(57)【要約】【課題】光空間通信を用いて送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システム及び秘密鍵共有システム方法を提供する。【解決手段】送信者装置１１は、光空間通信及びＲＦ帯通信の秘密鍵を生成し、光空間通信及びＲＦ帯通信により正規受信者装置１４に配信する。正規受信者装置１４で選別された秘密鍵に関する情報を受信し、光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を生成し、生成した光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、正規受信者装置１４との間で共有すべき最終秘密鍵を生成し、正規受信者装置１４と共有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システムであって、
上記送信者装置は、
乱数列を光空間通信及びＲＦ帯通信を用いて伝送し、秘密鍵を各々生成し、生成した秘密鍵を光空間通信及びＲＦ帯通信を介して上記正規受信者装置に配信する鍵配信部と、
上記鍵配信部の配信に基づいて、上記正規受信者装置で選別された秘密鍵に関する情報を受信し、受信内容に基づいて光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を各々生成する通信秘密鍵生成部と、
上記通信秘密鍵生成部によって生成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、上記正規受信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成部とを有し、
上記正規受信者装置は、
上記鍵配信部による光空間通信及びＲＦ帯通信を介して配信された秘密鍵を受信するとともにこれを選別して上記送信者装置に送信する送信部を有すること、
を特徴とする秘密鍵共有システム。
【請求項２】
上記最終秘密鍵生成部は、 上記最終秘密鍵を、同一長の乱数列で形成された上記光空間通信秘密鍵及び上記ＲＦ帯通信秘密鍵を整合させることにより生成すること、
を特徴とする請求項１記載の秘密鍵共有システム。
【請求項３】
見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システムであって、
上記送信者装置は、
乱数列を複数に分割し、分割した乱数列をそれぞれ重畳させた光空間通信の複数の秘密鍵を生成するとともに、上記正規受信者装置を上記光空間通信のビームの中心に予め設定しつつ当該ビームの中心を含むようにビームワンダリングさせることで上記複数の秘密鍵をそれぞれ配信する鍵配信部を有し、
上記正規受信者装置は、
上記鍵配信部による光空間通信を介して配信された各光ビームに含まれる秘密鍵に基づき、上記送信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成部を有すること
を特徴とする秘密鍵共有システム。
【請求項４】
上記鍵配信部は、想定される漏洩情報推定用受信機の位置及び盗聴者の位置に基づいて、上記ビームワンダリングの範囲を設定して配信すること、
を特徴とする請求項３記載の秘密鍵共有システム。
【請求項５】
見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有方法であって、
乱数列を変調することにより光空間通信及びＲＦ帯通信の秘密鍵を各々生成し、生成した秘密鍵を光空間通信及びＲＦ帯通信を介して上記送信者装置から上記正規受信者装置に配信する鍵配信工程と、
上記鍵配信工程による光空間通信及びＲＦ帯通信を介して配信された秘密鍵を上記正規受信者装置において受信するとともに、これを選別して上記送信者装置に送信する送信工程と、
上記正規受信者装置で選別された秘密鍵に関する情報を上記送信者装置において受信し、受信内容に基づいて光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を各々生成する通信秘密鍵生成工程と、
上記通信秘密鍵生成工程において生成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、上記送信者装置と上記正規受信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成工程とを有すること、
を特徴とする秘密鍵共有方法。
【請求項６】
見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有方法であって、
