(57)【要約】【課題】ＱＫＤシステムの最適なシステム性能を維持するためにＱＫＤシステムにおける１又はそれ以上の検出器に関連するオート・キャリブレーションを実行する方法を提供する。【解決手段】量子鍵配送（ＱＫＤ）システム(２００)において、光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する方法(３００)が開示されている。この方法(３００)は、第１アクト(３０２)を含んでおり、そこでは、ＱＫＤシステム(２００)において単一光子検出器(２１６)からの光子カウントの最大数(ＮＭＡＸ)に対応する検出器ゲート・パルス(Ｓ３)の最適な到着時間を確立するため、検出器ゲート・スキャンを実行する。一旦最適な検出器ゲート・パルス到着時間が決定されると、次にアクト(３０６)において検出器ゲート・スキャンが終了され、アクト(３０８)において検出器ゲート・ディザ・プロセスが開始される。検出器ゲート・ディザ・アクト(３０８)は、検出器ゲート・スキャン・プロセス期間中に確立された到着時間の最適値周りの検出器ゲート・パルス(Ｓ３)の到着時間(Ｔ)を変更する。検出器ゲート・ディザは、検出器(２１６)が光子カウントの最大数(ＮＭＡＸ)を確実に産出するように、到着時間に対してわずかな調整を行う。
2007532041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するための単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法であって、
ａ)前記単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを前記単一光子検出器に送り、さらに、第１選択範囲Ｒ１にわたって前記検出器のゲート・パルスの到着時間Ｔを変化させることで、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
ｂ)前記光子カウントを最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行すること、
を備えたオート・キャリブレーション方法。
【請求項２】
前記検出器ゲート・ディザリングを終了させ、他の検出器ゲート・スキャンを実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＱＫＤシステムはプログラム可能なコントローラ及びコンピュータによる読み取り可能な媒体を有しており、前記コントローラが前記ＱＫＤシステムを指揮してアクトａ)〜ｃ)を実行可能となるように、前記方法は前記コンピュータによる読み取り可能な媒体で具現化されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記検出器ゲート・スキャンは、最適な検出器ゲート・パルス幅ＷＭＡＸを確立するために、パルス幅ＲＷ１の範囲にわたって検出器ゲート・パルス幅Ｗを変更する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
検出器ゲート・ディザリングは、最適なパルス幅を維持するために、パルス幅ＲＷ２＜ＲＷ１の範囲にわたって前記検出器ゲート・パルス幅Ｗを変更することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するために配置された単一光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する以下の方法を実行するために、前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指揮するために内部に具現化された指示を有する、コンピュータによる読み取り可能な媒体であって、前記方法は、
ａ)前記単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを前記単一光子検出器に送り、さらに、第１範囲Ｒ１にわたって前記検出器ゲート・パルスの到着時間Ｔを変化させることで、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
ｂ)光子カウント数を最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行すること、
である、コンピュータによる読み取り可能な媒体。
【請求項７】
コントローラに動作可能に連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて鍵を交換する方法であって、
前記ＱＫＤシステム内の暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、
前記検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって検出器ゲート・パルスを前記コントローラから前記検出器に送ることで、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１ＴＭＡＸが確立されたときに前記第１検出器ゲート・スキャンを終了すること、
前記範囲Ｒ２にわたって前記光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸのいずれかを維持するために、前記第１ＴＭＡＸの周りの到着時間の範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによって、第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
を備えた鍵交換方法。
【請求項８】
前記検出器ゲート・ディザを実行すると、新しい最適な到着時間Ｔ’ＭＡＸとなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記検出器ゲート・ディザの実行を終了させること、
第２検出器ゲート・スキャンすること、
前記第２検出器ゲート・スキャンを終了させること、
第２検出器ゲート・ディザを実行すること、
をさらに含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
一連の検出器ゲート・ディザが実行されるように、前記第１検出器ゲート・ディザを定期的に終了及び繰り返すことをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて光子を検出するために配置された単一光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する以下の方法を実行するために、前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指揮するために内部に具現化された指示を有する、コンピュータによる読み取り可能な媒体であって、前記方法は、
前記ＱＫＤシステムにおいて暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、
前記検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって前記コントローラから前記検出器に検出器ゲート・パルスを送ることで、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１ＴＭＡＸが確立したときに前記第１検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記範囲Ｒ２にわたって前記光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸのいずれかを維持するために、前記コントローラが前記第１ＴＭＡＸ周りの到着時間範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによって、第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
コンピュータによる読み取り可能な媒体。
【請求項１２】
コントローラを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法であって、
前記ＱＫＤシステムにおいて弱い光子パルスを暗号化ステーション同士間で送り合うこと、
