相値は、ＬＡと同相であり、且つ値デルタだけ変位される一方、その他方の直角位相値は、変調されず、受信パルスＱＰ（ｉ）の直角位相の測定ＤＱは、周期ｉでボブにおけるホモダイン又はヘテロダイン検出器で実行され、ＬＢは、ＱＰ（ｉ）と一致するコヒーレント状態パルスＬＬＯＱ（ｉ）モードを生成するための局部−局部発振器（ＬＬＯ）として使用され、受信基準パルスＲＰ（ｉ）の２つの直角位相のヘテロダイン測定ＤＲは、周期ｉでボブにおいて実行される。レーザＬＢは、遅延線を使用して、遅延線を用いて周期ｉでＬＬＯＱ（ｉ）を生成するために使用される波面の一部を遅延させることによって得られるコヒーレント状態パルスＬＬＯＲ（ｉ）生成するための局部局部発振器（ＬＬＯ）として使用され、ＤＲを用いて得られる直角位相測定結果は、ＬＡとＬＢとの間の位相変動Ｐｈｉ（ｉ）を特定するために使用される。特定された位相変動は、次に、ＱＰ（ｉ）の直角位相測定結果を補正し、且つ次に量子情報Ｑｉを特定するために使用される。
【００７８】
ここで、システム（異なる検出器を用いる）の特定の実施形態について説明する。発展形態では、コヒーレント検出器ＤＱ又はコヒーレント検出器ＤＲは、異なる単一の検出器である。有利には、２つの異なる検出器を使用することで、より高いハードウェアコスト及び実験複雑性を伴い得る場合に検出ダイナミクスへの制約がなくなる。
【００７９】
発展形態では、コヒーレント検出器ＤＱ及びコヒーレント検出器ＤＲは、同じコヒーレント検出器である。１つの単一の検出器を有することにより、設計の簡便性、ハードウェアコストの低減という利点が提示される。他方、１つの単一の検出器を有することは、飽和を受けずに同じ検出を用いて（弱い）量子信号Ｑｉ及び（強い）基準信号Ｒｉを検出する検出の有限ダイナミクス（飽和前）に起因して課題となり得る。
【００８０】
発展形態では、コヒーレント検出器ＤＱ又は前記コヒーレント検出器ＤＲは、コヒーレント状態パルスＬＬＯＱの強度に対して低減されるコヒーレント状態パルスＬＬＯＲの強度に関連付けられる。
【００８１】
代替的には、ダイナミクスへの制約は、（強い）基準パルスＰＲを検出するとき、局部発振器の電力を下げることによって対処することができる。電力レベルは、非常に入念に較正する必要があり、電力安定性は、この設計に新しい実験問題を導入することになる。更に、局部発振器の電力を下げることは、電子ノイズの相対的な影響を増大させる有害な影響を有するが、そのような影響は、基準パルス電力がショットノイズと比較して非常に高い場合、それほど有害ではないはずである。
【００８２】
ここで、システム（「ＬＬＯ自己コヒーレントｏｐｌｌ」設計）の特定の実施形態について説明する。
【００８３】
発展形態では、量子情報Ｑ（ｉ）及び位相基準情報Ｒ（ｉ）は、２つの異なる光学コヒーレント状態パルスに符号化され、両方のパルスは、周期ｉでＬＡによって生成される光学波面からコヒーレントに導出され、第２のパルスは、光学遅延線を用いて第１のパルスに対して遅延され、量子情報Ｑ（ｉ）は、ＱＰ（ｉ）と呼ばれるパルスの１つの直角位相に符号化され、位相基準情報Ｒ（ｉ）は、ＲＰ（ｉ）と呼ばれる第２のパルスに符号化され、ＬＡと同相である、第２のパルスの直角位相値は、大きい値デルタだけ変位される一方、その他方の直角位相値は、変調されず、位相基準パルスＲＰ（ｉ）は、Ｂにおける光学位相ロックループ（ＯＰＬＬ）を動作させ、フィードバックメカニズムを用いてレーザＬＢの位相を光学基準パルスＰＲ（ｉ）の位相にロックするために使用され、受信パルスＱＰ（ｉ）の直角位相のデュアルホモダイン測定ＤＱは、周期ｉでＢにおいて実行され、ＬＢは、ＱＰ（ｉ）と一致したコヒーレント状態パルスＰＬＬＯＱモードを生成するための局部局部発振器（ＬＬＯ）として使用される。
【００８４】
