(57)【要約】  一実施形態は、ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するシステム及び方法を提供する。動作中、ローカルノードは、ランダム鍵を生成し、ランダム鍵に基づいて通常光学信号を生成する。ローカルノードは、制御シーケンス及び１組の量子状態ベースに基づいて量子光学信号も生成し、通常光学信号及び量子光学信号を多重化して、混成光学信号を生成する。ローカルノードは、混成光学信号をリモートノードに送信し、制御シーケンスに関連する情報及び１組の量子状態ベースに関連する情報をリモートノードに送信し、量子光学信号の測定、制御シーケンスに関連する情報、及び１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、リモートノードから盗聴検出結果を受信する。
2019520720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出する方法であって、
前記ローカルノードによりランダム鍵を生成することと、
前記ランダム鍵に基づいて、通常光学信号を生成することと、
制御シーケンス及び１組の量子状態ベースに基づいて、量子光学信号を生成することと、
前記通常光学信号及び前記量子光学信号を多重化して、混成光学信号を生成することと、
前記混成光学信号を前記リモートノードに送信することと、
前記制御シーケンスに関連する情報及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報を前記リモートノードに送信することと、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスに関連する情報、及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、前記リモートノードから盗聴検出結果を受信することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記ローカルノードにより前記ランダム鍵を暗号化することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記量子光学信号を生成することは、
前記制御シーケンスとしてランダム二進列を生成することと、
量子状態ベースライブラリから前記１組の量子状態ベースを選択することと、
長さ値を、選択された各量子状態ベースに割り当てることであって、前記選択された量子状態ベースの長さ値の和は、前記制御シーケンスの長さに等しい、割り当てることと、
前記制御シーケンス、前記１組の量子状態ベース、及び前記量子状態ベースに割り当てられた前記長さ値に基づいて、幾つかの単一光子を符号化することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記単一光子を符号化することは、
前記制御シーケンス内のビットの位置及び前記選択された１組の量子状態ベースの割り当てられた長さに基づいて、前記ビットを前記選択された１組の量子状態ベース内の量子状態ベースに関連付けることと、
前記ビットの値及び前記関連付けられた量子状態ベースに基づいて、単一光子の偏光状態を変調することと
を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記制御シーケンスに関連する情報は、前記制御シーケンスの長さ及び前記制御シーケンスのビット値を含み、前記１組の量子状態ベースに関連する情報は、前記１組の量子状態ベースの量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）及び前記ＱＩＤに対応する長さ値を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
盗聴が検出されないことを示す前記盗聴検出結果に応答して、前記ランダム鍵を使用して前記ローカルノードと前記リモートノードとの間にセキュア通信チャネルを確立すること
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ローカルシステムとリモートシステムとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するローカルシステムであって、
量子状態ベースライブラリと、
ランダム鍵を生成するように構成されるランダム鍵生成器と、
前記ランダム鍵に基づいて、通常光学信号を生成するように構成される通常光学モジュールと、
制御シーケンス及び前記量子状態ベースライブラリから選択される１組の量子状態ベースに基づいて、量子光学信号を生成するように構成される量子光学エンコーダと、
前記通常光学信号及び前記量子光学信号を多重化して、サーバに送信される混成光学信号を生成するように構成される光学マルチプレクサと
を含み、
前記通常光学モジュールは、
前記制御シーケンスに関連する情報及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報を前記リモートシステムに送信することと、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスに関連する情報、及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、前記リモートシステムから盗聴検出結果を受信することと
を行うように更に構成される、ローカルシステム。
【請求項８】
前記量子光学信号を生成する際に、前記量子光学エンコーダは、
前記制御シーケンスとしてランダム二進列を生成することと、
前記量子状態ベースライブラリから前記１組の量子状態ベースを選択することと、
長さ値を、選択された各量子状態ベースに割り当てることであって、前記選択された量子状態ベースの長さ値の和は、前記制御シーケンスの長さに等しい、割り当てることと、
前記制御シーケンス、前記１組の量子状態ベース、及び前記量子状態ベースに割り当てられた前記長さ値に基づいて、幾つかの単一光子を符号化することと
を行うように構成される、請求項７に記載のローカルシステム。
【請求項９】
前記単一光子を符号化する際に、前記量子光学エンコーダは、
前記制御シーケンス内のビットの位置及び前記選択された１組の量子状態ベースの割り当てられた長さに基づいて、前記ビットを前記選択された１組の量子状態ベース内の量子状態ベースに関連付けることと、
前記ビットの値及び前記関連付けられた量子状態ベースに基づいて、単一光子の偏光状態を変調することと
を行うように構成される、請求項８に記載のローカルシステム。
【請求項１０】
前記制御シーケンスに関連する情報は、前記制御シーケンスの長さ及び前記制御シーケンスのビット値を含み、前記１組の量子状態ベースに関連する情報は、前記１組の量子状態ベースの量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）及び前記ＱＩＤに対応する長さ値を含む、請求項７に記載のローカルシステム。
【請求項１１】
ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出する方法であって、
前記ローカルノードにより前記リモートノードから、量子光学信号が多重化された通常光学信号を含む混成光学信号を受信することであって、前記通常光学信号は、ランダム鍵に関連する情報を搬送し、前記量子光学信号は、制御シーケンス及び第１の組の量子状態ベースに基づいて生成される、受信することと、
前記受信した混成光学信号を逆多重化して、前記通常光学信号及び前記量子光学信号を取得することと、
前記通常光学信号を処理して、前記ランダム鍵を取得することと、
第２の組の量子状態ベースを使用して、前記量子光学信号の測定を実行することと、
前記リモートノードから、前記制御シーケンスに関連する情報及び前記第１の組の量子状態ベースに関連する情報を受信することと、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスに関連する情報、及び前記第１の組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて盗聴検出結果を生成することと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記制御シーケンスに関連する情報は、前記制御シーケンスの長さ及び前記制御シーケンスのビット値を含み、前記１の組の量子状態ベースに関連する情報は、前記１組の量子状態ベースの量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）及び前記ＱＩＤに対応する長さ値を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記盗聴検出結果を生成することは、
前記量子光学信号の測定及び前記制御シーケンスの長さに基づいて、光子損失率を計算することと、
前記光子損失率が所定の閾値未満であるとの判断に応答して、盗聴が検出されないことを示す盗聴検出結果を生成することと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記盗聴検出結果を生成することは、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスのビット値、前記第１の組の量子状態ベースのＱＩＤ、前記ＱＩＤに対応する長さ値、及び前記第２の組の量子状態ベースに基づいて、ビットエラーレートを計算することと、
