(57)【要約】本明細書では、量子通信（「ＱＣ」）カードと基地局と通信信頼機関との間の量子鍵配送（「ＱＫＤ」）のための技術およびツールについて説明する。例示的な実装形態では、ＱＣカードに小型のＱＣ送信機が含まれ、ＱＣカードは基地局に結合される。基地局は、通信信頼機関とのネットワーク接続を実現し、ＱＣカードに電力を供給することもできる。ＱＣカードは、基地局に結合されると、通信信頼機関によって認証された後、通信信頼機関とのＱＫＤによって鍵を取得する。このような鍵は、安全な通信のセットアップ、認証、アクセス制御、またはその他の目的に使用されてもよい。ＱＣカードをスマートフォンまたはその他のモバイルコンピューティングデバイスの一部として実装してもよく、またはＱＣカードを、鍵を配送するフィルガンとして使用してもよい。
2013543338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信信頼機関との量子通信が可能になるように基地局に結合されるように構成されたコネクタと、
前記基地局を通じた前記量子通信の一部として量子チャネルにおいて情報を送信または受信するように構成され、前記コネクタに光学的に結合された、１つまたは複数の一体化された光学モジュールと、
前記量子通信に少なくとも部分的に基づいて生成された１つまたは複数の鍵を格納するメモリと
を備えることを特徴とする量子通信デバイス。
【請求項２】
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、量子チャネル用の非専用光ファイバを介した通信向けに構成され、前記量子チャネルとしての前記光ファイバを介した前記通信は、前記１つまたは複数の鍵を生成する際に量子状態の変調が測定されるバイナリ情報の送信または受信を含むことを特徴とする請求項１に記載の量子通信デバイス。
【請求項３】
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、
前記非専用光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成され、前記コネクタに光学的に結合されたネットワークトランシーバを含み、前記パブリックチャネルとしての前記光ファイバを介した通信は、前記１つまたは複数の鍵を生成する際に量子状態の変調が測定されないバイナリ情報の送受信を含むことを特徴とする請求項２に記載の量子通信デバイス。
【請求項４】
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、
前記量子通信において送信される光子を生成するように構成されたレーザと、
前記レーザの出力の量子状態を変調するように構成され、前記レーザに光学的に結合された変調器と、
前記レーザおよび前記変調器の動作の調和を図るように構成され、前記レーザおよび前記変調器に電気的に結合されたプログラム可能な論理と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の量子通信デバイス。
【請求項５】
前記変調された量子状態は偏光であり、前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、単一の基板上に、前記レーザ、前記変調器、および前記プログラム可能な論理を有し、
前記レーザのパルス当たり光子数を減らすように構成され、前記レーザに光学的に結合された減衰器と、
パルス当たり光子数を監視するように構成され、前記レーザに光学的に結合された光子検出器と
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の量子通信デバイス。
【請求項６】
前記プログラム可能な論理は、
乱数発生装置によって生成される乱数に少なくとも部分的に基づいて前記変調器と一緒に設定すべき前記量子状態を制御する動作と、
前記量子通信用のパルス当たりの前記量子状態および送信基底を記録する動作と、
パブリックチャネルにおける前記通信信頼機関との非量子通信において、前記記録された送信基底を前記通信信頼機関に送信する動作と、
前記量子通信の結果を処理して前記１つまたは複数の鍵を判定する動作と
を含む動作を制御するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の量子通信デバイス。
【請求項７】
前記プログラム可能な論理は、
前記レーザによって前記量子通信のために生成される単一光子パルス並びにタイミング、前記非量子通信、および／またはその他の目的のために生成されるブライトパルスのタイミングおよびパターンを調節する動作と、
前記量子通信用のパルス当たり光子数を監視する動作と、
１つまたは複数の可変減衰器を制御して前記量子通信の前記レーザのパルス当たり光子数を減らす動作と
を含む動作を制御するようにさらに構成されることを特徴とする請求項６に記載の量子通信デバイス。
【請求項８】
前記コネクタは、
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールを前記基地局のファイバ接続部に光学的に接続するように構成されたファイバコネクタと、
前記基地局から電力を引き込んで、
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールの少なくともいくつかへの電力の供給、
前記量子通信デバイスの電池の再充電、および
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールの少なくともいくつかの動作温度までの冷却のうちの１つまたは複数を実施するように構成された電気的コネクタと、
前記量子通信デバイスを前記基地局に機械的に取り付けるように構成された機械的コネクタと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の量子通信デバイス。
【請求項９】
請求項１に記載の量子通信デバイスを含むモバイルデバイスであって、
プロセッサと、
コンピュータメモリと、
前記１つまたは複数の鍵を使用してパブリックチャネルにおける非量子通信に関する情報を暗号化するための命令を含むソフトウェアを格納するストレージと、
ディスプレイと
をさらに含むことを特徴とするモバイルデバイス。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の鍵を別のデバイスに送信できるように前記量子通信デバイスを前記他のデバイスに結合するように構成された第２のコネクタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の量子通信デバイス。
【請求項１１】
ユーザのバイオメトリック証印を受け入れるように構成されたバイオメトリックスキャナと、
前記バイオメトリック証印を暗号化するように構成された１つまたは複数の暗号化モジュールと
をさらに備え、
前記１つまたは複数の鍵の生成は、前記暗号化されたバイオメトリック証印を使用した前記通信信頼機関による前記ユーザの認証によって決まることを特徴とする請求項１に記載の量子通信デバイス。
【請求項１２】
基地局を通じた量子通信デバイスと通信信頼機関との間の量子通信の一部として量子チャネルにおいて情報を伝達するネットワーク接続部と、
前記量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間の前記量子通信が可能になるように前記量子通信デバイスに結合されるように構成され、かつ前記量子通信デバイスが前記基地局に結合されるときに前記量子通信デバイスを前記ネットワーク接続部に光学的に結合するように構成されたコネクタとを備えることを特徴とする基地局。
【請求項１３】
前記コネクタは、前記量子通信デバイスが前記基地局に結合されるときに前記量子通信デバイスに電力を供給するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
【請求項１４】
前記ネットワーク接続部は、前記量子チャネルにおける前記量子通信用に非専用光ファイバを使用し、かつ前記ネットワーク接続部は、前記量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間のパブリックチャネルにおける非量子通信用にも非専用光ファイバを使用することを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
【請求項１５】
パルス当たり光子数を監視するように構成された光子検出器と、
第１のレーザによって前記量子通信のために生成されるパルス並びに第２のレーザによってタイミングおよび／または非量子通信のために生成されるパルスのタイミングおよびパターンを制御するように構成されたプログラム可能な論理と
をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
【請求項１６】
前記コネクタは、組み合わされたコネクタであり、
前記量子通信デバイスを前記基地局の前記ネットワーク接続部に光学的に結合させるように構成されたファイバコネクタと、
前記量子通信デバイスに電力を供給するように構成された電気的コネクタと、
前記量子通信デバイスを前記基地局に機械的に取り付けるように構成された機械的コネクタと
をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の基地局。
【請求項１７】
基地局に結合された量子通信デバイスとの量子通信の一部として量子チャネルにおいて情報を送信または受信するように構成された量子通信モジュールと、
パブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成されたネットワークトランシーバと、
前記基地局に結合された前記量子通信デバイスからの暗号化されたメッセージを前記パブリックチャネルにおいて受信する動作、
前記パブリックチャネルにおいて受信された前記暗号化されたメッセージの解読に少なくとも部分的に基づいて前記量子通信デバイスのユーザを認証する動作、
前記基地局に結合された前記量子通信デバイスとの前記量子通信に少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成する動作、
前記１つまたは複数の鍵を前記量子通信デバイスの前記ユーザに関連付けて格納する動作を含む動作を実行することによって前記通信信頼機関を実現するように構成されたプログラム可能な論理と、
前記１つまたは複数の鍵を格納するメモリと
を備えることを特徴とするコンピューティングシステム。
【請求項１８】
前記量子チャネルおよびパブリックチャネルは、同じ光ファイバ上で実現されることを特徴とする請求項１７に記載のコンピューティングシステム。
【請求項１９】
前記プログラム可能な論理は、
前記量子通信のパルス当たりの前記量子状態を測定する動作と、
前記量子通信のパルス当たりの前記測定された量子状態および測定基底を記録する動作と、
前記パブリックチャネルにおける前記量子通信デバイスとの非量子通信において、前記記録された測定基底を前記量子通信デバイスに送信する動作と、
前記量子通信の結果を処理して前記１つまたは複数の鍵を判定する動作と
を含む動作を制御するように構成されることを特徴とする請求項１７に記載のコンピューティングシステム。
【請求項２０】
前記プログラム可能な論理は、
第１のレーザによって前記量子通信のために生成される単一光子パルスのタイミングおよびパターン並びにタイミングおよび／または前記非量子通信のために生成されるブライトパルスに前記量子通信モジュールおよび前記ネットワークトランシーバを適合させる動作を含む動作を制御するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１９に記載のコンピューティングシステム。
【請求項２１】
量子通信デバイスと通信信頼機関との間の量子通信が可能になるように前記量子通信デバイスを基地局に結合するステップと、
前記量子通信に少なくとも部分的に基づき、かつ前記通信信頼機関との非量子通信に少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成するステップと、
前記量子通信デバイスを前記基地局から結合解除するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記１つまたは複数の鍵を前記量子通信デバイスのメモリに格納するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記量子通信デバイスによって、前記１つまたは複数の鍵を第２のデバイスのメモリに格納できるように前記第２のデバイスに送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記量子通信デバイスによって、前記基地局を通じた前記通信信頼機関との前記量子通信において、量子状態で符号化された情報を送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記量子通信デバイスは、
前記基地局に結合されるように構成されたコネクタと、
前記基地局を通じた前記量子通信の一部として量子チャネルにおいて前記情報を送信または受信するように構成され、前記コネクタに光学的に結合された１つまたは複数の一体化された光学モジュールと、
前記１つまたは複数の鍵を格納するメモリと
を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記非量子通信は、前記基地局を通じて前記量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間で行われ、前記量子通信は、光ファイバ上の量子チャネルを使用し、前記非量子通信は、前記光ファイバ上のパブリックチャネルを使用することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
量子通信の前に、
前記量子通信デバイスによって、ユーザ用の識別情報を受信するステップと、
前記量子通信デバイスによって、認証鍵を使用して前記識別情報を示すメッセージを暗号化するステップと、