有利には、注入、ディザループ、平衡ループ、又はコスタスループの１つ又は複数等の異なるメカニズムを使用してＯＰＬＬを実現することができる。
【００８５】
例示的な図に表される以下のパラメータが実質的に一定であることに留意されたい。アリスの変調変数は、ＶＡ＝２、調停効率は、β＝０．９５であり、ホモダイン効率は、η＝０．７であり、干渉におけるＬＯパルスに１０８個の光子がある場合、電子ノイズは、ｖｅｌｅｃ＝０．１である。
【００８６】
マッハツェンダ型振幅変調器での８ビット精度位相変調器及び４０ｄＢダイナミクス（ε＝０．０１）が更に考慮される。
【００８７】
図１は、ＴＬＯ設計でのボブの受信器１００の実施形態を示す。ボブは、減衰信号及びＬＯ多重化パルスの両方を受信する。ボブは、まず２つのパルスを逆多重化する（１１０）必要がある。次に、ボブは、直角位相をランダムに選択し、｛０，Π／２｝内のランダム位相を測定して、ＬＯに位相変調器１２０を適用する。最後に、信号及びＬＯは、５０／５０ビームスプリッタ１３０上で干渉する。ボブの測定は、ビームスプリッタの出力における光電流の差に対応する。
【００８８】
図２は、ＬＬＯシーケンシャル設計でのボブの受信器の実施形態を示す。ボブは、代替的に、信号及び位相基準パルス２０１を受信する。ボブは、ヘテロダイン検出をパルスのそれぞれ１つに対して実行し、Ｘ直角位相及びＰ直角位相の両方を得る。次に、位相補正２１０がデジタル処理を使用して実行される。
【００８９】
図３は、距離３１０及び反復率３２０に関して２つの設計（送信ＬＯ設計及び局部ＬＯ設計）の理論上の過剰ノイズを比較する。図は、δｖ＝５０ｋＨｚの場合の送信ＬＯ設計及び局部ＬＯ設計での理論上の鍵レートの比較を示す。電子ノイズは、完全に信頼できるものとして見なされる（楽観モデル）。左側のグラフ３１０は、反復率ｆ＝５０ＭＨｚの場合の距離の関数としての過剰ノイズを表す。右側のグラフ３２０は、ｄ＝２５ｋｍの場合での反復率の関数としての過剰ノイズを表す。異なる値Ｉｍａｘが送信ＬＯ設計に選択されている。破線３１１は、ヌル鍵レート閾値ξＮＫＲに対応する。
【００９０】
アリスのレーザの開始電力は、実験上の理由でＩｍａｘに制限されると仮定する。送信ＬＯ設計の標準の実装形態は、一般に、数ミリワット入力強度に依存する。これらの曲線では、Ｉｍａｘ∈｛２ｍＷ，１０ｍＷ，２０ｍＷ｝が選択されている。Ｉｍａｘの値に応じて、余剰ノイズがヌル鍵レート閾値を超えて増大する距離限度及び反復率限度があることを見ることができる。これは、アリスがボブ側での十分に明るいＬＯ（１パルス当たり約１０８個の光子）を保証することができず、電子対ショットノイズ比が秘密鍵の生成を阻止することに起因する。右の図３２０から、高反復率の場合、ＬＬＯ変位設計は、秘密鍵を生成することを可能にすることを見ることができる。これは、２つの理由による。第１に、考察したように、ボブ側でのＬＯ強度が反復率に依存せず、したがって電子対ショットノイズ比が局部的に制御されるが、これはＴＬＯ設計では当てはまらない。第２に、高反復率により、位相変動の効率的な補正が可能になり、低位相ノイズ誘導の過剰ノイズを保証することが可能になる。最後に、低電子対ショットノイズ比及び低位相ノイズを維持するために、高反復率及び長距離ＣＶ−ＱＫＤは、局部ＬＯに基づくべきである。
【００９１】
ここで、本発明の実施形態について説明する。
【００９２】
ここで、本発明の実施形態による３つのＬＬＯ設計について説明する。これらの設計は、自己コヒーレント信号／位相基準対を含む。
【００９３】
実施形態では、ＬＯを局部生成する方法は、信号及び位相基準がいかなる位相ノイズも受けず、発信において同じパルスから来ることを保証することである。ここで、この手法を実施する３つの設計又は実施形態について説明する。
【００９４】
実施形態では、本発明によるシステムは、コヒーレント信号／基準パルス対を含む。
【００９５】
