(57)【要約】      （修正有）【課題】単一のノードのセキュリティ侵害によりセキュアな通信が妨げられることがない量子通信ネットワークを提供する。【解決手段】量子通信ネットワークの各ノードは、弱い光パルスに情報を符号化するように構成された量子送信器２１と、弱い光パルスから情報を復号するように構成された量子受信器２３と、少なくとも１つの他のノードと通信するように構成された少なくとも３つのポートと、光スイッチ２５と、を備える。光スイッチ２５は、光スイッチ２５がポートのいずれを量子送信器２１及び量子受信器２３と通信するかを制御するように、量子送信器２１及び量子受信器２３をポートに選択的に接続するように構成される。【選択図】図２
2019216413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子通信ネットワークのためのノードであって、
光パルスに量子情報を符号化するように構成された量子通信ユニットと、
前記量子通信ユニットに接続された少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも２つの出力ポートと、を含み、前記出力ポートのいずれを前記量子通信ユニットに接続するかを制御するように構成された光スイッチと、
を備えるノード。
【請求項２】
量子通信ネットワークのためのノードであって、
弱い光パルスに情報を符号化するように構成された量子送信器と、
弱い光パルスから情報を復号するように構成された量子受信器と、
少なくとも１つの他のノードと通信するように構成された少なくとも３つのポートと、
光スイッチと、
を備え、
前記光スイッチは、前記光スイッチが前記ポートのいずれを前記量子送信器及び前記量子受信器と通信するかを制御するように、前記量子送信器及び前記量子受信器を前記ポートに選択的に接続するように構成された、ノード。
【請求項３】
前記光スイッチは、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチを備え、
前記第１の光スイッチは１×Ｎスイッチであり、Ｎは２以上の整数であり、単一の入力がＮ個の出力のうちの１つに選択的に結合されることができ、前記単一の入力が前記量子送信器から信号を受信するように構成され、前記Ｎ個の出力が前記ポートのうちの１つに結合され、
前記第２の光スイッチはＭ×１スイッチであり、Ｍは２以上の整数であり、単一の出力がＭ個の入力のうちの１つに選択的に結合されることができ、前記単一の出力が前記量子受信器に信号を導くように構成され、前記Ｍ個の入力が各々前記ポートのうちの１つに結合される、
請求項２に記載の量子通信ネットワークのためのノード。
【請求項４】
前記光スイッチは２×Ｐスイッチであり、Ｐは３以上の整数であり、前記光スイッチは２つのポートを有する第１のインタフェースと、Ｐ個のポートを有する第２のインタフェースと、を有し、前記第１のインタフェースは、前記量子送信器から信号を受信するように構成された第１のポートと、前記量子受信器に信号を出力するように構成された第２のポートと、を有し、前記第１のインタフェースの前記第１及び第２のポートは、前記第２のインタフェースの前記ポートのいずれかに選択的に接続される、
請求項２に記載の量子通信ネットワークのためのノード。
【請求項５】
前記光スイッチはＲ×Ｑスイッチであり、Ｒは４以上の整数であり、Ｑは２以上の整数であり、前記光スイッチは、Ｒ個のポートを有する第１のインタフェースと、Ｑ個のポートを有する第２のインタフェースと、を有し、前記第１のインタフェースは、前記量子送信器から信号を受信するように構成された第１のポートと、前記量子受信器に信号を出力するように構成された第２のポートと、を有し、前記第１のインタフェースの前記第１及び第２のポートは、前記第２のインタフェースの前記ポートのいずれかに選択的に接続される、
請求項２に記載の量子通信ネットワークのためのノード。
【請求項６】
前記第１のインタフェースの前記ポートのうちの２つは、前記第２のインタフェースの第１のポートで受信された信号が、前記第１のインタフェースの接続されたポートを介して、前記第２のインタフェースの第２のポートに導かれることができるように、接続される、
請求項５に記載の量子通信ネットワークのためのノード。
【請求項７】
前記光スイッチは６ｄＢ以下の損失を有する、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のノード。
【請求項８】
前記光スイッチはソフトウェア制御される光スイッチである、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のノード。
【請求項９】
前記光スイッチは、前記量子送信器及び前記量子受信器をビームステアリングを介して前記ノードの前記ポートに選択的に結合するように構成された、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のノード。
【請求項１０】
前記光スイッチはＭＥＭｓ光スイッチである、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のノード。
【請求項１１】
入力信号を、前記光スイッチに導かれる量子信号と、前記光スイッチ以外のコンポーネントに導かれる古典信号と、に分離するように設けられた波長分割マルチプレクサをさらに備える
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のノード。
【請求項１２】
前記光スイッチからの入力量子信号と、前記光スイッチ以外のコンポーネントからの古典信号と、を結合するように設けられた波長分割マルチプレクサをさらに備える
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のノード。
【請求項１３】
量子通信ネットワークであって、
前記ネットワークが第１のノード及び少なくとも２つの他のノードを備え、前記第１のノードは他のノードへの少なくとも２つのリンクを有し、前記２つのリンクは、前記２つのリンクで送信される信号が同じ量子受信器及び送信器に切り替え可能に接続されるように、前記第１のノードの前記光スイッチに接続され、前記ノードは請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のノードである、
量子通信ネットワーク。
【請求項１４】
複数の相互リンクされた第１のノードと、前記ネットワークを移動する信号が衝突することを防止するために時分割を使用するように構成されたネットワークコントローラと、をさらに備える
請求項１３に記載の量子通信ネットワーク。
【請求項１５】
前記コントローラは、重要と指定された信号を他の信号より速く前記ネットワークを移動することを可能にするために、時分割を使用するように構成された、
請求項１４に記載の量子通信ネットワーク。
【請求項１６】
前記ネットワークコントローラは、ノードの第１セットを介してソースノードから宛先ノードに第１の量子鍵に関連する信号を導き、ノードの第２セットを介して前記ソースノードから前記宛先ノードに第２の量子鍵に関連する信号を導くように構成され、ノードの前記第１セットはノードの前記第２セットとは異なり、前記第１及び第２の量子鍵の結合である最終鍵が生成される、
請求項１４又は１５に記載の量子通信ネットワーク。
【請求項１７】
前記ネットワークコントローラは、ソースノードから宛先ノードに量子鍵に関連する信号を導くように構成され、
前記ソースノード及び前記宛先ノードは、一連のＮ個のノードによって分離され、Ｎは２以上の整数であり、
