(57)【要約】【課題】ＱＫＤシステム（１００）における変調器を較正する方法を開示する。【解決手段】本方法は、２つの単一光子検出器（３２ａ、３２ｂ）における最大および最小光子カウント（Ｎ）を生じる全体の相対的位相変調を得るために、ボブの変調器（ＭＢ）の電圧（ＶB）を正の値にセットし、そして、アリスの変調器（ＭＡ）の電圧（ＶA）を正負両方向に調整する。次いで、ボブの変調器電圧は負の値にセットされ、そして、プロセスが繰り返される。基底電圧（ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），ＶA（４））が確立されると、ＱＫＤシステムは、検出器の光子検知の確率が５０：５０かどうかを評価することによって基底電圧の直交性を評価するために、ボブおよびアリスにおける意図的に選択された正しくない基底によって動作される。もし、５０：５０でなければ、変調器電圧が直交に調整される。これには、ボブの基底電圧（ＶB（１）および／またはＶB（２））を変更すること、および、５０：５０検出器カウント分布が得られるまで、プロセスを繰り返すこと、が含まれる。本較正方法は、変調器の最適もしくはほぼ最適な動作を確実に行うために、ＱＫＤシステムの動作の間も周期的に実行することができる。
2007526721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１変調器（ＭＢ）を有する第１ＱＫＤステーション（ボブ）と、第２変調器（ＭＡ）を有する第２ＱＫＤステーション（アリス）と、を備えるＱＫＤシステムを較正する方法であって、
ａ）前記ＱＫＤシステムを第１変調器基底電圧ＶB（１）で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第１基底電圧ＶA（１）を確立するために、前記第２変調器の基底電圧ＶAを変化させ、
ｂ）検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第２基底電圧ＶA（２）を確立するために、前記第２変調器の前記基底電圧ＶAを変化させながら、前記ＱＫＤシステムを動作させ、
ｃ）前記ＱＫＤシステムを第２変調器基底電圧ＶB（２）で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第３基底電圧ＶA（３）を確立するために、前記第２変調器の前記基底電圧ＶAを変化させ、
ｄ）検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第４基底電圧ＶA（４）を確立するために、前記第２変調器の前記基底電圧を変化させながら前記ＱＫＤシステムを動作させる、方法。
【請求項２】
ｅ）前記ＱＫＤシステムを、前記２つの単一光子検出器それぞれの間で５０：５０の光子カウント確率をもたらすことが予想される基底電圧で動作させ、
ｆ）前記光子カウント確率を、前記単一光子検出器を用いて測定し、
ｇ）前記ｆ）における測定された前記光子カウント確率が５０：５０でない場合、前記光子カウント確率が５０：５０になるまで、前記基底電圧ＶB（１），ＶB（２）の少なくとも一方を変化させ、前記ａ）〜ｆ）を繰り返す、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＱＫＤシステムの動作の際も、前記第１および前記第２検出器のいずれかにおいて、最小の光子カウントをもたらす前記基底電圧ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）を確立するために、第１および第２単一光子検出器それぞれにおいて光子カウントを測定する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
電圧ＶB，ＶAのそれぞれによって駆動される第１および第２変調器ＭＢ，ＭＡのそれぞれを有する第１および第２動作可能接続ＱＫＤステーションであるボブおよびアリスを備えるＱＫＤシステムを較正する方法であって、
ａ）最小あるいは最大いずれかの光子カウントに対応する基底電圧ＶA（１），ＶA（２）を決定するために、電圧ＶBを第１の値ＶB（１）に固定するとともに第２電圧ＶAを変化させながら、前記ＱＫＤステーション間で光子を交換し、
ｂ）最小あるいは最大いずれかの光子カウントに対応する基底電圧ＶA（３），ＶA（４）を決定するために、前記第１基底電圧ＶBを第２の値ＶB（２）に固定するとともに前記第２基底電圧ＶAを変化させながら、前記ＱＫＤステーション間で光子を交換し、
ｃ）前記基底電圧の直交性を確実にするために、前記ＱＫＤシステムを、意図的に選択された正しくない基底電圧ＶB，ＶAで動作させて、前記変調器ＭＡ，ＭＢによって変調された光子間の強め合う干渉対弱め合う干渉を検出する確率分布を測定する、方法。
【請求項５】
５０：５０の前記確率分布をもたらす前記基底電圧ＶA，ＶBを確立するために、前記ｃ）における前記基底電圧の調整では、前記測定された確率分布が５０：５０と異なる場合、１つ以上の異なる第１基底電圧値ＶBで前記ａ）〜ｃ）を繰り返す、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ＱＫＤシステムを、較正された前記基底電圧値ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）で動作させる、
請求項４に記載の方法。
【請求項７】
ｉ）前記ａ）〜ｄ）を実行するために、前記変調器ＭＢ，ＭＡそれぞれに動作可能に接続された変調器ドライバ（４４，１４）と、ｉｉ）第１および第２単一光子検出器とに動作可能に接続された制御器をプログラムする、
請求項４に記載の方法。
【請求項８】
ＱＫＤシステムにおける２つの変調器ＭＡ，ＭＢを較正する方法であって、
ａ）前記ＱＫＤシステムを、前記変調器ＭＢに対する第１固定変調電圧ＶB（１）で動作させるとともに、前記第２変調器に対する第１および第２基底電圧ＶA（１），ＶA（２）を、１つ以上の単一光子検出器における光子カウントの測定に基づいて確立するために、前記第２変調器の変調電圧ＶAを変化させ、
ｂ）前記ＱＫＤシステムを、前記変調器ＭＢに対する第２固定変調電圧ＶB（２）で動作させるとともに、前記第２変調器に対する第３および第４基底電圧ＶA（３），ＶA（４）を、前記１つ以上の単一光子検出器における光子カウントの測定に基づいて確立するために、前記第２変調器の変調電圧ＶAを変化させる、方法。
【請求項９】
前記変調電圧の直交性を測定する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記測定において、前記変調電圧が直交ではないことを示す場合、少なくとも１つの前記基底電圧を調整して前記基底電圧を直交とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ｃ）前記変調電圧を、強め合うおよび弱め合うよう干渉する光子間の、５０：５０の光子カウント確率分布をもたらすと予想される値にセットし、
ｄ）前記光子カウント確率分布を測定し、
ｅ）前記光子カウント確率分布が５０：５０とは異なる場合、５０：５０の光子カウント確率分布を得るために、変調器ＭＢに対する少なくとも１つの前記基底電圧を調整し、前記ａ）〜ｄ）を繰り返す、
ことによって変調電圧の直交性を測定する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＱＫＤシステムを、前記較正された基底電圧値ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）で動作させる、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子暗号の分野に関し、かつその分野において産業上実用性を有する。特に、量子キー交換（ＱＫＤ）システムにおける変調器の自動較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子キー配送は、「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、キーを設定することに関係する。キー分配の安全性は、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、Ｃ．Ｈ．ベネットらの論文（非特許文献２参照）、およびＣ．Ｈ．ベネットの論文（非特許文献３参照）に記載されている。
ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターの著作（非特許文献４参照）に記載されている。ＱＫＤプロセス中は、アリスは乱数発生器（ＲＮＧ）を用いて、基底（「基底ビット」）のためのランダム・ビットとキー（「キービット」）のためのランダム・ビットとを発生させ、それによって、（例えば、偏光又は位相符号化を用いて）ｑｕｂｉｔを作り出してボブに送る。
【０００４】
上述のベネットによる文献では、それぞれ、いわゆる「一方向」型ＱＫＤシステムについて述べられている。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システムの一端でランダムに符号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をシステムの他端でランダムに測定するものである。１９９２年のベネット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。アリスおよびボブは、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。干渉計は、熱的ドリフトを補償するために、伝送中は量子信号波長の一部分内で動的に安定する必要がある。
【０００５】
ギシンの特許文献１（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特許の双方向型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）
【非特許文献２】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，”  Ｊ．Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ  ５：３−２８（１９９２）
【非特許文献３】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ，”  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８  ２１２１  （１９９２）
【非特許文献４】Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  ２００１，  ｉｎ  Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，  ｐａｇｅｓ２７−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、自動補正がなされかつ動的に安定したＱＫＤシステムにおいて、安定もしくは補正がなされているのは光学レイヤである。結局のところ、ドリフトは、ＱＫＤシステムを安定に作動させるために必要な電子部品において生じる、もしくは生じる可能性がある。例えば、位相符号化ＱＫＤシステムにおいて、位相変調器をセットするために用いる電圧が長時間ドリフトすれば、光学パルスに与えられる位相は長時間ドリフトする。これは、偏光符号化システムにおける偏光変調器でも同じである。このドリフトによって、正確な位相変調もしくは偏光変調がなされていないパルスが生じてしまう。これは、符号化されたパルスの検出能を低下させる。このドリフトが補正されなければ、ＱＫＤシステムの作動は絶えず悪くなり、ＱＫＤシステムがもはや作動できないまでになる可能性もある。
【０００７】
また、特殊なＱＫＤプロトコルのもとで基底測定の分析を行なう際に、ボブの検出器がアリスの基底とは異なる基底で測定された信号を検出する確率は、５０：５０である必要がある。
この確率が５０：５０とは異なる限り、盗聴者にとって潜在的な利点がある。なぜなら、「正しくない」基底測定に伴う不確実性が低下するからである。この５０：５０確率分布からの変動は生じ得る。なぜなら、変調器基底電圧は「直交」ではない、すなわち、離散量（例えば、Ｖ［−π／４］からＶ［π／４］まで）による基底電圧の変化により、検出器は対応するπ／２の位相差を提供しないからである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、量子暗号法の分野における産業実用性に関連するともに、それを有するものであり、詳細には量子キー分配（ＱＫＤ）に関連する。本発明は、ＱＫＤシステムの位相あるいは偏光変調較正を行う方法を提供する。本発明を、双方向型ＱＫＤシステムの動作に関連して説明するが、本方法はそのようには制限されない。
以下に詳述する通り、双方向型ＱＫＤシステムに適用された本発明の実施例の一例は、ボブの（タイミングを合わせた）変調器電圧ＶBを第１正数（例えば、ＶB（１）＝ＶB［π／４］）にセットし、次いで、パルスを交換しながらアリスの変調器電圧ＶAを正負の両方向に調整する。したがって、ＱＫＤシステムの通常動作と較正動作との違いは、変調器がランダムに変調されないということだけである。
【０００９】
アリスの変調器電圧における変化は、それぞれの全体の基底電圧ＶA（１），ＶA（２）を検出するよう実行される。それぞれの全体の基底電圧ＶA（１），ＶA（２）は、ある場合においては、強めあう干渉に起因する一方の検出器におけるカウントの最大数に対応し、他の場合においては、弱め合う干渉に起因する他方の検出器におけるカウントの最大数に対応する。この例において、ＶB（１）＝ＶB［π／４］の場合、アリスに対する、対応する基底電圧は、ＶA（１）＝ＶA［−π／４］，ＶA（２）＝ＶA［３π／４］にセットされる。
【００１０】
次いで、ボブの変調器電圧ＶBは、負数（例えば、ＶB（２）＝ＶB［−π／４］）にセットされる。そして、アリスに対する、さらに２つの名目上の基底電圧、つまり、ＶA（３）＝ＶA［π／４］，ＶA（４）＝ＶA［−３π／４］を得るために、このプロセスが繰り返される。すべての基底電圧がセットされた（較正された）とき、ＱＫＤシステムを基底電圧間の直交性を確認するよう動作させる。これは、意図的にボブおよびアリスで「正しくない」基底値を選択し、それぞれの２つの検出器で光子を検出する確率分布を測定することにより遂行される。確率分布が５０：５０ではない場合、ボブの変調器電圧ＶB（１），ＶB（２）の１つ以上が調整され、５０：５０の検出器カウント確率分布が「正しくない」測定基底に対して得られるまで、上述のプロセスが繰り返される。これにより、確立された基底電圧間の直交性が確立される。
【００１１】
その後、ＱＫＤシステムが、アリスとボブの変調器に対する適切な変調に直接対応する較正された基底電圧で、動作される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜双方向型ＱＫＤシステム＞
図１は、双方向型ＱＫＤシステム１００の概略図である。ボブは、光パルスＰ０を出射するレーザ１２を備える。レーザ１２は、時分割多重化／多重分離（Ｍ／Ｄ）光学系１０４に連結される。Ｍ／Ｄ光学系１０４は、レーザ１２から入力パルスＰ０を受け取り、個々のパルスを、２つの、直交偏光を有する時分割多重化パルスＰ１，Ｐ２、に分割する。同様に、後のキー交換プロセス（後述）において、光学系１０４は、アリスから、戻ってくる時分割多重化パルスの組を受け取り、それらを結合し（干渉させ）、単一パルスとする。
【００１３】
ボブは、また、Ｍ／Ｄ光学系１０４において、位相変調器ＭＢを備える。光ファイバリンクＦＬは、Ｍ／Ｄ光学系１０４に連結されており、ボブをアリスに接続する。ボブは、また、変調器ＭＢに連結された電圧制御器４４と、電圧制御器に連結された乱数発生器（ＲＮＧ）ユニット４６と、を備える。
ボブは、また、Ｍ／Ｄ光学系１０４に連結された２つの検出器３２ａ，３２ｂを備える。ボブは、さらに、レーザ１２と、検出器３２ａ，３２ｂと、電圧制御器４４と、ＲＮＧユニット４６と、に機能的に（例えば電気的に）連結された制御器５０を備える。
【００１４】
続いて図１を参照して、アリスは、一端で光ファイバリンクＦＬに、そして反対側の他端でファラデーミラーＦＭに連結される位相変調器ＭＡ、を備える。アリスは、また、変調器ＭＡに連結された電圧制御器１４と、電圧制御器に連結された乱数発生器（ＲＮＧ）ユニット６と、を備える。アリスは、さらに、ＲＮＧユニット１６に、そして電圧制御器１４に連結された制御器２０、を備える。
【００１５】
