(57)【要約】【課題】  ２種類の波長の光子対を利用したQKDシステムにおいて、設計波長が異なる２つの干渉計の遅延時間を精度よく一致させる。【解決手段】  第１の波長用の非対称干渉計に、第１のパルス光源から発生した第１の波長の光パルスを入射して、第１の波長の２連光パルスを発生させ、非線形結晶に、前記第１の波長の２連光パルスとポンプ光源出力とを入力し、第２の波長の２連光パルスを発生させ、第２の波長用の非対称干渉計に、前記第２の波長の２連光パルスを入力して第２の波長の３連光パルスを発生させ、第２の波長の３連光パルスの中央のパルスの強度が最大となるように前記第１の波長用の非対称干渉計または第２の波長用の非対称干渉計の光路長を調節する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なるエンタングル光子対を利用した量子鍵配付に用いる非対称干渉計の遅延時間の調整方法であって、
第１の波長用の非対称干渉計に、第１のパルス光源から発生した第１の波長の光パルスを入射して、第１の波長の２連光パルスを発生させ、
非線形結晶に、前記第１の波長の２連光パルスとポンプ光源出力とを入力し、第２の波長の２連光パルスを発生させ、
第２の波長用の非対称干渉計に、前記第２の波長の２連光パルスを入力して第２の波長の３連光パルスを発生させ、
第２の波長の３連光パルスの中央のパルスの干渉による強度変化が最大となるように前記第１の波長用の非対称干渉計または第２の波長用の非対称干渉計の光路長を調節することを特徴とする量子鍵配付システムにおける非対称干渉計の遅延時間の調整方法。
【請求項２】
ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が第１の端面に入射されたときに第１の波長の光子と第２の波長の光子からなるエンタングル光子対を発生して第２の端面より出射する非線形結晶と、
前記第１の波長用の非対称干渉計と、該第１の波長用の非対称干渉計の第１および第２のポートの状態を観測するための第１および第２の単一光子検出器と、パルス光源と、前記パルス光源と前記第１の単一光子検出器のいずれかを前記第１の波長用の非対称干渉計の第１のポートと接続する第１の光スイッチと、を備える第１の受信装置と、
前記第２の波長用の非対称干渉計および該第２の波長用の非対称干渉計の第１および第２のポートの状態を観測するための第３および第４の単一光子検出器を備える第２の受信装置と、
前記第１の波長用の非対称干渉計の第３のポートを前記非線形結晶の第１の端面と第２の端面のいずれかに接続する第２の光スイッチと、を有することを特徴とする量子鍵配付システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子鍵配付システムにおけるパラメータの調整方法に関し、特に、波長の異なるエンタングル光子対を用いた量子鍵配付における干渉計の遅延時間の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、盗聴行為に対する絶対安全性を持つ暗号化通信を実現する方法として非特許文献１に開示されるような量子鍵配付(Quantum Key Distribution: QKD)が盛んに研究され、実用化開発が進んでいる。
【０００３】
ＱＫＤの実装方法の１つとして、非特許文献２に開示されるようなエンタングル光子対を用いた方法が提案されている。
【０００４】
エンタングル光子対とは、量子力学的な相関を持った１組の光子であり、特定の非線形光学結晶内で１つの光子が２つに分裂することによって生成される。
【０００５】
エンタングル光子対を２者に１つずつ分配し、両者で独立に測定する。エンタングル光子対が持つ量子相関によって両者の測定結果には相関が現れる。これを利用して両者は暗号鍵を共有することができる。エンタングル光子対を利用した方法ではＱＫＤの長距離化や安全性の保証が容易になることなどの利点がある。
【０００６】
生成する暗号鍵のビット情報を、光子の偏光に乗せる方法と、位相に乗せる方法とがあるが、空間伝送では偏光方法が主流であり、ファイバ伝送では位相方法が主流である。
【０００７】
本発明は、主に位相方法に関わる。位相方法の場合、光子対を受け取る２人の受信者は、同じ遅延時間、典型的には数ns程度の遅延時間を持った非対称マッハツェンダー型干渉計を持つ。このとき両者の遅延時間は光子対のコヒーレンス時間内で一致している必要があり、一般的には1ps程度の精度が必要となる。
【０００８】