上記送信者装置において、乱数列を複数に分割し、分割した乱数列をそれぞれ重畳させた光空間通信の複数の秘密鍵を生成するとともに、上記正規受信者装置を上記光空間通信のビームの中心に予め設定しつつ当該ビームの中心を含むようにビームワンダリングさせることで上記複数の秘密鍵をそれぞれ配信する鍵配信工程と、
上記鍵配信工程による光空間通信を介して正規受信者装置に配信された各光ビームに含まれる秘密鍵に基づき、上記送信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成工程とを有すること、
を特徴とする秘密鍵共有方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光空間通信を用いて送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システム及び秘密鍵共有方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の量子コンピュータの実現に向け、日本のみならず海外の研究機関などで開発が進められており、将来、大容量の量子ビットに対応した量子ビットコンピュータの実現が予想されている。この大容量の量子ビットコンピュータは、原理的には実現できるが、膨大な処理時間がかかるとされていた。現在の暗号化の方法は、この離散対数問題や素因数分解の数学的な困難さに安全性を求めているが、この量子ビットコンピュータが実現した場合には、このような数学的な困難さが暗号に備わっていても、解読されてしまう可能性がある。そのため、第三者（盗聴者）による秘匿情報の盗聴などの脅威が生じることになる。さらにコンピュータの性能は、年々向上しているため、進歩した計算機能力、暗号解読アルゴリズムにより、暗号化技術をはじめとするセキュリティ技術の安全性が低下する恐れがある。
【０００３】
前述のような脅威、第三者による盗聴などに対抗する暗号化の方式として、安全に暗号鍵を共有できる技術として量子鍵配送（ＱＫＤ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が提案されている。このＱＫＤは、量子通信路を用いる量子状態を用いて、符号化された通信資源を復号化する量子通信方法である。送信者は、ＱＫＤを行う符号器で入力された情報を、量子効果を用いて符号化し、符号化した情報を通信資源として通信路へ送信する。受信相手は、通信路へ送信された通信資源を受信し、復合器で復合化することにより対象情報を得ることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。ＱＫＤでは、離れた二者間で情報理論的に安全な乱数を共有することが可能である。
【０００４】
しかし、現在のファイバベースのＱＫＤでは、鍵を提供できる距離および速度に強い制限が課せられるため、伝送距離が５０〜１００Ｋｍ程度において、鍵生成レートは数ｋ〜１Ｍｂｐｓ程度となってしまう。そのため、ＱＫＤの鍵配信距離の延長を目指し、衛星を用いたＱＫＤ実験もなされている。例えば、他国（中国）では、１２００ｋｍ以上離れた衛星と地上局間での鍵生成に成功した事例も報告されているが、衛星を用いたＱＫＤでは、地上局で衛生をトラッキングできる時間が限られる。また、衛星搭載用のＱＫＤ装置の高速化が難しいことから、鍵生成レートが最大でも１ｋｂｐｓ程度となる。安全性パラメータとなる鍵の安全性の指標値も、地上のファイバベースのＱＫＤ装置で用いられるものよりも低い数値で設定されている。また、安全性を立脚している情報理論も最新のものではなく、鍵の安全性に改善の余地がある。
【０００５】
鍵の安全性は、情報理論的に安全で、日本全土もしくは大陸間で安全な鍵を共有できる技術が渇望されている。ＱＫＤにおいて仮定している盗聴者の能力を制限できる場合においても、情報処理的に安全な鍵生成を可能とする物理レイヤ暗号の研究も近年盛んになっている。
【０００６】
これらの研究は、例えば、ワイヤタップモデルでは、ＱＫＤでは想定している受信・再送信攻撃を想定していない。そのため、物理レイヤ暗号で、盗聴者にどのような信号が渡ったのかを知ることができれば、公開通信路を併用して安全な鍵を生成できる。また、不可避な雑音源が盗聴者に設定できれば、信号対雑音比の正規送受信者装置間との違いから、安全な鍵の生成を可能とする秘密鍵共有プロトコルにより、ＱＫＤよりも優れた通信性能を実現できる可能性がある。
【０００７】