前記量子通信デバイスによって、前記通信信頼機関による前記ユーザの認証が可能になるように前記暗号化されたメッセージを前記通信信頼機関に送信するステップと
をさらに含み、
前記ユーザの前記認証は前記量子通信の条件であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記識別情報を受信する前記ステップは、
前記ユーザのバイオメトリック証印を受信するステップと、
前記ユーザの個人識別番号を示す数値入力を受信するステップのうちの１つまたは複数を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記認証鍵は、前記通信信頼機関に既知である、前記量子通信デバイスにおける事前に用意された鍵であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記認証鍵は、量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間の量子通信の前回のセッションの間に生成され、次いで前記量子通信デバイスに格納された鍵であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記量子通信デバイスと前記通信信頼機関は、直接またはデバイスのネットワークの複数のスパンを通じて量子通信トランシーバと通信することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
量子通信デバイスによって、
レーザによって前記量子通信のために生成される単一光子パルス並びに第２のレーザによってタイミングおよび／または前記非量子通信のために生成されるパルスのタイミングおよびパターンを制御するステップと、
前記量子通信のパルス当たり光子数を監視するステップと、
１つまたは複数の可変減衰器を制御して前記量子通信用のレーザのパルス当たり光子数を減らすステップと、
乱数発生装置によって生成される乱数に少なくとも部分的に基づいて変調器と一緒に設定すべき量子状態を制御するステップと、
前記量子通信用のパルス当たりの前記量子状態および送信基底を記録するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
量子通信デバイスが前記基地局に結合されるときに、
前記量子通信デバイスによって、前記基地局から電力を引き込むステップと、
前記量子通信デバイスの１つまたは複数の一体化された光学モジュールの少なくともいくつかに前記電力を供給するステップと、
前記１つまたは複数の一体化された光学モジュールの少なくともいくつかを動作温度まで冷却するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムによって、
基地局に結合された量子通信デバイスとの前記基地局を通じた量子通信を確立するステップと、
前記基地局に結合された前記量子通信デバイスとの前記量子通信の一部として、量子状態で符号化された情報を送信または受信するステップと、
前記量子通信に少なくとも部分的に基づき、かつ前記量子通信デバイスとの非量子通信に少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記１つまたは複数の鍵を前記コンピューティングシステムのメモリに格納するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記非量子通信は、前記基地局を通じて前記量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間で行われ、前記量子通信は、光ファイバ上の量子チャネルを使用し、前記非量子通信は、前記光ファイバ上のパブリックチャネルを使用することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記量子通信を確立する前記ステップは、
前記ユーザデバイスのユーザ用の識別情報を示し、かつ認証鍵によって暗号化された暗号化されたメッセージを受信するステップと、
前記暗号化されたメッセージを解読するステップと、
前記識別情報に少なくとも部分的に基づいて前記ユーザを認証すべきかどうかを判定するステップと
を含み、
前記ユーザの前記認証は前記量子通信の条件であることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記識別情報は、前記ユーザの１つまたは複数のバイオメトリック証印および個人識別番号を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記認証鍵は、前記通信信頼機関に既知である、前記量子通信デバイスにおける事前に用意された鍵であることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記認証鍵は、量子通信デバイスと前記通信信頼機関との間の量子通信の前回のセッションの間に生成され、次いで前記量子通信デバイスに格納されたことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
第１のレーザによって前記量子通信のために生成される単一光子パルスのタイミングおよびパターン並びにタイミングおよび／または前記非量子通信のために生成されるブライトパルスに量子通信モジュールおよびネットワークトランシーバを適合させるステップと、前記量子通信の一部として、
前記量子通信のパルス当たり量子状態を測定するステップと、
前記量子通信のパルス当たりの前記測定された量子状態および測定基底を記録するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムである第２のデバイスとの非量子通信を行う、基地局に結合された量子通信デバイスである第１のデバイスによって、光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて通信を行うステップと、
前記第２のデバイスとの量子通信を行う前記第１のデバイスによって、量子状態で符号化された情報を前記光ファイバを介して量子チャネルにおいて通信を行うステップと、
前記量子チャネルにおける前記通信および前記パブリックチャネルにおける前記通信の少なくとも一部の結果として得られた１つまたは複数の鍵を格納するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
前記量子通信デバイスは、前記コンピューティングシステムとの前記非量子通信の際に前記パブリックチャネルにおいて情報を送受信し、前記量子通信デバイスは、前記コンピューティングシステムとの前記量子通信の際に前記量子チャネルにおいて前記情報を送信または受信することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記非量子通信は、
前記量子通信が開始する前に、前記量子通信デバイスのユーザ用の暗号化された識別情報を認証が可能になるように前記コンピューティングシステムに送信するステップと、
前記量子通信が終了してから前記１つまたは複数の鍵が完成するまでの間に、前記量子通信デバイスと前記コンピューティングシステムとの間でプロトコル要素を送受信するステップと、
前記１つまたは複数の鍵が完成した後、前記コンピューティングシステムから少なくとも１つの格納されている鍵と一緒に使用可能な情報を受信するステップと
を含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子通信デバイスが、基地局に取り付けられ、通信信頼機関との量子鍵配送を行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子通信では、２人の当事者が量子状態で符号化された情報を交換する。通常、量子状態は、偏光状態の対（例えば、０°と９０°もしくは４５°と１３５°）または円状基底状態の対（例えば、左回りと右回り）のような光子の特別に定義された特性である。２人の当事者は、量子通信（「ＱＣ」）によって、それらの当事者にのみ既知の共有されるランダムな一連のビットを生成し、それらのビットを後にメッセージを暗号化し解読する際に秘密鍵として使用することができる。ＱＣによってそのような鍵を生成するプロセスを量子鍵配送（「ＱＫＤ」）とも呼ぶ。
【０００３】
第三者は、理論的には、２人の当事者間のＱＣを盗聴することができる。しかし、そのような盗聴はＱＣに障害をもたらし、対象となる２人の当事者が検出することのできる異常を導入する。従来の通信を使用する場合、２人の当事者は、ＱＣの結果を後処理して、盗聴者によって取得されたあらゆる部分的な情報を削除し、ＱＣの結果として得られた残りの情報から共有秘密鍵を形成する。
【０００４】
例えば、ＱＫＤのある一般的な手法によれば、送信者がバイナリ情報の量子状態を設定し、量子状態をどのように設定したかを記録し、その情報を送信する。表１は、光子のそれぞれの異なる偏光に関する量子状態および基底の例を示している。表１に示されている基底および状態の場合、送信側は基底（直線または対角）を選択し、選択された基底における光子の偏光状態を設定し、ビット値（０または１）、選択された送信基底、および送信の時間を記録する。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
受信側は、バイナリ情報を受信し、その情報の量子状態を測定し、量子状態をどのように測定したかを記録する。測定される状態は、受信側が測定をどのように実行するかによって決まる（例えば、直線または対角の測定基底）。送信側と受信側は、量子状態符号化情報をそれぞれの異なる方法で設定／測定することがあるので、場合によってはそれぞれの異なるビット値を記録することが予期される。従って、量子状態の情報を交換した後、送信側と受信側は、量子状態がどのように設定され測定されたかの記録を比較する。この比較を行うために、送信側と受信側はパブリックチャネルを介して情報を交換する。次いで、送信側と受信側は、量子状態が送信側と受信側によって同様に設定され測定された符号化情報から共有される一連のビット（鍵）を生成する。
【０００７】
表１に示されている基底および状態の場合、例えば、受信側は基底（直線または対角）を選択し、選択された基底における偏光状態を測定し、測定されたビット値および測定基底を記録する。全ての４つの状態を区別できる測定基底はなく、従って、受信側は基本的に直線または対角のいずれかを推定する。測定基底がたまたま送信基底と一致する場合、受信側は正しいビット値を測定するはずである。しかし、測定基底が送信基底と一致しない場合、測定されるビット値は正しい値である可能性も誤った値である可能性もある。例えば、送信基底がビット値０について対角である（偏光状態４５°）が測定基底が直線である場合、測定されるビット値は０（９０°）である可能性も１（０°）である可能性もある。送信側と受信側は、所与の光子について送信基底と測定基底を比較し、送信基底と測定基底が一致した場合に光子のビット値を維持する。
【０００８】
盗聴者が光子を傍受し測定した場合、この測定が光子の量子状態に障害を与える。盗聴者は、この光子を再符号化し対象となる宛先に再送するときに元の送信基底を推定するしかない。受信側による測定時に、この盗聴は検出されない。その代わり、送信側と受信側は、送信基底と測定基底が一致することが判明したビット値のサブセットに関して、パリティ値を比較する。システムが送信および受信において適切に同調されており欠陥がない場合、パリティ値は厳密に一致するはずである。盗聴はビット値の知覚できる不一致を導入し、それによって、送信側と受信側は、この盗聴を検出し、鍵を補正し、盗聴者の部分的な情報に対する上限を定めることができる。
【０００９】
次いで、送信側と受信側によって共有されるエラーのないビット列を（例えば、ハッシング関数によるビットハッシングによって）プライバシー増幅してビット列の長さを短くしてもよい。（あるいは、ビットを単純に省略してもよいが、この場合、プライバシー増幅の利点が失われる。）共有されるビット列の最終的な長さは、検出されるエラーの数に応じて決まってもよい。プライバシー増幅によって共有されるビット列を短くすると、盗聴者が有する可能性のある知識が、任意の低レベル、通常単一ビットよりもずっと少ない程度に低減する。
【００１０】
ＱＣの他の手法は、他の量子特性（例えば、量子エンタングルメント）を利用して、量子状態で符号化された情報を交換する手法である。また、プライバシー増幅などの技術を使用して、盗聴者が取得することのできる部分的な情報をなくしてもよい。情報リコンシリエーションなどの技術を使用して送信側と受信側の共有されるビット値のわずかな不一致を解消してもよい。
【００１１】
ＱＣの理論的枠組が確立されてから２５年になるが、鍵のセキュリティに関するＱＣの利点は広く受け入れられている。過去２０年にわたって、ＱＫＤシステムの実装形態はより安価で、より信頼性が高く、より維持が容易であり（例えば、自己同調、自己チェック）、より使いやすいものになっている。それにもかかわらず、ＱＫＤシステムは、公開鍵暗号化を使用する他のセキュリティ解決手段と比べて、高価であり実施が困難である傾向がある。代表的なＱＫＤシステムは大規模であり、送信側と受信側との間のファイバ接続を介したポイントツーポイントモードにおいてのみ動作する。いくつかの市販のＱＫＤシステムは、ポイントツーポイントリンクを介してのみＱＫＤを実行し、携帯不能であり、専用のファイバ接続を必要とする。さらに、これらのＱＣはネットワークトラフィックと共存できない。その結果、公開鍵暗号化に対するずっと強力なコンピュータからの脅威が存在するという常識があるにもかかわらず、ＱＫＤは商業的に確立されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Peters et al., "Dense Wavelength Multiplexing of 1550 nm QKD with Strong Classical Channels in Reconfigurable Networking Environments," New Journal of Physics 11, 17 pp. (2009年4月)