ボブの制御器５０は、アリスの制御器２０に同期リンク（チャネル）ＳＬを介して（光学的あるいは電子的に）連結され、これにより、アリスとボブの動作を同期させる。詳細には、位相変調器ＭＡ，ＭＢの動作は、同期リンクＳＬ上を制御器５０から制御器２０へと（あるいはその逆、またあるいはその両方）通る同期信号ＳＳによって、連係される。実施例の一例において、後述する較正手順を備えるＱＫＤシステム１００の動作は、制御器２０あるいは制御器５０のいずれかから制御される。
＜動作の方法＞
続いて図１を参照して、ＱＫＤシステム１００の動作において、ボブの制御器２０は、信号Ｓ０をレーザ１２へ送信し、それに応じて、比較的強く短いレーザパルスＰ０を発生する。次いで、レーザパルスＰ０は、制御器５０に操作可能に接続されるとともに制御される、オプションの可変光学的減衰器ＶＯＡ１３Ｂによって、減衰される。（減衰された）パルスＰ０は、Ｍ／Ｄ光学系１０４に到達し、Ｍ／Ｄ光学系１０４は、そのパルスを、２つの、直交偏光されたパルスＰ１，Ｐ２に分割する。パルスＰ１は、光ファイバリンクＦＬへ直接進み、一方、パルスＰ２は遅延されて、この時点では作動されていない変調器ＭＢを通り抜ける。パルスＰ１，Ｐ２は、パルスＰ２がパルスＰ１に追従する状態で、Ｍ／Ｄ光学系１０４から光ファイバリンクＦＬへ通り、アリスへと進む。
【００１６】
なお、ここで、また、システム１００の他の実施例において、パルスＰ０，Ｐ１を、アリスに配置されたＶＯＡ１３Ａを用いてアリスによって減衰される比較的強いパルスとすることもでき、これらパルスは、ボブに戻る前に、弱い（量子）パルスとするよう減衰されることを述べておく。
パルスＰ１，Ｐ２は、アリスの変調器ＭＡを通り、パルスの偏光を９０°変化させるファラデーミラーＦＭで反射して離れる。これらパルスが変調器ＭＡを通って戻ってくるとき、アリスは第１パルスＰ１を未変調で通過させるが、第２パルスＰ２の位相を変調する（つまり、位相シフトΦAを与える）。なお、ここで、アリスが、また、パルスＰ１を変調するよう選択しうることを述べておく必要があろう。パルスＰ１，Ｐ２は、後に、干渉するので、それぞれのパルスに与えられた位相が重要なのではなく、２つのパルス間の相対的な位相がむしろ重要なのである。
【００１７】
以下により詳しく説明する通り、パルスＰ２の到着と同時である変調器ＭＡの作動のタイミングは、制御器２０，５０の間で共有される同期信号ＳＳによって提供される。図１に概略的に例示する実施例の一例において、変調は、アリスで、制御器２０によって実行される。制御器２０は、よくタイミングが合わされた信号Ｓ１をＲＮＧユニット１６へ出力する。ＲＮＧユニット１６は、乱数を表す信号Ｓ２を電圧制御器１４へ出力する。次いで、電圧制御器１４は、１セットの基底電圧（例えば、Ｖ［＋３π／４］、Ｖ［−３π／４］、Ｖ［＋π／４］、Ｖ［−π／４］）からランダムに選択された、タイミングが合わされた電圧信号ＶAを変調器ＭＡに送信し、これにより、位相変調を、対応する基底位相、例えば、＋３π／４、−３π／４、π／４、−π／４、にランダムにセットする。選択された電圧値ＶA（あるいは対応する乱数）は、制御器２０に通知され、そして（対応する）電圧情報（あるいは対応する位相情報）が、そこに記憶される。例示のために、電圧信号ＶAのタイミングは、信号Ｓ２に基づくものとする。実際には、制御器２０からの別のタイミング信号（図示せず）を用いることができる。
【００１８】
次いで、２つのパルスＰ１，Ｐ２は、ボブに戻って、Ｍ／Ｄ光学系１０４へと進む。パルスＰ２は変わらないまま光学系を通過するが、パルスＰ１は変調器ＭＢを通り、位相シフトΦBを受ける。位相変調器ＭＢによるパルスＰ１の変調のタイミングは、制御器２０，５０間で共有される同期信号ＳＳによって提供される。変調器ＭＢによるパルスＰ１の変調は、制御器５０によって実行される。制御器５０は、よくタイミングが合わされた信号Ｓ３をＲＮＧユニット４６へ出力する。ＲＮＧユニット４６は、乱数を表す信号Ｓ４を電圧制御器４４へ出力する。次いで、電圧制御器４４は、１セットの電圧（例えば、Ｖ［＋π／４］、［Ｖ−π／４］）からランダムに選択された、タイミングが合わされた電圧信号ＶBを変調器ＭＢに送信し、これにより、位相変調を、対応する基底位相、例えば、＋π／４、−π／４、にランダムにセットする。選択された電圧値ＶB（あるいは対応する乱数）は、制御器５０に通知され、そして電圧情報（あるいは対応する位相情報）が、そこに記憶される。再び、例示のために、電圧信号ＶBのタイミングは、信号Ｓ３に基づくものとする。実際には、制御器５０からの別のタイミング信号（図示せず）を用いることができる。
【００１９】
さらに、パルスＰ１，Ｐ２がＭ／Ｄ光学系１０４に入るとき、パルスＰ２は、遅延なく通るが、パルスＰ１は、パルスＰ２に当初に与えられた分と等しい量だけ遅延される。次いで、Ｍ／Ｄ光学系は、２つのパルスＰ１，Ｐ２を干渉させる。
単一光子検出器３２ａ，３２ｂは、パルスＰ１，Ｐ２間の強めあう干渉（ΦA−ΦB＝０）が検出器３２ａによって検出され、弱め合う干渉（ΦA−ΦB＝π）が検出器３２ｂによって検出されるように配置される。ボブがアリスと同じ基底位相を与えるとき、検出器３２ａにおけるカウントは二値で０を示し、検出器３２ｂにおけるカウントは二値で１を示す。しかしながら、ボブの基底位相がアリスとは異なるとき、干渉パルスＰ１，Ｐ２の検出に相関性はなく、干渉信号は、検出器３２ａ，３２ｂのいずれでも同じ確率で検出される（つまり、干渉パルスは、５０：５０のチャンスでいずれの検出器にも検出される）。
【００２０】
パルスの組を交換するプロセスは何度も繰り返され、これにより、多数の光子が検出器３２ａ，３２ｂにおいて検出される。そして、アリスおよびボブは、基底変調の選択に関する情報を公然と交換し、交換された基底情報の他の処理（例えば、キーシフティング、エラー訂正およびプライバシ増幅）を行ない、これにより、確実に情報をコード化するよう用いることができるキーを確立する。
＜変調器タイミングセットアップ＞
上記説明は、双方向型ＱＫＤシステムの理想化された動作に基づいている。しかしながら、実際には、このようなシステムは、自動的に理想的な状態で動作することはない。さらに、商業的に実現可能なシステムは、まず、理想的な状態であるいはそれに近い状態で動作するよう、セットアップされなければならず、次に、理想的あるいはそれに近い動作状態で継続的な動作を確実に行うよう、その動作状態の変化に対して補償可能でなければならない。以下に記述する自動較正方法では、ＱＫＤシステム１００における変調器タイミングが同期信号ＳＳを介して同期チャネルＳＬを通じて確立されたと想定している。
＜変調器自動較正＞
上述の通り、ドリフトが、システム動作の間に、ＱＫＤシステムの電子レイヤに生じる、また、生じる可能性がある。商業的に実行可能なＱＫＤシステムにおいては、システムが連続的に動作できるように、ドリフトを補償する必要がある。したがって、変調器自動補償を行う方法を、次に、双方向型ＱＫＤシステム１００に関連して説明する。なお、変調器を選択位相にセットするために用いられる電圧を、ここでは、「基底電圧」という。
【００２１】
続いて図１および図２のフローチャート４００を参照すると、４０２において、制御器５０は、電圧駆動器４４に、第１選択基底電圧−例えば、ＶB（１）＝ＶB［π／４］−を位相変調器ＭＢに出力するよう命令する。このプロセスは、制御信号ＳＣ１を制御器５０から電圧駆動器４４に送信することにより、（概略的には）行なわれる。制御信号ＳＣ１は、パルスＰ１がアリスから戻るときに、パルスＰ１を変調するよう、タイミングが合わせられる。この電圧は、変調器のタイプにもよるが、例えば、１ボルトとすることができる。電圧ＶB（１）＝ＶB［π／４］が、変調器ＭＢをπ／４の名目上の位相セッティングにセットする。
【００２２】
４０４において、ボブは、パルスＰ１，Ｐ２を生成するとともに、光ファイバリンクＦＬを介してアリスに送信する。パルスＰ１，Ｐ２の組が、ボブとアリスとの間で、行ったり来たり送信されている間、アリスは電圧信号ＶAによって変調器を作動する。このプロセスは、制御信号ＳＣ２を制御器２０から電圧駆動器１４へ送信することにより、概略的に例示されている。電圧信号ＶAは、パルスＰ２を変調するよう、タイミングが合わされている。このように、ＱＫＤシステム１００の較正動作は通常のキー交換動作と同様であるが、変調がランダムに選択されず、その代り、それぞれの制御器によって直接セットされることが異なる。
【００２３】
アリスの電圧ＶAは、パルスの交換の際に、負の方向に変化する。それぞれの電圧値ＶAに対して、ある数のパルスの組Ｐ１，Ｐ２（例えば、１０6）が交換され、そして、検出器３２ａ，３２ｂにおいて検出された干渉信号の数は、制御器５０に記録される。