前記ビットエラーレートが所定の閾値未満であるとの判断に応答して、盗聴が検出されないことを示す盗聴検出結果を生成することと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
盗聴が検出されないことを示す前記盗聴検出結果に応答して、前記ランダム鍵を使用して前記ローカルノードと前記リモートノードとの間にセキュア通信チャネルを確立すること
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
ローカルシステムとリモートシステムとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するローカルシステムであって、
量子状態ベースライブラリと、
前記リモートシステムから受信される混成光学信号を逆多重化して、通常光学信号及び量子光学信号を取得するように構成される光学デマルチプレクサであって、前記通常光学信号はランダム鍵に関連する情報を搬送し、前記量子光学信号は、制御シーケンス及び第１の組の量子状態ベースに基づいて生成される、光学デマルチプレクサと、
前記通常光学信号を受信して処理し、前記ランダム鍵を取得するように構成される通常光学モジュールと、
第２の組の量子状態ベースを使用して、前記量子光学信号の測定を実行するように構成される量子状態測定モジュールと、
盗聴検出結果生成器と
を含み、
前記盗聴検出結果生成器は、
前記リモートシステムから前記通常光学モジュールを介して、前記制御シーケンスに関連する情報及び前記第１の組の量子状態ベースに関連する情報を受信することと、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスに関連する情報、及び前記第１の組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、前記盗聴検出結果を生成することと
を行うように構成される、ローカルシステム。
【請求項１７】
前記通常光学信号を復号化して、前記ランダム鍵を取得するように構成される暗号／復号化モジュールを更に含む、請求項１６に記載のローカルシステム。
【請求項１８】
前記制御シーケンスに関連する情報は、前記制御シーケンスの長さ及び前記制御シーケンスのビット値を含み、前記第１の組の量子状態ベースに関連する情報は、前記１組の量子状態ベースの量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）及び前記ＱＩＤに対応する長さ値を含む、請求項１６に記載のローカルシステム。
【請求項１９】
前記盗聴検出結果を生成する際に、前記盗聴検出結果生成器は、
前記量子光学信号の測定及び前記制御シーケンスの長さに基づいて、光子損失率を計算することと、
前記光子損失率が所定の閾値未満であるとの判断に応答して、盗聴が検出されないことを示す盗聴検出結果を生成することと
を行うように更に構成される、請求項１８に記載のローカルシステム。
【請求項２０】
前記盗聴検出結果を生成する際に、前記盗聴検出結果生成器は、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスのビット値、前記第１の組の量子状態ベースのＱＩＤ、前記ＱＩＤに対応する長さ値、及び前記第２の組の量子状態ベースに基づいて、ビットエラーレートを計算することと、
前記ビットエラーレートが所定の閾値未満であるとの判断に応答して、盗聴が検出されないことを示す盗聴検出結果を生成することと
を行うように更に構成される、請求項１８に記載のローカルシステム。
【請求項２１】
ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出する方法であって、
送信するデータに基づいて、前記ローカルノードにより通常光学信号を生成することと、
制御シーケンス及び１組の量子状態ベースに基づいて量子光学信号を生成することと、
前記通常光学信号及び前記量子光学信号を多重化して、混成光学信号を生成することと、
前記混成光学信号を前記リモートノードに送信することと、
前記制御シーケンスに関連する情報及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報を前記リモートノードに送信することと、
前記量子光学信号の測定、前記制御シーケンスに関連する情報、及び前記１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、前記リモートノードから盗聴検出結果を受信することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
分野
本開示は、一般的にはセキュアデータ伝送技術に関する。より詳細には、本開示は、量子状態を使用して、盗聴を検出するセキュアデータ伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
インターネットを含むコンピュータネットワークを介したデータ通信及び電気通信の指数的な増大に伴い、これらのコンピュータネットワークで伝送されるプライベート情報を盗聴及び他の攻撃から保護する技術も常に改善され進化してきた。検索要求、検索結果、及び電子商取引に関連する金融情報を含め、インターネットを介して伝送される様々なユーザデータを保護するために、様々なデータ暗号化技法が使用されてきた。これらの技術は、対称暗号化技術及び非対称暗号化技術の両方を含み、使用されてきた。対称暗号化アルゴリズムは通常、非対称暗号化アルゴリズムよりも効率的である。しかしながら、通信相手間での暗号鍵／復号鍵の配送は、特定のセキュリティリスクを課す危険性がある。他方、非対称暗号化（公開鍵暗号化とも呼ばれる）は鍵配送問題がなく、その理由は、異なる鍵（公開及び秘密）がデータの暗号化及び復号化に使用されるためである。公開鍵暗号化は多くの場合、対称暗号鍵のセキュアな交換に使用される。公開鍵暗号化システムは、現在、効率的な解決法がない数学的問題、特に特定の整数因数分解、離散対数、及び楕円曲線関係に固有のものに基づく暗号化アルゴリズムに頼るため、より安全であると見なされる。
【０００３】
インターネットプロトコルの１つであるＨＴＴＰＳ（ハイパーテキスト転送プロトコルセキュア）は、インターネットベースの商業活動において重要な役割を果たす。例えば、ワールドワイドウェブでの支払い取引又は銀行業務に使用されてきた。従来のＨＴＴＰＳ設定では、データ送信前、サーバ側及びクライアント側は、データの交換に使用されることになる暗号化方式及び鍵に同意する。クライアントは、プレマスター鍵を生成し、サーバの公開鍵を使用してプレマスター鍵を暗号化し、暗号化されたプレマスター鍵をサーバに送信し得る。次に、サーバ及びクライアントは両方とも、プレマスター鍵に基づいてマスター鍵（セッション鍵としても知られる）を生成することができる。次に、セッション鍵を使用して、クライアントとサーバとの間のデータフローを暗号化することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＴＴＰＳを含め、現在のセキュアデータ伝送技術は、単純な介入者攻撃及び盗聴攻撃等の一般的な攻撃に対する特定の保護を提供することができるが、それでもなお他のタイプの攻撃には脆弱であり得る。例えば、ＨＴＴＰＳは、より高度な介入者攻撃及び様々なトラフィック分析攻撃に対して脆弱であることがある。さらに、クラウド計算及び量子計算により提供される計算能力の進歩により、総当たり攻撃が成功する可能性が上がった。例えば、攻撃者は、盗聴を介して、公開鍵で暗号化されたマスター鍵を取得し、総当たり攻撃を開始して、マスター鍵を取得することが可能である。その結果、そのマスター鍵を使用したいかなる後続データ通信も危険に曝されることになる。
【０００５】
さらに、現在のセキュアデータ伝送技術は多くの場合、ハッシュベースの技法に頼って盗聴攻撃を検出する。これらのハッシュベースの技法は、データ保全性の検証に使用することができるが、多くの場合、攻撃者が送信信号をコピー又は送信信号に対して測定を実行することができる受動的盗聴を検出することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概要
一実施形態は、ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するシステム及び方法を提供する。動作中、ローカルノードは、ランダム鍵を生成し、ランダム鍵に基づいて通常光学信号を生成する。ローカルノードは、制御シーケンス及び１組の量子状態ベースに基づいて量子光学信号も生成し、通常光学信号及び量子光学信号を多重化して、混成光学信号を生成する。ローカルノードは、混成光学信号をリモートノードに送信し、制御シーケンスに関連する情報及び１組の量子状態ベースに関連する情報をリモートノードに送信し、量子光学信号の測定、制御シーケンスに関連する情報、及び１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、リモートノードから盗聴検出結果を受信する。
【０００７】
この実施形態での変形では、ローカルノードはランダム鍵を暗号化する。
【０００８】
この実施形態の変形では、量子光学信号を生成することは、制御シーケンスとしてランダム二進列を生成することと、量子状態ベースライブラリから１組の量子状態ベースを選択することと、長さ値を、選択された各量子状態ベースに割り当てることと、制御シーケンス、１組の量子状態ベース、及び量子状態ベースに割り当てられた長さ値に基づいて、幾つかの単一光子を符号化することとを含む。選択された量子状態ベースの長さ値の和は、制御シーケンスの長さに等しい。