考察したように、ＬＬＯシーケンシャル設計は、２つの隣接パルス間のレーザ位相変動によって制限されない。この設計では、位相推定及び位相補正の両方が、同じパルスから分割されたパルスに対して実行される。これを行い、ＬＬＯシーケンシャル設計から、レーザ位相変動に起因する最小残留位相ノイズをなくすことができる。
【００９６】
実施形態（「ＬＬＯ遅延線ｄｓｐ設計」）では、アリスは、アリスのレーザを用いて２／ｆ反復率信号を生成する。アリスは、次に不平衡ビームスプリッタを使用して各パルスを２つの部分に分割する。弱い部分は、変調されて、通常のＧＭＣＳ信号コヒーレント状態を取得する一方、強い部分は、１／ｆ秒遅延される。２つのパルスは、最後に量子チャネルを通して送信される。最後に、アリスは、両方とも同じ元のパルスの出力である１つの信号パルスと１つの基準パルスとの連続対を送信する。これは、信号及び完全に位相ロックされた位相基準の両方をレーザ変動から独立して送信する時間多重化方法として見ることができる。ボブ側において、局部ＬＯを使用して各パルスを測定する。相対位相推定及び補正の両方がデジタル的に実行される。位相補正は、２つの隣接パルス間の位相変動によってもはや制限されず、基準パルスへの位相推定効率の精度によってのみ制限される。
【００９７】
考察したように、残留位相ノイズは、基準パルスへの位相推定の効率に依存する。これは、各パルスで利用可能な強度に依存する。この効率は、位相推定値の分散として表現することができる。これは、アリスのレーザ強度、量子チャネルで許される強度、及びボブのホモダイン検出器のダイナミクスによって制限される。
【００９８】
実施形態（「ＬＬＯ遅延線ｏｐｌｌ」）では、本発明によるシステムは、光学ＰＬＬを有するコヒーレント信号／基準パルス対を含む。そのような実施形態では、位相補正が光学的に実行される別のＬＬＯ遅延線設計が導入される。アリスは、設計ＬＬＯ遅延線ＤＳＰ設計と同じパルスを生成する。ボブは、基準パルスを自らのＬＯ発信器と干渉させ、出力ビームの強度を測定する。この強度を使用して、ボブは、相対位相を推定し、信号ホモダイン検出ＬＯにおいて補正することができる。これを行い、次に位相補正が物理的に実行される。
【００９９】
図４は、本発明の実施形態（「ＬＬＯ遅延線ｄｓｐ」設計による）を示す。アリス４０１は、反復率ｆ／２においてパルスを生成する。アリスは、各パルスを信号パルス及び基準パルスに分割する。同じビームの出力として、両方のパルスは位相ロックされる。遅延線を使用して、アリスは、基準パルスを１／ｆ秒遅延させる。アリスは、次に１／ｆ率信号を生成する。受信において、ボブ４０２は、自らのＬＯを使用して各パルスを測定する。これを行い、位相推定が、信号パルスと位相ロックされたパルスに対して実行される。
【０１００】
図５は、本発明の実施形態（「ＬＬＯ遅延線ｏｐｌｌ」設計による）を示す。アリス５０１は、反復率ｆ／２においてパルスを生成する。アリスは、各パルスを信号パルス及び基準パルスに分割する。同じビームの出力として、両方のパルスは位相ロックされる。遅延線を使用して、アリス５０１は、基準パルスを１／ｆ秒遅延させる。アリスは、次に１／ｆ率信号を生成する。受信において、ボブ５０２は、偏光ビームスプリッタにおいて信号及び基準パルスを分離する。ボブは、基準パルスを使用して相対位相を推定し、その推定値を物理的に補正して（５１０）、単一のホモダイン検出でのＬＯの位相を制御する。
【０１０１】