２つの干渉計の遅延時間を1ps程度で合わせこむことは、両者に分配される光子の波長がほぼ同じ場合にはそれほど困難ではない。具体的な方法としては、２つの非対称干渉計を直列に接続し、10ps程度の光パルスを入射する。この出力光強度を測定し、干渉が最大となるように一方の干渉計の遅延時間を調整する。こうすることで２つの干渉計の遅延時間を等しくすることができる。
【０００９】
光子対を用いたＱＫＤでは、非特許文献３に開示されるように、波長の異なる光子対を用いた方法も研究されており、鍵生成速度の向上や、ファイバ伝送と空間伝送の橋渡しなどが期待されている。
【００１０】
波長の異なる光子対を用いた方法によるＱＫＤシステムの一例を図３に示す。
【００１１】
図３に示すＱＫＤシステムでは、532nmの光子を810nmと1550nmのエンタングル光子対に変換し、遅延時間2.5nsの干渉計を利用している。ポンプ光源301は532nmの連続発振光源であり、古典的な強度を持つ。ポンプ光は非線形結晶302に入射し、ポンプ光子の一部はパラメトリック下方変換により810nmの光子303と1550nmの光子304に分裂する。
【００１２】
光子303と光子304による光子対はエンタングル光子対と呼ばれ、位相などの物理量に関して量子力学的な相関を持つ。光子対は２人の受信者に分配され、ここでは810nm光子の受信者が用いる受信装置をAlice 305、1550nm光子の受信者が用いる受信装置をBob 306と呼ぶことにする。
【００１３】
Alice 305は810nmに対応した非対称マッハツェンダー干渉計（810nm用干渉計307）を持ち、その遅延時間をここでは2.5nsとする。810nm用干渉計307に入力した810nm光子303は、遅延時間の分だけずれた光子の重ね合わせ状態となって、810nm用干渉計307の２つの出力ポートに出力される。この２つの出力ポートの出力状態をそれぞれに設けられた単一光子検出器3081，3082により検出する。一方、Bob 306側でも同様に1550nm用干渉計309の２つの出力ポートの出力状態をそれぞれに設けられた単一光子検出器3101，3102によって検出する。
【００１４】
図３に示すＱＫＤシステムでは、光子対のコヒーレンス時間は10ps程度であり、２つの干渉計307、309の遅延時間2.5nsは1ps程度の精度で一致させる必要がある。ここでは810nm用干渉計308に遅延時間調整機構311が設けられており、これにより1550nm用干渉計309の遅延時間に合わせ込まれる。
【００１５】
上記のように、光子対の波長や干渉計の対応波長が異なる場合においても、前述した、波長が同じ場合とほぼ同様の方法で遅延時間の調整を行うことができる。ここで、遅延時間調整機構311で行われる、光子対の波長や干渉計の対応波長が異なる場合の遅延時間の調整方法について、図４を参照して説明する。
【００１６】
図４に示すシステムは、図３に示したシステムの810nm用干渉計308と1550nm用干渉計309の遅延時間を合わせ込むためのシステムである。810nm用干渉計402と1550nm用干渉計404は、810nm用干渉計308と1550nm用干渉計309にそれぞれ相当するものである。810nm用干渉計402の出力は1550nm用干渉計404に入力されている。
【００１７】
適当な波長λのパルス光源401から放出された時間幅10ps程度の光パルスを810nm用干渉計402に入力し、遅延時間分だけずれた２連光パルス403を得る。続いてこれを1550nm用干渉計404に入力すると３連光パルス405を得ることができる。これをフォトダイオード406で受光し、光強度を測定する。このとき２つの干渉計の遅延時間がパルスの時間幅程度の精度で一致していれば３連光パルス405の中央パルスは干渉し、干渉計の位相差に応じて強度が変化する。この強度変化が最大となるように一方の干渉計、ここでは、810nm用干渉計402に設けられた遅延時間調整機構407により遅延時間を調整していた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラサール（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著  ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，  Ｉｎｄｉａ，  ｐ．１７５，１９８４）
【非特許文献２】エカート（Ｅｋｅｒｔ）著  Physical Review Letters 67, 661-663 (1991)