【０００９】
更なる変形では、単一光子を符号化することは、制御シーケンス内のビットの位置及び選択された１組の量子状態ベースの割り当てられた長さに基づいて、ビットを、選択された１組の量子状態ベース内の量子状態ベースに関連付けることと、ビットの値及び関連付けられた量子状態ベースに基づいて、単一光子の偏光状態を変調することとを含む。
【００１０】
この実施形態の変形では、制御シーケンスに関連する情報は、制御シーケンスの長さ及び制御シーケンスのビット値を含む。１組の量子状態ベースに関連する情報は、１組の量子状態ベースの量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）及びＱＩＤに対応する長さ値を含む。
【００１１】
この実施形態の変形では、盗聴が検出されないことを示す盗聴検出結果に応答して、本システムは、ランダム鍵を使用して第一ノードと第二ノードとの間にセキュア通信チャネルを確立する。
【００１２】
本明細書に記載される一実施形態は、ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するシステム及び方法を提供する。動作中、ローカルノードは、リモートノードから、量子光学信号が多重化された通常光学信号を含む混成光学信号を受信する。通常光学信号は、ランダム鍵に関連する情報を搬送し、量子光学信号は、制御シーケンス及び第１の組の量子状態ベースに基づいて生成される。ローカルノードは、受信した混成光学信号を逆多重化して、通常光学信号及び量子光学信号を取得し、通常光学信号を処理して、ランダム鍵を取得し、第２の組の量子状態ベースを使用して量子光学信号の測定を実行する。ローカルノードは、リモートノードから、制御シーケンスに関連する情報及び第１の組の量子状態ベースに関連する情報を受信し、量子光学信号の測定、制御シーケンスに関連する情報、及び第１の組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、盗聴検出結果を生成する。
【００１３】
本明細書に記載される一実施形態は、ローカルノードとリモートノードとの間にセキュア通信を確立する際に、盗聴を検出するシステム及び方法を提供する。動作中、ローカルノードは、送信するデータに基づいて通常光学信号を生成し、制御シーケンス及び１組の量子状態ベースに基づいて量子光学信号を生成し、通常光学信号及び量子光学信号を多重化して、混成光学信号を生成する。次に、ローカルノードは、混成光学信号をリモートノードに送信し、制御シーケンスに関連する情報及び１組の量子状態ベースに関連する情報をリモートノードに送信する。ローカルノードは、量子光学信号の測定、制御シーケンスに関連する情報、及び１組の量子状態ベースに関連する情報に基づいて、盗聴検出結果をリモートノードから受信する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＨＴＴＰＳチャネルを確立するプロセスを説明する時間−状態図を示す。
【図２】本発明の一実施形態による量子強化ＨＴＴＰＳチャネルを確立するプロセスを説明する時間−状態図を表す。
【図３】本発明の一実施形態による例示的なクライアントデバイスを示す図を表す。
【図４】本発明の一実施形態による例示的なサーバデバイスを示す図を表す。
【図５】本明細書に記載される幾つかの実施形態による、開示される盗聴検出技術を実施する例示的なクライアント−サーバネットワーク環境を示す。
【図６】本技術の幾つかの実施態様が実施される電子システムを概念的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
表１は、本明細書に記載される一実施形態による、２つの異なる組の量子状態を使用することに基づく２つの例示的な力学量測定方式を示す。
【００１６】
図中、同様の参照符号は図の同じ要素を指す。
【００１７】
詳細な説明
以下の説明は、当業者が実施形態を作製し使用できるようにするために提示され、特定の用途及びその要件の状況で提供される。開示される実施形態への様々な変更が、当業者に容易に明らかになり、本明細書に規定される一般原理は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱せずに他の実施形態及び用途に適用し得る。したがって、本発明は、示される実施形態に限定されず、本明細書に開示される原理及び特徴と一貫する最も広い範囲に従うべきである。
【００１８】
概説
本開示では、２つのタイプの光学信号が導入され、一方は通常光学信号であり、他方は量子光学信号である。通常光学信号は、従来の力学法則が適用される従来の通信システムで使用することができ、一方、量子光学信号は、量子力学の法則が適用される量子通信システムで使用することができる。量子光学信号は通常、理想的には各パルスに光子が１つの弱コヒーレントパルスからなることができる。他方、通常光学信号の光学パルスは多くの場合、はるかに多くの光子を有し、したがって、はるかに高い強度を有する。本開示では、通常光学信号は、量子光学信号と比較して強度が高いことに起因して、高強度光学信号と呼ぶこともできる。
【００１９】
量子通信では、情報は量子状態に基づいて送信され、データセキュリティは、不確定性理論、量子状態測定の原理、及び量子複製不可能定理等の量子力学の法則により保証することができる。量子暗号化が、盗聴者に対する無条件データ伝送セキュリティ及び検出可能性を達成することができることが分かっている。
【００２０】
本明細書に開示される様々な実施形態は、単一光子により搬送される量子状態情報に基づいて盗聴を検出するシステム及び方法を提供する。より詳細には、セキュア通信チャネル（例えば、ＨＴＴＰＳチャネル）を確立するプロセス中、通常光学信号を使用してマスター鍵を確立することに加えて、単一光子を含む量子信号を通常光学信号に埋め込むことにより、量子ビット列を配送することもできる。量子不確定性原理に起因して、未知の量子状態を測定すると、その状態が変わり、それにより盗聴を検出することが可能になる。量子ビット列の保全性を調べることにより、マスター鍵が盗聴者によって損なわれたか否かを判断することができる。
【００２１】
背景
基本量子理論
量子物理学によれば、ミクロの世界の幾つかの物理学的数量は、連続して変化することができず、特定の離散値をとり、２つの隣り合った離散値間の差は「量子」と呼ばれ、例えば、光子は光の単一量子である。
【００２２】
量子状態
従来の力学法則が適用される従来の通信システムでは、デジタル情報はビットとして表すことができ、ここで、各ビットは２つの状態を有することができる：例えば、「０」及び「１」又は「ハイ」及び「ロー」電圧。これとは対照的に、従来の力学の法則が適用される量子通信では、情報は通常、量子ビット（Ｑビット）として表され、これは量子情報の単位である。各Ｑビットは２つの基本状態：｜０＞又は＜−＞、及び｜１＞又は
【数１】
2019520720.tif 000003
を有することができる。この場合、２つの量子状態｜０＞及び｜１＞は、｛｜０＞，｜１＞｝として表すことができる量子状態ベースを形成する。
【００２３】
さらに、量子数量は、係数α、βそれぞれとの２つの基本状態の重ね合わせにより取得される混合状態をとることもできる。例えば、量子ベース｛｜０＞，｜１＞｝が使用される場合、混合状態は、｜φ＞＝α｜０＞＋β｜１＞として表すことができる。例えば、混合量子状態ベース｛｜＋＞，｜−＞｝は、以下の公式：
【数２】
2019520720.tif 000004
を使用して基本量子状態｜０＞又は＜−＞、及び｜１＞又は
【数３】
2019520720.tif 000005
を重ねることにより生成することができる。なお、上記２つの量子状態ベース表現では、状態｜０＞及び｜１＞は互いに直交し、一方、状態｜＋＞及び｜−＞は互いに直交する。
【００２４】
量子力学の原理
量子力学では、所与の力学量は、「測定ベース」とも呼ばれる上記量子状態を使用して測定することができる。例えば、力学量のそれぞれは、エルミート演算子（又はエルミート行列）により表すことができる。そのような力学量を測定する場合、測定結果は、この力学量のエルミート演算子の固有値（又は「特徴値」）に対応する。測定後、測定された量子状態は、取得された固有値に対応する固有状態（又は「固有ベクトル」）に崩壊する。表１は、本明細書に記載される一実施形態により、２つの異なる組の量子状態を使用することに基づく例示的な２つの力学量測定方式を示す。
【００２５】
【表１】
2019520720.tif 000006
【００２６】
例えば、量子状態ベース｛｜０＞，｜１＞｝を使用して、量子状態｜φ＞＝α｜０＞＋β｜１＞（｜α｜２＋｜β｜２＝１）を測定する場合、確率｜α｜２で測定値１を取得することになり、その場合、測定後、量子状態は｜０＞に崩壊し；確率｜β｜２で測定値−１を有することになり、その場合、測定後、量子状態は｜１＞に崩壊する。
【００２７】
別の例として、量子状態ベース｛｜０＞，｜１＞｝を使用して、量子状態｜０＞を測定する場合、確率１で状態｜０＞を取得することになる。同様に、量子状態ベース｛｜＋＞，｜−＞｝を使用して量子状態｜＋＞を測定する場合、確率１で状態｜＋＞を取得することになる。
【００２８】
さらに、量子状態ベース｛｜０＞，｜１＞｝を使用して、量子状態｜＋＞を測定する場合、状態｜０＞又は状態｜１＞のいずれかをランダムに取得することになる。同様に、量子状態ベース｛｜＋＞，｜−＞｝を使用して量子状態｜０＞を測定する場合、状態｜＋＞又は状態｜−＞のいずれかをランダムに取得することになる。