検出器３２ａにおいて検出される、戻ってくる干渉パルスに対する最大の光子カウント、および検出器３２ｂにおける最小の光子カウントとして、トータルのパルスに与えられた（相対的な）位相シフトφT＝φA＋φBが０（強めあう干渉）であることが観測されるまで、電圧ＶAはそのように変化する。この電圧が、本実施例においてＶA（１）＝ＶA［−π／４］である基底値に特定される。
【００２４】
図３は、電圧ＶAの関数としての、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントＮの変化を示すグラフである。光子カウントにおける絶対最大値および最小値の不足は、検出器ダークカウントに起因する。実際には、検出器ダークカウントのために、基底電圧ＶA（１）＝ＶA［−π／４］を確立するには、検出器３２ａにおける最大光子カウントではなく、検出器３２ｂにおける最小光子カウントを測定する方がより容易である。
【００２５】
次いで、この基底電圧は、電圧駆動器１４にＶA（１）＝ＶA［−π／４］としてセットされ、この値が制御器に記憶される。
４０４において、アリスからボブに戻るパルスＰ１，Ｐ２が、好ましくは、弱い（量子パルスである）ことは、述べておくに値する。しかしながら、ボブに配置された強いパルスを検出するのに適しているフォトダイオード検出器を組み合わせて用いる場合は、これらのパルスを強いパルスとすることも可能であろう。簡単化のためには、しかしながら、量子パルスが好ましい。検出器３２ａ，３２ｂが単一光子検出器であるからである。
【００２６】
４０６において、上述の通りに、アリスの変調器ＭＡに出力された電圧ＶAは再び変化
する。しかし、変化するのは、正の電圧範囲においては、検出器３２ｂにおける最大の光子カウントおよび検出器３２ａにおける最小の光子カウントによって示されるような、パルスに与えられたトータルの相対的な位相シフトは、π（弱め合う干渉）となるまでである。また、実際には、対応する基底電圧ＶA（２）＝ＶA［３π／４］を確立するには、検出器３２ａにおける最小の光子カウントを測定する方がより容易である。次いで、この電圧は、電圧駆動器１４にＶA（２）＝ＶA［３π／４］としてセットされ、上述の通り、その結果が制御器２０に記憶される。
【００２７】
この時点で、ボブの電圧は、初期には、ＶB（１）＝ＶB［π／４］にセットされているとともに、アリスの対応する基底電圧は、ＶB（１）＝ＶA［−π／４］，ＶA（２）＝ＶA［３π／４］に確立されている。
４０８において、ボブの変調器電圧ＶBは、制御信号ＳＣ１を通じて、残りの基底電圧、本実施例においてはＶB（２）＝ＶB［−π／４］、に変更される。ＶAを正の電圧範囲に変化させることによってＶA（３）＝ＶA［π／４］を確立し、そして、電圧を負の電圧範囲に変化させることによってＶA（４）＝ＶA［−３π／４］を確立するために、４０４，４０６が次いで繰り返される。これが達成されると、ボブの変調器ＭＢおよびアリスの変調器ＭＡの変調に必要なすべての（初期）基底電圧が確立され、そして、その情報はそれぞれの制御器に記憶される。
【００２８】
変調器に対する基底電圧が、上のように、確立されると、電圧の直交性をチェックする必要がある。このように、４１０において、変調器ＭＡ，ＭＢが、ボブが「正しくない」基底測定、つまり、パルスに与えられたトータルの位相φTは、πの倍数ではない測定、を行うことに相当する固定基底電圧に、意図的にセットされた状態で、ＱＫＤシステムは動作される。これは、それぞれの制御器５０，２０からそれぞれの電圧駆動器４４，１４に送信されるそれぞれの制御信号ＳＣ１，ＳＣ２を通じて、行なわれる。例えば、ボブの基底電圧はＶB［π／４］にセットされるとともに、アリスの基底電圧はＶA［π／４］にセットされ、これにより、ボブの変調器ＭＢは、位相φB＝＋π／４を与えるようセットされるとともに、アリスの変調器は、位相φA＝π／４を与えるようセットされる。このセットアップが、パルス間のトータルの与えられた（名目上の）相対的な位相φT＝π／２をもたらす。
【００２９】
次いで、検出器３２ａ，３２ｂにおけるカウントの分布が、測定され評価される。理想的には、カウント分布は等しいはずである。ボブが「正しくない」位相基底を選択するとき、それぞれの検出器に起こるカウントの確率が５０：５０となるはずであるからである。４１０において、そのカウント確率が等しい（つまり、５０：５０）と検出されたとき、この場合、基底電圧は直交であり、変調器ＭＢ，ＭＡに対する較正された基底電圧を表わす。
【００３０】
一方、その初期に確立された基底電圧が、直交ではないと検出されることもある。このように、４１０において、検出器３２ａにおけるカウントの数が検出器３２ｂによって記録されたものより大きいとき、この場合、４１２において、ボブの変調器電圧ＶB［π／４］は増加される。また、検出器３２ｂによって記録されたものより小さいとき、この場合、４１２において、ボブの変調器電圧ＶB［π／４］は低減される。４１４において、理想の５０：５０検出器カウント確率分布が達成されるまで、４０６〜４１０が繰り返される。これにより、基底電圧における直交性が確認される。
【００３１】
上記の手順を行うことによって、ボブの変調器ＭＢに対する較正された基底電圧ＶB（１），ＶB（２）およびアリスの変調器ＭＡに対する較正された電圧ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），ＶA（４）がもたらされる。較正された基底電圧値は、それぞれの電圧駆動器４４，１４に（あるいはそれぞれの制御器５０，２０に）記憶され、これにより、それぞれのＲＮＧユニット４６，１６から電圧駆動器に送信された制御信号Ｓ３，Ｓ２（また、あるいは、制御器から電圧駆動器へ送られた制御信号）は、適切な基底電圧値のトリガとなり、こうして、適切な位相変調のトリガとなる。
【００３２】
これで、ＱＫＤシステムの理想的な動作の準備が整う。セキュリティの理由で、アリス、ボブ、および光ファイバリンクＦＬがすべて安全な位置にあって、較正を変えてしまう盗聴者がいないときに、上記手順を行なうことが好ましい。しかしながら、必要とされるならば、たとえセキュリティリスクを示すフィールドであるとしても、上記手順をそのようなフィールドにおいて行なう場合もあり得る。
＜継続的な変調器自動較正＞
本発明の変調器自動較正方法の実施例の一例は、ＱＫＤシステムの通常動作の間も、正しくない基底測定から生じるそれぞれの検出器におけるカウントをモニタする。上述の通り、このカウント分布は、システム動作の際も、５０：５０となるはずである。ＱＫＤプロトコルを行なった後、このカウント分布からのズレを、診断ツールとして用いることができる。他のエラー源が排除されたとき、このパラメータを上記の自動較正プロセスを始めるトリガとして用いることができる。これにより、ＱＫＤシステムの変調器を継続的に、あるいは必要に応じて周期的に、較正することが可能になる。
【００３３】
実施例の一例において、変調器較正方法は、上述の方法を実行するための命令を有する、有形のメディア（例えば、ハードドライブ、図示せず）で具現化されたソフトウェアを、制御器２０，５０に有することにより達成される。
以上、本特許出願は、２００４年３月２日に出願された、米国仮特許出願第６０／５４９，３５７号から、優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ボブとアリスにおける変調器の較正を提供するよう配置された双方向型ＱＫＤシステムの概略図である。
【図２】図１の双方向型ＱＫＤシステムに関連して示した変調器自動較正を行う方法の実施例の一例のフローチャートである。
【図３】検出器３２ａにおける最大の光子カウントおよび検出器３２ｂにおける最小の光子カウントによって示された、ＶA＝−π／４が検出された干渉パルスにおける強め合う干渉に対応する場合の、アリスの変調器電圧ＶAの変化に対する関数として、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントの変化を例示するグラフである。
【図４】検出器３２ａにおける最小の光子カウントおよび検出器３２ｂにおける最大の光子カウントによって示された、ＶA＝−３π／４が検出された干渉パルスにおける弱め合う干渉に対応する場合の、アリスの変調器電圧ＶAの変化に対する関数として、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントの変化を例示するグラフである。
【図１】