コントローラから前記検出器に送られる検出器ゲート・パルスの最適な到着時間を決定するために、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記検出器からの光子カウントの最大数を維持するために、定期的に第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
を備えたオート・キャリブレーション方法。
【請求項１２】
前記第１検出器ゲート・ディザを終了させること、
及び第２検出器ゲート・スキャンを実行すること、
をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
コントローラに連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて、光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する方法であって、
前記ＱＫＤシステムの単一光子検出器からの光子カウントの最大数に対応する検出器ゲート・パルスの最適な到着時間を確立するために、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記到着時間をわずかに調整することで前記検出器が光子カウントの最大数を確実に産出するように、前記到着時間の前記最適値の周りの前記検出器ゲート・パルスの到着時間によって検出器ゲート・ディザ・プロセスを実行すること、
を備えた、オート・キャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号に関し、特に、最適なシステム性能を維持できる、量子鍵配送(ＱＫＤ)システムにおける光子検出器のオート・キャリブレーション装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、「量子チャネル」越しに送信された弱い光信号（例えば、平均で０．１フォトン）を用いて、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間で、鍵を設定することに関係する。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、量子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。
【０００３】
量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（以下、‘４１０特許と称す）に記載されている。
ベネット‐ブラッザールの論文と‘４１０特許は、それぞれいわゆる「一方向」型ＱＫＤシステムについて述べている。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが単一光子の偏光又は位相をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をランダムに測定するものである。ベネットの１９９２年の論文に述べられている一方向型システムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリスとボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計の各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号（パルス）は、時分割され、異なった経路をたどる。従って、干渉計は、熱ドリフトを補正するために、伝送中は数十ナノ秒の精度で動的に安定化している必要がある。
【０００４】
本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる、ギシンの特許文献２（以下、‘２３４特許と称す）では、偏光や熱ゆらぎを自動補正する、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムについて開示されている。このように、‘２３４特許の双方向ＱＫＤシステムは一方向型システムに比べて環境の影響を受けにくい。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，４３８，２３４号公報
【非特許文献１】Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９８４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
商業用ＱＫＤシステムを作動しているとき、マルチプル変数は時間的に整列される必要があり、さらに最適なシステム性能のために整列を維持される。例えば、商業用ＱＫＤシステムでは、１又はそれ以上の単一光子検出器が、ゲート・パルス時間でゲートされている。しかし、一旦システムがセットアップされると、タイミングは様々なシステム上や環境による要素によってドリフトして、さらに光子カウントが低下する。これによって、システムの転送レートが低下して、さらにビットエラー・レートも増加する。つまり、最適なシステム性能以下になる。
【０００６】
実験用及びプロトタイプのＱＫＤシステムは、極端に制御されしかも人工的な条件の下でシステムドリフトを考慮するように調整できる一方で、同じ分野の商業用ＱＫＤシステムについて必要な調整を行うにはかなり大変な努力が必要である。そして、実験的な又はプロトタイプのＱＫＤシステムとは異なり、商業用ＱＫＤシステムのエンドユーザは、そのＱＫＤシステムが最適な状態でオペレータの介入が最小限又はゼロの状態で自動的に働くことを期待している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一見地は、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するための単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法である。この方法は、単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを単一光子検出器に送り、さらに、第１選択領域Ｒ１にわたって検出器のゲート・パルス到着時間Ｔを変化させることで検出器ゲート・スキャンを実行することを備えている。この方法は、さらに、光子カウントを最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行することを備えている。
【０００８】
本発明の第二見地は、コントローラに動作可能に連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて鍵を交換する方法である。この方法は、ＱＫＤシステム内の暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、第１検出器ゲート・スキャンを実行することを備える。第１検出器スキャンは、検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適な到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって検出器ゲート・パルスをコントローラから検出器に送ることで実行される。この方法は、さらに、第１ＴＭＡＸが確立されたときに第１検出器ゲート・スキャンを終了すること、第１検出器ゲート・ディザを実行することを備えている。第１検出器ゲート・ディザは、範囲Ｒ２にわたって光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸを維持するため、第１ＴＭＡＸの周りの到着時間の範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔがコントローラによって変更されることで実行される。
【０００９】
本発明の第三見地は本発明の第二見地の方法に続くものであって、検出器ゲート・ディザを実行すると、新しい最適な到着時間Ｔ’ＭＡＸとなる。本発明の第三見地の方法は、検出器ゲート・ディザの実行を終了させること、第２検出器ゲート・スキャンを実行すること、第２検出器ゲート・スキャンを終了させること、そして第２検出器ゲート・ディザを実行することを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、ＱＫＤシステムの最適なシステム性能を維持するためにＱＫＤシステムにおける１又はそれ以上の検出器に関連するオート・キャリブレーションを実行する方法に関連して、産業上の利用性を有している。本発明は、最適な検出器ゲート・パルスの位置(タイミング)を決定するためのゲート・パルス・スキャニングを実行することを含んでおり、さらに、ＱＫＤシステムの作動中に最適な検出器ゲート・パルスのサイズ(すなわち、幅)及び位置を維持するために検出器ゲート・パルスのタイミングのディザリングを実行することを含んでいる。この結果、ＱＫＤシステムにおいて最適な光パルス検出が得られ、それは、たとえ環境条件がシステム性能に影響を与えるように変化した場合でも、ＱＫＤシステム全体の最適な動作におおむね一致している。