【００２９】
従来のＨＴＴＰＳ
図１は、従来のＨＴＴＰＳセッションを確立するプロセスを説明する時間−状態図を示す。動作中、クライアント１０２は、ＨＴＴＰＳ要求をサーバ１０４に送信する（動作１０６）。例えば、ユーザは、ウェブブラウザのアドレスバーにＨＴＴＰＳウェブサイトのアドレスをタイプし得る。ＨＴＴＰＳウェブサイトは、デジタル証明書（例えば、セキュアソケットレイヤ（ＳＳＬ）証明書）をクライアント１０２のウェブブラウザに送信する（動作１０８）。ＳＳＬ証明書は、認証機関から得られた証明書又はサーバ１０４により生成された証明書であることができる。プロセスを続行するには、自己生成又は自己署名デジタル証明書をクライアント１０２により検証する必要があり得る。デジタル証明書は、セキュアセッションの開始に必要な公開鍵を含むことができる。デジタル証明書は、証明書機関の名称、期限日等を含む他の有用情報を含むこともできる。公開鍵及びそれに対応する秘密鍵は、ＲＳＡ等の様々な非対称アルゴリズムを使用して生成することができる。
【００３０】
デジタル証明書を受信すると、クライアント１０２は、デジタル証明書を検証する（動作１１０）。デジタル証明書が無効である場合、クライアント１０２はエラーメッセージをブラウザに表示し得る。デジタル証明書が有効である場合、クライアント１０２は、ランダム鍵（例えば、乱数）を生成し、デジタル証明書に含まれる公開鍵を使用して、生成されたランダム鍵を暗号化する（動作１１２）。次に、クライアント１０２は、暗号化されたランダム鍵をサーバ１０４に送信し（動作１１４）、次に、サーバ１０４は、秘密鍵を使用してランダム鍵を取得することができる（動作１１６）。ランダム鍵は、クライアント１０２とサーバ１０４との共有秘密になる。次に、クライアント及びサーバは、ランダム鍵を使用して互いと通信することができる（動作１１８）。例えば、サーバは、ランダム鍵を使用して、暗号化された内容を送信し得、クライアントは、同じランダム鍵を使用して内容を復号化することができる。
【００３１】
現在のＨＴＴＰＳ技術は、特定のセキュリティ欠陥を有する。例えば、現在のＨＴＴＰＳ技術は、介入者（ＭＩＴＭ：man-in-the-middle）攻撃に脆弱であることがある。なお、デジタル証明書が有効ではない場合、クライアントブラウザは多くの場合、警告メッセージを表示し、ユーザに続けるか否かを選ばせる。多くのユーザは警告を無視し、介入者攻撃を受ける。さらに、共有秘密（すなわち、ランダム鍵）のクライアントとサーバとの間での交換は、公開鍵暗号化メカニズムにより保護されるが、クラウド又は量子計算の進歩により、従来の暗号化方式の安全度は低下した。例えば、ショアのアルゴリズムは、公開鍵暗号化方式（例えば、ＲＳＡ）を破る能力を示し、グローバーのアルゴリズムは、総当たりにより対称暗号鍵を破るために必要な計算量を大幅に低減した。
【００３２】
セキュリティを上げるべく、鍵交換を促進するために量子暗号化メカニズムが使用されてきた。例えば、ベネット−ベネサード８４（ＢＢ８４：Bennett-Brassard-84）プロトコルが量子鍵交換に使用されてきた。より具体的には、ＢＢ８４は、単一光子の偏光状態を使用して、情報を送信する。使用される通常の偏光状態対は、垂直（０°）及び水平（９０°）の直線ベース、４５°及び１３５°の対角線ベース、又は左旋及び右旋の円形ベースのいずれかである。これらのベースの任意の２つは互いに共役し、したがって、任意の２つをプロトコルで使用することができる。ＢＢ８４方式では、送信者アリスは、秘密鍵（例えば、ランダム列）を受信者ボブに送信したい。アリスは、ランダムビットを生成することにより開始し、２つの量子ベースから、二進ビットを符号化する量子ベースをランダムに選択する。次に、アリスは、量子チャネルを使用して、指定された状態の単一光子をボブに送信する。次に、このプロセスをランダムビット段階から繰り返し、アリスは、送信された各光子の状態、ベース、及び時間を記録する。光子を受信すると、ボブは、ランダムに選択されたベースを使用して測定を実行する。ボブは、受信した各光子に対してこれを行い、時間、使用された測定ベース、及び測定結果を記録する。ボブは、全ての光子を測定した後、従来の公開チャネルを介してアリスと通信する。アリスは、各光子が送信されたベースをブロードキャストし、ボブは、各光子が測定されたベースをブロードキャストする。アリス及びボブは両者とも、ボブが異なるベースを使用していた状況における光子測定（ビット）を破棄し、この異なるベースを使用していた状況は平均で半分であり、残りの半分の状況におけるビットを共有鍵として残す。
【００３３】
盗聴者イブの存在をチェックするために、アリス及びボブは、残りのビット列の所定のサブセットを比較することができる。第三者が光子の偏光についての任意の情報を獲得した場合、これはボブの測定にエラーを生じさせる。他の環境状況も同様にしてエラーを引き起こすことができる。ビットエラーレートが所定の閾値未満である場合、謝り修正技法を使用して、謝りを修正することができ、プライバシー増幅を使用して、鍵の長さを低減するという犠牲のもと、鍵についてのイブの知識を任意の小量に低減することができる。ビットエラーレートが所定の閾値よりも大きい場合、鍵のセキュリティを保証することができないため、アリス及びボブは鍵を放棄し、恐らくは異なる量子チャネルを用いて再試行する。
【００３４】
従来の鍵交換システムと比較して、量子鍵交換システムは多くの場合、安定度が下がる。さらに、上述した量子鍵交換プロセスは、従来の鍵交換プロセス（例えば、図１に示されるＨＴＴＰＳプロセス）と比較してはるかに複雑である。通常の量子鍵交換方式の欠陥を解消するために、幾つかの実施形態では、混成鍵交換システムがセキュアな鍵交換に使用される。より具体的には、ランダム鍵の信頼できる配送を保証するために、混成鍵交換システムは、暗号化されたランダム鍵を配送するために、従来のチャネルに依存することができる。盗聴者の存在を検出するために、混成鍵交換システムで搬送する通常信号には量子信号を付随することができる。量子信号の量子不確定性は、存在し得る盗聴者の検出を促進することができる。
【００３５】
仮定
幾つかの実施形態では、開示されたセキュアデータ伝送技法は以下の仮定に基づく。従来のチャネルが、ＨＴＴＰＳチャネル等のセキュアチャネルの従来の要件を満たすと仮定される。例えば、データ通信を開始する前、クライアント及びサーバのそれぞれが、それ自体の公開鍵及び秘密鍵の対並びに関連する身元証明書を有すると仮定することができる。加えて、各通信相手（例えば、サーバ及びクライアント）は、軽量量子状態ベースライブラリをインストールしている。量子状態ベースライブラリは、複数の量子状態ベースを記憶し、各状態は、差別化のためにラベリングすることができる直交量子状態を含む。例えば、直交ベース｛｜０＞，｜１＞｝を「１」とラベリングする場合、状態｜０＞は１．１としてラベリングし、状態｜１＞は１．２とラベリングすることができ、直交ベース｛｜＋＞，｜−＞｝を「２」としてラベリングする場合、状態｜＋＞は２．１とラベリングし、状態｜−＞は２．２としてラベリングすることができ、以下同様である。
【００３６】
幾つかの実施形態では、量子状態は、所定の再ラベリング方式に基づいてクライアント側及びサーバ側の両方で同期して定期的に再ラベリングすることができる。例えば、ｘが所与の量子状態の現在の識別子を表し、一方、ｙが次のサービス要求の同じ量子状態の識別子を表す場合、ｙは幾つかの推測規則を使用してｘから推測することができる。例えば、推測規則はｙ＝２ｘ、ｙ＝２＋ｘ、又はクライアントとサーバとの間での認証プロセス前にクライアントとサーバとの間でネゴシエートし同意した他の規則であることができる。幾つかの実施形態では、開示される動的パスワード認証技法に鑑みて、クライアントは、サーバにより送信される動的情報を測定するための測定ベースとして、量子状態ベースの量子状態を使用することができ、一方、サーバは、同じ量子状態ベースを動的情報の符号化に使用することができる。
【００３７】
量子強化ＨＴＴＰＳ
幾つかの実施形態では、開示されるセキュアデータ伝送技法は、身元証明書及び暗号化セキュア通信チャネル等の従来のＨＴＴＰＳ通信により使用されるセキュリティ対策を含むことができるが、盗聴者を検出する能力等の量子状態に基づく追加のセキュリティ特徴も含む。図２は、本発明の一実施形態による量子強化ＨＴＴＰＳチャネルを確立するプロセスを説明する時間−状態図を表す。動作中、クライアント（アリス）２０２は、セキュア通信要求（例えば、ＨＴＴＰＳ要求）及びそのデジタル証明書をサーバ（ボブ）２０４に送信する（動作２０６）。デジタル証明書を使用して、クライアント２０２を認証することができる。一方向認証のみが必要な場合（すなわち、サーバのみの認証が必要とされる場合）、通信要求にクライアントのデジタル証明書を付随する必要はない。
【００３８】