2007526721.tif 000003
【図２】
2007526721.tif 000004
【図３】
2007526721.tif 000005
【図４】
2007526721.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月27日(2006.10.27)
【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】
第１変調器（ＭＢ）を有する第１ＱＫＤステーション（ボブ）と、第２変調器（ＭＡ）を有する第２ＱＫＤステーション（アリス）と、を備える量子キー分配（ＱＫＤ）システムを較正する方法であって、
ａ）前記ＱＫＤシステムを、前記第１変調器に対する第１変調器基底電圧値ＶB（１）で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第１基底電圧値ＶA（１）を確立するために、前記第２変調器に対する基底電圧ＶAを変化させ、
ｂ）検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第２基底電圧値ＶA（２）を確立するために、前記第２変調器に対する前記基底電圧ＶAを変化させる間に、前記ＱＫＤシステムを前記第１変調器に対する第１変調器基底電圧値ＶB（１）で動作させ、
ｃ）前記ＱＫＤシステムを前記第１変調器に対する第２変調器基底電圧値ＶB（２）で動作させるとともに、検出された量子パルスの強め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第３基底電圧値ＶA（３）を確立するために、前記第２変調器に対する前記基底電圧ＶAを変化させ、
ｄ）前記ＱＫＤシステムを前記第１変調器に対する第２変調器基底電圧値ＶB（２）で動作させるとともに、検出された量子パルスの弱め合う干渉をもたらす前記第２変調器に対する第４基底電圧値ＶA（４）を確立するために、前記第２変調器に対する前記基底電圧ＶAを変化させる、方法。
【請求項２】
ｅ）前記ＱＫＤシステムを、前記２つの単一光子検出器それぞれの間で５０：５０の光子カウント確率をもたらすことが予想される、前記第１および第２変調器に対する基底電圧で動作させ、
ｆ）前記光子カウント確率を、前記単一光子検出器を用いて測定し、
ｇ）前記ｆ）における測定された前記光子カウント確率が５０：５０でない場合、前記光子カウント確率が５０：５０になるまで、前記第１変調器に対する前記基底電圧値ＶB（１），ＶB（２）の少なくとも一方を変化させ、前記ａ）〜ｆ）を繰り返す、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＱＫＤシステムの動作の際も、前記第１および前記第２検出器のいずれかにおいて、最小の光子カウントをもたらす前記基底電圧ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）を確立するために、第１および第２単一光子検出器それぞれにおいて光子カウントを測定する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
基底電圧ＶB，ＶAのそれぞれによって駆動される第１および第２変調器ＭＢ，ＭＡのそれぞれを有する第１および第２動作可能接続ＱＫＤステーションであるボブおよびアリスを備える量子キー分配（ＱＫＤ）システムを較正する方法であって、
ａ）最小あるいは最大いずれかの光子カウントに対応する基底電圧値ＶA（１），ＶA（２）を決定するために、基底電圧ＶBを第１の値ＶB（１）に固定するとともに基底電圧ＶAを変化させながら、前記ＱＫＤステーション間で光子を交換し、
ｂ）最小あるいは最大いずれかの光子カウントに対応する基底電圧値ＶA（３），ＶA（４）を決定するために、前記基底電圧ＶBを第２の値ＶB（２）に固定するとともに前記基底電圧ＶAを変化させながら、前記ＱＫＤステーション間で光子を交換する、方法。
【請求項５】
ｃ）前記ＱＫＤシステムを、ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）以外の基底電圧値で動作させ、前記基底電圧値ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）の直交性を評価するために、前記変調器ＭＡ，ＭＢによって変調された光子間の強め合う干渉対弱め合う干渉を検出する確率分布を測定する、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
５０：５０の前記確率分布をもたらす前記基底電圧ＶA，ＶBに対する値を確立するために、前記測定された確率分布が５０：５０と異なる場合に、電圧ＶBに対する１つ以上の異なる基底電圧値で前記ａ）〜ｃ）を繰り返す、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＱＫＤシステムを、前記基底電圧値ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）で動作させる、
請求項４に記載の方法。
【請求項８】
ｉ）前記ａ）〜ｃ）を実行するために、前記変調器ＭＢ，ＭＡそれぞれに動作可能に接続された変調器ドライバと、ｉｉ）第１および第２単一光子検出器とに動作可能に接続された制御器をプログラムする、
請求項５に記載の方法。
【請求項９】
量子キー分配（ＱＫＤ）システムにおける第１および第２変調器を較正する方法であって、
ａ）前記ＱＫＤシステムを、前記第１変調器に対する第１固定変調電圧値ＶB（１）で動作させるとともに、前記第２変調器に対する第１および第２基底電圧値ＶA（１），ＶA（２）を、光子カウントの測定により確立するために、前記第２変調器の変調電圧ＶAを変化させ、
ｂ）前記ＱＫＤシステムを、前記第１変調器に対する第２固定変調電圧値ＶB（２）で動作させるとともに、前記第２変調器に対する第３および第４基底電圧値ＶA（３），ＶA（４）を、光子カウントの測定に基づいて確立するために、前記第２変調器の前記変調電圧ＶAを変化させる、方法。
【請求項１０】
基底電圧値ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）の直交性を測定する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記測定において、前記基底電圧値が直交ではないことを示す場合、少なくとも１つの前記基底電圧を調整して前記基底電圧値を直交とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ｃ）前記基底電圧を、強め合うおよび弱め合うよう干渉する光子間の、５０：５０の光子カウント確率分布をもたらすと予想される値にセットし、
ｄ）前記光子カウント確率分布を測定し、
ｅ）前記光子カウント確率分布が５０：５０とは異なる場合、５０：５０の光子カウント確率分布を得るために、第１変調器に対する少なくとも１つの前記基底電圧を調整し、前記ａ）〜ｄ）を繰り返して、
基底電圧値の前記直交性を測定する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＱＫＤシステムを、較正された基底電圧として前記基底電圧値ＶB（１），ＶB（２），ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）で動作させる、請求項９に記載の方法。
【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】
本発明は量子暗号の分野に関し、かつその分野において産業上実用性を有する。特に、量子キー交換（ＱＫＤ）システムにおける変調器の自動較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子キー配送は、「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、キーを設定することに関係する。キー分配の安全性は、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、Ｃ．Ｈ．ベネットらの論文（非特許文献２参照）、およびＣ．Ｈ．ベネットの論文（非特許文献３参照）に記載されている。
ＱＫＤを実行する一般的なプロセスは、ボーミスターの著作（非特許文献４参照）に記載されている。ＱＫＤプロセス中は、アリスは乱数発生器（ＲＮＧ）を用いて、基底（「基底ビット」）のためのランダム・ビットとキー（「キービット」）のためのランダム・ビットとを発生させ、それによって、（例えば、偏光又は位相符号化を用いて）ｑｕｂｉｔを作り出してボブに送る。