前記コントローラは、
長さＫＮの前記量子鍵をＮ個の部分に分割し、
前記一連のＮ個のノードのサブセットを介して前記鍵の各部分を送信するように構成され、各サブセットが前記ノードのうちのＮ−１個からなり、前記鍵の各部分が前記Ｎ個のノードのうちの少なくとも１つをバイパスし、長さＫを有する鍵が前記鍵の前記Ｎ個の部分を結合することによって生成される、
請求項１４又は１５に記載の量子通信ネットワーク。
【請求項１８】
量子通信ネットワークのためのノードを動作させる方法であって、
前記ノードが、
弱い光パルスに情報を符号化するように構成された量子送信器と、
弱い光パルスから情報を復号するように構成された量子受信器と、
少なくとも１つの他のノードと通信するように構成された少なくとも３つのポートと、
光スイッチと、
を備え、
前記方法は、前記光スイッチが前記ポートのいずれかを前記量子送信器及び前記量子受信器と通信するように制御するように、前記量子送信器及び前記量子受信器を前記ポートに選択的に接続するために、前記光スイッチを動作させることを備える、方法。
【請求項１９】
量子通信ネットワークを動作させる方法であって、
前記ネットワークが、第１のノード及び少なくとも２つの他のノードを備え、各ノードが請求項１８に記載されるように動作され、
前記第１のノードが他のノードへの少なくとも２つのリンクを有し、前記２つのリンクが、前記２つのリンクで送信される信号が同じ量子受信器及び送信器に切り替え可能に接続されるように、前記第１のノードの前記光スイッチに接続される、方法。
【請求項２０】
ソースノードから宛先ノードに鍵を安全に送信する方法であって、
前記ソースノード及び前記宛先ノードが一連のＮ個のノードによって分離され、Ｎは２以上の整数であり、
前記方法は、
長さＫＮの前記量子鍵をＮ個の部分に分割することと、
前記一連のＮ個のノードのサブセットを介して前記鍵の各部分を送信することと、各サブセットが前記ノードのうちのＮ−１個からなり、前記鍵の各部分が前記Ｎ個のノードのうちの少なくとも１つをバイパスする、
長さＫを有する前記鍵を生成するために、ノードの前記サブセットを介して送信された前記鍵の前記Ｎ個の部分を結合することと、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここで説明される実施形態は、量子通信ネットワーク及び量子通信ネットワークのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子通信システムでは、情報は単一光子などの符号化された単一量子によって送信器と受信器との間で送信される。各光子は、偏光、位相又はエネルギー／時間などの光子の性質に符号化された１ビットの情報を運ぶ。光子は、例えば角運動量などの性質を使用することにより、２ビット以上の情報を運ぶこともできる。
【０００３】
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、「Ａｌｉｃｅ」と称されることもある送信器及び「Ｂｏｂ」と称されることもある受信器という二者間に暗号鍵の共有をもたらす技術である。この技術の魅力は、鍵の任意の部分が「Ｅｖｅ」と称されることもある不正な盗聴者に知られることができたかどうかのテストを提供することである。量子鍵配送の多くの形態では、Ａｌｉｃｅ及びＢｏｂはビット値を符号化するために２以上の非直交基底を使用する。量子力学の原理は、各々の符号化基底の事前の知識なしでのＥｖｅによる光子の測定が一部の光子の状態に不可避の変化を引き起こすことを要求する。光子の状態へのこれらの変化はＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間で送信されるビット値に誤りを生じさせる。したがって、共通のビット列の一部を比較することによって、Ａｌｉｃｅ及びＢｏｂは、Ｅｖｅが情報を得たかどうかを決定することができる。
【０００４】
そのような量子送信器及び受信器は、メッシュ量子通信ネットワークを形成するために一緒にネットワーク化されることができる。そのようなネットワークでは、各接続は、１つの送信器が１つの受信器とだけ通信できるように、送信器とそれに対応する受信器との間に固定される。したがって、ネットワークのノードでは、ノードへの各接続を扱うために、同じノード内に複数の送信器及び受信器がある。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、量子通信ネットワークの概略図を示す。
【図２】図２は、実施形態に係る量子通信ネットワークの概略図を示す。
【図３】図３は、さらなる実施形態に係る量子通信ネットワークの概略図を示す。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、２つの１×４光スイッチを有する、実施形態に係る量子通信システムのためのノードの概略図である。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、１つの２×４光スイッチを有する、実施形態に係る量子通信システムのためのノードの概略図である。
【図４（ｃ）】図４（ｃ）は、１つの６×６光スイッチを有する、実施形態に係る量子通信システムのためのノードの概略図である。
【図５】図５は、実施形態に係るノードで使用する波長分割マルチプレクサである。
【図６】図６は、複数の波長分割マルチプレクサを有する、実施形態に係るノードの概略図である。
【図７】図７は、複数の波長分割マルチプレクサ及びバイパス経路を有する、実施形態に係るノードの概略図である。
【図８】図８は、量子通信システムの概略図である。
【図９】図９は、実施形態に係る量子通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、添付の図面を参照しながら非限定的な実施形態に係る装置及び方法を説明する。
【０００７】
実施形態では、量子通信ネットワークのためのノードであって、
光パルスに量子情報を符号化するように構成された量子通信ユニットと、
前記量子通信ユニットに接続された少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも２つの出力ポートと、を含み、前記出力ポートのいずれを前記量子通信ユニットに接続するかを制御するように構成された光スイッチと、
を備えるノードが提供される。
【０００８】
さらなる実施形態では、量子通信ネットワークのためのノードであって、
弱い光パルスに情報を符号化するように構成された量子送信器と、
弱い光パルスから情報を復号するように構成された量子受信器と、
少なくとも１つの他のノードと通信するように構成された少なくとも３つのポートと、
光スイッチと、
を備え、
前記光スイッチが、前記光スイッチが前記ポートのいずれを前記量子送信器及び前記量子受信器と通信するかを制御するように、前記量子送信器及び前記量子受信器を前記ポートに選択的に接続するように構成された、ノードが提供される。
【０００９】
第１の実施形態では、前記光スイッチは、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチを備え、
前記第１の光スイッチは１×Ｎスイッチであり、Ｎは２以上の整数であり、単一の入力がＮ個の出力のうちの１つに選択的に結合されることができ、前記単一の入力が前記量子送信器から信号を受信するように構成され、前記Ｎ個の出力が前記ポートのうちの１つに結合され、
前記第２の光スイッチはＭ×１スイッチであり、Ｍは２以上の整数であり、単一の出力がＭ個の入力のうちの１つに選択的に結合されることができ、前記単一の出力が前記量子受信器に信号を導くように構成され、前記Ｍ個の入力が各々前記ポートのうちの１つに結合される。