セキュア通信要求を受信すると、サーバ２０４はクライアントのデジタル証明書を検証する（動作２０８）。クライアントのデジタル証明書が無効である場合、サーバ２０４はエラーメッセージ又は警告をクライアント２０２に送信し得、要求を破棄する。クライアントのデジタル証明書が有効である場合、サーバ２０４はセキュア通信要求に応答して、自身のデジタル証明書を送信することができる（動作２１０）。クライアント２０２はサーバのデジタル証明書を検証する（動作２１２）。サーバのデジタル証明書が無効である場合、クライアント２０２はそれ以上のいかなる通信も中止し得る。サーバのデジタル証明書が有効である場合、クライアント２０２はランダム二進列／鍵を生成し、サーバの公開鍵を使用してランダム列／鍵を暗号化する（動作２１４）。加えて、クライアント２０２は、予めインストールされた量子状態ベースライブラリの１つ又は複数の量子状態ベースからランダムに選択し、選択された量子状態ベースを使用して量子ビット（すなわち、幾つかのＱビット）のランダム列を生成することができる（動作２１６）。各Ｑビットは、特定の偏光状態の単一光子により表すことができる。選択された量子状態ベースのそれぞれは、１組（例えば、２つ）の直交量子状態を含むことができ、一意の量子状態ベース識別子（ＱＩＤ）により識別される。幾つかの実施形態では、量子列を生成するために、クライアント２０２は、ランダム二進ビット列（制御シーケンスと呼ぶことができる）で開始し、ランダムに選択された量子状態ベースを使用して各ビットを符号化することができる。例えば、９ビット二進列１０１００１０１１の最初の３ビットは、ＱＩＤ＝２を有する量子状態ベースを使用して符号化することができ、量子状態２．１はビット値「１」に使用され、量子状態２．２はビット値「０」に使用される。同様に、列の続く６ビットは、ＱＩＤ＝４を有する量子状態ベースを使用して符号化することができ、量子状態４．１はビット値「１」に使用され、量子状態４．２はビット値「０」に使用される。
【００３９】
なお、予めインストールされる量子状態ベースライブラリは、クライアントとサーバとの共有秘密であることができる。同様に、ＱＩＤと実際の量子状態ベースとの対応する関係も、クライアントとサーバとの共有秘密であることができる。この対応する関係は、時間に伴って変わり、クライアントとサーバとの間で同期することができる。換言すれば、任意の所与の瞬間において、特定の量子状態は、クライアント及びサーバにより同一に識別することができる。
【００４０】
次に、クライアント２０２は、公開鍵により暗号化されたランダム列／鍵（例えば、｛ｒａｎｄｏｍ＿ｓｔｒｉｎｇ｝ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓ｝）及びランダムＱビットの両方をサーバ２０４に送信することができる（動作２１８）。より具体的には、公開鍵により暗号化されたランダム列は、通常光学信号（例えば、高強度光線）を使用して送信することができ、時間多重化及び周波数多重化を含むが、これらに限定されない様々な多重化技法を使用して、量子状態情報を搬送する単一光子を高強度光学信号内に多重化することができる。幾つかの実施形態では、高強度光学信号及び単一光子は波長領域において多重化することができる。例えば、単一光子のスペクトルは、高強度光学信号のスペクトル範囲の外である（例えば、スペクトルエッジにある）ことができる。高強度光学信号及び単一光子のスペクトルは、クライアント２０２及びサーバ２０４により予め決定することができる（静的又は動的のいずれかで）。代替の実施形態では、高強度光学信号及び単一光子は、時間領域において多重化することができる。高強度光学信号及び単一光子の送信時間スロットは、盗聴者が高強度光学信号を傍受するのを阻止するように、動的に変更することができる。送信パターンは、クライアント２０２とサーバ２０４との間で予めネゴシエートすることができ、秘密に保たれるべきである。送信されるＱビットの量子状態を維持するために、高強度光学信号及び単一光子は両方とも、量子チャネルを介して送信される。
【００４１】
サーバ２０４は、受信すると、適切な逆多重化技法を使用して高強度光学信号及び単一光子を逆多重化することができる（動作２２０）。高強度光学信号から、サーバ２０４は、サーバの秘密鍵を使用して復号化を実行することによりランダム列／鍵を取得することができる（動作２２２）。サーバ２０４は、予めインストールされた量子状態ベースライブラリからランダムに選択された量子ベースを使用して、受信した単一光子の量子状態を測定することができる（動作２２４）。
【００４２】
量子チャネルを介して高強度光学信号及び単一光子を送信した後、クライアント２０２は、サーバの公開鍵を使用して、単一光子の符号化に使用された量子状態ベースに関する情報を暗号化することにより第２のメッセージを生成することができる（動作２２６）。より具体的には、単一光子の符号化に使用された量子状態ベースに関する情報は、ＱＩＤ及び個々のＱＩＤに対応する量子状態ベースにより符号化されたビット（又は光子）数を含むことができる。例えば、動作２１６中、クライアント２０２は、ＱＩＤ２及び４を有する２つの量子状態ベースを選択し、ＱＩＤ＝２を有する量子状態ベースを使用して３ビットを符号化し、ＱＩＤ＝４を有する量子ベースを使用して続く６ビットを符号化する場合、サーバ２０４に送信される第２のメッセージは、｛２，３；４，６｝ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓを含むことができ、ここで、ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓはサーバの公開鍵である。幾つかの実施形態では、第２のメッセージは、ユーザの識別情報（ｕｓｅｒＩＤ＿Ａ）及び／又はクライアントのデジタル証明書（Ｃｅｒｔ＿Ａ）を更に含むことができる。上記例では、クライアント２０２は、｛２，３；４，６｝ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓ，ｕｓｅｒＩＤ＿Ａ，Ｃｅｒｔ＿Ａとして第２のメッセージを生成することができる。第２のメッセージのより一般的な形態は、｛ＱＩＤ１，ｌ１；ＱＩＤ２，ｌ２；・・・；ＱＩＤｎ，ｌｎ｝ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓ，ｕｓｅｒＩＤ＿Ａ（任意選択的），Ｃｅｒｔ＿Ａ（任意選択的）であり、ここで、ｌｎは量子ベースＱＩＤｉを使用して符号化されたビットの数に対応する。代替的には、第２のメッセージは、各Ｑビットの符号化に使用されるＱＩＤを指定し得る。上記例での第２のメッセージは、｛２，２，２，４，４，４，４，４，４｝ｐｕｂｌｉｃ＿ｋｅｙ＿Ｓであることができる。この場合、各量子状態ベースにより符号化されるビット数を指定する代わりに、９ビット全てに対応するＱＩＤが列挙される。次に、クライアント２０２は、従来のチャネル又は量子チャネルのいずれかを介して第２のメッセージをサーバ２０４に送信することができる（動作２２８）。
【００４３】
セキュリティを強化するために、各ＱＩＤに対応するビット数を符号化することもできる。例えば、クライアント２０２及びサーバ２０４はそれぞれ、量子ビット数データベースを保持することができ、このデータベースはビット数を様々なコードにマッピングすることができる。特定のビット数を送信する代わりに、クライアント２０２は、それらのビット数に対応するコードを送信することができる。そのようなコードを受信すると、サーバ２０４は、量子ビット数データベースにおいて検索を実行して、ビット数を特定することができる。
【００４４】
第２のメッセージを受信すると、サーバ２０４は、自身の秘密鍵を使用して第２のメッセージを復号化し、量子状態ベース情報、例えば、データ列：ＱＩＤ１，ｌ１；ＱＩＤ２，ｌ２；・・・；ＱＩＤｎ，ｌｎを取得することができる（動作２３０）。次に、サーバ２０４は、受信した単一光子の測定結果が１つ又は複数の所定の基準を満たすか否かに基づいて、盗聴者がいるか否かを検出することができる（動作２３２）。測定結果が基準を満たす場合、サーバ２０４は、盗聴者が検出されないと判断し、復号化されたランダム列／鍵をクライアント２０２との続くセキュア通信のセッション鍵として維持することができる（動作２３４）。その他の場合、サーバ２０４は、盗聴活動が検出されたと判断することができ、復号化されたランダム列／鍵を破棄することができる。サーバ２０４は、盗聴者検出結果をクライアント２０２に送信することができる（動作２３６）。メッセージは任意選択的に、ランダム列／鍵を使用して暗号化することができる。受信すると、クライアント２０２は、メッセージを復号化して、盗聴者検出結果を取得することができる（動作２３８）。盗聴活動が検出されなかったことを盗聴者検出結果が示す場合、クライアント２０２は、ランダム列／鍵をサーバ２０４との続くセキュア通信のセッション鍵として維持することができる（動作２４０）。次に、クライアント２０２及びサーバ２０４は、ランダム列／鍵を使用して互いとの通信を開始することができる（動作２４２）。幾つかの実施形態では、ランダム列／鍵は、ＨＴＴＰＳプロトコルで使用されるプレマスター鍵として動作することができ、クライアント２０２及びサーバ２０４はそれぞれ、プレマスター鍵に基づいてセッション鍵を生成することができる。プレマスター鍵は定期的にリフレッシュされて（例えば、図２に示されるプロセスを使用して）、セッション鍵の機密性を保証することができる。
【００４５】