図６は、インバンド位相基準送信を使用した本発明の実施形態を示す。そのような実施形態では、変更されたＬＬＯ方法は、ＬＬＯシーケンシャル設計の位相推定プロセスにおける遅延に起因する考察された制限を解消する。図６は、アリスによって送信された熱状態が変位することを示す。アリスは、変位したコヒーレント状態｜ｘＡ＋Δ＊ｃｏｓφΔ，ｐＡ＋Δ＊ｓｉｎφΔ｜を送信し、ここで、ｘＡ及びｐＡは、ガウス変数である。一般性を失わずに、φΔは、０に設定することができる。変位の値は、既知であり、アリスの位相空間において固定され、それによりアリスの位相基準についての情報を搬送する。次に、あらゆるパルスは、信号及び基準パルスの両方として使用することができる。ヘテロダイン検出を使用して、ボブは、各受信コヒーレント状態のＸ直角位相及びＰ直角位相の両方を測定し、値（ｘＢ，ｐＢ）を取得する。位相変動に起因して、ボブの基準における各コヒーレント状態の位相は、θ＝θｓｔａｔｅ＋θｄｒｉｆｔとして記述され得、式中、ｘＡ＋ｉ．ｐＡ＝ｒ＊ｅｘｐ（ｉ＊θｓｔａｔｅ）であり、θｄｒｉｆｔは、図６に示されるように、干渉でのアリスのレーザとボブのレーザとの間の相対位相である。ｘＢ及びｐＢを使用して、ボブは、θの推定値として、添付書類１の式１として全体相対位相を推定することができる。しかしながら、ｓｑｒｔ（ＶＡ＋１）と比較して大きい変位Δを提供することで、位相θｓｔａｔｅの値及び分散は、θが相対位相θｄｒｉｆｔの良好な近似であるように小さい。最後に、θｄｒｉｆｔの知識は、推定値θを所与として、添付書類１の式２であるθｓｔａｔｅの分散として表すことができる。したがって、十分に強いΔを提供することで、値θは、相対位相θｄｒｉｆｔの精密な推定値である。残留位相ノイズが、最大でも位相推定に基づく単一の測定の分散ＶＭであることが強調される。特に、残留位相ノイズは、もはや２つの連続パルス間の位相変動に依存しない。位相推定プロセス後、ボブは、最後に、角度−θの回転によって測定を補正することができる。主に、ボブは、以下（ｘＢ，ｐＢ）：添付書類１の式３を用いてアリスの直角位相を推定し、式中、Ｒθ（Ｐ）は、角度θの点Ｐの回転である。この実施形態は、図７において説明される「ＬＬＯ変位」設計と呼ばれる。
【０１０２】
図６は、アリスの熱状態の位相空間表現を示す。中心の円６０１は、ＴＬＯ及びＬＬＯシーケンシャル設計信号の両方のゼロ平均分散ＶＡ変調を表す。円６０２は、アリスの位相基準と呼ばれるＬＬＯインバンド設計での変位された変調を表す。変位Δは、位相基準に対応する。円６０３は、ボブの視点からのアリスの変調である。位相ノイズに起因して、アリスの熱状態は、ランダム位相θｄｒｉｆｔによって回転する。Δ＞＞ｐＶＡである状態では、位相θｓｔａｔｅは、０に近く、ボブが位相変動θｄｒｉｆｔを効率的に推定できるようにする。この方式は、Ｇ＝１の場合に有効である。大きいΔを提供することにより、ボブは、単一の状態直角位相測定を使用して相対位相の精密な推定を有する。しかしながら、ガウス位相ノイズ構造を使用して、隣接する位相推定値を使用することによって位相推定プロセスの効率を最適化することができる。通常、フィルタリング技法において位相時間相関を使用することができる。位相ノイズのガウス構造は、添付書類１の式４として表現することができ、式中、δθｉ〜Ｎ（０，Ｖｄｒｉｆｔ）であり、ここで、Ｖｄｒｉｆｔは、添付書類１の式８において定義される。最後に、最適位相推定分散Ｖｏｐｔは、添付書類１の式５として記述され得、式中、ｎｏｐｔは、位相評価プロセスで使用される隣接位相推定値φｊの最適数であり、添付書類１の式６として記述され得る。
【０１０３】
例えば、低位相ノイズ状態の場合、すなわちＶｄｒｉｆｔ＜＜１の場合、隣接する推定値の平均をとり、全体位相推定効率を上げることができる。しかしながら、Ｖｄｒｉｆｔ＞＞ＶＭである、位相ノイズが非常に高速である状態では、式６は、ｎｏｐｔ＝０をもたらし、位相推定プロセス効率は、そのまま単一の測定ベースの効率ＶＭである。特に、これは、位相ノイズが強い場合でも、変位Δを使用して少なくともＶＭの精度で相対位相を復元できることを意味する。
【０１０４】