【非特許文献３】リボルディ（Ｒｉｂｏｒｄｙ）他著  Physical Review A 63, 012309
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
図４に示したシステムでは、少なくとも一方の干渉計では、パルス光源の波長と干渉計の設計波長が一致しないために、干渉計の透過率が低下し、出力光を検出できない可能性がある。特に干渉計がシングルモードの光ファイバで構成されている場合には顕著である。
【００２０】
また、もしある程度の透過率があったとしても、干渉計内の分岐比は設計値から大きくずれてしまい、干渉度が小さくなってしまう可能性がある。この場合には干渉度が最大となる遅延時間を精度よく探すことが困難になる。
【００２１】
さらに、もし充分な干渉を確認できて遅延時間を調整することができたとしても、調整に用いた波長と実際に使用する波長が異なるために光の伝播速度の波長分散が影響し、正確に遅延時間を一致させることはできないという問題もある。
【００２２】
本発明の目的は、２種類の波長の光子対を利用したQKDシステムにおいて、設計波長が異なる２つの干渉計の遅延時間を精度よく一致させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による量子鍵配布システムにおける非対称干渉計の遅延時間の調整方法は、波長の異なるエンタングル光子対を利用した量子鍵配付に用いる非対称干渉計の遅延時間の調整方法であって、
第１の波長用の非対称干渉計に、第１のパルス光源から発生した第１の波長の光パルスを入射して、第１の波長の２連光パルスを発生させ、
非線形結晶に、前記第１の波長の２連光パルスとポンプ光源出力とを入力し、第２の波長の２連光パルスを発生させ、
第２の波長用の非対称干渉計に、前記第２の波長の２連光パルスを入力して第２の波長の３連光パルスを発生させ、
第２の波長の３連光パルスの中央のパルスの干渉による強度変化が最大となるように前記第１の波長用の非対称干渉計または第２の波長用の非対称干渉計の光路長を調節することを特徴とする。
【００２４】
本発明による量子鍵配布システムは、ポンプ光源と、
前記ポンプ光源が発生したポンプ光が第１の端面に入射されたときに第１の波長の光子と第２の波長の光子からなるエンタングル光子対を発生して第２の端面より出射する非線形結晶と、
前記第１の波長用の非対称干渉計と、該第１の波長用の非対称干渉計の第１および第２のポートの状態を観測するための第１および第２の単一光子検出器と、パルス光源と、前記パルス光源と前記第１の単一光子検出器のいずれかを前記第１の波長用の非対称干渉計の第１のポートと接続する第１の光スイッチと、を備える第１の受信装置と、
前記第２の波長用の非対称干渉計および該第２の波長用の非対称干渉計の第１および第２のポートの状態を観測するための第３および第４の単一光子検出器を備える第２の受信装置と、
前記第１の波長用の非対称干渉計の第３のポートを前記非線形結晶の第１の端面と第２の端面のいずれかに接続する第２の光スイッチと、を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明ではQKDで利用する２つの波長（λa、λbとする）の一方とほぼ一致したパルス光源（ここでは、λaとする）を用い、この出力光をλa用干渉計に通して、その遅延時間に対応した波長λaの２連光パルスを得る。
【００２６】
次に、波長λaの２連光パルスを、QKDにおいてエンタングル光子対を発生するための非線形結晶に入力する。ただし、入力するポートはもともとQKDで用いられるλa光子の出力ポートではなく、それとは逆向き（ポンプ光と同じ向き）に新たに設けられたポートから入力する。これによって差周波発生が起こり、通常は非常に低い確率でしか発生しないλbの光子が、λaが入力されたタイミングでは高確率で発生するようになる。結果として、λa用干渉計の遅延時間に対応した波長λbの２連光パルスを得ることができる。
【００２７】
続いて、波長λbの２連光パルスを、λb用干渉計に入力して３連光パルスに変換し、フォトダイオードなどによって光強度を検出する。３連光パルスの中央のパルスの干渉がもっとも大きくなるように、いずれかの干渉計に設けた遅延時間調整機構を調整する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、各干渉計を通る光はそれぞれの干渉計に対応した波長の光となるため、干渉計の透過率・分岐比・伝播速度の波長依存性に影響されずに精度よく遅延時間を一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による一実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明による第２の実施形態の構成を示す図である。