【非特許文献２】Chapuran et al., "Optical Networking for Quantum Key Distribution and Quantum Communications," New Journal of Physics 11, 19 pp. (2009年10月)
【発明の概要】
【００１３】
本明細書に記載された新規の手法は、量子鍵配送（「ＱＫＤ」）の使用を容易にする。これらの新規の手法は、安全なマルチパーティ通信、認証、アクセス制御、およびその他の用途に対するＱＫＤの実用性および有用性を向上させるのを助ける。
【００１４】
本明細書に記載された新規の手法の一態様によれば、量子通信（「ＱＣ」）デバイスは、コネクタと、１つまたは複数の一体化された光学モジュールと、メモリとを含む。コネクタは、通信信頼機関とのＱＣが可能になるように基地局に結合されるように構成される。１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、コネクタに光学的に結合され、基地局を通じたＱＣの一部として量子チャネルにおいて情報を送信または受信するように構成される。メモリは、ＱＣに少なくとも部分的に基づいて生成された１つまたは複数の鍵を格納する。
【００１５】
例えば、１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、ＱＣにおいて送信される光子を生成するように構成されたレーザと、レーザの出力の量子状態を変調するように構成された変調器と、レーザおよび変調器の動作の調和を図るように構成されたプログラム可能な論理とを含む。いくつかの実装形態では、１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、量子チャネル用の非専用光ファイバを介した通信が可能になるように構成される。１つまたは複数の一体化された光学モジュールは、非専用光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成されたネットワークトランシーバも含んでもよい。
【００１６】
いくつかの実装形態では、ＱＣデバイスのコネクタは、ファイバコネクタと、電気的コネクタと、機械的コネクタとを含む。ファイバコネクタは、１つまたは複数の一体化された光学モジュールを基地局のファイバ接続部に光学的に接続するように構成される。電気的コネクタは、基地局から電力を引き込むように構成され、この電力を使用して１つもしくは複数の一体化された光学モジュールのうちの少なくともいくつかへの電力の供給、ＱＣデバイスの電池の再充電、および／または１つもしくは複数の一体化された光学モジュールの少なくともいくつかの、動作温度までの冷却を行ってもよい。機械的コネクタは、ＱＣデバイスを基地局に機械的に取り付けるように構成される。他の実装形態では、ＱＣデバイスが基地局に結合されるとき、ＱＣデバイスのコネクタは、無線手段を使用して、量子状態符号化された情報もしくは他の情報の、基地局への伝達および／または基地局からの電力の引込みを行ってもよい。ＱＣデバイスをフィルガンとして使用する場合、ＱＣデバイスは、格納されている鍵を別のデバイスに送信するように構成された別のコネクタを含んでもよい。ＱＣデバイスをスマートフォンのような別のデバイスに含めてもよい。
【００１７】
いくつかの実装形態において、量子鍵がどのように生成されるかは、通信信頼機関によるユーザの認証によって決まる。ＱＣデバイスは、バイオメトリックスキャナと１つまたは複数の暗号化モジュールとを含んでもよい。バイオメトリックスキャナは、ユーザのバイオメトリック証印（indicia）を受け入れるように構成され、１つまたは複数の暗号化モジュールはバイオメトリック証印を暗号化するように構成される。
【００１８】
本明細書に記載された新規の手法の別の態様によれば、基地局は、ネットワーク接続部とコネクタとを含む。ネットワーク接続部は、基地局を通じたＱＣデバイスと通信信頼機関との間のＱＣの一部として量子チャネルにおいて情報を伝達するように構成される。コネクタは、ＱＣデバイスに結合されるように構成される。特に、コネクタは、ＱＣデバイスが基地局に結合されるときにＱＣデバイスをネットワーク接続部に光学的に結合するように構成される。いくつかの実装形態では、コネクタはさらに、例えばファイバコネクタと電気的コネクタと機械的コネクタとを含む複合コネクタによって、ＱＣデバイスが基地局に結合されるときにＱＣデバイスに電力を供給するように構成される。他の実装形態では、ＱＣデバイスが基地局に結合されるときに、基地局のコネクタは、無線手段を使用してＱＣデバイスからの量子状態符号化された情報またはその他の情報の受信および／またはＱＣデバイスへの電力の供給を行う。
【００１９】
本明細書に記載された新規の手法の別の態様によれば、コンピューティングシステムはＱＣモジュールと、ネットワークトランシーバと、通信信頼機関を実現するように構成されたプログラム可能な論理と、量子鍵を格納するメモリとを含む。ＱＣモジュールは、基地局に結合されたＱＣデバイスとのＱＣの一部として量子チャネルにおいて情報を送信または受信するように構成される。ネットワークトランシーバは、パブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成される。プログラム可能な論理は、パブリックチャネルにおいてＱＣデバイスから暗号化されたメッセージを受信し、ＱＣデバイスのユーザを認証し、ＱＣデバイスとのＱＣに少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成し、１つまたは複数の鍵をＱＣデバイスのユーザに関連付けて格納するように構成される。
【００２０】
本明細書に記載された新規の手法の別の態様によれば、ＱＣデバイスは、ＱＣデバイスと通信信頼機関との間のＱＣが可能になるように基地局に結合され、ＱＣに少なくとも部分的に基づき、かつ通信信頼機関との非量子通信に少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成し、基地局から結合解除される。ＱＣデバイスは次いで、１つまたは複数の鍵をＱＣデバイスのメモリに格納してもよい。ＱＣデバイスは、フィルガンとして使用される場合、１つまたは複数の鍵を第２のデバイスのメモリに格納できるように第２のデバイスに送信してもよい。いくつかの実装形態では、ＱＣは光ファイバ上の量子チャネルを使用し、非量子通信は光ファイバ上のパブリックチャネルを使用する。ＱＣデバイスは通信信頼機関との認証を実行してもよい。例えば、ＱＣデバイスは、（指紋スキャンおよびＰＩＮのような）ユーザ用の識別情報を受信し、認証鍵を使用して識別情報を示すメッセージを暗号化し、暗号化されたメッセージを認証が可能になるように通信信頼機関に送信する。認証鍵は、通信信頼機関に既知である、ＱＣデバイスにおける事前に用意された鍵であってよい。その後の認証では、認証鍵を、ＱＣによって生成された鍵のうちの１つと置き換えてもよい。
【００２１】
本明細書に記載された新規の手法の別の態様によれば、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムは、基地局に結合されたＱＣデバイスとのＱＣを基地局を通じて確立する。コンピューティングシステムは、ＱＣに少なくとも部分的に基づき、かつＱＣデバイスとの非量子通信に少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数の鍵を生成する。コンピューティングシステムは次いで、１つまたは複数の鍵をコンピューティングシステムのメモリに格納してもよい。いくつかの実装形態では、ＱＣは光ファイバ上の量子チャネルを使用し、非量子通信は光ファイバ上のパブリックチャネルを使用する。コンピューティングシステムはＱＣデバイスのユーザを認証してもよい。例えば、コンピューティングシステムは、ユーザ用の識別情報を示す暗号化されたメッセージを受信し、暗号化されたメッセージを解読し、識別情報に少なくとも部分的に基づいてユーザを認証すべきかどうかを判定する。
【００２２】
本明細書に記載された新規の手法の別の態様によれば、第１のデバイスは、第２のデバイスとの非量子通信の際に光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて通信する。第１のデバイスはまた、第２のデバイスとのＱＣの際に光ファイバ上の量子チャネルにおいて通信する。第１のデバイスは、量子チャネルにおける通信およびパブリックチャネルにおける通信の少なくとも一部の結果として得られた１つまたは複数の鍵を格納する。例えば、第１のデバイスは、基地局に結合されたＱＣデバイスであり、第２のデバイスは、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムである。
【００２３】
本発明の前述の目的、特徴および利点、並びに他の目的、特徴および利点は、添付の図を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】鍵がＱＫＤによって取得され、配送され、暗号化、認証、およびアクセス制御に使用される例示的な動作環境の図である。
【図２】鍵がＱＫＤによって取得され、配送され、暗号化、認証、およびアクセス制御に使用される例示的な動作環境の図である。
【図３】鍵がＱＫＤによって取得され、配送され、暗号化、認証、およびアクセス制御に使用される例示的な動作環境の図である。
【図４ａ】ＱＣカード、基地局、および通信信頼機関を含む構成におけるＱＫＤのための汎用プロトコルのそれぞれの異なる態様を示すフローチャートである。
【図４ｂ】ＱＣカード、基地局、および通信信頼機関を含む構成におけるＱＫＤのための汎用プロトコルのそれぞれの異なる態様を示すフローチャートである。
【図５】汎用ＱＣカードのブロック図である。
【図６ａ】ＱＣカード用の一体化された光学モジュールの例示的な実装形態のブロック図である。
【図６ｂ】ＱＣカード用の一体化された光学モジュールの例示的な実装形態のブロック図である。
【図６ｃ】ＱＣカード用の一体化された光学モジュールの例示的な実装形態のブロック図である。
【図７】いくつかの実施形態におけるＱＣカードを組み込んだモバイルデバイスのブロック図である。
【図８】ＱＣカード用の汎用基地局のブロック図である。
【図９】ＱＣカードとのＱＫＤ向けに構成された汎用通信信頼機関のブロック図である。
【図１０】同じ光ファイバを量子チャネルおよびパブリックチャネルとして使用する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本明細書では、量子通信（「ＱＣ」）カードと基地局と通信信頼機関との間の量子鍵配送（「ＱＫＤ」）のための技術およびツールについて説明する。例示的な実装形態では、ＱＣカードは、基地局に結合され、通信信頼機関とのＱＫＤによって鍵を取得する、比較的安価で携帯可能なデバイスである。これらの鍵は、安全な通信のセットアップ、認証、アクセス制御、またはその他の用途に使用されてもよい。ＱＣカード／通信信頼機関構成は様々なプロトコルと一緒に使用されてもよい。
【００２６】
説明の都合上、場合によっては、用語「通信信頼機関」は、通信信頼機関の役割を実施するコンピューティングシステムの省略表現として使用され、用語「ユーザ」はユーザに関連するコンピューティングシステムを示すのに使用される。文脈によって明確に示されていないかぎり、本明細書に記載された動作は、コンピューティングシステムを用いて実施され、コンピューティングシステムによって実行される。例えば、通信信頼機関またはユーザに情報を送信すること、値を求めること、通信信頼機関またはユーザから情報を受信することについての記述は、概して、通信信頼機関またはユーザに関連するコンピューティングシステムとの動作を示す。一方、ユーザデバイスへのユーザ入力またはバイオメトリック入力についての記述は、人間のユーザがそのような入力を供給することを意味する。
【００２７】
また、本明細書では用語「システム」と「デバイス」は同じ意味に使用される。文脈によって明確に示されていないかぎり、どちらの語もコンピューティングシステムまたはコンピューティングデバイスの種類に対する限定を意味しない。一般に、コンピューティングシステムまたはコンピューティングデバイスは、ローカルに配置されるかまたは分散配置されてもよく、本明細書に記載された機能を実現するソフトウェアを含む特殊用途ハードウェアおよび／または汎用コンピュータハードウェアの任意の組合せを含んでもよい。用語「ユーザデバイス」は概してユーザに関連するコンピューティングシステムを示す。
【００２８】
本明細書に記載された実装形態の様々な代替実装形態が可能である。フローチャートを参照して説明するある技術は、フローチャートに示されている段階の順序を変更するか、ある段階を分割、反復、または省略することなどによって変更されてもよい。本明細書に記載されたＱＫＤ構成の様々な態様を組み合わせて使用しても、別々に使用してもよい。様々な実施形態は前述の技術およびツールのうちの１つまたは複数を実施する。本明細書に記載された技術およびツールのうちのいくつかは、背景技術において指摘した問題のうちの１つまたは複数に対処する。通常、所与の技術／ツールが全てのそのような問題を解決するわけではない。
【００２９】
Ｉ．例示的な動作環境
図１は、様々なユーザデバイスが通信信頼機関（１０１）とのＱＫＤによって鍵を取得する例示的な動作環境（１００）を示している。ユーザデバイスは、基地局（１０３）に結合されたＱＣカード（１０２）と、ＱＣカードを有する携帯電話（１０７）と、衛星（１０８）と、従来のＱＣ送信機（１０５）に接続されたいくつかのコンピュータ（１０６）とを含む。ユーザデバイスは個人ユーザ用のユーザデバイス、またはユーザとしての企業、金融機関、もしくは政府機関用のユーザデバイスであってもよい。
【００３０】