【００１０】
第２の実施形態では、前記光スイッチは２×Ｐスイッチであり、Ｐは３以上の整数であり、前記光スイッチは２つのポートを有する第１のインタフェースと、Ｐ個のポートを有する第２のインタフェースと、を有し、前記第１のインタフェースは、前記量子送信器から信号を受信するように構成された第１のポートと、前記量子受信器に信号を出力するように構成された第２のポートと、を有し、前記第１のインタフェースの前記第１及び第２のポートは、前記第２のインタフェースの前記ポートのいずれかに選択的に接続される。
【００１１】
また別の実施形態では、前記光スイッチはＲ×Ｑスイッチであり、Ｒは４以上の整数であり、Ｑは２以上の整数であり、前記光スイッチは、Ｒ個のポートを有する第１のインタフェースと、Ｑ個のポートを有する第２のインタフェースと、を有し、前記第１のインタフェースは、前記量子送信器から信号を受信するように構成された第１のポートと、前記量子受信器に信号を出力するように構成された第２のポートと、を有し、前記第１のインタフェースの前記第１及び第２のポートは、前記第２のインタフェースの前記ポートのいずれかに選択的に接続される。
【００１２】
前記光スイッチはバイパスチャネルを提供することができ、前記第１のインタフェースの前記ポートのうちの２つは、前記第２のインタフェースの第１のポートで受信された信号が、前記第１のインタフェースの接続されたポートを介して、前記第２のインタフェースの第２のポートに導かれることができるように、接続される。
【００１３】
実施形態では、前記光スイッチは６ｄＢ以下の損失を有する。前記光スイッチはソフトウェア制御される光スイッチであってもよい。前記光スイッチは、前記量子送信器及び前記量子受信器をビームステアリング（beam steering）を介して前記ノードの前記ポートに選択的に結合するように構成された、いわゆる「ビームステアード（beam steered）」光スイッチであってもよい。前記光スイッチはＭＥＭｓ光スイッチであってもよい。
【００１４】
いくつかの実施形態では、前記ノードは量子データ及び古典データの結合を扱う必要がある。したがって、前記ノードは、入力信号を、前記光スイッチに導かれる量子信号と、前記光スイッチ以外のコンポーネントに導かれる古典信号と、に分離するように設けられた波長分割マルチプレクサをさらに備えてよい。波長分割マルチプレクサは、前記光スイッチからの入力量子信号と、前記光スイッチ以外のコンポーネントからの古典信号と、を結合するように設けられてよい。
【００１５】
上述のように前記ノードは量子通信ネットワークで使用されることができ、前記ネットワークは、第１のノード及び少なくとも２つの他のノードを備え、前記第１のノードは他のノードへの少なくとも２つのリンクを有し、前記２つのリンクは、前記２つのリンクで送信される信号が同じ量子受信器及び送信器に切り替え可能に接続されるように、前記第１のノードの前記光スイッチに接続される。
【００１６】
そのようなネットワークは、前記ネットワークを移動する信号が衝突することを防止するために時分割を使用するように構成されたネットワークコントローラと、をさらに備えてよい。前記ネットワークコントローラは、重要と指定された信号を他の信号より速く前記ネットワークを移動することを可能にするために、時分割を使用するように構成されてよい。
【００１７】
上記のアジャイル（agile）切り替え可能ネットワークを使用することはまたセキュリティに関する利点を提供する。前記ネットワークコントローラは、ノードの第１セットを介してソースノード（source node）から宛先ノード（destination node）に第１の量子鍵に関連する信号を導き、ノードの第２セットを介して前記ソースノードから前記宛先ノードに第２の量子鍵に関連する信号を導くように構成され、ノードの前記第１セットはノードの前記第２セットとは異なり、前記第１及び第２の量子鍵の結合である最終鍵（final key）が生成される。
【００１８】
さらなる実施形態では、鍵の安全な送信が量子通信ネットワークによって実現され、前記ネットワークコントローラは、ソースノードから宛先ノードに量子鍵に関連する信号を導くように構成され、
前記ソースノード及び前記宛先ノードは、一連のＮ個のノードによって分離され、Ｎは２以上の整数であり、
前記コントローラは、
前記量子鍵をＮ個の部分に分割し、
前記一連のＮ個のノードのサブセットを介して前記鍵の各部分を送信するように構成され、各サブセットが前記ノードのうちのＮ−１個からなり、前記鍵の各部分が前記Ｎ個のノードのうちの少なくとも１つをバイパスし（bypass）、長さＫを有する鍵が前記鍵の前記Ｎ個の部分を結合することによって生成される。
【００１９】
上記において、分割前の鍵は長さＫＮを有してよい。前記鍵の前記部分が結合されると、最終鍵の長さがＫになる。最終鍵は、すべてのサブ鍵（sub-keys）に対するビット単位の排他的論理和演算を使用して生成されることができる。
【００２０】
以下に説明するように、前記光スイッチは、選択されることになる異なる経路が上記ノードのサブセットとなることを可能にする。さらに、ノードのサブセットを生成するために、図６を参照して説明されるように前記光スイッチを使用してノード内にバイパスを提供することができる。
【００２１】
さらなる実施形態では、鍵の送信が量子通信ネットワークによって実現され、前記ネットワークコントローラは、ソースノードから宛先ノードに量子鍵に関連する信号を導くように構成され、
前記ソースノード及び前記宛先ノードは、一連のＮ個のノードによって分離され、Ｎは３以上の整数であり、
前記コントローラは、
前記量子鍵をＭ個の部分に分割し、ＭはＮより小さい整数であり、
前記一連のＮ個のノードのサブセットを介して前記鍵の各部分を送信する
ように構成され、鍵が前記鍵の前記Ｍ個の部分を結合することによって生成される。
【００２２】
上記と同様に、実施形態では、分割前の鍵の長さはＫＭであってよく、最終鍵は長さＫを有する。
【００２３】
さらなる実施形態では、量子通信ネットワークのためのノードを動作させる方法であって、
前記ノードが、
弱い光パルスに情報を符号化するように構成された量子送信器と、
弱い光パルスから情報を復号するように構成された量子受信器と、
少なくとも１つの他のノードと通信するように構成された少なくとも３つのポートと、
光スイッチと、
を備え、
前記方法が、前記光スイッチが前記ポートのいずれかを前記量子送信器及び前記量子受信器と通信するように制御するように、前記量子送信器及び前記量子受信器を前記ポートに選択的に接続するために、前記光スイッチを動作させることを備える、方法が提供される。
【００２４】
さらに別の実施形態では、量子通信ネットワークを動作させる方法であって、
前記ネットワークが、第１のノード及び少なくとも２つの他のノードを備え、各ノードが上記のように動作され、
前記第１のノードが他のノードへの少なくとも２つのリンクを有し、前記２つのリンクが、前記２つのリンクで送信される信号が同じ量子受信器及び送信器に切り替え可能に接続されるように、前記第１のノードの前記光スイッチに接続される、方法が提供される。
【００２５】
最後に、ソースノードから宛先ノードに鍵を安全に送信する方法であって、
前記ソースノード及び前記宛先ノードが一連のＮ個のノードによって分離され、Ｎは２以上の整数であり、
前記方法は、
前記量子鍵をＮ個の部分に分割することと、
前記一連のＮ個のノードのサブセットを介して前記鍵の各部分を送信することと、各サブセットが前記ノードのうちのＮ−１個からなり、前記鍵の各部分が前記Ｎ個のノードのうちの少なくとも１つをバイパスする、