【００１１】
本発明は、偏光符号化又は位相符号化を用いた、一方向、双方向及びリング型トポロジ又はｎ方向ＱＫＤシステムに対して産業上の利用性を有しており、１又はそれ以上の単一光子検出器を用いている。本発明は、位相符号化及び単一検出器を用いた双方向ＱＫＤシステムの一実施例に関連付けて説明される。このようなＱＫＤシステムの選択は、本発明の方法を例示するためだけのものであり、本発明を制限するものではない。
【００１２】
さらに、下記の説明では、「ゲート・パルス」は、パルスが送られた構成を駆動させるものであり、構成の起動はパルスの継続時間（幅Ｗ）に対応している。このように、検出器ゲート・パルスは、検出器ゲート・パルスの継続時間（すなわち、幅）を検出する検出器を駆動する。そして、駆動はパルスの前端で開始され、パルスの後端で終了する。
[ＱＫＤシステムの実施例]
図１は、折り返し型ＱＫＤシステム２００の一実施例の概念図であり、本発明の方法が最も良く適合する。システム２００は、２つの鍵暗号化ステーション、すなわち、送信／受信ステーションであるボブと、反射ステーションであるアリスとを有する。以下、単にボブ、アリスと称する。
[ボブ]
図１への参照を続けると、ボブは、光パルス２０４を発光するレーザ２０２を有する。レーザ２０２は、入力端２０８Ａ、入力／出力端２０８Ｂ、及び検出器出力端２０８Ｃを有する時間多重化／逆多重化光学システム２０６に連結されている。光学システム２０６は、入力端２０８Ａで入力パルス２０４を受信し、各パルスを時間多重化された２つのパルスＰ１，Ｐ２に分割し、それらのパルスを入力／出力端２０８Ｂで出力する。同様に、光学システム２０６は、下記に示すように、光パルスを入力／出力端２０８Ｂでも受信する。
【００１３】
単一光子検出器２１６は、検出器出力端２０８Ｃで光学システム２０６に連結されている。位相変調器（ＰＭ）２２０は、光学システムの入力／出力端２０８Ｂに（例えば、光ファイバによって）連結されている。光ファイバ２４０はボブをアリスにＰＭ２２０で連結している。
ボブは、さらに、コントローラ２４８を有している。コントローラ２４８は、レーザ２０２と、検出器２１６と、ＰＭ２２０とに、これらの操作を制御するために下記に述べるように動作可能に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例において、コントローラ２４８は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示(例えば、「ソフトウェア」)を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示は、下記に述べるように本発明に係る方法を含んでいる。
[アリス]
アリスは、光ファイバ２４０に連結された可変光学的アッテネータ(ＶＯＡ)２６４を有している。位相変調器（ＰＭ）２６６は、ＶＯＡ２６４の下流に配置され、ＶＯＡ２６４に光学的に連結されている。ファラデーミラー２７０はＰＭ２６６の下流に配置され、ＰＭ２６６に光学的に連結されている。
【００１４】
また、アリスは、コントローラ２８８も有している。コントローラ２８８は、ＰＭ２６６と、ＶＯＡ２６４とに、動作可能に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例では、コントローラ２８８はコンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示(例えば、「ソフトウェア」)を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示は、本発明に係る方法を含んでいる。
【００１５】
コントローラ２４８、２８８は、アリスとボブの動作を同期させるため、リンク２９０を介して（例えば、電気的あるいは光学的に）互いに接続されている。特に、位相変調器２２０、２６６及び検出器２１６の動作は、発射された光パルス２０４に対して、ゲート信号Ｓ２，Ｓ３及びＳ１をそれぞれ用いながら、アリスとボブ間とで量子鍵が交換された時に、コントローラ２４８、２８８によって制御・整合される。このようにして、一実施例では、コントローラ２４８、２８８は、ＱＫＤシステムの単一コントローラを構成していると考えることができる。
[ＱＫＤシステム動作]
図１への参照をさらに続けると、システム２００の動作において、時間多重化／逆多重化光学システム２０６によって、パルス２０４は２つの別個のパルスＰ１とＰ２に分離される。本実施例においては、パルスＰ１とＰ２は、比較的弱いパルスである。パルスは、ＰＭ２２０に向かって光学システムの入力／出力端２０８Ｂを出て行く。ＰＭ２２０は、パルスが変調されずに通過可能なようにゲートされている。パルスＰ１とＰ２は、次に光ファイバ２４０越しにアリスへ送られる。パルスＰ１とＰ２は、続いてＶＯＡ２６４を通過していき、そこでは、必要であれば、パルスを減衰可能である。次に、パルスは、ＰＭ２６６を通過し、ファラデーミラー２７０で反射され、再度ＰＭ２６６に送り返される。
【００１６】
ＰＭ２６６を介したパルスＰ１とＰ２の一方の通過に際して、ＰＭはパルスの１つ（例えば、Ｐ１）を変調して、位相変調パルスＰ１'を形成する。これは、コントローラ２８８によって行われ、コントローラ２８８では、パルスＰ１がＰＭ２６６を通過する際に、ＰＭ２６６を短時間で駆動させる間合いの取れたゲート信号Ｓ１（すなわち、パルス間のタイムセパレーションよりも小さい）を送信する。次に、パルスＰ１とＰ２は、ＶＯＡ２６４を通って送り返され、そこでは、必要であれば、パルスを減衰してもよい。次にパルスはボブに戻され、その中のＰＭ２２０に戻される。ＰＭ２２０は、選択的位相変調値の１つを用いてランダムに残りの非変調パルス（この場合、パルスＰ２）を変調する。これは、コントローラ２４８がＰＭ２２０に間合いの取れたゲート信号Ｓ２を提供することにより行うことができる。ゲート信号Ｓ２は、パルスＰ２がＰＭ２２０を通過する短い時間の間に位相変調器を駆動させるものである。
【００１７】
変調されたパルスＰ１'及びＰ２'(後者は図１に示されていない)は、光学システム２０６に進む。光学システム２０６は、パルスを結合し、結合パルスＰ３を検出器出力端２０８Ｃから外へ出て検出器２１６に向かわせる。検出器２１６は、結合パルスＰ３を受信し、コントローラ２４８に信号を出力する。信号は、ＰＭ２６６、２０６によって、各々パルスＰ１、Ｐ２に伝えられる相対位相に対応している。
【００１８】
一旦、所望のパルス数がボブとアリス間で交換されると、既知の技術を用いて鍵を得ることができる。例えば、アリスとボブにより、それらの測定基準を公開で比較し、同じ測定基準に対応する測定（ビット）のみを保持する。これにより、ふるいにかけられた鍵が形成される。その後、アリスとボブは、盗聴者イブの存在を検査するため残りのビットの集合を選択して、その後廃棄する。ボブとアリス間に送信される弱い光パルスを妨害あるいは測定しようする、イブの光ファイバ２４０上における盗聴行為は、交換される光子の量子性により必然的に鍵にエラーを導入してしまう。ふるいにかけた鍵に、盗聴者イブの存在によるエラーがない場合には、送信は安全だと考えられ、量子鍵が設定される。
[最適なシステム動作を維持する方法]
図２は、ＱＫＤシステム２００の最適なシステム動作を維持するための本発明の方法を示すフロー図３００である。この方法は、下記に述べる方式によって、検出器ゲート・スキャンと検出器ゲート・ディザの両方を行う。
【００１９】
３０２において、鍵交換プロセスはコントローラ２４８によって開始される。コントローラ２４８は時分割された光パルスＰ１、Ｐ２がボブからアリスに送られるように、光源２０２に対して光パルス２０４を送出するように指示する。このプロセスは、上述したように、コントローラ２８８がＰＭ２６６に対してパルスの一つを位相変調するように指示すること、パルスをボブに戻すこと、残りのパルスを変調すること、変調パルスを結合すること、及び結合されたパルスＰ３を検出することを含んでいる。
【００２０】