位相ノイズに起因する過剰ノイズは、添付書類１の式７として記述され得る。この数量は、変位が増大する場合には常に低減する。これは、位相復元プロセスが可能な限り大きい変位を必要とすることを意味する。しかしながら、完全な変位のみがこれまで考慮されてきた。位相推定プロセスと、不完全な振幅変調器に起因して変位が不完全な場合の最終的な残留誤差との間でトレードオフを行うことができる。
【０１０５】
変位への制限は、振幅変調器の有限ダイナミクスに起因する。値Δ＋ｓｑｒｔ（ＶＡ）の値が最大振幅に近すぎる場合、変調の大部分が切り取られ、過剰ノイズが増大する。しかしながら、ＴＬＯ及びＬＬＯシーケンシャル設計と異なり、アリスの熱状態は、ゼロ平均状態ではない。これは、ＬＬＯ変位設計がＬＬＯシーケンシャル設計よりも高いηｍｉｎに耐え得ることを意味する。誘導されるノイズは、ξ（Δ）ｍｏｄと記される。位相変調器入力電圧の離散化によって誘導される誤差は、変調される状態の振幅に比例し、位相推定と振幅の誤差との間での最適な変位についてのトレードオフをもたらす。
【０１０６】
図７は、本発明の実施形態（「ＬＬＯ変位」設計）におけるボブの受信器７０１を示す。ボブは、パルスのそれぞれ１つにヘテロダイン検出を実行し、デジタル位相補正を実行する。信号帯内の各時間スロットを使用して、ＣＶ−ＱＫＤを実行する。位相基準専用のパルスはない。
【０１０７】
アリスの直角位相のボブの推定値における総ノイズは、添付書類１の式８として表すことができる。
【０１０８】
特に系統的な位相ノイズ推定により、位相ノイズが非常に高速な状態においてＬＬＯ変位実施形態を使用できるようになる。位相ノイズが隣接パルスから推定されるＬＬＯシーケンシャル設計と異なり、ここで、位相ノイズは、現在の推定値を含む連続推定値のフィルタリングを使用して推定される。これは、相対位相が、パルスから続くパルスに全く相関しない（例えば、欠陥レーザ又は低反復率に起因する非常に高速の変動）場合でも、ボブは、それでもなお位相ノイズについての情報を取得し、測定を補正し得ることを暗示する。特に、この設計では、大きい位相ノイズがある状態でＣＶ−ＱＫＤを実行することができ、これは、ＬＬＯｏｕｔ設計を使用して達成することができない。更に、インバンド基準位相送信を使用することで、全ての反復率を信号に使用することが可能になることが強調される。この設計の別の重要な利点は、位相基準が多重化技法を必要としないことであり、それにより、そのようなプロトコルの実験回路が簡易化される。
【０１０９】
図８は、反復率ｆの関数としてのＬＬＯシーケンシャル設計及びＬＬＯ変位設計の予期される鍵レートの比較を示す（１ＭＨｚ、５０ｋＨｚ、及び５ｋＨｚの場合）。破線曲線は、ＬＬＯシーケンシャルに対応する。これは、異なるレーザ線幅の場合の鍵レートを反復率の関数として表す。高位相ノイズ状態（低反復率）では、ＬＬＯシーケンシャル（破線曲線）は、秘密鍵を生成することができず、なぜなら、相対位相推定効率が式１１からのノイズＶｄｒｉｆｔによって支配されるためである。しかしながら、反復率が十分に高い場合、変動Ｖｄｒｉｆｔが小さく、位相補正が効率的である。これとは対照的に、ＬＬＯ変位設計では、系統的位相推定に起因して、位相ノイズを常に補正することができる。低反復率状態では、最適位相推定分散は、単一の測定ベースの推定であるが、高反復率状態でフィルタリング技法を使用して更に改善することができる。低位相ノイズ状態では、位相ノイズは、両方の設計で効率的に補正され、曲線間のギャップは、信号及び位相基準の同時送信に起因してＬＬＯ変位設計に保存される係数１／２に由来する。
【０１１０】
図９は、本発明の実施形態によるステップの例を示す。実施形態では、光学チャネル（例えば、光ファイバ）によって接続された発信器（又は送信器）Ａ９０１と遠隔受信器Ｂ９０２との間で量子情報のコヒーレント光学通信を実行する方法が開示される。発信器Ａ９０１は、レーザＬＡを含み、受信器Ｂ９０２は、コヒーレント受信器を動作させるための局部局部発振器（ＬＬＯ）として使用されるレーザＬＢを含む。方法は、