前記鍵を生成するために、ノードの前記サブセットを介して送信された前記鍵の前記Ｎ個の部分を結合することと、
を備える、方法が提供される。
【００２６】
上述したように、前記鍵は分割前にＫＮの長さを有してよく、Ｎ個の部分を結合した後の最終鍵の長さはＫとなる。
【００２７】
図１は、量子通信ネットワークの概略図である。このネットワークは、ノード１、３、５、７、９、１１を備える。各ノードは、少なくとも１つの他のノードに接続される。図１の構成では、一方のノードに送信器があり、他方のノードに受信器があるときに、２つのノード間で通信が行われる。しかしながら、図１の配置では、各送信器／受信器対間で単一の接続があり、各送信器は単一の専用の受信器とだけ通信することができる。
【００２８】
用語の簡単化のために、量子通信ユニットという用語は、量子送信器又は量子受信器のいずれかを指すために使用される。したがって、ノードが２つの他のノードに接続される場合、それは接続の各端に専用の量子通信ユニットを有しなければならない。したがって、各ノードは、そのノードへの接続と同数の量子通信ユニットを有する。したがって、ＱＫＤネットワークを配備するために要求される多量の重要な投資がある。
【００２９】
また、上記について、一旦設置が完了すると、ネットワーク再構成可能性に関して限られた余地がある。さらに、図１のネットワークでは、各リンクが異なるチャネル損失を不可避に有し、それにより異なる安全な鍵レートを有するので、ＱＫＤサービスはネットワークにわたって動的にバランスを保たれることができない。いくつかのリンクでは鍵材料が過剰となり、別のリンクでは鍵材料が不足することがある。固定されたリンクはまた、中間ノードの潜在的なセキュリティ侵害（compromise）を軽減するためのセキュアな手段を提供しない。例えば、ＱＫＤ通信チェーンＱＫＤ（１）→ＱＫＤ（３）→ＱＫＤ（５）→ＱＫＥ（７）で、ノード３又は５がセキュリティを侵害された（compromised）場合、ノード１とノード７との間の通信は安全でない。最終的に、そのようなネットワークはノードＱＫＤ装置故障に対応できない。
【００３０】
図２は、実施形態に係る「アジャイル」量子通信ネットワークを示す。
【００３１】
図２のネットワークを図１のネットワークと厳密に比較するために、同じ参照符号がノードを示すために使用される。しかしながら、図２のノードは図１のノードとは異なる。上述したように、図１では、各ノードは各接続に対応する量子通信ユニットを有する。しかし、図２では、各ノードにただ量子送信器（Ａｌｉｃｅ２１）及び量子受信器（Ｂｏｂ２３）がある。
【００３２】
量子送信器及び量子受信器の可能な形態の詳細は図８を参照して説明される。しかしながら、一般に、量子送信器は弱い光パルスに情報を符号化することができる。量子受信器はこの情報を復号することができる。離散変数（ＤＶ）量子情報又は連続変数（ＣＶ）量子情報のいずれかが符号化されることができる。ＤＶＱＫＤでは、弱コヒーレント光パルス（ＷＣＰ）は、情報が偏光、位相又は時間ビン情報などを使用して弱い光パルスに符号化される量子符号化中に、平均で１パルス当たりに１未満の光子を含むことが見込まれる光パルスと一般に考えることができる。ＣＶ−ＱＫＤでは、各ＷＣＰパルスは平均で１パルス当たりに１００個以下の光子を含み得る。
【００３３】
上記では、ＷＣＰと単一光子検出とに基づく準備測定（prepare-and-measure）ＤＶＱＫＤシステムを説明した。しかしながら、光スイッチを使用する思想はいかなる他のタイプのＱＫＤシステムにも適用可能である。
【００３４】
準備測定ＤＶＱＫＤシステムは、ＱＫＤ送信器及びＱＫＤ受信器からなる。送信器は、各々が平均で１パルス当たり１未満の光子を含む符号化量子信号パルスを送信する。これらの光信号は、量子受信器に到達するまえに光ファイバリンクを通じて送信され、量子受信器は入力信号を復号し、単一光子検出器を使用してそれらを検出する。
【００３５】
ここで説明される実施形態は、符号化に関する特定の自由度に限定されない。実際に、符号化は、位相、偏光及び時間ビンなどの多数の異なる自由度のうちの１つ又は組み合わせで適用されることができる。
【００３６】
さらに、ここで説明される実施形態は、特定のＱＫＤプロトコルに限定されない。ＢＢ８４、Ｂ９２、差動位相シフト（ＤＰＳ）、コヒーレントワンウェイ（coherent-one-way）プロトコル、ラウンドロビンＤＰＳプロトコルなどの異なるＱＫＤプロトコルに適用可能である。
【００３７】
量子チャネルは、ただ１つの光学モードを典型的にサポートし、シングルモードファイバと通常呼ばれる光ファイバチャネルでの送信に適した波長を有するように選択されることができる。例えば、量子波長は１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍと選択されることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ＱＫＤ動作に関して、古典光チャネルをサポートすることは、クロック同期とＱＫＤ送信器及び受信器間でのシフティングのためのメッセージ交換との機能を実現するために設けられる。これらの古典チャネルは個別のファイバに設けられることができるが、波長分割多重化が、これらの古典チャネルと量子チャネルがすべて同じファイバで送信されることができるように、古典チャネルと量子チャネルの両方を結合するためにしばしば使用される。多重化が使用される場合、実施形態の光スイッチはすべてのＱＫＤ信号を切り替えるように構成される。２つのファイバが各ＱＫＤリンクに使用される場合、光スイッチは、訂正操作のために両方のファイバを切り替えるように構成される。
【００３９】
いくつかの場合では、ＱＫＤは、同じファイバ内の追加のデータトラフィックと同じファイバを共有する必要がある。この場合、波長フィルタはＱＫＤ信号（量子、同期、及び古典）及び追加のデータ信号（図３）を結合／分離するために使用されてよい。ＱＫＤ光信号を収容するための波長グループ、例えば、テレコムＣバンド内の低密度波長分割多重（coarse-wavelength-division-multiplexing；ＣＷＤＭ）バンドを割り当てることが好ましい。
【００４０】
図２の例に戻ると、Ａｌｉｃｅ２１及びＢｏｂ２３に加えて、各ノードは光スイッチ２５を備える。この例に示される光スイッチはＮ×Ｎ光スイッチであり、この特定の例ではＮ×Ｎスイッチである。しかしながら、他のタイプの光スイッチを使用することができる。
【００４１】
したがって、図２では、各ノードはただＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器の対を有する。この例では、ＱＫＤノード間のエニーツーエニー（any-to-any）リンクは、同時にスイッチを横断する２つの信号間の衝突を防止するために時分割を使用するＮ×Ｎ光スイッチにより実現される。
【００４２】
図２のネットワークでは、各ノードは、ＱＫＤ送信器とＱＫＤ受信器とのただ１つの対を要求し、それによりＱＫＤネットワークの初期配備コストを緩和することができる。さらに、将来のさらなる容量要求はＱＫＤ送信器受信器対をノードに単に追加することによって満たすことができる。
【００４３】
図２のネットワークはまた容易に再構成可能である。ＱＫＤサービスは、より高い損失を有するミッションクリティカルなリンク又はチャネルに、より高い時間割り当て（time shares）を割り当てることによって、ネットワークにわたってバランスを保たれることができる。さらに、追加のＱＫＤノードを追加することは容易である。