単一光子測定結果に基づいて盗聴を検出するために、幾つかの基準を使用することができる。第１の基準は単一光子損失率であることができる。典型的な環境では、送信損失に起因して、サーバ２０４が受信する単一光子の数は、クライアント２０２が送信した単一光子の数よりも少ないことがある。差は所定の範囲内にあるべきである。しかしながら、盗聴者が、単一光子の幾つかを含む信号の一部を傍受する場合、再送信なしで、サーバ２０４が受信する単一光子の数は、クライアント２０２が送信した光子の数よりもはるかに少ないことがある。幾つかの実施形態では、サーバ２０４は単一光子損失率を測定することができる。例えば、単一光子損失率は、ＬｏｓｓＲａｔｅ＝（ＳｅｎｄＮｕｍ−ＲｅｃｖＮｕｍ）／ＳｅｎｄＮｕｍとして計算することができ、式中、ＳｅｎｄＮｕｍはクライアント２０２が送信した単一光子の数であり、ＲｅｃｖＮｕｍはサーバ２０４が受信した単一光子の数である。なお、クライアント２０２により送信された単一光子の数は、クライアント２０２からサーバ２０４に送信された第２のメッセージに含まれる。より具体的には、クライアント２０２により送信された光子の数は、ＳｅｎｄＮｕｍ＝ｌ１＋ｌ２＋・・・＋ｌｎとして計算することができる。ＬｏｓｓＲａｔｅが所定の閾値未満である場合、サーバ２０４は、盗聴が検出されないと判断することができ、その他の場合、サーバ２０２は、盗聴が検出されたと判断することができる。なお、光子数が、盗聴の検出に使用される唯一の基準である場合、第２のメッセージは、量子ビット列の長さ（すなわち、クライアント２０２により送信された光子数）のみを含み得る。
【００４６】
盗聴検出に使用される第２の基準は、測定結果のエラーレートであることができる。不確定性原理、量子状態測定の原理、及び量子複製不可能定理等の量子力学の基本法則により、単一光子に対して盗聴者が行ったいかなる測定も、サーバ２０４により生成される測定結果にエラーを生み出しうる。したがって、サーバ２０４は、測定結果のエラーレートが所定の閾値よりも大きいことを検出する場合、盗聴が発生したと判断することができる。そうするために、サーバ２０４はまず、測定に使用された量子状態ベースを、クライアント２０２により使用された量子状態ベースと比較して、ランダム量子列を生成し、符号化と同じ量子状態ベースを使用して測定されたＱビットを識別することができる。例えば、クライアント２０２により送信された第２のメッセージが｛２，３；４，６｝と記載され、サーバ２０４が、全ての受信Ｑビットの測定にＱＩＤ＝２を有する量子状態ベースを使用した場合、最初の３つのＱビットのみが、正しい量子状態ベースを使用して測定された。次に、サーバ２０４は、Ｑビットの測定結果（すなわち、二進表現）から、正しい量子状態ベースを使用して測定されたビットを抽出して、測定部分列を取得することができる。幾つかの実施形態では、クライアント２０２は任意選択的に、第２のメッセージと共に、Ｑビットの生成に使用されたオリジナルの二進列を送信することができる。換言すれば、クライアント２０２は、量子列の二進表現を送信することができる。サーバ２０４は、受信した二進列から、正しい量子状態ベースを使用した測定が行われた位置におけるビットを抽出して、元の部分列を取得することができる。測定された部分列と元の部分列とを比較することにより、サーバ２０４はビットエラーレート（ＢＥＲ）を計算することができる。例えば、各部分列にＮビットがあり、異なるビット数がＥｒｒＮｕｍである場合、ＢＥＲはＥｒｒＮｕｍ／Ｎとして計算することができる。幾つかの実施形態では、サーバ２０４は、計算されたＢＥＲに基づいて、盗聴活動が発生したか否かを判断することができる。ＢＥＲが所定の閾値未満である場合、サーバ２０４は、エラーが通常の損失又はチャネルの分散により生じた可能性が最も高く、盗聴が発生しなかったと判断することができる。他方、ＢＥＲが閾値以上である場合、サーバ２０４は、盗聴が発生したと判断することができ、通信は安全ではない。
【００４７】
盗聴検出に使用される第３の基準は、上記の１番目の基準と２番目の基準とを組み合わせる。より具体的には、サーバ２０４は、光子損失率及びＢＥＲの両方を計算することができる。幾つかの実施形態では、サーバ２０４は、光子損失率及びＢＥＲの少なくとも一方が対応する閾値を超える場合、盗聴が発生したと判断することができる。換言すれば、サーバ２０４は、光子損失率及びＢＥＲ率の両方がそれぞれの対応する閾値未満である場合のみ、盗聴が発生しなかったと判断することができる。
【００４８】
図３は、本発明の一実施形態による例示的なクライアントデバイスを示す図を表す。クライアント３００は、通常信号を扱う非量子ゾーン３１０及び量子信号を扱う量子ゾーン３２０を含むことができる。より具体的には、非量子ゾーン３１０は、通信要求生成器３０２、デジタル証明書モジュール３０４、ランダム鍵生成器３０６、暗号／復号化モジュール３０８、及び通常光学モジュール３１２を含むことができ、量子ゾーン３２０は、量子状態ベースライブラリ３２２、単一光子生成器３２４、及び量子エンコーダ３２６を含むことができる。クライアント３００は光学マルチプレクサ３３０を含むこともできる。
【００４９】
非量子ゾーン３１０において、通信要求生成器３０２は、セキュア通信チャネル、例えば、ＨＴＴＰＳチャネルを開始する要求の生成を担当することができる。デジタル証明書モジュール３０４は、クライアント３００のデジタル証明書を記憶し、受信したあらゆるデジタル証明書を検証することを担当することができる。ランダム鍵生成器３０６は、クライアントデバイス３００とサーバ又は他のクライアントデバイスとのセキュア通信中に、後にセッション鍵又はプレマスター鍵として使用することができるランダム鍵の生成を担当することができる。暗号／復号化モジュール３０８は、メッセージの暗号化及び復号化を担当することができる。幾つかの実施形態では、セキュア通信チャネルを確立する前において、メッセージの暗号化及び復号化は公開−秘密鍵対に基づくことができる。代替的には、クライアント３００とリモートサーバとで共有される対称鍵を、暗号／復号化に使用することもできる。通常光学モジュール３１２は、非量子ゾーン３１０内の様々なモジュールにより生成される電気信号に基づいて、通常高強度光学信号を送受信することを担当することができる。例えば、通信要求生成器３０２により生成された通信要求は、通常光学モジュール３１２により光学信号に変換されてから、光ファイバ等の光学チャネルを介してサーバに送信することができる。
【００５０】
量子ゾーン３２０において、量子状態ベースライブラリ３２２は、Ｑビットの符号化に使用することができる量子状態ベースを記憶する。単一光子生成器３２４は、単一光子の生成を担当することができる。量子エンコーダ３２６は、量子状態ベースライブラリ３２２から量子状態ベースを選択し、選択された量子状態ベースを使用して単一光子を符号化することを担当することができる。
【００５１】
光学マルチプレクサ３３０は、高強度通常光学信号を単一光子で多重化し、量子チャネルを介して多重化信号をサーバに送信することを担当することができる。
【００５２】
動作中、通信要求生成器３０２は、クライアントデバイス３００とサーバ等のリモートデバイスとの間でセキュア通信を開始する要求を生成する。そのような要求には、デジタル証明書モジュール３０４に記憶されたクライアントデバイス３００のデジタル証明書が付随することもでき、そのような要求は、従来のチャネルを介して通常光学モジュール３１２によりサーバに送信することができる。デジタル証明書モジュール３０４が、サーバから通常光学モジュール３１２により受信されたデジタル証明書を検証すると、ランダム鍵生成器３０６はランダム鍵を生成することができる。暗号／復号化モジュール３０８はランダム鍵を暗号化することができる（例えば、サーバの公開鍵を使用して）。暗号化されたランダム鍵の情報を搬送する通常光学信号は、通常光学モジュール３１２により生成することができる。
【００５３】
ランダム鍵生成器３０６は第２のランダム列を生成することができ、この列は制御シーケンスと呼ぶこともできる。制御シーケンスの長さは、ランダム鍵の長さと同じであってもよく、又は異なってもよい。幾つかの実施形態では、制御シーケンスの長さは、ランダム鍵の長さよりも短い。量子エンコーダ３２６は、量子状態ベースライブラリ３２２からランダムに選択された量子状態ベースと、単一光子生成器３２４により生成された単一光子とを使用して制御シーケンスを符号化することができる。より具体的には、各ビットは、ビット値及び選択された量子状態ベースに基づいて量子状態により符号化される。制御シーケンスの情報を搬送する単一光子、及び暗号化されたランダム鍵の情報を搬送する通常光学信号は、時間領域多重化（ＴＤＭ）及び波長領域多重化（ＷＤＭ）等の様々な多重化技法を使用して光学マルチプレクサ３３０により結合することができる。
【００５４】
制御シーケンスに基づいて盗聴を検出するにあたりサーバを助けるために、クライアント３００は、制御シーケンス及び制御シーケンスの符号化に使用された量子状態ベースに関する情報をサーバに送信することもできる。より具体的には、そのような情報は暗号化され（例えば、サーバの公開鍵を使用して）、通常光学モジュール３１２により従来のチャネルを介してサーバに送信することができる。通常光学モジュール３１２は、盗聴検出結果をサーバから受信することができる。結果は、暗号化されていてもよく、暗号／復号化モジュール３０８により復号化することができる。盗聴が検出されない場合、前に生成されたランダム鍵を使用して、クライアント３００とサーバとの間にセキュア通信チャネルを確立することができる。例えば、ランダム鍵は、セッション鍵又はセッション鍵を生成するプレマスター鍵として使用することができる。クライアント３００とサーバとの間のセキュア通信は、従来のチャネルを介して確立することができる。
【００５５】
図４は、本発明の一実施形態による例示的なサーバデバイスを示す図を表す。クライアント３００と同様に、サーバ４００も、通常信号を扱う非量子ゾーン４１０及び量子信号を扱う量子ゾーン４２０を含むことができる。より具体的には、非量子ゾーン４１０は、通常光学モジュール４０２、通信要求受信モジュール４０４、デジタル証明書モジュール４０６、暗号／復号化モジュール４０８、及び盗聴検出結果生成器４１２を含むことができ、量子ゾーン４２０は、量子状態ベースライブラリ４２２及び量子状態測定モジュール４２４を含むことができる。サーバ４００は、光学デマルチプレクサ４３０を含むこともできる。サーバ４００における様々なモジュールの機能は、クライアント３００における対応するモジュールと同様であることができる。