例えば、光通信の見通し通信路において正規受信者装置の近くに強力な受信能力をもつ仮想盗聴者を設置し、真の盗聴者への漏洩情報量の最大値とみなし、安全な鍵生成を行うという手法が提案・実証されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。これらの提案・実証では、光通信における見通し通信路上の特徴を生かし、通信路を望遠鏡・カメラなどで監視の下、見通し通信路には盗聴者がいないという仮定の下で鍵の安全性を講論している。しかしながら、現有のカメラによる見通し通信路の監視能力は画像の大気による揺らぎのため、１０ｃｍ程度の大きさの物が識別できているに過ぎず、スペースデブリの監視技術を導入したとしても１０ｃｍ程度の物（小型光検出器など）の識別ができるレベルである（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０４３４５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M.Fujiwara、T.Ito、M.Kitamura、H.Endo、M.Toyoshima、H.Takanaka、Y.Takayama、R.Shimizu、M.Takeoka、and M.Sasaki、「Secret key agreement demonstration over 7.8 km free-space optical channel」、International Conference on Quantum Communication、Measurement and Computing 2016、2016年7月
【非特許文献２】H.Endo、M.Fujiwara、M.Kitamura、T.Ito、M.Toyoshima、 Y.Takayama、H.Takenaka、R.Shimizu、N.Laurenti、G.Villoresi、T.Aoki、and  M.Sasaki、 「Free-space optical channel estimation for physical layer security」、Opt.Express、vol.24、no.8、2016年8月、p.8940-8955
【非特許文献３】文部科学省、研究開発局参事官（宇宙航空政策担当）、［online］  、「米国衛星「ＵＡＲＳ」の落下に関する情報について」、平成23年9月、[2018年6  月6日検索]、インターネット、<URL：http://www.mext.go.jp/a_menu/kaihatu/satel  lite/detail/1311417.htm>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述した特許文献１、非特許文献１〜３を含むＱＫＤ技術では、見通し通信路にいる盗聴者は、量子メモリ、量子コンピュータを使用できるなど、あらゆる行為が可能という仮定がある。このため、鍵の生成速度、サービス距離に強い制限をかけざるを得ない。また、１０ｃｍ以下の大きさの物（小型検出器など）が見通し通信路の途中に盗聴者により設置されていたとしても、識別できないため、盗聴などからの危険性またはリスクを排除することは難しい。
【００１１】
一方、ＲＦ帯（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）では、７５０ＭＨｚよりも低いＲＦ帯を用いた物理レイヤ暗号の実装を考えると、アンテナサイズは最低でも波長１０ｃｍに相当する大きさが必要となる。そのため、前述のような検波システムの小型化は難しい。仮に盗聴者によって見通し通信路に検波システムが設置された場合、最低でも１０ｃｍの大きさのアンテナが必要となるので、盗聴者による盗聴の発見が容易となる。しかし、アンテナを用いるＲＦ帯の通信では、帯域制限や指向性が光を用いた通信の場合より劣ることとなる。
【００１２】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、見通し通信路においてより安全に鍵共有を行うことが可能な秘密鍵共有システム及び秘密鍵共有方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１発明に係るかかる秘密鍵共有システムは、見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システムであって、送信者装置は、登録される乱数列を変調することにより光空間通信及びＲＦ帯通信の秘密鍵を各々生成し、生成した秘密鍵を光空間通信及びＲＦ帯通信を介して正規受信者装置に配信する鍵配信部と、鍵配信部の配信に基づいて、正規受信者装置で選別された秘密鍵に関する情報を受信し、受信した情報に基づいて光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を各々生成する通信秘密鍵生成部と、通信秘密鍵生成部によって生成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、正規受信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成部と、を有し、正規受信者装置は、鍵配信部による光空間通信及びＲＦ帯通信を介して配信された秘密鍵を受信するとともにこれを選別して送信者装置に送信する送信部を有することを特徴とする。