【０００４】
上述のベネットによる文献では、それぞれ、いわゆる「一方向」型ＱＫＤシステムについて述べられている。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システムの一端でランダムに符号化して、ボブがそれら光子の偏光又は位相をシステムの他端でランダムに測定するものである。１９９２年のベネット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。アリスおよびボブは、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。干渉計は、熱的ドリフトを補償するために、伝送中は量子信号波長の一部分内で動的に安定する必要がある。
【０００５】
ギシンの特許文献１（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特許の双方向型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）
【非特許文献２】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ，”  Ｊ．Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ  ５：３−２８（１９９２）
【非特許文献３】“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｎｙ  Ｔｗｏ  Ｎｏｎ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｓｔａｔｅｓ，”  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８  ２１２１  （１９９２）
【非特許文献４】Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  ２００１，  ｉｎ  Ｓｅｃｔｉｏｎ２．３，  ｐａｇｅｓ２７−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、自動補正がなされかつ動的に安定したＱＫＤシステムにおいて、安定もしくは補正がなされているのは光学レイヤである。結局のところ、ドリフトは、ＱＫＤシステムを安定に作動させるために必要な電子部品において生じる、もしくは生じる可能性がある。例えば、位相符号化ＱＫＤシステムにおいて、位相変調器をセットするために用いる電圧が長時間ドリフトすれば、光学パルスに与えられる位相は長時間ドリフトする。これは、偏光符号化システムにおける偏光変調器でも同じである。このドリフトによって、正確な位相変調もしくは偏光変調がなされていないパルスが生じてしまう。これは、符号化されたパルスの検出能を低下させる。このドリフトが補正されなければ、ＱＫＤシステムの作動は絶えず悪くなり、ＱＫＤシステムがもはや作動できないまでになる可能性もある。
【０００７】
また、特殊なＱＫＤプロトコルのもとで基底測定の分析を行なう際に、ボブの検出器がアリスの基底とは異なる基底で測定された信号を検出する確率は、５０：５０である必要がある。
この確率が５０：５０とは異なる限り、盗聴者にとって潜在的な利点がある。なぜなら、「正しくない」基底測定に伴う不確実性が低下するからである。この５０：５０確率分布からの変動は生じ得る。なぜなら、変調器基底電圧は「直交」ではない、すなわち、離散量（例えば、Ｖ［−π／４］からＶ［π／４］まで）による基底電圧の変化により、検出器は対応するπ／２の位相差を提供しないからである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、量子暗号法の分野における産業実用性に関連するともに、それを有するものであり、詳細には量子キー分配（ＱＫＤ）に関連する。本発明は、ＱＫＤシステムの位相あるいは偏光変調較正を行う方法を提供する。本発明を、双方向型ＱＫＤシステムの動作に関連して説明するが、本方法はそのようには制限されない。
以下に詳述する通り、双方向型ＱＫＤシステムに適用された本発明の実施例の一例は、ボブの（タイミングを合わせた）変調器電圧ＶBを第１正数（例えば、ＶB（１）＝ＶB［π／４］）にセットし、次いで、パルスを交換しながらアリスの変調器電圧ＶAを正負の両方向に調整する。したがって、ＱＫＤシステムの通常動作と較正動作との違いは、変調器がランダムに変調されないということだけである。
【０００９】
アリスの変調器電圧における変化は、それぞれの全体の基底電圧ＶA（１），ＶA（２）を検出するよう実行される。それぞれの全体の基底電圧ＶA（１），ＶA（２）は、ある場合においては、強めあう干渉に起因する一方の検出器におけるカウントの最大数に対応し、他の場合においては、弱め合う干渉に起因する他方の検出器におけるカウントの最大数に対応する。この例において、ＶB（１）＝ＶB［π／４］の場合、アリスに対する、対応する基底電圧は、ＶA（１）＝ＶA［−π／４］，ＶA（２）＝ＶA［３π／４］にセットされる。
【００１０】
次いで、ボブの変調器電圧ＶBは、負数（例えば、ＶB（２）＝ＶB［−π／４］）にセットされる。そして、アリスに対する、さらに２つの名目上の基底電圧、つまり、ＶA（３）＝ＶA［π／４］，ＶA（４）＝ＶA［−３π／４］を得るために、このプロセスが繰り返される。すべての基底電圧がセットされた（較正された）とき、ＱＫＤシステムを基底電圧間の直交性を確認するよう動作させる。これは、意図的にボブおよびアリスで「正しくない」基底電圧値を選択し、それぞれの２つの検出器で光子を検出する確率分布を測定することにより遂行される。確率分布が５０：５０ではない場合、ボブの変調器基底電圧値ＶB（１），ＶB（２）の１つ以上が調整され、５０：５０の検出器カウント確率分布が「正しくない」測定基底に対して得られるまで、上述のプロセスが繰り返される。これにより、基底電圧間の直交性が確立され、ボブに対する較正された基底電圧値ＶB（１），ＶB（２）、およびアリスに対する較正された基底電圧値ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），およびＶA（４）を与える。
【００１１】
その後、ＱＫＤシステムが、アリスとボブの変調器に対する適切な変調に直接対応する較正された基底電圧で、動作される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜双方向型ＱＫＤシステム＞
図１は、双方向型ＱＫＤシステム１００の概略図である。ボブは、光パルスＰ０を出射するレーザ１２を備える。レーザ１２は、時分割多重化／多重分離（Ｍ／Ｄ）光学系１０４に連結される。Ｍ／Ｄ光学系１０４は、レーザ１２から入力パルスＰ０を受け取り、個々のパルスを、２つの、直交偏光を有する時分割多重化パルスＰ１，Ｐ２、に分割する。同様に、後のキー交換プロセス（後述）において、光学系１０４は、アリスから、戻ってくる時分割多重化パルスの組を受け取り、それらを結合し（干渉させ）、単一パルスとする。
【００１３】
ボブは、また、Ｍ／Ｄ光学系１０４において、位相変調器ＭＢを備える。光ファイバリンクＦＬは、Ｍ／Ｄ光学系１０４に連結されており、ボブをアリスに接続する。ボブは、また、変調器ＭＢに連結された電圧制御器４４と、電圧制御器に連結された乱数発生器（ＲＮＧ）ユニット４６と、を備える。
ボブは、また、Ｍ／Ｄ光学系１０４に連結された２つの検出器３２ａ，３２ｂを備える。ボブは、さらに、レーザ１２と、検出器３２ａ，３２ｂと、電圧制御器４４と、ＲＮＧユニット４６と、に機能的に（例えば電気的に）連結された制御器５０を備える。
【００１４】
続いて図１を参照して、アリスは、一端で光ファイバリンクＦＬに、そして反対側の他端でファラデーミラーＦＭに連結される位相変調器ＭＡ、を備える。アリスは、また、変調器ＭＡに連結された電圧制御器１４と、電圧制御器に連結された乱数発生器（ＲＮＧ）ユニット６と、を備える。アリスは、さらに、ＲＮＧユニット１６に、そして電圧制御器１４に連結された制御器２０、を備える。
【００１５】