コンピューティングシステムは通信信頼機関（１０１）を実現する。通信信頼機関（１０１）は、ユーザを認証し、ユーザデバイス（または従来のＱＣ送信機（１０５））との通信において量子鍵を生成し、量子鍵を格納する。ある時点で、通信信頼機関（１０１）は様々なデバイスとのＱＫＤを実行し、通信信頼機関（１０１）は、様々なＱＫＤセッションにおいて生成された量子鍵を格納する。所与のユーザデバイスは、通信信頼機関（１０１）から配布される量子鍵および他の情報を使用して、通信信頼機関（１０１）とのＱＫＤから得られた量子鍵を有する他のユーザデバイスと安全に通信することができる。
【００３１】
ＱＣカード（１０２）は小型ＱＣ送信機を含む。ＱＣカード（１０２）は、通信信頼機関（１０１）とのネットワーク接続を実現し、ＱＣカード（１０２）に電力を供給することができる基地局（１０３）に結合されている。基地局（１０３）、ＱＣカード（１０２）、およびＱＣカード（１０２）とのＱＫＤ向けに構成された通信信頼機関の例示的な実装形態については第ＩＩ節において詳しく説明する。従来のＱＫＤ解決手段は高価で実施が困難である傾向があるが、ＱＣカード（１０２）および基地局（１０３）の例示的な実装形態は比較的安価である。ＱＣカード（１０２）は携帯が容易であり、ＱＫＤによって生成された量子鍵は、従来の非量子鍵配送によってもたらされるセキュリティよりも強力なセキュリティを促進する。
【００３２】
ユーザは、量子鍵を生成するために、ＱＣカード（１０２）を基地局（１０３）に挿入する。通常、ＱＫＤの前提条件として、通信信頼機関（１０１）はユーザを認証する。例えば、ＱＣカード（１０２）は、ユーザからの指紋スキャンおよび個人識別番号（「ＰＩＮ」）を受け入れ、ＰＩＮおよび指紋スキャンデータを暗号化し、暗号化された材料を事前に通信信頼機関（１０１）から供給されている情報と比較するために通信信頼機関（１０１）に送信する。あるいは、ＱＣカード（１０２）は、ユーザを識別する他のバイオメトリック情報および／またはその他の情報を受け入れる。
【００３３】
ＱＣカード（１０２）は次いで、通信信頼機関（１０１）とのＱＫＤを実行し、結果として得られた量子鍵をＱＣカード（１０２）上のセキュアメモリに格納する。図１において、基地局（１０３）は、設置されたファイバ（１０４）を介して通信信頼機関（１０１）に接続されている。設置されたファイバ（１０４）は、ＱＣカード（１０２）と通信信頼機関（１０１）との間のポイントツーポイントＱＫＤ、例えば、量子状態情報を用いて符号化された光子の送信用の量子チャネルとして使用される。ポイントツーポイントＱＫＤは、トポロジーがＱＫＤをサポートするファイバネットワークにおいて単一光学スパンまたは複数のスパンにわたって行われてもよい。例えば、このトポロジーは、ＱＣカードと通信信頼機関との間の中間ルータを含むが、このルータは量子状態情報を保存する。図１では、設置されたファイバ（１０４）は、ＱＣカード（１０２）と通信信頼機関（１０１）との間で非量子情報、例えば、認証情報、ＱＫＤにおける測定基底、基底記録に関する非量子情報、および／または通信信頼機関（１０１）からの非秘密鍵情報を交換するときにパブリックチャネルとしても使用される。あるいは、ＱＣカード（１０２）と通信信頼機関（１０１）は、別の種類のネットワーク媒体（例えば、銅、ＲＦ）もしくは自由空間（光学）または別のネットワークトポロジーを有するファイバネットワークを介して非光量子情報を伝達する。
【００３４】
一使用シナリオでは、ある企業が、その従業員用のＱＣカード（１０２）を購入し、かつその施設に配置された１つまたは複数の基地局（１０３）を購入する。従業員は、定期的に自分のＱＣカード（１０２）を基地局に挿入して量子鍵をロードする。従業員は次いで、インターネットを介した購入、リモートサイトでの認証またはアクセス制御のような活動に量子鍵を使用する。
【００３５】
携帯電話（１０７）は、ＱＣカード（１０２）と従来の携帯電話構成要素とを含む。携帯電話（１０７）は、携帯電話（１０７）に接続されるようになっている基地局（１０３）に結合され、通信信頼機関（１０１）とのネットワーク接続を実現する。携帯電話の基地局（１０３）は、電力を供給するとともに、携帯電話（１０７）上で情報を同期させるためのデータ接続も実現する。携帯電話（１０７）は、ＱＣカード（１０２）および通信信頼機関（１０１）によって生成された量子鍵を格納する。ＱＣカードを含む携帯電話（１０７）の例示的な実装形態については以下に第ＩＩ節において説明する。
【００３６】
図１に示されているように、通信信頼機関（１０１）は、ＱＣカード（１０２）以外のデバイス用の量子鍵を生成してもよい。例えば、通信信頼機関（１０１）は、自由空間を通じたＱＣ送受信用の機器を使用して低軌道衛星（１０８）に量子鍵を配送するＱＫＤを実行する。あるいは、通信信頼機関（１０１）は、安全な施設においてＱＫＤによって生成された量子鍵をローカルに接続されたコンピュータ（１０６）に直接伝達する従来のＱＣ送信機（１０５）とのＱＫＤを実行する。従来のＱＣ送信機（１０５）は、設置されたファイバ（１０４）（例えば、建物、ＦＴＴｘリンク、メトロ領域などにおける電気通信用の標準的なファイバ）または自由空間（例えば、屋根から屋根、飛行機から地面、船から船、衛星から地面）を介して通信信頼機関（１０１）に接続されてもよい。
【００３７】
いずれの場合も、ＱＫＤは、暗号化、安全なマルチパーティ音声通信または映像通信、認証、銀行取引、施設アクセス制御、コンピューティングシステムまたはデータベースのアクセス制御、オンライン制御システムのアクセス制御、車両アクセス、デジタル署名、電子投票、テレプレゼンス、またはそのような用途に量子鍵として使用されてもよい安全な暗号並みの乱数を生成する。乱数として、量子鍵はフォワード秘匿性を有する。量子鍵は、事前に用意された秘密鍵に依存せず、従来のアタックを受けず、また、将来技術が発展して使用するコンピューティング電力が高くなったり、鍵生成アルゴリズムにおいて欠陥が発見されたりしても影響を受けることがない。ＱＫＤによって生成された量子鍵のうちのいくつかを認証および以後のＱＫＤセッションの前の他のセットアップ動作に使用してもよく、従って、そのようなセットアップ動作はユーザに対して自動的であり連続的である。
【００３８】
図１に示されている例では、通信信頼機関（１０１）を実現するコンピューティングシステムはＱＣ受信機を有する。あるいは、通信信頼機関（１０１）を実現するコンピューティングシステムはＱＣ送信機を有し、ＱＫＤの他方の当事者はＱＣ受信機を含む。
【００３９】
図２は、ＱＣカード（１０２）が通信信頼機関（１０１）とのＱＫＤによって得られた量子鍵をさらに配送する例示的な動作環境（２００）を示している。ＱＣカード（１０２）は、格納されている量子鍵を携帯電話（１０７）またはユーザのコンピュータ（１１６）に配送してもよい。例えば、ＱＣカード（１０２）はポイントツーポイントファイバ接続または無線接続を介して量子鍵を送信する。あるいは、ＱＣカード（１０２）は、衛星管制センタ（１１３）に量子鍵を配布し、衛星管制センタ（１１３）が量子鍵を衛星（１１８）にアップロードする。
【００４０】
このように、ＱＣカード（１０２）は、量子鍵をＱＣカード（１０２）のセキュアメモリから宇宙船、船舶、またはその他の乗物上のリモート暗号化装置にロードするときに「フィルガン（fillgun）」として使用されてもよい。例えば、ＱＣカード（１０２）は、端末において基地局に結合されている間に量子鍵をロードし、発射の前に宇宙船に運ばれ、次いで量子鍵を宇宙船上のコンピューティングデバイスにロードする。宇宙船上のコンピューティングデバイスは次いで、端末または別のデバイスとの安全な通信に量子鍵を使用してもよい。
【００４１】
図３は、ＱＫＤによって配送される量子鍵が、安全な通信を確立するために使用され、認証に使用されるかまたはアクセス制御に使用される例示的な動作環境（３００）を示している。ユーザデバイスは、通信信頼機関（１０１）から供給される１つまたは複数の量子鍵および情報を用いて、直接またはインターネットなどの公衆網（１３０）を介して別のユーザデバイスと安全に通信することができる。あるいは、ユーザデバイスは、量子鍵を使用してユーザデバイス自体を別のユーザデバイスに対して認証するかまたはアクセス制御デバイス（１２０）を通じてある施設にアクセスしてもよい。各ユーザデバイスが通信信頼機関とのＱＫＤから量子鍵を受信しているユーザデバイスのネットワーク内で、あるユーザデバイスが、任意の他のユーザデバイスとの安全な接続を、２つのユーザデバイス間のＱＫＤなしに、例えば、通信信頼機関から２つのユーザデバイスの各々に別個に供給されるセッション鍵を使用して確立してもよく、このセッション鍵は、そのユーザデバイスおよび通信信頼機関に既知の量子鍵によって符号化されている。
【００４２】
図３に示されているユーザデバイスは、通信信頼機関（１０１）との任意の形態のＱＫＤによってその量子鍵を取得することができる。図３に示されているユーザデバイスのうちのいくつかは、図１に示されているように、通信信頼機関（１０１）とのＱＫＤによって直接量子鍵を取得している。例えば、携帯電話（１０７）およびＱＣカード（１０２）は、通信信頼機関とのＱＫＤから量子鍵を取得している。ユーザコンピュータ（１０６）は、通信信頼機関とのＱＫＤにおいて従来のＱＣ送信機とのローカルな接続から直接量子鍵を取得している。図３に示されている他のユーザデバイスは、図２に示されているようにＱＣカードから量子鍵を取得している。例えば、衛星（１１８）、携帯電話（１１７）、およびユーザコンピュータ（１１６）は、ＱＣカード（１０２）から量子鍵を取得している。いずれの場合も、ユーザデバイスは、量子鍵がユーザデバイスに配送された位置とは異なる位置でユーザデバイスの量子鍵を使用することができる。
【００４３】
通信信頼機関（１０１）は、（図１のように）ＱＣノードであるとともに従来のネットワークコンタクトポイントでもある。通信信頼機関（１０１）は、ネットワークサーバの役割を果たすＱＫＤの他に、ネットワーククライアントの役割を果たすユーザデバイスとの従来のネットワーク通信を使用して情報を交換してもよい。例えば、ユーザデバイスは、それに格納されている量子鍵によって暗号化された材料（material）を通信信頼機関（１０１）から受信してもよい。
【００４４】
量子鍵は、アルゴリズム暗号化に使用されないときでも安全な通信を促進することができる。２つのユーザデバイスが同じ量子鍵を有する場合、第１のユーザデバイスは格納されている量子鍵を使用して、信号の波長および／またはタイムスロット同士の間で情報内容を拡散するためのパターンを求め、次いで送信時にこのパターンに従って情報を拡散してもよい。第２のユーザデバイスは、格納されている量子鍵からパターンを求め、第２のユーザデバイスが受信した信号からの情報内容を逆拡散する。パターンは、格納されている量子鍵によって決まるが、格納されている量子鍵を暗号化時に使用しなくても、送信時に物理層においてセキュリティが実現される。
【００４５】
ＩＩ．ＱＣカード、基地局、および通信信頼機関を使用したＱＫＤ
代表的なスマートカードは、マイクロプロセッサが埋め込まれた、クレジットカード大の小型プラスチック製デバイスである。いくつかのスマートカードはハッシング関数および事前に用意された秘密鍵を使用して暗号鍵を生成する。次いで、通信、認証、アクセス制御などのための従来の暗号化技術に従って暗号化鍵を使用する。スマートカードは比較的安価であり携帯が容易であるが、多くのシナリオに十分なセキュリティを実現しない。
【００４６】
ハッシング関数を使用して暗号化鍵を生成する機構は、従来のコンピュータによる攻撃を受けやすい。従来、ハッシング関数は、アルゴリズム攻撃がより強力になっているために弱体化しており、現在のスマートカード技術がまだ弱体化されていないという保証はない。要するに、既知のアルゴリズムを使用して鍵を生成するスマートカードは、完全なフォワード秘匿性を有さない乱数を生成し、すなわち、現在の鍵を直前の鍵から予測することができることを意味する。敵対者は、正当なユーザによって入力された数をこのユーザのスマートカードから再符号化し、アルゴリズムを破るかあるいは事前に用意された秘密鍵を求めることができ、それによって、正当なユーザになりすますための鍵を使用可能にすることができる。
【００４７】
一方、ＱＫＤによって生成された量子鍵は強力なフォワード秘匿性を有する。しかし、現在まで、ＱＣセキュリティ解決手段は高価であり実施が困難である傾向がある。
【００４８】
ＱＣカードは、スマートカード技術の利点をＱＫＤの利点と組み合わせる。例示的な実装形態では、ＱＣカードは比較的安価であり、軽量で携帯可能である。ＱＣカードは、通信信頼機関とのＱＫＤによって生成された量子鍵を格納し、量子鍵は強力なフォワードセキュリティを有する。
【００４９】
一般に、ＱＣカードは基地局に結合され、通信信頼機関とのＱＫＤによって量子鍵を生成する。例えば、ユーザはＱＣカードを基地局に挿入し、ＱＣカードは、通信信頼機関に認証情報を送信する。ユーザが認証された場合、ＱＣカードと通信信頼機関は、量子鍵用の暗号並みの秘密乱数を生成する。ＱＣカードは、量子鍵をセキュアメモリに格納する。ＱＣカードは後に、量子鍵を使用するかまたは量子鍵を別のデバイスが使用できるようにそのデバイスに配送してもよい。いずれにしても、ユーザは量子鍵を暗号化、認証、アクセス制御、またはデジタル署名に使用してもよい。ＱＫＤにおいて生成される量子鍵はランダムに生成され、事前に用意された秘密鍵に依存しないので、量子鍵は、施設へのアクセス、コンピューティングシステムへのアクセス、銀行取引、安全なマルチパーティ通信、およびその他の用途に関して強力なセキュリティを実現する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、ＱＣカードは、小型ＱＣ送信機を含み、通信信頼機関のコンピューティングシステムはＱＣ受信機を含む。例えば、ＱＣカードは、ＱＫＤ用の４つの非直交偏光状態のいずれか（例えば、０°、４５°、９０°、または１３５°）を有する個々の光子を選択的に生成することのできる一体化された電子光学モジュールを含む。ＱＣカードは、フットプリントの小さな単一の一体化ユニットとして製造されてもよい。従来ＱＣ送信機と比べて、ＱＣカード内のＱＣ送信機は低出力送信機である。それにもかかわらず、ＱＣカードは、エネルギー消費量が問題にならない程度に、ＱＫＤが可能であるようにＱＣカードが結合された基地局から電力を引き出す。ＱＣカードは、軽量で堅固であり、携帯電話または限定されたサイズ、重量、および電力消費量が望ましい属性であるその他のデバイスに実装されてもよい。