【００１４】
第２発明に係る秘密鍵共有システムは、第１発明において、最終秘密鍵生成部は、最終秘密鍵を、同一長の乱数列で形成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を整合させることにより生成することを特徴とする。
【００１５】
第３発明に係る秘密鍵共有システムは、見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有システムであって、送信者装置は、登録される乱数列を複数に分割し、分割した乱数列をそれぞれ重畳させた光空間通信の複数の秘密鍵を生成するとともに、正規受信者装置を上記光空間通信のビームの中心に予め設定しつつ当該ビームの中心を含むようにビームワンダリングさせることで複数の秘密鍵をそれぞれ配信する鍵配信部と、鍵配信部による配信に基づいて、正規受信者装置において選別された複数の秘密鍵を受信し、光空間通信秘密鍵を生成する通信秘密鍵生成部と、通信秘密鍵生成部によって生成された光空間通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、上記送信者装置及び上記正規受信者装置で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成部と、を有し、正規受信者装置は、鍵配信部による光空間通信を介して配信された秘密鍵を受信するとともにこれを選別して送信者装置に送信する送信部を有することを特徴とする。
【００１６】
第４発明に係る秘密鍵共有システムは、第３発明において、想定される漏洩情報推定用受信機の位置及び盗聴者の位置に基づいて、ビームワンダリングの範囲を設定して配信することを特徴とする。
【００１７】
第５発明に係る秘密鍵共有方法は、見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有方法であって、登録される乱数列を変調することにより光空間通信及びＲＦ帯通信の秘密鍵を各々生成し、生成した秘密鍵を光空間通信及びＲＦ帯通信を介して送信者装置から正規受信者装置に配信する鍵配信工程と、鍵配信工程による光空間通信及びＲＦ帯通信を介して配信された秘密鍵を正規受信者装置において受信するとともにこれを選別して送信者装置に送信する送信工程と、正規受信者装置で選別された秘密鍵に関する情報を上記送信者装置において受信し、受信した内容に基づいて光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を各々生成する通信秘密鍵生成工程と、通信秘密鍵生成工程において生成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、送信者装置と上記正規受信者装置との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
第６発明に係る秘密鍵共有方法は、見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有方法であって、送信者装置において、登録される乱数列を複数に分割し、分割した乱数列をそれぞれ重畳させた光空間通信の複数の秘密鍵を生成するとともに、正規受信者装置を上記光空間通信のビームの中心に予め設定しつつ当該ビームの中心を含むようにビームワンダリングさせることで複数の秘密鍵をそれぞれ配信する鍵配信工程と、鍵配信工程における光空間通信を介して配信された秘密鍵を上記正規受信者装置において受信するとともにこれを選別して送信者装置に送信する送信工程と、正規受信者装置において選別された複数の秘密鍵を上記送信者装置において受信し、光空間通信秘密鍵を生成する通信秘密鍵生成工程と、通信秘密鍵生成工程において生成した光空間通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、送信者装置及び上記正規受信者装置で共有すべき最終秘密鍵を生成する最終秘密鍵生成工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１発明〜第６発明によれば、送信者装置と正規受信者装置との間で量子暗号通信に光空間通信及びＲＦ帯通信を用いる。