【図３】背景技術の構成を示す図である。
【図４】従来技術の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明による一実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３２】
本実施形態は、波長λaと波長λbのエンタングル光子対の受信者が使用する受信装置であるAlice108とBob109内の干渉計の遅延時間を調節する際の構成を示すものである。遅延時間を調節する際には、Alice108は光パルスの出力装置として動作し、Bob109は光パルスの検出装置として動作する。
【００３３】
パルス光源101が発生した波長λaの光パルスを、遅延時間ΔTを持つλa用干渉計102に入力する。その出力を非線形結晶103に、波長λpのポンプ光源104と同方向に入力する。非線形結晶103内で発生する波長λbの光出力をλb用干渉計105に入力し、その出力をフォトダイオード106で検出する。なお、λa用干渉計102には、光路長差を変えることで遅延時間を調整する遅延時間調整機構107が設けられている。
【００３４】
次に、本実施形態の動作について説明する。パルス光源101が発生した波長λaの光パルスは、λa用干渉計102によって遅延時間ΔTを持つ２連光パルスとなる。入力光の波長とλa用干渉計102の対応波長はほぼ一致しているため、干渉計の透過率・分岐比・伝播速度は実際にQKDを行う場合とほぼ同じである。
【００３５】
２連光パルスは非線形結晶103に入力される。これと同方向にポンプ光源104から波長λpの連続光を入射する。すると差周波発生の非線形光学効果により1/λp＝1/λa＋1/λb（エネルギー保存則）を満たすような波長λbの光が生成される。これは波長λaの光と同じタイミングで生成されるため、波長λbの光はλa用干渉計102の遅延時間ΔTと一致した時間差を持つ２連光パルスとなる。
【００３６】
波長λbの光の２連光パルスが遅延時間ΔT'を持つλb用干渉計105に入力されると、ΔT≒ΔT'のとき、出力は３連光パルスとなる。ここでも入射光の波長は干渉計の対応波長とほぼ一致しているため、干渉計の透過率・分岐比・伝播速度は実際にQKDを行う場合とほぼ同じである。ここで得られた３連光パルスのうち、中央のパルスは干渉により２つの干渉計102、105の位相差に応じて強度が変化する。この強度変化が最大となるように遅延時間調整機構107（ここではλa用干渉計102に付属しているが、λb用干渉計105に付属していてもよい）を調整するとΔT＝ΔT'となり、２つの干渉計の遅延時間を一致させることができる。
【００３７】
以上、本発明の方法により干渉計の透過率・分岐比・伝播速度の波長依存性に影響されずに精度よく２つの干渉計の遅延時間を一致させることができる。
【００３８】
図２は、本発明による第２の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、図３に示したQKDシステムと図１に示した遅延時間の調整を行うシステムとを光スイッチによって切り替え可能にしたものである。
【００３９】
本実施形態は、波長λaと波長λbのエンタングル光子対の受信者が使用する受信装置であるAlice205とBob206と、ポンプ光源211、非線形結晶213、および、光スイッチ201から構成されている。
【００４０】
Alice205は、マッハツェンダー型干渉計であるλa用干渉計207、パルス光源212、単一光子検出器2081、λa用干渉計207の第１のポートの出力状態を検出する単一光子検出器2082、λa用干渉計207の第２のポートを、パルス光源212と単一光子検出器2081のいずれかに接続する光スイッチ２０２から構成されている。λa用干渉計207には、光路長差を変えることで遅延時間を調整する遅延時間調整機構211が設けられている。
【００４１】
Bob206は、マッハツェンダー型干渉計であるλb用干渉計209と、λb用干渉計209の第１のポートおよび第２のポートの出力状態をそれぞれ検出する単一光子検出器2101，2102から構成されている。