【００５６】
動作中、通信要求受信モジュール４０４は、通常光学モジュール４０２を介して、クライアントからセキュア通信要求を受信することができる。そのような要求は、クライアントのデジタル証明書を含むことができる。デジタル証明書モジュール４０６は、クライアントのデジタル証明書を検証すると、通常光学モジュール４０２を介してサーバ４００のデジタル証明書をクライアントに送信し得る。次に、光学デマルチプレクサ４３０は、クライアントから量子チャネルを介して、高強度光学信号と単一光子とが混合したものを受信することができる。高強度光学信号及び単一光子は、ＷＤＭ又はＴＤＭ技法を使用して多重化し得る。多重化技法に応じて、デマルチプレクサ４３０は、対応するデマルチプレクサ技法を使用して、受信した光学信号を逆多重化し得る。例えば、高強度光学信号及び単一光子がＷＤＭ技法を使用して多重化され、高強度光学信号及び単一光子が異なる波長を有することを意味する場合、デマルチプレクサ４３０はＷＤＭデマルチプレクサであることができる。より具体的には、デマルチプレクサ４３０は、高強度光学信号を通常光学モジュール４０２に送信し、単一光子を量子状態測定モジュール４２４に送信することができる。
【００５７】
高強度光学信号は、クライアントにより生成された、暗号化されたランダム鍵の情報を搬送する。したがって、暗号／復号化モジュール４０８は、暗号化されたランダム鍵を復号化して（例えば、サーバの秘密鍵を使用して）、ランダム鍵を取得することができる。ランダム鍵は、後に使用するために記憶することができる。他方、単一光子は、制御シーケンスの情報を搬送する。量子状態測定モジュール４２４は、量子状態ベースライブラリ４２２から１つ又は複数の量子状態をランダムに選択して、単一光子の量子状態を測定し、実測制御シーケンスを取得することができる。測定に使用される量子状態ベースは、送信のためにクライアントにより使用される量子状態ベースと同じではないため、実測制御シーケンスは、クライアントにより送信された制御シーケンスと同じではない。
【００５８】
通常光学モジュール４０２は、クライアントから、単一光子を符号化するのにクライアントが使用した量子状態ベースに関する情報を含むメッセージを受信することもできる。このメッセージは暗号化することもできる（例えば、サーバ４００の公開鍵を使用して）。暗号／復号化モジュール４０８は、受信したメッセージを復号化して、量子状態ベースに関する情報を取得することができる。幾つかの実施形態では、このメッセージは制御シーケンス自体を含むこともできる。
【００５９】
盗聴検出結果生成器４１２は、暗号／復号化モジュール４０８から単一光子及び任意選択的に制御シーケンスの符号化に使用された量子状態ベースに関する情報を取得し、量子状態測定モジュール４２４から実測制御シーケンス及び測定に使用された量子状態ベースに関する情報を取得することができる。次に、盗聴検出結果生成器４１２は、取得した情報に基づいて盗聴検出結果を生成することができる。より具体的には、盗聴検出結果生成器４１２は、測定結果が１つ又は複数の所定の基準を満たすか否かを判断することができ、盗聴が検出されたか否かを示す結果を生成することができる。生成された盗聴検出結果は、通常光学モジュール４０２を介してクライアントに送信することができる。所定の基準は、光子損失率、実測制御シーケンスのＢＥＲ、又は両方に基づくことができる。例えば、盗聴検出結果生成器４１２は、光子損失率が所定の閾値を超えると判断する場合、盗聴が検出されたことを示す結果を生成し得る。
【００６０】
図３及び図４に示される例では、クライアントは、従来のチャネル（例えば、光ファイバ又は自由空間）及び量子チャネル（例えば、偏光保持ファイバ又は自由空間）を介してサーバに結合し得、この逆も同様である。このように、純粋な通常光学信号は従来のチャネルを介して送受信することができ、単一光子に多重化された通常光学信号は、量子チャネルを介して送受信することができる。実際には、量子チャネルを介して純粋な通常光学信号を伝送することも可能である。この場合、クライアントとサーバとを結合するのに必要なのは、量子チャネルのみである。
【００６１】
上記例では、ランダム鍵及び量子状態ベースに関する情報は、公開鍵暗号化技術を使用して暗号化される。より具体的には、クライアントは、サーバの公開鍵を使用して、サーバに送信されるメッセージを暗号化し得る。実際には、クライアントが、クライアントとサーバとの共有秘密である対称鍵を使用して、ランダム鍵及び／又は量子状態ベースに関する情報を暗号化することも可能である。
【００６２】
さらに、図２に示される例では、クライアントとサーバとの間に確立されるセキュア通信チャネルは、クライアントとサーバとの間に確立されるＨＴＴＰＳチャネルと同様である。実際には、盗聴検出技術を使用して、任意のタイプのネットワークノード間のセキュアデータ伝送を可能にすることができる。例えば、秘密鍵の交換が、鍵を搬送する通常光学信号及び制御シーケンスを搬送する量子信号の多重化及び同時伝送を含む限り、同様の技術を使用してセキュアピアツーピア通信チャネルを確立することもできる。量子信号の盗聴を検出することにより、秘密鍵の盗聴を検出することができる。
【００６３】
図５は、本明細書に記載される幾つかの実施形態による、開示される盗聴検出技術を実施する例示的なクライアント−サーバネットワーク環境を示す。ネットワーク環境５００は、ネットワーク５０８によりサーバ５１０に通信可能に接続された幾つかの電子デバイス５０２、５０４、及び５０６を含む。１つ又は複数のリモートサーバ５２０がサーバ５１０及び／又は１つ又は複数の電子デバイス５０２、５０４、及び５０６に更に結合される。
【００６４】
幾つかの例示的な実施形態では、電子デバイス５０２、５０４、及び５０６は、ラップトップ若しくはデスクトップコンピュータ、スマートフォン、ＰＤＡ、ポータブルメディアプレーヤ、タブレットコンピュータ、１つ若しくは複数のプロセッサが結合されるか、組み込まれたテレビジョン若しくは他のディスプレイ、又はウェブページ若しくはウェブアプリケーションの表示に使用することができる他の適切な計算デバイス等の計算デバイスであることができる。一例では、電子デバイス５０２、５０４、及び５０６は、ブラウザ又はアプリケーション等のユーザエージェントを記憶する。図５の例では、電子デバイス５０２はスマートフォンとして示され、電子デバイス５０４はデスクトップコンピュータとして示され、電子デバイス５０６はＰＤＡとして示される。
【００６５】
サーバ５１０は、処理デバイス５１２及びデータ記憶装置５１４を含む。処理デバイス５１２は、例えば、サービススケジューリングプロセス中、サービスプロバイダと電子デバイス５０２、５０４、及び５０６における顧客との間の顧客開始サービス又はサービスプロバイダ開始サービスのスケジューリングを支援するために、データ記憶装置５１４に記憶されたコンピュータ命令を実行する。
【００６６】
幾つかの例示的な態様では、サーバ５１０は、コンピュータサーバ等の単一の計算デバイスであることができる。他の実施形態では、サーバ５１０は、一緒に機能して、サーバコンピュータの動作を実行する２つ以上の計算デバイス（例えば、クラウド計算）を表すことができる。サーバ５１０は、ネットワーク５０８を介してクライアントデバイス（例えば、電子デバイス５０２、５０４、又は５０６）におけるブラウザに通信可能に結合されるウェブサーバをホストし得る。一例では、サーバ５１０は、サービススケジューリングプロセス中、サービスプロバイダと顧客との間の顧客開始サービス又はサービスプロバイダ開始サービスをスケジューリングするためのクライアントアプリケーションをホストし得る。サーバ５１０は、ネットワーク５０８を通して又は別のネットワーク若しくは通信手段を通して１つ又は複数のリモートサーバ５２０と更に通信し得る。
【００６７】
１つ又は複数のリモートサーバ５２０は、単独で又はサーバ５１０と併せて、サーバ５１０に関して本明細書に記載される様々な機能及び／又は記憶機能を実行し得る。１つ又は複数のリモートサーバ５２０のそれぞれは、様々なサービスをホストし得る。例えば、サーバ５２０は、示唆された位置に関連するウェブページ若しくはウェブサイト等の１つ若しくは複数の示唆された位置に関する情報を提供するサービス、１人若しくは複数のユーザ若しくは１つ又は複数の建物の位置を特定するサービス、ユーザクエリの結果を識別する検索エンジン、１つ若しくは複数のユーザレビュー若しくはクエリサービス、又は１つ若しくは複数の建物、顧客、及び／又は建物に関するレビュー若しくはフィードバックに関する情報を提供する１つ若しくは複数の他のサービスをホストし得る。
【００６８】
サーバ５１０は、１つ又は複数のリモートサーバ５２０でホストされるソーシャルネットワーキングサービスを更に維持又は通信し得る。１つ又は複数のソーシャルネットワーキングサービスは、様々なサービスを提供し得、ユーザがプロフィールを作成し、自分をリモートソーシャルネットワーキングサービスにおける他のユーザと関連付けられるようにし得る。サーバ５１０及び／又は１つ又は複数のリモートサーバ５２０は、ユーザ作成の交友関係を含むソーシャルグラフの生成及び維持を更に促進し得る。ソーシャルグラフは、例えば、リモートソーシャルネットワーキングサービスの全ユーザのリスト及びリモートソーシャルネットワーキングサービスの他のユーザとのつながりを含み得る。