ボブの制御器５０は、アリスの制御器２０に同期リンク（チャネル）ＳＬを介して（光学的あるいは電子的に）連結され、これにより、アリスとボブの動作を同期させる。詳細には、位相変調器ＭＡ，ＭＢの動作は、同期リンクＳＬ上を制御器５０から制御器２０へと（あるいはその逆、またあるいはその両方）通る同期信号ＳＳによって、連係される。実施例の一例において、後述する較正手順を備えるＱＫＤシステム１００の動作は、制御器２０あるいは制御器５０のいずれかから制御される。
＜動作の方法＞
続いて図１を参照して、ＱＫＤシステム１００の動作において、ボブの制御器２０は、信号Ｓ０をレーザ１２へ送信し、それに応じて、比較的強く短いレーザパルスＰ０を発生する。次いで、レーザパルスＰ０は、制御器５０に操作可能に接続されるとともに制御される、オプションの可変光学的減衰器ＶＯＡ１３Ｂによって、減衰される。（減衰された）パルスＰ０は、Ｍ／Ｄ光学系１０４に到達し、Ｍ／Ｄ光学系１０４は、そのパルスを、２つの、直交偏光されたパルスＰ１，Ｐ２に分割する。パルスＰ１は、光ファイバリンクＦＬへ直接進み、一方、パルスＰ２は遅延されて、この時点では作動されていない変調器ＭＢを通り抜ける。パルスＰ１，Ｐ２は、パルスＰ２がパルスＰ１に追従する状態で、Ｍ／Ｄ光学系１０４から光ファイバリンクＦＬへ通り、アリスへと進む。
【００１６】
なお、ここで、また、システム１００の他の実施例において、パルスＰ０，Ｐ１を、アリスに配置されたＶＯＡ１３Ａを用いてアリスによって減衰される比較的強いパルスとすることもでき、これらパルスは、ボブに戻る前に、弱い（量子）パルスとするよう減衰されることを述べておく。
パルスＰ１，Ｐ２は、アリスの変調器ＭＡを通り、パルスの偏光を９０°変化させるファラデーミラーＦＭで反射して離れる。これらパルスが変調器ＭＡを通って戻ってくるとき、アリスは第１パルスＰ１を未変調で通過させるが、第２パルスＰ２の位相を変調する（つまり、位相シフトΦAを与える）。なお、ここで、アリスが、また、パルスＰ１を変調するよう選択しうることを述べておく必要があろう。パルスＰ１，Ｐ２は、後に、干渉するので、それぞれのパルスに与えられた位相が重要なのではなく、２つのパルス間の相対的な位相がむしろ重要なのである。
【００１７】
以下により詳しく説明する通り、パルスＰ２の到着と同時である変調器ＭＡの作動のタイミングは、制御器２０，５０の間で共有される同期信号ＳＳによって提供される。図１に概略的に例示する実施例の一例において、変調は、アリスで、制御器２０によって実行される。制御器２０は、よくタイミングが合わされた信号Ｓ１をＲＮＧユニット１６へ出力する。ＲＮＧユニット１６は、乱数を表す信号Ｓ２を電圧制御器１４へ出力する。次いで、電圧制御器１４は、１セットの基底電圧（例えば、Ｖ［＋３π／４］、Ｖ［−３π／４］、Ｖ［＋π／４］、Ｖ［−π／４］）からランダムに選択された、タイミングが合わされた電圧信号ＶAを変調器ＭＡに送信し、これにより、位相変調を、対応する基底位相、例えば、＋３π／４、−３π／４、π／４、−π／４、にランダムにセットする。選択された電圧値ＶA（あるいは対応する乱数）は、制御器２０に通知され、そして（対応する）電圧情報（あるいは対応する位相情報）が、そこに記憶される。例示のために、電圧信号ＶAのタイミングは、信号Ｓ２に基づくものとする。実際には、制御器２０からの別のタイミング信号（図示せず）を用いることができる。
【００１８】
次いで、２つのパルスＰ１，Ｐ２は、ボブに戻って、Ｍ／Ｄ光学系１０４へと進む。パルスＰ２は変わらないまま光学系を通過するが、パルスＰ１は変調器ＭＢを通り、位相シフトΦBを受ける。位相変調器ＭＢによるパルスＰ１の変調のタイミングは、制御器２０，５０間で共有される同期信号ＳＳによって提供される。変調器ＭＢによるパルスＰ１の変調は、制御器５０によって実行される。制御器５０は、よくタイミングが合わされた信号Ｓ３をＲＮＧユニット４６へ出力する。ＲＮＧユニット４６は、乱数を表す信号Ｓ４を電圧制御器４４へ出力する。次いで、電圧制御器４４は、１セットの電圧（例えば、Ｖ［＋π／４］、［Ｖ−π／４］）からランダムに選択された、タイミングが合わされた電圧信号ＶBを変調器ＭＢに送信し、これにより、位相変調を、対応する基底位相、例えば、＋π／４、−π／４、にランダムにセットする。選択された電圧値ＶB（あるいは対応する乱数）は、制御器５０に通知され、そして電圧情報（あるいは対応する位相情報）が、そこに記憶される。再び、例示のために、電圧信号ＶBのタイミングは、信号Ｓ３に基づくものとする。実際には、制御器５０からの別のタイミング信号（図示せず）を用いることができる。
【００１９】
さらに、パルスＰ１，Ｐ２がＭ／Ｄ光学系１０４に入るとき、パルスＰ２は、遅延なく通るが、パルスＰ１は、パルスＰ２に当初に与えられた分と等しい量だけ遅延される。次いで、Ｍ／Ｄ光学系は、２つのパルスＰ１，Ｐ２を干渉させる。
単一光子検出器３２ａ，３２ｂは、パルスＰ１，Ｐ２間の強めあう干渉（ΦA−ΦB＝０）が検出器３２ａによって検出され、弱め合う干渉（ΦA−ΦB＝π）が検出器３２ｂによって検出されるように配置される。ボブがアリスと同じ基底位相を与えるとき、検出器３２ａにおけるカウントは二値で０を示し、検出器３２ｂにおけるカウントは二値で１を示す。しかしながら、ボブの基底位相がアリスとは異なるとき、干渉パルスＰ１，Ｐ２の検出に相関性はなく、干渉信号は、検出器３２ａ，３２ｂのいずれでも同じ確率で検出される（つまり、干渉パルスは、５０：５０のチャンスでいずれの検出器にも検出される）。
【００２０】
パルスの組を交換するプロセスは何度も繰り返され、これにより、多数の光子が検出器３２ａ，３２ｂにおいて検出される。そして、アリスおよびボブは、基底変調の選択に関する情報を公然と交換し、交換された基底情報の他の処理（例えば、キーシフティング、エラー訂正およびプライバシ増幅）を行ない、これにより、確実に情報をコード化するよう用いることができるキーを確立する。
＜変調器タイミングセットアップ＞
上記説明は、双方向型ＱＫＤシステムの理想化された動作に基づいている。しかしながら、実際には、このようなシステムは、自動的に理想的な状態で動作することはない。さらに、商業的に実現可能なシステムは、まず、理想的な状態であるいはそれに近い状態で動作するよう、セットアップされなければならず、次に、理想的あるいはそれに近い動作状態で継続的な動作を確実に行うよう、その動作状態の変化に対して補償可能でなければならない。以下に記述する自動較正方法では、ＱＫＤシステム１００における変調器タイミングが同期信号ＳＳを介して同期チャネルＳＬを通じて確立されたと想定している。
＜変調器自動較正＞
上述の通り、ドリフトが、システム動作の間に、ＱＫＤシステムの電子レイヤに生じる、また、生じる可能性がある。商業的に実行可能なＱＫＤシステムにおいては、システムが連続的に動作できるように、ドリフトを補償する必要がある。したがって、変調器自動補償を行う方法を、次に、双方向型ＱＫＤシステム１００に関連して説明する。なお、変調器を選択位相にセットするために用いられる電圧を、ここでは、「基底電圧」という。
【００２１】
続いて図１および図２のフローチャート４００を参照すると、４０２において、制御器５０は、電圧駆動器４４に、第１選択基底電圧−例えば、ＶB（１）＝ＶB［π／４］−を位相変調器ＭＢに出力するよう命令する。このプロセスは、制御信号ＳＣ１を制御器５０から電圧駆動器４４に送信することにより、（概略的には）行なわれる。制御信号ＳＣ１は、パルスＰ１がアリスから戻るときに、パルスＰ１を変調するよう、タイミングが合わせられる。この電圧は、変調器のタイプにもよるが、例えば、１ボルトとすることができる。電圧ＶB（１）＝ＶB［π／４］が、変調器ＭＢをπ／４の名目上の位相セッティングにセットする。
【００２２】
４０４において、ボブは、パルスＰ１，Ｐ２を生成するとともに、光ファイバリンクＦＬを介してアリスに送信する。パルスＰ１，Ｐ２の組が、ボブとアリスとの間で、行ったり来たり送信されている間、アリスは電圧信号ＶAによって変調器を作動する。このプロセスは、制御信号ＳＣ２を制御器２０から電圧駆動器１４へ送信することにより、概略的に例示されている。電圧信号ＶAは、パルスＰ２を変調するよう、タイミングが合わされている。このように、ＱＫＤシステム１００の較正動作は通常のキー交換動作と同様であるが、変調がランダムに選択されず、その代り、それぞれの制御器によって直接セットされることが異なる。
【００２３】
アリスの電圧ＶAは、パルスの交換の際に、負の方向に変化する。それぞれの電圧値ＶAに対して、ある数のパルスの組Ｐ１，Ｐ２（例えば、１０6）が交換され、そして、検出器３２ａ，３２ｂにおいて検出された干渉信号の数は、制御器５０に記録される。