【００４４】
図２のネットワークでは、中間ノードの潜在的なセキュリティ侵害を軽減するためのセキュアな手段がある。例えば、ノード５とノード９との間でセキュアな鍵を形成するために、（ｉ）ノード５→ノード３→ノード９及び（ｉｉ）ノード５→ノード１１→ノード９という異なるＱＫＤ経路を生成するために光スイッチを使用することができる。異なる経路を通じて送信される２つの鍵は、ＸＯＲ演算、ＫｉＸＯＲＫｉｉを使用して結合されることができる。これにより、単一のノードのセキュリティ侵害がノード５とノード９との間のセキュアな通信を妨げることがなくなる。代替として、ノード５及びノード９は、中間ノード、例えば、ノード７をバイパスすることによって直接ＱＫＤ通信を実行することができる。
【００４５】
最終的に、図２のネットワークは、ノードＱＫＤ装置故障に対応できる。
【００４６】
上記のネットワークは光スイッチ２５を使用する。実施形態では、光スイッチング損失は６ｄＢ以下である。
【００４７】
既存のＱＫＤシステムは、検出器ダークノイズと光ファイバ中の量子信号強度の急な減衰とによって課される限度である最大の許容チャネル損失を有する。ファイバリンクが長いほど、チャネル損失が高くなり、セキュアな鍵レートが低くなる。よって、実施形態では、低損失の光スイッチ及び波長フィルタが、光学的にスイッチされるＱＫＤネットワークにおいて使用される。
【００４８】
適切なスイッチの可能な例は、４×４から１９２×１９２まで利用可能なサイズを備えるシリーズ６０００ｉの光マトリクススイッチである。それは、ビームステアリングに基づいており、全波長をサポートする。それはまた、Ｎ×Ｍエニーツーエニーポート構成を有するように構成されることができる。典型的な挿入損失は０．５ｄＢから最大２．３ｄＢまでの範囲である。それには、組み込みＯｐｅｎＦｌｏｗ、ＮＥＴＣＯＮＦ及びＲＥＳＴＣＯＮＦ制御インタフェースを介したソフトウェア定義ネットワーク（ＳＤＮ；Software-Defined Network）のサポートがあり、シリーズ６０００ｉは最新鋭のクラウドベースネットワーク及びインフラストラクチャテストアプリケーションと直接にインタフェースする。
【００４９】
３ＤＭＥＭＳに基づくスイッチを使用することもできる。例えば、ダイコンファイバオプティクス（DiCon Fiberoptics）社の９６×９６ＭＥＭＳ３Ｄマトリクス光スイッチがある。それには、１ｄＢの典型的なスイッチング損失がある。
【００５０】
図３は、実施形態に係る「アジャイル」ＱＫＤネットワークの概略図を示す。図３のネットワークは、使用される光スイッチのタイプが図２のネットワークと異なる。
【００５１】
図３では、各ノード３１、３３、３５、３７、３９は送信器／受信器対４１を備える。さらに、各ノードは、送信器／受信器対４１の送信器出力に接続される第１の光スイッチ４３と、送信器／受信器対の受信器部分の入力に接続される第２の光スイッチ４５と、を備える。第１及び第２の光スイッチは、前述したようなＮ×Ｎ光スイッチとは対照的に、１×Ｎ光スイッチである。
【００５２】
図３のネットワークでは、時分割多重化が、Ｎ個の送信器／受信器ユニットを有するネットワーク中のすべてのノード間での鍵配送を可能にする。光スイッチ４３、４５が量子送信器及び受信器を有するハウジング内にあってもよく、このハウジングの外側にあってもよいことに留意されたい。スイッチはソフトウェア定義ネットワークコントローラによって構成されることができる。
【００５３】
異なるタイプの光スイッチを使用することができる。図４（ａ）から図４（ｃ）は、図２及び図３に関して上述したネットワークにおいて使用することができる光スイッチの可能な構成を示す。
【００５４】
図４（ａ）は、図３のネットワークにおいて使用されるタイプの２つの（１×Ｎ）光スイッチを示す。２つのスイッチは結合して１つの（２×２Ｎ）スイッチにすることもできる。
【００５５】
図４（ｂ）は１つの（２×Ｎ）スイッチを有するさらなる変形を示す。
【００５６】
図４（ｃ）は（Ｎ×Ｎ）スイッチを示す。ここで、スイッチの第１の側では、ポートのうちの２つが接続されており、これは、ノードの光バイパス、すなわち、信号が復号及び再符号化されることなくノードを通り抜ける経路を形成することを可能にする。
【００５７】
これらのスイッチは、ソフトウェアによって制御されることができ、ビームステアリング又はＭＥＭｓに基づいていてもよい。
【００５８】
上述したように、いくつかの実施形態では、ＱＫＤデータに加えて、古典信号が送信されることもできる。そのような古典信号は図５の装置を使用して量子コンポーネントに到達する前にフィルタされることができる。図５は、量子チャネル及びそのサービシングチャネル（servicing channels）を含むＱＫＤ波長のための波長フィルタの概略図である。
【００５９】
いくつかのネットワークでは図６のように、ＱＫＤ及び他の通信データは２つのノードをリンクする同じファイバに存在してよい。それらの共存を可能にするために、波長フィルタがノードの端で使用されてよい。このフィルタは、量子信号及びＱＫＤサービシング古典信号を含むＱＫＤ信号を分合波（add/drop）することができる。サービシング信号は、クロック同期と図８を参照してより詳細に説明される古典シフティングデータとからなる。
【００６０】
詳細には、図６のノードは、量子送信器Ａｌｉｃｅ６１及び量子受信器Ｂｏｂ６３を有する。これらは上述したように光スイッチ６５に接続される。この特定の例では、光スイッチ６５は、第１の波長分割多重６７、第２の波長分割多重６９、及び第３の波長分割多重７１への出力を有する。
【００６１】
この特定の例では、光スイッチ６５によってＡｌｉｃｅ６１からの出力はマルチプレクサ６７、６９、７１のいずれかの第１の波長分割に切り替えられることができる。ここで、Ａｌｉｃｅからの量子データは、さらなるノードへ送信されることになる古典情報と多重化される。
【００６２】
同様に、量子受信器Ｂｏｂ６３は、光スイッチ６５によって６７、６９、７１のうちの波長マルチプレクサを介して遠隔の量子送信器との接続を確立するために切り替えられることができる。
【００６３】
実施形態では、時分割多重化が使用される。これは、第２の波長多重マルチプレクサ６９及び第３の波長分割マルチプレクサ７１からのＱＫＤ信号が同時に光スイッチ６５に到着しないことを意味する。光スイッチ６５は、正しい時間に正しい入力信号をＢｏｂ６３に導くために、受信信号に従って制御されることができる。
【００６４】
図７は、図６の装置の変形を示す。ここで、このノード「ｎ」では、他のノードへの３つのリンクがある。リンク１、３の他端にあるピアは、直接のリンクはないがＱＫＤを実行することを望む。ＱＫＤリンクは、ジョイントリンクノード「ｎ」を使用して、すなわち、光スイッチを使用してノード「ｎ」をバイパスすることによって、それらの間に作成されることができる。この例では、両方のリンクは、スイッチの同じ側に配置され、それらの間のスイッチは、４つのポートとファイバジャンプの支援とを要求する。
【００６５】
フーバースーナーポラティス（Huber+Suhner Polatis）は、エニーツーエニー能力を有するように構成されることができる光マトリクススイッチ（シリーズ６０００ｉ）を供給する。それは０．５〜２．２ｄＢの範囲の低スイッチ損失という特徴がある。それには、組み込みＯｐｅｎＦｌｏｗ、ＮＥＴＣＯＮＦ及びＲＥＳＴＣＯＮＦ制御インタフェースを介したソフトウェア定義ネットワークのサポートがあり、シリーズ６０００ｉは最新鋭のクラウドベースネットワーク及びインフラストラクチャテストアプリケーションと直接にインタフェースする。