【００６９】
１つ又は複数のリモートサーバ５２０のそれぞれは、コンピュータサーバ等の単一の計算デバイスであってもよく、又は一緒に機能して、サーバコンピュータの動作を実行する２つ以上の計算デバイス（例えば、クラウド計算）を表してもよい。一実施形態では、サーバ５１０及び１つ又は複数のリモートサーバ５２０は、単一のサーバ又はサーバのクラスタとして実施し得る。一例では、サーバ５１０及び１つ又は複数のリモートサーバ５２０は、ネットワーク５０８を介してクライアントデバイス（例えば、電子デバイス５０２、５０４、又は５０６）におけるユーザエージェントを通して通信し得る。
【００７０】
ユーザは、電子デバイス５０２、５０４、及び５０６にインストールされたクライアントアプリケーションを通して、サーバ５１０によりホストされるシステム及び／又はリモートサーバ５２０によりホストされる１つ又は複数のサービスとインタラクションし得る。代替的には、ユーザは、電子デバイス５０２、５０４、５０６におけるウェブベースのブラウザアプリケーションを通して、システム及び１つ又は複数のソーシャルネットワーキングサービスとインタラクションし得る。クライアントデバイス５０２、５０４、５０６及びシステム及び／又は１つ又は複数のサービスの間の通信は、ネットワーク（例えば、ネットワーク５０８）を通して促進し得る。
【００７１】
クライアントデバイス５０２、５０４、５０６、サーバ５１０、及び／又は１つ又は複数のリモートサーバ５２０の間の通信は、様々な通信プロトコルを通して促進し得る。幾つかの態様では、クライアントデバイス５０２、５０４、５０６、サーバ５１０、及び／又は１つ又は複数のリモートサーバ５２０は、必要な場合、デジタル信号処理回路を含み得る通信インターフェース（図示せず）を通して無線通信し得る。通信インターフェースは、特に、ＧＳＭ（登録商標）（Global System for Mobile communication：モバイル通信用グローバルシステム）音声呼、ショートメッセージサービス（ＳＭＳ）、エンハンストメッセージングサービス（ＥＭＳ）又はマルチメディアメッセージングサービス（ＭＭＳ）メッセージング、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）、時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ）、パーソナルデジタルセルラ（ＰＤＣ）、広帯域符号分割多元アクセス（ＷＣＤＭＡ（登録商標））、ＣＤＭＡ２０００、又は汎用パケット無線システム（ＧＰＲＳ）を含め、様々なモード又はプロトコル下で通信を提供し得る。例えば、通信は、無線周波送受信機（図示せず）を通して行い得る。加えて、Bluetooth（登録商標）対応デバイス、Wi-Fi（登録商標）、又は他のそのような送受信機の使用を介したものを含む短距離通信を行い得る。
【００７２】
ネットワーク５０８は、例えば、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、キャンパスエリアネットワーク（ＣＡＮ）、大都市圏ネットワーク（ＭＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、ブロードバンドネットワーク（ＢＢＮ）、インターネット等の任意の１つ又は複数を含むことができる。さらに、ネットワーク５０８は、限定ではなく、バスネットワーク、スターネットワーク、リングネットワーク、メッシュネットワーク、スターバスネットワーク、ツリー又は階層ネットワーク等を含むネットワークトポロジの任意の１つ又は複数を含むことができる。
【００７３】
図６は、本技術の幾つかの実施態様が実施される電子システムを概念的に示す。電子システム６００は、クライアント、サーバ、コンピュータ、スマートフォン、ＰＤＡ、ラップトップ、１つ若しくは複数のプロセッサが組み込まれるか、若しくは結合されるタブレットコンピュータ、又は任意の他の種類の電子デバイスであることができる。そのような電子システムは、様々なタイプのコンピュータ可読媒体及び様々な他のタイプのコンピュータ可読媒体のインターフェースを含む。電子システム６００は、バス６０８、処理ユニット６１２、システムメモリ６０４、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）６１０、永続的記憶装置６０２、入力デバイスインターフェース６１４、出力デバイスインターフェース６０６、及びネットワークインターフェース６１６を含む。
【００７４】
バス６０８は集合的に、システム、周辺機器、及び電子システム６００の多くの内部デバイスを通信可能に接続するチップセットバスの全てを表す。例えば、バス６０８は、処理ユニット６１２をＲＯＭ６１０、システムメモリ６０４、及び永続的記憶装置６０２と通信可能に接続する。
【００７５】
これらの様々なメモリユニットから、処理ユニット６１２は、本開示のプロセスを実行するために、実行する命令及び処理するデータを検索する。異なる実施態様では、処理ユニットは、単一のプロセッサであってもよく、又はマルチコアプロセッサであってもよい。
【００７６】
ＲＯＭ６１０は、処理ユニット６１２及び電子システム６００の他のモジュールにより必要とされる静的データ及び命令を記憶する。他方、永続的記憶装置６０２は読み書きメモリデバイスである。このデバイスは、電子システム６００がオフであるときであっても命令及びデータを記憶する不揮発性メモリユニットである。本開示の幾つかの実施態様は、永続的記憶装置６０２として大容量記憶装置（磁気ディスク、光ディスク、及びそれに対応するディスクドライブなど）を使用する。
【００７７】
他の実施態様は、永続的記憶装置６０２としてリムーバブル記憶装置（フロッピーディスク、フラッシュドライブ、及びそれに対応するディスクドライブ）を使用する。永続的記憶装置６０２のように、システムメモリ６０４は読み書きメモリデバイスである。しかしながら、記憶装置６０２と異なり、システムメモリ６０４は、ランダムアクセスメモリ等の揮発性読み書きメモリである。システムメモリ６０４は、プロセッサが実行時に必要な命令及びデータの幾つかを記憶する。幾つかの実施態様では、本開示のプロセスは、システムメモリ６０４、永続的記憶装置６０２、及び／又はＲＯＭ６１０に記憶される。これらの様々なメモリユニットから、処理ユニット６１２は、幾つかの実施態様のプロセスを実行するために、実行する命令及び処理するデータを検索する。
【００７８】
バス６０８は、入力デバイスインターフェース６１４及び出力デバイスインターフェース６０６にも接続する。入力デバイスインターフェース６１４は、ユーザが、情報を電子システムに通信し、電子システムへのコマンドを選択できるようにする。入力デバイスインターフェース６１４と併用される入力デバイスとしては、例えば、英数字キーボード及びポインティングデバイス（「カーソル制御デバイス」とも呼ばれる）が挙げられる。出力デバイスインターフェース６０６は、例えば、電子システム６００により生成された画像を表示できるようにする。出力デバイスインターフェース６０６と併用される出力デバイスとしては、例えば、陰極線管（ＣＲＴ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等のプリンタ及び表示デバイスが挙げられる。幾つかの実施態様は、入力デバイス及び出力デバイスの両方として機能するタッチスクリーン等のデバイスを含む。
【００７９】
最後に、図６に示されるように、バス６０８は、ネットワークインターフェース６１６を通して電子システム６００をネットワーク（図示せず）にも結合する。このようにして、コンピュータは、コンピュータのネットワーク（ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）、広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）、若しくはイントラネット又はインターネット等の複数のネットワークの、ネットワークの一部であることができる。電子システム６００の任意又は全ての構成要素は、本開示と併せて使用することができる。
【００８０】
上述したこれらの機能は、デジタル電子回路で又はコンピュータソフトウェア、ファームウェア、若しくはハードウェアで実施することができる。本技法は、１つ又は複数のコンピュータプログラム製品を使用して実施することができる。プログラマブルプロセッサ及びコンピュータは、モバイルデバイスに含むことができ、又はモバイルデバイスとしてパッケージすることができる。プロセス及び論理フローは、１つ又は複数のプログラマブルプロセッサにより又は１つ若しくは複数のプログラマブル論理回路により実行することができる。汎用及び専用計算デバイス並びに記憶装置は、通信ネットワークを通して相互接続することができる。
【００８１】
様々な実施形態の上記説明は、単に例示的な及び説明を目的として提示された。上記説明は網羅的、又は本発明を開示された形態に限定する意図はない。したがって、多くの変更及び変形が当業者に明らかになろう。さらに、上記開示は本発明の限定を意図しない。
【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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【国際調査報告】
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