このため、光空間通信では１０ｃｍ以下の物質を検知できないが、ＲＦ帯通信では１０ｃｍ以下のアンテナでは容易に受信できない７５０ＭＨｚよりも低い周波数のＲＦ通信においても秘密鍵共有が可能となる。これにより、１つの鍵で別の鍵をコーディングした結果を送信者装置と正規受信者装置で共通の最終鍵とすることにより、ＲＦ帯通信がもつ広いビーム広がり角に伴う、盗聴者への情報漏洩と光空間通信での通信路における盗聴者の存在による脅威を排除することが可能となる、秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【００２０】
特に、第２発明によれば、同一長の乱数列で形成された光空間通信秘密鍵及び高周波帯通信秘密鍵の整合により最終の秘密鍵を生成する。このため、光空間通信のみ、またはＲＦ帯通信のみの通信路符号化及び秘密鍵共有に比べて、盗聴者の受信能力を制限できる。これにより、通信路中に盗聴者が仮に居たとしても、送信者装置と正規受信者装置で安全な鍵共有が可能となる。
【００２１】
特に、第３発明によれば、正規受信者装置の付近で光ビームの中心軸を替えて送信することで、送信者装置からの光ビームが複数となり、全体として光ビームの範囲画が広がる。このため、盗聴者に漏れる情報量の最大限を与えるものと仮定し、送信者装置と正規受信者装置で安全な鍵生成と共有が可能となる。広がり範囲が大きい場合、複数に分けられるので、実効的に光ビーム広がり角を狭めることが可能となり、秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【００２２】
特に、第４発明によれば、メッセージをビームワンダリングさせる回数に合わせで分割して送信する。このため、盗聴者は仮に１つだけ盗聴しても全体像が分からないことになる。これにより、通信路内に仮に盗聴者がいたとしても、安全かつ高速に鍵共有を実現できる。さらに、光空間通信による光の光ビーム広がり角による情報漏洩も抑えることができる。これにより、送信者装置と正規受信者装置における物理レイヤ暗号の実現に非常に強力な手法となり、秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【００２３】
特に、第５発明によれば、送信者装置と正規受信者装置との間で量子暗号通信に光空間通信及びＲＦ帯通信を用いる。このため、光空間通信では１０ｃｍ以下の物質を検知できないが、ＲＦ帯通信では１０ｃｍ以下のアンテナでは容易に受信できない７５０ＭＨｚよりも低い周波数のＲＦ通信においても秘密鍵共有が可能となる。これにより、１つの鍵で別の鍵をコーディングした結果を最終鍵とすることにより、ＲＦ帯通信がもつ広い光ビーム広がり角に伴う、盗聴者への情報漏洩と光空間通信での通信路における盗聴者の存在による脅威を排除することが可能となり、秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【００２４】
特に、第６発明によれば、正規受信者装置の付近で光ビームの中心軸を替えて送信することで、送信者装置からの光ビームが複数となり、全体として光ビームの範囲画が広がる。このため、盗聴者に漏れる情報量の最大限を与えるものと仮定し、安全な鍵生成が可能となる。広がり範囲が大きい場合、複数に分けられるので、実効的に光ビーム広がり角を狭めることが可能となり、送信者装置と正規受信者装置で秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明が適用される秘密鍵共有システムの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明が適用される秘密鍵共有システムの衛星１の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、第１実施形態における秘密鍵共有システムの一例を示すブロック図である。
【図４】図４は、第１実施形態における秘密鍵共有の動作の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、第２実施形態における秘密鍵共有システムの一例を示す模式図である。