【００６６】
完全性のために、実施形態のうちの任意のものに適用することができるＱＫＤシステムの説明を次にする。
【００６７】
図８は、実施形態に係る、量子送信器８３１及び量子受信器８０７が非対称マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）に基づいている量子通信システムの概略図である。送信器ユニット８０１は、量子送信器８３１及び古典通信装置８３０を備える。受信器ユニット８０５は、量子受信器８０７及び古典通信装置８０６を備える。量子送信器８３１及び量子受信器８０７は、ファイバ８０２−１ｂ、波長多重マルチプレクサ８３２及びファイバチャネル８０４によって接続される。古典通信装置８３０及び古典通信装置８０６は、ファイバ８０２ａ、波長分割マルチプレクサ８３２及びファイバ８０４によって接続される。これは古典チャネルと称される。
【００６８】
量子送信器８３１内の光子源８１０は、光のパルスを複数備える量子信号を生成する。そして、パルスは非対称ＭＺＩを使用して符号化される。パルスはビームスプリッタ８１２に導かれる。ビームスプリッタ８１２の一方の出力は位相変調器８１６に接続される。位相変調器８１６の出力は偏光ビームスプリッタ８１７に接続される。これは干渉計のショートアーム８１３を形成する。ビームスプリッタ８１２の他方の出力はファイバループ８１５に接続され、ファイバループ８１５は同様に偏光ビームスプリッタ８１７に接続される。これは干渉計のロングアーム８１４を形成する。ロングアーム８１４を移動する光パルスはショートアーム８１３を移動する光パルスに対して遅延される。
【００６９】
量子送信器８３１は、光パルスの強度を変えるように構成された強度変調器をさらに備えてもよい。強度変調器は、送信者及び受信者が異なる強度を有して安全に受信されたパルスの数を測定することにより盗聴者の存在を決定すること可能にする、異なる強度のパルスが送信されるデコイ状態ＱＫＤプロトコルを実現するように構成されてよい。送信器は２以上の強度変調器を備えてもよい。
【００７０】
位相変調器８１６は、ショートアーム８１３を移動する光パルスの位相に変調を適用するように構成される。位相変調器は、屈折率が電場の強さの関数である、ＬｉＮｂＯ３結晶導波路などの結晶導波路を備えることができる。代替として、位相変調器は、受動的な手段、例えば、各々が異なる固定の位相差を適用するように構成された複数の固定位相要素及びこれらの要素の各々を選択するように構成されたスイッチによって提供されることができる。
【００７１】
干渉計のショートアーム８１３から移動する光パルスの偏光は、第１の偏光から第１の偏光と直交する第２の偏光に偏光ビームスプリッタ８１７によって変えられる。
【００７２】
このようにして、量子送信器８３１は、ファイバリンク８０４を移動する選択された位相差及び直交する偏光を持つコヒーレントな二重パルスを生成する。偏光コントローラ８１８は、パルスの偏光のずれを修正する。各ＯＮＵの各量子送信器は、受信器に別々に到着するパルスの偏光を揃えるために、個別の偏光コントローラを使用してよい。量子送信器は予め補償されていてよい。代替として、信号偏光コントローラは受信器側に設置されていてもよい。
【００７３】
量子光パルスは、量子送信器８３１を出て、ファイバ８０２−１ｂを介して波長分割マルチプレクサ８３２に送られる。量子信号は第１の波長を有して送信される。波長分割マルチプレクサ８３２はファイバ８０２−１ｂから入力された信号をファイバ８０４に送る。量子信号はファイバ８０４を介して量子受信器８０７に送られる。
【００７４】
量子受信器８０７では、パルスは非対称ＭＺＩ８２１を使用して復号される。干渉計８２１のショートアーム８２４は前述したような位相変調器８２６を備える。干渉計のロングアーム８２３は、送信器内のファイバループ８１５と正確に一致するファイバループ８２５を備える。ロングアーム８２３及びショートアーム８２４は各々、偏光ビームスプリッタ８２２の出力の１つに接続され、ビームスプリッタ８２７の入力の１つに接続される。
【００７５】
偏光ビームスプリッタ８２２は、第２の偏光を有して入って干渉計のロングアーム８２３を下る光パルスと、第１の偏光を有して偏光ビームスプリッタに入ってショートアーム８２４を下る光パルスと、を送る。第２の偏光を有して偏光ビームスプリッタ８２２を通過するパルスの偏光は第１の偏光に変えられる。
【００７６】
ビームスプリッタ８２７の出力は光子検出器８２８、８２９に接続される。送信器８３１及び受信器８０７において適用される位相変調に依存して、信号が光子検出器８２８又は光子検出器８２９のいずれかにおいて検出される。光子検出器８２８、８２９はゲート制御（gated）単一光子検出器であってよく、それは、アバランシェフォトダイオード、具体的には、ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づくものであってよい。検出器は自己差分（self-differencing）検出器などのゲート制御検出器であってよい。自己差分検出器は自動的に時間フィルタリングを実行する。時間フィルタリングは量子信号の既知の到着時間によって可能である。検出器は光子が検出器に入射する時間の間だけアクティブにされることができる。自己差分は約１０分の１までラマンノイズを低減することができる。
【００７７】
位相変調器８１６及び位相変調器８２６を使用することによって、ＢＢ８４などの量子鍵配送プロトコルを実現することができる。ＢＢ８４プロトコルでは、（送信器の）Ａｌｉｃｅは４つの等間隔位相値から位相値をランダムに選択する。例えば、Ａｌｉｃｅは、ランダムに０、π／２、π、３π／２の位相シフトに対応する４つの異なる値の１つに位相変調器８１６をセットすることができる。０及びπは第１の符号化基底におけるビット０及び１に関連付けられ、一方、π／２及び３π／２は第２の符号化基底におけるビット０及び１に関連付けられる。
【００７８】
（受信器８０７の）Ｂｏｂは、ランダムに０又はπ／２の位相シフトに対応する２つの値のうちの１つに位相変調器８２６をセットすることができる。これはそれぞれ第１の測定基底と第２の測定基底との選択に等しい。言い換えると、Ａｌｉｃｅの０又はπ値はＢｏｂの０値（第１の基底）と対応し、Ａｌｉｃｅのπ／２及び３π／２値はＢｏｂのπ／２値（第２の基底）と対応する。
【００７９】
０の位相差（すなわち、Ａｌｉｃｅにより適用される位相シフトが０であり、かつ、Ｂｏｂにより適用される位相シフトが０である、又は、Ａｌｉｃｅにより適用される位相シフトがπ／２であり、かつ、Ｂｏｂにより適用される位相シフトがπ／２である）は検出器８２８での検出となる。一方、πの位相差がある（すなわち、Ａｌｉｃｅにより適用される位相シフトがπであり、かつ、Ｂｏｂにより適用される位相シフトが０である、又は、Ａｌｉｃｅにより適用される位相シフトが３π／２であり、かつ、Ｂｏｂにより適用される位相シフトがπ／２である）場合には、検出器８２９での検出がある。２つの位相変調器において適用される位相変調の差の他の値においては、光子が検出器８２８又は検出器８２９において出力される有限の確率がある。
【００８０】
ＡｌｉｃｅとＢｏｂのどちらも、自身の値を選択するときに他方がどの値を選択するかを知らない。後に彼らは、同じ基底を使用したかどうかを比較し、同じ基底を使用した場合の値を最終的な鍵のために使用するだけである。異なる基底を使用して実行された測定による結果は破棄される。この処理はシフティング（sifting）として知られている。
【００８１】