検出器３２ａにおいて検出される、戻ってくる干渉パルスに対する最大の光子カウント、および検出器３２ｂにおける最小の光子カウントとして、トータルのパルスに与えられた（相対的な）位相シフトφT＝φA＋φBが０（強めあう干渉）であることが観測されるまで、電圧ＶAはそのように変化する。この電圧が、本実施例においてＶA（１）＝ＶA［−π／４］である基底値に特定される。
【００２４】
図３は、電圧ＶAの関数としての、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントＮの変化を示すグラフである。光子カウントにおける絶対最大値および最小値の不足は、検出器ダークカウントに起因する。実際には、検出器ダークカウントのために、基底電圧ＶA（１）＝ＶA［−π／４］を確立するには、検出器３２ａにおける最大光子カウントではなく、検出器３２ｂにおける最小光子カウントを測定する方がより容易である。
【００２５】
次いで、この基底電圧は、電圧駆動器１４にＶA（１）＝ＶA［−π／４］としてセットされ、この値が制御器に記憶される。
４０４において、アリスからボブに戻るパルスＰ１，Ｐ２が、好ましくは、弱い（量子パルスである）ことは、述べておくに値する。しかしながら、ボブに配置された強いパルスを検出するのに適しているフォトダイオード検出器を組み合わせて用いる場合は、これらのパルスを強いパルスとすることも可能であろう。簡単化のためには、しかしながら、量子パルスが好ましい。検出器３２ａ，３２ｂが単一光子検出器であるからである。
【００２６】
４０６において、上述の通りに、アリスの変調器ＭＡに出力された電圧ＶAは再び変化
する。しかし、変化するのは、正の電圧範囲においては、検出器３２ｂにおける最大の光子カウントおよび検出器３２ａにおける最小の光子カウントによって示されるような、パルスに与えられたトータルの相対的な位相シフトは、π（弱め合う干渉）となるまでである。また、実際には、対応する基底電圧ＶA（２）＝ＶA［３π／４］を確立するには、検出器３２ａにおける最小の光子カウントを測定する方がより容易である。次いで、この電圧は、電圧駆動器１４にＶA（２）＝ＶA［３π／４］としてセットされ、上述の通り、その結果が制御器２０に記憶される。
【００２７】
この時点で、ボブの電圧は、初期には、ＶB（１）＝ＶB［π／４］にセットされているとともに、アリスの対応する基底電圧は、ＶB（１）＝ＶA［−π／４］，ＶA（２）＝ＶA［３π／４］に確立されている。
４０８において、ボブの変調器電圧ＶBは、制御信号ＳＣ１を通じて、残りの基底電圧、本実施例においてはＶB（２）＝ＶB［−π／４］、に変更される。ＶAを正の電圧範囲に変化させることによってＶA（３）＝ＶA［π／４］を確立し、そして、電圧を負の電圧範囲に変化させることによってＶA（４）＝ＶA［−３π／４］を確立するために、４０４，４０６が次いで繰り返される。これが達成されると、ボブの変調器ＭＢおよびアリスの変調器ＭＡの変調に必要なすべての（初期）基底電圧が確立され、そして、その情報はそれぞれの制御器に記憶される。
【００２８】
変調器に対する基底電圧が、上のように、確立されると、電圧の直交性をチェックする必要がある。このように、４１０において、変調器ＭＡ，ＭＢが、ボブが「正しくない」基底測定、つまり、パルスに与えられたトータルの位相φTは、πの倍数ではない測定、を行うことに相当する固定基底電圧に、意図的にセットされた状態で、ＱＫＤシステムは動作される。これは、それぞれの制御器５０，２０からそれぞれの電圧駆動器４４，１４に送信されるそれぞれの制御信号ＳＣ１，ＳＣ２を通じて、行なわれる。例えば、ボブの基底電圧はＶB［π／４］にセットされるとともに、アリスの基底電圧はＶA［π／４］にセットされ、これにより、ボブの変調器ＭＢは、位相φB＝＋π／４を与えるようセットされるとともに、アリスの変調器は、位相φA＝π／４を与えるようセットされる。このセットアップが、パルス間のトータルの与えられた（名目上の）相対的な位相φT＝π／２をもたらす。
【００２９】
次いで、検出器３２ａ，３２ｂにおけるカウントの分布が、測定され評価される。理想的には、カウント分布は等しいはずである。ボブが「正しくない」位相基底を選択するとき、それぞれの検出器に起こるカウントの確率が５０：５０となるはずであるからである。４１０において、そのカウント確率が等しい（つまり、５０：５０）と検出されたとき、この場合、基底電圧は直交であり、変調器ＭＢ，ＭＡに対する較正された基底電圧を表わす。
【００３０】
一方、その初期に確立された基底電圧が、直交ではないと検出されることもある。このように、４１０において、検出器３２ａにおけるカウントの数が検出器３２ｂによって記録されたものより大きいとき、この場合、４１２において、ボブの変調器電圧ＶB［π／４］は増加される。また、検出器３２ｂによって記録されたものより小さいとき、この場合、４１２において、ボブの変調器電圧ＶB［π／４］は低減される。４１４において、理想の５０：５０検出器カウント確率分布が達成されるまで、４０６〜４１０が繰り返される。これにより、基底電圧における直交性が確認される。
【００３１】
上記の手順を行うことによって、ボブの変調器ＭＢに対する較正された基底電圧ＶB（１），ＶB（２）およびアリスの変調器ＭＡに対する較正された電圧ＶA（１），ＶA（２），ＶA（３），ＶA（４）がもたらされる。較正された基底電圧値は、それぞれの電圧駆動器４４，１４に（あるいはそれぞれの制御器５０，２０に）記憶され、これにより、それぞれのＲＮＧユニット４６，１６から電圧駆動器に送信された制御信号Ｓ３，Ｓ２（また、あるいは、制御器から電圧駆動器へ送られた制御信号）は、適切な基底電圧値のトリガとなり、こうして、適切な位相変調のトリガとなる。
【００３２】
これで、ＱＫＤシステムの理想的な動作の準備が整う。セキュリティの理由で、アリス、ボブ、および光ファイバリンクＦＬがすべて安全な位置にあって、較正を変えてしまう盗聴者がいないときに、上記手順を行なうことが好ましい。しかしながら、必要とされるならば、たとえセキュリティリスクを示すフィールドであるとしても、上記手順をそのようなフィールドにおいて行なう場合もあり得る。
＜継続的な変調器自動較正＞
本発明の変調器自動較正方法の実施例の一例は、ＱＫＤシステムの通常動作の間も、正しくない基底測定から生じるそれぞれの検出器におけるカウントをモニタする。上述の通り、このカウント分布は、システム動作の際も、５０：５０となるはずである。ＱＫＤプロトコルを行なった後、このカウント分布からのズレを、診断ツールとして用いることができる。他のエラー源が排除されたとき、このパラメータを上記の自動較正プロセスを始めるトリガとして用いることができる。これにより、ＱＫＤシステムの変調器を継続的に、あるいは必要に応じて周期的に、較正することが可能になる。
【００３３】
実施例の一例において、変調器較正方法は、上述の方法を実行するための命令を有する、有形のメディア（例えば、ハードドライブ、図示せず）で具現化されたソフトウェアを、制御器２０，５０に有することにより達成される。
以上、本特許出願は、２００４年３月２日に出願された、米国仮特許出願第６０／５４９，３５７号から、優先権を主張する。
【００３４】
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】
【００３５】
【図１】ボブとアリスにおける変調器の較正を提供するよう配置された双方向型ＱＫＤシステムの概略図である。
【図２】図１の双方向型ＱＫＤシステムに関連して示した変調器自動較正を行う方法の実施例の一例のフローチャートである。
【図３】検出器３２ａにおける最大の光子カウントおよび検出器３２ｂにおける最小の光子カウントによって示された、ＶA＝−π／４が検出された干渉パルスにおける強め合う干渉に対応する場合の、アリスの変調器電圧ＶAの変化に対する関数として、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントの変化を例示するグラフである。
【図４】検出器３２ａにおける最小の光子カウントおよび検出器３２ｂにおける最大の光子カウントによって示された、ＶA＝−３π／４が検出された干渉パルスにおける弱め合う干渉に対応する場合の、アリスの変調器電圧ＶAの変化に対する関数として、検出器３２ａ，３２ｂにおける光子カウントの変化を例示するグラフである。
【国際調査報告】
2007526721.tif 000007
2007526721.tif 000008