【図６】図６は、第２実施形態における秘密鍵共有の動作の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、第２実施形態における秘密鍵共有の動作の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態における秘密鍵共有システムの一例について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
第１実施形態
図１は、本実施形態における秘密鍵共有システム１０の一例を示す模式図である。
【００２８】
本実施形態の秘密鍵共有システム１０では、図１に示すように、衛星１と２つの地上局２およびアンテナ３を用いた量子鍵配信によるもので、地球規模での秘密鍵の共有が可能となる。衛星１は、送信者装置１１であり、地上局２及びアンテナ３は、正規受信者装置１４である。この正規受信者装置１４は、送信者装置１１が真に秘密鍵の共有を希望する相手側の装置である。
【００２９】
正規受信者装置１４では、受信状況に応じて、ビット誤り、誤り訂正などの処理が行い、送信者装置１１から配信された秘密鍵の選別を行う。正規受信者装置１４における地上局２は、例えば、望遠鏡で衛星１からの光空間通信を行う。また正規受信者装置１４におけるアンテナ３は、ＲＦ帯の電波によるＲＦ帯通信を衛星１との間で行う。
【００３０】
図２は、本発明が適用される秘密鍵共有システムの衛星１の構成の一例を示すブロック図である。
【００３１】
衛星１は、図２に示すように鍵配信部４と、通信秘密鍵生成部５と、最終秘密鍵生成部６を備えている。鍵配信部４は、光空間通信鍵配送部４１とＲＦ帯通信鍵配送部４２とを備える。鍵配信部４は、乱数列を変調することにより、光空間通信鍵配送部４１及びＲＦ帯通信鍵配送部４２にて、各秘密鍵を各々生成し、生成した秘密鍵を光空間通信及びＲＦ帯通信を介して地上局２、アンテナ３に配信する。
【００３２】
光空間通信鍵配送部４１は、衛星１に搭載される物理乱数生成器により変調した乱数列を生成する。この乱数列は予め登録されているものであってもよい。光空間通信鍵配送部４１は、生成した乱数列を量子効果を用いて光空間通信により地上局２に配信する。この光空間通信は、例えば、衛星１に備わる光ビーム方式により送信されることとしてもよい。この場合、ビーム光の強弱、絞りなどにより地上に届くビーム光の範囲は強さを決めることとしてもよい。なおビーム光は、例えば地上局２の位置がビーム光の中心になるように設定されつつ配信されるものでもよい。
【００３３】
ＲＦ帯通信鍵配送部４２は、物理乱数生成器により変調した乱数列を、ＲＦ帯通信によりアンテナ３に配信する。通信秘密鍵生成部５は、鍵配信部４の配信に基づいて、正規受信者装置１４で選別された秘密鍵を受信し、秘密鍵の整合を行う。
【００３４】
通信秘密鍵生成部５は、正規受信者装置１４で選別された各秘密鍵に関する情報を受信する。通信秘密鍵生成部５は、秘密鍵に関する情報に基づいて選別された結果の整合を行う。通信秘密鍵生成部５は、選別された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を各々生成する。
【００３５】
最終秘密鍵生成部６は、通信秘密鍵生成部５で生成した光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵に含まれる共通の乱数列に基づき、正規受信者装置１４との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する。例えば、この最終秘密鍵生成部６は、正規受信者装置１４に備わっていてもよい。
【００３６】
図３は、本発明を適用した秘密鍵共有システムにおいて盗聴者装置１５が侵入する場合における全体構成を示す図である。この図３では、上述した衛星１に対応する送信者装置１１（衛星１）から配信される地上局２が複数あるケースであり、一方が正規受信者装置１４であり、他方が盗聴者装置１５である。
【００３７】
正規受信者装置１４（地上局２、アンテナ３）は、送信者装置１１（衛星１）との間で主通信路１２を介して光空間通信を行う。盗聴者装置１５は少なくとも地上局２に相当する構成を有し、更にアンテナ３に相当する構成を有する場合もある。盗聴者装置１５は、送信者装置１１にとって秘密鍵の共有を希望しない装置であり、盗聴者装置１５が盗聴の目的を持って盗聴者通信路１３を介して送信者装置１１からの光空間通信やＲＦ帯通信の傍受を試みようとするものである。
【００３８】
次に本発明を適用した秘密鍵共有システム１０の動作について説明をする。
【００３９】