定期的に到着する量子信号は量子受信器８０７内の検出器８２８、８２９によって検出される。各検出イベントに続いて、光子を送る送信器が光子の到着時間から特定される。そして、受信器８０７は、古典通信装置８０６から古典通信装置８３０へと、特定された送信器に到着時間及び復号基底を知らせることによってシフティング処理を開始する。検出された光子ごとにこの処理を繰り返して、送信器の各々は、例えば少なくとも数千ビットの長さを有する受信器８０７とのシフト鍵シーケンスを形成する。続いて、送信器及び受信器は、彼らの間の完全な秘密鍵を蒸留するために誤り訂正及び秘匿性増強処理を開始することができる。古典通信装置８０６は、誤り訂正及び秘匿性増強のために送信器と受信器との間の古典通信を担う。
【００８２】
図８のシステムは、ＢＢ８４を使用して複数の送信器が単一の受信器を共有するＱＫＤネットワークをどのように実施するかの例である。他の量子通信プロトコル及び光学セットアップ、例えば、コヒーレントワンウェイプロトコル又は差動位相シフトプロトコルを実装することもできる。
【００８３】
実施形態では、古典通信装置８３０と古典通信装置８０６との間で送信される古典信号は、量子信号が送信される第１の波長とは異なる第２の波長で送信される。ＷＤＭカプラ（ＷＤＭモジュール又は波長フィルタとも称される）は薄膜波長フィルタに基づいていてもよい。第１のフィルタは、選択された波長を反射又は透過し、他の波長をすべて通過させる。残りの光は第２のフィルタに送られ、それは、第２の選択された波長を反射又は透過し、他の波長をすべて通過させるなどする。他のタイプのＷＤＭモジュールは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に基づいていてもよい。これらは、チップ上に集積されてよく、選択された波長の光を選択された導波路に向けるために干渉を使用してよい。
【００８４】
システムは単一クロック周波数で動作する。同期チャネルは、古典通信装置８０６とスプリッティングユニット（splitting unit）８０３との間に接続される古典チャネルによって実現される。マスタークロック信号などの同期信号は古典チャネルで送信されてよい。代替として、個別の同期信号は送られないが、クロックは古典データストリームから回復されてもよい。
【００８５】
実施形態では、受信器内のタイミング制御モジュールは、各送信器が同期されるマスタークロック信号を提供する。マスタークロック信号は古典通信装置８０６から送信器ユニット内の古典通信装置８３０に送信される。任意の受信器クロック周期に、高々１つの送信器が量子情報で符号化されたパルスを送信することが許可される。マスタークロック信号送信器は、受信器が、どの送信器がまさに受信したパルスを送信したかを識別することを可能にする。
【００８６】
各送信器内の量子源は、量子光パルスの出力がスプリッティングユニット８０３の後に結合された光信号を生成するために遅延されるように制御される。結合された光信号は、受信器のマスタークロックによって調整された時間間隔を有する一連の光パルスである。各送信器に関する各放出のためのタイムスロットは、パルスの衝突を回避するために送信器と受信器との間で事前に決められることができる。これを達成するために、受信器ユニット８０５内のタイミング制御モジュールは各送信器ユニットにタイムスロットを割り当てることができ、各送信器ユニットは、マスタークロック周波数の１／Ｎで順番にパルスを送信する。代替として、各量子送信器は、順番に複数のパルス又は量子鍵全体を送信してもよい。タイムスロット割り当ては古典チャネルで行われる。古典では、データはフレームで送信される。これらのフレームは、どのＯＮＵがいつ送信を許可されるかを知らせる管理データを含むことができる。
【００８７】
受信器内のタイミング制御モジュールは、システムマスタークロックを提供してよく、量子受信器８０７内の位相変調器８２６及びゲート制御検出器８２９、８２８を駆動してよく、検出器８２９、８２８からの検出結果を受け取ってよい。マスタークロック信号は、タイミング制御モジュールから古典通信装置に送信され、続いて古典通信装置８３０に送信される。マスタークロックの送信は古典チャネルを使用して光学的に実現される。
【００８８】
マスタークロックは、量子受信器８０７内の単一光子検出器のスピード（speed）によって決定される。例えば、自己差分ＩｎＧａＡｓベース単一光子検出器においては、マスタークロックは１ＧＨｚ以上で動作されることができる。マスタークロックは送信器から量子信号のいずれとも異なる波長で送信されてよい。
【００８９】
送信器ユニット８０１は古典通信装置８３０及び量子送信器８３１を備える。古典通信装置８３０は、マスタークロック信号を生成し、古典通信装置８０６に送信する。
【００９０】
制御エレクトロニクス（control electronics）からの各トリガー信号の間に、源８１０は１つの光パルスを出力する。強度変調器は、パルス単位で各パルスの強度を変調してよい。代替として、直接変調は、光子源８１０に適用される駆動信号の振幅を変更することにより実現されることができる。
【００９１】
信号パルスは、それからマッハツェンダー干渉計８１１に供給される。マッハツェンダー干渉計８１１の２つのアーム間の長さの差は、ｔｄｅｌａｙの光伝播遅延に一致する。ロングアーム８１４を移動する光子は、干渉計８１１の出口でｔｄｅｌａｙの時間だけショートアーム８１３を移動する光子より遅れる。
【００９２】
光パルスが存在するときに位相変調が適用されるように、制御ユニットからのトリガー信号が位相変調器８１６のタイミングを制御するために使用されてよい。
【００９３】
量子光パルスは、それからファイバ８０４に沿って受信器８０７に送信される。量子受信器８０７は、スプリッティングユニット８０３から、送信された量子信号を受信する。信号パルスは干渉計８２１に供給される。偏光ビームスプリッタ８２２は直交偏光を有する入射パルスを分割する。位相変調器８２６は、マスタークロックを使用して、光子の到着時間と同期されてもよい。
【００９４】
偏光コンポーネントの使用によって、理想的な場合には、符号化干渉計８１１の入口から復号干渉計８２１へ移動する信号パルスに関して次の２つの経路だけがある。
ｉ．  ロングアーム８１４−ショートアーム８２４（Ｌ−Ｓ）
ｉｉ．ショートアーム８１３−ロングアーム８２３（Ｓ−Ｌ）
【００９５】
可変遅延線は、干渉計の一方に含まれてよく、経路（ｉ）、（ｉｉ）に沿う伝播時間が、数ピコ秒であり得る信号レーザコヒーレンス時間内で略等しくなるように調整されてよい。これは２つの経路の干渉を保証する。
【００９６】
マスタークロック信号は、検出器が、干渉を経験した光子、すなわち、一方の干渉計のショートアーム及び他方の干渉計のロングアームを移動する光子の到着の間にゲートされるように、検出器を制御するために使用されてもよい。
【００９７】
非理想的な偏光では、いくつかの光子は両方のショートアームか両方のロングアームのいずれかを移動し、それにより、干渉する光子と±ｔｄｅｌａｙの時間遅延で検出器８２８、８２９にそれぞれ到着する。これらの非干渉光子は鍵レートの鍵生成に寄与しない。したがって、これらの光子の検出結果は破棄されるべきである。
【００９８】
干渉する光子の汚染を回避するために、適切なｔｄｅｌａｙは、（１）ｔｄｅｌａｙが検出器時間分解能より長いこと、及び（２）ｔｄｅｌａｙが受信器のシステムクロック周期より短いことを保証するために選択されてよい。一実施形態では、ｔｄｅｌａｙはシステムクロック周期の半分である。例えば、１ＧＨｚ受信器においては、ｔｄｅｌａｙは５００ピコ秒である。
【００９９】