【００４２】
非線形結晶213は入出射面となる２つの端面を備えるもので、光スイッチ201は、λa用干渉計207の第３のポートを非線形結晶213のいずれかの端面に接続する。光スイッチ201以外に、非線形結晶213の一方の端面にはポンプ光源211の出射光が入力され、他方の端面はλb用干渉計209の第３のポートと接続されている。
【００４３】
本実施形態の動作について、光スイッチ201、202がともに図面中の上側となる経路を選択し、図１に示した遅延時間の調整を行うシステムとして用いる際の動作について説明する。
【００４４】
パルス光源212が発生した波長λaの光パルスは、光スイッチ202を介してλa用干渉計207に入射し、遅延時間ΔTを持つ２連光パルスとなる。入力光の波長とλa用干渉計207の対応波長はほぼ一致しているため、干渉計の透過率・分岐比・伝播速度は実際にQKDを行う場合とほぼ同じである。
【００４５】
２連光パルスは光スイッチ201を介して非線形結晶213に入力される。これと同方向にポンプ光源211から波長λpの連続光が入射される。すると差周波発生の非線形光学効果により1/λp＝1/λa＋1/λb（エネルギー保存則）を満たすような波長λbの光が生成される。これは波長λaの光と同じタイミングで生成されるため、波長λbの光はλa用干渉計207の遅延時間ΔTと一致した時間差を持つ２連光パルスとなる。
【００４６】
波長λbの光の２連光パルスが遅延時間ΔT'を持つλb用干渉計209に入力されると、ΔT≒ΔT'のとき、出力は３連光パルスとなる。ここでも入射光の波長は干渉計の対応波長とほぼ一致しているため、干渉計の透過率・分岐比・伝播速度は実際にQKDを行う場合とほぼ同じである。ここで得られた３連光パルスのうち、中央のパルスは干渉により２つの干渉計207、209の位相差に応じて強度が変化する。この強度変化が最大となるように遅延時間調整機構211（ここではλa用干渉計207に付属しているが、λb用干渉計209に付属していてもよい）を調整するとΔT＝ΔT'となり、２つの干渉計の遅延時間を一致させることができる。
【００４７】
続いて光スイッチ201、202がともに図面中の下側となる経路を選択し、図３に示したQKDシステムとして用いる際の動作について説明する。
【００４８】
ポンプ光源211は波長λpの連続発振光源であり、古典的な強度を持つ。ポンプ光は非線形結晶213に入射し、ポンプ光子の一部はパラメトリック下方変換により波長λaの光子と波長λbの光子からなる光子対に分裂する。
【００４９】
波長λaの光子と波長λbの光子よる光子対はエンタングル光子対と呼ばれ、位相などの物理量に関して量子力学的な相関を持つ。光子対はAlice 205、Bob 206に分配される。
【００５０】
Alice 205では、λa用干渉計207に入力した波長λaの光子は、遅延時間の分だけずれた光子の重ね合わせ状態となって、λa用干渉計207の２つの出力ポートに出力される。この２つの出力ポートの出力状態をそれぞれに設けられた単一光子検出器2081，2082により検出する。一方、Bob 206側でも同様にλb用干渉計209の２つの出力ポートの出力状態をそれぞれに設けられた単一光子検出器2101，2102によって検出する。
【００５１】
本実施形態の装置では、干渉計の遅延時間調整を容易に行うことができるQKDシステムを提供できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  パルス光源
１０２  λa用干渉計
１０３  非線形結晶
１０４  ポンプ光源
１０５  λb用干渉計
１０６  フォトダイオード
１０７  遅延時間調整機構
２０１  光スイッチ
２０２  光スイッチ
３０１  ポンプ光源
３０２  非線形結晶
３０３  810nm光子
３０４  1550nm光子
３０５  Alice
３０６  Bob
３０７  810nm用干渉計
３０８  単一光子検出器
３０９  1550nm用干渉計
３１０  単一光子検出器
３１１  遅延時間調整機構
４０１  パルス光源
４０２  810nm用干渉計
４０３  ２連光パルス
４０４  1550nm用干渉計
４０５  ３連光パルス
４０６  フォトダイオード
４０７  遅延時間調整機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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