【００５１】
ＱＣカード／通信信頼機関構成は、鍵管理（例えば、対称鍵管理）および／または認証のための任意の利用可能なプロトコルに従って安全なマルチパーティ通信または認証に使用される量子鍵を生成してもよい。
【００５２】
Ａ．ＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＫＤ用の汎用技術
図４ａは、ＱＣカードが通信信頼機関とのＱＫＤによって量子鍵を取得するための汎用技術（４００）を示している。図４ａのいくつかの動作（例えば、ＱＣカードの基地局への取付け、ＱＣカードの基地局からの取外し）はユーザによって物理的に実行されるが、ＱＣカードは対応する動作（例えば、結合、分断）を実行する。図４ｂは、通信信頼機関がＱＣカードとのＱＫＤによって量子鍵を取得するための対応する技術（４５０）を示している。
【００５３】
図４ａを参照する。ユーザがＱＣカードを基地局に取り付ける（４０５）。この時点で、ＱＣカードは、ＱＣカードと通信信頼機関との間でＱＣが可能になるように基地局に結合される。基地局は、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムとのネットワーク接続を確立する。ＱＣカードは、基地局に結合されると、基地局のネットワーク接続部に光学的に結合される。いくつかの実装形態では、ＱＣカードと基地局との光学的な結合はファイバ接続を使用する。あるいは、光学的な結合は無線接続（例えば、自由空間を介した送信）を使用する。
【００５４】
いくつかの実装形態では、基地局によって確立されるネットワーク接続は、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムとのファイバ接続である。このネットワーク接続は、ＱＣカードと通信信頼機関との間の直接的な通信用の専用ポイントツーポイントファイバ接続、１つまたは複数の光ルータを通じたＱＣ送受信を有効化するこれらの光ルータに接続された複数のスパンにわたる専用のファイバ接続、またはＱＣ送受信機器を含むデバイスのネットワークの単一のスパンまたは複数のスパンにわたる商用（非専用）ファイバ接続であってもよい。ＱＣは通常、弱光子パルスを使用して、余分な光子の傍受によって生じる可能性のある問題を軽減する。専用のファイバ（「ダーク」ファイバと呼ばれることもある）は、量子状態情報を符号化する弱光子パルスを伝達し、ブライト同期パルス（bright Synchronization pulses）を伝達してもよい。弱光子パルスは、他のトラフィックがないので検出が比較的容易である。一方、非専用ファイバを介したＱＣの場合、量子状態情報を符号化する弱光子パルスは検出がより困難である。非専用ファイバ（「ライト」ファイバと呼ばれることもある）は、弱光子パルスで量子状態符号化された情報を伝達するが、ブライトパルスで従来のネットワークトラフィックも伝達する。同期、時間多重化、および波長多重化を使用して量子信号の弱光子パルスを他のトラフィックのブライトパルスから分離するときでも、散乱またはその他の障害によって弱光子パルスを検出する作業が困難になることがある。非専用ファイバを介したＱＣ性能を向上させる様々な措置を講じることができる。詳細は、（１）非特許文献１および（２）非特許文献２を参照されたい。
【００５５】
ＱＣカードと通信信頼機関との間のネットワークは、単一のスパンを含んでも複数のスパンを含んでもよい。例えば、２つのスパンがあり、それらの間のルーティングが量子状態符号化情報の量子状態を妨害する場合、ＱＣカードは、同じく通信信頼機関とのＱＫＤを実行する中間信頼ノードとのＱＫＤを実行することができる。中間信頼ノードは続いて、それぞれのＱＫＤセッションの結果として得られた量子鍵を使用して暗号化された量子鍵を、ＱＣカードと通信信頼機関のそれぞれに配送する。あるいは、量子状態が妨害されない場合、ＱＣカードはＱＫＤを複数のスパンにわたって通信信頼機関と直接実行してもよい。
【００５６】
基地局は、ネットワーク接続を確立するだけでなく、ＱＣカードに電力を供給することもできる。例えば、ユーザがＱＣカードを取り付ける際（４０５）、ＱＣカードは基地局に電気的に結合される。ＱＣカードは基地局から電力を引き出す。ＱＣカードはこの電力を使用して、一体化された１つもしくは複数の光学モジュールへの電力供給および／または一体化された１つもしくは複数の光学モジュールの、ＱＣ用の動作温度までの冷却を実行することができる。ＱＣカードと基地局との電気的な結合は、従来の有線技術によって実施されてもよく、またはこの電気的な結合は、（例えば、ＱＣカードと基地局の充電パッドとの間で電磁誘導による短距離の電力伝送を行うために）無線技術によって実施されてもよい。いくつかの実装形態では、ＱＣカードと通信信頼機関は自由空間を介してＱＣを実行し、ＱＣカードが基地局に結合されたときに基地局がＱＣカードに電力を供給し、かつ／またはＱＣカードと位置が揃う。
【００５７】
概して、図４ａおよび図４ｂに示されている技術（４００、４５０）では、基地局は、ネットワーク接続を確立し、場合によっては電力を供給する「ダム（dumb）」端末である。通信信頼機関との実際のＱＫＤを実行するのはＱＣカードであるので、基地局が高い信頼性を有する必要はない。第ＩＩ．Ｃ節の終わりに記載されているような代替的実施形態では、基地局は、一部が高い信頼性を有するかまたは全体的に高い信頼性を有し、ＱＫＤの各態様に関するさらなる機能を実現する。
【００５８】
ユーザの認証がＱＫＤの条件である場合、ＱＣカードは、認証に関する情報を含むメッセージを送信する（４１０）。例えば、ＱＣカードは、指紋スキャン、その他のバイオメトリック証印、ＰＩＮ用の数値入力、または個人情報用のその他のユーザ入力のようなユーザの識別情報を受信する。ＱＣカードは、認証鍵を使用して識別情報を暗号化し、ユーザを認証できるように暗号化された情報をメッセージとして通信信頼機関に送信する。
【００５９】
通信信頼機関は、基地局に結合されたＱＣカードとのＱＣを確立するために、ユーザを認証する。通信信頼機関は、認証に関する情報を含むメッセージを受信する（４５５）。通信信頼機関は、メッセージを検査し（４６０）、適宜ユーザを認証する。例えば、通信信頼機関はメッセージなどの暗号化された情報を受信する。この情報は、認証鍵を使用して暗号化されたユーザの識別情報である。通信信頼機関は、認証鍵を使用して識別情報を解読し、その識別情報に基づいてユーザを認証すべきかどうかを判定する。
【００６０】
概して、ＱＣカードと通信信頼機関との初期ＱＫＤセッションの場合、識別情報を暗号化／解読するのに使用される認証鍵は、通信信頼機関に既知である、ＱＣカードに事前に用意された鍵である。この初期鍵は、続いてＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＫＤにおいて生成された量子鍵によって置き換えられてもよい。新しい量子鍵は、次のＱＫＤセッションの前の認証に使用できるようにＱＣカードおよび通信信頼機関内の特別な位置に格納される。このように、初期認証鍵の再使用が回避され、セキュリティが向上する。
【００６１】
通信信頼機関は、ユーザが認証されたことを示すメッセージをＱＣカードに送信してもよい。ＱＣカードは、ユーザの認証が成功したかどうかを検査する（４１５）。
【００６２】
認証が成功した場合、ＱＣカードと通信信頼機関は互いのＱＫＤにおいて１つまたは複数の量子鍵を作成する（４２０、４７０）。１つまたは複数の量子鍵は、ＱＣ（量子状態で符号化された情報）およびＱＣカードと通信信頼機関との間の非量子通信（例えば、量子鍵を決定するためにパブリックチャネルを介して交換される情報）に基づいて生成される。
【００６３】
ＱＣの方法は実装形態によって決まる。例えば、ＱＣカードは、量子状態で符号化された情報を通信信頼機関のＱＣ受信機に送信するように構成されたＱＣ送信機用の一体化された１つまたは複数の光学モジュールに光学的に結合されたコネクタを含む。量子状態符号化情報は、基地局を介したＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＣの一部として量子チャネル内で送信される。図５および図６ａ〜図６ｃは、例えばＱＣ送信機を含むＱＣカードの詳細を示しており、例示的なＱＣカードの動作について、以下に図５および図６ａ〜図６ｃを参照して説明する。あるいは、ＱＣカードは、通信信頼機関のＱＣ送信機から量子状態で符号化された情報を受信するＱＣ受信機用の一体化された１つまたは複数の光学モジュールを含む。ＱＣカードと通信信頼機関は、ＱＣと非量子通信に同じネットワーク接続を使用してもよい。例えば、ＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＣは、光ファイバ上の量子チャネルを使用し、ＱＣカードと通信信頼機関との間の非量子通信は光ファイバ上のパブリックチャネルを使用する。あるいは、ＱＣと非量子通信はそれぞれの異なるネットワーク接続を使用する。例えば、ＱＣは光学接続を使用するが、非量子通信は非光学接続を使用する。
【００６４】
ＱＣカードは１つまたは複数の量子鍵を格納する（４３０）。通信信頼機関も１つまたは複数の量子鍵を格納する（４８０）。例えば、ＱＣカードは１つまたは複数の量子鍵をＱＣカードのセキュアメモリに格納し、通信信頼機関は１つまたは複数の量子鍵を通信信頼機関のセキュアメモリに格納する。
【００６５】
ユーザは次いで、ＱＣカードを基地局から取り外す（４４０）。この時点で、ＱＣカードは基地局から分断される。いくつかのシナリオでは、ＱＣカードは、フィルガンとして使用され、格納されている量子鍵を別のユーザデバイスに送信し、このユーザデバイスのメモリに格納できるようにする。他のシナリオでは、ＱＣカード自体が、通信信頼機関から量子鍵情報を受信した１つまたは複数の他のデバイスとの安全な通信、認証、アクセス制御などに、格納されている量子鍵を使用する。
【００６６】
例えば、いくつかの使用シナリオでは、ＱＣカード（またはＱＣカードを含むデバイス）が、パブリックチャネル（例えば、無線インターネット接続、携帯電話接続）を介して通信信頼機関と連絡を取り、格納されている量子鍵を使用して識別情報を暗号化し、暗号化された識別情報をパブリックチャネルを介して通信信頼機関に送信する。通信信頼機関は、同じ量子鍵または格納されている次の量子鍵を使用して解読された暗号化された鍵材料で応答する。次いで、この鍵材料を１つまたは複数の他のデバイスとの安全な通信、１つまたは複数の他のデバイスに対する認証、１つまたは複数の他のデバイスに対するアクセス制御などに使用してもよい。１つまたは複数の他のデバイスは、同様にパブリックチャネルを介して通信信頼機関と通信し、同様に、１つまたは複数の他のデバイスのそれぞれが解読し使用することのできる暗号化された鍵材料を受信する。
【００６７】
他の使用シナリオでは、ＱＣカードは、リモートサイトにおいてペイロードデータを暗号化するのに使用される安全な暗号鍵を生成する。暗号化されたペイロードデータは、安全な位置に戻され、ＱＣカードがユーザを認証した後で、ＱＣカード上に格納されている安全な暗号鍵を使用して解読される。ＱＣカードは、セキュリティレベルに応じて、ローカルに格納されているバイオメトリック署名またはＰＩＮを使用してユーザを認証してもよく、またはＱＣカードは、ユーザ用の識別情報を暗号化し、暗号化された識別情報を認証が可能になるように通信信頼機関に送信してもよい。あるいは、ＱＣカードは、前のパラグラフにおいて説明した手法を使用して、安全な暗号鍵を、解読特権が与えられた別のコンピューティングシステムに伝達してもよく、このコンピューティングシステムは、安全な暗号鍵を使用して、暗号化されたペイロードを解読してもよい。ＱＣカード上で数学的プロトコルを秘密鍵と一緒に使用することによって、暗号鍵を安全に転送することができる。鍵情報が安全でない回線を介して転送されるとき、通信信頼機関は、このプロトコル、およびすでにＱＣカード上に存在する（必要に応じて、さらに他のコンピュータ上に存在する）秘密ビットの知識を使用して鍵を安全に転送することができる。
【００６８】
あるいは、ＱＣカードおよび１つまたは複数の他のデバイスは、別のプロトコルに従って安全な通信またはその他の機能に量子鍵を使用する。
【００６９】
Ｂ．例示的なＱＣカード
図５は、ＱＣカード／通信信頼機関構成において使用されるように構成された例示的なＱＣカード（５００）を示している。上位では、ＱＣカード（５００）は、１つまたは複数のコネクタと、一体化された光学モジュールと、量子鍵を格納するメモリとを含む。１つまたは複数のコネクタは、通信信頼機関とのＱＣが可能になるように基地局に（有線接続または無線接続を介して）結合されるように構成されている。一体化された光学モジュールは、基地局を介したＱＣの一部として情報を送信するように構成されている。図６ａ〜図６ｃは、鍵電気光学要素が、ＱＣ送信の安定性を増し、一方、重量を減らしてサイズを小さくするように小型化された、一体化された光学モジュールの例示的な実装形態を詳細に示している。
【００７０】
１．汎用ＱＣカード
図５において、一体化された光学モジュール（５１０）は、非専用光ファイバを介して通信できるように構成されている。量子チャネルとしての光ファイバを介したＱＣの場合、一体化された光学モジュール（５１０）は、量子状態の変調が（ＱＣ受信機によって）測定されるバイナリ情報を送信する。一体化された光学モジュール（５１０）は、光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成されたネットワークトランシーバも実現し、量子状態の変調が（ＱＣ受信機によって）測定されないバイナリ情報を送受信する。
【００７１】