３０４では、検出器ゲート・スキャンが実行される。これは、タイミング値の選択範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート・パルスＳ３のタイミング(例えば、到着時間Ｔ)を変更することで、検出器２１６によって検出された光子カウントの最大数ＮＭＡＸを産出する最適なゲート・タイミング(到着時間)ＴＭＡＸを確立する。検出器ゲート・スキャンの一実施例では、検出器ゲート・パルス幅Ｗも選択されたパルス幅範囲ＲＷ１にわたってオプションとして変更されることで、最適な検出器ゲート・パルス幅ＷＭＡＸを確立する。
【００２１】
図３は、検出器ゲート・スキャンの結果の例示プロットを示すものであり、Ｙ軸は、検出器ゲート間隔(すなわち、ゲート・パルス幅Ｗ)中に得られた光子カウントの数Ｎである。Ｘ軸は、単一光子検出器ゲート・パルスＳ３の相対的タイミング(例えば、到着時間Ｔ)を表しており、パルスＳ３は光子カウントの最大数ＮＭＡＸを実現するために変更される。本発明の文脈において、光子カウントの最大数ＮＭＡＸは最適なシステム性能に対応している。なぜなら、それは、暗電流カウントを増加させることなく、最高のデータ転送レート及び最高の光子感度レベルｖｓタイミングに対応しているからである。同様に、本発明の一実施例では、下記に説明するように、最適な光パルスは、検出器ゲート・ディザリングを可能とするスムーズな単一光子検出器応答を維持しながら、光パルスの比をダーク・イベント・パルスに最適化する。
【００２２】
図３の曲線は、タイミング値Ｔ(Ｘ軸)の選択範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート・パルスＳ３の到着時間Ｔをインクリメントすることによって得られる。一実施例では、到着時間Ｔは、基準、例えば、コントローラ２４８によって提供されたクロック基準時間に対して、検出器ゲート・パルスの前端の位置に対応している。
一旦ＴＭＡＸとＮＭＡＸが決定されると、次にプロセスは３０６に移行し、検出器ゲート・スキャンが停止される(すなわち、オフされる)。
【００２３】
３０８では、検出器ゲート・ディザリングが実行される。これは、ゲート信号Ｓ３のタイミング(例えば、到着時間Ｔ)及び／又はパルス幅Ｗを最大到着時間ＴＭＡＸの周りの選択されたタイミング範囲Ｒ２内で少量だけ繰り返し変更することを含む(すなわち、、検出ゲート信号は「ディザ」される)。そして、必要であれば、到着時間Ｔを元の最適値ＴＭＡＸから新しい最適値Ｔ’ＭＡＸにシフトして光子カウントＮが最大値ＮＭＡＸ(又は、別の場合には、新しい最大光子カウントＮ’ＭＡＸ)に維持されることを含む。なお、選択範囲Ｒ２は、Ｒ１より狭く、ＴＭＡＸの周りの比較的小さな範囲を囲むように選択される。さらに、オプションのパルス幅ディザリングに対しては、パルス幅は最適なパルスＷＭＡＸの周りの小さな範囲ＲＷ２にわたってディザされる。
【００２４】
一実施例では、タイミング範囲Ｒ２は、セキュリティ・アタッカ(例えば、イヴ)がタイミングをずらして好ましくない配置に持っていくことを妨げるくらい小さく、しかもディザリング・プロセスが成功する、すなわち、光子カウントＮを最大値ＮＭＡＸに保つくらい大きくなるように選択される。
図３を再び参照すると、曲線上の４個のデータ・ポイントｄ１，ｄ２，ｄ３及びｄ４は、例示のために強調されている。データ・ポイントｄ１が最初に計測され、次により大きな到着時間値Ｔに関連したデータ・ポイントｄ２が計測されると想定する。ｄ２に関連した光子カウント数がｄ１に関連した光子カウント数より少ないため、到着時間Ｔは減らされている。データ・ポイントｄ１に関連したゲート・パルス位置のための光子カウント数は再測定される。ｄ１において第２データ・ポイントに関連する光子カウント数Ｎはデータ・ポイントｄ２に関連する光子カウント数より高いため、到着時間Ｔはさらに減らされ、光子カウントが測定される。この結果はデータ・ポイントｄ３であり、それはデータ・ポイントｄ１に対する光子カウントより多い光子カウントを有している。到着時間Ｔはこのようにして再び減らされ、データ・ポイントｄ４に関連した低い光子カウントを産出する。この計測はｄ３のための計測より少ないため、検出器ゲート・パルスＳ３の到着時間Ｔは増やされるが、それほど多くはないのでそれはデータ・ポイントｄ２に関連した値に戻る。
【００２５】
この方法では、ゲート・パルス間隔は、光子カウントの最大（又はほとんど最大）数に集束するまで、往復的に変更される（「ディザ」される）。このようにして、単一光子検出器２１６の通常動作中は、検出器ゲート・ディザ・プロセスが単一光子感度を高く保つ。一実施例では、検出器ゲート・ディザリングは定期的に（例えば毎秒）実行される。一実施例では、このレートは、受信された単一光子カウントの数に比例している。
【００２６】
３１０では、別の検出器ゲート・スキャンを開始することで検出器ゲート信号Ｓ３のオート・キャリブレーションを選択実行することが提示されている。このようなオート・キャリブレーションが望ましい又は必要とみなされた場合には、方法は３１２に移行する。３１２では、検出器ゲート・ディザはオフされ、プロセスは３０４の検出器ゲート・スキャンに戻って、検出器ゲート・タイミング及び／又は検出器ゲート・パルス幅に対してアップデートされたキャリブレーションを行う。それによって新しい最適な到着時間ＴＭＡＸ及び／又は最適なパルス幅ＷＭＡＸを見つけだす。このアップデートされたキャリブレーションは、様々な理由、例えば、環境における変化の検出や通常のシステムドリフトのために実行が必要とされる。
【００２７】
一実施例では、オート・キャリブレーションは、下記の条件のいずれかが生じたときに実行される。すなわち、ａ)統計上の制限外の光子カウントレベルの変化、ｂ)所定量、例えば０.５℃を越えた周囲温度の変化、ｃ)スイッチング・ネットワーク・エレメントを通過するように光経路が構成を変化させた場合、ａ）の場合とは異なっており、光子カウントレベルの変化の前にペンディング中のイベントのメッセージが送られる場合、ｄ)周知の１日の間の温度サイクルに起因する日々のスケジュール、及びｅ)要不要に関係なく例えば毎時といった固定時間ベースの場合、である。
【００２８】
検出器ゲート・スキャンを実行するに先立って、検出器ゲート・ディザをオフする必要が生じる。なぜなら、これら２つのプロセスは互いに干渉し得るからである。具体的には、検出器ゲート・スキャンが単一光子検出器ゲート・パルスのタイミング又は幅をスムーズに(すなわち、インクリメンタルに）増加させようとするのに対して、検出器ゲート・ディザは光子カウントの最大数に留まるために小さなインクリメントにわたって往復的に変数を調整しようとする。この結果、これら２つの競合プロセスは偽りの結果を作り出す可能性がある。このようにして、３０４の検出器ゲート・スキャンの間の検出器ゲート・パルス・パラメータのスキャンとアップデートに続いて、検出器ゲート・ディザが自動的に（又は、別の例として、手動で）オンに戻される。
【００２９】
もし、オート・キャリブレーションを実行する要求やその必要がない場合は、方法は、検出器ゲート・ディザ・プロセス３０８に留まり、それは前述したように例えば毎秒繰り返される。定期的な検出器ゲート・ディザ・プロセスは、光子カウントをＮＭＡＸに維持するため、又は別の例として光子カウントを新しい最大値Ｎ’ＭＡＸ，Ｎ”ＭＡＸ等に維持するため、通常はＴＭＡＸの値がわずかに変化するだけである。明瞭かつ簡潔にするため、本発明では、「最大光子カウント」は、ＮＭＡＸ、Ｎ’ＭＡＸ、又はＮ”ＭＡＸ等を意味する。同様に、「最適な到着時間ＴＭＡＸ」は変化可能であり、そのため本発明では、ＴＭＡＸ，Ｔ’ＭＡＸ、及びＴ”ＭＡＸ等を意味する。
【００３０】
一実施例では、上述の本発明の方法は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０、２８９の少なくとも一方によって具体化され、ＱＫＤシステム２００において方法を実施するコントローラ２４８、２８８の少なくとも一方によって実行される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、双方向ＱＫＤシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、検出器のオート・キャリブレーションを表現するフロー図であり、検出器のオート・キャリブレーションは、検出器ゲート・パルスのスキャニング及びディザリングを用いることによって、図１のＱＫＤシステムの性能を最適にする。
【図３】図３は、図１に示すようなＱＫＤシステムのための単一光子検出器ゲート・スキャンの例示プロットである。そこでは、Ｙ軸は規則的な時間間隔における光子カウント数Ｎであり、Ｘ軸は、検出器ゲート・パルスのタイミング(位置)に関連した単一光子の検出器ゲート・タイミングである。