衛星１は、搭載される物理乱数生成器（図示せず）により生成された真性乱数を光の量子状態に変調し、光空間通信により地上局２に配信する。衛星１は、同様に真性乱数を変調した上で、ＲＦ帯通信によりアンテナ３に送信する。なお、物理乱数生成器は、衛星１の打ち上げ前において、正規受信者装置１４側と共通のものを保有しておくようにする。
【００４０】
地上局２やアンテナ３では、既に保有する真性乱数に基づき、衛星１から配信された光空間通信及びＲＦ帯通信により配信された情報の劣化の補正処理を行う。この補正処理は、例えば、ビット誤り、誤り訂正等である。これにより、衛星１では、正規受信者装置１４から送信される秘密鍵に関する情報（補正情報など）に基づき、光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を生成でき、共通の秘密鍵を保持することができる。
【００４１】
衛星１は、光空間通信及びＲＦ帯通信を通じて、地上局２やアンテナ３から選別結果情報を受信する。衛星１における通信秘密鍵生成部５は、選別結果情報に基づき、光空間通信及びＲＦ帯通信により配信した乱数列の整合を行う。そして、整合の結果に基づき、光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵を生成する。
【００４２】
最終秘密鍵生成部６は、前述の処理に応じて別々の波長で生成された光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵から同ビット数を用意する。最終秘密鍵生成部６は、図４に示すように、光空間通信秘密鍵及びＲＦ帯通信秘密鍵につき、用意したビット数から例えば排他的論理和を計算し、その計算結果を最終秘密鍵とする。
【００４３】
最終秘密鍵は、光空間通信秘密鍵（Ｋｅｙ１）とＲＦ帯通信秘密鍵（Ｋｅｙ２）の両方の秘密鍵における各ビットについて、例えば、排他的論理和により算出される。これにより、最終秘密鍵として、共通乱数が生成され、この共通乱数が送信者装置１１と正規受信者装置１４で共有されることになる。
【００４４】
このように第１実施形態によれば、送信者装置１１と正規受信者装置１４との間で光空間通信及びＲＦ帯通信を用いて、別々の通信の選別結果に基づき、最終秘密鍵を生成する。このため、光空間通信及びＲＦ帯通信のいずれかが盗聴者装置１５を介して傍受されたとしても盗聴者装置１５からは最終秘密鍵を再現することができない。このため、正規受信者装置１４は、盗聴者装置１５により傍受されることなく、より安全に最終秘密鍵の共有を行うことが可能となる。
【００４５】
第２実施形態
以下、本発明を適用した秘密鍵共有システム１０の第２実施形態について説明をする。第２実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成要素、部材に関しては同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００４６】
この第２実施形態においては、図５に示すように、送信者装置１１として衛星１のみを、また正規受信者装置１４として地上局２のみを使用する。なお、正規受信者装置１４内に最終鍵を生成するための構成が予め実装されている。
【００４７】
送信者装置１１としての衛星１は、搭載される物理乱数生成器（図示せず）により生成された真性乱数を光の量子状態に変調し、光空間通信により地上局２としての正規受信者装置１４に配信する。正規受信者装置１４は、光空間通信を通じて配信された秘密鍵に基づいて、送信者装置１１との間で共有すべき最終秘密鍵を生成する。
【００４８】
以下、第２実施形態における光空間通信方法について詳細について説明をする。
【００４９】
送信者装置１１は、正規受信者装置１４に対し、光空間通信の光ビームの中心を予め設定する。図６は、この光ビームの設定例を示している。光ビームの設定時には、光空間通信の光ビームの中心と、正規受信者装置１４の位置と、盗聴者装置１５の位置を考慮する。ちなみに盗聴者装置１５は、擬似的な、いわば架空のものを設定するようにしてもよい。
【００５０】
以下の例では、盗聴者装置１５の検出能力は、正規受信者装置１４と同等としている。また盗聴者装置１５は、送信者装置１１からの１つの光ビームに関しては、盗聴者装置１５と同様のエネルギー密度での受光を可能とし、それ以外の光ビームでは、1σ以上離れているものと仮定する。
【００５１】
かかる仮定の下で、光空間通信の光ビームの中心を含むようにビームワンダリングの範囲を設定する。図６におけるビームワンダリングの光ビーム３０〜３２は、光空間通信の光ビームの中心を正規受信者装置１４に設定しつつ、当該中心を含むように設定した例である。互いの光ビーム３０〜３２は完全に重複させないように設定し、かつその中心が正規受信者装置１４からずらして設定している。