一体化された光学モジュール（５１０）のうちで、ドライバ電子機器を含むレーザ変調器（５１２）は、ＱＣにおいて送信される光子を生成するように構成されたレーザと、レーザの出力の量子状態（例えば、偏光状態）を変調するように構成された変調器とを含む。変調器は、レーザに光学的に結合され、例えば、偏光状態を０°と４５°と９０°と−４５°との間で変調するニオブ酸リチウム変調器によって実現されてもよい。（システムは、光ファイバ内で偏波追尾を使用して偏光状態をＱＣ送信機からＱＣ受信機へ維持してもよい。）あるいは、変調器は、別の種類の一体化された光変調器またはバルク結晶変調器によって実現される。どの変調器を選択するかは実装形態ごとに異なり、例えば、レーザの特定の波長に対する変調器の適切性、変調器の動作周波数、および／または生成される偏光状態の状態純度に依存するものであってよい。
【００７２】
可変光減衰器（５１４）はレーザに光学的に結合されている。この減衰器は、レーザのパルス当たり光子数を減らすように構成されており、余分な光子を傍受する盗聴の試みを失敗させることによってＱＣのセキュリティを向上させる。モニタアバランシェフォトダイオード（「ＡＰＤ」）（５１７）は、光ファイバスプリッタ（５１６）によって他のモジュールから分割され、ＱＣに使用されるレーザからパルス当たり光子数を測定するように構成されている。例えば、ＡＰＤ（５１７）は、１つまたは複数のＩｎＧａＡｓ光子検出器によって実現される。ＡＰＤ（５１７）は、レーザ減衰器（５１４）をＱＣに対して制御するのに使用されるフィードバックを供給する。別の検出器（図示せず）は、非量子通信用の従来の光ファイバ受信機として情報を受信する。
【００７３】
プロトコル論理を有するプロセッサ／フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）（５２０）は、通信信頼機関とのＱＣの一部としての様々な動作を制御する。特に、プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、モジュール（５１２）に電気的に結合され、レーザ変調器（５１２）に付属するドライバ電子機器を通じてレーザ変調器の動作同士を調和させるように構成されている。乱数発生器は、高品質の乱数用の一連のランダムビットを生成する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、高忠実度偏光制御によって、変調器と一緒に光子の偏光を制御し、ランダムビットをＱＣプロトコルに従ってそれぞれの異なる偏光状態として符号化する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、ＱＣのパルス当たり光子数（ＡＰＤ（５１７）によって測定される）を監視する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、レーザ可変光減衰器（５１４）を制御することによって、レーザのパルス当たり光子をパルス当たり単一光子の平均レベルまで選択的に減らすことができる。
【００７４】
従って、プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、ＱＣのレーザによって生成される単一光子パルスのタイミングおよびパターンを制御する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、同期、非量子通信、および／またはその他の目的で生成されるブライトパルスのタイミングおよびパルスも制御する。単一光子パルスおよびブライトパルスのタイミングおよびパターンは、ＧＰＳモジュール（５９０）および発振器によって厳密にタイミングが図られる既知のパターンに従うタイミングおよびパターンであってもよい。ブライトパルスは、ＱＣカード（５００）のＱＣ送信機と通信信頼機関におけるＱＣ受信機との同期を助けるだけでなく、通信信頼機関がＱＣカード（５００）と通信信頼機関とのファイバ接続による偏光状態の変動を追跡し補正できるように、偏光された光子を通信信頼機関に送信することができる。
【００７５】
いくつかの実装形態では、ブライトパルスは、従来のトランシーバ（ＱＣではない）の機能も実現する第２のレーザによって生成される。他の実装形態では、同じレーザがＱＣ送信、ＱＣ制御／同調、および従来のトランシーバ機能に使用されるが、従来のトランシーバ機能およびＱＣ制御／同調機能に加えられる減衰が弱くなる。例えば、一体化された光学モジュール（５１０）は、ブライトタイミング／制御パルスの送信から同じレーザによる単一光子パルス制御への切替えを容易にする複数の減衰器を含んでもよい。ＱＣカード（５００）内のレーザをＱＣ受信機との同期、同調、制御などの動作に使用することは、タイミング／制御パルスが量子状態符号化情報を含まないにもかかわらず、（ＱＣタイミング／制御パルスには量子状態符号化情報が組み込まれているので）ＱＣの一部とみなされてもよい。ＱＣカード（５００）は、パブリックチャネルとしての光ファイバを介した非光量子通信において他の情報（例えば、ＱＫＤにおける送信基底に関する情報、その他のＱＫＤプロトコル情報、通信信頼機関に対する非秘密鍵情報の要求）を送信する。
【００７６】
ＱＣプロトコルの他の態様では、プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、通信信頼機関と動作を制御し、ＱＣに関する量子状態およびパルス当たり送信基底を記録し、記録された送信基底を（パブリックチャネルでの通信信頼機関との非量子通信において）通信信頼機関に送信し、従来のＱＣプロトコル要素を他の方法で処理して量子鍵を求める。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、プライバシー増幅の動作とデコイ状態との調和を図ってＱＫＤのセキュリティをさらに向上させてもよい。プライバシー増幅は、（例えば、ハッシュ関数を用いたハッシングによって）共有されるビット列の長さを短くし、盗聴者が得る可能性がある部分的な情報を減らす。列の最終的な長さは、検出されたエラーの数に応じて設定してもよい。弱レーザパルスのような不完全な単一光子源の場合、それぞれの異なる平均光子数（輝度）のデコイ状態を送信してもよく、それによって、ビット列内の単一光子のエラーレートおよび数を求め、それらを使用してプライバシー増幅の程度を調整してもよい。
【００７７】
メモリ（５２２）は、少なくとも部分的にＱＣに基づいて生成された１つまたは複数の鍵を格納する。例えば、メモリ（５２２）は、ＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＫＤにおいて生成された量子鍵を格納する。メモリ（５２２）は、認証のために使用される事前に用意された初期秘密鍵のような他の鍵を格納してもよい。いくつかの実装形態では、メモリ（５２２）は、ＱＣカード（５００）がメモリ（５２２）へのアクセスを制御する点、鍵が暗号化形態でメモリ（５２２）に格納される点、および／またはメモリ（５２２）が物理的な改ざんに抵抗する点でセキュアメモリである。メモリ（５２２）は、一体化された光学モジュール（５１０）と一緒に製造されても、ＱＣカード（５００）内に別個に配置されてもよい。
【００７８】
電源（５８０）は、電力を供給してレーザ、変調器、およびＡＰＤ（５１７）を動作温度まで冷却する。ＱＣカード（５００）が基地局から電力を引き出すとき、電源（５８０）を迂回してもよく、電源を使用してＱＣカード（５００）の電池（図示せず）を再充電してもよい。
【００７９】
光ファイバコネクタ（５３２）は、ＱＣカードの一体化された光学モジュール（５１０）に光学的に結合されている。光ファイバコネクタ（５３２）は、ＱＣ用の単一光子パルス、ＱＣ制御／同調用のブライトパルス、および光ファイバ上のその他のパルスを伝達して出力する。言い換えれば、ＱＣカード（５００）が基地局に結合されると、光ファイバコネクタ（５３２）が一体化された光学モジュール（５１０）を基地局の光ファイバ接続部に光学的に結合する。あるいは、ＱＣカード（５００）は、ＱＣカード（５００）と基地局との間の自由空間送信を使用して基地局に光学的に結合され、かつＱＣカード（５００）は、そのような自由空間送信向けに構成されたコネクタを含む。
【００８０】
電気的／機械的コネクタ（５３４）は、電源（５８０）に電気的に結合され、場合によっては、一体化された光学モジュール（５１０）またはＱＣカード（５００）の他のモジュールに直接結合される。電気的／機械的コネクタ（５３４）は、ＱＣカード（５００）を基地局に機械的に取り付け、基地局から電力を引き出すように構成されている。この電力を使用して１つまたは複数の一体化された光学モジュール（５１０）への電力の供給、ＱＣカードの電池の再充電、および／または１つもしくは複数の一体化された光学モジュール（５１０）の動作温度までの冷却を実施してもよい。あるいは、電気的／機械的コネクタ（５３４）は電気コネクタと機械的コネクタに分離され、または電気的／機械的コネクタ（５３４）は光ファイバコネクタ（５３２）と組み合わされる。電気的コネクタを基地局との有線接続を通じて電力を引き出すように構成してもよい。あるいは、電気的コネクタを基地局との無線接続を通じて電力を引き出すように構成してもよい。例えば、ＱＣカード（５００）はその電気的コネクタの一部としてコイルを含み、基地局の充電パッドは、ＱＣカード（５００）が充電パッド上に位置するときに電磁誘導によって電力を伝送する対応するコイルを含む。この場合、機械的接続が可能になるように、ＱＣカード（５００）の全体的な形状を充電パッド内に嵌るように構成してもよい。フィルガンとして使用できるように、ＱＣカード（５００）は、別のデバイスに１つまたは複数の鍵を送信できるようにＱＣカードをそのデバイスに結合するように構成された別のコネクタ（図示せず）を含んでもよく、または光ファイバコネクタ（５３２）をそのような送信に使用してもよい。
【００８１】
バイオメトリックリーダ（５４０）は、ユーザのバイオメトリック証印を受け入れるように構成されたスキャナまたはその他のモジュールである。例えば、バイオメトリックリーダ（５４０）は指紋スキャナである。プロセッサ／ＦＰＧＡ（５２０）は、セキュアメモリ（５２２）に格納されている鍵を用いてバイオメトリック証印を暗号化する論理を含んでよい。あるいは、１つまたは複数の他の暗号化モジュール（図示せず）がそのような暗号化機能を実現してもよい。
【００８２】
タッチスクリーンディスプレイ（５５０）は、ユーザ認証の一部としてバイオメトリック証印と一緒に暗号化することのできる（例えば、数値キーパッドへの）ユーザ入力を受け入れる。タッチスクリーンディスプレイ（５５０）はまた、ユーザに情報（例えば、メモリ（５２２）内の量子鍵の数、通信信頼機関と連絡を取って量子鍵を作成することを求めるプロンプト、互いに安全な通信を開始することを求めるプロンプト、または別の機能に関するプロンプト）を表示し、ユーザ入力を受け入れてＱＣカード（５００）を制御する。あるいは、ＱＣカード（５００）は別の種類のユーザ入力デバイスおよび／またはユーザ出力デバイスを含む。
【００８３】
一体化された光学モジュール（５１０）の外側において、携帯デバイス用の標準的な構成要素によってＱＣカード（５００）の機能モジュールの大部分を実現してもよい。一体化された光学モジュール（５１０）のうちで、多くのモジュール（例えば、減衰器（５１４）、モニタＡＰＤ（５１７）、スプリッタ（５１６）およびＡＰＤ弁別器ハイブリッド（５１８））を光ファイバ通信用の標準的な構成要素によって実現してもよい。他の機能モジュール（例えば、ＦＰＧＡ）は、（１）光ファイバ変調器と一緒に特定の偏光状態を生成し、（２）通信信頼機関がＱＣを実施する際にタイミング変動および時間変動を追跡できるように、ＧＰＳ（５９０）および発振器または原子時計によって定められる既知のパターンを有する厳密にタイミングが図られたＱＣパルスおよびブライトパルスの生成を調整し、（３）タイミングシステムおよびＡＰＤ（５１７）を使用してパルス当たり平均光子数を監視し、（４）ＡＰＤバイアス、ゲーティングおよび弁別器（５１８）電子機器を制御し、（５）例えば、従来のＱＣプロトコル制御要素を処理して偏光状態情報を追跡し、補正し、交換するために従来のＱＣ送信機と一緒に使用されている既存のＱＫＤ制御構成要素によって実現されてもよい。一体化された光学モジュール（５１０）は、低コストの製造が可能になるように単一の基板上に実現されても、別々の基板上に実現されてもよい。
【００８４】
図５に示されているＱＣカード（５００）は、ＱＣ送信機を実現するモジュールを含む。代替的実施形態では、ＱＣカードは、ＱＣ受信機を実現するモジュールを含み、通信信頼機関を実現するコンピューティングデバイスはＱＣ送信機用のモジュールを含む。ＱＣカードは、量子チャネルとしての光ファイバを介した通信の一部として、１つまたは複数の鍵を作成するときに量子状態の変調が測定されるバイナリ情報を受信する。例えば、ＱＣカードは、図５のＱＣカード（５００）と同様に、バイオメトリックリーダ、電源、タッチスクリーンディスプレイ、およびコネクタを含む。ＱＣカードは、フィルタをＱＣ送信機の狭周波数レーザ出力に較正し、ＱＣ送信機からのブライトパルスおよび単一光子パルスについてパルスパターンを一致させ、ブライトパルスが受信されたときに単一光子検出器がオフになり、ブライトパルスが多光子検出器に光学的に切り替えられるように、パルスレートおよびクロックフェーズに応じてＱＣの単一光子パルス用の光子検出器のゲーティングを同期させるＱＣ受信機モジュールを含む。最後に、ＱＣカードは、ＱＣ受信機として動作できるように構成された、プロトコル論理を含むプロセッサ／ＦＰＧＡも含む（動作の詳細については、通信信頼機関のＦＰＧＡの説明を参照されたい）。
【００８５】