【００３２】
図面に描かれた様々な構成は単に代表的なものであり、必ずしも実寸通りに描かれていない。強調された部分もあれば、縮小された部分もありえる。これら図面は、当業者にとって理解及び適切な実施が可能な本発明の様々な実施形態を例示することを意図している。
【図１】
2007532041.tif 000003
【図２】
2007532041.tif 000004
【図３】
2007532041.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月20日(2006.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するための単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法であって、
ａ)前記単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを前記単一光子検出器に送り、さらに、第１選択範囲Ｒ１にわたって前記検出器のゲート・パルスの到着時間Ｔを変化させることで、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
ｂ)前記光子カウントを最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行すること、
を備えたオート・キャリブレーション方法。
【請求項２】
前記検出器ゲート・ディザリングを終了させ、他の検出器ゲート・スキャンを実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＱＫＤシステムはプログラム可能なコントローラ及びコンピュータによる読み取り可能な媒体を有しており、前記コントローラが前記ＱＫＤシステムを指揮してアクトａ)〜ｂ)を実行可能となるように、前記方法は前記コンピュータによる読み取り可能な媒体で具現化されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記検出器ゲート・スキャンは、最適な検出器ゲート・パルス幅ＷＭＡＸを確立するために、パルス幅ＲＷ１の範囲にわたって検出器ゲート・パルス幅Ｗを変更する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
検出器ゲート・ディザリングは、最適なパルス幅を維持するために、パルス幅ＲＷ２＜ＲＷ１の範囲にわたって前記検出器ゲート・パルス幅Ｗを変更することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するために配置された単一光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する以下の方法を実行するために、前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指揮するために内部に具現化された指示を有する、コンピュータによる読み取り可能な媒体であって、前記方法は、
ａ)前記単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを前記単一光子検出器に送り、さらに、第１範囲Ｒ１にわたって前記検出器ゲート・パルスの到着時間Ｔを変化させることで、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
ｂ)光子カウント数を最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行すること、
である、コンピュータによる読み取り可能な媒体。
【請求項７】
コントローラに動作可能に連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて鍵を交換する方法であって、
前記ＱＫＤシステム内の暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、
前記検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって検出器ゲート・パルスを前記コントローラから前記検出器に送ることで、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１ＴＭＡＸが確立されたときに前記第１検出器ゲート・スキャンを終了すること、
前記範囲Ｒ２にわたって前記光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸのいずれかを維持するために、前記第１ＴＭＡＸの周りの到着時間の範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによって、第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
を備えた鍵交換方法。
【請求項８】
前記検出器ゲート・ディザを実行すると、新しい最適な到着時間Ｔ’ＭＡＸとなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記検出器ゲート・ディザの実行を終了させること、
第２検出器ゲート・スキャンすること、
前記第２検出器ゲート・スキャンを終了させること、
第２検出器ゲート・ディザを実行すること、
をさらに含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
一連の検出器ゲート・ディザが実行されるように、前記第１検出器ゲート・ディザを定期的に終了及び繰り返すことをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて光子を検出するために配置された単一光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する以下の方法を実行するために、前記ＱＫＤシステム内のコンピュータに指揮するために内部に具現化された指示を有する、コンピュータによる読み取り可能な媒体であって、前記方法は、
前記ＱＫＤシステムにおいて暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、
前記検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって前記コントローラから前記検出器に検出器ゲート・パルスを送ることで、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１ＴＭＡＸが確立したときに前記第１検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記範囲Ｒ２にわたって前記光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸのいずれかを維持するために、前記コントローラが前記第１ＴＭＡＸ周りの到着時間範囲Ｒ２にわたって前記到着時間Ｔを変更することによって、第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
コンピュータによる読み取り可能な媒体。
【請求項１２】
コントローラを有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムの単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法であって、
前記ＱＫＤシステムにおいて弱い光子パルスを暗号化ステーション同士間で送り合うこと、
コントローラから前記検出器に送られる検出器ゲート・パルスの最適な到着時間を決定するために、第１検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記第１検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記検出器からの光子カウントの最大数を維持するために、定期的に第１検出器ゲート・ディザを実行すること、
を備えたオート・キャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記第１検出器ゲート・ディザを終了させること、
及び第２検出器ゲート・スキャンを実行すること、
をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