量子通信の間に、非対称マッハツェンダー干渉計間のアーム長マッチング（arm length matching）、光子偏光、光子到着時間などの複数の物理パラメータは能動的に安定されてよい。能動的安定化は、フィードバック信号を生成するように構成された量子受信器にあるフィードバック制御ユニットによって実現されることができる。このフィードバック信号は、それから古典通信装置８０６によって古典通信装置８３０に送信される。そして、送信器ユニット８０１内の制御ユニットは、フィードバック信号に基づいて量子送信器の１又は複数のコンポーネントを制御する。
【０１００】
アーム長マッチングは、受信器から古典チャネルを通じて送信されたフィードバック信号に基づいて送信器干渉計内の調整可能な遅延線を能動的に調整することによって実現されることができる。フィードバック信号は量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）であり得る。これは、調整可能な遅延線を調整することにより最小化することができる。言い換えると、量子送信器内の制御ユニットは、ＱＢＥＲを最小化するために、ＱＢＥＲフィードバック信号が受信されるたびにＭＺＩ内の調整可能な遅延線を調整する。
【０１０１】
ＱＢＥＲは、各誤り訂正処理の後にだけ送信器に送信するように利用可能である。ＱＢＥＲを決定するときのレイテンシはアーム長の遅い変動だけの補償を可能にする。
【０１０２】
信号／デコイパルスの小部分の代わりに、送信器から量子チャネルを通じて強い参照パルスを送信することによって、より速い補償を達成することができる。これらの参照パルスは位相変調されず、したがって参照パルスの干渉度がアーム長マッチングの状態を示す。参照パルスの検出結果は、調整可能な遅延線を調整するためにフィードバックとして使用されるために、古典チャネルを通じて送信器に送信されることができる。
【０１０３】
調整可能な遅延線は制御要素として働く。それは、エアギャップであってもよく、圧電アクチュエータにより駆動されるファイバストレッチャであってもよい。
【０１０４】
代替として、２つの遅延は、２つの干渉計内のファイバの長さを慎重に制御することによってバランスを取ることができる。２つの光経路の長さの微調整は、送信器内の位相変調器におけるＤＣバイアスを調整するか、位相変調器に適用される駆動信号にＡＣオフセットを追加することによって達成されることができる。
【０１０５】
代替として、アーム長マッチングは、受信器内のコンポーネント、例えば、調整可能な遅延線又は位相変調器の調整により実現されることができる。異なる調整は各入射パルスの元に従って適用されなければならない。
【０１０６】
偏光ドリフトは、偏光コントローラ８１８を使用して能動的に安定させることができる。理想的には、エンコーダ及びデコーダを通過する光子はすべてビームスプリッタ８２７で干渉を経験し、鍵形成に寄与する。しかしながら、ファイバチャネル８０４における偏光ドリフトは、２つの干渉計の両方のロングアームか両方のショートアームを通過する光子などの光子を非干渉経路に向かわせる。これらの非干渉光子は鍵形成に寄与しない。それらは、ゲート制御光子検出器を用いる場合に自動的に除去され、又はフリーランニング単一光子検出器を備えた検出器サブシステムにおいてタイミング識別ウィンドウを使用して除去されることができる。いずれの場合にも、偏光ドリフトは、光子を干渉させる光子カウントレート（photon count rate）を低減する。偏光コントローラを調整することによりこのカウントレートを最適化することによって、このドリフトは補正されることができる。言い換えると、カウントレートは古典通信装置８１１から古典通信装置８０２に送信される。そして、送信器ユニット８０１内の制御ユニットは、カウントレートを最大化するために偏光コントローラ８１８を調整する。
【０１０７】
光子検出結果に基づいて光子源８１０のトリガー時間を調整することによって、検出器８２９、８２８での光子到着時間が補正されることもできる。言い換えると、カウントレート及びＱＢＥＲなどの光子検出結果は古典通信装置８１１から古典通信装置８０２に送信される。そして、送信器内の制御ユニットは、光子検出結果を最適化するために光子源８１０のトリガー時間を調整する。
【０１０８】
図９は、上述したアジャイルネットワークに関する現実世界の例の概略図である。２つのメッシュ型ＱＫＤネットワーク９０、９９がＱＫＤノードの一次元チェーンによってリンクされている。個々のメッシュネットワークに位置する２つのノード間にセキュアな鍵を形成するために、２つのメッシュネットワーク間の中間ノードが使用されなければならない。例えば、９１と９５との間にセキュアな鍵を形成するために、中間ノード９２、９３、９４が使用されなければならない。従来、これらのノードはすべて信頼できるものでなければならない。これらのノードのうちの１つのセキュリティ侵害は２つのメッシュネットワーク９０、９９間のセキュアな通信を妨げる。本発明の実施形態はこの問題を回避するために使用されることができる。各中間リンクは２つのリンクを受け持つだけであるが、各中間ノードに設置される光スイッチを有することに利点がある。光スイッチは、要求により中間ノードをバイパスすることを可能にし、ネットワークセキュリティを高めるために使用されることができる。例えば、メッシュネットワーク内のノード９１と第２のメッシュネットワーク９９内のノード９５との間にセキュアな鍵を形成するために、（ｉ）９１→９３→９４→９５、（ｉｉ）９１→９２→９４→９５、（ｉｉｉ）９１→９２→９３→９５という３つの異なる通信経路を作成することができる。各中間ノードは少なくとも１度バイパスされる。そして、下記のように異なる経路から得られた３セットの鍵を結合することによって、ノード９１、９５間に最終的な鍵を形成することができる。
【数１】
2019216413.tif 000003
【０１０９】
ここに説明した上記の例は、弱コヒーレントパルス（ＷＣＰ）と単一光子検出とに基づくＱＫＤシステムに関連する。しかしながら、光学的に切り替えられるネットワークという概念は、（ｉ）単一光子準備測定、（ｉｉ）量子連続変数（ＣＶ）準備測定、（ｉｉｉ）量子もつれ光子対に基づくものなどの他のタイプのＱＫＤシステムに適用可能である。（ｉ）及び（ｉｉ）においては、上述した弱コヒーレントパルス及び単一光子検出に基づくものと同一である光スイッチの配置が使用されることができる。
【０１１０】
（ｉｉｉ）量子もつれ光子対ベースのシステムにおいては、通信者の一方が光子対源と測定セットアップの１セットとの両方を含むときに、同じ光スイッチングスキームが使用されることができる。
【０１１１】
上記の実施形態はメッシュネットワークについて説明したが、ここに説明される実施形態はリング及びアクセスネットワークなどの他のタイプのネットワークに適用することができる。
【０１１２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。
【図１】
2019216413.tif 000004
【図２】
2019216413.tif 000005
【図３】
2019216413.tif 000006
【図４（ａ）】
2019216413.tif 000007
【図４（ｂ）】
2019216413.tif 000008
【図４（ｃ）】
2019216413.tif 000009
【図５】
2019216413.tif 000010
【図６】
2019216413.tif 000011
【図７】
2019216413.tif 000012
【図８】
2019216413.tif 000013
【図９】
2019216413.tif 000014
【外国語明細書】
2019216413000001.pdf