【００５２】
第２実施形態においては、送信者装置１１において、実際に登録される乱数列を複数に分割する。そして分割した乱数列をそれぞれ重畳させた複数の秘密鍵を生成する。送信者装置１１における鍵配信部４は、分割した乱数列に基づく秘密鍵をそれぞれビームワンダリングさせる各光ビームに重畳させて正規受信者装置１４へ配信する。
【００５３】
例えば、図７に示すように、乱数列を分割秘密鍵Ａ、分割秘密鍵Ｂ、分割秘密鍵Ｃの３つに分割した場合には、少なくともビームワンダリングさせる各光ビームを３本設定し、各光ビームに秘密鍵をそれぞれ重畳させて正規受信者装置１４へと配信する。図７の例では、分割秘密鍵Ａを光ビーム３０に、分割秘密鍵Ｂを光ビーム３１に、分割秘密鍵Ｃを光ビーム３２に重畳させて配信する。
【００５４】
これら分割秘密鍵Ａ、分割秘密鍵Ｂ、分割秘密鍵Ｃは、光空間通信における送信者装置１１と正規受信者装置１４で、各光ビームのエラーレート及び漏洩情報量の推定値の違いから、秘密鍵の鍵長が異なることがある。このため、これらビームワンダリングされた光ビームを受信した正規受信者装置１４は、各々受信した分割秘密鍵Ａ、分割秘密鍵Ｂ、分割秘密鍵Ｃのうち、例えば、最も少ない秘密鍵の鍵長を基準とし、それを各秘密鍵で得られた鍵長とし、それよりも長い鍵を捨てるような処理を行う。
【００５５】
その上で正規受信者装置１４は、分割秘密鍵Ａ、分割秘密鍵Ｂ、分割秘密鍵Ｃに基づき、各々の排他的論理和から、共通乱数を抽出する。そして、抽出した共通乱数を、光空間通信を介してワンダリングさせて正規受信者装置１４で共有する最終秘密鍵とする。
【００５６】
図６に示すように、正規受信者装置１４を中心とし、擬似的に設定した漏洩情報推定要受信機を通じて漏洩情報量を検知することで、実際の盗聴者装置１５における最大接近距離を推定することができる。最終秘密鍵を生成する上では、この分割秘密鍵の全てを高い強度を以って正確に取得する必要がある。つまり、分割秘密鍵の一つでも抜けがあれば最終秘密鍵を生成することができない。
【００５７】
盗聴者装置１５が実際にこのビームワンダリングされた全ての光ビームを受光するためには、正規受信者装置１４と同一位置か、その極近傍まで接近する必要があるが実際には実現がかなり難しい。このため、盗聴者装置１５による光ビームの受信は、不完全なものとなり、最終秘密鍵を得ることは事実上困難となる。
【００５８】
従って、正規受信者装置１４は、盗聴者装置１５により傍受されることなく、より安全に最終秘密鍵の共有を行うことが可能となる。
【００５９】
なお、鍵配信部４は、実際に配信する光ビームについて、よりビーム径を狭めた上でこれをビームワンダリングするようにしてもよい。これにより、ビームの広がりに伴う情報漏えいを極めて高効率に低減させることも可能となる。
【００６０】
また、本実施形態における見通し通信路に配置される送信者装置と正規受信者装置との間で秘密鍵の共有を行う秘密鍵共有方法は、上述した秘密鍵共有システム１０における鍵配信工程と、送信工程と、通信秘密鍵生成工程と、最終秘密鍵生成工程とを有することで、ＲＦ帯通信では１０ｃｍ以下のアンテナでは容易に受信できない７５０ＭＨｚよりも低い周波数のＲＦ通信においても秘密鍵共有が可能となる。
【００６１】
これにより、１つの鍵で別の鍵をコーディングした結果を最終鍵とすることにより、ＲＦ帯通信がもつ広い光ビーム広がり角に伴う、盗聴者への情報漏洩と光空間通信での通信路における盗聴者の存在による脅威を排除することが可能となり、秘密鍵の共通を安全に実施することができる。
【００６２】
本発明の実施形態を説明したが、各実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
１        ：衛星
２        ：地上局
３        ：アンテナ
４        ：鍵配信部
５        ：通信秘密鍵生成部
６        ：最終秘密鍵生成部
１０      ：秘密鍵共有システム
１１      ：送信者装置
１２      ：主通信路
１３      ：盗聴者通信路
１４      ：正規受信者装置
１５      ：盗聴者装置
３０，３１，３２：光ビーム
４１      ：光空間通信鍵配送部
４２      ：ＲＦ帯通信鍵配送部
Ａ〜Ｃ    ：分割秘密鍵
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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