コントローラに連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて、光子検出器のオート・キャリブレーションを実行する方法であって、
前記ＱＫＤシステムの単一光子検出器からの光子カウントの最大数に対応する検出器ゲート・パルスの最適な到着時間を確立するために、検出器ゲート・スキャンを実行すること、
前記検出器ゲート・スキャンを終了させること、
前記到着時間をわずかに調整することで前記検出器が光子カウントの最大数を確実に産出するように、前記到着時間の前記最適値の周りの前記検出器ゲート・パルスの到着時間を変化させることによって検出器ゲート・ディザ・プロセスを実行すること、
を備えた、オート・キャリブレーション方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号に関し、特に、最適なシステム性能を維持できる、量子鍵配送(ＱＫＤ)システムにおける光子検出器のオート・キャリブレーション装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送は、「量子チャネル」越しに送信された弱い光信号（例えば、平均で０．１フォトン）を用いて、送信者（「アリス」）と受信者（「ボブ」）との間で、鍵を設定することに関係する。鍵配送の安全性は、不確定状態にある量子系はどれでも測定するとその状態を変えるという、量子力学の原則に基づいている。結果として、量子信号を妨害あるいは測定しようとする盗聴者（「イブ」）は、送信信号にエラーを引き起こしてしまうため、その存在が明らかになる。
【０００３】
量子暗号の一般的な原則は、ベネットとブラッザールの論文（非特許文献１参照）の中で、初めて発表された。具体的なＱＫＤシステムは、ベネットの特許文献１（以下、‘４１０特許と称す）に記載されている。
ベネット‐ブラッザールの論文と‘４１０特許は、それぞれいわゆる「一方向」型ＱＫＤシステムについて述べている。一方向型ＱＫＤシステムとは、アリスが単一光子の偏光又は位相をランダムに暗号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をランダムに測定するものである。‘４１０特許に述べられている一方向型システムは、二光束マッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。アリスとボブは、干渉計の位相を制御できるように、干渉計の各部にアクセスすることが可能である。アリスからボブに送信された信号（パルス）は、時分割され、異なった経路をたどる。従って、干渉計は、熱ドリフトを補正するために、伝送中は動的に安定化している必要がある。
【０００４】
本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる、ギシンの特許文献２（以下、‘２３４特許と称す）では、偏光や熱ゆらぎを自動補正する、いわゆる「双方向」型ＱＫＤシステムについて開示されている。このように、‘２３４特許の双方向ＱＫＤシステムは一方向型システムに比べて環境の影響を受けにくい。
【特許文献１】米国特許第５，３０７，４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６，４３８，２３４号公報
【非特許文献１】Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９（ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９８４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
商業用ＱＫＤシステムを作動しているとき、マルチプル変数は時間的に整列される必要があり、さらに最適なシステム性能のために整列を維持される。例えば、商業用ＱＫＤシステムでは、予測したパルス到着時間で光パルスの検出を同期させるために１又はそれ以上の単一光子検出器が、コントローラからのゲート・パルス時間でゲートされている。しかし、一旦システムがセットアップされると、タイミングは様々なシステム上や環境による要素によってドリフトして、さらに光子カウントが低下する。これによって、システムの転送レートが低下して、さらにビットエラー・レートも増加する。つまり、最適なシステム性能以下になる。
【０００６】
実験用及びプロトタイプのＱＫＤシステムは、極端に制御されしかも人工的な条件の下でシステムドリフトを考慮するように調整できる一方で、同じ分野の商業用ＱＫＤシステムについて必要な調整を行うにはかなり大変な努力が必要である。そして、実験的な又はプロトタイプのＱＫＤシステムとは異なり、商業用ＱＫＤシステムのエンドユーザは、そのＱＫＤシステムが最適な状態でオペレータの介入が最小限又はゼロの状態で自動的に働くことを期待している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一見地は、量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて弱い光子パルスを検出するための単一光子検出器のオート・キャリブレーション方法である。この方法は、単一光子検出器からの光子カウントの最大数ＮＭＡＸに対応する最適な到着時間ＴＭＡＸを決定するために、検出器ゲート・パルスを単一光子検出器に送り、さらに、第１選択領域Ｒ１にわたって検出器のゲート・パルス到着時間Ｔを変化させることで検出器ゲート・スキャンを実行することを備えている。この方法は、さらに、光子カウントを最大値に維持するために、ＴＭＡＸを囲む第２選択範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔを変更することで検出器ゲート・ディザリングを実行することを備えている。
【０００８】
本発明の第二見地は、コントローラに動作可能に連結された単一光子検出器を有する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムにおいて鍵を交換する方法である。この方法は、ＱＫＤシステム内の暗号化ステーション同士間で弱い光子パルスを送り合うこと、第１検出器ゲート・スキャンを実行することを備える。第１検出器スキャンは、検出器からの光子カウントの第１最大数ＮＭＡＸに対応する第１最適な到着時間ＴＭＡＸを確立するために、検出器ゲート・パルス到着時間Ｔの範囲にわたって検出器ゲート・パルスをコントローラから検出器に送ることで実行される。この方法は、さらに、第１ＴＭＡＸが確立されたときに第１検出器ゲート・スキャンを終了すること、第１検出器ゲート・ディザを実行することを備えている。第１検出器ゲート・ディザは、範囲Ｒ２にわたって光子カウントの最大数ＮＭＡＸ又は光子カウントの異なる最大数Ｎ’ＭＡＸを維持するため、第１ＴＭＡＸの周りの到着時間の範囲Ｒ２にわたって到着時間Ｔがコントローラによって変更されることで実行される。
【０００９】
本発明の第三見地は本発明の第二見地の方法に続くものであって、検出器ゲート・ディザを実行すると、新しい最適な到着時間Ｔ’ＭＡＸとなる。本発明の第三見地の方法は、検出器ゲート・ディザの実行を終了させること、第２検出器ゲート・スキャンを実行すること、第２検出器ゲート・スキャンを終了させること、そして第２検出器ゲート・ディザを実行することを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、ＱＫＤシステムの最適なシステム性能を維持するためにＱＫＤシステムにおける１又はそれ以上の検出器に関連するオート・キャリブレーションを実行する方法に関連して、産業上の利用性を有している。本発明は、最適な検出器ゲート・パルスの位置(タイミング)を決定するためのゲート・パルス・スキャニングを実行することを含んでおり、さらに、ＱＫＤシステムの作動中に最適な検出器ゲート・パルスのサイズ(すなわち、幅)及び位置を維持するために検出器ゲート・パルスのタイミングのディザリングを実行することを含んでいる。この結果、ＱＫＤシステムにおいて最適な光パルス検出が得られ、それは、たとえ環境条件がシステム性能に影響を与えるように変化した場合でも、ＱＫＤシステム全体の最適な動作におおむね一致している。
【００１１】
本発明は、偏光符号化又は位相符号化を用いた、一方向、双方向及びリング型トポロジ又はｎ方向ＱＫＤシステムに対して産業上の利用性を有しており、１又はそれ以上の単一光子検出器を用いている。本発明は、位相符号化及び単一検出器を用いた双方向ＱＫＤシステムの一実施例に関連付けて説明される。このようなＱＫＤシステムの選択は、本発明の方法を例示するためだけのものであり、本発明を制限するものではない。