−  Ａにおいて、周期ｉでレーザＬＡによって生成される同じ光学波面から１つ又は２つの光学パルスを位相コヒーレントに導出するステップ（９１０）であって、パルスは、レーザＬＡと自己コヒーレントである、ステップ（９１０）と、
−  Ａにおいて、コヒーレント多重化符号化メカニズムを使用することにより、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び（並びに）物理位相基準情報Ｒ（ｉ）をそれらの１つ又は２つの自己コヒーレント光学パルスに符号化するステップ（９２０）と、
−  光学チャネルを通してＡからＢに、多重化されたＱ（ｉ）及びＲ（ｉ）を送信するステップ（９３０）と、
−  Ｂにおいて、レーザＬＢによって生成され、且つコヒーレント検出を実行するための局部発振器として使用される単一の光学波面から導出される前記１つ又は２つの自己コヒーレントパルスとの多重化コヒーレント測定を用いて、論理量子情報Ｑ（ｉ）及び物理位相基準情報Ｒ（ｉ）を測定し、それによりＱ（ｉ）の従来の測定値Ｑｍ（ｉ）及びＲ（ｉ）の従来の測定値Ｒｍ（ｉ）を取得又は特定する（９４０）するステップと、
−  Ｂにおいて、Ｒ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の相対位相を推定することにより、Ｑ（ｉ）光学パルスと対応するＬＯパルスとの間の周期ｉでの干渉における相対位相Ｐｈｉ（ｉ）を特定するステップ（９５０）と、
−  Ｂにおいて、相対位相Ｐｈｉ（ｉ）の推定値を使用してＱｍ（ｉ）測定値を補正することにより、論理量子情報Ｑ（ｉ）を特定するステップ（９６０）と
を含む。
【０１１１】
開示された実施形態は、全体的にハードウェアの実施形態（例えば、ＦＰＧＡ）、全体的にソフトウェアの実施形態、又はハードウェア要素及びソフトウェア要素の両方を含む実施形態の形態をとることができる。ソフトウェア実施形態は、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含むが、これらに限定されない。本発明は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによって使用されるか、又は併せて使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能媒体若しくはコンピュータ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読は、命令実行システム、装置若しくはデバイスによって使用されるか、又は併せて使用されるプログラムの包含、記憶、通信、伝搬若しくは輸送を行うことができる任意の装置であり得る。媒体は、電子媒体、磁気媒体、光学媒体、電磁媒体、半導体システム（若しくは装置若しくはデバイス）、又は伝搬媒体であり得る。
【０１１２】
添付書類１
【数１】
2019522394.tif 000003
【数２】
2019522394.tif 000004
【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【数７】
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【数８】
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【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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【国際調査報告】
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