図５に示されているＱＣカード（５００）は、光ファイバを介した通信向けに構成されている。代替的実施形態では、ＱＣカードは、通信信頼機関との自由空間を介したＱＣ向けに構成される。例えば、ＱＣカードは、携帯電話塔またはその他の位置における受信機端末に自由空間を通じて光子を伝送する。この目的を実現するために、ＱＣカードを、ＱＣカードに電力を供給する基地局に結合し、受信機端末への送信が可能になるようにＱＣカードの位置を揃えてもよい。受信機端末は、ＱＣカードから光子を収集し、リモート通信信頼機関に接続された光ファイバに案内するが、この場合、複雑な光学機器が必要になり、情報が失われることがある。あるいは、ＱＫＤが可能になるように、受信機端末としては、ＱＣ受信および／またはＱＣ送信用の機器を含む信頼性の高い中間ノードが用いられている。受信機端末とＱＣカードは、自由空間を介したＱＫＤによって量子鍵を生成する。受信機端末と通信信頼機関も、ファイバ接続を介したＱＫＤによって量子鍵を生成する。受信機端末は次いで、鍵確立プロトコルの変形例を使用してランダムに生成された秘密鍵を（ＱＣカードと受信機端末との間のＱＫＤから得られた量子鍵を使用して）ＱＣカードに伝達するとともに、（受信機端末と通信信頼機関との間のＱＫＤから得られた量子鍵を使用して）通信信頼機関に伝達する。ＱＣカードと中央通信信頼機関は次いで、秘密鍵を使用できるように格納する。
【００８６】
２．一体化された光学モジュールの例示的な実装形態
図６ａ〜図６ｃは、ＱＣカード用の一体化された光学モジュールの例示的な実装形態（６００、６０１、６０２）を示している。図６ａに示されている実装形態（６００）では、テレコムレーザ（６１０）が、アイソレータ（６１２）および結合光学機器（６１４）を通じて導波管またはファイバ（６１６）に案内される光子を放出する。導波管またはファイバ（６１６）は、ファイバコネクタ（６９０）に結合された光ファイバ（６８８）に光子を伝送する。テレコム検出器（６１８）は、従来の光通信の一部としてファイバコネクタ（６９０）を通じて受信された光子を検出する。
【００８７】
量子レーザ（６５０）は、アイソレータ（６５２）および結合光学機器（６５４）を通じて導波管（６５５）に案内される光子を放出する。スイッチ（６５６）は、導波管（６５５）を減衰器（６６０）と可変減衰器（６６２）と偏光コントローラ（６７０）とを含む別の導波管に選択的に係合する。例えば、スイッチ（６５６）は、マッハ−ツェンダー干渉計の出力ポートを交換することによって実現されてもよい。この場合、図６ａに示されているスイッチ出力はどちらも実際には同じ出力であるが、スイッチ（６５６）が投入されたときに、消光比は約２７ｄＢだけ変化する。これによって、レーザ輝度が高速の単一ステップによって著しく変化する。より一般的には、スイッチ（６５６）は可変減衰器として働く。
【００８８】
導波管は、ファイバコネクタ（６９０）に結合された光ファイバ（６８８）に減衰された光子パルスを伝送する。複数の導波管の接合部の所で、サーキュレータ（６８３）が、光伝搬方向に応じて光をある導波管から別の導波管に送る。ファイバコネクタ（６９０）からの光はテレコム検出器（６１８）に送られ、テレコムレーザ（６１０）または量子レーザ（６５０）からの光はファイバコネクタ（６９０）の方へ送られる。サーキュレータ（６８５）は同様に、光伝搬方向に応じて光をファイバからファイバへと送る。
【００８９】
プロトコル論理（図示せず）は、可変減衰器（６６２）を制御して量子レーザ（６５０）から単一光子パルスを生成する。プロトコル論理は、偏光コントローラ（６７０）を制御して単一光子パルスの偏光状態を変調し、それによってＱＣ用の乱数のビットを符号化する。例えば、量子レーザ（６５０）は（ファイバ送信向けの１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍのような）適切なテレコム波長で動作し、偏光コントローラ（６７０）はニオブ酸リチウム変調器である。あるいは、量子レーザ（６５０）は（自由空間送信向けの７８０ｎｍのような）適切な別の波長で動作し、および／または偏光コントローラ（６７０）はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）変調器である。量子状態情報が対角基底状態および円状基底状態で符号化される場合、偏光変調器ではなく、移相変調器を使用して偏光を対角から左回りに変更するか、または偏光を反対角から右回りに変更してもよい。最後に、図６ａは偏光コントローラ（６７０）から分離された量子レーザ（６５０）を示しているが、この代わりに、量子レーザ（６５０）と偏光コントローラ（６７０）／変調器を、場合によっては同じモジュール内に振幅変調器を含めてより密に一体化してもよい。
【００９０】
光子検出器（６８２）は、量子レーザ（６５０）のパルス当たり光子数を測定する。プロトコル論理は、光子検出器（６８２）からのフィードバックを使用して可変減衰器（６６２）を制御してもよい。別の光子検出器（６８４）をＱＣフィードバックのために使用してもよい。例えば、第１の光子検出器（６８２）は、量子レーザ（６５０）をテレコムレーザ（６１０）と相互運用することができるように量子レーザ（６５０）のシステム較正および正規化に使用され、第２の光子検出器（６８４）は、量子レーザ（６５０）からのパルスが単一光子パルスであるかどうかを評価するのに使用される単一光子検出器である。いくつかの実装形態では、光子検出器（６８２、６８４）はＩｎＧａＡｓ検出器である。
【００９１】
熱電気冷却構成要素（図示せず）は、レーザ（６１０、６５０）および光子検出器（６８２、６８４）を適切な動作温度まで冷却する。
【００９２】
図６ａは、２つのレーザを示している。あるいは、実装形態（６００）は、単一のレーザをテレコムレーザ（６１０）と量子レーザ（６５０）の両方として使用する。この場合、減衰器（６６２）は、量子レーザとしての動作を可能にする単一光子パルスとテレコムレーザとしての動作を可能にするブライトパルスとの切替えを容易にする。図６ｂおよび図６ｃに示されているように、さらなる可変減衰器を追加してそのような切替えを容易にしてもよい。
【００９３】
構成要素の多くは、図６ａ〜図６ｃの各実装形態（６００、６０１、６０２）において同じである。特に明記しないかぎり、図６ａ〜図６ｃにおいて同じ参照符号を有する構成要素については、図６ａに関する上記の説明が図６ｂおよび図６ｃにも当てはまる。
【００９４】
図６ｂの実装形態（６０１）には、図６ａのスイッチ（６５６）がないが、量子レーザ（６５０）を事実上離脱させるのに使用することのできるさらなる可変減衰器（６６４）を含む。図６ｃの実装形態（６０２）にもスイッチ（６５６）がなく、さらなる可変減衰器（６６４）を含む。図６ｃは、ルーティングおよび光学機器の別の変形例を示している。図６ｃの実装形態（６０２）は、導波管（光ファイバではない）と、導波管（６５５）を光学的にファイバコネクタ（６９０）に結合する結合光学機器（６８８）のみを含む。図６ｃの実装形態（６０２）における導波管は、サーキュレータ（６８３、６８５）の代わりに、光が必要に応じて送られるように形作られている。
【００９５】
３．ＱＣカードを有する例示的なモバイルデバイス
図７は、全体的に（７０２）に示されている様々なハードウェア構成要素およびソフトウェア構成要素を含む例示的なモバイルデバイス（７００）を示すシステム図である。モバイルデバイス内のあらゆる構成要素（７０２）が他の構成要素と通信することができる。ただし、図示を容易にするために、全ての接続が示されているわけではない。このモバイルデバイスは、様々なコンピューティングデバイス（例えば、携帯電話、スマートフォン、ハンドヘルドコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタントなど）のいずれであってもよく、セルラネットワークまたは衛星ネットワークのような１つまたは複数のモバイル通信網（７０４）による無線２方向通信を可能にするものであってよい。
【００９６】
特に、モバイルデバイス（７００）は、ＱＣカード（７７０）と、量子鍵を格納するセキュアメモリ（７７２）とを含む。例えば、ＱＣカード（７７０）は、図５を参照して説明したＱＣカード（５００）の変形例であり、モバイルデバイス（７００）は、タッチスクリーンディスプレイ、バイオメトリックリーダ、およびＧＰＳモジュール（ＱＣカード（７７０）に含まれるそのような構成要素に代わる構成要素）を含む。
【００９７】
図示のモバイルデバイスは、信号符号化、データ処理、入出力処理、電力制御、および／またはその他の機能のようなタスクを実行するコントローラまたはプロセッサ（７１０）（例えば、信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、または他の制御処理論理回路）を含んでもよい。オペレーティングシステム（７１２）は、構成要素（７０２）の割当ておよび使用並びに１つまたは複数のアプリケーションプログラム（７１４）のサポートを制御することができる。アプリケーションプログラムは、共通モバイルコンピューティングアプリケーション（例えば、ｅメールアプリケーション、カレンダー、コンタクトマネージャ、ウェブブラウザ、メッセージングアプリケーションを含む）または任意の他のコンピューティングアプリケーションを含んでもよい。いくつかのシナリオでは、アプリケーションプログラムは、セキュアメモリ（７７２）格納されている量子鍵のうちの１つまたは複数を使用して、モバイルデバイス（７００）に伝達される情報の暗号化および／または解読を行う。
【００９８】
図示のモバイルデバイスはメモリ（７２０）を含んでもよい。メモリ（７２０）には非リムーバブルメモリ（７２２）および／またはリムーバブルメモリ（７２４）を含めてもよい。非リムーバブルメモリ（７２２）には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ディスクドライブ、またはその他の公知のメモリストレージ技術を含めてもよい。リムーバブルメモリ（７２４）には、フラッシュメモリ、またはＧＳＭ（登録商標）通信システムにおいて公知の加入者識別モジュールカード、またはその他の公知のメモリストレージ技術を含めてもよい。メモリ（７２０）は、オペレーティングシステム（７１２）およびアプリケーション（７１４）を実行するためのデータおよび／またはコードを格納するのに使用されてもよい。例示的なデータには、１つもしくは複数の有線ネットワークもしくは無線ネットワークを介して１つもしくは複数のネットワークサーバもしくはその他のモバイルデバイスとの間で送受信されるウェブページ、テキスト、画像、音声ファイル、映像データ、またはその他のデータセットを含めてよい。
【００９９】
モバイルデバイスは、タッチスクリーン（７３２）、マイクロフォン（７３４）、カメラ（７３６）、物理的キーボード（７３８）および／またはトラックボール（７３９）のような１つまたは複数の入力デバイス（７３０）と、スピーカ（７５２）およびディスプレイ（７５４）のような１つまたは複数の出力デバイス（７５０）とをサポートしてもよい。タッチスクリーン（７３２）および／またはカメラ（７３６）は、バイオメトリックリーダ用の機能を実現してもよく、またはモバイルデバイス（７００）は専用のバイオメトリックリーダ（７４０）を含んでもよい。考えられる他の出力デバイス（図示せず）には圧電出力デバイスまたはその他の触角出力デバイスを含めてもよい。いくつかのデバイスは複数の入出力機能を実行してもよい。例えば、タッチスクリーン（７３２）とディスプレイ（７５４）を単一の入出力デバイスとして組み合わせてもよい。
【０１００】
無線モデム（７６０）はアンテナ（図示せず）に結合されてもよく、当技術分野においてよく理解されているようにプロセッサ（７１０）と外部デバイスとの間の２方向通信をサポートしてもよい。モデム（７６０）は総体的に示されており、モバイル通信網（７０４）と通信するセルラモデムおよび／または無線ベースモデム（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）またはＷｉ−Ｆｉ）を含めてもよい。無線モデム（７６０）は通常、単一のセルラネットワーク内のデータ通信および音声通信、セルラネットワーク同士の間のデータ通信および音声通信、またはモバイルデバイスと公衆交換電話網との間のデータ通信および音声通信用のＧＳＭネットワークのような１つまたは複数のセルラネットワークとの通信が可能になるように構成される。
【０１０１】
モバイルデバイスは、少なくとも１つの入出力ポート（７８０）、電源（７８２）、ＧＰＳ受信機などの衛星ナビゲーションシステム受信機（７８４）、アクセレロメータ（７８６）、（アナログ信号またはデジタル信号を無線送信するための）トランシーバ（７８８）、並びに／またはＵＳＢポート、ＩＥＥＥ１３９４（ファイアウォール）ポートおよび／もしくはＲＳ−２３２ポートであってもよい物理的コネクタ（７９０）をさらに含んでもよい。図示の構成要素（７０２）は、必須のものでも包括的なものでもなく、構成要素を削除するかまたは他の構成要素を追加してもよい。セキュアメモリ（７７２）に格納されている量子鍵は、モデム（７６０）、ポート（７８０）、トランシーバ（７８８）または物理的コネクタ（７９０）を使用したパブリックチャネルを介した非量子通信において送信または受信される情報の暗号化および／または解読を行うのに使用されてもよい。
【０１０２】
Ｃ．例示的な基地局
図８は、図５を参照して説明したＱＣカード（５００）のようなＱＣカードに結合されるように構成された汎用基地局（８００）を示している。図８に示されている基地局（８００）は、ＱＣカードに光学的および電気的に結合され、通信信頼機関とのＱＣ用のネットワーク接続を確立する基本構成要素を含む「ダム」端末である。
【０１０３】
基地局（８００）は、基地局を通じたＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＣの一部として量子チャネルにおいて情報を伝達するネットワーク接続部（８７０）を含む。例えば、ネットワーク接続部（８７０）は、量子チャネルにおけるＱＣに非専用光ファイバを使用し、ネットワーク接続部（８７０）は、ＱＣカードと通信信頼機関との間のパブリックチャネルにおける非量子通信にも非専用光ファイバを使用する。あるいは、ネットワーク接続部（８７０）は通信信頼機関との別の種類の光接続を使用する。
【０１０４】
基地局（８００）は、ＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＣ用のＱＣカードに結合されるように構成されたコネクタを含む。特に、基地局（８００）は、ＱＣカードが基地局（８００）に結合されるときに基地局（８００）のネットワーク接続部（８７０）にＱＣカードを光学的に結合するように構成された光ファイバコネクタ（８３２）を含む。あるいは、ＱＣカードは、ＱＣカードと基地局（８００）との間の自由空間送信を使用して基地局（８００）に光学的に結合され、基地局（８００）はそのような自由空間送信向けに構成されたコネクタを含む。