【００１２】
さらに、下記の説明では、「ゲート・パルス」は、パルスが送られた構成を駆動させるものであり、構成の起動はパルスの継続時間（幅Ｗ）に対応している。このように、検出器ゲート・パルスは、検出器ゲート・パルスの継続時間（すなわち、幅）を検出する検出器を駆動する。そして、駆動はパルスの前端で開始され、パルスの後端で終了する。
[ＱＫＤシステムの実施例]
図１は、折り返し型ＱＫＤシステム２００の一実施例の概念図であり、本発明の方法が最も良く適合する。システム２００は、２つの鍵暗号化ステーション、すなわち、送信／受信ステーションであるボブと、反射ステーションであるアリスとを有する。以下、単にボブ、アリスと称する。
[ボブ]
図１への参照を続けると、ボブは、光パルス２０４を発光するレーザ２０２を有する。レーザ２０２は、入力端２０８Ａ、入力／出力端２０８Ｂ、及び検出器出力端２０８Ｃを有する時間多重化／逆多重化光学システム２０６に連結されている。光学システム２０６は、入力端２０８Ａで入力パルス２０４を受信し、各パルスを時間多重化された２つのパルスＰ１，Ｐ２に分割し、それらのパルスを入力／出力端２０８Ｂで出力する。同様に、光学システム２０６は、下記に示すように、光パルスを入力／出力端２０８Ｂでも受信する。
【００１３】
単一光子検出器２１６は、検出器出力端２０８Ｃで光学システム２０６に連結されている。位相変調器（ＰＭ）２２０は、光学システムの入力／出力端２０８Ｂに（例えば、光ファイバによって）連結されている。光ファイバ２４０はボブをアリスにＰＭ２２０で連結している。
ボブは、さらに、コントローラ２４８を有している。コントローラ２４８は、レーザ２０２と、検出器２１６と、ＰＭ２２０とに、これらの操作を制御するために下記に述べるように動作可能に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例において、コントローラ２４８は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示(例えば、「ソフトウェア」)を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０に記憶された指示は、下記に述べるように本発明に係る方法を含んでいる。
[アリス]
アリスは、光ファイバ２４０に連結された可変光学的アッテネータ(ＶＯＡ)２６４を有している。位相変調器（ＰＭ）２６６は、ＶＯＡ２６４の下流に配置され、ＶＯＡ２６４に光学的に連結されている。ファラデーミラー２７０はＰＭ２６６の下流に配置され、ＰＭ２６６に光学的に連結されている。
【００１４】
また、アリスは、コントローラ２８８も有している。コントローラ２８８は、ＰＭ２６６と、ＶＯＡ２６４とに、動作可能に（例えば、電気的に）連結されている。一実施例では、コントローラ２８８はコンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示(例えば、「ソフトウェア」)を実行可能なプログラマブル・コンピュータを有している。一実施例では、コンピュータによる読み取り可能な媒体２８９に記憶された指示は、下記に述べるように、本発明に係る方法を含んでいる。
【００１５】
コントローラ２４８、２８８は、アリスとボブの動作を同期させるため、リンク２９０を介して（例えば、電気的あるいは光学的に）互いに接続されている。特に、位相変調器２２０、２６６及び検出器２１６の動作は、発射された光パルス２０４に対して、ゲート信号Ｓ２，Ｓ１及びＳ３をそれぞれ用いながら、アリスとボブ間とで量子鍵が交換された時に、コントローラ２４８、２８８によって制御・整合される。このようにして、一実施例では、コントローラ２４８、２８８は、ＱＫＤシステムの単一コントローラを構成していると考えることができる。
[ＱＫＤシステム動作]
図１への参照をさらに続けると、システム２００の動作において、時間多重化／逆多重化光学システム２０６によって、パルス２０４は２つの別個のパルスＰ１とＰ２に分離される。本実施例においては、パルスＰ１とＰ２は、比較的弱いパルスである。パルスは、ＰＭ２２０に向かって光学システムの入力／出力端２０８Ｂを出て行く。ＰＭ２２０は、パルスが変調されずに通過可能なようにゲートされている。パルスＰ１とＰ２は、次に光ファイバ２４０越しにアリスへ送られる。パルスＰ１とＰ２は、続いてＶＯＡ２６４を通過していき、そこでは、必要であれば、パルスを減衰可能である。次に、パルスは、ＰＭ２６６を通過し、ファラデーミラー２７０で反射され、再度ＰＭ２６６に送り返される。
【００１６】
ＰＭ２６６を介したパルスＰ１とＰ２の一方の通過に際して、ＰＭはパルスの１つ（例えば、Ｐ１）を変調して、位相変調パルスＰ１'を形成する。これは、コントローラ２８８によって行われ、コントローラ２８８では、パルスＰ１がＰＭ２６６を通過する際に、ＰＭ２６６を短時間で駆動させる間合いの取れたゲート信号Ｓ１（すなわち、パルス間のタイムセパレーションよりも小さい）を送信する。次に、パルスＰ１とＰ２は、ＶＯＡ２６４を通って送り返され、そこでは、必要であれば、パルスを減衰してもよい。次にパルスはボブに戻され、その中のＰＭ２２０に戻される。ＰＭ２２０は、選択的位相変調値の１つを用いてランダムに残りの非変調パルス（この場合、パルスＰ２）を変調する。これは、コントローラ２４８がＰＭ２２０に間合いの取れたゲート信号Ｓ２を提供することにより行うことができる。ゲート信号Ｓ２は、パルスＰ２がＰＭ２２０を通過する短い時間の間に位相変調器を駆動させるものである。
【００１７】
変調されたパルスＰ１'及びＰ２'(後者は図１に示されていない)は、光学システム２０６に進む。光学システム２０６は、パルスを結合し、結合パルスＰ３を検出器出力端２０８Ｃから外へ出て検出器２１６に向かわせる。検出器２１６は、結合パルスＰ３を受信し、コントローラ２４８に信号を出力する。信号は、ＰＭ２６６、２０６によって、各々パルスＰ１、Ｐ２に伝えられる相対位相に対応している。
【００１８】
一旦、所望のパルス数がボブとアリス間で交換されると、既知の技術を用いて鍵を得ることができる。例えば、アリスとボブにより、それらの測定基準を公開で比較し、同じ測定基準に対応する測定（ビット）のみを保持する。これにより、ふるいにかけられた鍵が形成される。その後、アリスとボブは、盗聴者イブの存在を検査するため残りのビットの集合を選択して、その後廃棄する。ボブとアリス間に送信される弱い光パルスを妨害あるいは測定しようする、イブの光ファイバ２４０上における盗聴行為は、交換される光子の量子性により必然的に鍵にエラーを導入してしまう。ふるいにかけた鍵に、盗聴者イブの存在によるエラーがない場合には、送信は安全だと考えられ、量子鍵が設定される。
[最適なシステム動作を維持する方法]
図２は、ＱＫＤシステム２００の最適なシステム動作を維持するための本発明の方法を示すフロー図３００である。この方法は、下記に述べる方式によって、検出器ゲート・スキャンと検出器ゲート・ディザの両方を行う。
【００１９】
３０２において、鍵交換プロセスはコントローラ２４８によって開始される。コントローラ２４８は時分割された光パルスＰ１、Ｐ２がボブからアリスに送られるように、光源２０２に対して光パルス２０４を送出するように指示する。このプロセスは、上述したように、コントローラ２８８がＰＭ２６６に対してパルスの一つを位相変調するように指示すること、パルスをボブに戻すこと、残りのパルスを変調すること、変調パルスを結合すること、及び結合されたパルスＰ３を検出することを含んでいる。
【００２０】
３０４では、検出器ゲート・スキャンが実行される。これは、タイミング値の選択範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート・パルスＳ３のタイミング(例えば、到着時間Ｔ)を変更することで、検出器２１６によって検出された光子カウントの最大数ＮＭＡＸを産出する最適なゲート・タイミング(到着時間)ＴＭＡＸを確立する。検出器ゲート・スキャンの一実施例では、検出器ゲート・パルス幅Ｗも選択されたパルス幅範囲ＲＷ１にわたってオプションとして変更されることで、最適な検出器ゲート・パルス幅ＷＭＡＸを確立する。
【００２１】
図３は、検出器ゲート・スキャンの結果の例示プロットを示すものであり、Ｙ軸は、検出器ゲート間隔(すなわち、ゲート・パルス幅Ｗ)中に得られた光子カウントの数Ｎである。Ｘ軸は、単一光子検出器ゲート・パルスＳ３の相対的タイミング(例えば、到着時間Ｔ)を表しており、パルスＳ３は光子カウントの最大数ＮＭＡＸを実現するために変更される。本発明の文脈において、光子カウントの最大数ＮＭＡＸは最適なシステム性能に対応している。なぜなら、それは、暗電流カウントを増加させることなく、最高のデータ転送レート及び最高の光子感度レベルｖｓタイミングに対応しているからである。同様に、本発明の一実施例では、下記に説明するように、最適な光パルスは、検出器ゲート・ディザリングを可能とするスムーズな単一光子検出器応答を維持しながら、光パルスの比をダーク・イベント・パルスに最適化する。
【００２２】
図３の曲線は、タイミング値Ｔ(Ｘ軸)の選択範囲Ｒ１にわたって検出器ゲート・パルスＳ３の到着時間Ｔをインクリメントすることによって得られる。一実施例では、到着時間Ｔは、基準、例えば、コントローラ２４８によって提供されたクロック基準時間に対して、検出器ゲート・パルスの前端の位置に対応している。
一旦ＴＭＡＸとＮＭＡＸが決定されると、次にプロセスは３０６に移行し、検出器ゲート・スキャンが停止される(すなわち、オフされる)。
【００２３】
３０８では、検出器ゲート・ディザリングが実行される。これは、ゲート信号Ｓ３のタイミング(例えば、到着時間Ｔ)及び／又はパルス幅Ｗを最大到着時間ＴＭＡＸの周りの選択されたタイミング範囲Ｒ２内で少量だけ繰り返し変更することを含む(すなわち、、検出ゲート信号は「ディザ」される)。そして、必要であれば、到着時間Ｔを元の最適値ＴＭＡＸから新しい最適値Ｔ’ＭＡＸにシフトして光子カウントＮが最大値ＮＭＡＸ(又は、別の場合には、新しい最大光子カウントＮ’ＭＡＸ)に維持されることを含む。なお、選択範囲Ｒ２は、Ｒ１より狭く、ＴＭＡＸの周りの比較的小さな範囲を囲むように選択される。さらに、オプションのパルス幅ディザリングに対しては、パルス幅は最適なパルスＷＭＡＸの周りの小さな範囲ＲＷ２にわたってディザされる。
【００２４】
一実施例では、タイミング範囲Ｒ２は、セキュリティ・アタッカ(例えば、イヴ)がタイミングをずらして好ましくない配置に持っていくことを妨げるくらい小さく、しかもディザリング・プロセスが成功する、すなわち、光子カウントＮを最大値ＮＭＡＸに保つくらい大きくなるように選択される。
図３を再び参照すると、曲線上の４個のデータ・ポイントｄ１，ｄ２，ｄ３及びｄ４は、例示のために強調されている。データ・ポイントｄ１が最初に計測され、次により大きな到着時間値Ｔに関連したデータ・ポイントｄ２が計測されると想定する。ｄ２に関連した光子カウント数がｄ１に関連した光子カウント数より少ないため、到着時間Ｔは減らされている。データ・ポイントｄ１に関連したゲート・パルス位置のための光子カウント数は再測定される。ｄ１において第２データ・ポイントに関連する光子カウント数Ｎはデータ・ポイントｄ２に関連する光子カウント数より高いため、到着時間Ｔはさらに減らされ、光子カウントが測定される。この結果はデータ・ポイントｄ３であり、それはデータ・ポイントｄ１に対する光子カウントより多い光子カウントを有している。到着時間Ｔはこのようにして再び減らされ、データ・ポイントｄ４に関連した低い光子カウントを産出する。この計測はｄ３のための計測より少ないため、検出器ゲート・パルスＳ３の到着時間Ｔは増やされるが、それほど多くはないのでそれはデータ・ポイントｄ２に関連した値に戻る。
【００２５】
この方法では、ゲート・パルス間隔は、光子カウントの最大（又はほとんど最大）数に集束するまで、往復的に変更される（「ディザ」される）。このようにして、単一光子検出器２１６の通常動作中は、検出器ゲート・ディザ・プロセスが単一光子感度を高く保つ。一実施例では、検出器ゲート・ディザリングは定期的に（例えば毎秒）実行される。一実施例では、このレートは、受信された単一光子カウントの数に比例している。
【００２６】
３１０では、別の検出器ゲート・スキャンを開始することで検出器ゲート信号Ｓ３のオート・キャリブレーションを選択実行することが提示されている。このようなオート・キャリブレーションが望ましい又は必要とみなされた場合には、方法は３１２に移行する。３１２では、検出器ゲート・ディザはオフされ、プロセスは３０４の検出器ゲート・スキャンに戻って、検出器ゲート・タイミング及び／又は検出器ゲート・パルス幅に対してアップデートされたキャリブレーションを行う。それによって新しい最適な到着時間ＴＭＡＸ及び／又は最適なパルス幅ＷＭＡＸを見つけだす。このアップデートされたキャリブレーションは、様々な理由、例えば、環境における変化の検出や通常のシステムドリフトのために実行が必要とされる。
【００２７】
一実施例では、オート・キャリブレーションは、下記の条件のいずれかが生じたときに実行される。すなわち、ａ)統計上の制限外の光子カウントレベルの変化、ｂ)所定量、例えば０.５℃を越えた周囲温度の変化、ｃ)スイッチング・ネットワーク・エレメントを通過するように光経路が構成を変化させた場合、ａ）の場合とは異なっており、光子カウントレベルの変化の前にペンディング中のイベントのメッセージが送られる場合、ｄ)周知の１日の間の温度サイクルに起因する日々のスケジュール、及びｅ)要不要に関係なく例えば毎時といった固定時間ベースの場合、である。
【００２８】
検出器ゲート・スキャンを実行するに先立って、検出器ゲート・ディザをオフする必要が生じる。なぜなら、これら２つのプロセスは互いに干渉し得るからである。具体的には、検出器ゲート・スキャンが単一光子検出器ゲート・パルスのタイミング又は幅をスムーズに(すなわち、インクリメンタルに）増加させようとするのに対して、検出器ゲート・ディザは光子カウントの最大数に留まるために小さなインクリメントにわたって往復的に変数を調整しようとする。この結果、これら２つの競合プロセスは偽りの結果を作り出す可能性がある。このようにして、３０４の検出器ゲート・スキャンの間の検出器ゲート・パルス・パラメータのスキャンとアップデートに続いて、検出器ゲート・ディザが自動的に（又は、別の例として、手動で）オンに戻される。
【００２９】
もし、オート・キャリブレーションを実行する要求やその必要がない場合は、方法は、検出器ゲート・ディザ・プロセス３０８に留まり、それは前述したように例えば毎秒繰り返される。定期的な検出器ゲート・ディザ・プロセスは、光子カウントをＮＭＡＸに維持するため、又は別の例として光子カウントを新しい最大値Ｎ’ＭＡＸ，Ｎ”ＭＡＸ等に維持するため、通常はＴＭＡＸの値がわずかに変化するだけである。明瞭かつ簡潔にするため、本発明では、「最大光子カウント」は、ＮＭＡＸ、Ｎ’ＭＡＸ、又はＮ”ＭＡＸ等を意味する。同様に、「最適な到着時間ＴＭＡＸ」は変化可能であり、そのため本発明では、ＴＭＡＸ，Ｔ’ＭＡＸ、及びＴ”ＭＡＸ等を意味する。
【００３０】
一実施例では、上述の本発明の方法は、コンピュータによる読み取り可能な媒体２５０、２８９の少なくとも一方によって具体化され、ＱＫＤシステム２００において方法を実施するコントローラ２４８、２８８の少なくとも一方によって実行される。
前述の実施形態においては、理解を簡単にするために様々な実施例において様々な特徴をまとめた。本発明の特徴及び効果の多くは詳細な明細書から明らかであり、それ故、添付の明細書は、本発明の真の趣旨及び範囲に従う開示された装置のそのような特徴及び効果を全て網羅することを意図している。さらに、当技術分野の技術者ならば多くの修正や変更を容易に思いつくであろうから、本発明は、ここで述べた構成、動作、及び実施例に厳密に限定されるものではない。従って、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、双方向ＱＫＤシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、検出器のオート・キャリブレーションを表現するフロー図であり、検出器のオート・キャリブレーションは、検出器ゲート・パルスのスキャニング及びディザリングを用いることによって、図１のＱＫＤシステムの性能を最適にする。
【図３】図３は、図１に示すようなＱＫＤシステムのための単一光子検出器ゲート・スキャンの例示プロットである。そこでは、Ｙ軸は規則的な時間間隔における光子カウント数Ｎであり、Ｘ軸は、検出器ゲート・パルスのタイミング(位置)に関連した単一光子の検出器ゲート・タイミングである。
【００３２】
図面に描かれた様々な構成は単に代表的なものであり、必ずしも実寸通りに描かれていない。強調された部分もあれば、縮小された部分もありえる。これら図面は、当業者にとって理解及び適切な実施が可能な本発明の様々な実施形態を例示することを意図している。
【国際調査報告】
2007532041.tif 000006