【０１０５】
基地局（８００）は、ＱＣカードを基地局（８００）に機械的に取り付ける電気的／機械的コネクタ（８３４）も含む。コネクタ（８３４）は、ＱＣカードが基地局（８００）に結合されるときに電源（８８０）を通じてＱＣカードに電力を供給する。図８は、電気的コネクタおよび機械的コネクタを光ファイバコネクタ（８３２）とは別にまとめて単一のコネクタ（８３４）として示しているが、その代わりに、電気的コネクタ、光ファイバコネクタ、および機械的コネクタは、３つのコネクタとして分離されても、単一のコネクタとして組み合わされてもよい。電気的コネクタは、有線接続を通じてＱＣカードに電力を供給するように構成されてもよい。あるいは、電気的コネクタは、無線接続を通じてＱＣカードに電力を供給するように構成されてもよい。例えば、ＱＣカードはコイルを含み、基地局（８００）の充電パッドは、ＱＣカードが充電パッド上に位置するときに電磁誘導によって電力を伝送する基地局（８００）の電気的コネクタの一部としての対応するコイルを含む。この場合、機械的接続が可能になるように、基地局（８００）の全体的な形状を、ＱＣカードが充電パッド内に嵌るように構成してもよい。
【０１０６】
基地局（８００）が「ダム」端末である実装形態では、基地局（８００）は、通信信頼機関とのファイバ接続を確立し、（例えば、ＱＣカードに電力を供給し、ＱＣカードの電池を再充電するために）ＱＣカードに電力を供給し、そのため、基地局には簡素で安価な設計が施されている。ＱＣカードと通信信頼機関によってシステムセキュリティが実現されるので、基地局がセキュリティ機能を実現する必要はない。
【０１０７】
代替的実施形態では、基地局は、基地局に結合された通信信頼機関とＱＣカードとの間のＱＫＤ用のさらなる機能を実現する構成要素を含む信頼性の高い端末または部分的に信頼性の高い端末である。基地局は、信頼性の高い端末として、通信信頼機関とのＱＫＤを実行し、ＱＣカードを使用して通信信頼機関によりユーザが認証されたときにＱＣカードに鍵をアップロードする。このＱＣカードは、もはやＱＣ構成要素を有していないのでずっと小型でかつ安価であってもよい。
【０１０８】
基地局は、部分的に信頼性の高い端末として、光子レベル監視、タイミング制御のようなサービスを実施する。例えば、基地局は、パルス当たり光子数を監視するように構成された光子検出器と、ＱＣ用のレーザによって生成されるパルスのタイミングおよびパターンを制御するように構成されたプログラム可能な論理とを含む。プログラム可能な論理は、タイミング、非量子通信、および／またはその他の目的のために別のレーザによって生成されるパルスを制御するように構成されてもよい。ＱＣカードは、ＱＣ送信を有効化するように部分的に信頼性の高い基地局に結合されるが、ＱＣカードは、ダム端末に結合されるように構成されたＱＣカードよりもずっと小型でかつ安価であってもよい。しかし、ＱＣカードは、部分的に信頼性の高い端末モデルではセキュリティが低い。部分的に信頼性の高い基地局にアクセスできる敵対者は、基地局に、より傍受または盗聴を受けやすい光子パルスをＱＣカードに送信させることができる。
【０１０９】
Ｄ．ＱＣカードとのＱＫＤ向けに構成された例示的な通信信頼機関
図９は、ＱＣカードとのＱＫＤ向けに構成された通信信頼機関を実現する汎用コンピューティングシステム（９００）を示している。上位では、コンピューティングシステム（９００）はコネクタと、光学モジュールと、量子鍵を格納するメモリとを含む。
【０１１０】
図９において、光学モジュールは、非専用光ファイバを介した通信向けに構成されている。量子チャネルとしての光ファイバを介したＱＣの場合、光学モジュールは、基地局に結合されたＱＣカードのＱＣ送信機から受信されたバイナリ情報の量子状態の変調を測定する。光学モジュールは、光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて情報を送受信するように構成されたネットワークトランシーバも実現する。
【０１１１】
光ファイバコネクタ（９３２）はコンピューティングシステム（９００）の光学モジュールを光学的に光ファイバ接続部に結合する。コネクタ（９３２）は、ＱＣ用の単一光子パルス、ＱＣ制御／同調用のブライトパルス、および光ファイバを介して受信されたその他のパルスをファイバスプリッタ（９１６）またはスプリッタに伝達する。（図９は、単純なスプリッタ（９１６）を示しているが、スプリッタは、以下にプロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）を参照して説明する高度なルーティングゲーティング論理を実現してもよい。）ＱＣ用の単一光子パルスはＡＰＤ（９１７）によって受信され、偏光計が単一光子パルスの量子状態を測定する。他のパルス（例えば、タイミング、同期、同調、従来の光ファイバ通信などのブライトパルス）は、従来の光ファイバ受信が可能になるように別のＡＰＤ（９１８）または他の検出器（図示せず）によって受信される。
【０１１２】
ドライバ電子機器を含むレーザ変調器（９１２）は、従来の送信機としてパルスを生成する。コンピューティングシステム（９００）は、レーザによって、パブリックチャネルとしての光ファイバを介した非量子通信において情報（例えば、ＱＫＤにおける測定基底に関する情報、その他のＱＫＤプロトコル情報）を送信する。
【０１１３】
プロトコル論理を含むプロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、ユーザ認証に関する動作を制御する。例えば、パブリックチャネルとしての光ファイバを介した従来の送信によって、ユーザ認証に関する暗号化されたメッセージがＱＣカードから受信されると、プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、メモリ（９２２）に事前に格納されている鍵を求め、その鍵を使用してメッセージを解読する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、メッセージの内容を分析し（例えば、ユーザの、格納されているバイオメトリック証印、ＰＩＮ、その他の識別情報、などと内容を比較し）、適宜ユーザを認証する。
【０１１４】
プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）はまた、ＱＣプロトコルに関する動作を制御し、基地局に結合されたＱＣカードと一緒に量子鍵を生成し、次いで量子鍵をユーザに関連付けてメモリ（９２２）に格納する。例えば、プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、偏光計を制御してＱＣのパルス当たり量子状態を測定し、測定された量子状態および測定基底を記録する。プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、ＱＣ送信／受信の後に、記録された測定基底を送信しＱＣカードからＱＣプロトコル制御要素を受信する、光ファイバを介したＱＣカードとの非量子通信における情報の交換を制御する。プロセッサ／ＦＰＧＡは、ＱＣプロトコル制御要素を処理して量子鍵を求める。
【０１１５】
具体的には、プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、ＱＣ受信および従来のトランシーバ機能を有効化するために、ＱＣ用に生成される単一光子パルスのタイミングおよびパターン並びにタイミングおよび／または非量子通信用に生成されるブライトパルスに従って光学モジュールを制御する。例えば、プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、ＱＣ送信機の狭周波数レーザ出力にフィルタを較正し、ＱＣ送信機からのブライトパルスおよび単一光子パルスについてパルスパターンを一致させ、ブライトパルスが受信されたときに単一光子検出器がオフになり、ブライトパルスが多光子検出器に光学的に切り替えられるように、パルスレートおよびクロックフェーズに応じてＱＣの単一光子パルス用の光子検出器のゲーティングを同期させる。
【０１１６】
プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、量子鍵を使用する安全なマルチパーティ通信プロトコルに関する動作を制御してもよい。例えば、プロセッサ／ＦＰＧＡ（９２０）は、動作を制御して、通信信頼機関との前のＱＫＤから得られた量子鍵を有するデバイスに対して、格納されている量子鍵によってセッション鍵を生成して暗号化する。
【０１１７】
メモリ（９２２）は、少なくとも部分的にＱＣに基づいて生成された１つまたは複数の鍵を格納する。例えば、メモリ（９２２）は、ＱＣカードと通信信頼機関との間のＱＫＤにおいて生成された量子鍵を格納する。メモリ（９２２）は、場合によっては、ユーザによってインデックス付けされた複数のユーザデバイス用の量子鍵を格納する。メモリ（９２２）は、所与のユーザを認証するために使用される事前に用意された初期秘密鍵のような他の鍵を格納してもよい。いくつかの実装形態では、メモリ（９２２）は、コンピューティングシステム（９００）がメモリ（９２２）へのアクセスを制御する点、鍵が暗号化形態でメモリ（９２２）に格納される点、および／またはメモリ（９２２）が物理的な改ざんに抵抗する点でセキュアメモリである。
【０１１８】
図９に示されているコンピューティングシステム（９００）は、ＱＣ受信機を実現するモジュールを含む。代替的実施形態では、通信信頼機関用のコンピューティングシステムは、ＱＣ送信器を実現するモジュールを含む。ＱＣ送信機は、基地局に結合されたＱＣカードとのＱＣの一部として量子チャネルにおいて情報を送信する。例えば、通信信頼機関用のコンピューティングシステムには従来のＱＣ送信機が含まれる。
【０１１９】
図９に示されているコンピューティングシステム（９００）は、光ファイバを介した通信向けに構成されている。代替的実施形態では、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムは、ＱＣカードとの自由空間を介したＱＣ向けに構成されている。
【０１２０】
Ｅ．光ファイバのＱＣおよび非ＱＣへの使用例
図１０は、同じ光ファイバをＱＣと非量子通信の両方に使用する汎用技術（１０００）を示している。第１のデバイスが第２のデバイスと通信する際に技術（１０００）を実施する。例えば、第１のデバイスはＱＣカードであり、第２のデバイスは、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムである。あるいは、これらの役割が交換され、第１のデバイスが、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムであり、第２のデバイスがＱＣカードである。
【０１２１】
第１のデバイスは、第２のデバイスとの非量子通信において、光ファイバ上のパブリックチャネルにおいて通信する（１０１０）。第１のデバイスは、第２のデバイスとのＱＣにおいて、同じく光ファイバ上の量子チャネルにおいて通信する（１０２０）。量子チャネルにおける情報内容は量子状態（例えば、単一光子パルスの偏光状態）で符号化される。パブリックチャネルにおける情報内容は、光ファイバを介したネットワーク通信用の従来の非量子技術を使用して符号化される。第１のデバイスと第２のデバイスは、例えばＱＣプロトコルに従ったＱＫＤによって１つまたは複数の鍵を生成する。第１のデバイスは次いで、結果として得られた鍵のうちの１つまたは複数を格納する。
【０１２２】
第１のデバイスが小型化されたＱＣ送信機を含むＱＣカードであり、第２のデバイスが、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムであるとき、ＱＣカードは、パブリックチャネルにおいて情報を送受信し、かつＱＣカードは、通信信頼機関とのＱＣには量子チャネルにおいて情報を送信する。例えば、光ファイバ上のパブリックチャネルにおける非量子通信では、（１）ＱＣが始まる前に、ＱＣカードは、ＱＣカードのユーザを認証できるようにする暗号化された識別情報を通信信頼機関に送信し、（２）ＱＣが終了してから１つまたは複数の鍵が完成するまでの間に、ＱＣカードは、通信信頼機関との間でＱＣプロトコル要素を送受信する。
【０１２３】
一方、第１のデバイスが、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムであり、第２のデバイスが、小型化されたＱＣ送信機を有するＱＣカードであるとき、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムは、パブリックチャネルにおいて情報を送受信し、コンピューティングシステムは、ＱＣカードとのＱＣについては量子チャネルにおいて情報を受信する。例えば、光ファイバ上のパブリックチャネルにおける非量子通信では、通信信頼機関を実現するコンピューティングシステムは、（１）ＱＣが始まる前に、ＱＣカードのユーザを認証できるようにする暗号化された識別情報を受信し、（２）ＱＣが終了してから１つまたは複数の鍵が完成するまでの間に、ＱＣカードとの間でＱＣプロトコル要素を送受信する。
【０１２４】
開示された発明の原則を適用してもよい考えられる多数の実施形態を考慮して、例示された実施形態が本発明の好ましい例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものとみなしてはならないことを認識されたい。むしろ、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定められる。従って、特許請求の範囲およびその趣旨内の全てのものを本発明として請求する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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